CN108442506A - 一种用于排水管道的多功能检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于排水管道的多功能检测机器人，包括地面模块和检测机器人；所述地面模块和检测机器人分别通过电控复合缆和主液压管路联接；所述地面模块包括发动机组件、管道检测工程车、和操作室；所述检测机器人包括移动执行机构、箱体、排堵执行机构、检测传感机构；本发明在无水或者满水情况下对排水管道、箱涵均能进行检测作业，解决了用多套设备反复下井检测的麻烦；在应对泥石堵塞时，通过排堵执行机构对堵塞物的整理，可以有效理平阻碍，从而使多功能检测机器人能继续工作；通过水下测距组件测量相应距离，可以有效控制检测机器人在管道内行走和作业。

Description

一种用于排水管道的多功能检测机器人

技术领域

本发明属环保设备技术领域，具体涉及一种用于排水管道的多功能检测机器人。

背景技术

城市下水管道经常由于各种情况需要进行检测，现有检测设备普遍存在以下问题：1.现有检测设备功能单一；2.现有检测技术在应对下水道不可预测的复杂环境时，显示效果不够稳定，如视频画面、声呐成像画面干扰大；3.运用范围狭窄，管道无水和满水情况，设备不能同时兼用；4.只针对小型圆管的施工检测，大型箱涵管道不适用；5.不具备排除堵塞、跨越障碍的能力。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种用于排水管道的多功能检测机器人，本发明的技术方案如下：

一种用于排水管道的多功能检测机器人，包括地面模块和检测机器人；

所述地面模块和检测机器人分别通过电控复合缆和主液压管路联接；

所述地面模块包括发动机组件、管道检测工程车、和操作室；

所述操作室内设置有操作箱、显示器和主机；

所述检测机器人包括移动执行机构、箱体、排堵执行机构、检测传感机构；

所述箱体设置在移动执行机构上，排堵执行机构安装在箱体的前端，检测传感机构安装在箱体的顶部和四周；箱体内后端安装有电控箱，箱体内前端安装有液压控制阀组，液压油管和电控线缆保持独立不干涉；

所述箱体内电控箱包括PLC控制器、稳压电源、接线端子排、线缆、导轨和安装面板;通过与操作室内PLC控制器建立局域网络，对设备上的电磁阀、传感器、摄像头等进行联合采集控制；

所述箱体内的液压控制阀组包括多组电磁阀、液压阀块、液压油管，通过电控箱控制电磁阀通断，进行阀组阀路控制；

所述检测传感机构包括前置摄像头、测距传感器、声呐探头、细节摄像头、排堵执行机构、后置摄像头、测距传感器；

所述移动执行机构包括履带、履带底盘、行走马达，履带的行走通过两个行走马达控制；

所述排堵执行机构包括推泥板结构、大臂上下摆动结构、液压系统，通过液压控制大臂向下摆至泥堆阻碍面，通过履带前进，使多余泥层顺着推泥板向两侧分开，直到履带能正常行走。

所述地面模块和检测机器人分别通过电控复合缆、和主液压管路连接；地面模块内的发动机组件内设置有液压泵，发动机通过带动液压泵将液压油通过主液压管路输送至检测机器人上的液压控制阀组中，控制移动执行机构及排堵执行机构的动作；地面模块内的发动机通过电瓶组分别为主机和操作箱供电，操作箱通过电控复合缆连接至检测机器人箱体内的电控箱内，对检测机器人进行供电和控制；

本发明的用于排水管道的多功能检测机器人工作过程如下：当管道处于无水状况时，在机器人行走过程中，高清工业摄像头对管道内的情况进行均匀拍摄，操作人员可在视频画面内及时有效的查找管道壁的缺陷处。

