CN110513566A - 一种油气管道检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种油气管道检测机器人，包括：空腔，空腔的两端通过丝杆分别固定连接有前支座、后底座；在空腔的外圆周等间隔有安装有若干组主动行走机构和被动行走机构；主动行走机构包括：驱动机构和变径机构；被动行走机构包括从动机构与变径机构，该变径机构与主动行走机构的变径机构结构一致；所述从动机构的结构与驱动机构的结构类似，从动机构上的橡胶轮没有电机驱动。本发明变径结构中滑块、长杆和支撑杆组成了摆动滑块机构，该机构将电动顶杆活动杆的直线位移转化为机器人轮心纵坐标的变化，达到主动调节机器人的径向尺寸的目的，滑块、连接块间的弹簧用以辅助机器人适应管道内径的微小变动，给机构增加柔性，提高机器人越障能力。

Description

一种油气管道检测机器人

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种油气管道检测机器人。

背景技术

油气管道是重要的能源传输载体，因长期受到内部介质腐蚀及西南地区潮湿气候的影响，管道内部情况十分复杂，须定期检修保障油气安全运输。

德国的IBAK系列机器人能够进入5～220cm直径范围的管道内部进行检测,根据需求配置不同的传感装置，但不能在竖直管道内工作，拖缆工作给运动灵活性带来极大限制。内蒙古工业大学研制的可变径轮式管道检测机器人，能够在90～160mm的管道内行走，但变径结构缺乏柔性，不能适应管道内复杂变化。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够在油气管道内行走比较柔性的油气管道检测机器人。

一种油气管道检测机器人，包括：空腔，空腔的两端通过丝杆分别固定连接有前支座、后底座；

在空腔的外圆周等间隔有安装有若干组主动行走机构和被动行走机构；

所述主动行走机构包括：驱动机构和变径机构；

所述变径机构包括：丝杆，丝杆的一端与前支座固定，另一端与后底座固定；在丝杆上固定有固定块和法兰螺母，在固定块和法兰螺母之间的丝杠上固定有限位螺母，在限位螺母与法兰螺母之间的丝杠上套设有空心铝管，在空心铝管上套设有滑块与连接块，在滑块与连接块之间放置有处于压缩状态的压缩弹簧；

在连接块上设置有能够驱动其左右移动的电动顶杆活动杆；

所述驱动机构包括长杆，长杆的一端与固定块铰接连接、中部与支撑杆的一端铰接连接、另一端固定有电机支架；所述支撑杆的另一端与滑块铰接连接；电机支架上安装有减速电机，减速电机的输出轴上装有联轴器，联轴器与橡胶轮连接；

所述被动行走机构包括从动机构与变径机构，该变径机构与主动行走机构的变径机构结构一致；所述从动机构的结构与驱动机构的结构类似，从动机构的上的橡胶轮没有电机驱动，其依靠与管道内壁的摩擦转动。

进一步地，如上所述的油气管道检测机器人，从动机构的橡胶轮通过联轴器与转动轴的两端连接，转动轴通过轴承盖将其限定在长杆端部的凹槽内。

进一步地，如上所述的油气管道检测机器人，所述固定块通过带孔法兰螺母将其固定在丝杠上，带孔法兰螺母与丝杠螺纹连接。

进一步地，如上所述的油气管道检测机器人，在空心铝管上套设有两个直线轴承，该两个直线轴承分别与滑块与连接块采用螺钉连接。

进一步地，如上所述的油气管道检测机器人，在空腔内设置有通讯模块、控制模块、定位模块和电源模块。

有益效果：

本发明提供的机器人的行走方式属于支撑轮式，可以产生较大的封闭力，满足机器人行走于垂直管道的要求。六组行走机构沿圆周等间隔的支撑在管道内壁上，可以收缩或张开以适应管道内径变化，保持机器人的中心轴线与管道中心轴线平行。六组行走机构分为主动和被动行走机构，三组主动行走机构间的夹角为120°，该机构中的橡胶轮由电机驱动，被动行走机构负责平衡机器人重心，起到辅助支撑的作用。

