CN109404659A - 直轮驱动式变径管道巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明直轮驱动式变径管道巡检机器人，属于管道机器人技术领域；所要解决的技术问题为提供一种可应对复杂管道的直轮驱动式变径管道巡检机器人；采用的技术方案为：驱动单元的结构为：两个驱动轮系统安装在底板后端的两侧，一个万向支撑轮安装在底板前端，底板上安装有变径主动调节系统；转弯与对心系统的结构为：方杆竖直设置，其下端与驱动单元中的底板前端铰接，其中部套装有直线轴承，直线轴承上固定有轴承连接器；检测单元的结构为：壳体上安装有多个检测装置，壳体通过轴承和轴承连接器连接，多个类L形支架的一端铰接在壳体上，另一端安装有万向轮，每个类L形支架与壳体之间均安装有弹簧自适应调节系统；本发明用于管道巡检。

Description

直轮驱动式变径管道巡检机器人

技术领域

本发明直轮驱动式变径管道巡检机器人，属于管道机器人技术领域。

背景技术

现有的管道机器人多为轮式、履带式和螺旋式管道机器人，前两者无法满足复杂环境下驱动轮正压力的自主调节，只能依靠机器人自重来提供正压力。螺旋式机器人结构复杂，多采用电机输出扭矩驱动轮架使其转动，在轮与管道内壁的摩擦力作用下迫使被动轮与轮架分别自传和公转形成行星轮系，利用被动轮轴线与轮架轴线之间的角度关系提供轴向推力的被动驱动形式，牵引力小，传动效率低。另外，现有管道机器人多为固定管径机器人，无法自动适应管径变化，严重影响管道机器人的通用性。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种对管道变形或变径部位适应能力强，可应对复杂管道的直轮驱动式变径管道巡检机器人。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：直轮驱动式变径管道巡检机器人，包括：驱动单元、转弯与对心系统和检测单元，驱动单元和检测单元通过转弯与对心系统连接；

所述驱动单元的结构为：两个驱动轮系统安装在底板后端的两侧，一个万向支撑轮安装在底板前端，底板上安装有变径主动调节系统；

所述驱动轮系统的结构为：电机和驱动轮均安装在安装板上，电机的输出轴通过一对锥齿轮与驱动轮的转轴连接，安装板与底板连接；

所述变径主动调节系统的结构为：丝杠水平设置，其一端通过轴承安装在丝杠支座上，另一端通过联轴器与变径调节电机的输出轴连接，滑块通过螺纹套装在丝杠上，支撑轮由连杆机构控制随滑块在丝杠上水平移动而上下移动，支撑轮上安装有压力传感器，变径调节电机和丝杠支座均固定安装在底板上；

所述转弯与对心系统的结构为：方杆竖直设置，其下端与驱动单元中的底板前端铰接实现水平转动，其中部套装有直线轴承，直线轴承上固定有轴承连接器；

所述检测单元的结构为：壳体上安装有多个检测装置，壳体通过轴承和转弯与对心系统中的轴承连接器连接实现径向旋转，多个类L形支架围绕壳体径向均布，类L形支架的一端铰接在壳体上，另一端安装有万向轮，每个类L形支架与壳体之间均安装有弹簧自适应调节系统。

所述驱动轮系统中安装板与底板之间通过变径被动调节系统连接，所述变径被动调节系统的结构为：合页的转动轴上套装扭簧，扭簧的两端分别与合页的两个页片固定；

所述驱动单元中的万向支撑轮通过弹簧套筒与底板连接实现被动调节。

进一步的，所述连杆机构的结构为：第一连杆倾斜设置，下端固定在底板上，上端与第二连杆的下端铰接，第三连杆的下端与滑块铰接，上端与第二连杆的中部铰接，第二连杆的上端安装支撑轮。

进一步的，所述转弯与对心系统中方杆的下端与双层夹板固定，底板插入双层夹板中后用销轴铰接。

进一步的，所述弹簧自适应调节系统的结构为：套筒的底端铰接在所述壳体上，套筒内套装有弹簧，弹簧的一端固定在套筒的底面上，另一端固定在弹簧压盖上，弹簧压盖套装在套筒内部，连接杆的一端固定在弹簧压盖上，另一端伸出套筒外并与类L形支架铰接。

进一步的，所述检测单元中的检测装置为摄像头，或为检测传感器，或为摄像头加检测传感器。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明中，驱动单元中的变径主动调节系统和变径被动调节系统相结合，变径主动调节系统通过电机进行控制，能够持久的保持支撑轮与管道内壁接触部分的正压力，变径被动调节系统对管道内微小障碍进行自适应调节，从而增大了本发明对管径的适应范围，也使本发明在管道内的行进过程中具有更大的灵活性。