当管道处于有水或满水状况时，声呐检测系统 可在管道箱涵内采集检测信息（作业点的GPS坐标值，作业人员、作业时间，检测井号，连接井号，被检测管道的类型、材质、管径、特征点、附属设施、埋设深度、建设年代、权属单位，检测文件名称以及初步判定的代表性缺陷等，部分信息需要人工填写）通过GPRS网络实时上传至服务器进行分类存储；通过处理软件形成管道的横断面图，直观地了解管道内壁及沉积的概况，有效的检测出管道内淤泥量和软质管道变形等结构性缺陷问题。

水下测距组件能采集到机器人左右两箱体边至管壁距离，通过工业可编程控制器编程计算，可在操作箱上人机界面实时显示出机器人工作的模拟画面。

当遇到泥石阻碍时，可通过机器人排堵执行机构进行疏通，或者直接通过履带行走穿越障碍。

本发明的用于排水管道的多功能检测机器人工作原理如下：

本发明的机器人包括七大系统：移动执行机构、排堵执行机构、视频检测系统、声呐检测系统、测距成像系统、液压控制系统、电气控制系统；

1.移动执行机构包括履带、履带底盘、行走马达。履带的行走通过两个行走马达控制，行走马达同时正转，机器人前进；行走马达同时反转，机器人后退；行走马达一个正转，一个反转，机器人转向。

2.排堵执行机构包括推泥板结构、大臂上下摆动结构、液压系统等，施工中遇到阻碍前进的泥堆，就进行大臂下摆，履带前进，将泥堆推到两边，从而使履带能跨越前行，正常检测时，大臂上摆，使声呐探头和前置摄像头能正常工作。

3、视频检测系统包括高清电力载波摄像头、水下照明灯、载波解析模块、工业无线硬盘刻录机、高清显示屏、电控复合缆等。前置摄像头和后置摄像头进行管道整体录摄成像，大臂前端的细节摄像执行机构，进行检测管道内细节部分，其中一个摄像头可进行360度旋转拍摄。4路数字高清摄像头采集4路视频信号，摄像头内部处理芯片将视频信号通过低压电力载波方式，发送到电源适配器和载波解析模块，适配器内部解码芯片解析后转换成TCP/IP标准以太网信号进无线硬盘刻录机，硬盘刻录机将信号发往显示屏进行显示。视频信号采用电力载波的方式，相比模拟摄像头采用多路视频复用器进行远距离传输方式，减少了线路中间节点，减少了线路数量，视频画面也更具实时性和稳定性。而相比采用数字摄像头采用光纤传输的方式，则减少了光纤和电力复合缆的费用成本，和光纤缆易折断的故障风险。

施工检测时，高清电力载波摄像头和水下照明灯配合，正对管道、箱涵，视频检测系统直观的将全局画面采集进系统，操作人员通过显示画面及时注意到缺陷问题，并在软件界面标记，系统会自动记录该缺陷所处位置，其他材质、管径、特征点等信息可手动输入，检测结束，软件会自动生成检测报告。

4.声呐检测系统包括声呐探头、主机、声呐检测成像分析软件、电控复合缆等，声呐探头安装在机器人机身前部下端位置，保障探头的声呐发射视野，保证探头置于管道内部的水下（满管、半管均可），机器人移动时，主机结合管道声纳检测成像分析软件实时采集并显示出高分辨率的轮廓图片。通过分析轮廓特征可判定管道内部的沉积、凝结物或管壁的结构性病害。检测成像软件安装于主机上，并通过USB数据线与主机连接，用于在检测过程中实时显示和采集检测图像。声纳图像表示的是一个个管道的横截面，通过色彩表示从管壁反射回来的回波强度，回波强度说明了管道内壁表面的情况或管道横截面的结构。

5.测距成像系统由超声波测距传感器、电控箱、操作箱、电控复合缆等组成。超声波传感器安装在机器人腔体左右两侧四角偏下部分，保障换能器的超声波发射视野，保证换能器置于管道内部的水下（满管、半管均可），测距传感器能精准测出0.1-3m的触壁距离。通电工作时，电控箱内控制器采集测距传感器的信号，进行程序处理，控制器通过CAN总线和操作箱内人机界面通讯，经过程序处理，可在人机界面形成一个模拟的机器人工况画面，帮助满水情况，进行机器人操作。

