CN109807759A - 管道内壁喷丸机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道内壁喷丸机器人，包括：行走机构，该行走机构具有壳体和在壳体周向均置的三组轮总成，以及驱动部分或全部轮总成的驱动总成；该行走机构的重心向下偏置，使三组轮总成中的两组轮总成构成底总成，余下的一轮总成构成顶总成；清理机构，安装在行走机构的前端，该清理机构周向设有多个用于喷丸的喷嘴；以及回收机构，安装在行走机构的后端，该回收机构的下部设有多个收集口，以通过负压收集沉积在管道底部的物料。依据本发明的管道内壁喷丸机器人运行相对平稳，从而能够提高清理回收率。

Description

管道内壁喷丸机器人

技术领域

本发明涉及一种管道内壁喷丸机器人。

背景技术

近几十年来，随着科技的进步和能源消耗的增加，管道运输技术取得了长足进步，在石油和天然气领域得到广泛应用。随着管道逐渐老化，不同程度的腐蚀和泄漏严重影响了管道的正常运行。随着管道服役年限的延长，管道内壁会发生不同程度的结垢和杂质粘附，造成管输效率降低。因此，研发高效的管道检修、清理、维护设施具有重要的现实意义。

管道机器人是针对输油气管道的检测、喷涂、接口焊接、异物清理等检修维护作业研制的特种机器人，它综合了智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术。通过携带的无损检测装置和作业装置，对运行中的油气管道进行在役检测、清理、维护，以保障管道安全畅通。管道机器人代替人工进行管道的检测维修能够大量节省管道的维护管理费用和减少管道材料的浪费，具有重要的现实意义和社会实用价值。

目前国内在管道机器人方面的研究起步较晚。哈尔滨工业大学的邓宗全教授最先研究轮式行走的管道机，主要用于大口径管道的自动化检测。上海大学最先研究的移动探测器及集成系统可实现20mm管道内探测。近几年，管道机器人的形式样式与应用场合更加灵活与常见。如北京顺义区最近投入使用的智能管道机器人不仅可以自动报警与定位还可以进行监测,与人工方式比较能够提高了有限空间作业以及安全保障能力，效率也大大的提高了很多。管道机器人不但为人类生活提供了便利，在重大场合也可以进行实验模拟。苏州大学五名学生发明出一种微型管道机器人，其头部设有摄像机监控装置，可深入核电蒸汽管道，检查管道安全，避免事故。随着现代科学技术的飞速发展，许多单位开始研究管道机器人。管道机器人也在许多领域得到应用，并逐渐得到改进和发展。

管道机器人在国外已经有了较为成熟的研究。1978，法国J1Vultut首次提出了轮式管道机器人行走机构模型。而在1993，东京理工大学就开始研究管道机器人。他们成功地开发了一种微型管道机器人。美国的工业制造业一直处于世界前列，许多公司和大学都生产管道机器人。2001年，纽约天然气集团和卡内基梅隆大学机器人研究所开发了一种无缆长距离管道机器人，它能够检测地下天然气管道的状况。加拿大是第一个成功生产完整的双卡特彼勒管道机器人系统的制造商。卡特彼勒采用刚性支撑结构，连接紧密，刚性好。但是这种刚性支撑的履带不会改变行走过程中两个轨道之间的夹角。因此，它仅适用于直径不变化的的普通作业场合。

中国专利文献CN201077029Y公开了一种管道内壁电动抛丸除锈机，其行走系统是在除锈机的底侧设置有轮式底盘。轮式底盘在圆形管道中很难保持轮体始终与管道间有良好的接触，抛丸除锈机的侧面很容易与圆形管道内壁产生摩擦。抛丸除锈机在行进方向的前部设有抛丸器，后部则是清理装置，轮式底盘在其行进的方向上相对比较长，轮系在该方向上的延展方向也比较长。抛丸所产生的丸料与冲击下的碎屑的混合物基于重力会堆积在管道底侧，而影响底盘后侧轮体的前行。此外，轮式底盘具有一定的支撑高度，影响清理回收装置的配置，尤其是，如前所述，受轮式底盘后侧轮体被混合物的阻挡，会导致轮式底盘的跳动，影响清理回收率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运行相对平稳，从而能够提高清理回收率的管道内壁喷丸机器人。