2、本发明中，驱动单元中的万向支撑轮与底板之间通过弹簧套筒连接，保证了万向支撑轮能够一直接触管道壁，维持驱动单元稳定运行。

3、本发明中，检测单元中的弹簧自适应调节系统保证了万向轮始终与管道壁相接触，弹簧自适应调节系统适应能力大，占用空间小、动作灵活且延迟性小。

4、本发明中，驱动单元和检测单元之间用转向与对心系统连接，其中转向铰链用于转向，保证了检测单元过弯时推力的稳定传输，直线轴承用于对心，防止了本发明因为驱动单元与检测单元两部分中心高度不同而失稳。

5、本发明中，检测单元中的万向轮配合与转向与对心系统连接的轴承，实现了检测单元径向360°旋转，使检测单元可稳定通过管道内的微小障碍。

6、本发明中，驱动轮系统中电机通过一对锥齿轮直接作用与驱动轮，系统直接控制电机转速改变驱动轮的行进速度，简化了动力结构，降低了系统自损功耗，大大增加了动力传输效率，又在一定程度上降低了日常保养维护的难度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明中变径主动调节系统的结构示意图。

图4为本发明中驱动轮系统的结构示意图。

图5为本发明中变径被动调节系统的结构示意图。

图6为本发明中变径被动调节系统的爆炸图。

图7为本发明中弹簧自适应调节系统的结构示意图。

图8为本发明中弹簧自适应调节系统的爆炸图。

图9为本发明中转弯与对心系统的结构示意图。

图中：1为驱动单元，11为驱动轮系统，111为电机，112为驱动轮，113为安装板，114为锥齿轮，12为底板，13为万向支撑轮，14为变径主动调节系统，141为丝杠，142为丝杠支座，143为变径调节电机，144为滑块，145为支撑轮，146为第一连杆，147为第二连杆，148为第三连杆，15为变径被动调节系统，151为合页，152为转动轴，153为扭簧，2为转弯与对心系统，21为转向铰链，22为直线轴承，23为轴承连接器，24为双层夹板，25为销轴，3为检测单元，31为壳体，32为检测装置，33为类L形支架，34为万向轮，35为弹簧自适应调节系统，351为套筒，352为弹簧，353为弹簧压盖，354为连接杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1-图9所示，本发明直轮驱动式变径管道巡检机器人，包括：驱动单元1、转弯与对心系统2和检测单元3，驱动单元1和检测单元3通过转弯与对心系统2连接；

所述驱动单元1的结构为：两个驱动轮系统11安装在底板12后端的两侧，一个万向支撑轮13安装在底板12前端，底板12上安装有变径主动调节系统14；

所述驱动轮系统11的结构为：电机111和驱动轮112均安装在安装板113上，电机111的输出轴通过一对锥齿轮114与驱动轮112的转轴连接，安装板113与底板12连接；

所述变径主动调节系统14的结构为：丝杠141水平设置，其一端通过轴承安装在丝杠支座142上，另一端通过联轴器与变径调节电机143的输出轴连接，滑块144通过螺纹套装在丝杠141上，支撑轮145由连杆机构控制随滑块144在丝杠141上水平移动而上下移动，支撑轮145上安装有压力传感器，变径调节电机143和丝杠支座142均固定安装在底板12上；

所述转弯与对心系统2的结构为：方杆21竖直设置，其下端与驱动单元1中的底板12前端铰接实现水平转动，其中部套装有直线轴承22，直线轴承22上固定有轴承连接器23；

所述检测单元3的结构为：壳体31上安装有多个检测装置32，壳体31通过轴承和转弯与对心系统2中的轴承连接器23连接实现径向旋转，多个类L形支架33围绕壳体32径向均布，类L形支架33的一端铰接在壳体32上，另一端安装有万向轮34，每个类L形支架33与壳体31之间均安装有弹簧自适应调节系统35。

进一步的，所述驱动轮系统11中安装板113与底板12之间通过变径被动调节系统15连接，所述变径被动调节系统15的结构为：合页151的转动轴152上套装扭簧153，扭簧153的两端分别与合页151的两个页片固定；

所述驱动单元1中的万向支撑轮13通过弹簧套筒与底板12连接实现被动调节。

进一步的，所述连杆机构的结构为：第一连杆146倾斜设置，下端固定在底板12上，上端与第二连杆147的下端铰接，第三连杆148的下端与滑块144铰接，上端与第二连杆147的中部铰接，第二连杆147的上端安装支撑轮145。

