CN109555933A - 一种螺旋式内壁清扫机器人 - Google Patents

一种螺旋式内壁清扫机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种螺旋式管道内壁清扫机器人，包括依次连接的螺旋式牵引装置，树莓派图像采集装置，单片机控制装置以及清扫装置，螺旋式牵引装置与树莓派图像采集装置是通过一个步进电机与联轴器连接，单片机控制装置与树莓派图像采集装置利用弹簧软管连接，单片机控制装置和清扫装置利用直流电机和联轴器连接。本发明的螺旋式管道内壁清扫机器人能够通过单片机的控制自适应管径发生较小变化和越过较小的障碍，对于中小直径的90度弯管和U型管具有良好的通过性，同时采用了六组升降机构有利于保证机器人在管道内壁的稳定性。

Description

一种螺旋式内壁清扫机器人
技术领域
本发明属于管道清理检测设备技术领域，设计一种基于图像识别的螺旋式驱动管道清理检测机器人。
背景技术
近年来，随着国家工农产业的飞速发展，管道作为水、石油、天然气等资源的重要运输方式，其需求量逐年提高。但由于管道通常长年处于恶劣的工作环境下，受地质灾害、化学腐蚀等外在因素的影响，会发生管道内部损坏、管道泄漏甚至导致爆炸等严重危险事故，给人们生活带来严重隐患。传统的管道检测，所有的检测内容都是由工作人员亲自完成，存在一定的危险性，并且检测效率也不尽如人意。尤其对于内部比较狭窄的管道或者输送有毒气体的管道，检测人员根本不能进行任何检测，为了管道能够安全作业，研究新的管道检测技术己经成为管道运输行业的首要任务，而管道检测机器人的出现解决了管道工业的燃眉之急。它是一种可以沿着细小的管道内壁自动行走，自身可以携带多种传感器及操作结构，通过工作人员的远距离操控或计算机内部程序的智能操控下，进行管道的机、电、仪一体化作业。具有运动灵活、检测方便、准确等优点，在工业经济花费上成本也是相对比较低的。
目前，国内外对机器人研究众多，普遍认为法国最先开始管道机器人的理论研究和样机开发，并在1978年研制成功了轮腿式管道机器人，该机构为后续的管道机器人的发展打下了基础。按驱动方式分：轮式、腿式、蠕动式、履带式、利用流体推力、管外加推力和介质流压差驱动式。
管道检测机器人可以进入人类无法达到的特殊管道内进行作业，通过工作人员、远程控制中心、底层控制器以及多检测传感器之间的相互配合，来完成对管道的质量检测，以及对管道内部的缺陷进行处理操作。和其他类型的机器人相比，管道机器人具有独特的移动机构以及缺陷无损检测装置。能够灵活稳定的在管道内部行走，适应于复杂多变的管道环境。基于视觉的管道机器人通过机器人本身带载的视觉传感器装置，能够简洁方便的获取管道内部环境图像信息，并将这些信息传送至远程控制中心，通过对管道内部图像信息进行分析处理，判断出当前管道的使用情况以及危险系数，并及时对潜在的危险进行安全处理，以减少管道泄漏、爆炸、火灾等重大事故的发生。与管外检测技术相比，基于视觉的管内机器人检测能够对埋在地底、穿越水中等位于特殊位置的管道详细检测。
发明内容
本发明主要是研究一种基于图像识别的管道清理检测机器人，该机器人隶属于微型管道机器人，可以自适应管径的微小变化并且越过细小障碍，适用于管径为150mm-250mm的90度极限弯道和竖直管道。
本发明所采取的技术方案是：一种螺旋式内壁清扫机器人，包括依次连接的螺旋式牵引装置1，树莓派图像采集装置2，单片机控制装置4以及清扫装置5；所述螺旋式牵引装置1与树莓派图像采集装置2连接，所述树莓派图像采集装置2通过软管关节3连接与单片机控制装置4连接，所述单片机控制装置4与清扫装置5连接；所述螺旋式牵引装置1通过空间上呈螺旋线布置的变径驱动机构驱动所述清扫机器人行进，所述单片机控制装置4和树莓派数据采集装置2通过控制升降机构从而适应管道内壁的直径，所述清扫装置5用于清洁管道内壁。
进一步的，所述变径驱动机构包括多组驱动轮构件，所述驱动轮构件通过联轴器彼此连接，并且所述变径驱动机构连接所述树莓派图像采集装置2端部的步进电机207，所述步进电机207带动所述多组驱动轮构件。