由于腐蚀和介质堆积，管道内径不会保持标称值不变，且变化量不可预知，为保证任一时刻机器人各轮能够与管道内壁紧密接触，不产生相对位移，对主动和被动变径方式进行了组合，变径结构中滑块、长杆和支撑杆组成了摆动滑块机构，该机构将电动顶杆活动杆的直线位移转化为机器人轮心纵坐标的变化，达到主动调节机器人的径向尺寸的目的，滑块、连接块间的弹簧用以辅助机器人适应管道内径的微小变动，给机构增加柔性，提高机器人越障能力。这样的组合方式让两种变径方式的优点得以在同一个变径结构中充分展现。

附图说明

图1是本发明实施例的管道机器人的结构示意图；

图2是图1的分解结构图；

图3是图2中主动行走机构的结构示意图；

图4是图3的分解结构图；

图5是图3中驱动组件的分解结构图；

图6是图5中电机支架的结构示意图；

图7是图2中被动行走机构的结构示意图；

图8是图7中从动组件的分解结构图；

图9是图8中转动轴的结构示意图；

附图标记：

1-前支座,2-后底座,3-空腔,4、主动行走机构；5、被动行走机构；6-丝杆，7、固定块；8、限位螺母；9、空心铝管；10-滑块,11、驱动结构；12、法兰螺母；13、带孔法兰螺母；14、直线轴承；15、压缩弹簧；16连接块,17-底座，18电动顶杆活动杆,19、长杆；20、支撑杆；21-电机支架；22、减速电机；23-联轴器，24-橡胶轮，25、从动机构；26、滚动轴承；27-转动轴，28、轴承盖。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-2，本发明提供的一种适用于内径为500mm～600mm的油气管道中的管道机器人，该管道机器人包括：前支座1、后底座2、空腔3以及三组等间隔分布的主动行走机构4和被动行走机构5。该机器人的行走方式属于支撑轮式，可以产生较大的封闭力，满足机器人行走于各种角度管道的要求。其中前支座1、后底座2均用螺母与穿入其中的丝杆6连接，空腔3位于前支座1与后底座2之间，一方面用来确定螺母的固定位置，另一方面空腔3的内部空间可以用来承载部分检测、控制模块，以完善机器人的电气功能。

由于油气管道内部存在腐蚀和介质堆积，管道内径不会保持标称值不变，且变化量不可预知，为保证任一时刻机器人各轮能够与管道内壁紧密接触，不产生相对位移，本发明实施例提供了一种将主动变径与被动变径方式结合于一体的变径方式。

参见图3-5，所述主动行走机构4包括驱动机构11和变径机构。其中，所述变径机构包括：丝杆6、固定块7、限位螺母8、空心铝管9、滑块10、法兰螺母12、带孔法兰螺母13、直线轴承14、压缩弹簧15、连接块16、底座17、电动顶杆活动杆18。具体地，

丝杆6上设置有固定块7、限位螺母8、空心铝管9、滑块10、法兰螺母12、带孔法兰螺母13、直线轴承14、压缩弹簧15、连接块16。其中，丝杆6的一端固定所述固定块7，另一端固定所述法兰螺母12，在固定块7与法兰螺母12之间固定所述限位螺母8，在限位螺母8与法兰螺母12之间的丝杆6上套有空心铝管9，在空心铝管9上套设有滑块10、连接块16，滑块10与连接块16之间设置有压缩弹簧15，所述滑块10与连接块16没有固定连接，在放置压缩弹簧15时需保证在滑块10的左右极限位置范围内，弹簧应始终保持压缩状态。其中，所述滑块10、连接块16分别通过直线轴承14套设在空心铝管9上，直线轴承14分别通过螺钉分别于滑块10、连接块16固定连接。所述带孔法兰螺母13与丝杆6螺纹固定连接，带孔法兰螺母13通过螺钉与固定块7连接。

