CN109268621A - 基于电致动材料驱动的管道检测机器人、管道检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电致动材料驱动的管道检测机器人，包括主体、终端；所述终端与所述主体交互；所述主体包括壳体、管道检测系统，所述管道检测系统集成在所述壳体上；所述管道检测系统包括控制模块、驱动模块、航道自纠正模块、避障模块、检测模块、定位模块。驱动模块、航道自纠正模块、避障模块、检测模块、定位模块分别与控制模块连接。本发明还公开一种基于电致动材料驱动的管道检测机器人的管道检测系统。本发明具有在轻量、静态或低流速液体管道内进行管壁的检测，检测到的漏点信息以及漏点位置信息传输回终端，提供给操作人员进行漏点修复的优点。

Description

基于电致动材料驱动的管道检测机器人、管道检测系统

技术领域

本发明涉及管道检测机器人领域，尤其涉及基于电致动材料驱动的管道检测机器人、管道检测系统。

背景技术

管道运输具有运输成本低、运输快、效率高、稳定性及安全性强的特点，已经成为石油、天然气、工业原料、工业废弃物、生活用水、生活废弃物等物质的基本运输工具，成为社会的重要组成。然而，由于管道的老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因，泄漏事故时有发生，对生态环境和国民经济造成了重大损失。

管道的安全运输与生态安全、人们的经济生活息息相关。由于管道的长距离，复杂铺陈等因素，目前其检测是比较困难的。各个国家都非常重视管道事故问题的研究工作，很早便开展了事故检测技术及设备的研究、开发工作，并成立了相关学术研究机构。管道泄漏检测技术不仅可以为管道的运行状况、安全维护、管道检修提供实时的事实依据，同时也可以减少管道的维修成本和人工的劳动强度，代替周期性强、检测位置不准确、成本花费过大等因素的原始人工巡检方法。通过系统的软件分析和精密的仪器测量，可以使得管道泄漏的检测更加的人性化、科学化、专业化。

目前，国内外现有的检测仪器可以分为两类，分别为管内检测和管外检测。管内检测仪器的典型代表是轮式、漂浮式管道机器人。

例如：在中国专利文献CN 107956953 A中公布了一种可变径管道检测机器人，包括：前驱机构、基座、度旋转头、U型旋转座、摄像头、照明装置、连接杆、支撑架、液压杆、机体、后驱动机构、机体的底面另一端连接于后驱动机构的顶面中心位置，前驱动机构与后驱动机构的顶面中心位置，前驱动机构与后驱动机构相互平行，机体的顶面与基座采用机械连接。

在中国专利文献CN 107975655 A中公布了一种智能管道机器人，所述机器人的内部设置有中央处理器，中央处理器通过固定支架固定连接有前变速箱和后变速箱，前变速箱的顶部设置有第一前电动机，底部设置有第一后电动机，后变速箱的顶部设置有第二前电动机，底部设置有第二后电动机，中央处理器的底部设置有蓄电池，蓄电池的底部设置有发电机。发电机上设置有涡轮。

在中国专利文献CN107740907A中公布了一种管道机器人检测装置及管道故障检测，包括：至少一组可转动支架，安装在机体上，能够转动至第一预设角度。检测器件安装在可转动支架上，用于检测管道是否发生故障。角度传感器，设置在可转动支架的内部，用于检测可转动支架转动的当前角度。

管外检测仪器的典型代表是分布式光纤法。

例如：在中国专利文献CN 105805556A中公布了一种分布式光纤泄露监测系统，包括：敷设在管道周围的多模感温光缆、分布式光纤测温主机以及运行在所述分布式光纤测温主机的测温软件，其中：多模感温光缆与分布式光纤测温主机相连，测温软件通过采集和分析入射光脉冲从多模感温光缆的一端注入后在多模感温光缆内传播时产生的Raman背光反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度信息，并根据得到的每一点的温度和位置信息得到关于整根多模感温光缆的不同位置的感温曲线。

在中国专利文献CN 205209700 U中公布了一种管道全光纤分布式测温监控系统，包括：分布式光纤拉曼温度传感子系统、报警子系统以及定位显示子系统。该系统是基于光纤拉曼分布式温度传感技术、管道泄露监控报警技术、GIS地理信息系统开发技术的联合开发应用，传感光纤沿管道进行铺设，当管道发生泄露时，将引起泄漏点周围温度变化，通过传感光纤可对异常温度进行实时探测和准确定位，利用GPS定位完成管道位置与传感光纤的准确标定，最终利用二次开发的GIS地理信息系统完成管道检测的图形化展示。

