CN109737267A - 基于多传感器信息融合的管道检测机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人及方法，本公开的机器人能够主动适应大范围管径变化、被动适应管道小范围变形、具有很大程度的弯管通过性，搭载多种传感器，弥补单一传感器检测结果可信度不高的缺点，能更准确检测管道内壁腐蚀、局部变形和焊缝裂缝等缺陷。

Description

基于多传感器信息融合的管道检测机器人及方法

技术领域

本公开涉及一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体或/和气体物资的输方式，常被用作由生产地向市场输送石油、煤和化学产品，是统一运输网中干线运输的组成部分。其不仅具有运输量大、连续、迅速、经济、安全、可靠、平稳以及投资少、占地少、费用低，实现自动控制等优点。同时可省去水运或陆运的中转坏节，缩短运输周期，降低运输成本，提高运输效率。

但是，管道运输方式也存在一定的缺点，由于管道可以长时间运行，因环境变化、介质腐蚀，疲劳破坏等因素必将造成管道内壁局部变薄、焊缝开裂、管道变形等故障。因此，对管道的检测，尤其是对管道的在役检测尤为重要。

目前的管道机器人主要是轮式机器人，在机器人搭载与检测项相适配的传感器进行检测。虽然轮式机器人存在运动控制过程简便的优点，但轮式机器人的体积基本一定，无法与管道的内径进行特别好的适配，而管道经常会因为铺设环境或空间的限制，存在管径不一致、变化的情况出现，也有需要拐弯的地方，造成机器人在变径处和\或弯曲处存在卡住或碰撞管道的问题，甚至会造成在检测过程中对管道进行伤害，而传输的流体会对损伤处腐蚀，造成二次伤害。

同时，目前国内外基于多传感器信息融合的管道检测机器人大多使用单一传感器检测且只可检测直管，不可检测弯管或对弯管的检测效果并不理想，且针对大范围的管径变化，表现并不理想。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人及方法，本公开能够主动适应大范围管径变化、被动适应管道小范围变形、具有很大程度的弯管通过性，搭载多种传感器。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，包括至少三节机体，分别为依次相连的第一机体、第二机体和第三机体，其中：

所述第一机体的外沿圆周分布有若干机械臂，所述机械臂上设置有第一调节机构，所述第一调节机构使机械臂相对于第一机体轴心的距离可调，所述机械臂端部设置有导向件；

所述第二机体通过可旋转件分别与第一机体末端和第三机体前端连接，所述第二机体包括旋转机构、第二调节机构和检测臂，所述检测臂设置于第二机体的外沿处，通过第二调节机构改变检测臂末端与管道内壁的间距，所述旋转机构带动所述检测臂沿周向旋转；

所述第三机体的外沿圆周分布有若干机械臂，所述机械臂相对于第一机体轴心的距离可调，所述机械臂端部设置有驱动件，第三机体上设置有动力机构，所述动力机构驱动所述驱动件，使整个检测机器人沿管道延伸方向行进；

所述检测臂上设置有检测机构。

通过上述结构设置，实现整个检测机器人为分段式结构，且每个小分段之间通过可旋转件连接，这种结构能够保证机器人遇到管道大角度折弯或出现拐弯现象时，能够顺利的实现拐弯，适应管道走向的变化。

另外，通过第一机体、第三机体的机械臂都能够调节与管壁的间距，实现在管壁内径发生变化时，通过改变机械臂的张开/收缩程度，实现机器人在行进过程中，机械臂与管壁始终无缝、自适应接触，利用第一机体上设置的导向臂，实现导向作用，利用第三机体上动力机构，实现驱动作用。

利用第二机体相对于第一机体和第三机体来说可旋转，且检测板与管壁始终贴合的特点，实现检测作用。

当然，这并不意味着第一机体或/和第三机体上不可以放置检测机构。

作为一种可实施的方案，所述第一机体上设置有视频传感器和/或超声波传感器。优选的，可以将视频传感器和/或超声波传感器设置于第一机体的前端上，以实现在机器人行进过程中，对行进方向前端的情况进行检测。

