CN111457192A - 一种轮式管道内壁清扫检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮式管道内壁清扫检测机器人，主要适用于管径在250‑380mm管道，包括：轴向依次连接设置的控制室、轮式行走牵引装置、清扫装置；轮式行走牵引装置包括：调节组件、前变径驱动组件；清扫装置包括：后变径驱动组件、清扫组件；控制室可拆卸的固定于轮式行走牵引装置上；轮式行走牵引装置与清扫装置柔性连接；调节组件四周设有数个前变径驱动组件，轮式行走牵引装置通过前变径驱动组件与管内壁贴合在管内行走；清扫组件四周设有数个后变径驱动组件，清扫装置通过后变径驱动组件与管内壁贴合在管内行走。本发明可以提供较大的牵引力，保证了机器人对复杂的管道通过的能力，变径驱动组件保证能实现在250‑380mm之间的管道之间变化。

Description

一种轮式管道内壁清扫检测机器人

技术领域

本发明属于管道清理检测设备技术领域，尤其涉及一种基于图像识别的轮式驱动管道清理检测机器人。

背景技术

近年来，随着国家工农产业的飞速发展，管道作为水、石油、天然气等资源的重要运输方式，其需求量逐年提高。但由于管道通常长年处于恶劣的工作环境下，受地质灾害、化学腐蚀等外在因素的影响，会发生管道内部损坏、管道泄漏甚至导致爆炸等严重危险事故，给人们生活带来严重隐患。传统的管道检测，所有的检测内容都是由工作人员亲自完成，存在一定的危险性，并且检测效率也不尽如人意。尤其对于内部比较狭窄的管道或者输送有毒气体的管道，检测人员根本不能进行任何检测，为了管道能够安全作业，研究新的管道检测技术己经成为管道运输行业的首要任务，而管道检测机器人的出现解决了管道工业的燃眉之急。它是一种可以沿着细小的管道内壁自动行走，自身可以携带多种传感器及操作结构，通过工作人员的远距离操控或计算机内部程序的智能操控下，进行管道的机、电、液一体化作业。具有运动灵活、检测方便、准确等优点，在工业经济花费上成本也是相对比较低的。

现有管道机器人主要有流动式、轮式、履带式、蠕动式、行走式、蛇形等，或沿壁行走，或在管道底部行走，或不能变径，或不能转弯，或不能清扫打磨。在管径400mm以下的中小管径管道机器人的研发设计才刚刚起步，产品比较少；而在少有的产品中，由于管径较小，限制了机械结构的大小，大多数采用蠕动式行进方式，而蠕动式机器人移动响应速度较慢，不适用于管道的清扫作业，而在申请号为201810194463.4的文献公开了一种自适应管道清淤机器人，该机器人采用履带式行走方式可以实现变径、检测和清淤，但是其摄像头和清淤机构在同一竖直平面上，清淤过程中容易对摄像头产生干扰，很难被广泛地推广应用。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种轮式管道内壁清扫检测机器人，以解决现有技术中不能在小直径管道中变径行走，不能良好转弯的技术问题。

本发明提供了一种轮式管道内壁清扫检测机器人，主要适用于管径在250-380mm管道，包括：轴向依次连接设置的控制室、轮式行走牵引装置、清扫装置；所述轮式行走牵引装置包括：调节组件、前变径驱动组件；所述清扫装置包括：后变径驱动组件、清扫组件；所述控制室可拆卸的固定于所述轮式行走牵引装置上；所述轮式行走牵引装置与清扫装置柔性连接；所述调节组件四周设有数个前变径驱动组件，所述轮式行走牵引装置通过所述前变径驱动组件与管内壁贴合在管内行走；所述清扫组件四周设有数个后变径驱动组件，所述清扫装置通过所述后变径驱动组件与管内壁贴合在管内行走。