综上两种方法相比较来说，管外检测受地理条件影响较大、成本更高。而管内检测方法适应环境范围更广，成本相对低些。

然而现有管内检测方法，存在操作复杂、程序繁琐和便携不方便等局限。现有的管道检测机器人大多所采用的驱动系统是传统的刚性驱动系统，其结构复杂、整体笨重、功耗大。因此针对管内检测方式的诸多因素，开发便携式、操作简单、功耗低、行动方便的小型管道检测机器人显得尤为必要。

发明内容

针对上述问题，本发明公开一种基于电致动材料驱动的管道检测机器人，该机器人采用低功耗的柔性电致动聚合物材料结合单片机作为驱动模块，本发明可以在轻量、静态或低流速液体管道内进行管壁的检测，检测到的漏点信息以及漏点位置信息传输回终端，提供给操作人员进行漏点修复。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：一种基于电致动材料驱动的管道检测机器人，包括主体、终端；所述终端与所述主体交互；所述主体包括壳体、管道检测系统，所述管道检测系统集成在所述壳体上；所述管道检测系统包括控制模块、驱动模块、航道自纠正模块、避障模块、检测模块、定位模块；

所述驱动模块包括驱动主体以及单片机，所述驱动主体采用电致动聚合物材料，所述单片机与所述驱动主体电连接；

所述控制模块与所述驱动模块连接，用以指令所述驱动模块做相应的运动；

所述控制模块与所述航道自纠正模块连接，所述航道自纠正模块发出自纠正信号数据至所述控制模块，所述控制模块分析所述自纠正信号数据后，发出信号数据驱动所述驱动模块运动，致使所述主体处于管道的轴心线上；

所述避障模块与所述控制模块连接，所述避障模块用以采集距离障碍物的数据，并传输避障信号数据至所述控制模块，经所述控制模块分析后，发出信号数据至所述驱动模块并指令所述驱动模块做出相应避障运动；

所述检测模块与所述控制模块连接，所述检测模块用以检测管壁异常情况，并发出检测信号数据至所述控制模块，所述控制模块分析所述检测信号数据后，发出信号数据反馈至所述终端；

所述定位模块与所述控制模块连接，所述定位模块用以确定检测管壁异常的物理位置信息，并发出定位信号数据至所述控制模块，所述控制模块分析所述定位信号数据后，发出信号数据反馈至所述终端。

所述工作原理：启动开始按钮，机器人的各功能模块进行自检，如某功能模块存在问题，可发送警报至终端，人工检查排除故障。自检没问题后，上电初始化各个功能模块。终端发送开始命令至控制模块，控制模块发送指令到航道自纠正模块，航道自纠正模块开始工作，控制模块处理航道自纠正模块返回的数据信息，判断机器人的主体是否处于管道轴心线上。如果控制模块判断机器人的主体没有处于管道轴心线上，终端可发送操作命令到控制模块，控制模块发送指令到驱动模块，各驱动主体启动，调整机器人的主体在管道内的位置姿态，使其保持在管道轴心线上。通过上述操作后，机器人的主体处于管道轴心线上，优化了后续检测模块的检测以及检测数据的处理。此时，航道自纠正模块关闭，正常巡检工作开始启动。控制模块发送指令至驱动模块、避障模块、检测模块和定位模块。同时，驱动模块接收指令后，尾部驱动主体开始工作，机器人的主体在管道内直线前进运动。同时，避障模块接收指令后，开始正常工作，控制模块处理避障模块返回的数据信息，遇到弯道时，控制模块发送指令至驱动模块，驱动模块接收指令，胸鳍驱动主体开始工作，机器人的主体进行转弯运动，直至回到直线航道。

本发明通过控制模块发出指令至驱动主体中的单片机，通过单片机提供交流电压作用于电致动聚合物材料，从而致使电致动聚合物材料发生摆动，进而形成驱动。

上述机器人主体的运动模式，可以保证机器人在管道内的笔直部分和弯曲部分的正常工作。同时，检测模块接收指令后，开始正常工作，控制模块对检测模块返回的数据进行采集、处理。存在漏点异常时，控制模块发送二次检测指令至检测模块，检测模块中二次检测装置相应开始，对漏点进行二次识别，可以节省能耗和精确识别漏点。同时，定位模块接收指令后，开始正常工作。控制模块完成一次漏点数据的采集、处理后，发送指令至信号传输模块，信号传输模块把控制模块处理的漏点信息和漏点位置信息传输至终端，可以节省控制模块的存储空间和实现低能耗运行。

优选地，所述壳体的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龙、光敏树脂等轻质固体防水材料中一种或多种制成。