其中直线轴承14和空心铝管9的作用是为了减少滑块10与连接块16在移动过程中产生的磨损，法兰螺母12和限位螺母8用于限制滑块10与连接块16的移动范围，带孔法兰螺母13用于限定固定块7在丝杆6上的位置。由于机器人在管道内部运动时，丝杆6、定块7、滑块10、连接块16上会承受较大的轴向载荷，因此需选用强度较大的材料，必要时需对各零件进行稳定性验证。

在连接块16的底部固定有底座17，在底座17上固定有电动顶杆活动杆18，电动顶杆活动杆18的位移由单片机控制，单片机输出信号控制直流电机转动角度，直流电机带动活动杆前后直线运动。机器人进入管道前，电动顶杆活动杆18位于右极限位置处，此时机器人的径向尺寸最小。当机器人进入管道后，活动杆向左运动，推动连接块16、滑块10一起向左，机器人径向尺寸增大，轮子与管道内壁紧密贴合，且各活动杆的运动由单片机控制，位移相同，从而各轮处机器人径向尺寸的增加也相同，保障了机器人重心与轴线重合。

当机器人在管道内部运动时，会遇见许多由杂质、腐蚀造成的障碍，但不是每个轮子都会同时经历相同大小的障碍，因此对某时刻经过某障碍处的轮子而言，需要改变轮心的高度，即机器人该径向上的尺寸，才能保证顺利通过。由于此时连接块16的位置被活动杆18固定，可以通过压缩弹簧来改变滑块10的位置，达到改变轮心高度的目的，从而保障机器人中心轴线与管道中心轴线重合。

变径机构将电动顶杆活动杆18的水平直线位移转化为机器人轮心纵坐标的变化，达到主动调节机器人的径向尺寸的目的，机器人开始工作前，通过调节电动顶杆活动杆18的水平位移使机器人径向尺寸小于管道内径，便于机器人进入管道；顺利进入后，同样通过调节活动杆18的位移使机器人各轮与管道内壁紧密接触，同时也能够保障机器人中心轴线与管道中心轴线重合。滑块10、连接块16间的压缩弹簧15用以辅助机器人适应管道内部由腐蚀、杂质引起的微小内径变动，给机构增加柔性，提高机器人越障能力。这样的组合方式让两种变径方式的优点得以在同一个变径机构中充分展现，使管道机器人能够更好的适应管道内部复杂的环境。本发明中使用的电动顶杆的型号为BXTL150，由底座17和活动杆18组成，底座17选用面板嵌入安装型，活动杆18前端带有螺纹孔，利用螺钉与连接块16下方的通孔完成连接。该顶杆带有直流电机和编码器用于控制和测量活动杆的位移，最大行程为50mm，最大推力可达1300N，能够满足机器人变径过程中的位移、推力需求。同时压缩弹簧15需选取合适的刚度，与电动顶杆相互配合，为橡胶轮提供充足正压力，使机器人能够在竖直管道内攀爬时能够产生足够的摩擦力来克服自身重力。

参见图5-6，所述驱动机构11包括：长杆19、支撑杆20、电机支架21、减速电机22、联轴器23、橡胶轮24。

所述长杆19的一端与固定块7铰接连接、中部与支撑杆20的一端铰接连接、另一端固定有电机支架21；所述支撑杆20的另一端与滑块10铰接连接；电机支架21上安装有减速电机22，减速电机22的输出轴上装有联轴器23，联轴器23与橡胶轮24连接。

驱动组件中给管道机器人提供驱动力的电机是控制机器人在管内行走、攀爬的重要元件，本发明所述减速电机22选用一种涡轮蜗杆双轴齿轮直流减速电机，该电机的额定转矩为3N·m，堵转转矩为4.5N·m，能为系统提供充足的动力。该减速电机22通过电机支架21、螺钉安装与长杆19上，电机输出轴上装有联轴器23，以便将转矩传给橡胶轮24。