进一步的，所述转弯与对心系统2中方杆21的下端与双层夹板24固定，底板12插入双层夹板24中后用销轴25铰接。

进一步的，所述弹簧自适应调节系统35的结构为：套筒351的底端铰接在所述壳体31上，套筒351内套装有弹簧352，弹簧352的一端固定在套筒351的底面上，另一端固定在弹簧压盖353上，弹簧压盖353套装在套筒351内部，连接杆354的一端固定在弹簧压盖353上，另一端伸出套筒351外并与类L形支架33铰接。

进一步的，所述检测单元3中的检测装置32为摄像头，或为检测传感器，或为摄像头加检测传感器。

所述类L形支架33指的是夹角为钝角的L形支架。

本发明的工作过程为：当需要本发明巡检时，将本发明放置于管道中，打开控制系统，驱动单元1中变径主动调节系统14开始工作。变径调节电机143带动丝杠141转动，滑块144前后移动带动连杆机构动作，支撑轮145在连杆机构的作用下压紧管道壁，压力传感器将支撑轮145的正压力发送给控制系统，控制系统判断正压力到达预定值后将停止变径调节电机143的转动并进行锁定，驱动单元1变径主动调节系统14调节完成。控制系统启动驱动轮系统11中的电机111，电机111转动带动一对锥齿轮114转动，锥齿轮114将动力传输给驱动轮112进行行走。驱动单元1与检测单元3通过转向与对心系统2连接，在本发明直行时，驱动力通过转向铰链21传递给轴承连接器23，轴承连接器23与检测单元3通过轴承连接，轴承连接器23将驱动力传输给检测单元3。检测单元3采用弹簧自适应调节系统35，它使用弹簧套筒结构，套筒351中的弹簧352将弹力作用于类L形支架33，类L形支架33将万向轮34压紧到管道壁上。在驱动单元1中，当管道直径变化较大时，支撑轮145正压力变化超过设定范围，驱动单元1变径主动调节系统14的变径调节电机143将进行工作，压紧或者放松支撑轮145以适应管径变化，当管径变化不大时，变径被动调节系统15进行工作，对驱动轮112角度进行微调以适应管径变化。变径被动调节系统15采用合叶151中载入扭簧153的设计，驱动轮系统11与底板12使用合叶151连接，使驱动轮系统11和底板12实现弹性连接，增强了驱动单元1的自适应性。当驱动单元1进行变径调节时，万向支撑轮13与底板12之间的弹簧套筒将自动伸长或者压缩，保证万向支撑轮13能够一直接触管道壁，保证驱动单元1的稳定性。

本发明主要用于天然气管道、石油运输管道、大型供水管道等多种流体介质的管道巡检。液体介质管道在巡检时应排空介质，气体介质管道无影响。

在执行直管巡检时，将本发明放置于管道中，驱动单元1中变径主动调节系统14工作，将支撑轮145的正压力调节到预定范围内，检测单元3中的弹簧自适应调节系统35自动工作，万向轮34在弹簧352的压下紧贴管道壁，并使检测单元3处于管道中心位置，然后驱动轮系统11中电机111工作提供驱动力，使本发明前后移动，检测单元3中的各检测装置32开始采集数据并上传。当驱动单元1遇到管内障碍时，驱动单元1中变径被动调节系统15工作，顺利通过障碍；当检测单元3中某一个万向轮34遇到障碍时，检测单元3会沿管道做径向转动，顺利通过障碍。

在执行变径直管巡检时，本发明在走到直管变径处之前同执行直管巡检时的动作。当走到直管直径变小处时，检测单元3中的万向轮34受到管壁挤压，多个弹簧自适应调节系统35同时收缩，使检测单元3顺利通过直径变小处，然后驱动单元1中的支撑轮145受到管道的径向压力增大，压力值超过设定值后变径主动调节系统14工作，调节支撑轮145的高低，使驱动单元1顺利通过直径变小处。当走到直管直径变大处时，检测单元3中的多个弹簧自适应调节系统35同时伸长，驱动单元1中的变径主动调节系统14调节支撑轮145的高低，使检测单元3和驱动单元1顺利通过直径变大处。当遇到直径突变的变径管道时，驱动单元1和检测单元3的中心将不在一条直线上，这时检测单元3将通过直线轴承22沿转向铰链21整体向上或向下窜动，保证本发明整体的稳定性，