优选地，所述壳体包括前端导流体、壳体前部，壳体中部配重舱，壳体尾部，尾部导流体，所述壳体前部、所述壳体中部配重舱、所述壳体尾部按照先后顺序依次可拆卸连接；

所述前端导流体位于所述壳体前部上；所述前端导流体呈三角结构，其底部与所述壳体前部连接，其顶角与其底部中心的连线的延长线与所述前端导流体其中轴线相交其垂直，其两侧面与前端导流体的中轴线平行；三个所述前端导流体等距间隔分布呈环形，具有引流功能，且有维护机器人其主体在液体环境中的运动稳定作用。

所述尾部导流体位于所述壳体尾部上；三个所述尾部导流体等距间隔分布呈环形，且与前端导流体一一对应，具有引流功能，且有维护机器人在液体环境中的运动稳定作用。前端导流体和尾部导流体的配合使用，进一步完善了机器人在液体环境中的平衡能力。

优选地，所述驱动主体包括尾部驱动主体、胸鳍驱动主体，所述尾部驱动主体连接在所述壳体尾部的尾末端；两个所述胸鳍驱动主体对称连接在所述壳体前部的左右两侧；所述胸鳍驱动主体采取多鳍式结构，包括至少三片片状的电致动聚合物材料；所述尾部驱动主体包括至少一片片状的电致动聚合物材料。实现机器人的直线运动、转弯、上浮和下潜运动。

所述电致动聚合物材料为离子聚合物-金属复合材料(Ionic Polymer MetalComposite，IPMC)、导电聚合物(Conductive polymer)或巴基凝胶(Bucky gel)等电致动聚合物材料中的一种或多种。

优选地，所述航道自纠正模块设置在所述壳体尾部上，包括多个等间距环形排列的激光测距仪或者第一超声波传感器。根据等距三线定点原理，判断机器人是否处于管道轴心线上。

优选地，所述避障模块包括超声避障模块或红外线避障模块，所述避障模块安装在所述壳体前部的前端。测定范围为正前方120°范围内，可判断前方的障碍距离和需要转弯的方向。

优选地，所述检测模块设置在所述壳体尾部上，包括多个等间隔环形阵列的第二超声波传感器，可采集整个管道横截面的壁厚信息；

所述壳体尾部上还包括多个等间隔环形阵列的照明装置以及多个等间隔环形阵列的摄像头；共同构成等间隔环形阵列第二检测装置，实现最优照明和摄像；

所述照明装置的输入连接所述控制模块的输出，所述摄像头与所述控制模块交互，所述控制模块发出信号数据至所述照明装置，用以驱动所述照明装置照明；所述控制模块发出信号数据至所述摄像头，用以驱动所述摄像头旋转、拍照，并将采集的照片信息输送至所述控制模块中，所述控制模块分析所述信息后，反馈至所述终端。

优选地，所述控制模块为单片机或、PLC控制器或其它现有技术的控制器。

优选地，所述定位模块为GPS装置或、北斗卫星定位系统装置或其它现有技术的定位系统。

本发明还公开一种基于电致动材料驱动的管道检测机器人的管道检测系统，包括，

终端，发送开始命令至控制模块，控制模块发送指令尾部驱动主体工作，实现机器人的前进运动；

控制模块发送指令到航道自纠正模块，航道自纠正模块工作，控制模块处理航道自纠正模块返回的信号数据，判断机器人的主体是否处于管道内中轴线上，并将判断后的信号数据反馈至所终端，在终端上显示；

如果机器人的主体并没有处于管道内中轴线上，通过终端发送操作命令到控制模块，控制模块发送指令到驱动模块，驱动主体启动，调整管机器人的主体在管道内的位置姿态，使其保持在管道内中轴线上；

遇到弯道时，避障模块传输避障信号数据至所述控制模块，控制模块处理避障模块返回的数据并指令至驱动模块，尾部驱动主体正常工作，胸鳍驱动主体接收指令开始工作，致使外侧的胸鳍驱动主体运动、内侧的胸鳍驱动主体静止，使机器人的主体产生弯矩，实现转弯；

检测模块接收控制模块指令后，对管壁情况进行检测，控制模块处理检测模块返回的数据；存在异常时，控制模块发送二次检测指令至检测模块，检测模块中的照明和摄像装置相应启动，摄像头进行相应的拍照，实现对漏点的二次识别，二次识别后的信号数据反馈至控制模块，控制模块将第一次检测信息和第二次信号数据反馈至所终端，在终端上显示；定位模块接受控制模块指令后，定位模块开始实时工作，用以确定检测管壁异常的物理位置信息，控制模块处理定位模块返回的数据后，发出信号数据反馈至所述终端