依据本发明的实施例，提供一种管道内壁喷丸机器人，包括：

行走机构，该行走机构具有壳体和在壳体周向均置的三组轮总成，以及驱动部分或全部轮总成的驱动总成；该行走机构的重心向下偏置，使三组轮总成中的两组轮总成构成底总成，余下的一轮总成构成顶总成；

清理机构，安装在行走机构的前端，该清理机构周向设有多个用于喷丸的喷嘴；以及

回收机构，安装在行走机构的后端，该回收机构的下部设有多个收集口，以通过负压收集沉积在管道底部的物料。

上述管道内壁喷丸机器人，可选地，所述壳体具有前壳体和后壳体，前后壳体间采用竖直的铰链连接或者采用万向联轴器连接。

可选地，所述轮总成包括：

座部，该座部固定安装在壳体内，并提供给定方向的导引结构；

丝母丝杠机构，该丝母丝杠机构的丝杠安装在座部上，丝杠轴线与所述给定方向平行；相应地，与丝杠配合的丝母导引于所述导引结构；

第一支撑杆，该第一支撑杆的一端铰接于座部在导引方向上的一端，该第一支撑杆的另一端安装有车轮；

第二支撑杆，该第二支撑杆的一端铰接于第一支撑杆，相应铰接点在第一支撑杆的中部或向车轮所在端偏置；第二支撑杆的另一端铰接于所述丝母；以及

伺服电动机，安装在所述座部于导引方向的另一端，并输出连接丝杠。

可选地，适配于第一支撑杆，壳体上开有宽度大于第一支撑杆宽度的缝，以用作第一支撑杆收纳或探出时的过缝。

可选地，驱动总成与车轮一一对应，并安装在相应车轮所在的第一支撑杆上。

可选地，清理机构包括：

清理壳体，固定安装在行走机构的前端；

送料管道，尾端用于外接弹丸料源，该送料管道安装在清理壳体内；

喷头，安装在送料管道的前端；以及

喷嘴，周向均置在喷头上。

可选地，送料管道通过轴承回转地安装在清理壳体内；

提供驱动送料管道回转的回转驱动机构；

在送料管道的尾端配装有与送料管道尾端间形成回转副的转换接头，以静态的为送料管道配管。

可选地，收集口为在壳体轴向延伸的条形口；

条形口有三个，在回收机构下部周向居中设有一个，另外两个间关于居中设置的条形口对称。

可选地，三个条形口所形成总成的圆心角小于等于75度，且大于等于30度。

可选地，回收机构上设有收集口的部件构成一舱体，该舱体在回收机构的径向被导引机构所导引；

提供一调整机构，该调整机构输出连接所述舱体，以在导引机构的径向调整舱体；

舱体外接回收管道，以通过负压回收物料。

在本发明的实施例中，管道内壁喷丸机器人配置三组轮总成，通过重心向给定的方向偏置，该给定的方向会因重力关系而被确定为管道内壁喷丸机器人上下方向的下方；三组轮总成中的两组分居在管道内壁喷丸机器人竖中剖面的两边。喷丸丸料以及喷丸工艺所产生碎屑会基于沉降而沉积在管道底部，前述两组轮总成跨在沉积物的两边，其行进不受沉积物的影响，运行相对比较平稳，从而能够保证例如回收机构和清理机构工作的平稳性，提高清理和回收效率。

