CN112228697A - 一种履带式管道机器人 - Google Patents

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CN112228697A CN202011218382.7A CN202011218382A CN112228697A CN 112228697 A CN112228697 A CN 112228697A CN 202011218382 A CN202011218382 A CN 202011218382A CN 112228697 A CN112228697 A CN 112228697A
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杨克己
熊俊杰
陈如申
黎勇跃
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Abstract

本发明提供了一种履带式管道机器人，主要透过二点式对管道(如管道、矿井等)的顶壁及底壁进行压抵，以令所述履带式管道机器人得以在所述管道内形成稳定，如此一来，所述履带式管道机器人便可适用于各种状况的管道，以解决目前管道机器人所存在不足的问题。同时，由于管道破损时，破损部位的磁场会产生磁漏现象，因此，本创作利用此种特性来检验管道是否产生破损，也配合公式，可同步计算破损部位的面积，以利相关工作人员进行后续维修等工作。

Description

一种履带式管道机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种履带式管道机器人。
背景技术
目前管道机器人大多采用轮式在管道内移动，以对管道内壁进行检测、维修，或是检测管道内状况，又或者是对管道内淤积进行清理。为了让管道机器人得以在管道内稳定移动，有人设计出一种将各轮子呈现夹角120度的方式设计，令各轮子以相间隔120度夹角方式对管道内壁进行压制，使管道机器人得以在管道内形成稳定状态。
然而，此种管道机器人不足之处在于：受限于轮子布设方式，使得此种管道机器人仅仍用于圆柱状形的管道内壁，当管道围角柱状，又或者矿井等空间需要进行清淤、检测等工作时，此种管道机器人便无用武之地。
发明内容
本发明解决的问题是前述管道机器人的稳定移动之方式无法适用于各种空间。
为解决上述问题，本发明提供一种履带式管道机器人，其技术方案如下：
一管道机器人本体，于所述管道机器人本体底部设有一动力轮组，以供驱动所述管道机器人本体行进，所述管道机器人本体前侧由左右二半部朝向中央逐渐渐缩而形成一尖部；
于所述管道机器人本体顶部设有一弹簧组，所述弹簧组的顶端设有一履带轮组，所述管道机器人本体设置于管道内的状态时，所述履带轮组顶住所述管道顶壁内侧；
所述管道机器人本体设有一磁性单元及一磁场侦测单元，所述磁性单元可供产生一磁场，以令所述管道产生磁化饱和状态，所述磁场侦测单元侦测所述管道在磁化饱和状态下的饱和磁感应强度；当所述磁场侦测单元所测得的磁感应强度与所述饱和磁感应强度不同时，则根据公式：
Figure BDA0002761196480000021
运算出所述管道的缺陷截面积，其中B1代表饱和磁感应强度、B2代表磁感应强度、A代表管道的截面积、a代表缺陷面积的截面积。
有鉴于以往管道机器人是透过轮子以3点式抵住管道内部，且各轮子相间隔120度的方式来让所述管道机器人得以于管道内形成稳定所带来的问题。本创作改用2点式的方式，利用所述履带轮组及所述动力轮组上下分别对所述管道的顶壁及底壁进行压抵，以令所述履带式管道机器人得以稳定于所述管道内，也因此，无论管道是否为圆柱状之内部空间又或者如矿井等内径并非一致的内部空间，又或者角柱状内部空间，本创作均可以透过2点式的方式在内部形成稳定。此外，也利用弹簧组的弹性恢复力及可压缩的特性，令所述履带式管道机器人得以在不同内径的管道内移动，亦可适应管道内的各种表面状况。
由于当管道产生破损时，破损部位的磁场会产生磁漏现象，因此，本创作利用此种特性来检验管道是否产生破损，同时也配合公式，可同步计算破损部位的面积，以利相关工作人员进行后续维修等工作。