进一步的，所述驱动轮构件包括轮子支柱101、轮子102、弹簧盖子103与主体支撑104，所述轮子支柱101一端插入所述主体支撑104的内部并且通过弹簧盖子103固定，轮子支柱101的另一端安装有所述轮子102；从轮子支柱101位于主体支撑104内的端部抵接预紧弹簧105,所述预紧弹簧105设于主体支撑104内部空腔。
进一步的，所述轮子支柱101上安装有轮子的一端设置有轮子连接棒107，所述轮子连接棒107插入所述轮子支柱101端部的圆槽固定，所述轮子连接棒107的两端分别通过小型滚动轴承106安装有轮子102，所述轮子102的轴线与管道轴线呈锐角夹角。
进一步的，所述的树莓派图像采集装置2包括管道机器人外壳201，所述管道机器人外壳201内部固定安装有树莓派板子205与步进电机206。
进一步的，所述的树莓派图像采集装置2还包括高清摄像头207与she，所述高清摄像头207通过固定在管道机器人外壳201上与所述螺旋式牵引装置1相对的端部；所述升降机构安装在管道机器人外壳201外壁面上，并且所述升降机构能够将树莓派图像采集装置2托起从而保证树莓派图像采集装置2在管道内的移动。
进一步的，所述的弹簧软管3包括软管302，所述软管302内部嵌入弹簧301，弹簧301一端与树莓派图像采集装置3接固定，弹簧301的另一端与单片机控制装置4的连接固定。
进一步的，所述的单片机控制装置4包括直流无刷电机401、外壳403、单片机405、与升降机构，所述单片机405安装于所述外壳内部，所述直流无刷电机401与清扫装置5连接，所述升降机构安装在外壳403外壁面上，并且所述升降机构能够将单片机控制装置4包括托起从而保证单片机控制装置4在管道内的移动。
进一步的，所述升降机构包括丝杠滑台和步进电机202,401、滑轮203,404与升降滑杆204,402，所述丝杠滑台安装于管道机器人外壳201外壁面，并且丝杠滑台由步进电机202,401驱动；所述丝杠滑台的滑块连接连杆，所述连杆连接在升降滑杆204,402中部位置，所述升降滑杆204,402一端转动安装于管道机器人外壳201外壁面，所述升降滑杆204,402的另一端安装有滑轮，所述滑轮与管道内壁接触；所述树莓派图像采集装置2与单片机控制装置4上各安装有三组升降机构，且三组升降机构相互之间互成120度角分布，同时树莓派图像采集装置2与树莓派图像采集装置2之间对应的升降机构成60度角分布。
进一步的，所述的清扫装置5包括清扫机构501，清扫机构501外部套有用于清扫的海绵502。
本发明采用的是螺旋驱动原理，内置电源，结构简单，实用方便。对于驱动方面采用螺旋式驱动，其中螺旋牵引装置有三组驱动轮，在空间上呈螺旋线，可以提供较大的牵引力，保证了机器人对复杂的管道通过的能力。为了保证能实现在150-250mm之间的管道之间变化，采用了丝杠滑台升降机构和驱动轮采用弹簧进行自适应管径。为了实现90度极限直角管道通过，采用了两节式管道机器人，中间利用弹簧和软件结合作为连接部分。
附图说明
图1为基于图像识别的管道清理检测机器人的结构示意图，
图2为基于图像识别的管道清理检测机器人的螺旋牵引装置的结构示意图，
图3为基于图像识别的管道清理检测机器人的剖视结构示意图。
具体实施方式
一种螺旋式内壁清扫机器人，包括依次连接的螺旋式牵引装置1，树莓派图像采集装置2，单片机控制装置4以及清扫装置5。螺旋式牵引装置1与树莓派图像采集装置2连接，树莓派图像采集装置2通过软管关节3连接与单片机控制装置4连接，单片机控制装置4与清扫装置5连接。螺旋式牵引装置1通过空间上呈螺旋线布置的变径驱动机构驱动清扫机器人行进，单片机控制装置4和树莓派数据采集装置2通过控制升降机构从而适应管道内壁的直径，清扫装置5用于清洁管道内壁。