附图说明

图1为一实施例中管道内壁喷丸机器人立体结构示意图。

图2为一实施例中管道内壁喷丸机器人主视结构示意图（省略前置摄像头）。

图3为一实施例中轮总成结构示意图。

图4为一实施例中清理机构内部结构示意图。

图5为一实施例中回收机构控制结构示意图。

图中：A.清理机构，B.行走机构，C.回收机构。

A1.喷嘴，A2.喷头，A3.前置摄像头，A4.清理壳体，A5.第一连接体，A6.封头，A7.动力舱，A8.三相异步电动机，A9.空心轴，A10.转换器，A11.管接头。

B1.轮总成，B2.前壳，B3.万向联轴器，B4.后壳。

B11.第一支撑杆，B12.直流电动机，B13.车轮，B14.第二支撑杆，B15.丝母，B16.伺服电动机，B17.联轴器，B18.丝杠，B19.底座。

C1.第二连接体，C2.后置摄像头，C3.排气管，C5.导槽，C4.导槽，C5.罩壳，C6.过孔，C7.容器，C8.富集罩，C9.收集口。

用于指示方向的尖头（非标号）：F表示前，B表示后。

具体实施方式

石油管道普遍采用圆管，因此具有确定的轴向、周向和径向，而管道内壁喷丸机器人则顺管道工进，顺管道方向即管道的轴向。

在本发明的实施例中，行走机构B、清理机构A和回收机构C的自身中轴线虽并不必然与管道的轴线重合，但并不影响本领域技术人员以管道为基本参考系，并且在本发明的实施例中，管道内壁喷丸机器人在管道内形成周向三位支撑，其自身中轴线以受工作对象的约束。在本发明的实施例中，无论行走机构B、清理机构A和回收机构C是否存在中轴线，或者存在中轴线时，该中轴线是否与管道轴线具有比较高的同轴度或者纯粹是偏置，都以管道轴线拟制为例如行走机构B的中轴线，以其作为基础的参考系，而确定出轴向、周向和径向。

如背景技术部分所述，在管道内进行抛丸时，弹丸以及抛丸工艺所产生的碎屑会基于重力也沉降在管道底部，沉降下来所形成的沉积物会在管道底部堆积，图2所示系一实施例所涉及管道内壁喷丸机器人从前端向后的投影视图，记为主视图，该图主要反映行走机构B上轮总成B1在管道内壁喷丸机器人上的布局，省略影响布局表达的其他结构体。

轮总成B1是行走机构B的组成部分，在图1所示的结构中，行走机构B具有前壳B2和后壳B4，这两个壳体部分作为行走机构B的壳体。抛丸工艺会在抛丸区域产生比较大的粉尘，这些粉尘中的细微颗粒容易介入到运动副而影响运动副的正常运动，并会产生磨粒磨损。采用壳体对主要的运动副进行保护。

图1中共有三组轮总成B1，每组轮总成B1有前轮总成和后轮总成各一个，对于行走机构，其驱动方式可以采用前轮驱动，也可以采用后轮驱动，还可以采用前后轮驱动。

在优选的实施例中，轮总成B1具有调整能力，以适应不同管径的管道，轮总成B1上调整机构的设置会增加动力端配置的难度，因此，轮总成B1的动力部分，即驱动其车轮B13的部分可以配置在车轮侧，而不是配置在车架侧。在图3所示的结构中，驱动车轮B13的直流电动机B12直接配置在用于支撑车轮B13的第一支撑杆11上。

此外，关于车轮B13的驱动电机，还可以直接构成车轮的轴端部件，直接输出连接车轮13轮轴。

常规地，物品重心越低，其整体的稳定性就越好，由此产生了例如不倒翁这样的玩具。对于车辆，也需要降低其重心，当例如本发明的实施例中，三组轮总成B1被轴向均置时，通过将重心在某一个方向上偏置，会自然的形成上下结构，即重心偏置的方向为下。

进一步地，在图2所示的结构中，三组轮总成B1其一在正上方，那么基于三分圆周的常识，另外两组轮总成B1必然关于中竖剖面对称，从而形成跨越空间，能够有效的避开沉降物的影响，运行比较平稳。