6、电气控制系统

发动机工作时，对电瓶组充电，输出24V直流接到端子排上。一部分通过24V转220V逆变器转换，供主机和摄像头电源处理模块，一部分接入操作箱供电。操作箱内部包括：可编程控制器、断路器、视频刻录机、人机界面、接触器、摄像头处理模块、端子排、手柄、扳钮开关、电位计等。操作箱控制器采集面板开关量、模拟量信息，通过CAN总线与人机界面和电控箱内控制器进行交互通信，接收并反馈给电控箱控制器和人机界面。电控复合缆规格为4*4+4*2*1.5 , 4*4为一组电源线和一组备用电源线，2组2*1.5的摄像头信号线，1组CAN总线，1组声呐信号线。电控箱内部包括：可编程控制器、稳压电源、端子排等，稳压电源输出24V给控制器供电，控制器直接采集传感器信号和发布命令，与操作箱控制器通讯。

7、液压控制系统

本系统包括油箱、截止阀、液压泵、高压过滤器、回油过滤器、多路阀组、左行走马达、右行走马达、摄像头旋转马达、液压锁、翻转油缸、举升油缸；系统由动力源带动泵，泵提供高压液压油通过管路传输到的箱体内多路阀组中，通过多路阀进行分配给左行走马达、右行走马达、摄像头旋转马达、翻转油缸、举升油缸。其中多路阀组控制由操作人员在操作室内操作电控开关或手柄给机器人箱体内控制器信号从而控制多路阀各个阀块电磁铁的得失电进行控制各执行机构的动作。

本发明的具体动作和程序控制如下：

左、右履带行走：电磁阀控制油缸动作

大臂上翻、下翻：电磁阀控制油缸动作

视频头上翻、下翻：电磁阀控制油缸动作

视频头旋转：电磁阀控制液压马达工作

声呐探头采集信号直接通过控制电缆传输进操作台主机，经过专业声呐分析软件处理，在显示屏上显示声呐成像画面。

测距传感器测得机器人腔体与管壁距离，倾角传感器输出大臂、腔体的水平或垂直距离，通过CoDeSys编写程序计算出机器人在管道内1:1比例位置，以及大臂上、下翻的动作，行走动作，做出动画效果，在人机界面进行显示。

本发明的有益效果如下：

1、功能齐全，在无水或者满水情况下对排水管道、箱涵均能进行检测作业，解决了用多套设备反复下井检测的麻烦；

2、在应对泥石堵塞时，通过排堵执行机构对堵塞物的整理，可以有效理平阻碍，从而使多功能检测机器人能继续工作；

3、通过水下测距组件测量相应距离，采集做一个排水管道内的横向和纵向两个模拟画面，可以有效控制检测机器人在管道内行走和作业

4、能够在地面定位管道破损位置，利于后期有效进行管道修复。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明的检测机器人结构示意图

图3是本发明的检测机器人结构示意图

图4是本发明的操作室内结构示意图

图5是本发明的视频检测系统示意图

图6是本发明的电气控制系统示意图

图7是本发明的液压控制系统示意图

附图标号说明： 1发动机组件， 2管道检测工程车， 3泥石层， 4操作室， 5电控复合缆， 6主液压管路， 7污水层， 8视频显示器，9人机界面， 10操作箱， 11检测过程显示屏，12主机， 13前置摄像头， 14测距传感器， 15声呐探头， 16细节摄像头， 17排堵执行机构，18后置摄像头， 19油箱，20截止阀，21液压泵，22高压过滤器，23回油过滤器，24多路阀组，25左行走马达，26右行走马达，27摄像头旋转马达，28液压锁，29翻转油缸，30举升油缸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明，如图所示，本发明的一种用于排水管道的多功能检测机器人，包括地面模块和检测机器人；

