CN109955123B - 一种细长管道全方位除瘤机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种细长管道全方位除瘤机器人，通过对除瘤机器人轮子及安装方式进行设计，实现机器人在工作中进行力平衡，时刻达到稳定平衡；通过对除瘤机器人的机身自动转位机构进行设计，使得机器人能够有效处理管道任何位置的焊接瘤；通过对除瘤机器人的磨削机构进行设计，使得机器人能够控制磨削的速度以及磨削的程度；通过视觉系统设计，使得除瘤机器人能够与操作人员进行人机交互。本发明中的机器人只需要管壁给机器人提供一个反作用力，就会把所产生的径向力消除，使机器人能够在圆形管道中正常地工作。

Description

一种细长管道全方位除瘤机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种细长管道全方位除瘤机器人。

背景技术

管道是物质输送的重要工具之一，被广泛应用于核电、煤气、石油、食品等多个领域，尤其是细长管道更是受到市政工程、电厂、石油化工等行业的青睐。这些行业利用细长管道主要进行液体输送，材料多采用成型钢管，二钢管的长度一般在10米左右，所以通常是将多根钢管焊接在一起，然后两端用法兰结构与其它部分相连接。但是两个细长圆形钢管在外部对焊后，总会有部分焊液从内壁渗出，而且形状及分布很不规则，冷却凝固后形成较硬的焊瘤，管道内的液体长时间流经此处，会产生挂壁堆积现象，使过流通道越来越窄，阻碍液体流动，甚至造成严重的堵塞。

目前国内主要还是采用挖掘检测维修或人工进入的方式来处理管道积瘤，第一种方法主要依靠人工把需要进行检测或维修的管道从现场拆卸下来或挖掘出来，然后采用相应的方式进行检测维修或者更换，第二种方式就是依靠人工进入处理，这两种方式存在以下众多缺点：

1.清理管道的范围有限：人工进入处理只能处理那些管道直径较大的管道，对于那些管道直径较小的细长管道，人工或者普通的清理工具难以进入，这给管道除瘤工作带来极大的困难。

2.成本高：由于采用人工进入或者挖掘检测维修的方式进行处理管道积瘤，需要将管道拆卸下来或者挖掘出来，这样必然浪费大量的人力物力财力。

3.效率低下：要检测维修的管线系统中采用随机抽样的方法拆卸下或挖掘出一部分管道用特定的方法进行检测，根据检测结果判断整套管道系统的使用情况，此种方法具有很强的随机性，准确率低，对管道安全有效运行存在严重的隐患，而且维修周期较长，效率低下。

4.损害工人健康：许多管道空间狭小或者工作介质有害、具有放射性的特殊要求，这给正在作业的工作人员带来严重的危害。

发明内容

本发明为了解决现有技术中人工清理导致的不易进入和成本高的问题，提供了一种能够全方位清理细长管道中的焊接积瘤的自动化机器人，该机器人通过行走机构沿管道内壁行走，通过旋转磨削机构打磨积瘤，通过视觉系统查看管道内部状况。

本发明所采取的技术方案为：一种细长管道全方位除瘤机器人，包括

机器人壳体；

设置于机器人壳体一端的旋转磨削机构，包括磨削轮、连接板和驱动轴，所述磨削轮绕第一转轴转动，所述第一转轴通过支架设置于所述连接板上，所述连接板通过第一铰接件铰接连接所述机器人壳体，通过第二铰接件铰接连接所述驱动轴，所述第一铰接件包括设置于所述机器人壳体上的铰接轴，所述驱动轴驱动所述连接板绕所述铰接轴转动，所述连接板带动所述磨削轮远离或靠近所述机器人壳体；