参见图7-9，被动行走机构5由从动机构25和变径机构组成。其中变径机构与主动行走机构中的变径机构相同，因此不再赘述。所述从动机构25与主动行走机构4的驱动机构11相比，主要区别在于缺少电机，另外，从动机构25的橡胶轮24通过联轴器23与转动轴27的两端连接，转动轴27通过轴承盖28将其限定在长杆19端部的凹槽内。因此，橡胶轮24则主要依靠与管道内壁的摩擦围绕转动轴27转动，滚动轴承26和轴承盖28用来将转动轴27安装在长杆19上，并减小两者之间的磨损。

管道机器人的电气系统分为四个独立的功能模块，包括通讯模块、控制模块、定位模块和电源模块，所述通讯模块、控制模块、定位模块和电源模块集成在一个板子上，该板子放置在空腔3内。所述控制模块选用stm32f407。通讯：采用无线WiFi通讯方式，通过ESP8266WiFi无线收发模块与管外控制端通信，WiFi模块将接收到的控制指令传给主控器解析，并作用于其余模块上，改变机器人的工作状态。定位：利用MEMS陀螺仪和码盘对移动机器人运动信息进行采集，卡尔曼姿态解算算法可将陀螺仪测得的各轴角加速度和加速度融合，得到机器人的航向角θ；对安装在电机轴上的码盘输出的脉冲信号进行计数，可以计算出机器人的位移S，即完成对机器人的定位。电源：24V,6000mAh的聚合物组合电池，并集成了LM2596电压调节器的电压转换模实现24V～5V的电压转换。控制：双轴电机提供机器人前进动力，电动顶杆实现机器人径向尺寸的主动调节。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种油气管道检测机器人，其特征在于，包括：空腔(3)，空腔(3)的两端通过丝杆(6)分别固定连接有前支座(1)、后底座(2)；

在空腔(3)的外圆周等间隔有安装有若干组主动行走机构(4)和被动行走机构(5)；

所述主动行走机构(4)包括：驱动机构(11)和变径机构；

所述变径机构包括：丝杆(6)，丝杆(6)的一端与前支座(1)固定，另一端与后底座(2)固定；在丝杆(6)上固定有固定块(7)和法兰螺母(12)，在固定块(7)和法兰螺母(12)之间的丝杠(6)上固定有限位螺母(8)，在限位螺母8与法兰螺母12之间的丝杠(6)上套设有空心铝管(9)，在空心铝管(9)上套设有滑块(10)与连接块(16)，在滑块(10)与连接块(16)之间放置有处于压缩状态的压缩弹簧(15)；

在连接块(16)上设置有能够驱动其左右移动的电动顶杆活动杆(18)；

所述驱动机构(11)包括长杆(19)，长杆(19)的一端与固定块(7)铰接连接、中部与支撑杆(20)的一端铰接连接、另一端固定有电机支架(21)；所述支撑杆(20)的另一端与滑块(10)铰接连接；电机支架(21)上安装有减速电机(22)，减速电机(22)的输出轴上装有联轴器(23)，联轴器(23)与橡胶轮(24)连接；

所述被动行走机构(5)包括从动机构(25)与变径机构，该变径机构与主动行走机构(4)的变径机构结构一致；所述从动机构(25)的结构与驱动机构(11)的结构类似，从动机构(25)的上的橡胶轮(24)没有电机驱动，其依靠与管道内壁的摩擦转动。

2.根据权利要求1所述的油气管道检测机器人，其特征在于，从动机构(25)的橡胶轮(24)通过联轴器(23)与转动轴(27)的两端连接，转动轴(27)通过轴承盖(28)将其限定在长杆(19)端部的凹槽内。

3.根据权利要求1所述的油气管道检测机器人，其特征在于，所述固定块(7)通过带孔法兰螺母13将其固定在丝杠(6)上，带孔法兰螺母13与丝杠(6)螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的油气管道检测机器人，其特征在于，在空心铝管(9)上套设有两个直线轴承(14)，该两个直线轴承(14)分别与滑块(10)与连接块(16)采用螺钉连接。

5.根据权利要求1所述的油气管道检测机器人，其特征在于，在空腔(3)内设置有通讯模块、控制模块、定位模块和电源模块。