所述地面模块和检测机器人分别通过电控复合缆5和主液压管路6联接；

所述地面模块包括发动机组件1、管道检测工程车2、和操作室4；

所述操作室4内设置有操作箱10、显示器（视频显示器8、检测过程显示屏11）、主机12；

所述检测机器人包括移动执行机构、箱体、排堵执行机构、检测传感机构；

所述箱体设置在移动执行机构上，排堵执行机构安装在箱体的前端，检测传感机构安装在箱体的顶部和四周；箱体内后端安装有电控箱，箱体内前端安装有液压控制阀组，液压油管和电控线缆保持独立不干涉；

所述箱体内电控箱包括PLC控制器、稳压电源、接线端子排、线缆、导轨和安装面板;通过与操作室4内PLC控制器建立局域网络，对设备上的电磁阀、传感器、摄像头等进行联合采集控制。

所述箱体内的液压控制阀组包括3组电磁阀、液压阀块、液压油管，通过电控箱控制电磁阀通断，进行阀组阀路控制。

所述检测传感机构包括前置摄像头13、测距传感器14、声呐探头15、细节摄像头16、排堵执行机构17、后置摄像头18；

所述移动执行机构包括履带、履带底盘、行走马达，履带的行走通过两个行走马达控制；

所述排堵执行机构17包括推泥板结构、大臂上下摆动结构、液压系统，通过液压控制大臂向下摆至泥堆阻碍面，通过履带前进，使多余泥层顺着推泥板向两侧分开，直到履带能正常行走。

所述地面模块和检测机器人分别通过电控复合缆5、和主液压管路6连接；地面模块内的发动机组件内设置有液压泵，发动机通过带动液压泵将液压油通过主液压管路6输送至检测机器人上的液压控制阀组中，控制移动执行机构及排堵执行机构的动作；地面模块内的发动机通过电瓶组分别为主机和操作箱供电，操作箱通过电控复合缆5连接至检测机器人箱体内的电控箱内，对检测机器人进行供电和控制；

本发明的用于排水管道的多功能检测机器人工作过程如下：当管道处于无水状况时，在机器人行走过程中，高清工业摄像头对管道内的情况进行均匀拍摄，操作人员可在视频画面内及时有效的查找管道壁的缺陷处。

当管道处于有水或满水状况时，声呐检测系统 可在管道箱涵内采集检测信息（作业点的GPS坐标值，作业人员、作业时间，检测井号，连接井号，被检测管道的类型、材质、管径、特征点、附属设施、埋设深度、建设年代、权属单位，检测文件名称以及初步判定的代表性缺陷等，部分信息需要人工填写）通过GPRS网络实时上传至服务器进行分类存储；通过处理软件形成管道的横断面图，直观地了解管道内壁及沉积的概况，有效的检测出管道内淤泥量和软质管道变形等结构性缺陷问题。

水下测距组件能采集到机器人左右两箱体边至管壁距离，通过工业可编程控制器编程计算，可在操作箱上人机界面实时显示出机器人工作的模拟画面。

当遇到泥石阻碍时，可通过机器人排堵执行机构进行疏通，或者直接通过履带行走穿越障碍。

本发明的用于排水管道的多功能检测机器人工作原理如下：

本发明的机器人包括七大系统：移动执行机构、排堵执行机构、视频检测系统、声呐检测系统、测距成像系统、液压控制系统、电气控制系统；

1.移动执行机构包括履带、履带底盘、行走马达。履带的行走通过两个行走马达控制，行走马达同时正转，机器人前进；行走马达同时反转，机器人后退；行走马达一个正转，一个反转，机器人转向。

2.排堵执行机构包括推泥板结构、大臂上下摆动结构、液压系统等，施工中遇到阻碍前进的泥堆，就进行大臂下摆，履带前进，将泥堆推到两边，从而使履带能跨越前行，正常检测时，大臂上摆，使声呐探头和前置摄像头能正常工作。