作为一种可实施的方案，所述第一机体包括前板和底板，前板和底板之间通过机架连接，所述第一机体上的第一调节机构包括丝杠，所述丝杠的中心轴与所述第一机体的中心轴重合，所述丝杠上套有丝杠滑块，所述第一机体上套有伸缩环，所述伸缩环可在所述第一机体上沿轴线方向滑动，所述伸缩环与所述丝杠滑块通过伸缩环连杆连接，用于调节所述大腿与所述第一机架的距离，所述伸缩环上套设有若干大腿，所述大腿内部均有开口，所述伸缩环能够通过所述开口沿所述大腿的延伸方向运动，所述大腿连接着小腿，形成机械臂整体。

作为一种可实施的方案，所述导向件为导向轮。

作为进一步的技术方案，所述第一调节机构包括位于所述小腿的扭转弹簧，钢丝绳的一端绕制在所述扭转弹簧上，另一端绕过所述伸缩环固定在所述大腿上，用于调节所述大腿与所述小腿的距离。

作为一种可实施的方案，所述第二机体包括机架和固定板，所述机架包括位于两端的齿圈，和若干连接板，所述连接板位于两个齿圈之间，连接板与齿圈通过连接杆连接，所述固定板至少为两个，位于机架的不同端部，所述固定板外部通过齿轮与对应的齿圈啮合。

作为一种可实施的方案，所述第二调节机构包括位于所述第二机体的丝杠，所述丝杠的中心轴与所述第二机体的中心轴重合，所述丝杠上套有丝杠滑块，通过连接在所述丝杠滑块上的检测臂连杆推动检测臂张开，所述检测臂末端设置有检测板，所述检测板与管壁通过位于所述检测板上的辅助轮接触。

作为一种可实施的方案，所述检测板上设置有漏磁传感器及超声波传感器。

所述检测板与所述检测臂通过扭转弹簧铰接，并与检测板上的所述辅助轮共同保持所述漏磁传感器、所述超声波传感器与所述管壁的间距。

这种设计能够保证测量数据的准确性。

作为一种可实施的方案，所述旋转机构包括位于第二机体两端的行星轮系，所述行星轮系的太阳轮与伺服电机相连，所述行星轮系的固定在所述第二机体上，所述伺服电机安装于所述第二机体上，实现所述检测机构沿管壁内侧旋转。

作为一种可实施的方案，所述第三机体的机械臂通过第三调节机构调节机械臂端部与第三机体中心的距离，所述第三调节机构与第一调节机构结构相同。

作为一种可实施的方案，所述机器人还包括控制机构，具体包括控制板和通讯板，所述控制板接收检测机构各个传感器检测的信号，并将其通过通讯板远程传输给控制中心。

当然，上述的控制板和通讯板设置于任何一个机体上都可以。

作为可实施的方案，所述机器人上设置有连接件，通过连接件上设置连接绳索/链，实现回收。连接件可以是打捞钩。

作为可实施的方案，所述可旋转件为万向阻尼。

基于上述检测机器人的工作方法，利用第三机体作为动力机体，第一机体作为导向机体，通过两个机体对应的机械臂与中心轴的距离可调，机器人自适应于管径，在行进过程中，调节第二机体旋转和检测臂的张开/收缩，实现检测板的位置调整，实现全范围检测点的信息采集。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开为分段式结构，且每个小分段之间通过可旋转件连接，这种结构能够保证机器人遇到管道大角度折弯或出现拐弯现象时，能够顺利的实现拐弯，适应管道走向的变化。