本发明相比现有技术具有以下优点：

其一、本发明的机器人的运动模式，可以保证机器人的主体在管道内的笔直部分和弯曲部分的正常工作。同时，检测模块接收指令后，开始正常工作，控制模块对检测模块返回的数据进行采集、处理。存在漏点时，控制模块发送二次检测指令至检测模块，检测模块中二次检测装置相应开始，对漏点进行二次识别，可以节省能耗和精确识别漏点。同时，定位模块接收指令后，开始正常工作。控制模块完成一次漏点数据的采集、处理后，发送指令至信号传输模块，信号传输模块把控制模块处理的漏点信息和漏点位置信息传输至终端，可以节省控制模块的存储空间和实现低能耗运行；

其二、驱动模块摒弃传统的、笨重的、复杂的电机和齿轮等刚性传动机构。采用电致动聚合物材料结合单片机作为驱动模块，控制机器人的运动。很大程度上减轻了机器人的重量，同时内部控制电路结构简单且功耗较低。因此，本发明具有结构简单、轻盈便携、续航能力强等优点。

其三、电致动聚合物材料是一种电致动柔性智能材料，可在低电压下产生大距离柔性变形，可以作为柔性驱动主体。而电机与齿轮、齿轮与齿轮、齿轮与轴、轴与轴承之间的运动传递，存在刚性接触(刚性接触导致刚性冲击)和摩擦磨损。因此，该管道检测机器人在运行过程中具有噪声小、摩擦磨损小。

其四、电致动柔性智能材料驱动主体可作为仿生机器人的驱动主体，在液体中实现类似鱼等水生生物的运动，结合相应的整体结构，可实现较优化的运动形式。

附图说明

图1为本发明中基于电致动材料驱动的管道检测机器人其主体的结构示意图。

图2为本发明中基于电致动材料驱动的管道检测机器人的结构示意图。

图3为本发明中基于电致动材料驱动的管道检测机器人的局部剖装配示意图。

图4为本发明中基于电致动材料驱动的管道检测机器人的壳体爆炸示意图。

图5为本发明中IPMC驱动的管道检测机器人其尾部局部爆炸示意图。

图6为本发明中阵列IPMC驱动的管道检测机器人胸鳍局部示意图。

图7为本发明中基于电致动材料驱动的管道检测机器人的电气部分的连接示意图。

图8为本发明中基于电致动材料驱动的管道检测机器人工作流程图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1-3所示，本实施例公开一种基于电致动材料驱动的管道检测机器人，包括主体1、终端2。终端2与主体1交互。主体1包括壳体11、管道检测系统12，管道检测系统12集成在壳体11上。管道检测系统12包括控制模块121、驱动模块122、航道自纠正模块123、避障模块124、检测模块125、定位模块126、信号传输模块127。

驱动模块122包括驱动主体1221以及单片机(图中未画出)，驱动主体1221采用电致动聚合物材料，单片机与驱动主体1221电连接。

本发明的驱动模块122包括尾部驱动主体12201、胸鳍驱动主体12202，尾部驱动主体12201连接在壳体11的末端、两个胸鳍驱动主体12202分别对称连接在壳体11的前部的两侧。

控制模块121与驱动模块122连接，用以指令驱动模块122做相应的运动。

控制模块121与航道自纠正模块123连接，航道自纠正模块123发出自纠正信号数据至控制模块121，控制模块121分析自纠正信号数据后，发出信号数据驱动驱动模块122运动，致使主体1的轴心线处于管道的轴心线上。

避障模块124与控制模块121连接，避障模块124用以采集距离障碍物的数据，并传输避障信号数据至控制模块121，经控制模块121分析后，发出信号数据至驱动模块122并指令驱动模块122做出相应避障运动。

检测模块125与控制模块121连接，检测模块125用以检测管壁异常情况，并发出检测信号数据至控制模块121，控制模块121分析检测信号数据后，发出信号数据反馈至终端2。

定位模块126与控制模块121连接，定位模块126用以确定检测管壁异常的物理位置信息，并发出定位信号数据至控制模块121，控制模块121分析定位信号数据后，发出信号数据反馈至终端2。

本发明的信号传输模块127为实现控制模板与终端2之间信号传输媒介，可以是现有技术的移动无线通讯技术，即移动空中网GPRS。该硬件型号GPRS-GM3，该模块的具体尺寸为27.94mm×24mm×3mm(长×宽×高)，平均工作电流为55mA～90mA，工作电压为DC3.4V～4.2V，功率较小，同时支持低功耗模式。