进一步地，数个所述前变径驱动组件之间在沿前进方向垂直平面上呈120°角分布；数个所述后变径驱动组件之间在沿前进方向垂直平面上呈120°角分布。

进一步地，所述控制室包括：设置于控制室外壳内的安装在控制面板上的摄像头、照明指示灯、处理模块；所述处理模块分别与照明指示灯、摄像头连接。

进一步地，所述调节组件包括：与所述控制室外壳连接的前支撑外壳、丝杠副、步进电机；所述丝杠副、步进电机设置于所述前支撑外壳内；所述步进电机输出轴通过联轴器与所述丝杠副的丝杠同轴连接，控制端与所述处理模块连接；

所述前变径驱动组件包括：前车轮、前车轮支撑杆、前车轮驱动部件、前丝杠连接杆；所述前车轮与所述前车轮驱动部件连接，一同设置于所述前车轮支撑杆一端；所述前车轮支撑杆另一端与所述前支撑外壳铰接；所述前丝杠连接杆一端与所述前车轮支撑杆中部铰接，另一端与所述丝杠副的丝杠螺母铰接；所述前轮驱动部件的控制端与所述处理模块连接。

进一步地，所述清扫组件包括：后支撑外壳、清扫驱动部件、清扫部件；所述前支撑外壳与所述后支撑外壳柔性连接；所述清扫驱动部件设置于所述后支撑外壳内，驱动设置于所述清扫驱动部件上的所述清扫部件；所述清扫驱动部件的控制端与所述处理模块连接；

所述后变径驱动组件包括：后车轮、后车轮支撑杆、后车轮滑块连接杆、滑块、滑杆、弹簧；所述后车轮支撑杆一端与所述后车轮连接，另一端与所述后支撑外壳铰接；所述滑杆一端与后支撑外壳外壁固定连接，另一端悬空；所述弹簧、滑块依次套入所述滑杆；所述弹簧一端固定，另一端与在所述滑杆上滑动的所述滑块固定连接；所述后车轮滑块连接杆一端与所述后车轮连接，另一端与所述滑块连接。

进一步地，所述前变径驱动组件还包括前后连接杆、第二前车轮、第二前车轮支撑杆、第二前车轮驱动部件；所述第二前车轮与第二所述前车轮驱动部件连接，一同设置于所述第二前车轮支撑杆一端；所述第二前车轮支撑杆另一端与所述前支撑外壳铰接；所述前后连接杆水平沿前进方向设置，两端分别连接所述前车轮支撑杆中部、第二前车轮支撑杆中部。

进一步地，所述清扫驱动部件包括：驱动电机、小齿轮、大齿轮空心轴；所述驱动电机输出轴通过联轴器与所述小齿轮输入轴同轴连接；所述小齿轮与所述大齿轮空心轴啮合；所述清扫部件设置于所述大齿轮空心轴轴体上。

进一步地，所述清扫部件包括：清扫头、电动推杆；所述电动推杆底座固定在所述大齿轮空心轴的轴体上；所述清扫头可拆卸的固定在所述电动推杆的顶杆顶端。

进一步地，所述轮式行走牵引装置与清扫装置通过中空软管连接；所述中空软管长度为待清扫管道的90°弯管处中心线长度的105％至110％。

进一步地，所述前变径驱动组件还包括压力传感器；所述压力传感器设置于所述前车轮与前车轮支撑杆连接处。

本发明的有益效果：

本发明采用的是轮式驱动原理，驱动力大，越障能力强、结构简单，实用方便。对于驱动方面采用轮式驱动，其中轮式行走牵引装置有三组驱动轮，每组两个驱动电机，可以提供较大的牵引力，保证了机器人对复杂的管道通过的能力。为了保证能实现在250-380mm之间的管道之间变化，采用了丝杠螺母升降机构。为了实现90度极限直角管道通过，采用了两节式管道机器人，中间利用中空软管作为连接部分。