附图说明
图1为本创作的实施例示意图1；
图2为本创作的实施例示意图2；
图3为本创作的实施例示意图3；
图4为本创作各组件的链接示意图。
图5为本创作尖部示意图
图6为本创作升降单元实施例示意图
图7为本创作升降单元另一实施例示意图
附图标记说明：
A-管道；1-管道机器人本体；11-尖部；2-动力轮组；21-轮体；31-弹簧组；32-履带轮组；41-磁性单元；42-磁场侦测单元；5A-剎车单元；5B-处理器；5C-水位侦测单元；5D-升降单元；5E-影像拍摄单元；5F-定位单元；5G-维修单元；5H-气体检测单元；5I-流速侦测单元；5J-管壁厚度侦测单元；51-马达；52-顶升杆；53-连接台体；531-枢接部；54-伺服马达；55-杆体；56-顶升台体；57-传感器；58-台体；59-导杆；6-控制台；61-警报器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1：
本创作是关于一种履带式管道机器人，其特征在于，包括：
一管道机器人本体1，于所述管道机器人本体1底部设有一动力轮组2，以供驱动所述管道机器人本体1行进，所述管道机器人本体1前侧由左右二半部朝向中央逐渐渐缩而形成一尖部11。
于所述管道机器人本体1顶部设有一弹簧组31，所述弹簧组31的顶端设有一履带轮组32，所述管道机器人本体1设置于管道A内的状态时，所述履带轮组32顶住所述管道A顶壁内侧；
所述管道机器人本体1设有一磁性单元41及一磁场侦测单元42，所述磁性单元41可供产生一磁场，以令所述管道A产生磁化饱和状态，所述磁场侦测单元42侦测所述管道A在磁化饱和状态下的饱和磁感应强度；当所述磁场侦测单元42所测得的磁感应强度与所述饱和磁感应强度不同时，则根据公式：
Figure BDA0002761196480000041
运算出所述管道的缺陷截面积，其中B1代表饱和磁感应强度、B2代表磁感应强度、A代表管道的截面积、a代表缺陷面积的截面积。
本创作之优点如下：
1.可适应各种管径之管道A：
由于本创作透过所述动力轮组2与所述履带轮组32上下共同顶住所述管道A的顶壁及底壁，当行进过程中遇到所述管道A的管径有所改变时，如管道由内径较大的管道进入内径较小的管道时，又或者由内径较小的管道进入内径较大的管道时，可透过所述弹簧组31的弹性压缩量或弹性回复量而适应管径大小的改变，令行进的过程得以更为稳定。
2.可适应管内各种变化：
由于所述管道A内常因附着异物造成表面凸起等状况，此时，本创作也可透过所述弹簧组31的弹性压缩量或弹性回复量来越过各种表面突起之状况。具体来说，当本创作于行进过程中所述履带轮组32辗过凸起物时，所述弹簧组31会随之收缩，令所述履带轮组32的水平高度得以产生改变以越过所述突起物，如此一来，本创作于行进过程中便不易发生窒碍难行的状况。
3.降低流体阻力：
透过所述尖部11，可令所述履带式管道机器人于流体中移动时，大幅降低流体所带来的阻力，使所履带式述管道机器人于所述管道A内移动时更为顺畅。
4侦测管道内破损状况：
由于当所述管道A产生破损时，破损部位的磁场会产生磁漏现象，因此，本创作利用此种特性来检验管道是否产生破损，同时也配合公式，可同步计算破损部位的面积，以利相关工作人员进行后续维修等工作。
实施例2：
由于所述履带式管道机器人于所述管道A内可能发生淤水水位较高的状态，而此种状态可能提高所述动力轮组2的阻力而窒碍难行。为解决此种问题，本创作可进一步实施为：更设一水位侦测单元5C，所述水位侦测单元5C可供侦测所述管道A内的淤水水位高度得到一水位高度侦测结果；所述动力轮组2与所述管道机器人本体1之间设有一升降单元5D，所述升降单元5D信息连接所述处理器5B，所述处理器5B可供根据所述水位高度侦测结果控制所述升降单元5D作动，以调整所述动力轮组2与所述管道机器人本体1之间的间距。
举例来说，当侦测到淤水水位到达所述管道机器人本体1的高度时，这时，在所述处理器5B的控制之下，所述升降单元5D可提升所述管道机器人本体1的高度，使得所述动力轮组2与所述管道机器人本体1之间产生一相当间距，此间距的宽度则是根据淤水水位高度决定，如此一来，可降低淤水对于本创作于前进时所造成的阻力，以令本创作得以很顺畅地在管道A内移动。