在执行变径弯管巡检时，本发明在走到变径转弯处之前同执行直管巡检时的动作。当走到弯管变径处时，检测单元3中的多个弹簧自适应调节系统35进行不同范围的收缩或伸长，使检测单元3顺利通过变径弯管，然后驱动单元1中的支撑轮145受到管道的径向压力改变，变径主动调节系统14调节支撑轮145的高低，变径被动调节系统15调节驱动轮112的角度，使驱动单元1顺利通过变径弯管。在此转弯过程中，检测单元3先进行转弯，这时转弯与对心系统2中的转向铰链21将水平转动，保证驱动单元1的驱动力能通过转弯与对心系统2传递至检测单元3中心，使本发明整体平稳铜鼓变径弯管。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.直轮驱动式变径管道巡检机器人，其特征在于包括：驱动单元（1）、转弯与对心系统（2）和检测单元（3），驱动单元（1）和检测单元（3）通过转弯与对心系统（2）连接；

所述驱动单元（1）的结构为：两个驱动轮系统（11）安装在底板（12）后端的两侧，一个万向支撑轮（13）安装在底板（12）前端，底板（12）上安装有变径主动调节系统（14）；

所述驱动轮系统（11）的结构为：电机（111）和驱动轮（112）均安装在安装板（113）上，电机（111）的输出轴通过一对锥齿轮（114）与驱动轮（112）的转轴连接，安装板（113）与底板（12）连接；

所述变径主动调节系统（14）的结构为：丝杠（141）水平设置，其一端通过轴承安装在丝杠支座（142）上，另一端通过联轴器与变径调节电机（143）的输出轴连接，滑块（144）通过螺纹套装在丝杠（141）上，支撑轮（145）由连杆机构控制随滑块（144）在丝杠（141）上水平移动而上下移动，支撑轮（145）上安装有压力传感器，变径调节电机（143）和丝杠支座（142）均固定安装在底板（12）上；

所述转弯与对心系统（2）的结构为：方杆（21）竖直设置，其下端与驱动单元（1）中的底板（12）前端铰接实现水平转动，其中部套装有直线轴承（22），直线轴承（22）上固定有轴承连接器（23）；

所述检测单元（3）的结构为：壳体（31）上安装有多个检测装置（32），壳体（31）通过轴承和转弯与对心系统（2）中的轴承连接器（23）连接实现径向旋转，多个类L形支架（33）围绕壳体（32）径向均布，类L形支架（33）的一端铰接在壳体（32）上，另一端安装有万向轮（34），每个类L形支架（33）与壳体（31）之间均安装有弹簧自适应调节系统（35）。

2.根据权利要求1所述的直轮驱动式变径管道巡检机器人，其特征在于：所述驱动轮系统（11）中安装板（113）与底板（12）之间通过变径被动调节系统（15）连接，所述变径被动调节系统（15）的结构为：合页（151）的转动轴（152）上套装扭簧（153），扭簧（153）的两端分别与合页（151）的两个页片固定；

所述驱动单元（1）中的万向支撑轮（13）通过弹簧套筒与底板（12）连接实现被动调节。

3.根据权利要求1或2所述的直轮驱动式变径管道巡检机器人，其特征在于：所述连杆机构的结构为：第一连杆（146）倾斜设置，下端固定在底板（12）上，上端与第二连杆（147）的下端铰接，第三连杆（148）的下端与滑块（144）铰接，上端与第二连杆（147）的中部铰接，第二连杆（147）的上端安装支撑轮（145）。

4.根据权利要求1或2所述的直轮驱动式变径管道巡检机器人，其特征在于：所述转弯与对心系统（2）中方杆（21）的下端与双层夹板（24）固定，底板（12）插入双层夹板（24）中后用销轴（25）铰接。

5.根据权利要求1所述的直轮驱动式变径管道巡检机器人，其特征在于：所述弹簧自适应调节系统（35）的结构为：套筒（351）的底端铰接在所述壳体（31）上，套筒（351）内套装有弹簧（352），弹簧（352）的一端固定在套筒（351）的底面上，另一端固定在弹簧压盖（353）上，弹簧压盖（353）套装在套筒（351）内部，连接杆（354）的一端固定在弹簧压盖（353）上，另一端伸出套筒（351）外并与类L形支架（33）铰接。

6.根据权利要求1或5所述的直轮驱动式变径管道巡检机器人，其特征在于：所述检测单元（3）中的检测装置（32）为摄像头，或为检测传感器，或为摄像头加检测传感器。