本发明变径驱动组件采用120°分布式结构，其优点在于稳定，并能够分散载荷，承受较大的力。

本发明前变径驱动组件中的车轮成对存在，相对于单独轮子行进，其优点在于增强管道机器人的稳定性。

本发明的摄像头位于清扫装置的前端，能最大程度避免清扫过程中的灰尘堆积在摄像头防护罩上，可保证图像获取的准确性。

本发明采用小齿轮带动大齿轮空心轴转动的方式，结构简单，输出力矩大，方便维修更换。

本发明轮式行走牵引装置中采用丝杠螺母和连杆结合的变径机构，丝杠螺母和连杆共同作用，实现轮式牵引装置的变径，而且该变径机构提供给行走轮与管壁足够的壁压力，可提供强大的驱动力同时方便越障和爬坡。而清扫装置的变径包括两个方面，一是支撑轮依靠弹簧预紧机构实现自主变径，二是清扫头依靠电动推杆实现变径。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明具体实施例的整体结构示意图；

图2为本发明具体实施例中控制室的结构示意图；

图3为本发明具体实施例中轮式行走牵引装置主视图；

图4为本发明具体实施例中轮式行走牵引装置右视图；

图5为本发明具体实施例中轮式行走牵引装置后视图；

图6为本发明具体实施例中轮式行走牵引装置主视图A-A处剖视后的右视图；

图7为本发明具体实施例中轮式行走牵引装置内部结构示意图；

图8为本发明具体实施例中清扫装置主视图；

图9为本发明具体实施例中清扫装置右视图。

图中，1-控制室，101-控制室面板，102-摄像头，103-LED灯，104-stm32单片机，105-树莓派3B+，106-控制室外壳；

2-轮式行走牵引装置，201-支撑外壳，202-轮子支撑座，203-直流减速电机，204-轮子，205-丝杠左固定端，206-丝杠，207-螺母，208-螺母套环，209-丝杠右固定，210-联轴器，211-42步进电机，212-42步进电机安装平台，213-压力传感器；

3-中空软管；

4-清扫装置，401-左支撑体，402-连接凸块，403-轮子，415-轮轴，404-滑块，405-弹簧，406-直流电机，407-联轴器，408-小齿轮，409-大齿轮空心轴，410-轴承，411-轴承挡环，412-电动推杆，413-清扫刷，414-右支撑体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。

如图1-9所示，为本发明实施例提供一种轮式管道内壁清扫检测机器人，包括：控制室1、轮式行走牵引装置2、中空软管3和清扫装置4。

控制室1的结构包括：控制室面板101、摄像头102、LED灯103、stm32单片机104、树莓派3B+105、控制室外壳106。

摄像头102与控制室面板101之间用螺钉固定连接，对机器人前方的环境进行图像采集，LED灯103与控制室面板101之间采用过盈配合连接，stm32单片机104与控制室面板101之间用螺钉连接，树莓派3B+105与控制室面板101之间用螺钉连接，用于对摄像头102采集的图像进行初步处理，控制室面板101主要起着承载元器件的作用，摄像头102、LED灯103、树莓派3B+105均与stm32单片机104连接。控制室面板101与控制室外壳106用螺钉连接，控制室外壳106与轮式行走牵引装置2之间用螺钉连接。

轮式行走牵引装置2包括：支撑外壳201、轮子支撑座202、直流减速电机203、轮子204、丝杠左固定端205、丝杠206、螺母207、螺母套环208、丝杠右固定端209、联轴器210、42步进电机211、42步进电机安装平台212、压力传感器213。

丝杠左固定端205与支撑外壳201之间通过螺钉连接，丝杠左固定端205与丝杠206之间采用间隙配合，丝杠206与螺母207之间通过螺母副进行配合，螺母207与螺母套环208之间通过螺钉连接，丝杠206与丝杠右固定端209之间采用间隙配合，丝杠右固定端209与支撑外壳201之间用螺钉连接。螺母套环上设置有三组呈120°的连杆连接孔。

轮子支撑座202与支撑外壳201之间采用螺栓连接，轮子支撑座202与直流减速电机203之间采用螺钉连接，直流减速电机203与轮子204之间采用过盈配合，轮子支撑座202与螺母套环208之间采用连杆和螺栓连接，同一平面内的轮子支撑座202之间采用连杆和螺栓连接，压力传感器213安装在轮子支撑座上，与直流减速电机贴合，成过渡配合。三组呈120°的直流减速电机203提供行走的主要驱动力，力矩大，控制较精确。六组轮子支撑座202上分别设置有一个压力传感器。