实施例3：
由于履带具有高抓地力、地面环境适应能力高等优点，本实施例更利用此种优点使得本创作进一步可以实施为：所述动力轮组2包括复数前后并列设置之轮体21，于所述各轮体21外侧共同套设一履带体，以供各轮体21转动时共同带动所述履带体转动。
如此一来，所述履带式管道机器人于前进过程中几乎可无视所述管道A内的状况，均可轻松于所述管道A内移动，同时也透过履带的高抓地力的特性，有助于本创作同时撑住所述管道A顶壁及底壁而产生更佳的稳定效果。
实施例4：
为让工作人员得以清楚得知所述管道A内的状况，本创作再进一步可以实施为：所述管道机器人本体1顶部设有一影像拍摄单元5E，且所述影像拍摄单元5E信息连接所述处理器5B，所述影像拍摄单元5E可供拍摄所述管道A内状况而得到一影像拍摄结果；所述处理器5B远程联机一控制台6，所述处理器5B可供将所述影像拍摄结果发送至所述控制台6。
如此一来，工作人员可透过所述影像拍摄结果了解所述管道A内状况，以令本创作可具有探勘功能，此外，工作人员也可透过所述控制台6控制所述履带式管道机器人，举例来说，工作人员可控制所述动力轮组2的行进方向，又或者控制所述影像拍摄单元5E的方向，以令所述管道A的探勘工作得以更为精确。
实施例5：
本创作进一步提供管道破损检测的功能，其实施方式为：所述管道机器人本体1设有一定位单元5F，且所述定位单元5F信息连接所述处理器5B，所述处理器5B先将所述影像拍摄结果转换成灰阶影像数据，再根据所述灰阶影像数据进行BLOB分析后判断所述管道A是否有产生损坏，当所述处理器5B判断管道损坏时，则所述控制台6立即启动报警器61作动，所述处理器5B将所述定位单元5F的定位结果传送至所述控制台6。
如此一来，当所述警报器61响起时，工作人员便可得知所述管道A内有破损，同时也知道破损位置，以便工作人员进行相关处理工作，如所述管道破损补修等。同时还可以配合实施例4所述内容，透过所述影像拍摄单元5E了解破损状况。
实施例6：
承接实施例5，本创作再进一步提供管道破损时之补救功能，其实施方式为：所述管道机器人本体1设有一维修单元5G，且所述维修单元5G信息连接所述处理器5B；所述控制面板6可供发送一操作讯号至所述处理器5B，以供所述处理器5B根据所述操作讯号控制所述维修单元5G工作。其中，所述维修单元5G可以是焊接枪，也可以是机械手臂，举凡可提供对所述管道进行破损维修者，均为本说明书所指的维修单元5G。
因此当实施例5中，所述警报器61响起后，工作人员便可透过所述影像拍摄单元5E了解所述管道A的破损状况，同时可利用所述控制台6操作所述维修单元5G进行维修，以降低管道A破损时所带来的各种负面影响。
实施例7：
所述管道A内除了可能发生破损等状况外，也可能发生有害气体溢出等状况，为此，本说明书再提供检验有害气体的功能，其实施方式为：所述管道机器人本体1设有一气体检测单元5H，且所述气体检测单元5H信息连接所述处理器5B，所述气体检测单元5H可供检测所述管道A内的有害气体，当检测出所述管道A内的有害气体超过默认值时，则所述控制台6立即启动报警器61作动，所述处理器5B将所述定位单元5F的定位结果传送至所述控制台6。
如此一来，当检验到有害气体时，工作人员便可在立即发现，同时还可得知有害气体的位置，甚至所述气体检测单元5H还可以检测有害气体的种类(如沼类)，以利工作人员进行后续相对应处理流程。
实施例8：
管道内可能发生的状况千奇百种，而当发生所述管道内淤水流速过快时，很可能造成所述履带式管道机器人因而损毁，为了降低此种事情所带来的影响，本说明书再进一步提供相对应的应对手段，其手段为：所述管道机器人本体1设有一流速侦测单元5I，所述流速侦测单元5I信息连接所述处理器5B，所述流速侦测单元5I可供侦测所述管道A内的流体流速而得到一流速侦测结果；所述处理器5B根据所述流速侦测结果控制所述升降单元5D及剎车单元5A作动。
