CN110056742B - 具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人包括支架单元和装设于支架单元上的行走装置，支架单元包括主体支架、行走支架，主体支架与行走支架之间铰接电动推杆装置，电动推杆装置驱动行走装置沿自身轴向来回伸缩，行走装置装设于行走支架上，电动推杆装置包括至少两个独立控制且相互平行设置的电动推杆，电动推杆底座固定在主体支架上，顶部与行走支架铰接，主体支架上装设有红外激光测距模块，红外激光测距模块与电动推杆电连接。其目的是为了提供一种结构简单、成本低、操作简便，行走装置可独立控制，管壁适应能力高的具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统。

Description

具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种在管子或管系中使用的及与管子或管系有关的设备及备件，特别是涉及具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统。

背景技术

管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走，携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛的应用，为了提高管道寿命、防止泄露等事故的发生，必须对管道进行有效的检测维护。在人工检测方式存在诸多缺点的情况下，管道检测机器人作为一种有效的管道检测设备，得到了越来越多的应用。

授权公告号为CN 106402576 B的中国发明专利中公开了一种管道检测机器人，主要由主体、驱动体、变径机构组成，通过变径电机驱动丝杠的旋转带动螺母左右移动，带动推杆推动连杆旋转从而使驱动体向外移动，使驱动体能紧贴在内管壁上。该管道检测机器人在适当条件下可用于不同管径管道，一定程度上提高了使用灵活性，但是，一旦遇到管道内有障碍物时，各驱动体不能独立控制伸缩幅度，自主调整能力低，管壁适应能力非常弱。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便，行走装置可独立控制，管壁适应能力高的具有可伸缩行走装置的管道机器人。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人，包括支架单元和装设于所述支架单元上的行走装置，所述支架单元包括主体支架、行走支架，所述主体支架与所述行走支架之间铰接电动推杆装置，所述电动推杆装置驱动所述行走装置沿自身轴向来回伸缩，

所述行走装置装设于所述行走支架上，所述电动推杆装置包括至少两个独立控制且相互平行设置的电动推杆，所述电动推杆底座固定在所述主体支架上，顶部与所述行走支架铰接，所述主体支架上装设有红外激光测距模块，所述红外激光测距模块与所述电动推杆电连接。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人，其中所述主体支架顶部装设有喷头组件，所述喷头组件包括底部舵机云台、连接杆组件以及小型步进电机组，所述底部舵机云台固定于主体支架顶部，所述连接杆组件顶部安装固定板，固定板上安装细管喷嘴，所述细管喷嘴端部连接软管喷头，所述软管喷头与主体支架内部的涂料箱连通。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人，其中所述主体支架为正三棱柱框架，所述行走装置包括3组结构相同且与主体支架连接方式也相同的履带组件，3组履带组件分别固定于各自的行走支架上，且3组履带组件均连接独立驱动装置并以三足中心对称的方式通过电动推杆连接于所述主体支架的3个侧面上。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人，其中所述履带组件包括通过履带连接的前同步带轮、后同步带轮，所述前同步带轮、后同步带轮通过同步带轮安装轴承安装于所述行走支架上，所述行走支架上安装有履带驱动电机，所述履带驱动电机连接传动轮，所述传动轮通过传动带连接后同步带轮，所述行走支架底部装设有履带承重轮。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人，其中所述行走支架为矩形框架，底部两条长边一端伸出矩形框架外，用于安装前同步带轮，另一端用于安装后同步带轮，所述前同步带轮、后同步带轮均位于底部两条长边之间，所述同步带轮安装轴承内圈分别与行走支架底部的两条长边固定连接，外圈分别与前同步带轮、后同步带轮固定连接，所述同步带轮安装轴承配设轴承止动环，所述行走支架底部固连用于安装所述履带承重轮的承重轮安装支架。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人，其中所述前同步带轮、后同步带轮各自轴向两侧与两条所述长边之间装设有挡板，所述挡板固定于所述行走支架上且中部开设长孔。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人，其中所述行走支架的长边底部固连与长边平行的纵向加强杆，以及至少两根与长边垂直的横向加强杆，所述横向加强杆两端安装有行走辅助轮，在管道内行走时，所述行走辅助轮的轮面与管壁贴合。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人，其中所述主体支架包括两个相同的三角形底面架以及连接该两个三角形底面架的3条侧棱杆，所述主体支架内部设置有加强组件，所述加强组件包括固设于主体支架中部且与三角形底面架平行的三角形加强架以及连接在三角形加强架与前端的三角形底面架之间的至少两根加强杆，所述三角形加强架的三个顶点分别固定在三条侧棱杆上。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人，其中所述前同步带轮、后同步带轮均为铝合金材质且为减重镂空设计，所述履带承重轮沿履带宽度方向平行设置两组，每组6只，整个承重轮组位于行走支架中部。