丝杠206与联轴器210之间采用过盈配合，联轴器210与42步进电机211之间采用过盈配合，42步进电机211与42步进电机安装平台212之间采用螺钉连接，42步进电机安装平台212与支撑外壳201之间用螺钉连接，42步进电机安装平台212与中空软管3之间用粘结剂连接，中空软管3与清扫装置4之间用粘结剂连接。

清扫装置4包括左支撑体401、连接凸块402、轮子403、轮轴415、滑块404、弹簧405、直流电机406、联轴器407、小齿轮408、大齿轮空心轴409、轴承410、轴承挡环411、电动推杆412、清扫刷413、右支撑体414。

左支撑体401与连接凸块402之间用螺钉连接，连接凸块402与轮轴415之间通过连杆固定，轮子403与轮轴415之间采用过盈配合，轮轴415与滑块404之间通过连杆固定，滑块404与左支撑体401之间采用间隙配合，滑块404与弹簧405左端固定连接在一起，弹簧405右端与左支撑体401固定连接在一起。

直流电机406与左支撑体401之间用螺钉连接，直流电机406与联轴器407之间采用过盈配合，联轴器407与小齿轮408之间采用过盈配合，小齿轮408与大齿轮空心轴409通过齿轮啮合连接，大齿轮空心轴409与轴承410之间采用过盈配合，轴承410与左支撑体401之间采用过盈配合，两个轴承之间有轴承挡环411挡着，轴承挡环411与左支撑体401之间采用间隙配合，大齿轮空心轴409与电动推杆412之间用螺钉连接，电动推杆412与清扫刷413之间采用螺栓连接。

由于小齿轮带动大齿轮转动，清扫刷和直流电机输出转速之比与小齿轮和大齿轮齿数比成正比，清扫刷和直流电机输出转矩之比与小齿轮和大齿轮齿数比成反比，而且清扫过程中对转速需求较大，一般直流电机输出转矩在放大之后能满足清扫要求，所以大齿轮与小齿轮的齿数比应该尽量小，而且两个齿轮受管径和设备尺寸大小，其中心距是限定的范围，例如：取两齿中心距为65mm,小齿轮直径为30mm，大齿轮直径为100mm，由于所取模数相同，所以取齿轮齿数比(大齿轮：小齿轮)为10：3。

左支撑体401与右支撑体414之间通过螺纹连接，右支撑体401与连接凸块402之间用螺钉连接，连接凸块402与轮轴415之间通过连杆固定，轮子403与轮轴415之间采用过盈配合，轮轴415与滑块404之间通过连杆固定，滑块404与右支撑体401之间采用间隙配合，滑块404与弹簧405左端固定连接在一起，弹簧405右端与右支撑体401固定连接在一起。

上述轮式管道内壁清扫检测机器人的工作原理为：

将清扫刷413处于收回状态的管道机器人放入管道内，调节丝杠轴端电机42步进电机211，当壁压力最小值为5N时，压力传感器将信号反馈给单片机，此时丝杠轴端电机42步进电机211因反馈信号停止，stm32单片机104控制直流减速电机203动作，机器人前行，与此同时，树莓派3B+105将采集到的视频数据传输给上位机进行图像识别处理，直到上位机视觉系统识别到障碍物，机器人继续前行，轮式行走牵引装置2通过障碍物后，降低行进速度，转而调节电动推杆412，电动推杆412调节到内壁高度后，直流电机406(清扫)工作，进行管壁清扫，当整个清扫装置4经过障碍物后，电动推杆412收回，直流电机406(清扫)停止工作。而当上位机识别到该转弯时，stm32单片机104执行转弯指令，根据轮子上三组压力传感器213提供的壁压力实时调节三组直流减速电机203的转速，实现差速转弯，当轮式牵引装置2经过弯道后，stm32单片机104继续执行正常前进指令，而清扫装置4会根据弹簧预紧机构在中空软管3的牵引下自主转弯。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，包括：轴向依次连接设置的控制室、轮式行走牵引装置、清扫装置；所述轮式行走牵引装置包括：调节组件、前变径驱动组件；所述清扫装置包括：后变径驱动组件、清扫组件；所述控制室可拆卸的固定于所述轮式行走牵引装置上；所述轮式行走牵引装置与清扫装置柔性连接；所述调节组件四周设有数个前变径驱动组件，所述轮式行走牵引装置通过所述前变径驱动组件与管内壁贴合在管内行走；所述清扫组件四周设有数个后变径驱动组件，所述清扫装置通过所述后变径驱动组件与管内壁贴合在管内行走。