需要说明的是，由于抛丸工艺中，行走机构的前进速度相对较慢，由于清理机构A位于行进机构B的前端，在轮总成B1运行而至时，沉降基本完成（粉尘除外，颗粒物基本沉降完毕，粉尘可以采用排风方式直接抽排）。

进而，关于清理机构A，其属于抛丸清理装置，其可以直接采用抛丸器，抛丸器的喷口可以周向旋转，从而可以在行进过程中对管道内壁进行抛丸处理，也可以采用管道输送的方式，将丸料通过给定的喷嘴A1发射出去，关于抛丸的两种方式均属于抛丸技术领域的常规设备。

关于抛丸设备的选用，如果直接采用抛丸器，则其个体相对较大，影响机器人的整体负重。对于直接采用管道输送一定初速的丸料，则可以降低机器人的负重，但需要额外配管。本领域的技术人员根据管道长度进行选择。

对于丸料和抛丸冲击下来的铁锈等杂质，统称为物料，对于物料最好直接由机器人收集排出。在图1所示的结构中，于行走机构B的后端安装有回收机构C，在图5所示的结构中，回收机构C 的下端设有多个收集口C9，通过负压收集的方式对物料进行收集。

图1中可见，整个管道内壁喷丸机器人具有比较大的轴向长度，管道大多是直管，但也会存在一些弯管，为了提高可通过性，所述壳体具有前壳体和后壳体，如图1中所示的前壳B2和后壳B4，在一些实施例中，前后壳体间采用竖直的铰链连接，可以进行转弯，并且没有附加的自由度，能够保证运行的平稳性。

而在一些实施例中，如图1所示，前壳B与后壳B4间采用万向联轴器B3连接，万向联轴器有两个相互垂直的自由度，从而可以组角出各个方向的转动自由度，机器人行进的灵活性会比较好。缺陷是前壳B2与后壳B4间的同轴度不容易保证，对此，可以在前壳B2和后壳B4上设置干涉物，例如上端抵触，使前壳B2和后壳B4间保持相对较好的同轴度。

一般而言，一种管道内壁喷丸机器人只用于一种内径管道的清理，在一些实施例中，还可以考虑针对不同管径的管道采用同一型管道内壁喷丸机器人进行抛丸清理。

在图1和3所示的结构中，用于支撑车轮B13的第一支撑杆B11可以调整，调整建立第一支撑杆B11的一端与机架铰接，形成摇杆，从而通过调整第一支撑杆B11的转角调整轮总成B1的张开或缩小，适应不同管径的管道。

具体地，轮总成B1包括：

座部B19，构成轮总成B1的机架，座部B19固定安装在行走机构的壳体。需要说明的是，壳体内可以构建出基础构架，以作为其他附件的安装基体。

座部B19作为机架，用于轮总成B1上其他部件的安装基体，并且在图3所示的结构中，底座B19还提供导引结构。

关于导引结构，可以采用导杆，导杆的轴线与图3中所示的丝杠B18平行，提供给定方向的导引，可以理解的是图3中所示的由丝母15、第二支撑杆B14、底座B19和第一支撑杆B11所形成的机构是曲柄滑块机构，给定方向并不必然是水平，也并不必然是竖直，都能够实现第一支撑杆B11的转角的调整。

对于丝母丝杠机构，属于机械领域的精密机构，能够实现精度比较高的调整，并且还可以利用螺纹副的自锁能力，使车轮B13的支撑处于相对可靠的状态。

相应地，丝杠B18通过轴承安装在座部B19上，丝杠B18的轴线与所述给定方向平行，如果导引结构采用导杆，导杆采用一对，在丝杠B18的两边各一设置。相应地，丝母B15上开有导孔，导杆通过导孔对丝母B15进行导向。