本发明通过启动终端2的开始按钮，各功能模块进行自检，如某功能模块存在问题，可发送警报至终端2，人工检查排除故障。自检没问题后，上电初始化各个功能模块。终端2发送开始命令至控制模块121，控制模块121发送指令到航道自纠正模块123，航道自纠正模块123开始工作，控制模块121处理航道自纠正模块123返回的数据信息，判断机器人的主体1是否处于管道轴心线上。如果控制模块121判断机器人的主体1没有处于管道轴心线上，终端2发送操作命令到控制模块121，控制模块121发送指令到驱动模块122，各驱动主体启动，调整机器人的主体1在管道内的位置姿态，使其保持在管道轴心线上。通过上述操作后，机器人的主体1处于管道轴心线上，从而优化了后续检测模块125的检测以及检测数据的处理。

此时，控制模块121指令航道自纠正模块123关闭，正常巡检工作开始启动。控制模块121发送指令至驱动模块122、避障模块124、检测模块125和定位模块126。同时，驱动模块122接收指令后，尾部驱动主体12201开始工作，机器人在管道内直线前进运动。同时，避障模块124接收指令后，开始正常工作，控制模块121处理避障模块124返回的数据信息，遇到弯道时，控制模块121发送指令至驱动模块122，驱动模块122接收指令，胸鳍驱动主体12202开始工作，机器人进行转弯运动，直至回到直线航道。

本发明通过控制模块121发出指令至驱动主体中的单片机，通过单片机提供交流电压作用于电致动聚合物材料，从而致使电致动聚合物材料发生摆动，进而形成驱动。

本发明的优点在于：

其一、本发明的管道检测机器人的运动模式，可以保证机器人其主体1在管道内的笔直部分和弯曲部分的正常工作。同时，检测模块125接收指令后，开始正常工作，控制模块121对检测模块125返回的数据进行采集、处理。存在漏点异常时，控制模块121发送二次检测指令至检测模块125，检测模块125中二次检测装置相应开始，对漏点异常进行二次识别，可以节省能耗和精确识别漏点。同时，定位模块126接收指令后，开始正常工作。控制模块121完成一次漏点数据的采集、处理后，发送指令至信号传输模块127，信号传输模块127把控制模块121处理的漏点信息和漏点位置信息传输至终端2，可以节省控制模块121的存储空间和实现低能耗运行。

其二、驱动模块122摒弃传统的、笨重的、复杂的电机和齿轮等刚性传动机构。采用电致动聚合物材料结合单片机作为驱动模块122，控制机器人主体1的运动。很大程度上减轻了机器人的重量，同时内部控制电路结构简单且功耗较低。因此，机器人具有结构简单、轻盈便携、续航能力强等优点。

其三、电致动聚合物材料是一种电致动柔性智能材料，可在低电压下产生大距离柔性变形，可以作为柔性驱动主体。而电机与齿轮、齿轮与齿轮、齿轮与轴、轴与轴承之间的运动传递，存在刚性接触(刚性接触导致刚性冲击)和摩擦磨损。因此，该机器人在运行过程中具有噪声小、摩擦磨损小。

其四、电致动柔性智能材料驱动主体可作为仿生机器人的驱动主体，在液体中实现类似鱼等水生生物的运动，结合相应的整体结构，可实现较优化的运动形式。

实施例2

本实施例与上述实施例的区别在于：壳体11的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龙、光敏树脂的一种或多种制成；或者采用其他现有技术的轻质固体防水材料。

实施例3

如图5所示，本实施例与上述实施例的区别在于：壳体11包括前端导流体111、壳体前部112，壳体中部配重舱113，壳体尾部114，尾部导流体115，壳体前部112、壳体中部配重舱113、壳体尾部114按照先后顺序依次可拆卸连接。

本发明的壳体11轮廓尺寸优选为：400mm×94mm(长×直径)、具体可以采用3D打印得到壳体11，打印材料选择光敏树脂，其密度约为1.3g/cm³；或者本发明的壳体11也可以采用其他现有技术如注塑成型。

前端导流体111位于壳体前部112上。前端导流体111呈三角结构，其底部与壳体前部112连接，其顶角与其底部中心的连线的延长线与前端导流体111，其中轴线相交其垂直，其两侧面与前端导流体111的中轴线平行。

三个前端导流体111等距间隔分布呈环形，具有引流功能，且有维护机器人其主体1在液体环境中的运动稳定作用。

尾部导流体115位于壳体尾部114上，三个尾部导流体115等距间隔分布呈环形，且与前端导流体111一一对应，具有引流功能，且有机器人其主体1在液体环境中的运动稳定作用。前端导流体111和尾部导流体115的配合使用，进一步完善了机器人在液体环境中的平衡能力。