设置于机器人壳体上的行走机构，包括若干滚轮，所述滚轮沿管道内壁运动；

视觉系统，包括摄像头和照明装置，所述摄像头用于观察管道内状况，所述照明装置用于为所述摄像头提供光。

进一步的，所述磨削轮为轮毂电机。

进一步的，所述第一转轴平行管道径向方向。

进一步的，所述驱动轴为电缸轴，所述铰接轴垂直管道轴向方向设置，所述铰接轴设置于所述连接板一端，所述第二铰接件设置于所述连接板远离所述铰接轴的一端。

进一步的，所述滚轮包括从动轮和主动轮，所述主动轮绕第二转轴旋转滚动，所述从动轮绕第三转轴旋转滚动，所述主动轮为轮毂电机。

进一步的，还包括机身自动转位机构，所述机身自动转位机构包括

第一锥齿轮，所述第一锥齿轮通过电机驱动，所述第一锥齿轮绕第四转轴旋转，所述第四转轴沿管道轴向设置；

第二锥齿轮，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合连接，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮形成直角传动；

第一连杆，所述第一连杆一端通过支架固定连接所述第二转轴，另一端固定连接所述第二锥齿轮，所述第二锥齿轮旋转通过所述第一连杆带动所述第二转轴扭转。

进一步的，所述机身自动转位机构还包括第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮，所述第一圆柱齿轮与电机轴连接，所述第二圆柱齿轮作为从动轮与所述第一圆柱齿轮啮合，所述第一圆柱齿轮直径小于第二圆柱齿轮直径，所述第二圆柱齿轮通过传动轴连接所述第一锥齿轮，所述传动轴与所述第四转轴同轴。

进一步的，所述电机通过固定架固定于所述机器人壳体内。

进一步的，所述主动轮与所述磨削轮的距离大于所述从动轮与所述磨削轮的距离。

进一步的，主动轮和从动轮均设有四个，呈两排设置，第一排设置四个主动轮，四个主动轮周向均匀设置在机器人壳体外侧，第二排设置四个从动轮，四个从动轮周向均匀设置在机器人壳体外侧。

本发明所产生的有益效果包括：

1. 处理管道堵塞问题，工程中常使用的方法就是整体去除法，比如盾构机那样，采用刀具轴向旋转切削方式，一次性将管道清理干净，但是经过力学分析我们会发现，在实际工作现场，如果采用这种进行切削，主轴将会产生较大的扭矩，这个时候由于机器人体积小，和管道的接触面积有限，无法提供较大的摩擦力来平衡这个扭矩，加上所要清理的雨水管道都为圆筒状的原因，往往会造成刀具卡死，但是电机依然在旋转，这是电机将会带动机器人机身旋转，这样机器人将无法有效地工作，甚至造成机器人损坏。

为了避免轴向旋转切削方式所带来的难题，本发明采用磨削轮径向旋转切削方式，这种方式与轴向旋转切削方式重要的区别是这种工作方式会产生径向力，这时候只需要管壁给机器人提供一个反作用力，就会把所产生的径向力消除，使机器人能够在圆形管道中正常地工作，提升装置稳定性，减小扭矩，延长装置使用寿命。

2. 本发明四组主动轮和四组从动轮安装在车身即机器人壳体的四个角上，实现上下对称分布，使得机器人在原型管道中具有极强的稳定性，能够为各个方向提供平衡力，使机身保持平衡，而且能够实现任何方向的移动，很好地适应了雨水管道内复杂的堵塞情况

3.本发明通过电缸来调节磨削轮的上下摆动的幅度，实现对磨削轮的磨削进给量进行有效的控制，电缸轴伸缩过程中，磨削轮呈弧形远离或靠近机器人壳体，由积瘤上端面向下逐步磨削，减小磨削强度，防止磨削过程中损伤到管道壁。

