CN108843892B - 一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人。包括前车体和后车体，前车体和后车体之间相铰接；后车体包括支撑车体和三个从动轮组件，支撑车体外有三个从动轮组件，每个从动轮组件包括滑杆、凸起、斜杆、连杆和从动车轮，支撑车体装电机和齿轮减速机构，前车体包括螺旋驱动头，螺旋驱动头连接电机，螺旋驱动头装有摄像机，螺旋驱动头外有三个主动轮组件，每个主动轮组件包括主动轮外筒、主动轮内筒和主动轮。本发明将管道图像采集、管道探测、管道检修等功能集成于一个管道机器人中，为实时监测管道内环境及管道质量提供了技术手段，为制定管道养护方案提高了数据支持，利于市政部门对城市排水管道的远程监控和信息化管理。
Description
技术领域
本发明涉及城市排水管道缺陷检测领域的一种管道机器人，推出了一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人。
背景技术
排水管道在城市基础设施建设当中起着不可或缺的作用，而随着近年来我国城市规模的加大，城市人口数量的增加，对城市排水管道的负担也日益加剧。如果不能对排水管道进行及时检修的话，就极有可能因为其结构破坏或是功能损坏而造成管道堵塞，导致城市排污系统瘫痪。如果管道出现破损或是裂缝等，一旦遇到台风天气，就会出现积水无法排除的情况，给居民的出行和日常生活带来极大不便，严重者还可能危及人们的生命财产安全。因此，及时高效地对城市排水管道进行检查，发现管道缺陷区域并修复，对于城市基建工作具有十分重要的现实意义。
传统的非开挖排水管道检测方法主要有以下几种：工作人员进入管道内肉眼观测、量泥斗法、反光镜法。这几种方法不仅效率低下，而且费时费力。实际上国内外已有部分管道检测系统逐步投入工程使用，比如管道内窥声呐检测系统、潜望镜检测系统、管道扫描与评价检测系统(SSET)、多重传感器检测系统和闭路电视检测系统(CCTV)。
内窥声呐检测系统适用于满水状态的管道，当它向满水的管道中发射声波后，如果检测到反射回来的信号则说明前方有障碍物存在，并且可以通过测量声波从发射到接收回波的时间来计算和障碍物之间的距离。声呐检测系统以测定的相关目标参量为依据，对管道内的障碍物或者沉积进行定位，对于管道变形、破损之类的缺陷也能较好地检测。
潜望镜检测系统是新型的影像快速检测系统，采用工业级高分辨率彩色摄像系统和便携式智能控制影像录制处理终端，配备强力照明光源和高强度伸缩加长杆，一般应用于一些比较危险的环境，比如易燃易爆区域、辐射区域或是灾后重建地区，通过实时采集影像资料，对周围环境进行处理分析。
由于兼备扫描仪和回转仪的优点，管道扫描检测系统能更准确的检测管道的几何尺寸和位置偏差，对于结构缺陷的定位和识别效果也较好。和常见的CCTV检测技术相比，SSET可获取更高质量的数据，加快评估过程，但检测费用过高。
多重传感器系统包括一套CCTV系统和各种传感器，如光学三角测量系统、微波传感器和声学系统等，可对管道的渗漏、腐蚀等缺陷进行检测，同时检测管径及管道周围的土壤参数等。
管道闭路电视检测系统(Close Circuit Television Inspection)是目前市面上最常见的管道检测设备。它通过搭载在机器人上的摄像头，将管道内的影像资料实时传回外部的上位机，技术人员再根据这些管道内的图像信息对管道质量进行评估，从而判断管道是否存在需要修缮的缺陷。这种检测设备的优点在于借助机器人和摄像头真实地反映管道的质量情况，因此可用于检测管道的腐蚀、破损、接口错位、淤积和结垢等多种缺陷。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人，能同时实现轴向和周向管道缺陷检测且能多层次适应管径变化，能有效地检测管道缺陷，提高管道检修效率，利于市政部门对城市排水管道进行检修和管理。