因此，当侦测到淤水流速过快时，这时所述处理器5B会立刻控制所述升降单元5D将所述管道机器人本体1向上抬起，同时控制所述剎车单元5A卡掣住所述动力轮组2，如此一来可大幅提升对所述管道A顶壁及底壁的压抵力道，使得所述履带轮组32与所述管道A顶壁之间、所述动力轮组2与所述管道A底壁之间的静摩擦力大幅向上提升，藉以抵御淤水所带来的冲击。
实施例9：
请参阅图5所示，本创作的尖部11较佳由底至顶形成一弧面12，如此一来当本创作于淤水中移动的过程中，可大幅度降低淤水的阻力，同时，当淤水大量往本创作袭击而来时，也可透过所述尖部11的构造大幅降低淤水的冲击，以降低损坏的机率。
实施例10：
以下介绍二种所述升降单元5D的实施态样，首先请先看到图6，所述升降单元5D包括一马达51、及一动力连接所述马达51之顶升杆52，所述顶升杆52的自由端连接所述动力轮组2，而所述马达51的外侧设有一连接台体53，透过所述连接台体53连接所述管道机器人本体1底部。
如此一来，所述升降单元5D作动时可透过所述马达51带动所述顶升杆52向上将所述管道机器人本体1抬起，不仅可以用于调整所述万象轮4及所述动力轮组2与所述管道A内侧壁之间的静摩擦力外，同时由于所述管道机器人本体1被抬起，可协助所述管道机器人本体1躲避湍急的淤水袭击，以确保所述履带式管道机器人的使用安全性。再者，所述连接台体53与所述马达51之间较佳设有一枢接部531，且所述顶升杆52之自由端可供与所述动力轮组2形成枢接，因此，令本创作可以根据需求之不同，调整所述管道机器人本体1、所述升降单元5D、及所述动力轮组2之间的角度。此外，所述升降单元5D的链接方式不限于上述，也可以是所述顶升杆52的自由端连结所述管道机器人本体1底部，而所述连接台体53连结所述动力轮组2。
实施例11：
接下来请看图7，接着介绍另一种所述升降单元5D的实施态样，在此须先声明的是，为便于了解所述升降单元5D的内部构造，所以图7将所述升降单元5D的壳体以省略的方式呈现，藉此可令人更清楚所述升降单元5D的内部结构。
所述升降单元5D包括一伺服马达54，所述伺服马达54的输出端连结一杆体55，而所述杆体55的自由端连结一顶升台体56，所述顶升台体56可供连结所述管道机器人本体1底部或是所述动力轮组2，所述杆体55的一侧方相间隔设有二传感器57，各传感器57分别信息连接所述伺服马达54，如此一来，透过各传感器57所感测的结果，可供控制所述伺服马达54的作动，进而可精准控制所述顶升台体56的顶升量。
因此，当湍急的淤水袭击而来时，所述顶升台体56可有效令所述管道机器人本体1躲过淤水的侵袭，又或者可有效增加所述万象轮4及所述动力轮组2与所述管道A内侧壁之间的静摩擦力，以令所述管道机器人可更稳固的在所述管道A内活动。
此外，所述杆体55一段部设一台体58，而所述台体58的四个角落分别设有一导杆59，而各导杆59的自由端分别连接所述顶升台体56，如此一来，透过所述各导杆59的导引，可避免所述杆体55于使用过程中产生歪斜等状况。
实施例12：
接下来来介绍本创作另一项功能：管壁厚度侦测。其实施方式为：所述管道机器人本体1更设一管壁厚度侦测单元5J，所述管壁厚度侦测单元5J可供侦测管道A的管壁厚度，而得到一管壁厚度侦测值；所述处理器5B信息连接所述管壁厚度侦测单元5J，且所述处理器5B可供根据公式：C＝(D1－D2)/t计算出腐蚀率，其中，C为腐蚀率，D1为管壁原始厚度，D2为所述管壁厚度侦测值，t为检测时间间隔；接着，所述处理器5B再根据公式Y＝(k*D2－D*)计算出管壁的残余寿命，其中Y为管壁的残余寿命、k为校正因子、D*为最小管壁厚度；且当D2<D*时则所述处理器5B发出讯息至所述控制面板6，以供所述控制台6控制所述警报器61作动。
如此一来，本创作除了可侦测所述管道A内的管壁厚度，以供相关工作人员、维护人员得以提早对所述管道A可能发生的状态提早做出准备外，本创作还提供当管壁厚度侦测值小于最小管壁厚度时，则控制所述警报器61作动，以通知相关工作人员、维护人员须紧急进行补救措施。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种履带式管道机器人，其特征在于，包括：
