CN113357481A - 一种管径自适应的管道检测机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种管径自适应的管道检测机器人，包括主体机架、行走机构、变径机构、检测机构及驱动机构；行走机构至少设有三个，每一行走机构包括履带、挡板和连杆组；变径机构包括弹簧支撑杆、丝母架、光杠及丝杠，弹簧支撑杆的一端铰接于连杆的中端，另一端铰接于丝母架；弹簧支撑杆沿丝母架周向布置；检测机构包括拉线传感器、激光传感器和陀螺仪，激光传感器和陀螺仪设置于主体机架的前端，用于对管道内壁轮廓进行扫描与检测；驱动机构包括同步带轮、驱动轮、步进电机和支撑板，支撑板采用对称布置，同步带轮、驱动轮分别布置于支撑板的前后两端，驱动轮通过传动齿轮与步进电机的输出轴连接，挡板通过螺栓固定于支撑板上。
Description
技术领域
本发明涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种管道机器人。
背景技术
管道由于其自身独特的输运优势被广泛应用于核电、石油、化工及航空航天等关键领域。在管道的生产过程以及后期运营过程中，管道往往具有加工或者运营过程中所带来的多种几何缺陷，比如初始椭圆率、内壁磨损与腐蚀以及细小裂纹等，对于某些关键应用领域，这些缺陷往往严重影响管道的结构安全与运营寿命。管道的内壁缺陷一般在外部难以察觉，往往需要通过内部实地检测，然而由于受到其空间与几何尺寸的限制，工业管道内部缺陷一般较难检测或者检测精度不高。目前管道机器人大多针对在役管道进行检测，以摄像头进行视频探测为主要方式，无法准确探测到管道内壁上的小尺度几何缺陷及损伤。因此，开发针对管道内壁检测的高效、高精度测量机器人具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种管径自适应高精度检测机器人，可以适应不同管径尺寸，能够高效、高精度扫描管道内壁的几何轮廓，并进行数据的实时采集与处理，在远程终端展现精确的内壁形貌。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种管径自适应的管道检测机器人，包括主体机架、行走机构、变径机构、检测机构及驱动机构；
所述行走机构至少设有三个，每个所述行走机构内包括履带、挡板和两套连杆组，所述挡板与连杆组的一端铰接，连杆组的另一端铰接于所述主体机架；每套所述连杆组包括至少两个平行间隔设置的连杆；
所述变径机构包括弹簧支撑杆、丝母架、光杠及丝杠，所述弹簧支撑杆的一端铰接于所述连杆的中端，另一端铰接于所述丝母架；所述弹簧支撑杆沿丝母架周向布置；所述丝杠为梯形丝杠，由变径驱动电机驱动旋转，变径驱动电机通过所述光杠固定连接于所述主体机架上，所述丝母架通过通孔穿于所述光杠上，形成间隙配合；所述丝杠与所述丝母架上的丝杠螺母形成螺纹副，所述丝杠螺母采用螺栓连接固定于所述丝母架上；
所述检测机构包括拉线传感器、激光传感器和陀螺仪，所述激光传感器和陀螺仪设置于所述主体机架的前端，用于对管道内壁轮廓进行扫描与检测；
所述驱动机构包括同步带轮、驱动轮、步进电机和支撑板，所述支撑板对称布置，同步带轮、驱动轮分别布置于支撑板的前后两端，同步带轮、驱动轮与所述履带连接，带轮、驱动轮与支撑板构成的空间内安装有所述驱动电机，所述驱动轮通过传动齿轮与步进电机的输出轴连接，所述挡板通过螺栓固定于所述支撑板上。
进一步的，所述行走机构沿周向均匀间隔设置于主体机架四周，且所述行走机构由步进电机独立驱动，通过调节上述步进电机差速运转，实现管道机器人平稳过弯。
进一步的，每个所述行走机构内的两套连杆组分别布置在该行走机构内履带的左右两侧。
进一步的，每个行走机构对应连接两个相互平行设置的弹簧支撑杆，弹簧支撑杆包括弹簧、长杆和伸缩杆，所述伸缩杆上设置有盲孔，所述长杆的一端套装所述弹簧后穿过所述盲孔伸入所述伸缩杆中，定位销穿过所述长杆预留的径向通孔置于所述伸缩杆上的限位槽中，所述长杆与所述伸缩杆形成滑动配合。
进一步的，所述光杠设有三个且沿环向均匀间隔布置。
进一步的，所述主体机架内还设置有前置电机和电滑环，所述电滑环以过盈配合方式嵌入所述主体机架，所述电滑环上设有轴向通孔；所述检测机构还包括壳体，壳体上设有壳体转轴，所述壳体转轴穿过电滑环通孔连接于前置电机，壳体由所述前置电机驱动旋转；所述壳体内设置有所述激光传感器和陀螺仪，所述激光传感器和所述陀螺仪用于分别记录位移和转角，并通过有线电缆传输至电脑终端。
进一步的，所述激光传感器和陀螺仪横向平行内置于所述壳体中，所述激光传感器和陀螺仪朝向管道内壁，在所述壳体的旋转带动下，所述激光传感器和陀螺仪能够周向旋转，并完整检测管道的内壁。
进一步的，所述拉线传感器置于管道外部，与所述拉线传感器相连的拉绳另一端通过螺纹副固定于所述变径驱动电机尾部，用于管道机器人的轴向位移的测量。