4.本发明磨削轮和主动轮都采用结构简单的轮毂电机作为驱动器，中间省去了传动装置，从而简化了结构，同时使得除瘤机器人的体积得到有效的控制。

附图说明

图1 本发明中除瘤机器人的轴向旋转磨削机构结构示意图；

图2 本发明中行走机构的结构示意图；

图3 本发明中机身自动转位机构的结构示意图；

图4 本发明中除瘤机器人的结构示意图；

图5 本发明中除瘤机器人的工作状态示意图；

1机器人壳体、2.电缸电机、3.电缸、4.电缸转接头、5.电缸转接头旋转轴、6.连接板连接头、7.连接板、8.磨削轮支架、9.磨削轮、10.铰接装置、11.铰接轴、12.第一连杆、13.主动轮支架、14.主动轮、15.第二连杆、16.从动轮支架、17.从动轮、18.第二锥齿轮、19.第一锥齿轮、20.轮轴安装平台、21.传动轴安装支架、22.传动轴、23.第二圆柱齿轮、24.第一圆柱齿轮、25.电机、26.电机安装支架、27.摄像头、28.照明灯，29、第一转轴，30、第二转轴，31、第三转轴，32、管道，33、焊缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够全方位清理细长管道中的焊接积瘤的自动化机器人，如图1-5所示，该发明中机器人可以分为四个模块装置，包括轴向旋转磨削机构、自动行走机构、机身自动转位机构、视觉系统与控制系统。

如图1所示，本发明的轴向旋转磨削机构主要由机器人壳体1、电缸电机2、电缸3、电缸转接头4、第二铰接件5、连接板连接头6、连接板7、磨削轮支架8、磨削轮9、第一铰接件10等零部件构成。电缸电机2和电缸3组装在一起，通过同步带传动；电缸转接头4一端通过螺纹孔安装在电缸轴上，一端通过第二铰接件5与连接板连接头6相连接，在电缸3控制磨削轮9上下摆动时，电缸转接头4和连接板连接头6能够形成一个铰接；连接板连接头6焊接在连接板7上，而磨削轮支架8通过螺栓与连接板6进行连接，轴向旋转磨削机构置于机器人前端，第一铰接件10包括铰接轴11和连接连接板7和机器人壳体1的连接件，连接件上设有供铰接轴11穿过的轴孔。

上述电缸3及电缸转接头6可采用其它形式的驱动轴代替，比如可采用自动收缩的收缩杆代替，其主要作用为推动连接板绕铰接轴转动，进而推动磨削轮9向前向后运动， 磨削轮9绕第一转轴2929转动，第一转轴2929两端固定于磨削轮支架8上，驱动轴推拉连接板7时，第一转轴2929呈弧形运动，当需要磨削积瘤时，驱动轴推开连接板7，连接板7绕铰接轴11旋转打开，磨削轮9向前向管道32壁移动至与积瘤接触，进行磨削过程中，逐步推动连接板7至磨削轮9与管道32壁接触，整个磨削过程中，由于磨削轮9逐步靠近管道32壁，由积瘤上端向下打磨，故不会损伤到管道32壁，且降低了磨削强度。

为了减小重量，该部分的零部件都采用强度大，但质量轻的钛合金制作而成；磨削轮9由轮毂电机制作而成，外层包裹砂轮，轮毂电机本身自带大功率电机，省去了电机与传动装置，减小了除瘤机器人的体积；铰接装置10中的连接件通过螺栓分别固定在连接板7和机器人壳体1上，中间通过铰接轴11连接，实现相对转动，铰接轴11垂直管道29轴向设置。

本发明的轴向旋转磨削机构工作流程是：当电缸轴伸长时，推动磨削轮向下，并逐渐靠近焊接瘤表面，通过电缸轴伸长的速度来控制磨削的进给量；当磨削完毕，电缸轴收缩，拉动磨削轮抬起。

如图2、3所示，本发明的自动行走装置主要由第一连杆12、主动轮支架13、主动轮14、第二连杆15、从动轮支架16、从动轮17等零部件组成。机身自动转位机构主要由第一锥齿轮19、第二锥齿轮18、轮轴安装平台20、传动轴安装支架21、传动轴22、第二圆柱齿轮23、第一圆柱齿轮24、电机25、电机安装支架26等零部件构成。