一管道机器人本体，于所述管道机器人本体底部设有一动力轮组，以供驱动所述管道机器人本体行进，所述管道机器人本体前侧由左右二半部朝向中央逐渐渐缩而形成一尖部；
于所述管道机器人本体顶部设有一弹簧组，所述弹簧组的顶端设有一履带轮组，所述管道机器人本体设置于管道内的状态时，所述履带轮组顶住所述管道顶壁内侧；
所述管道机器人本体设有一磁性单元及一磁场侦测单元，所述磁性单元可供产生一磁场，以令所述管道产生磁化饱和状态，所述磁场侦测单元侦测所述管道在磁化饱和状态下的饱和磁感应强度；当所述磁场侦测单元所测得的磁感应强度与所述饱和磁感应强度不同时，则根据公式：
Figure FDA0002761196470000011
运算出所述管道的缺陷截面积，其中B1代表饱和磁感应强度、B2代表磁感应强度、A代表管道的截面积、a代表缺陷面积的截面积。
2.根据权利要求1所述的履带式管道机器人，其特征在于，更设一水位侦测单元信息连接所述处理器，所述水位侦测单元可供侦测所述管道内的水位高度得到一水位高度侦测结果；所述动力轮组与所述管道机器人本体之间设有一升降单元，且所述升降单元信息连接所述处理器，所述处理器可供根据所述水位高度侦测结果控制所述升降单元，以供调整所述动力轮组与所述管道机器人本体之间的间距。
3.根据权利要求2所述的履带式管道机器人，其特征在于，所述动力轮组包括复数前后并列设置之轮体，于所述各轮体外侧共同套设一履带体，以供各轮体转动时共同带动所述履带体转动。
4.根据权利要求3所述的履带式管道机器人，其特征在于，所述管道机器人本体顶部设有一影像拍摄单元，且所述影像拍摄单元信息连接所述处理器，所述影像拍摄单元可供拍摄所述管道内状况而得到一影像拍摄结果；所述处理器远程联机一控制台，所述处理器可供将所述影像拍摄结果发送至所述控制台。
5.根据权利要求4所述的履带式管道机器人，其特征在于，所述管道机器人本体设有一定位单元，且所述定位单元信息连接所述处理器，所述处理器先将所述影像拍摄结果转换成灰阶影像数据，再根据所述灰阶影像数据进行BLOB分析后判断所述管道是否有产生损坏，当所述处理器判断管道损坏时，则所述控制台立即启动报警器作动，所述处理器将所述定位单元的定位结果传送至所述控制台。
6.根据权利要求5所述的履带式管道机器人，其特征在于，所述管道机器人本体设有一维修单元，且所述维修单元信息连接所述处理器；所述控制面板可供发送一操作讯号至所述处理器，以供所述处理器根据所述操作讯号控制所述维修单元工作。
7.根据权利要求6所述的履带式管道机器人，其特征在于，所述管道机器人本体设有一气体检测单元，且所述气体检测单元信息连接所述处理器，所述气体检测单元可供检测所述管道内的有害气体，当检测出所述管道内的有害气体超过默认值时，则所述控制台立即启动报警器作动，所述处理器将所述定位单元的定位结果传送至所述控制台。
8.根据权利要求7所述的履带式管道机器人，其特征在于，所述动力轮组设有一剎车单元；所述管道机器人本体设有一流速侦测单元，所述流速侦测单元信息连接所述处理器，所述流速侦测单元可供侦测所述管道内的流体流速而得到一流速侦测结果；所述处理器根据所述流速侦测结果控制所述升降单元及剎车单元作动。
9.根据权利要求8所述的履带式管道机器人，其特征在于，所述所述尖由部由底至顶形成一弧面。
10.根据权利要求9所述的履带式管道机器人，其特征在于，所述管道机器人本体更设一管壁厚度侦测单元，所述管壁厚度侦测单元可供侦测管道的管壁厚度，而得到一管壁厚度侦测值；所述处理器信息连接所述管壁厚度侦测单元，且所述处理器可供根据公式：C＝(D1－D2)/t计算出腐蚀率，其中，C为腐蚀率，D1为管壁原始厚度，D2为所述管壁厚度侦测值，t为检测时间间隔；接着，所述处理器再根据公式Y＝(k*D2－D*)计算出管壁的残余寿命，其中Y为管壁的残余寿命、k为校正因子、D*为最小管壁厚度；且当D2<D*时则所述处理器发出讯息至所述控制面板，以供所述控制台控制所述警报器作动。
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