本发明所设计的螺旋驱动式管道机器人适用于中小型城市排水管道，能有效探测管道内环境，提高工作效率，减轻工作人员负担，实现智能化管道检测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明包括前车体和后车体，前车体和后车体之间相互铰接连接；所述的后车体包括支撑车体和三个从动轮组件，支撑车体外周面沿周向间隔均布有三个从动轮组件，每个从动轮组件包括滑杆、凸起、斜杆、连杆和从动车轮，滑杆沿周向安装在支撑车体后部，滑杆沿周向前方设有两个间隔布置的凸起，连杆前后端分别铰接连接两根支撑杆的一端，两根支撑杆的另一端分别铰接到两个凸起上，连杆后端所连接的支撑杆的中部和斜杆的一端铰接，斜杆另一端连接到滑杆上，并且在斜杆另一端和滑杆后端部之间安装有弹簧，连杆两端安装有从动车轮，从动车轮滚动方向平行于支撑车体轴向；
所述的支撑车体内部安装固定一个电机和齿轮减速机构，电机经齿轮减速机构和联接传动轴连接，控制单片机和电机电连接；所述的前车体包括螺旋驱动头，螺旋驱动头后端经联接传动轴连接到支撑车体内部的电机，螺旋驱动头前端面安装有朝向周围的和朝向前方的摄像机，摄像机云台圆盘凸起、摄像机云台圆盘和摄像机云台支架，螺旋驱动头外周面沿周向间隔均布有三个主动轮组件，每个主动轮组件包括主动轮外筒、主动轮内筒和主动轮，主动轮外筒的一端沿螺旋驱动头径向插装到螺旋驱动头的外周面，主动轮外筒另一端和主动轮内筒的一端可轴向相对移动运动但不可周向相对旋转运动地套装连接，主动轮内筒另一端固定安装有主动轮，主动轮滚动方向不平行于但也不垂直于支撑车体轴向。
本发明中，从动轮系用于辅助机器人运动，具有被动适应管道变径能力；螺旋驱动头用于将电机的转动变为机器人沿管道轴线方向的运动；主动轮系具有粗范围和细范围适应管径变化的能力；摄像机云台用于搭载摄像头拍摄管道内图像。
所述的支撑车体后端连接有车后盖，车后盖留有电缆穿设入的孔。
所述的螺旋驱动头主要由车前盖I和车前盖II的两片车前盖组成，车前盖I和车前盖II之间沿周向间隔均布设有三个用于插装连接主动轮组件的安装孔，安装孔内设有多个沿孔轴向间隔布置的环形凹槽，主动轮组件的主动轮外筒端部设有和环形凹槽的外凸缘结构，主动轮外筒端部装到安装孔内后使得外凸缘结构嵌装于环形凹槽中形成轴向限位和定位。
所述的车前盖I和车前盖II之间压紧安装使得主动轮组件的主动轮外筒无法绕自身轴线旋转地插装在螺旋驱动头中。
所述的螺旋驱动头中间前方安装有摄像机云台圆盘，摄像机云台圆盘通过周围摄像机云台支架固定在螺旋驱动头前端面，摄像机云台圆盘中心设有摄像机云台圆盘凸起，摄像机云台圆盘凸起上安装有朝向前方的中心摄像机；摄像机云台支架为连接在摄像机云台圆盘周围边缘和螺旋驱动头前端面之间的三个支撑架，每个支撑架的外侧壁面上安装有朝向周围的侧摄像机。
所述的螺旋驱动头和联接传动轴前端同轴固接，联接传动轴后端通过滚动轴承铰接穿过支撑车体后连接到电机的输出轴。
车盖中心开有通孔，为了使联接传动轴可以穿过，而圆柱槽及键槽是为了使联接传动轴能带动驱动头部分转动。
所述的支撑车体采用铝合金材质的圆筒结构，具有防尘防水易散热的特点，能在排水管道内恶劣的环境中连续数小时工作。
所述管道机器人材料包括但不限于以下材质：金属及合金、再生树脂、聚合物基复合材料。
本发明通过上述结构实现了驱动前车体的螺旋驱动头沿管道周向转动的同时，后车体跟随沿管道周向运动，并配合轴向中心和周面两个位置布置摄像机实现了在适应管径变化的同时进行管道内环境轴向和周向同时探测。
本发明中，从动轮系用于辅助机器人运动，具有被动适应管道变径能力；螺旋驱动头用于将电机的转动变为机器人沿管道轴线方向的运动；主动轮系具有粗范围和细范围适应管径变化的能力；摄像机云台用于搭载摄像头拍摄管道内图像。
本发明通过上述结构实现了驱动前车体的螺旋驱动头沿管道周向转动的同时，后车体跟随沿管道周向运动，并配合轴向中心和周面两个位置布置摄像机实现了在适应管径变化的同时进行管道内环境轴向和周向同时探测。
本发明的有益效果在于：
本发明采用红外夜视技术、视频图像处理技术、GPS定位技术、4G无线技术、蓝牙传输技术等，将管道图像采集、管道探测、管道检修等功能集成于一个管道机器人中，为实时监测管道内环境及管道质量提供了技术手段，为制定管道养护方案提高了数据支持，利于市政部门对城市排水管道的远程监控和信息化管理。