本公开的各个调节机构采用丝杠的主动调节和伸缩环与扭转弹簧组成的复合调节，实现大范围管径变化的主动调节与小范围管径变形的双级被动调节；

本公开检测机构绕管道内壁自旋，通过检测臂与辅助轮调节，使得传感器与管道内壁维持恒定距离，实现管道的全范围检测；

本公开的各机体之间采用万向阻尼连接，具有小半径弯管的高通过性及检测的高可靠性。

本公开的机体自身搭载动力机构及通信模块，实现长距离管道的检测，同时固定于机体上的连接件确保紧急情况下的机体回收；

本公开的机体上可以搭载视频传感器、励磁传感器和超声波传感器，弥补单一传感器检测结果可信度不高的缺点，能更准确检测管道内壁腐蚀、局部变形和焊缝裂缝等缺陷。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为基于多传感器信息融合的管道检测机器人的总体结构图。

图2为基于多传感器信息融合的管道检测机器人的左视图

图3为第一机体结构图。

图4为第二机体结构图。

图5为第三机体结构图。

图6为万向阻尼器。

图7为伸缩环结构图。

图8为调节机构结构图

其中：1-第一机体，2-第二机体，3-万向阻尼器，4-第三机体；

11-第一前板，111-视频传感器，112-超声波距离传感器，12-中板，13-机架杆，14-收缩环，15-丝杠滑块，16-丝杠，17-导向轮，18-调节机构，19-第一底板；

21-第二固定板，22-齿圈，23-第二前板，231-第二机架杆，232-第二后板，241-第二丝杠，242-阻尼杆，243-第二丝杠滑块，244-阻尼缸，251-电源，252-电源座，253-支撑板，254-伺服电机，255-连架杆，256-控制板，261-检测臂，262-超声波传感器，263-辅助轮，264-磁传感器，265-检测板，266-检测板扭转弹簧，271-太阳轮，272-行星轮，273-行星支架；

31-万向阻尼前端，32-万向阻尼后端，33-调节螺母；

41-第三前板，42-动力轮，43-小电机，44-第三底板，45-打捞钩，47-通讯板；

141-伸缩环，142-弹簧，143-活动环引脚，144-固定环端盖，145-活动环，146-伸缩环支撑杆；

181-大腿，182-小腿，183-小腿扭转弹簧，184-钢丝绳，185-关节滑轮，186-绕绳杆，187-大腿滑轮。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1所示，为本实施例所提供的基于多传感器信息融合的管道检测机器人的总体结构图，其中：第一机体1与第二机体2、第二机体2与第三机体4通过万向阻尼器3铰接，各节与万向阻尼器的连接方式为螺纹连接，共同组成该机器人的框架结构。

如图2所示，为本实施例所提供的基于多传感器信息融合的管道检测机器人的左视图。

在本实施例中，第二机体2的框架大小直径可以略小于第一机体1以及第三机体4的直径。第一机体1为导向节，第二机体2为检测节，第三机体4为动力节。第一机体包括第一机架及安装在第一机架上的调节机构及检测机构；

第二机体2包括第二机架及安装在所述第二机架上的旋转机构、调节机构、动力机构及检测机构；所述第三机体4包括第三机架及安装在第三机架上的调节机构和动力机构。

如图3所示，为第一机体1的具体结构图。其中：第一机体1具体包括第一前板11和第一底板19，第一前板11与第一底板19通过机架杆13栓接，机架杆13上同时还安装中板12和伸缩环14。丝杠16一端固定在第一底板19，另一端固定在中板12。视频传感器111与超声波距离传感器112安装在第一前板11上，两个超声波传感器112沿第一机体1的轴线对称布置，伸缩环14与丝杠滑块15通过伸缩环支撑杆146固接，伸缩环14同时套在调节机构18的卡槽中，调节机构一端栓接在中板12上，另一端连接导向轮17。电机控制丝杠滑块15沿丝杠16的轴线前后运动，进而控制伸缩环14沿机架杆13运动，伸缩环的移动量决定调节机构18的开合程度，最终决定导向轮17与第一机体1的距离。调节机构18与导向轮17沿第一机体1的轴线等间隔周向分布，确保第一机体始终位于管道轴线。第一底板19与万向阻尼器3通过螺纹固接。

