CN110509298A - 基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人及系统，机器人前后壳上分别等角度设置对称设置三个行走臂，行走臂一端设置有行走臂转轴，使行走臂与壳体之间能在一定范围内绕行走臂转轴摆动；行走臂的另一端设置有蜗杆转轴，蜗杆转轴两端装配有行走轮，通过电机驱动行走轮转动；行走臂转轴与前壳、后壳之间设置有弹性扭簧，驱动行走臂向壳体外侧摆动；能自适应一定范围内的大小不同管径的管道，结构简单小巧，携带便利，便于穿管操作，解决地下管道的检修维护问题。

Description

基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人及系统

技术领域

本发明涉及管道检修设备，特别涉及一种基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人及系统。

背景技术

随着城市发展，城市电力输送、通信连接、燃油/燃气输送都开始从地面转到地下，其安全运行需要定期检修。但由于窄小空间的限制，城市电网的入地工程持续的展开，电力电缆线路也随着大幅度的增加，局部支线需要穿过预埋钢管(或者PVC管)，由其是在小管径管道内自动维修存在巨大难度，尤其是局部配网线路需要穿线的长距离(如河底)预埋管道，这就给电缆施工及运维单位提出了难题，目前还没有一种有效的手段对于较长的预埋管道进行穿线作业及相关工作，需要研发一种便携式的小型化的穿管机器人，解决下述问题：

1)预埋穿线管道的验收；2)牵引穿线；3)清理管道内部杂物、对管道内部进行润滑，便于穿管操作。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明目的是提供一种运输便利、结构轻巧紧凑的基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人及系统，能自适应不同管径的管道，解决地下管道的检修维护问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，包括前壳、后壳、行走臂和行走轮；

前壳和后壳安装在一起构成机器人机身，前壳和后壳上分别设置三个以壳体轴线对称分布的凹坑，该凹坑结构用于容纳并嵌合行走臂，行走臂一端设置有行走臂转轴，行走臂转轴嵌合于前壳和后壳凹坑内的轴孔中，使行走臂与壳体之间能在一定范围内绕行走臂转轴摆动；行走臂的另一端设置有蜗杆转轴，蜗杆转轴两端装配有行走轮，行走臂内部安装有电机，电机转轴上安装有蜗轮，电机带动蜗轮转动，蜗轮驱动蜗杆转轴从而驱动行走轮转动；

所述的行走臂转轴与前壳、后壳之间设置有弹性扭簧，使得行走臂与前壳、后壳之间有弹性张力，驱动行走臂向壳体外侧摆动。

进一步，机器人前壳前端设置有镜头片，镜头片后面设置有网络摄相头。

进一步，机器人后端的行走臂末端设置牵引绳孔，每个牵引绳孔栓有牵引绳。

进一步，所述前壳和后壳为半椭圆球体结构。

进一步，所述前壳和后壳上分别开设有螺纹固定孔，前壳和后壳扣在一起后通过螺钉连接固定。

进一步，机器人后壳上设置有供光纤信号线穿过的出线孔。

进一步，壳体中安装有锂电池，分别给前端和后端行走臂内部电机供电。

进一步，壳体中安装有辅助照明灯。

一种机器人系统，包括穿管机器人箱体、操控PDA、六足穿管机器、机器人保护罩、箱体内衬、收光纤轮、光纤升缩口、转线盘支架、通信系统主控盒；

穿管机器人箱体包括箱子和箱盖，箱子和箱盖中分别设置箱体内衬，操控PDA嵌入箱盖的箱体内衬放置，六足穿管机器收纳在机器人保护罩内后放置在箱子的箱体内衬中，用于收纳光纤的转线盘支架上固定通信系统主控盒，转线盘支架与通信系统主控盒下方设置的转动轴承组成自动光纤收放装置并放置在箱子的箱体内衬中，转线盘支架上连接有收光纤轮，通过收光纤轮搅动线盘支架转动，并带动通信系统主控盒一起转动；光纤升缩口开设在箱子一侧，通信系统主控盒与六足穿管机器通过光纤连接。

进一步，通信系统主控盒与六足穿管机器采用抗拉力光纤连接。

本发明的有益效果在于：

本发明基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，前后壳上分别等角度设置对称设置三个行走臂，行走臂一端设置有行走臂转轴，使行走臂与壳体之间能在一定范围内绕行走臂转轴摆动；行走臂的另一端设置有蜗杆转轴，蜗杆转轴两端装配有行走轮，通过电机驱动行走轮转动；行走臂转轴与前壳、后壳之间设置有弹性扭簧，驱动行走臂向壳体外侧摆动；能自适应一定范围内的大小不同管径的管道，行走臂能根据管体尺寸自动弹性摆动，在管道内遇到小尺寸障碍也可以自适应变换姿势顺利通过，能够快速稳定的穿过不同管径管体；而且结构简单小巧，携带便利，便于穿管操作，能够完成预埋穿线管道的验收，牵引穿线；清理管道内部杂物、对管道内部进行润滑等工作，解决地下管道的检修维护问题。

