CN107940167B - 步进式管道内壁缺陷图像获取机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，包括从上到下依次通过软轴相连的第一锁紧装置、动力装置、第二锁紧装置和图像获取装置；第一锁紧装置和第二锁紧装置均包括中空的锁紧装置箱体，锁紧装置箱体内沿轴向安装有电磁铁，电磁铁一侧的输出杆上安装有楔形滑块，楔形滑块的凹面处设置有锁紧柱端盖，锁紧柱端盖通过螺钉与锁紧装置箱体外壁上对应的凹槽连接，锁紧柱端盖内部嵌有锁紧柱，锁紧柱上套有回复弹簧且圆头端与楔形滑块凹面接触。本发明采用软轴连接，保证了各模块间的柔性，避免了传动时压力角过大出现卡死，实现了通过90°弯道的能力，在软轴通道的辅助下实现管道机器人的轴向推进。

Description

步进式管道内壁缺陷图像获取机器人

技术领域

本发明属于管道检测设备技术领域，具体涉及一种步进式管道内壁缺陷图像获取机器人。

背景技术

管道运输以其安全性好，连续性强，运输量大，密封性好不易受干扰等优点，广泛应用于石油、化工产业和城市给排水等。由于工作环境恶劣，长期的使用会导致管道壁的腐蚀、杂质沉积，机械损伤等问题，若不及时检修，必定会造成环境污染和资源浪费。这就要求定期对管道进行检修、维护，但是管道大部分埋藏于地下，通过常规的巡线检测方法很难找到泄漏点，另外管道距离长，分布复杂，这都限制了泄漏检测与定位的实时、准确性。因此，开发出一种管道机器人来帮助工人完成管道检测和探伤工作十分重要。

目前国内外管道机器人按照其运动方式可分为轮式管道机器人、履带式管道机器人、蠕动式管道机器人、螺旋式管道机器人等。轮式管道机器人：在直管中具有效率高、运动平稳等优点。但其遇到弯管或者不规则管道时会发生运动干涉问题，其牵引力的提高受到封闭力大小的限制；履带式管道机器人：支撑面积大、牵引力大、越野性能好，能适应复杂的管道环境，但其结构复杂、不易小型化，转弯性能差，在直径较小的管道内灵活性较差；蠕动式管道机器人：越障能力强，能稳定运行，但其结构复杂、驱动机构多、较难控制；螺旋式管道机器人：通过旋转体的螺旋运动实现轴向运动，其结构紧凑、控制简单、弯曲管道通过性好，在保持大牵引力的条件下可进一步微小化。

然而，目前现有技术中的蠕动机器人大多采用形状记忆合金、气动、压电金属、电磁等驱动方式，其中气动驱动的蠕动机器人的气流导管较复杂，控制不准确，并且能源供给不方便，采用形状记忆合金、压电金属和电磁驱动的蠕动机器人运行速度比较慢，承载能力弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，解决了现有管道机器人控制复杂运行速度慢的问题。

本发明所采用的技术方案是，步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，包括从上到下依次通过软轴相连的第一锁紧装置、动力装置、第二锁紧装置和图像获取装置；

第一锁紧装置和第二锁紧装置均包括中空的锁紧装置箱体，锁紧装置箱体内沿轴向安装有电磁铁，电磁铁一侧的输出杆上安装有楔形滑块，楔形滑块的凹面处设置有锁紧柱端盖，锁紧柱端盖通过螺钉与锁紧装置箱体外壁上对应的凹槽连接，锁紧柱端盖内部嵌有锁紧柱，锁紧柱上套有回复弹簧且圆头端与楔形滑块凹面接触；

动力装置包括中空的动力箱，动力箱内设置有步进电机，步进电机一侧的输出轴上连接有绞盘，所述第一锁紧装置和第二锁紧装置分别通过软轴与绞盘连接；

图像获取装置包括图像获取装置箱体，图像获取装置箱体内部安装有连接在一起的控制模块和电池板，图像获取装置箱体底部从上到下依次设置有CCD相机、相机盖和LED盘，控制模块与步进电机连接。

本发明的特点还在于，

第一锁紧装置和第二锁紧装置的锁紧装置箱体、图像获取装置箱体外壁均绕轴向各设置有三组互成120°的变径支撑机构，每组变径支撑机构包括支撑座和支撑轮架，支撑座一端通过螺钉固定于锁紧装置箱体外壁对应的凹槽内，支撑座另一端与支撑轮架的水平中心处嵌套连接，支撑轮架中心处开有弹簧通道且弹簧通道内设置有第一支撑弹簧，第一支撑弹簧另一端固定在支撑座内，支撑轮架的水平两端通过轴承均连接有第一支撑轮。