如图4所示，为第二机体2的具体结构图。包括了第二固定板21、第二前板23、第二后板232与连架杆255，第二固定板21与万向阻尼器3螺纹固接。第二固定板21、太阳轮271、行星支架273、行星轮272与齿圈22共同组成行星轮系，行星轮系可绕第二机体2的轴线旋转。齿圈22上固定有第二机架杆231。第二机架杆231上同时安装第二前板23、第二后板232与连架杆255。第二前板23与第二后板232通过第二丝杠241连接，第二丝杠241上套有第二丝杠滑块243，阻尼杆242与刚度较大的阻尼缸244共同组成缓冲结构，用以检测机构适应管道的微变形。阻尼缸244与丝杠滑块243铰接。阻尼杆242与检测臂261铰接，检测臂241同时还铰接第二前板23与检测板264，检测臂241与检测板264通过检测板扭转弹簧266铰接。电机控制丝杆滑块243的移动，进而通过阻尼杆242与阻尼缸244控制检测臂241的开合角度。检测板265为具有一定弹性的板材，其上安装有超声波检测模块262、磁传感器264与辅助轮263。通过与管壁接触的辅助轮263和弹性检测板265使得超声波检测模块262与磁传感器264保持与管壁的恒定距离。

固定板253通过连架杆255固定在第二机架杆231上，同时保持与第二机体2的轴线重合。结合图2，电源座252与控制板256固定在固定板253上，分别位于固定板253的两面，电源251安装在电源座252内。固定板253末端安装伺服电机254，伺服电机254轴线与机体2的中轴线重合。伺服电机254带动太阳轮271转动，通过行星轮系带动齿圈22转动，进而实现第二机体2沿其轴线的自旋。

如图5所示，为第三机体4的具体结构图。第三机体4的具体结构可以与第一机体1的具体结构类似。区别在于：调节机构18安装小电机43，通过小电机43带动主动轮42旋转。第三底板44安装有通讯板47与打捞钩45。在该机器人无法自主走出管道的情况下，通过打捞钩45将该机器人取出。

第三机体4、第一机体1和第二机体2之间通过万向阻尼器3连接。

当然，在其他实施例中，可以选用不同的能够实现大角度旋转的器件都可以。

如图6所示，为万向阻尼器3的具体结构图。其中：万向阻尼器前端31与万向阻尼器后端32通过球绞铰接，可实现全方位旋转。万向阻尼器3的阻尼效果通过按章在万向阻尼器后端32上的调节螺母33调节。

如图7所示，为伸缩环14的具体结构图。其中：安装在机架连杆13上的固定环141通过收缩环支撑杆146与丝杠滑块16固接。活动环145套在相邻俩固定环141中。收固定环141与活动环145通过安装在固定环141内的弯曲弹簧142和活动节引脚143连接，固定环两端安装有固定环端盖144，使得收缩环活动节145可沿收缩环固定节141滑动。

如图8所示，为调节机构18的具体结构图。其中：大腿181铰接在中板12上，大腿81的卡槽套在收缩环14的活动环145上。小腿182与大腿181铰接。小腿扭转弹簧183安装在小腿182上，关节滑轮185、大腿滑轮187和绕绳杆186安装在大腿181上。钢丝绳184一端固定于小腿扭转弹簧183，另一端绕过关节滑轮185、大腿滑轮187和活动环145，连接在绕绳杆186上。

丝杠滑块15在丝杠16上的移动带动伸缩环14沿机架杆13沿第一机体1或第三机体44的轴线前后移动。通过大腿181上的卡槽和钢丝绳184控制大腿181和小腿182的打开角度。实现大范围的管径变化主动适应。

小腿扭转弹簧183和收缩环14共同组成双级缓冲结构，实现小范围管径变化的被动式适应。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，其特征是：包括至少三节机体，分别为依次相连的第一机体、第二机体和第三机体，其中：

