CN107649470B - 一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人及方法，包括径向行走机构、动力变换机构、管径自适应机构和清洗机构，径向行走机构，包括多个行走单元，所述行走单元沿机器人本体主轴圆周分布，每组行走单元结构一致；动力变换机构将位于机器人本体主轴的电机轴的动力变向传递给各个行走单元，以实现动力的方向转变和传递；管径自适应机构，包括调节机构和连接径向行走机构的连杆，调节机构带动连杆运动，通过调节机构在主轴上位置的改变，实现连杆的动作，以同时带动径向行走机构在径向方向与主轴的距离，实现管径的适应；清洗机构设置于主轴前端，随着径向行走机构的运动，清洗管道内不同位置。

Description

一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人及方法

技术领域

本发明涉及一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人及方法。

背景技术

用于石油、天然气乃至民用上下水等的管道在传输液、气体过程中，因温度、压力不同及介质与管道之间的物理化学作用，常常会高温结焦，生成油垢、水垢、存留沉积物、腐蚀物等，使有效传输管径减少，效率下降，物耗、能耗增加，工艺流程中断，设备失效，发生安全事故。尽管通过添加化学剂，采用合理的工艺流程，进行水质处理措施可以在一定程度上改善这些情况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。我国的管道清洗行业长期以来80％采用的是化学方法以及手工清洗和机械清洗方法，存在成本高、效率低、污染环境等问题，远远不能满足现代社会日益增长的要求。探索和开发高效的清洗方法成为工业生产和人民生活的不可或缺的环节。

管道机器人作为一种高度自动化的管内爬行设备因实际情况的需要逐步发展起来，这种设备在管道作业中可以起到运载工具的作用。管道机器人是一种可沿管道内行走的机械装置，能进入人力所不及、复杂多变的非常规管道环境中，在远程操纵下完成管道检测、清理、修补等作业，以保障管道安全和畅通无阻的工作。目前工业领域内使用的管道机器人多种多样，按功能不同主要可分为：管道清洁机器人、管道检测机器人和管道补口机器人。

目前对管道机器人的研究较多，如申请号为CN201310559403.5的发明专利记载了一种通过两部移动车由铰链相连接，通过驱动机构调节折叠角度，使轮子以加压方式被管道的内侧面支撑，洗涤部件设置于第一移送车、第二移送车中某一个，利用旋转力清洁管道的内部。该发明开始作业时容易投入于入口侧的内径窄的管道，能灵活地放大或缩小大小以用于具有各种直径的管道，在移送中，第一移送车、第二移送车的轮子以紧贴方式被相向的管道内壁支撑。但其洗涤部件对中性需要人为调节，不好保证清洗效果；移送车轮子与管壁的接触面不稳定，对于小直径管附着牵引力容易不足，大直径管则容易侧翻。再如申请号为201610047373.3的发明专利，记载了一种由机架、履带行走机构、管径自适应调整机构、管道清洁机构等组成的履带轮式管道清洁机器人。四个履带轮分布于机架的四角，带动整机行进，可伸缩电动推杆控制履带轮与机架角度可变，使履带轮紧贴管壁，清洁功能由三个清洁臂实现。但是该机器人调整过程复杂、缓慢，需用红外检测装置探查障碍；每个履带轮上都需要安装电机，使得整机重量较大，结构复杂，故障率高；清洁臂不能完全覆盖管道内表面，清洗有遗漏，对中性差，清洗效率低。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人及方法，本发明具有结构简单，过弯能力强，对中性好清洁全面的优点，同时能够自动适应管径变化，适应任意坡度，可用于垂直管道。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人，包括径向行走机构、动力变换机构、管径自适应机构和清洗机构，其中：

所述径向行走机构，包括多个行走单元，所述行走单元沿机器人本体主轴圆周分布，每组行走单元结构一致；

所述动力变换机构将位于机器人本体主轴的电机轴的动力变向传递给各个行走单元，以实现动力的方向转变和传递；

所述管径自适应机构，包括调节机构和连接径向行走机构的连杆，所述调节机构带动连杆运动，通过调节机构在主轴上位置的改变，实现连杆的动作，以同时带动径向行走机构在径向方向与主轴的距离，实现管径的适应；