进一步，该穿管机器人前端搭载有网络摄相头，后台可以对整个作业过程进行可视化操作提高工作效率。

进一步，机器人后端设置的牵引绳能在设备出现故障时进行自救，提高了设备的实用性及可靠性，机器人使用简单快速，能够广泛地应用于各类地下管道的检修维护。

本发明还提供了一种机器人系统，配合机器人一起使用，方便收纳和携带，使用更加便利。便携式穿管机器人系统解决的小管道、长距离穿管工作，填补了这方面的空白，解决了长期困扰的问题，节省了大量的施工所消耗的人力、物力。全程可视操作勘察管道内部情况，解决电缆排管施工完成后无法对下管质量验收等工作；该机器人能达到对管内进行润滑、清洁管道操作，减小电缆敷设时摩擦力，确保牵引电缆拉力符合规程要求；提高工作效率，节省大量人力物力，直接经济效益显著。

本发明的机器人还具有以下特点：

1.解决长距离城市管道穿线的需求；研发便携式穿管机器人系统，解决目前无法解决的小管道、长距离穿管工作提供一套新的方法和技术手段；

2.预埋穿线管道的验收勘察；全程可视操作勘察管道内部情况，解决电缆排管施工完成后无法对下管质量验收等工作；

3.牵引穿线、敷设绳子；

4.清理管道内部杂物、清洁功能、对管道内部进行润滑、减少摩擦力；该机器人能达到对管内进行润滑、清洁管道操作，减小电缆敷设时摩擦力，确保牵引电缆拉力符合规程要求。

5.可以广泛应用在电力电缆、通讯光缆穿管施工及验收工作中。同过便携式穿管机器人系统样机研制，及实践应用，可以达到量产在全国范围内进行推广。

6.便携式穿管机器人可以完成以前很难完成的长距离管道的穿管作业及事前清洁工作，解决了长期以来的难题，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的横截面示意图

图3是机器人系统装置箱体

图中：1-前壳、2-后壳、3-行走臂、4-行走轮、5-轮轴、6-网络摄相头、7-镜头片、8-光纤牵引绳、9-管道、10-凹坑、11-电机、12-蜗杆转轴、13-蜗轮、14-牵引绳孔、15-螺纹固定孔、16-轴孔、17-牵引绳、18-行走臂转轴、19-出线孔、20-弹性扭簧、101-穿管机器人箱体、102-操控PDA、103-六足穿管机器、104-机器人保护罩、105-箱体内衬、106-收光纤轮、107-光纤升缩口、108-转线盘支架、109-通信系统主控盒。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1和图2所示，本发明基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，包括前壳1、后壳2、行走臂3、行走轮4、网络摄相头6及光纤牵引绳8。

前壳1、后壳2上分别开设有螺纹固定孔15，前后壳扣在一起后通过螺钉连接固定；所述前壳1和后壳2为半椭圆球体结构，表面光滑，阻挡面及阻力小，容易从管道中穿过。前壳1、后壳2上分别设置三个以壳体轴线对称分布的凹坑10，该凹坑结构用于容纳并嵌合行走臂3，行走臂3的一端设置有行走臂转轴18，行走臂转轴18嵌合于前后壳凹坑10内的轴孔16中，使行走臂3与壳体之间能在一定范围内绕行走臂转轴18摆动；行走臂3的另一端设置有蜗杆转轴12，蜗杆转轴12两端装配有行走轮4，行走臂3内部的电机11带动蜗轮13转动，蜗轮13驱动蜗杆转轴12从而驱动行走轮4转动。

前壳1前端设置有镜头片7，镜头片7后面设置有网络摄相头6，后台通过机器人前端摄相头对穿管过程进行可视化操作；机器人尾端后壳2上设置有出线孔19，出线孔19用于供光纤信号线8穿过；机器人后端的行走臂3末端设置牵引绳孔14，每个牵引绳孔14栓上牵引绳17，多组牵引绳最后合拧成一股，机器人后端设置的牵引绳能在设备出现故障时进行自救，提高了设备的实用性及可靠性。

行走臂转轴18与前壳1、后壳2间设置有弹性扭簧20使得行走臂3与机器人前壳1、后壳2间有弹性张力，其作用在于能让机器人能适应一定范围大小不同的管道9管径；该机器人对比其它管道牵引设备具有结构轻巧紧凑。

前壳1、后壳2中安装锂电池，分别给前端和后端电机供电，前后双驱动，柔性连接，张紧轮设计，满足不同材料的管道运行条件设计，网络摄相头6采用不倒翁设计，中间摄像头部分始终垂直不动，边界转动，不会影响穿线的缠绕；可满足管道内部的不同条件，可靠运行；前后全程高清视频监控及辅助照明灯双头设计；设计可挂载清洁组件，可对管道内部全程进行清洁操作。