动力箱外壁上下绕轴向各设置有三组支撑机构，每组支撑结构包括支撑杆，支撑杆一端与动力箱外壁通过铰接轴铰接，铰接轴外套有第二支撑弹簧，第二支撑弹簧一端固定在动力箱外壁，第二支撑弹簧另一端撑在支撑杆上靠近铰接轴一端，支撑杆另一端通过轴承连接有第二支撑轮。

绞盘外部罩有绞盘盖，绞盘盖另一侧嵌在动力箱侧壁的绞盘槽内。

绞盘上方和下方分别设置有软轴通道，软轴分别沿上下的软轴通道与绞盘连接。

第一锁紧装置的锁紧装置箱体顶部通过螺钉固定有封盖,第二锁紧装置的锁紧装置箱体顶部通过螺钉固定有第二连接盖，第二连接盖设置有用于固定软轴的圆柱槽。

第一锁紧装置和第二锁紧装置的锁紧装置箱体底部均通过螺钉固定有第一连接盖，第一连接盖内设置有用于固定软轴的圆柱槽。

支撑轮架外侧设置有导向槽插有限位销，限位销另一端固定于支撑座侧壁上。

图像获取装置箱体底部通过螺钉固定有第三连接盖，第三连接盖内设置有用于固定软轴的圆柱槽。

楔形滑块包括三组绕轴向设置互成120°的滑块斜面，每个滑块斜面分别与一个锁紧柱的圆头端接触。

本发明的有益效果是：

采用内置电源，不需拖拽电缆；

各模块间采用软轴连接，既保证了各模块间的柔性，避免了传动时压力角过大出现卡死，实现了通过90°弯道的能力，还可以在软轴通道的辅助下实现管道机器人的轴向推进；

绞盘采用双槽结构，双向牵引，移动步长为绞盘弧长的两倍，运动速度较快；

变径支撑轮可在一定范围内适应管径的变化，并使机器人具有较强的越障能力，提升了运行稳定性；

该管道机器人控制结构简单，响应速度高，进给连续性较好。

附图说明

图1为本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人的结构示意图；

图2为本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人的第一锁紧装置的结构示意图；

图3为本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人的动力装置的结构示意图；

图4为本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人的第二锁紧装置的结构示意图；

图5为本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人的图像获取装置的结构示意图；

图6为本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人的步进运动牵引过程的工作原理示意图；

图7为本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人的步进运动推进过程的工作原理示意图；

图中，1.第一锁紧装置，2.动力装置，3.第二锁紧装置，4.图像获取装置，

101.锁紧装置箱体，102.锁紧柱，103.锁紧柱端盖，104.楔形滑块，105.电磁铁，106.第一连接盖，107.第一支撑轮，108.支撑轮架，109.限位销，110.第一支撑弹簧，111.支撑座，112.封盖；

201.动力箱，202.步进电机，203.支撑杆，204.第二支撑轮，205.绞盘，206.绞盘盖，207.第二支撑弹簧；

301.第二连接盖；

401.第三连接盖，402.电池板，403.控制模块，404.CCD相机，405.相机盖，406.LED盘，407.图像获取装置箱体；

500.软轴，501.软轴通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，如图1-图5所示，包括从上到下依次通过软轴500相连的第一锁紧装置1、动力装置2、第二锁紧装置3和图像获取装置4；

第一锁紧装置1和第二锁紧装置3均包括中空的锁紧装置箱体101，锁紧装置箱体101内沿轴向安装有电磁铁105，电磁铁105一侧的输出杆上安装有楔形滑块104，楔形滑块104的凹面处设置有锁紧柱端盖103，锁紧柱端盖103通过螺钉与锁紧装置箱体301外壁上对应的凹槽连接，锁紧柱端盖103内部嵌有锁紧柱102，锁紧柱102上套有回复弹簧且圆头端与楔形滑块104凹面接触；

动力装置2包括中空的动力箱201，动力箱201内设置有步进电机202，步进电机202一侧的输出轴上连接有绞盘205，所述第一锁紧装置1和第二锁紧装置3分别通过软轴500与绞盘205连接；

图像获取装置4包括图像获取装置箱体406，图像获取装置箱体406内部安装有连接在一起的控制模块403和电池板402，图像获取装置箱体406底部从上到下依次设置有CCD相机404、相机盖405和LED盘406，控制模块403与步进电机202连接。