所述清洗机构设置于主轴前端，通过动力变换机构和径向行走机构的配合，使清洗机构随着径向行走机构的运动，清洗管道内不同位置。

进一步的，所述径向行走机构为轮式行走机构，多组行走单元由主轴向外辐射的，每个行走单元包括主动轮和辅助轮。

进一步的，所述主动轮通过设置于主轴的电机通过所述的动力变换机构提供动力，辅助轮起支撑稳定作用。

进一步的，所述动力变换机构由多组蜗轮蜗杆系统和链传动系统组合而成，每组蜗轮蜗杆系统与一个行走单元相对应，电机轴的动力通过联轴器传递给蜗杆，蜗杆通过啮合传动将动力传递给蜗轮，与蜗轮同轴的链轮通过链传动将动力传递给与主动轮同轴的链轮，再传递给主动轮，借此实现动力的方向转变和传递。

进一步的，所述管径自适应机构包括调节电机、螺母、丝杠和连杆，丝杠转动带动螺母水平位移，在最右端时实现机器人直径最小的状态，即管径适应的下限；在最左端时实现机器人直径最大的状态，即管径适应的上限，连杆形成支架，支架带动主动轮和辅助轮同时动作，所述调节电机带动丝杠的转动。

进一步的，所述清洗机构为清洗盘，清洗盘外围一圈根据需要加装清洗部件，完成不同的作业要求。

进一步的，所述清洗机构上设置有外接摄像头对管道清洁情况实时采集。将采集的实时图像反馈到外部工作人员的显示器上，工作人员可根据清洗效果人工控制机器人的行进速度，以取得良好的清洗效果，又不会浪费资源。

进一步，所述主动轮上上设置有压力传感器，采集主动轮与管壁间的压紧力，并将其传输给机器人的控制器。该力的大小由机器人在竖直管道中受力情况计算而来，可以保证机器人产生稳定的附着牵引力，即使在竖直管道中也可以稳定工作。

进一步，所述清洁机器人采用电动驱动方式，径向轮式行走的驱动器采用直流永磁电机，丝杠的调节电机采用步进电机。

基于上述机器人的控制方法，包括以下步骤：

(1)测试行走单元与管道的压紧力，若不在设定范围内，调节轮子与电机径向距离，使得压紧力达到设定范围；

(2)压紧力符合要求后，启动驱动电机，动力由动力变换机构传递到行走单元上，带动机器人在管道内实现行走，带动清洗机构与管壁产生摩擦，完成清洗；

(3)需要调节机器人行走速度时，只需调节电机转速即可实现行进速度的变化，机器人需要过弯时无需额外调节，因其轮上压紧力产生变化，管径自适应装置开始调节，使得机器人在管道内姿态发生变化，轮子始终贴于管壁，压紧力维持稳定，自行通过弯道。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明结构简单，体积较小，重量较轻，只用一部电机作动力源，高效节能；

2.本发明采用丝杠螺母系统调节轮子与电机的径向距离，可适应不同管径变化；

3.本发明在轮子上采用压力传感器保证轮子与管壁间的压紧力足够支撑机器人重量，适应各种坡度；

4.本发明因结构简单，长度由过弯能力校核控制，可实现适应管径范围内直角弯道的过弯；

5.本发明清洁机构对中性好，清洗全面、效率高，可用于各种圆管的清洗，且由于清洗机构是作为一个独立的部件，可以随意拆卸，可在清洗装置的基础上更换为管道检测装置或管道修补装置，以完成管道检测、补口和焊接等作业，实现功能的多样化。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为动力变换装置的结构示意图；

图3为本发明适应较小管径状态时示意图；

图4为本发明适应较大管径状态时示意图；

图5为本发明控制系统总体流程图；

图中，1-动力电机，2-涡轮轴，3-蜗轮，4-清洗盘，5-外接摄像头，6-清洗盘轴，7-联轴器，8-蜗杆，9-蜗轮同轴链轮，10-主动轮同轴链轮，11-辅助轮支架，12-辅助轮，13-万向节，14-丝杠，15-丝杠螺母，16-调节电机，17-轮间连杆，18-主动轮，19-主动轮支架，20-连杆。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在管道机器人结构复杂，负载大，爬坡能力，越障能力，管道内转弯能力不好等问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种可适应不同管径变化的径向轮式管道清洁机器人。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种适应不同管径变化的径向轮式管道清洁机器人，包括：径向轮式行走机构、动力变换机构、管径自适应机构、清洗盘4、外接摄像头5等。