实施例4

如图2所示，本实施例与上述实施例的区别在于：尾部驱动主体12201连接在壳体尾部114的末端。两个胸鳍驱动主体12202对称连接在壳体前部112的左右两侧。如图6所示，胸鳍驱动主体12202采取多鳍式结构，包括至少三片片状的电致动聚合物材料，依次为第一电致动聚合物材料12211、第二电致动聚合物材料12212、第三电致动聚合物材料12213。三片电致动聚合物材料贴片于薄膜12210上，每片电致动聚合物材料分别连接金属电极片。薄膜12210形状采用仿鱼胸鳍结构形状，材质采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。单片机给片状电致动聚合物材料提供驱动电压信号，控制每侧的电致动聚合物材料以不同的模式摆动，进而使胸鳍、尾部产生不同的波形在液体中摆动，从而实现机器人的转弯、上浮和下潜运动。

具体实现过程为：以左转弯为例，在驱动信号的作用下，电致动聚合物材料12214左侧单向弯曲，带动尾部12201在主体1左侧单向摆动，同时，胸鳍12202的右侧胸鳍单向摆动，从而实现左转弯。右转弯与左转弯正好相反，电致动聚合物材料12214右侧单向弯曲，带动尾部12201在主体1右侧单向摆动，同时，胸鳍12202的左侧胸鳍单向摆动，从而实现右转弯。以上浮为例，在驱动信号的作用下，成对的电致动聚合物材料12211、12212、12213向下单向弯曲，带动主体1两侧的胸鳍12202朝主体1的正下方摆动产生推力，这部分推力一方面作为主体1上浮的升力，另一方面由于胸鳍12202位于主体1重心的一侧，于是这部分推力将相对重心形成转矩，从而使主体1上仰，然后在尾部12201摆动产生的推力作用下实现上浮。下潜与上浮正好相反，在驱动信号的作用下，成对的电致动聚合物材料12211、12212、12213向上单向弯曲，带动主体1两侧的胸鳍12202朝主体1的正上方摆动产生潜力和转矩，并在尾部12201的推进作用下实现下潜。

如图5所示，尾部驱动主体12201包括至少一片片状的电致动聚合物材料，第四电致动聚合物材料12214，实现机器人的直线运动。

电致动聚合物材料为离子聚合物-金属复合材料(Ionic Polymer MetalComposite，IPMC)、导电聚合物(Conductive polymer)或巴基凝胶(Bucky gel)等电致动聚合物材料中的一种或多种。

优选地，电致动聚合物材料采用片状Pd-IPMC材料，制作方法参照专利ZL201110085960.9，名称为《钯电极型离子聚合物-金属复合材料的制备工艺》。胸鳍驱动主体12202包括3片线性阵列IPMC材料，尺寸为5mm×30mm(长×宽)、5mm×50mm(长×宽)、5mm×40mm(长×宽)。尾部驱动主体12201包括一片IPMC材料，尺寸为一片15mm×50mm(长×宽)。

驱动主体的具体制备方法：

Ⅰ)制作带杜邦线的电极：用剥线钳将杜邦线一头剥出金属丝，用电焊台将杜邦线露出金属丝的一头焊在铜箔胶带上，带杜邦线的电极片初步制作完毕，注意焊接质量，得到A+电极片122001、A-电极片122002。

Ⅱ)将一片IPMC一端分别于A+电极片122001、A-电极片122002接触，绝缘胶带使其固定。将绝缘胶带包裹的一端，放置在驱动主体接口内。

Ⅲ)将杜邦线的一端接在单片机电路板的相应接口上。

实施例5

如图1所示，本实施例与上述实施例的区别在于：航道自纠正模块123设置在壳体尾部114上，包括三个间隔120°环形阵列的激光测距仪或者第一超声波传感器。根据等距三线定点原理，判断机器人是否处于管道轴心线上。

避障模块124包括超声避障模块或红外线避障模块，避障模块124安装在壳体前部112的前端。测定范围为正前方120°范围内，可判断前方的障碍距离和需要转弯的方向。

实施例6

本实施例与上述实施例的区别在于：检测模块125设置在壳体尾部114上，包括六个间隔60°环形阵列的第二超声波传感器，可采集整个横截面的壁厚信息。

如图1所示，壳体尾部114上还包括三个间隔120°环形阵列的照明装置3以及三个间隔120°环形阵列的摄像头4。共同构成间隔60°环形阵列第二检测装置，实现最优照明和摄像。