关于丝母B15还可以构成轨道上的滑块。

图3中，第一支撑杆B11构建成摇杆，其在图中的下端铰接于底座B19的左端，而在图中的上端安装有车轮B13，因此，通过第一支撑杆B11基于铰接位置转角的变化，使车轮B13具有不同的支撑高度。

图3中，第二支撑杆B15构成曲柄，只不过其不需要实现整周转动，因此，其也可以采用摇杆类构件。

第二支撑杆B14在图3中的下端铰接于丝母B15在图中的上表面，第二支撑杆B14的上端则铰接于第一支撑杆B11，第二支撑杆B14在第一支撑杆B11上的铰接位置位于第一支撑杆B11的中部或者向车轮B13所在端偏置。

相应地，关于丝母丝杠机构的驱动，采用精度比较高的伺服电动机B17进行驱动，可以获得比较高的控制精度。图中伺服电动机B16与丝杠B18间采用联轴器B17连接。

对于轮总成B1与壳体的配合，图1中，适配于第一支撑杆B11，壳体上开有宽度大于第一支撑杆B11宽度的缝，缝的宽度也不易过大，应当是能够避免与第一支撑杆B11产生运动干涉的最小缝隙，一般以第一支撑杆B11每边留出2~5mm的余量即可。

关于清理机构C，其主要用于把物料收集起来，在一些实施例中还可以直接输送到管道外。在图1所示的结构中，标识出排气管C3，排气管C3还可以作为外接管道，利用风力输送，将物料输送出去。

图5中，清理机构C的一种应用示例，其具有清理壳体，在图5中具有罩壳C5和容器7，两者对合可形成柱面结构的壳体。

罩壳C5作为基体部分，其左端可以构成一个封接的盘式结构，可以通过法兰连接的方式安装在行走机构B的后端。

加以参考的，图1中的清理壳体A4与行走机构的前壳B2间也可以采用法兰连接。

图4所示是一清理机构结构示意图，其采用送料管道进行送料的方式，图中空心轴A9作为送料管道，其尾端用于外接弹丸料源，该送料管道安装在清理壳体A4内。

在送料管道的前端，或者说头端安装喷头A2，喷头A2上设有多个喷嘴A1，若喷嘴足够多，可以在喷头A2不旋转的条件下就能够起到很好的清理效果。

在图4所示的结构中，空心轴A9构成送料管道，换言之，空心轴A9既作为轴来用，又作为送料管道来用，作为轴来用时构成转轴，其通过轴承回转地安装在清理壳体A4内。

相应地，提供驱动送料管道回转的回转驱动机构，从而在配置较少喷嘴A1的条件下，仍然能够进行管道内壁周向全方位的清理。

图4所示的动力舱，可以是齿轮箱，空心轴A9套装一齿轮，作为输入齿轮，三相异步电机A8通过齿轮组与输入齿轮连接。

图4的右端有一转换器A10，转换器A10是一个回转连接头，其与空心轴A9间采用回转连接，而其上管接头A11与来料配管间采用固定连接。

在图5所示的结构中，收集口C9为在壳体轴向延伸的条形口，具有较好的收集效果。

关于收集口C9的形状，在设计之初采用周向延伸的条形口，但由于在轴向延展太短，收集效果不佳，又不易开口太大，否则负压吸力相对太小。后反其道而行之，采用轴向延伸的条形口，尽管在周向覆盖面不大，但在结构参数相同的条件下，收集效果要好于周向延伸的条形口。

优选地，条形口有三个，在回收机构C下部周向居中设有一个，另外两个间关于居中设置的条形口对称，可以在周向覆盖相对较大的面积，而又不致条形口总通流面过大导致吸力不足的问题。