进一步，所述径向轮式行走机构，由电机筒向外辐射的三组，共六个轮子构成，其中左侧三个为主动轮18，由动力电机1通过所述的动力变换机构提供动力，右侧三个辅助轮12起支撑稳定作用。

进一步，所述动力变换装置由三组蜗轮蜗杆系统和链传动系统组合而成，电机轴的动力通过联轴器7传递给蜗杆8，蜗杆8通过啮合传动将动力传递给蜗轮3，与蜗轮3同轴的链轮9通过链传动将动力传递给与主动轮同轴的链轮10，再传递给主动轮18；借此实现动力的方向转变和传递。

进一步，所述管径自适应机构由丝杠螺母系统构成，丝杠14转动带动螺母15水平位移，在最右端时可实现机器人直径最小的状态，即管径适应的下限；在最左端时可实现机器人直径最大的状态，即管径适应的上限。通过连杆20作用到辅助轮支架11，在通过轮间连杆17作用到主动轮支架19上，实现主动、辅助轮的同步调节。

进一步，所述清洗-机构由清洗盘4与清洗盘轴6组成，其外围一圈可根据需要加装清洗部件，完成不同的作业要求。

进一步，所述外接摄像头5可对管道清洁情况实时反馈到外部工作人员的显示器上，工作人员可根据清洗效果人工控制机器人的行进速度，以取得良好的清洗效果，又不会浪费资源。

进一步，所述主动轮上的压力传感器可使轮子12、18与管壁间存在一个稳定的压紧力，该力的大小由机器人在竖直管道中受力情况计算而来，可以保证机器人产生稳定的附着牵引力，即使在竖直管道中也可以稳定工作。

进一步，径向辐射轮式管道清洁机器人采用电动驱动方式，驱动器采用直流永磁电机1，丝杠14的调节电机采用步进电机16。

图2所示为机器人的动力变换装置结构图，可以看到电机轴的动力通过联轴器7传递给蜗杆8，蜗杆8通过啮合传动将动力传递给蜗轮3，与蜗轮同轴的链轮9通过链传动将动力传递给与主动轮同轴的链轮10，再传递给主动轮18；借此实现动力的方向转变和传递。

图3所示为机器人适应最小管径的状态，此时丝杠螺母15位于丝杠14的最右端，连杆近乎水平，轮子距离电机壳距离最近，此时的整个机器人的直径最小。

图4所示为机器人适应最大管径的状态，此时丝杠螺母15位于丝杠14的左端，连杆处于竖直状态，轮子支架被撑起，轮子距离电机壳最远，此时的整个机器人的直径最大。

图5所示为机器人控制系统总体流程图，机器人工作时，压力传感器先探测轮上压力是否在设定范围内，若不在则调节电机启动，带动丝杠14进行管径自适应调节，直至压力符合要求，动力电机启动，机器人进行行进清洗作业。

本发明还涉及这种管道清洁机器人的控制方法，所述控制方法为：

1.机器人的控制方法的具体步骤：

步骤1：机器启动后，若轮子12、18上压紧力不符合要求，启动调节电机16，丝杠14带动螺母15产生水平移动，调节轮子12、18与电机1、16的径向距离，使得压紧力达到设定范围；

步骤2：压紧力符合要求后，启动驱动电机1，动力由蜗轮蜗杆系统、链传动系统传递到主动轮18上，带动机器人在管道内实现行走；

步骤3：需要调节机器人行走速度时，只需调节电机1的转速即可实现行进速度的变化；

步骤4：机器人需要过弯时无需额外调节，因其轮子12、18压紧力产生变化，管径自适应装置开始调节，使得机器人在管道内姿态发生变化，轮子12、18始终贴于管壁，压紧力维持稳定，可以自行通过弯道。