如图3所示，本发明还提供一种与机器人配套使用的机器人系统，包括穿管机器人箱体101、操控PDA102、六足穿管机器103、机器人保护罩104、箱体内衬105、收光纤轮106、光纤升缩口107、转线盘支架108、通信系统主控盒109。

其中操控PDA102、六足穿管机器103、机器人保护罩104、箱体内衬105、收光纤轮106、光纤升缩口107、转线盘支架108、通信系统主控盒109全部固定在穿管机器人箱体101内；穿管机器人箱体101包括箱子和箱盖，箱子和箱盖中分别设置箱体内衬105，操控PDA102嵌入箱盖的箱体内衬105放置，六足穿管机器103收纳在机器人保护罩104内，转线盘支架108可收纳200m及200m以内长度的光纤。转线盘支架108上固定通信系统主控盒109，转线盘支架108与通信系统主控盒109转动轴承组成自动光纤收放装置，转线盘支架108转动带动通信系统主控盒109一起转动，收放光纤时能避免光纤缠绕。

通信系统主控盒109与六足穿管机器103采用抗拉力光纤连接，操控PDA 102会自动与通信系统主控盒109通过WIFI连接组成局域网。

最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，其特征在于：包括前壳(1)、后壳(2)、行走臂(3)和行走轮(4)；

前壳(1)和后壳(2)安装在一起构成机器人机身，前壳(1)和后壳(2)上分别设置三个以壳体轴线对称分布的凹坑(10)，该凹坑结构用于容纳并嵌合行走臂(3)，行走臂(3)一端设置有行走臂转轴(18)，行走臂转轴(18)嵌合于前壳(1)和后壳(2)凹坑内的轴孔(16)中，使行走臂(3)与壳体之间能在一定范围内绕行走臂转轴(18)摆动；行走臂(3)的另一端设置有蜗杆转轴(12)，蜗杆转轴(12)两端装配有行走轮(4)，行走臂(3)内部安装有电机(11)，电机(11)转轴上安装有蜗轮(13)，电机(11)带动蜗轮(13)转动，蜗轮(13)驱动蜗杆转轴(12)从而驱动行走轮(4)转动；

所述的行走臂转轴(18)与前壳(1)、后壳(2)之间设置有弹性扭簧(20)，使得行走臂(3)与前壳(1)、后壳(2)之间有弹性张力，驱动行走臂(3)向壳体外侧摆动。

2.根据权利要求1所述的基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，其特征在于：机器人前壳(1)前端设置有镜头片(7)，镜头片(7)后面设置有网络摄相头(6)。

3.根据权利要求1所述的基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，其特征在于：机器人后端的行走臂(3)末端设置牵引绳孔(14)，每个牵引绳孔(14)栓有牵引绳(17)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，其特征在于：所述前壳(1)和后壳(2)为半椭圆球体结构。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，其特征在于：所述前壳(1)和后壳(2)上分别开设有螺纹固定孔(15)，前壳(1)和后壳(2)扣在一起后通过螺钉连接固定。

6.根据权利要求1-3任一项所述的基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，其特征在于：机器人后壳(2)上设置有供光纤信号线(8)穿过的出线孔(19)。

7.根据权利要求1-3任一项所述的基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，其特征在于：壳体中安装有锂电池，分别给前端和后端行走臂(3)内部电机(11)供电。

8.根据权利要求1-3任一项所述的基于曲面几何约束运动学模型的电缆管道机器人，其特征在于：壳体中安装有辅助照明灯。

9.一种基于权利要求1所述电缆管道机器人的机器人系统，其特征在于：包括穿管机器人箱体(101)、操控PDA(102)、六足穿管机器(103)、机器人保护罩(104)、箱体内衬(105)、收光纤轮(106)、光纤升缩口(107)、转线盘支架(108)、通信系统主控盒(109)；

穿管机器人箱体(101)包括箱子和箱盖，箱子和箱盖中分别设置箱体内衬(105)，操控PDA(102)嵌入箱盖的箱体内衬(105)放置，六足穿管机器(103)收纳在机器人保护罩(104)内后放置在箱子的箱体内衬(105)中，用于收纳光纤的转线盘支架(108)上固定通信系统主控盒(109)，转线盘支架(108)与通信系统主控盒(109)下方设置的转动轴承组成自动光纤收放装置并放置在箱子的箱体内衬(105)中，转线盘支架(108)上连接有收光纤轮(106)，通过收光纤轮(106)搅动线盘支架(108)转动，并带动通信系统主控盒(109)一起转动；光纤升缩口(107)开设在箱子一侧，通信系统主控盒(109)与六足穿管机器(103)通过光纤连接。

10.根据权利要求9所述的机器人系统，其特征在于：通信系统主控盒(109)与六足穿管机器(103)采用抗拉力光纤连接。