3、视频检测系统包括高清电力载波摄像头、水下照明灯、载波解析模块、工业无线硬盘刻录机、高清显示屏、电控复合缆等。前置摄像头和后置摄像头进行管道整体录摄成像，大臂前端的细节摄像执行机构，进行检测管道内细节部分，其中一个摄像头可进行360度旋转拍摄。4路数字高清摄像头采集4路视频信号，摄像头内部处理芯片将视频信号通过低压电力载波方式，发送到电源适配器和载波解析模块，适配器内部解码芯片解析后转换成TCP/IP标准以太网信号进无线硬盘刻录机，硬盘刻录机将信号发往显示屏进行显示。视频信号采用电力载波的方式，相比模拟摄像头采用多路视频复用器进行远距离传输方式，减少了线路中间节点，减少了线路数量，视频画面也更具实时性和稳定性。而相比采用数字摄像头采用光纤传输的方式，则减少了光纤和电力复合缆的费用成本，和光纤缆易折断的故障风险。

施工检测时，高清电力载波摄像头和水下照明灯配合，正对管道、箱涵，视频检测系统直观的将全局画面采集进系统，操作人员通过显示画面及时注意到缺陷问题，并在软件界面标记，系统会自动记录该缺陷所处位置，其他材质、管径、特征点等信息可手动输入，检测结束，软件会自动生成检测报告。

4.声呐检测系统包括声呐探头、主机、声呐检测成像分析软件、电控复合缆等，声呐探头安装在机器人机身前部下端位置，保障探头的声呐发射视野，保证探头置于管道内部的水下（满管、半管均可），机器人移动时，主机结合管道声纳检测成像分析软件实时采集并显示出高分辨率的轮廓图片。通过分析轮廓特征可判定管道内部的沉积、凝结物或管壁的结构性病害。检测成像软件安装于主机上，并通过USB数据线与主机连接，用于在检测过程中实时显示和采集检测图像。声纳图像表示的是一个个管道的横截面，通过色彩表示从管壁反射回来的回波强度，回波强度说明了管道内壁表面的情况或管道横截面的结构。

5.测距成像系统由超声波测距传感器、电控箱、操作箱、电控复合缆等组成。超声波传感器安装在机器人腔体左右两侧四角偏下部分，保障换能器的超声波发射视野，保证换能器置于管道内部的水下（满管、半管均可），测距传感器能精准测出0.1-3m的触壁距离。通电工作时，电控箱内控制器采集测距传感器的信号，进行程序处理，控制器通过CAN总线和操作箱内人机界面通讯，经过程序处理，可在人机界面形成一个模拟的机器人工况画面，帮助满水情况，进行机器人操作。

6、电气控制系统

发动机工作时，对电瓶组充电，输出24V直流接到端子排上。一部分通过24V转220V逆变器转换，供主机和摄像头电源处理模块，一部分接入操作箱供电。操作箱内部包括：可编程控制器、断路器、视频刻录机、人机界面、接触器、摄像头处理模块、端子排、手柄、扳钮开关、电位计等。操作箱控制器采集面板开关量、模拟量信息，通过CAN总线与人机界面和电控箱内控制器进行交互通信，接收并反馈给电控箱控制器和人机界面。电控复合缆规格为4*4+4*2*1.5 , 4*4为一组电源线和一组备用电源线，2组2*1.5的摄像头信号线，1组CAN总线，1组声呐信号线。电控箱内部包括：可编程控制器、稳压电源、端子排等，稳压电源输出24V给控制器供电，控制器直接采集传感器信号和发布命令，与操作箱控制器通讯。