本发明还提供了一种上述具有可伸缩行走装置的管道机器人的控制系统，包括设置于主体支架前端的红外激光测距模块、摄像头、喷头组件，设置于主体支架与电动推杆装置之间的触觉传感器以及PLC控制器、控制板、无线传输单元、电动推杆装置的控制电机和履带驱动电机，所述红外激光测距模块包括激光测距传感器、红外传感器，所述激光测距传感器、红外传感器、摄像头、喷头组件和触觉传感器与控制板连接，所述控制板与PLC控制器连接，所述PLC控制器与电动推杆装置的控制电机和履带驱动电机相连接。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统与现有技术相比至少具有以下有益效果：

1、本发明的履带组件沿中心线方向的伸缩通过几组电动推杆装置实现，每组由几个电动推杆组成，每个电动推杆由一路控制电路单独进行控制，控制系统根据红外激光测距模块收集到的管道路况信息对各电动推杆独立控制，进而实现对3个履带组件的独立控制，使得3个履带组件有相同或不同程度的伸缩，当管道内出现异物时，采取前后交错调整伸缩幅度的方式压过异物，例如，使履带组件左高右低或者右高左低，或者前高后底，后高前低等等，大大提高了机器人运动模式变换的自由度，能够适应各种条件恶劣的管道环境，同时电动推杆装置还具有结构简单、造价低、操作方便的优点；

2、本发明的机器人顶部还设置有与控制板连接的喷头组件，可修复管道内涂层或者封堵、填补管道内的小缺口，该喷头组件与摄像头配合工作，具有全方位喷涂的能力，工作人员控制机器人行至管道缺陷处，在led光源照射下，控制细管喷嘴调至正确位置，涂料箱供料，启动喷涂作业，直至喷涂完成，实现了边检测边修复的目的。

3、管道内工况复杂，为了避免机器人行进过程中或遇异物导致履带脱离同步轮，本发明的机器人在同步轮两侧设置挡板，对履带起到了限位作用，有效地避免了因履带移位或脱位导致的行进故障；

4、为了保证机器人行进中的稳定性，本发明的机器人在行走支架中部两侧装设行走辅助轮，使得每个履带组件在与管道壁接触时均有两侧行走辅助轮予以辅助支撑，使得机器人行进不易偏航，同时，行走辅助轮具有减震作用，能避免履带因磨损造成损耗，提升了履带使用寿命；

5、本发明连接履带组件的主体支架为中空框架，只有两端的三角形底面架以及连接该两个三角形底面架的3条侧棱杆，机器人在行进过程中以及履带组件伸缩时相关部件均不会伸入主体支架内部，因此，主体支架内可以根据需要设置多种传感器、控制单元、电池等，适用性强，有利于简化机器人结构；

6、本发明均匀分布的三个履带组件都有各自电机驱动，可以独立控制履带速度的快慢和转停，实现不同履带组件的差速运行，提升机器人负载能力，使机器人能完成更加复杂的运动，当需要改变方向时，一侧履带速度减小或停止，另外两侧履带加速转动，从而实现方向的转变。

下面结合附图对本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统作进一步说明。

附图说明

图1为本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统中具有可伸缩行走装置的管道机器人的结构示意图；

图2为本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统中具有可伸缩行走装置的管道机器人的主视图；

图3为本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统中具有可伸缩行走装置的管道机器人的左视图；

图4为本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统中具有可伸缩行走装置的管道机器人的俯视图；

图5为本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统中具有可伸缩行走装置的管道机器人去掉挡板后的左视图；

图6为本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统中具有可伸缩行走装置的管道机器人中电动推杆的结构示意图；

图7为本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统中具有可伸缩行走装置的管道机器人中挡板的结构示意图；

图8为本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统中具有可伸缩行走装置的管道机器人中行走支架的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人包括支架单元1和装设于支架单元1上的行走装置2，支架单元1包括主体支架11、行走支架12，主体支架11与行走支架12之间铰接电动推杆装置3，电动推杆装置3驱动行走装置2沿自身轴向来回伸缩。

行走装置2装设于行走支架12上，结合图6所示，电动推杆装置3包括4个独立控制且相互平行设置的电动推杆31，每个电动推杆31均为独立个体且自带电机，损坏后方便更换。电动推杆31底座固定在主体支架11上，顶部与行走支架12铰接，主体支架11上装设有红外激光测距模块，红外激光测距模块与电动推杆31电连接。优选的，电动推杆31的具体数量可以根据机器人体量适当增减，以实现平稳伸缩为目的，此处不一一列举。

主体支架11顶部装设有喷头组件13，喷头组件13包括底部舵机云台131、连接杆组件132以及小型步进电机组133，底部舵机云台131固定于主体支架11顶部，连接杆组件132顶部安装固定板134，固定板134上安装细管喷嘴135，细管喷嘴135端部连接软管喷头136，软管喷头136与主体支架11内部的涂料箱连通。