如图2所示，螺旋式牵引装置中设置了三组在空间上呈螺旋线布置的变径驱动机构。变径驱动机构包括多组驱动轮构件，驱动轮构件通过联轴器彼此连接，并且变径驱动机构连接树莓派图像采集装置2端部的步进电机207，步进电机207带动多组驱动轮构件。驱动轮构件包括轮子支柱101、轮子102、弹簧盖子103与主体支撑104，轮子支柱101一端插入主体支撑104的内部并且通过弹簧盖子103固定，轮子支柱101的另一端安装有轮子102；从轮子支柱101位于主体支撑104内的端部抵接预紧弹簧105,预紧弹簧105设于主体支撑104内部空腔。轮子支柱101上安装有轮子的一端设置有轮子连接棒107，轮子连接棒107插入轮子支柱101端部的圆槽固定，轮子连接棒107的两端分别通过小型滚动轴承106安装有轮子102，轮子102的轴线与管道轴线呈锐角夹角。轮子支柱通过弹簧自身的力学性能实现在管道内的管径的微型变化的自适应以及越过微小障碍的能力。螺旋牵引装置的轮子在空间上呈螺旋线，具有螺旋升角，不同的螺旋升角有着不同的前进的速度；利用步进电机实现对前进有着精确的控制，通过联轴器将步进电机的扭矩和转速传递给螺旋牵引机构。
如图3所示，树莓派图像采集装置2包括管道机器人外壳201，管道机器人外壳201内部固定安装有树莓派板子205与步进电机206。树莓派图像采集装置2还包括高清摄像头207，高清摄像头207通过固定在管道机器人外壳201上与螺旋式牵引装置1相对的端部；升降机构安装在管道机器人外壳201外壁面上，并且升降机构能够将树莓派图像采集装置2托起从而保证树莓派图像采集装置2在管道内的移动。树莓派图像采集装置的主要功能第一是作为支撑部分，在轴向垂直平面上丝杠滑台升降机构呈120度分布，管道机器人在行进的过程中能够稳定的采集管道内部的图像。第二就是进行相关的图像处理，实现简单的基于图像识别的管道机器人的清扫和检测功能。第三是实现与上位机的数据传输，在上位机上实时的图像显示，能够实现对管道内部实时监视。
弹簧软管3包括软管302，软管302内部嵌入弹簧301，弹簧301一端与树莓派图像采集装置3接固定，弹簧301的另一端与单片机控制装置4的连接固定。
单片机控制装置4包括直流无刷电机401、外壳403、单片机405、与升降机构，单片机405安装于外壳内部，单片机优选为stm32f1103zet6。直流无刷电机401与清扫装置5连接，升降机构安装在外壳403外壁面上，并且升降机构能够将单片机控制装置4包括托起从而保证单片机控制装置4在管道内的移动。单片机控制装置的主要功能是第一作为支撑部分，在轴向垂直平面上丝杠滑台升降机构呈120度分布，管道机器人在行进的过程中能够稳定的实现相关的功能；第二就是控制相关的传感器，如超声波传感器和温度传感器和湿度传感器等，为上位机提供一个实时的管道内部的相关参数；第三就是控制两相四线步进电机和直流无刷电机；第四就是与上位机实现数据的传输，考虑到大部分的管道是金属制的，因此放弃采用WiFi模式数据传输，而采用串口异步通信。
如图3所示，升降机构包括丝杠滑台和步进电机202,401、滑轮203,404与升降滑杆204,402，丝杠滑台安装于管道机器人外壳201外壁面，并且丝杠滑台由步进电机202,401驱动；丝杠滑台的滑块连接连杆，连杆连接在升降滑杆204,402中部位置，升降滑杆204,402一端转动安装于管道机器人外壳201外壁面，升降滑杆204,402的另一端安装有滑轮，滑轮与管道内壁接触；树莓派图像采集装置2与单片机控制装置4上各安装有三组升降机构，且三组升降机构相互之间互成120度角分布，同时树莓派图像采集装置2与树莓派图像采集装置2之间对应的升降机构成60度角分布。
如图3所示，清扫装置5包括清扫机构501，清扫机构501外部套有用于清扫的海绵502。

Claims (10)

1.一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，包括依次连接的螺旋式牵引装置(1)，树莓派图像采集装置(2)，单片机控制装置(4)以及清扫装置(5)；所述螺旋式牵引装置(1)与树莓派图像采集装置(2)连接，所述树莓派图像采集装置(2)通过软管关节(3)与单片机控制装置(4)连接，所述单片机控制装置(4)与清扫装置(5)连接；所述螺旋式牵引装置(1)通过空间上呈螺旋线布置的变径驱动机构驱动所述清扫机器人行进，所述单片机控制装置(4)和树莓派数据采集装置(2)通过控制升降机构从而适应管道内壁的直径，所述清扫装置(5)用于清洁管道内壁。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，所述变径驱动机构包括多组驱动轮构件，所述驱动轮构件通过联轴器彼此连接，并且所述变径驱动机构连接所述树莓派图像采集装置(2)端部的步进电机(206)，所述步进电机(206)带动所述多组驱动轮构件。