附图说明
以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：
图1为本发明实例中螺旋驱动式管道机器人的整体结构图(斜二测图)；
图2为本发明实例中螺旋驱动式管道机器人的车前盖结构图(正视图)；
图3为本发明实例中螺旋驱动式管道机器人的主动轮系结构图；
图4为本发明实例中螺旋驱动式管道机器人的支撑车体结构图；
图5为本发明实例中螺旋驱动式管道机器人的从动轮系结构图；
图6为本发明实例中螺旋驱动式管道机器人的摄像头云台结构图。
图中：支撑车体1，车后盖2，滑杆3，凸起4，斜杆5，连杆6，从动车轮7，车前盖I8，车前盖II9，主动轮外筒10，摄像机云台圆盘凸起11，摄像机云台圆盘12，摄像机云台支架13，主动轮内筒14，主动轮15，联接传动轴16，滚动轴承17，摄像机18。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方案进行详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
如图1所示，本发明具体实施包括前车体和后车体，前车体和后车体之间相互铰接连接。
如图4和图5所示，后车体包括支撑车体1和三个从动轮组件，支撑车体1外周面沿周向间隔均布有三个从动轮组件，车体表面周向每隔120°均布一个从动轮组件，从动轮组件中的凸起用来安装固定从动轮系，每个从动轮组件包括滑杆3、凸起4、斜杆5、连杆6和从动车轮7，滑杆3沿周向安装在支撑车体1后部，滑杆3沿周向前方设有两个间隔布置的凸起4，两个凸起4连线和滑杆3所在直线重合，连杆6前后端分别铰接连接两根支撑杆的一端，两根支撑杆的另一端分别铰接到两个凸起4上，使得连杆6、两根支撑杆和支撑车体1之间形成铰接平行四边形结构，连杆6后端所连接的支撑杆的中部和斜杆5的一端铰接，斜杆5另一端连接到滑杆3上，并且在斜杆5另一端和滑杆3后端部之间安装有弹簧，弹簧套装在滑杆3上，使从动轮系也具有被动调径的能力，连杆6两端安装有从动车轮7，从动车轮7滚动方向平行于支撑车体1轴向；
如图1和图5所示，从动轮系由三根直连杆、一根斜连杆和从动轮组成。直连杆安装在支撑车体的凸起上，具有一个自由度；斜连杆安装在滑杆上，一端和弹簧相接触，具有被动适应管径变化的能力。
如图6所示，支撑车体1内部安装固定一个电机、控制单片机和齿轮减速机构，电机经齿轮减速机构和联接传动轴16连接，控制单片机和电机电连接；前车体包括圆盘状的螺旋驱动头，螺旋驱动头后端经联接传动轴16连接到支撑车体1内部的电机，联接传动轴用于将动力从支撑车体内的电机传到螺旋驱动头部分；螺旋驱动头前端面安装有朝向周围的和朝向前方的摄像机18，摄像机云台圆盘凸起11、摄像机云台圆盘12和摄像机云台支架13，如图3所示，螺旋驱动头外周面沿周向间隔均布有三个主动轮组件。
如图3所示，每个主动轮组件包括主动轮外筒10、主动轮内筒14和主动轮15，主动轮外筒10的一端沿螺旋驱动头径向插装到螺旋驱动头的外周面，主动轮外筒10另一端和主动轮内筒14的一端可轴向相对移动运动但不可周向相对旋转运动地套装连接，主动轮外筒10、主动轮内筒14之间设有弹簧使得主动轮外筒10和主动轮内筒14之间能相互轴向弹性运动，使主动车轮具有小范围被动调径的能力。主动轮内筒14另一端固定安装有主动轮15，主动轮15滚动方向不平行于但也不垂直于支撑车体1轴向。
支撑车体1后端连接有车后盖2，车后盖2留有电缆穿设入的孔，电缆连接到控制单片机和电机。
如图2所示，螺旋驱动头主要由车前盖I8和车前盖II9的两片车前盖组成，图2中左右侧的子图分别为车前盖I8和车前盖II9，车前盖I8和车前盖II9之间沿周向间隔均布设有三个用于插装连接主动轮组件的安装孔，安装孔内设有多个沿孔轴向间隔布置的环形凹槽，主动轮组件的主动轮外筒10端部设有和环形凹槽的外凸缘结构，如图3所示，主动轮外筒10端部装到安装孔内后使得外凸缘结构嵌装于环形凹槽中形成轴向限位和定位，通过调整外凸缘结构嵌装于其中哪个环形凹槽的位置调整主动轮外筒10伸入到螺旋驱动头内部的径向长度和伸出于螺旋驱动头内部的径向长度。这样能自主调节主动轮组件的径向伸长长度，以实现大范围适应管道管径变化。