主动轮14绕第二转轴30转动，第二转轴30设置于主动轮支架13上，第一连杆12一端通过螺栓与主动轮支架13相连接，另一端通过键连接与第二锥齿轮18相连接，第一连杆12通过能够承受轴向力的圆锥滚子轴承安装在轮轴安装平台20上，当第二锥齿轮18转动时带动第一连杆12转动，同时带动主动轮支架13和第二转轴30扭转；本发明中主动轮14由轮毂电机做成，省去了电机与传动装置，使得主动轮机构更加简单，第一连杆12为圆轴。

从动轮17绕第三转轴31转动，第三转轴31设置于从动轮支架16上，第二连杆15端部通过螺栓与从动轮支架16固定连接，第二连杆15通过能够承受轴向力的圆锥滚子轴承安装在轮轴安装平台上，第二连杆15能够根据受力自由转动。四组主动轮14和四组从动轮17安装在车身的四个角上，实现上下对称分布，使得机器人在圆型管道32中具有极强的稳定性，能够为各个方向提供平衡力，使机身保持平衡，很好地适应了雨水管道32内复杂的堵塞情况。本发明的自动行走装置工作流程：机器人前进时，主动轮转动，带动从动轮转动前进。

第一锥齿轮19与第二锥齿轮18形成一个直角传动，通过第一锥齿轮19转动，带动四个第二锥齿轮18转动，从而带动主动轮支架13旋转，使得主动轮由沿着管道32轴向旋转变成沿着管道32径向旋转，因此实现除瘤机器人机身沿着管道32径向旋转。

传动轴22通过深沟球轴承安装在传动轴安装支架21上，实现将电机的扭矩传递给第一锥齿轮19；电机安装支架26通过螺栓安装在机器人壳体内，电机25固定在电机安装支架26上，电机轴连接第一圆柱齿轮24；第二圆柱齿轮23和第一圆柱齿轮24之间相互啮合，实现传动与减速，所述第一圆柱齿轮24直径小于第二圆柱齿轮直径23。

本发明的机身自动转位机构工作流程：电机25转动，通过传动机构带动四组主动轮14转动90度，使四个主动轮14转动方向由管道32的径向转变成沿着管道32的径向旋转，带动主动轮14转动，带动除瘤机器人机身转动，实现磨削轮对同一个圆周焊缝33的不同位置进行磨削。

如图4所示，本发明的机器视觉与控制系统主要由摄像头27、照明灯28等模块构成。摄像头27与照明灯28通过螺钉固定安装在除瘤机器人的连接板7上，照明灯负责照明，摄像头负责实时采集磨削的数据，并通过数据线传回上位机进行处理，控制电缸的进给量以及除瘤机器人机身的转动速度。

工作流程：

1 如图（4）所示，将机器人从雨水管道32端口放入，八个上下对称分布的轮子贴合在管壁上，由于雨水管道32为圆筒状、上下对称分布，使八个轮子具有极强的稳定性，能够为各个方向提供平衡力，使机身时刻处于力的平衡状态之下，而且能够实现任何方向的移动，很好地适应了雨水管道32内复杂的堵塞情况。

2 这时候摄像头、位置传感器、照明灯等模块开始工作，并且将数据传送到终端，并且通过上位机界面体现出来。

3 四个主动轮（轮毂电机轮子）开始转动，沿管道32壁轴向前进，速度有工人通过上位机选择，前进时八个轮子沿管道轴向转动。

4 机器人靠近焊接瘤时停止，然后工人通过按钮转入切削模式，磨削轮开始旋转，并且电机转动，通过传动机构带动四组主动轮转动90度，使四个主动轮转动方向由管道32的径向转变成沿着管道32的径向旋转，任何主动轮转动，带动除瘤机器人机身转动，实现磨削轮对同一个圆周焊缝33的不同位置进行磨削，旋转90度后的主动轮和从动轮状态如图（5）所示，虚线部分表示焊接瘤，当除瘤机器人机身缓慢旋转一周时，整个一圈的焊接瘤就会被磨削平整。