主体支架11为正三棱柱框架，行走装置2包括3组结构相同且与主体支架11连接方式也相同的履带组件21，3组履带组件21分别固定于各自的行走支架12上，且3组履带组件21均连接独立驱动装置并以三足中心对称的方式通过电动推杆31连接于主体支架11的3个侧面上，具体地，3组履带组件21中心线相互之间形成120度夹角。

履带组件21包括通过履带215连接的前同步带轮211、后同步带轮212，前同步带轮211、后同步带轮212通过同步带轮安装轴承安装于行走支架12上，行走支架12上安装有履带驱动电机213，履带驱动电机213连接传动轮214，传动轮214通过传动带216连接后同步带轮212，行走支架12底部装设有履带承重轮217。优选的，履带215采用聚氨酯材质，传动平稳，耐受力强。

行走支架12为矩形框架，底部两条长边121左端伸出矩形框架外，用于安装前同步带轮211，右端未伸出，用于安装后同步带轮212，前同步带轮211、后同步带轮212均位于底部两条长边121之间，同步带轮安装轴承内圈分别与行走支架12底部的两条长边121固定连接，外圈分别与前同步带轮211、后同步带轮212固定连接，同步带轮安装轴承配设轴承止动环，使同步带轮安装轴承紧贴前同步带轮211、后同步带轮212并同时定位该两同步带轮，保持两轮平行度。行走支架12底部固连用于安装履带承重轮217的承重轮安装支架122。优选的，履带承重轮217沿履带215宽度方向平行设置两组，每组6只，整个承重轮组位于行走支架12中部，对机器人起到了较佳承托作用。

优选的，结合图7所示，前同步带轮211、后同步带轮212各自轴向两侧与两条长边121之间装设有挡板14，挡板14固定于行走支架12上且中部开设长孔141。设置挡板14防止管内异物进入履带215和两个同步带轮之间影响机器人正常运行。挡板14上与前同步带轮211、后同步带轮212、传动轮214各自轮轴对应的位置处开设有圆孔。

优选的，结合图8所示，行走支架12的长边121底部固连与长边121平行的纵向加强杆123，以及至少两根与长边121垂直的横向加强杆124，横向加强杆124两端安装有行走辅助轮15，在管道内行走时，行走辅助轮15的轮面与管壁贴合，对履带组件21起到了更好的稳定支撑作用。

优选的，主体支架11包括两个相同的间隔平行布置的三角形底面架111，3条相互平行的侧棱杆112与该两个三角形底面架111连接，形成正三棱柱状框架。为增强主体支架11的承载能力，主体支架11内部设置有加强组件，加强组件包括固设于主体支架11中部且与三角形底面架111平行的三角形加强架113以及连接在三角形加强架113与前端的三角形底面架111之间的若干根加强杆114。三角形加强架113的三个顶点分别固定在三条侧棱杆112上。

优选的，为减轻机器人整体重量，前同步带轮211、后同步带轮212均为铝合金材质且为减重镂空设计。

本发明具有可伸缩行走装置的管道机器人的控制系统，包括设置于主体支架11前端的红外激光测距模块、摄像头、喷头组件13，设置于主体支架11与电动推杆装置3之间的触觉传感器以及PLC控制器、控制板、无线传输单元、电动推杆装置3的控制电机和履带驱动电机213。优选的，触觉传感器一般为压力传感器，压力传感器以电动推杆31与主体支架11的弧度压力作为检测依据。红外激光测距模块包括激光测距传感器、红外传感器，激光测距传感器、红外传感器、摄像头、喷头组件13和触觉传感器与控制板连接，控制板与PLC控制器连接，PLC控制器与电动推杆装置3的控制电机和履带驱动电机213相连接。其中，激光测距传感器与红外传感器用来测量距离信息及管内壁信息，摄像头用于捕获与处理图像，触觉传感器用以辅助、防止与弯道碰撞，进而构成模糊神经网络，可以十分清楚的了解管道内部的情况。

综上所述，本发明的机器人及其控制系统大大增强了机器人在管内的适应性与运动能力，机器人的三个履带组件独立控制且能够不同程度伸缩，活动自由度高，可搭载空间大，管道内部情况可观察性强。同时，配套的喷头组件能够及时修复管道缺陷，显著改善了机器人性能。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有可伸缩行走装置的管道机器人，其特征在于：包括支架单元(1)和装设于所述支架单元(1)上的行走装置(2)，所述支架单元(1)包括主体支架(11)、行走支架(12)，所述主体支架(11)与行走支架(12)之间铰接电动推杆装置(3)，所述电动推杆装置(3)驱动所述行走装置(2)沿自身轴向来回伸缩，