环形凹槽的作用是安放主动轮系的外筒，环形凹槽是用来实现大范围调径的。当管道较大时，主动轮外筒10的外凸缘结构放入和较外圈的环形凹槽契合，使主动轮系具有更长的当量直径；当管道较小时，主动轮外筒10的外凸缘结构放入和较内圈的环形凹槽契合，使主动轮系具有更小的当量直径。
螺旋驱动头中间前方(即车前盖I8前前方)安装有摄像机云台圆盘12，摄像机云台圆盘12通过周围摄像机云台支架13固定在螺旋驱动头前端面，摄像机云台圆盘12中心设有摄像机云台圆盘凸起11，摄像机云台圆盘凸起11能相对摄像机云台圆盘12转动，摄像机云台圆盘凸起11上安装有朝向前方的中心摄像机18；摄像机云台支架13为连接在摄像机云台圆盘12周围边缘和螺旋驱动头前端面之间的三个支撑架，三个支撑架呈L形，三个支撑架沿螺旋驱动头周向间隔布置，每个支撑架的外侧壁面上安装有朝向周围的侧摄像机18。
螺旋驱动头和联接传动轴16前端同轴固接，联接传动轴16后端通过滚动轴承17铰接穿过支撑车体1后连接到电机的输出轴，滚动轴承用于支持联接传动轴。
具体实施中，车前盖I8和车前盖II9中心开有带有凹槽圆孔，带有凹槽圆孔和联接传动轴16端部的凸起配合形成键槽连接，从而使得联接传动轴16和车前盖I8、车前盖II9同轴连接。车盖中心开有通孔，为了使联接传动轴可以穿过，而圆柱槽及键槽是为了使联接传动轴能带动驱动头部分转动。
本发明具体实施工作过程如下：
螺旋驱动式管道机器人通过电缆供电，带动支撑车体内的电机转动，电机通过一个一级齿轮变速机构将动力传给输出轴，输出轴再带动螺旋驱动头部分转动。
当螺旋驱动头部分转动时，安装在周边主动轮组件的主动轮也会转动，由于主动轮的滚动方向和支撑车体的主轴轴向存在一定偏角，当螺旋驱动头转动时，主动轮在管道内表面行走的是螺旋轨迹线，这样就使得机器人整体具备一个轴向的线速度，带动整个机器人前进。
在螺旋驱动头转动时，安装在摄像机云台支架13侧边的侧摄像头随之一起转动，可以拍摄管道内壁周向的图像，而安装在摄像机云台圆盘12前端面的中心摄像机可和摄像机云台圆盘12相对转动，所以可以相对不动地拍摄机器人前进方向的管道图像。这样通过两个位置的摄像机18实现了管道机器人在管道内周向和轴向环境同时探测的功能。
螺旋驱动式管道机器人在经过变径管道时，安装在支撑车体周边的从动连杆轮可以自由伸缩，当管径由小变大时，滑槽的弹簧可以将支撑杆顶起，经连杆机构带动从动轮7压紧管道内壁，当管径由大变小时，滑槽的弹簧压缩，经连杆机构带动从动轮7收拢，不压紧管道内壁。螺旋驱动头部分的主动轮安装在轮杆内筒上，内筒套在外筒里面，内外筒之间装有弹簧，当管径变化时，这个弹簧可以变化长度，使机器人在小范围内适应管径变化。
本发明机器人配套安装红外摄像机，包括红外电路板、LED红外发光二极管、镜头、红外滤光片和CMOS图像传感器，红外灯电路板为环绕在镜头的环形板，红外灯电路板上沿圆周间隔设有多个LED红外发光二极管，镜头的输出面经红外滤光片连接CMOS图像传感器。
管道机器人能通过4G网络将所拍摄的图像信息传输给外部上位机，供图像处理识别使用；为了避免信号间相互干扰，上位机对机器人的控制信号通过蓝牙传输给机器人，机器人接收到指令后进行相应动作。
管道机器人带有GPS模块，通过GPS模块实现自主定位，GPS模块可安装在支撑车体1内部。
通过上述方式，本发明的螺旋驱动式管道机器人能方便地实现管道内环境轴向和周向同时探测，并且能够多层次地适应管径变化，对城市排水管道检修和管理提供了极大的便利。
由此，本发明为实现实时监测管道内环境及管道质量提供了技术手段，为制定管道养护方案提高了数据支持，利于市政部门对城市排水管道的远程监控和信息化管理。
以上所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人，其特征在于：