照明装置3的输入连接控制模块121的输出，摄像头4与控制模块121交互，控制模块121发出信号数据至照明装置3，用以驱动照明装置3照明。控制模块121发出信号数据至摄像头4，用以驱动摄像头4旋转、拍照，并将采集的照片信息输送至控制模块121中，控制模块121分析信息后，反馈至终端2。

优选地，控制模块121为单片机或PLC控制器。具体地，控制模块121为单片机控制电路，单片机的型号为STC89C51。

优选地，本发明采用4节7号南孚电池安装在电池盒中，电池盒安装在壳体11内，正极引线先连接一个开关再接控制模块121的VCC接口，负极直接接控制模块121的GND接口，对整个管道检测智能机器人系统进行供电，其中开关安装在壳体11外部。

优选地，定位模块126为GPS装置。

由于本发明的管道检测智能机器人主要工作用于液体环境，需要做好相关部件的防水密封处理。

IPMC的封装：采用以聚四氟乙烯膜或者硅橡胶或者两者相结合的封装工艺；具体可以将聚四氟乙烯膜或者硅橡胶热合在IPMC于壳体11的连接处。管道检测智能机器机体防水密封采用：机体的拼合处采用硅胶密封垫圈。

实施例7

本实施例同开一种基电致动材料驱动的管道检测机器人的管道检测系统12，包括，

终端2，发送开始命令至控制模块121，控制模块121发送指令尾部驱动主体12201工作，实现机器人的前进运动。

控制模块121发送指令到航道自纠正模块123，航道自纠正模块123工作，控制模块121处理航道自纠正模块123返回的信号数据，判断机器人主体1是否处于管道内中轴线上，并将判断后的信号数据反馈至所终端2，在终端2上显示。

如果机器人主体1并没有处于管道内中轴线上，通过终端2发送操作命令到控制模块121，控制模块121发送指令到驱动模块122，各驱动主体12202启动，调整机器人主体1在管道内的位置姿态，使其保持在管道内中轴线上。

遇到弯道时，避障模块124传输避障信号数据至控制模块121，控制模块121处理避障模块124返回的数据并指令至驱动模块122，尾部驱动主体12201正常工作，胸鳍驱动主体12202接收指令开始工作，致使外侧的胸鳍驱动主体12202静止、内侧的胸鳍驱动主体12202运动，使机器人主体1产生弯矩，实现转弯。

检测模块125接收控制模块121指令后，对管壁情况进行检测，控制模块121处理检测模块125返回的数据。存在异常时，控制模块121发送二次检测指令至检测模块125，检测模块125中的照明和摄像装置相应启动，摄像头4进行相应的拍照，实现对漏点的二次识别，二次识别后的信号数据反馈至控制模块121，控制模块121将第一次检测信息和第二次信号数据反馈至所终端2，在终端2上显示。定位模块126接受控制模块121指令后，定位模块126开始实时工作，用以确定检测管壁异常的物理位置信息，控制模块121处理定位模块126返回的数据后，发出信号数据反馈至终端2。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电致动材料驱动的管道检测机器人，其特征在于，包括主体、终端；所述终端与所述主体交互；所述主体包括壳体、管道检测系统，所述管道检测系统集成在所述壳体上；所述管道检测系统包括控制模块、驱动模块、航道自纠正模块、避障模块、检测模块、定位模块；

所述驱动模块包括驱动主体以及单片机，所述驱动主体采用电致动聚合物材料，所述单片机与所述驱动主体电连接；

所述控制模块与所述驱动模块连接，用以指令所述驱动模块做相应的运动；

所述控制模块与所述航道自纠正模块连接，所述航道自纠正模块发出自纠正信号数据至所述控制模块，所述控制模块分析所述自纠正信号数据后，发出信号数据驱动所述驱动模块运动，致使所述主体处于管道的轴心线上；

所述避障模块与所述控制模块连接，所述避障模块用以采集距离障碍物的数据，并传输避障信号数据至所述控制模块，经所述控制模块分析后，发出信号数据至所述驱动模块并指令所述驱动模块做出相应避障运动；

所述检测模块与所述控制模块连接，所述检测模块用以检测管壁异常情况，并发出检测信号数据至所述控制模块，所述控制模块分析所述检测信号数据后，发出信号数据反馈至所述终端；

所述定位模块与所述控制模块连接，所述定位模块用以确定检测管壁异常的物理位置信息，并发出定位信号数据至所述控制模块，所述控制模块分析所述定位信号数据后，发出信号数据反馈至所述终端。