步骤5：机器人的清洗功能由清洗盘4完成，清洗盘轴6与蜗杆8通过联轴器7连接，在行进过程中蜗杆8带动清洗盘4旋转，清洗部会与管壁产生摩擦，完成清洁。

2.机器人突发故障，将其移出管道的具体方案：

方案1：在机器人后用万向节13串联一部备用机器人，在机器人故障时，启动备用机器人继续完成清洗工作；

方案2：在机器人后连接牵引绳，出现故障时人工拉出；

方案3：从管道一头喷入流体，利用流体压力将机器人推出。

本发明可用于各种圆管的清洗。由于清洗机构是作为一个独立的部件，可以随意拆卸，可在清洗装置的基础上更换为管道检测装置或管道修补装置，以完成管道检测、补口和焊接等作业，实现功能的多样化。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人，其特征是：包括径向行走机构、动力变换机构、管径自适应机构和清洗机构，其中：

所述径向行走机构，包括多个行走单元，所述行走单元沿机器人本体主轴圆周分布，每组行走单元结构一致；径向行走机构为轮式行走机构，多组行走单元由主轴向外辐射的，每个行走单元包括主动轮和辅助轮；所述主动轮通过设置于主轴的电机通过所述的动力变换机构提供动力，辅助轮起支撑稳定作用；

所述动力变换机构将位于机器人本体主轴的电机轴的动力变向传递给各个行走单元，以实现动力的方向转变和传递；动力变换机构由多组蜗轮蜗杆系统和链传动系统组合而成，每组蜗轮蜗杆系统与一个行走单元相对应，电机轴的动力通过联轴器传递给蜗杆，蜗杆通过啮合传动将动力传递给蜗轮，与蜗轮同轴的链轮通过链传动将动力传递给与主动轮同轴的链轮，再传递给主动轮，借此实现动力的方向转变和传递；

所述管径自适应机构，包括调节机构和连接径向行走机构的连杆，所述调节机构带动连杆运动，通过调节机构在主轴上位置的改变，实现连杆的动作，以同时带动径向行走机构在径向方向与主轴的距离，实现管径的适应；

所述清洗机构设置于主轴前端，通过动力变换机构和径向行走机构的配合，使清洗机构随着径向行走机构的运动，清洗管道内不同位置；

所述主动轮上设置有压力传感器，采集主动轮与管壁间的压紧力，并将其传输给机器人的控制器；保证轮子与管壁间的压紧力足够支撑机器人重量，适应各种坡度，在清洁机器人需要过弯时无需额外调节电机转速，当压力传感器检测到其轮上压紧力产生变化，管径自适应机构开始调节，使得机器人在管道内姿态发生变化，轮子始终贴于管壁，压紧力维持稳定，自行通过弯道。

2.如权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人，其特征是：所述管径自适应机构包括调节电机、螺母、丝杠和连杆，丝杠转动带动螺母水平位移，在最右端时实现机器人直径最小的状态，即管径适应的下限；在最左端时实现机器人直径最大的状态，即管径适应的上限，连杆形成支架，支架带动主动轮和辅助轮同时动作，所述调节电机带动丝杠的转动。

3.如权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人，其特征是：所述清洗机构为清洗盘，清洗盘外围一圈根据需要加装清洗部件，完成不同的作业要求。

4.如权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人，其特征是：所述清洗机构上设置有外接摄像头对管道清洁情况实时采集。

5.如权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的管道清洁机器人，其特征是：所述清洁机器人采用电动驱动方式，径向轮式行走的驱动器采用直流永磁电机，丝杠的调节电机采用步进电机。

6.基于如权利要求1-5中任一项所述的机器人的控制方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)测试行走单元与管道的压紧力，若不在设定范围内，调节轮子与电机径向距离，使得压紧力达到设定范围；

(2)压紧力符合要求后，启动驱动电机，动力由动力变换机构传递到行走单元上，带动机器人在管道内实现行走，带动清洗机构与管壁产生摩擦，完成清洗；

(3)需要调节机器人行走速度时，只需调节电机转速即可实现行进速度的变化，机器人需要过弯时无需额外调节，因其轮上压紧力产生变化，管径自适应装置开始调节，使得机器人在管道内姿态发生变化，轮子始终贴于管壁，压紧力维持稳定，自行通过弯道。

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