包括前车体和后车体，前车体和后车体之间相互铰接连接；所述的后车体包括支撑车体(1)和三个从动轮组件，支撑车体(1)外周面沿周向间隔均布有三个从动轮组件，每个从动轮组件包括滑杆(3)、凸起(4)、斜杆(5)、连杆(6)和从动车轮(7)，滑杆(3)沿周向安装在支撑车体(1)后部，滑杆(3)沿周向前方设有两个间隔布置的凸起(4)，连杆(6)前后端分别铰接连接两根支撑杆的一端，两根支撑杆的另一端分别铰接到两个凸起(4)上，连杆(6)后端所连接的支撑杆的中部和斜杆(5)的一端铰接，斜杆(5)另一端连接到滑杆(3)上，并且在斜杆(5)另一端和滑杆(3)后端部之间安装有弹簧，连杆(6)两端安装有从动车轮(7)，从动车轮(7)滚动方向平行于支撑车体(1)轴向；
所述的支撑车体(1)内部安装固定一个电机和齿轮减速机构，电机经齿轮减速机构和联接传动轴(16)连接，控制单片机和电机电连接；所述的前车体包括螺旋驱动头，螺旋驱动头后端经联接传动轴(16)连接到支撑车体(1)内部的电机，螺旋驱动头前端面安装有朝向周围的和朝向前方的摄像机(18)，摄像机云台圆盘凸起(11)、摄像机云台圆盘(12)和摄像机云台支架(13)，螺旋驱动头外周面沿周向间隔均布有三个主动轮组件，每个主动轮组件包括主动轮外筒(10)、主动轮内筒(14)和主动轮(15)，主动轮外筒(10)的一端沿螺旋驱动头径向插装到螺旋驱动头的外周面，主动轮外筒(10)另一端和主动轮内筒(14)的一端可轴向相对移动运动但不可周向相对旋转运动地套装连接，主动轮内筒(14)另一端固定安装有主动轮(15)，主动轮(15)滚动方向不平行于但也不垂直于支撑车体轴向。
2.根据权利要求1所述的一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人，其特征在于：所述的支撑车体(1)后端连接有车后盖(2)，车后盖(2)留有电缆穿设入的孔。
3.根据权利要求1所述的一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人，其特征在于：所述的螺旋驱动头主要由车前盖I(8)和车前盖II(9)的两片车前盖组成，车前盖I(8)和车前盖II(9)之间沿周向间隔均布设有三个用于插装连接主动轮组件的安装孔，安装孔内设有多个沿孔轴向间隔布置的环形凹槽，主动轮组件的主动轮外筒(10)端部设有和环形凹槽的外凸缘结构，主动轮外筒(10)端部装到安装孔内后使得外凸缘结构嵌装于环形凹槽中形成轴向限位和定位。
4.根据权利要求3所述的一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人，其特征在于：所述的车前盖I(8)和车前盖II(9)之间压紧安装使得主动轮组件的主动轮外筒(10)无法绕自身轴线旋转地插装在螺旋驱动头中。
5.根据权利要求1所述的一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人，其特征在于：
所述的螺旋驱动头中间前方安装有摄像机云台圆盘(12)，摄像机云台圆盘(12)通过周围摄像机云台支架(13)固定在螺旋驱动头前端面，摄像机云台圆盘(12)中心设有摄像机云台圆盘凸起(11)，摄像机云台圆盘凸起(11)上安装有朝向前方的中心摄像机(18)；摄像机云台支架(13)为连接在摄像机云台圆盘(12)周围边缘和螺旋驱动头前端面之间的三个支撑架，每个支撑架的外侧壁面上安装有朝向周围的侧摄像机(18)。
6.根据权利要求1所述的一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人，其特征在于：所述的螺旋驱动头和联接传动轴(16)前端同轴固接，联接传动轴(16)后端通过滚动轴承(17)铰接穿过支撑车体(1)后连接到电机的输出轴。
7.根据权利要求1所述的一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人，其特征在于：所述的支撑车体(1)采用铝合金材质的圆筒结构。
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