优选地，三个条形口所形成总成的圆心角小于等于75度，且大于等于30度，通过合理分布条形口，在所有条形口总通流面积确定的条件下，起到更好的清理效果。

在图5所示的结构中，回收机构C上设有收集口的部件构成一舱体，如图5中所示的容器C7，该舱体在回收机构的径向被导引机构所导引。

导引机构可以采用导杆导套结构，也可以采用轨道结构，如图5所示的导槽C4，相应地，容器C7上需要设置与导槽配合形成滑轨副的块体。

相应地，提供一调整机构，该调整机构输出连接所述舱体，以在导引机构的径向调整舱体，调整机构可以采用丝母丝杠机构，也可以采用也液动机构，如液压缸。

图5中，容器C7外界排气管C3，以通过负压回收物料。

Claims (10)

1.一种管道内壁喷丸机器人，其特征在于，包括：

行走机构，该行走机构具有壳体和在壳体周向均置的三组轮总成，以及驱动部分或全部轮总成的驱动总成；该行走机构的重心向下偏置，使三组轮总成中的两组轮总成构成底总成，余下的一轮总成构成顶总成；

清理机构，安装在行走机构的前端，该清理机构周向设有多个用于喷丸的喷嘴；以及

回收机构，安装在行走机构的后端，该回收机构的下部设有多个收集口，以通过负压收集沉积在管道底部的物料。

2.根据权利要求1所述的管道内壁喷丸机器人，其特征在于，所述壳体具有前壳体和后壳体，前后壳体间采用竖直的铰链连接或者采用万向联轴器连接。

3.根据权利要求1或2所述的管道内壁喷丸机器人，其特征在于，所述轮总成包括：

座部，该座部固定安装在壳体内，并提供给定方向的导引结构；

丝母丝杠机构，该丝母丝杠机构的丝杠安装在座部上，丝杠轴线与所述给定方向平行；相应地，与丝杠配合的丝母导引于所述导引结构；

第一支撑杆，该第一支撑杆的一端铰接于座部在导引方向上的一端，该第一支撑杆的另一端安装有车轮；

第二支撑杆，该第二支撑杆的一端铰接于第一支撑杆，相应铰接点在第一支撑杆的中部或向车轮所在端偏置；第二支撑杆的另一端铰接于所述丝母；以及

伺服电动机，安装在所述座部于导引方向的另一端，并输出连接丝杠。

4.根据权利要求3所述的管道内壁喷丸机器人，其特征在于，适配于第一支撑杆，壳体上开有宽度大于第一支撑杆宽度的缝，以用作第一支撑杆收纳或探出时的过缝。

5.根据权利要求3所述的管道内壁喷丸机器人，其特征在于，驱动总成与车轮一一对应，并安装在相应车轮所在的第一支撑杆上。

6.根据权利要求1所述的管道内壁喷丸机器人，其特征在于，清理机构包括：

清理壳体，固定安装在行走机构的前端；

送料管道，尾端用于外接弹丸料源，该送料管道安装在清理壳体内；

喷头，安装在送料管道的前端；以及

喷嘴，周向均置在喷头上。

7.根据权利要求6所述的管道内壁喷丸机器人，其特征在于，送料管道通过轴承回转地安装在清理壳体内；

提供驱动送料管道回转的回转驱动机构；

在送料管道的尾端配装有与送料管道尾端间形成回转副的转换接头，以静态的为送料管道配管。

8.根据权利要求1所述的管道内壁喷丸机器人，其特征在于，收集口为在壳体轴向延伸的条形口；

条形口有三个，在回收机构下部周向居中设有一个，另外两个间关于居中设置的条形口对称。

9.根据权利要求8所述的管道内壁喷丸机器人，其特征在于，三个条形口所形成总成的圆心角小于等于75度，且大于等于30度。

10.根据权利要求1、8或9所述的管道内壁喷丸机器人，其特征在于，回收机构上设有收集口的部件构成一舱体，该舱体在回收机构的径向被导引机构所导引；

提供一调整机构，该调整机构输出连接所述舱体，以在导引机构的径向调整舱体；

舱体外接回收管道，以通过负压回收物料。