2.如权利要求1所述的轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，数个所述前变径驱动组件之间在沿前进方向垂直平面上呈120°角分布；数个所述后变径驱动组件之间在沿前进方向垂直平面上呈120°角分布。

3.如权利要求1或2所述的轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，所述控制室包括：设置于控制室外壳内的安装在控制面板上的摄像头、照明指示灯、处理模块；所述处理模块分别与照明指示灯、摄像头连接。

4.如权利要求3所述的轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，所述调节组件包括：与所述控制室外壳连接的前支撑外壳、丝杠副、步进电机；所述丝杠副、步进电机设置于所述前支撑外壳内；所述步进电机输出轴通过联轴器与所述丝杠副的丝杠同轴连接，控制端与所述处理模块连接；

所述前变径驱动组件包括：前车轮、前车轮支撑杆、前车轮驱动部件、前丝杠连接杆；所述前车轮与所述前车轮驱动部件连接，一同设置于所述前车轮支撑杆一端；所述前车轮支撑杆另一端与所述前支撑外壳铰接；所述前丝杠连接杆一端与所述前车轮支撑杆中部铰接，另一端与所述丝杠副的丝杠螺母铰接；所述前轮驱动部件的控制端与所述处理模块连接。

5.如权利要求4所述的轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，所述清扫组件包括：后支撑外壳、清扫驱动部件、清扫部件；所述前支撑外壳与所述后支撑外壳柔性连接；所述清扫驱动部件设置于所述后支撑外壳内，驱动设置于所述清扫驱动部件上的所述清扫部件；所述清扫驱动部件的控制端与所述处理模块连接；

所述后变径驱动组件包括：后车轮、后车轮支撑杆、后车轮滑块连接杆、滑块、滑杆、弹簧；所述后车轮支撑杆一端与所述后车轮连接，另一端与所述后支撑外壳铰接；所述滑杆一端与后支撑外壳外壁固定连接，另一端悬空；所述弹簧、滑块依次套入所述滑杆；所述弹簧一端固定，另一端与在所述滑杆上滑动的所述滑块固定连接；所述后车轮滑块连接杆一端与所述后车轮连接，另一端与所述滑块连接。

6.如权利要求4所述的轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，所述前变径驱动组件还包括前后连接杆、第二前车轮、第二前车轮支撑杆、第二前车轮驱动部件；所述第二前车轮与第二所述前车轮驱动部件连接，一同设置于所述第二前车轮支撑杆一端；所述第二前车轮支撑杆另一端与所述前支撑外壳铰接；所述前后连接杆水平沿前进方向设置，两端分别连接所述前车轮支撑杆中部、第二前车轮支撑杆中部。

7.如权利要求5所述的轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，所述清扫驱动部件包括：驱动电机、小齿轮、大齿轮空心轴；所述驱动电机输出轴通过联轴器与所述小齿轮输入轴同轴连接；所述小齿轮与所述大齿轮空心轴啮合；所述清扫部件设置于所述大齿轮空心轴轴体上。

8.如权利要求7所述的轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，所述清扫部件包括：清扫头、电动推杆；所述电动推杆底座固定在所述大齿轮空心轴的轴体上；所述清扫头可拆卸的固定在所述电动推杆的顶杆顶端。

9.如权利要求1所述的轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，所述轮式行走牵引装置与清扫装置通过中空软管连接；所述中空软管长度为待清扫管道的90°弯管处中心线长度的105％至110％。

10.如权利要求4或6所述的轮式管道内壁清扫检测机器人，其特征在于，所述前变径驱动组件还包括压力传感器；所述压力传感器设置于所述前车轮与前车轮支撑杆连接处。

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