2.根据权利要求1所述基于电致动材料驱动的管道检测机器人，其特征在于，所述壳体的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龙、光敏树脂等轻质固体防水材料中一种或多种。

3.根据权利要求1所述基于电致动材料驱动的管道检测机器人，其特征在于，所述壳体包括前端导流体、壳体前部，壳体中部配重舱，壳体尾部，尾部导流体，所述壳体前部、所述壳体中部配重舱、所述壳体尾部按照先后顺序依次可拆卸连接；

所述前端导流体位于所述壳体前部上；所述前端导流体呈三角结构，其底部与所述壳体前部连接，其顶角与其底部中心的连线的延长线与所述前端导流体其中轴线相交其垂直，其两侧面与前端导流体的中轴线平行；三个所述前端导流体等距间隔分布呈环形；

所述尾部导流体位于所述壳体尾部上；三个所述尾部导流体等距间隔分布呈环形，且与前端导流体一一对应。

4.根据权利要求1所述基于电致动材料驱动的管道检测机器人，其特征在于，所述驱动主体包括尾部驱动主体、胸鳍驱动主体，所述尾部驱动主体连接在所述壳体尾部的尾末端；两个所述胸鳍驱动主体对称连接在所述壳体前部的左右两侧；所述胸鳍驱动主体采取多鳍式结构，包括至少三片片状的电致动聚合物材料；所述尾部驱动主体包括至少一片片状的电致动聚合物材料。

5.根据权利要求1所述基于电致动材料驱动的管道检测机器人，其特征在于，所述航道自纠正模块设置在所述壳体尾部上，包括多个等间距环形排列的激光测距仪或者第一超声波传感器。

6.根据权利要求1所述基于电致动材料驱动的管道检测机器人，其特征在于，所述避障模块包括超声避障模块或红外线避障模块，所述避障模块安装在所述壳体前部的前端。

7.根据权利要求1所述基于电致动材料驱动的管道检测机器人，其特征在于，所述检测模块设置在所述壳体尾部上，包括多个等间隔环形阵列的第二超声波传感器，所述壳体尾部上还包括多个等间隔环形阵列的照明装置以及多个等间隔环形阵列的摄像头；多个所述照明装置以及多个所述摄像头共同构成第二检测装置；

所述照明装置的输入连接所述控制模块的输出，所述摄像头与所述控制模块交互，所述控制模块发出信号数据至所述照明装置，用以驱动所述照明装置照明；所述控制模块发出信号数据至所述摄像头，用以驱动所述摄像头旋转、拍照，并将采集的照片信息输送至所述控制模块中，所述控制模块分析所述信息后，反馈至所述终端。

8.根据权利要求1所述基于电致动材料驱动的管道检测机器人，其特征在于，所述控制模块为单片或PLC控制器。

9.根据权利要求1所述基于电致动材料驱动的管道检测机器人，其特征在于，所述定位模块为GPS装置或北斗卫星定位系统装置。

10.一种基于电致动材料驱动的管道检测机器人的管道检测系统，其特征在于，包括，

终端，发送开始命令至控制模块，控制模块发送指令尾部驱动主体工作，实现机器人的前进运动；

控制模块发送指令到航道自纠正模块，航道自纠正模块工作，控制模块处理航道自纠正模块返回的信号数据，判断机器人的主体是否处于管道内中轴线上，并将判断后的信号数据反馈至所终端，在终端上显示；

如果机器人的主体并没有处于管道内中轴线上，通过终端发送操作命令到控制模块，控制模块发送指令到驱动模块，胸鳍驱动主体启动，调整机器人的主体在管道内的位置姿态，使其保持在管道内中轴线上；

遇到弯道时，避障模块传输避障信号数据至所述控制模块，控制模块处理避障模块返回的数据并指令至驱动模块，尾部驱动主体正常工作，胸鳍驱动主体接收指令开始工作，致使外侧的胸鳍驱动主体运动、内侧的胸鳍驱动主体静止，使机器人的主体产生弯矩，实现转弯；

检测模块接收控制模块指令后，对管壁情况进行检测，控制模块处理检测模块返回的数据；存在异常时，控制模块发送二次检测指令至检测模块，检测模块中的照明和摄像装置相应启动，摄像头进行相应的拍照，实现对漏点的二次识别，二次识别后的信号数据反馈至控制模块，控制模块将第一次检测信息和第二次信号数据反馈至所终端，在终端上显示；定位模块接受控制模块指令后，定位模块开始实时工作，用以确定检测管壁异常的物理位置信息，控制模块处理定位模块返回的数据后，发出信号数据反馈至所述终端。