3.根据权利要求2所述的一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，所述驱动轮构件包括轮子支柱(101)、轮子(102)、弹簧盖子(103)与主体支撑(104)，所述轮子支柱(101)一端插入所述主体支撑(104)的内部并且通过弹簧盖子(103)固定，轮子支柱(101)的另一端安装有所述轮子(102)；轮子支柱(101)位于主体支撑(104)内的端部抵接预紧弹簧(105),所述预紧弹簧(105)安装在主体支撑(104)内部空腔。
4.根据权利要求3所述的一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，所述轮子支柱(101)上安装有轮子的一端设置有轮子连接棒(107)，所述轮子连接棒(107)插入所述轮子支柱(101)端部的圆槽固定，所述轮子连接棒(107)的两端分别通过小型滚动轴承(106)安装有轮子(102)，所述轮子(102)的轴线与管道轴线呈锐角夹角。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，所述的树莓派图像采集装置(2)包括管道机器人外壳(201)，所述管道机器人外壳(201)内部固定安装有树莓派板子(205)与步进电机(206)。
6.根据权利要求1所述的一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，所述的树莓派图像采集装置(2)还包括高清摄像头(206)与升降机构，所述高清摄像头(206)固定在管道机器人外壳(201)与所述螺旋式牵引装置(1)相对的端部；所述升降机构安装在管道机器人外壳(201)外壁面上，并且所述升降机构能够将树莓派图像采集装置(2)托起从而保证树莓派图像采集装置(2)在管道内的移动。
7.根据权利要求1所述的一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，所述的弹簧软管(3)包括软管(302)，所述软管(302)内部嵌入弹簧(301)，弹簧(301)一端与树莓派图像采集装置(3)接固定，弹簧(301)的另一端与单片机控制装置(4)的连接固定。
8.根据权利要求1所述的一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，所述的单片机控制装置(4)包括直流无刷电机(401)、外壳(403)、单片机(405)、与升降机构，所述单片机(405)与直流无刷电机(401)安装于所述外壳内部，所述直流无刷电机(401)与清扫装置(5)连接，所述升降机构安装在外壳(403)外壁面上，并且所述升降机构能够将单片机控制装置(4)包括托起从而保证单片机控制装置(4)在管道内的移动。
9.根据权利要求1所述的一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，所述升降机构包括丝杠滑台和步进电机(202,401)、滑轮(203,404)与升降滑杆(204,402)，所述丝杠滑台安装于管道机器人外壳(201)外壁面，并且丝杠滑台由步进电机(202,401)驱动；所述丝杠滑台的滑块连接连杆，所述连杆转动连接在升降滑杆(204,402)中部位置，所述升降滑杆(204,402)一端转动安装于管道机器人外壳(201)外壁面，所述升降滑杆(204,402)的另一端安装有滑轮，所述滑轮与管道内壁接触；所述树莓派图像采集装置(2)与单片机控制装置(4)上各安装有三组升降机构，且三组升降机构相互之间互成120度角分布，同时树莓派图像采集装置(2)与树莓派图像采集装置(2)之间对应的升降机构成60度角分布。
10.根据权利要求1所述的一种螺旋式内壁清扫机器人，其特征在于，所述的清扫装置(5)包括清扫机构(501)，清扫机构(501)外部套有用于清扫的海绵(502)。
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