8、液压控制系统

本系统包括油箱19、截止阀20、液压泵21、高压过滤器22、回油过滤器23、多路阀组24、左行走马达25、右行走马达26、摄像头旋转马达27、液压锁28、翻转油缸29、举升油缸30；系统由动力源带动泵，泵提供高压液压油通过管路传输到的箱体内多路阀组24中，通过多路阀进行分配给左行走马达25、右行走马达26、摄像头旋转马达27、翻转油缸29、举升油缸30。其中多路阀组控制由操作人员在操作室4内操作电控开关或手柄给机器人箱体内控制器信号从而控制多路阀各个阀块电磁铁的得失电进行控制各执行机构的动作。

本发明的具体动作和程序控制如下：

左、右履带行走：电磁阀控制油缸动作

大臂上翻、下翻：电磁阀控制油缸动作

视频头上翻、下翻：电磁阀控制油缸动作

视频头旋转：电磁阀控制液压马达工作

声呐探头采集信号直接通过控制电缆传输进操作台主机，经过专业声呐分析软件处理，在显示屏上显示声呐成像画面。

测距传感器测得机器人腔体与管壁距离，倾角传感器输出大臂、腔体的水平或垂直距离，通过CoDeSys编写程序计算出机器人在管道内1:1比例位置，以及大臂上、下翻的动作，行走动作，做出动画效果，在人机界面进行显示。

以上是对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于排水管道的多功能检测机器人，其特征在于，包括地面模块和检测机器人；

所述地面模块和检测机器人分别通过电控复合缆和主液压管路联接；

所述地面模块包括发动机组件、管道检测工程车、和操作室；

所述操作室内设置有操作箱、显示器和主机；

所述检测机器人包括移动执行机构、箱体、排堵执行机构、检测传感机构；

所述箱体设置在移动执行机构上，排堵执行机构安装在箱体的前端，检测传感机构安装在箱体的顶部和四周；箱体内后端安装有电控箱，箱体内前端安装有液压控制阀组，液压油管和电控线缆保持独立不干涉；

所述箱体内电控箱包括PLC控制器、稳压电源、接线端子排、线缆、导轨和安装面板;通过与操作室内PLC控制器建立局域网络，对设备上的电磁阀、传感器、摄像头等进行联合采集控制；

所述箱体内的液压控制阀组包括N(N≧2)组电磁阀、液压阀块、液压油管，通过电控箱控制电磁阀通断，进行阀组阀路控制；

所述检测传感机构包括前置摄像头、测距传感器、声呐探头、细节摄像头、排堵执行机构、后置摄像头、测距传感器；

所述移动执行机构包括履带、履带底盘、行走马达，履带的行走通过两个行走马达控制；

所述地面模块和检测机器人分别通过电控复合缆、和主液压管路连接；地面模块内的发动机组件内设置有液压泵，发动机通过带动液压泵将液压油通过主液压管路输送至检测机器人上的液压控制阀组中，控制移动执行机构及排堵执行机构的动作；地面模块内的发动机通过电瓶组分别为主机和操作箱供电，操作箱通过电控复合缆连接至检测机器人箱体内的电控箱内，对检测机器人进行供电和控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于排水管道的多功能检测机器人，其特征在于，所述排堵执行机构包括推泥板结构、大臂上下摆动结构、液压系统，通过液压控制大臂向下摆至泥堆阻碍面，通过履带前进，使多余泥层顺着推泥板向两侧分开，直到履带能正常行走。

3.根据权利要求1所述的一种用于排水管道的多功能检测机器人，其特征在于，液压系统包括油箱、截止阀、液压泵、高压过滤器、回油过滤器、多路阀组、左行走马达、右行走马达、摄像头旋转马达、液压锁、翻转油缸、举升油缸；系统由动力源带动泵，泵提供高压液压油通过管路传输到的箱体内多路阀组中，通过多路阀进行分配给左行走马达、右行走马达、摄像头旋转马达、翻转油缸、举升油缸；其中多路阀组控制由操作人员在操作室内操作电控开关或手柄给机器人箱体内控制器信号从而控制多路阀各个阀块电磁铁的得失电进行控制各执行机构的动作。