第一锁紧装置1和第二锁紧装置3的锁紧装置箱体101、图像获取装置箱体406外壁均绕轴向各设置有三组互成120°的变径支撑机构，每组变径支撑机构包括支撑座111和支撑轮架108，支撑座111一端通过螺钉固定于锁紧装置箱体101外壁对应的凹槽内，支撑座111另一端与支撑轮架108的水平中心处嵌套连接，支撑轮架108中心处开有弹簧通道且弹簧通道内设置有第一支撑弹簧110，第一支撑弹簧110另一端固定在支撑座111内，支撑轮架108的水平两端通过轴承均连接有第一支撑轮107。

动力箱201外壁上下绕轴向各设置有三组支撑机构，每组支撑结构包括支撑杆203，支撑杆203一端与动力箱201外壁通过铰接轴铰接，铰接轴外套有第二支撑弹簧207，第二支撑弹簧207一端固定在动力箱201外壁，第二支撑弹簧207另一端撑在支撑杆203上靠近铰接轴一端，支撑杆203另一端通过轴承连接有第二支撑轮204。

绞盘205外部罩有绞盘盖206，绞盘盖206另一侧嵌在动力箱201侧壁的绞盘槽内。

绞盘205上方和下方分别设置有软轴通道501，软轴500分别沿上下的软轴通道501与绞盘205连接。

第一锁紧装置1的锁紧装置箱体101顶部通过螺钉固定有封盖112,第二锁紧装置3的锁紧装置箱体101顶部通过螺钉固定有第二连接盖301，第二连接盖301设置有用于固定软轴500的圆柱槽。

第一锁紧装置1和第二锁紧装置3的锁紧装置箱体101底部均通过螺钉固定有第一连接盖106，第一连接盖106内设置有用于固定软轴500的圆柱槽。

支撑轮架108外侧设置有导向槽插有限位销109，限位销109另一端固定于支撑座111侧壁上。

图像获取装置箱体407底部通过螺钉固定有第三连接盖401，第三连接盖401内设置有用于固定软轴500的圆柱槽。

楔形滑块104包括三组绕轴向设置互成120°的滑块斜面，每个滑块斜面分别与一个锁紧柱102的圆头端接触。

本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，如图6所示，通过第二锁紧装置3上的锁紧柱102将管道机器人的前部锁紧，动力装置2中步进电机202带动绞盘205正转，绞盘205采用双槽结构，缠绕两根软轴500，一根牵引第一锁紧装置1向动力装置2靠近，同时另一根牵引动力装置2及第一锁紧装置1整体向第二锁紧装置3靠近，从而实现管道机器人的牵引运动。

如图7，完成牵引运动后，第二锁紧装置3上的锁紧柱102收回，将管道机器人前部释放，同时第一锁紧装置1上的锁紧柱102撑开，将管道机器人后部锁紧，动力装置2中步进电机202带动绞盘205反转，推动软轴500，由于软轴500有轴向刚性，所以软轴500可以沿着软轴通道501将第二锁紧装置3、图像获取装置4整体向前推进，同时，推动第一锁紧装置1，使动力装置2，第二锁紧装置3和图像获取装置4整体前进，从而实现管道机器人的推进运动。

这样就完成了一个步进行程，重复以上的步骤可以实现机器人连续的步进运动。如果改变前后两个锁紧装置的锁紧的顺序，则该机器人可实现向后的步进运动。

如图6-图7上述步进运动中，假设锁紧柱102与管壁不发生滑动，绞盘205半径为R，步进电机202转动圈数m(m<1),步进电机202转速n，第二锁紧装置3的电磁铁105响应时间t则

步进机器人的步长L：

L＝4πRm

步进机器人的周期T：

步进机器人轴向移动速度：

V＝T·L

该管道机器人控制结构简单，由控制模块403根据预设速度，控制模块403控制步进电机202的转动及延时，分别对两个电磁铁105只需进行通断控制，其响应速度高，进给连续性较好；绞盘205采用双槽结构，双向牵引，移动步长为绞盘弧长的两倍，运动速度较快；采用软轴500作为连接件，一方面保证了管道机器人各模块间的柔性，另一方面软轴500的轴向刚性使得绞盘205反转时，能够推动软轴500能沿软轴通道501运动，推动模块前进，从而实现整个步进运动过程。

该管道机器人在管道内行走进行管道检测，其LED盘406安装有一周共6个LED光源，用于照亮管道内部，获得清晰的管道壁图像。并且LED盘406尾部可安装蓝牙装置，CCD相机404采集的图像存储在自身SD卡中或由蓝牙驱动通过WiFi无线传输到显示与处理设备，实现工作人员对管道内壁情况的分析处理。