所述第一机体的外沿圆周分布有若干机械臂，所述机械臂上设置有第一调节机构，所述第一调节机构使机械臂相对于第一机体轴心的距离可调，所述机械臂端部设置有导向件；

所述第二机体通过可旋转件分别与第一机体末端和第三机体前端连接，所述第二机体包括旋转机构、第二调节机构和检测臂，所述检测臂设置于第二机体的外沿处，通过第二调节机构改变检测臂末端与管道内壁的间距，所述旋转机构带动所述检测臂沿周向旋转；

所述第三机体的外沿圆周分布有若干机械臂，所述机械臂相对于第一机体轴心的距离可调，所述机械臂端部设置有驱动件，第三机体上设置有动力机构，所述动力机构驱动所述驱动件，使整个检测机器人沿管道延伸方向行进；

所述检测臂上设置有检测机构。

2.如权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，其特征是：所述第一机体上设置有视频传感器和/或超声波传感器。

3.如权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，其特征是：所述第一机体包括前板和底板，前板和底板之间通过机架连接，所述第一机体上的第一调节机构包括丝杠，所述丝杠的中心轴与所述第一机体的中心轴重合，所述丝杠上套有丝杠滑块，所述第一机体上套有伸缩环，所述伸缩环可在所述第一机体上沿轴线方向滑动，所述伸缩环与所述丝杠滑块通过伸缩环连杆连接，用于调节所述大腿与所述第一机架的距离，所述伸缩环上套设有若干大腿，所述大腿内部均有开口，所述伸缩环能够通过所述开口沿所述大腿的延伸方向运动，所述大腿连接着小腿，形成机械臂整体。

4.如权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，其特征是：所述第一调节机构包括位于所述小腿的扭转弹簧，钢丝绳的一端绕制在所述扭转弹簧上，另一端绕过所述伸缩环固定在所述大腿上，用于调节所述大腿与所述小腿的距离。

5.如权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，其特征是：所述第二机体包括机架和固定板，所述机架包括位于两端的齿圈，和若干连接板，所述连接板位于两个齿圈之间，连接板与齿圈通过连接杆连接，所述固定板至少为两个，位于机架的不同端部，所述固定板外部通过齿轮与对应的齿圈啮合。

6.如权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，其特征是：所述第二调节机构包括位于所述第二机体的丝杠，所述丝杠的中心轴与所述第二机体的中心轴重合，所述丝杠上套有丝杠滑块，通过连接在所述丝杠滑块上的检测臂连杆推动检测臂张开，所述检测臂末端设置有检测板，所述检测板与管壁通过位于所述检测板上的辅助轮接触；

或进一步的，所述检测板与所述检测臂通过扭转弹簧铰接，并与检测板上的所述辅助轮共同保持所述漏磁传感器、所述超声波传感器与所述管壁的间距。

7.如权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，其特征是：所述检测机构包括漏磁传感器及超声波传感器；

或，所述机器人还包括控制机构，具体包括控制板和通讯板，所述控制板接收检测机构各个传感器检测的信号，并将其通过通讯板远程传输给控制中心。

8.如权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，其特征是：所述旋转机构包括位于第二机体两端的行星轮系，所述行星轮系的太阳轮与伺服电机相连，所述行星轮系的固定在所述第二机体上，所述伺服电机安装于所述第二机体上，实现所述检测机构沿管壁内侧旋转。

9.如权利要求1所述的一种基于多传感器信息融合的管道检测机器人，其特征是：所述第三机体的机械臂通过第三调节机构调节机械臂端部与第三机体中心的距离，所述第三调节机构与第一调节机构结构相同。

10.基于权利要求1-9中任一项所述的检测机器人的工作方法，其特征是：利用第三机体作为动力机体，第一机体作为导向机体，通过两个机体对应的机械臂与中心轴的距离可调，机器人自适应于管径，在行进过程中，调节第二机体旋转和检测臂的张开/收缩，实现检测板的位置调整，实现全范围检测点的信息采集。