所述行走装置(2)装设于所述行走支架(12)上，所述电动推杆装置(3)包括至少两个独立控制且相互平行设置的电动推杆(31)，所述电动推杆(31)底座固定在所述主体支架(11)上，顶部与所述行走支架(12)铰接，所述主体支架(11)上装设有红外激光测距模块，所述红外激光测距模块与所述电动推杆(31)电连接；

所述主体支架(11)为正三棱柱框架，所述行走装置(2)包括3组结构相同且与主体支架(11)连接方式也相同的履带组件(21)，3组履带组件(21)分别固定于各自的行走支架(12)上，且3组履带组件(21)均连接独立驱动装置并以三足中心对称的方式通过电动推杆(31)连接于所述主体支架(11)的3个侧面上；

所述行走支架(12)为矩形框架，底部两条长边(121)一端伸出矩形框架外，用于安装前同步带轮(211)，另一端用于安装后同步带轮(212)，所述前同步带轮(211)、后同步带轮(212)均位于底部两条长边(121)之间，同步带轮安装轴承内圈分别与行走支架(12)底部的两条长边(121)固定连接，外圈分别与前同步带轮(211)、后同步带轮(212)固定连接。

2.根据权利要求1所述的具有可伸缩行走装置的管道机器人，其特征在于：所述主体支架(11)顶部装设有喷头组件(13)，所述喷头组件(13)包括底部舵机云台(131)、连接杆组件(132)以及小型步进电机组(133)，所述底部舵机云台(131)固定于主体支架(11)顶部，所述连接杆组件(132)顶部安装固定板(134)，固定板(134)上安装细管喷嘴(135)，所述细管喷嘴(135)端部连接软管喷头(136)，所述软管喷头(136)与主体支架(11)内部的涂料箱连通。

3.根据权利要求2所述的具有可伸缩行走装置的管道机器人，其特征在于：所述履带组件(21)包括通过履带(215)连接的前同步带轮(211)、后同步带轮(212)，所述前同步带轮(211)、后同步带轮(212)通过同步带轮安装轴承安装于所述行走支架(12)上，所述行走支架(12)上安装有履带驱动电机(213)，所述履带驱动电机(213)连接传动轮(214)，所述传动轮(214)通过传动带(216)连接后同步带轮(212)，所述行走支架(12)底部装设有履带承重轮(217)。

4.根据权利要求3所述的具有可伸缩行走装置的管道机器人，其特征在于：所述同步带轮安装轴承配设轴承止动环，所述行走支架(12)底部固连用于安装所述履带承重轮(217)的承重轮安装支架(122)。

5.根据权利要求4所述的具有可伸缩行走装置的管道机器人，其特征在于：所述前同步带轮(211)、后同步带轮(212)各自轴向两侧与两条所述长边(121)之间装设有挡板(14)，所述挡板(14)固定于所述行走支架(12)上且中部开设长孔(141)。

6.根据权利要求5所述的具有可伸缩行走装置的管道机器人，其特征在于：所述行走支架(12)的长边(121)底部固连与长边(121)平行的纵向加强杆(123)，以及至少两根与长边(121)垂直的横向加强杆(124)，所述横向加强杆(124)两端安装有行走辅助轮(15)，在管道内行走时，所述行走辅助轮(15)的轮面与管壁贴合。

7.根据权利要求6所述的具有可伸缩行走装置的管道机器人，其特征在于：所述主体支架(11)包括两个相同的三角形底面架(111)以及连接该两个三角形底面架(111)的3条侧棱杆(112)，所述主体支架(11)内部设置有加强组件，所述加强组件包括固设于主体支架(11)中部且与三角形底面架(111)平行的三角形加强架(113)以及连接在三角形加强架(113)与前端的三角形底面架(111)之间的至少两根加强杆(114)，所述三角形加强架(113)的三个顶点分别固定在三条侧棱杆(112)上。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的具有可伸缩行走装置的管道机器人，其特征在于：所述前同步带轮(211)、后同步带轮(212)均为铝合金材质且为减重镂空设计，所述履带承重轮(217)沿履带(215)宽度方向平行设置两组，每组6只，整个承重轮组位于行走支架(12)中部。

9.根据权利要求8所述的具有可伸缩行走装置的管道机器人的控制系统，其特征在于：包括设置于主体支架(11)上的红外激光测距模块、摄像头、喷头组件(13)，设置于主体支架(11)与电动推杆装置(3)之间的触觉传感器以及PLC控制器、控制板、无线传输单元、电动推杆装置(3)的控制电机和履带驱动电机(213)，所述红外激光测距模块包括激光测距传感器、红外传感器，所述激光测距传感器、红外传感器、摄像头、喷头组件(13)和触觉传感器与控制板连接，所述控制板与PLC控制器连接，所述PLC控制器与电动推杆装置(3)的控制电机和履带驱动电机(213)相连接。

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