本发明中的自动化机器人，为能够全方位清理细长管道中的焊接积瘤的自动化机器人，通过对除瘤机器人轮子及安装方式进行设计，实现机器人在工作中进行力平衡，时刻达到稳定平衡；通过对除瘤机器人的机身自动转位机构进行设计，使得机器人能够有效处理管道任何位置的焊接瘤；通过对除瘤机器人的磨削机构进行设计，使得机器人能够控制磨削的速度以及磨削的程度；通过视觉系统，使得除瘤机器人能够与操作人员进行人机交互。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种细长管道全方位除瘤机器人，其特征在于：包括

机器人壳体；

设置于机器人壳体一端的旋转磨削机构，包括磨削轮、连接板和驱动轴，所述磨削轮绕第一转轴转动，所述第一转轴通过磨削轮支架设置于所述连接板上，第一转轴两端设置于支架上，所述连接板通过第一铰接件铰接连接所述机器人壳体，通过第二铰接件铰接连接所述驱动轴，所述第一铰接件包括设置于所述机器人壳体上的铰接轴，所述驱动轴驱动所述连接板绕所述铰接轴转动，所述连接板带动所述磨削轮远离或靠近所述机器人壳体，所述磨削轮采用轮毂电机驱动；

设置于机器人壳体上的行走机构，包括若干滚轮，所述滚轮沿管道内壁运动；

视觉系统，包括摄像头和照明装置，所述摄像头用于观察管道内状况，所述照明装置用于为所述摄像头提供光。

2.根据权利要求1所述的细长管道全方位除瘤机器人，其特征在于：所述第一转轴平行管道径向方向。

3.根据权利要求1所述的细长管道全方位除瘤机器人，其特征在于：所述驱动轴为电缸轴，所述铰接轴垂直管道轴向方向设置，所述铰接轴设置于所述连接板一端，所述第二铰接件设置于所述连接板远离所述铰接轴的一端。

4.根据权利要求1所述的细长管道全方位除瘤机器人，其特征在于：所述滚轮包括从动轮和主动轮，所述主动轮绕第二转轴旋转滚动，所述从动轮绕第三转轴旋转滚动，所述主动轮采用轮毂电机驱动。

5.根据权利要求4所述的细长管道全方位除瘤机器人，其特征在于：还包括机身自动转位机构，所述机身自动转位机构包括

第一锥齿轮，所述第一锥齿轮通过电机驱动，所述第一锥齿轮绕第四转轴旋转，所述第四转轴沿管道轴向设置；

第二锥齿轮，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合连接，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮形成直角传动；

第一连杆，所述第一连杆一端通过主动轮支架固定连接所述第二转轴，另一端固定连接所述第二锥齿轮，所述第二锥齿轮旋转通过所述第一连杆带动所述第二转轴扭转。

6.根据权利要求5所述的细长管道全方位除瘤机器人，其特征在于：所述机身自动转位机构还包括第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮，所述第一圆柱齿轮与电机轴连接，所述第二圆柱齿轮作为从动轮与所述第一圆柱齿轮啮合，所述第一圆柱齿轮直径小于第二圆柱齿轮直径，所述第二圆柱齿轮通过传动轴连接所述第一锥齿轮，所述传动轴与所述第四转轴同轴。

7.根据权利要求5所述的细长管道全方位除瘤机器人，其特征在于：所述电机通过固定架固定于所述机器人壳体内。

8.根据权利要求4所述的细长管道全方位除瘤机器人，其特征在于：所述从动轮与所述磨削轮的距离大于所述主动轮与所述磨削轮的距离。

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