本发明步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，牵引力较大，控制简单，速度较快，自携带能源。

Claims (10)

1.步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，包括从上到下依次通过软轴(500)相连的第一锁紧装置(1)、动力装置(2)、第二锁紧装置(3)和图像获取装置(4)；

所述第一锁紧装置(1)和第二锁紧装置(3)均包括中空的锁紧装置箱体(101)，所述锁紧装置箱体(101)内沿轴向安装有电磁铁(105)，所述电磁铁(105)一侧的输出杆上安装有楔形滑块(104)，所述楔形滑块(104)的凹面处设置有锁紧柱端盖(103)，所述锁紧柱端盖(103)通过螺钉与锁紧装置箱体(101)外壁上对应的凹槽连接，所述锁紧柱端盖(103)内部嵌有锁紧柱(102)，所述锁紧柱(102)上套有回复弹簧且圆头端与楔形滑块(104)凹面接触；

所述动力装置(2)包括中空的动力箱(201)，所述动力箱(201)内设置有步进电机(202)，所述步进电机(202)一侧的输出轴上连接有绞盘(205)，所述第一锁紧装置(1)和第二锁紧装置(3)分别通过软轴(500)与绞盘(205)连接；

所述图像获取装置(4)包括图像获取装置箱体(407)，所述图像获取装置箱体(407 )内部安装有连接在一起的控制模块(403)和电池板(402)，所述图像获取装置箱体(407)底部从上到下依次设置有CCD相机(404)、相机盖(405)和LED盘(406)，所述控制模块(403)与步进电机(202)连接。

2.根据权利要求1所述的步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述第一锁紧装置(1)和第二锁紧装置(3)的锁紧装置箱体(101)、图像获取装置箱体(407 )外壁均绕轴向各设置有三组互成120°的变径支撑机构，每组所述变径支撑机构包括支撑座(111)和支撑轮架(108)，所述支撑座(111)一端通过螺钉固定于锁紧装置箱体(101)外壁对应的凹槽内，所述支撑座(111)另一端与支撑轮架(108)的水平中心处嵌套连接，所述支撑轮架(108)中心处开有弹簧通道且弹簧通道内设置有第一支撑弹簧(110)，所述第一支撑弹簧(110)另一端固定在支撑座(111)内，所述支撑轮架(108)的水平两端通过轴承均连接有第一支撑轮(107)。

3.根据权利要求1所述的步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述动力箱(201)外壁上下绕轴向各设置有三组支撑机构，每组所述支撑机构包括支撑杆(203)，所述支撑杆(203)一端与动力箱(201)外壁通过铰接轴铰接，所述铰接轴外套有第二支撑弹簧(207)，所述第二支撑弹簧(207)一端固定在动力箱(201)外壁，所述第二支撑弹簧(207)另一端撑在支撑杆(203)上靠近铰接轴一端，所述支撑杆(203)另一端通过轴承连接有第二支撑轮(204)。

4.根据权利要求1所述的步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述绞盘(205)外部罩有绞盘盖(206)，所述绞盘盖(206)另一侧嵌在动力箱(201)侧壁的绞盘槽内。

5.根据权利要求1所述的步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述绞盘(205)上方和下方分别设置有软轴通道(501)，所述软轴(500)分别沿上下的软轴通道(501)与绞盘(205)连接。

6.根据权利要求1所述的步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述第一锁紧装置(1)的锁紧装置箱体(101)顶部通过螺钉固定有封盖(112),所述第二锁紧装置(3)的锁紧装置箱体(101)顶部通过螺钉固定有第二连接盖(301)，所述第二连接盖(301)设置有用于固定软轴(500)的圆柱槽。

7.根据权利要求2所述的步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述第一锁紧装置(1)和第二锁紧装置(3)的锁紧装置箱体(101)底部均通过螺钉固定有第一连接盖(106)，所述第一连接盖(106)内设置有用于固定软轴(500)的圆柱槽。

8.根据权利要求2所述的步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述支撑轮架(108)外侧设置有导向槽插有限位销(109)，所述限位销(109)另一端固定于支撑座(111)侧壁上。

9.根据权利要求2所述的步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述图像获取装置箱体(407)底部通过螺钉固定有第三连接盖(401)，所述第三连接盖(401)内设置有用于固定软轴(500)的圆柱槽。

10.根据权利要求2所述的步进式管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述楔形滑块(104)包括三组绕轴向设置互成120°的滑块斜面，每个滑块斜面分别与一个锁紧柱(102)的圆头端接触。