本发明还提供一种管道检测处理系统，包括控制终端、数据采集分析终端、电源供应终端以及管道检测机器人，其中管道检测机器人与控制终端连接，并由控制终端控制动作；管道检测机器人搭载用于管道内壁检测的检测机构，检测机构与数据采集分析终端相连接，并由数据采集分析终端接收和分析检测数据；管道检测机器人与电源供应终端连接，由电源供应终端供电。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明通过弹簧和丝杠螺母副混合预紧变径机构的调节使得管道机器人可适应不同管径尺寸，由于变径机构对管道内壁提供足够的黏着力，使得管道机器人具备良好的水平及小坡度爬行能力；每个行走机构采用履带式的行动足，具有抓地性好、适应地面环境能力强的特点，同等条件下，相比其他移动方式可以跨越更多的障碍；每个驱动机构内置独立步进电机，具有更大负载及可靠性，一方面简化了驱动机构中的传动结构使管道机器人结构更加紧凑，便于设置变径机构，另一方面可通过差速调节实现机器人平稳过弯，提高了管道机器人对复杂管线的检测能力；采用拉线传感器采集轴向位移数据、陀螺仪和激光传感器扫描内壁轮廓，将采集的数据通过线缆传输至数据采集分析终端，并通过内置数据处理系统完成管道内壁几何轮廓的可视化重构，实现对管道内壁的高效、高精度检测。
附图说明
图1、图2是本发明管道检测机器人的整体与局部结构示意图；
图3是本发明检测机构的结构示意图；
图4是本发明弹簧支撑架的结构示意图；
图5是本发明驱动机构的结构示意图；
图6是本发明管道检测处理系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明针对现有管道检测机器人对管道内壁小尺寸缺陷及损伤的检测精度较低以及对管道轮廓的实时扫描与检测能力有限的缺陷，提供一种可适应不同管径、具有一定过弯能力、实现高精度检测管道内壁几何轮廓、进行实时数据处理与可视化重构的管道机器人。本发明的管道机器人适用于油气田及深海领域管道检测，可对加工和在役管道中的初始椭圆率、内壁磨损与腐蚀以及细小裂纹等缺陷进行探测。
如图1-2所示，该管道机器人包括主体机架1、检测机构2、行走机构3、变径机构4及驱动机构5。
检测机构2包括拉线传感器9、激光传感器205和陀螺仪203，激光传感器205和陀螺仪203设置于主体机架1的前端，用于对管道内壁轮廓进行精确扫描与检测。
本实施例中行走机构3设有三个，分别呈120°周向布置在主体机架1外侧，每一行走机构3包括履带502、挡板8与两套连杆组14，连杆组14的一端与挡板8铰接，另一端铰接于主体机架1，每套连杆组14至少包括两个连杆，且连杆平行间隔设置。
变径机构4包括弹簧支撑杆6、丝母架13、光杠11及丝杠12；弹簧支撑杆6一端铰接于连杆组14的中部，另一端铰接于丝母架13，且沿丝母架13周向布置；丝杠12为梯形丝杠，由变径驱动电机7驱动旋转，通过丝杠螺母驱动丝母架13轴向进给，丝杠螺母与丝母架13采用螺栓连接。
驱动机构5能够驱动履带502转动。
见图3，具体在本发明的一个实施例中，检测机构还包括壳体204，电滑环以过盈配合方式嵌入主体机架1，壳体转轴穿过电滑环202的通孔连接于嵌入主体机架1的前置电机201，壳体204内上端通过螺栓固定有激光传感器205，下端固定有陀螺仪203，激光传感器205和陀螺仪203分别记录位移和转角，并通过有线电缆10传输至电脑控制终端。
具体在本实施例中，激光传感器205和陀螺仪203横向平行内置于壳体204中，激光传感器205和陀螺仪203朝向管道内壁，在壳体204的旋转带动下，激光传感器205和陀螺仪203能够周向旋转，并完整的检测管道的内壁；拉线传感器9放置在管道外部，与拉线传感器9相连的拉绳另一端通过螺纹副固定于变径驱动电机7尾部，用于管道机器人轴向位移的测量。
见图4，具体在本发明的一个实施例中，每个行走机构对应连接两个相互平行设置的弹簧支撑杆6，且分别布置在履带502左右两侧，弹簧支撑杆6包括弹簧601、长杆602和伸缩杆605，伸缩杆605上设有沿轴向设置的限位槽604，长杆602的一端套装弹簧601后穿过限位槽604伸入伸缩杆605中，定位销603穿过长杆602预留的径向通孔置于伸缩杆605上的限位槽604中，长杆602与伸缩杆605形成滑动配合。
见图5，具体在本发明的一个实施例中，驱动机构包括与履带502相连的同步带轮503、驱动轮506，两者分别布置于支撑板504前后两端，驱动轮506通过传动轮系505连接于步进电机501，挡板8通过螺栓固定于支撑板504上，起保护支撑作用。
本发明还构造了一种管道检测处理系统，如图6所示，该系统包括控制终端100、数据采集分析终端300、电源供应终端200以及本发明的管道检测机器人400，其中管道检测机器人400与控制终端100连接，并由控制终端100控制动作；管道检测机器人400搭载用于管道内壁检测的检测机构2，检测机构2与数据采集分析终端300相连接，并由数据采集分析终端300接收和分析检测数据；管道检测机器人400与电源供应终端200连接，由电源供应终端200供电。
为了保证较好的导向效果及结构稳定性，光杠11的数量优选为三个或三个以上。例如图1-2所述实施例中，光杠11设有三个，三个光杠11沿周向均匀间隔设置，变径驱动电机7通过光杠11固定连接于主体机架上1，所述丝母架13通过通孔穿于光杠11上，形成间隙配合。
为了保证管道机器人较好的结构稳定性及在管道中行走时的平衡性，行走机构3的数量优选地为三个或三个以上，具体可以根据实际情况进行设置。例如，行走机构3可设为三个，沿周向均匀布置，每个行走机构3的行走分别由独立的步进电机501驱动，即每个行走机构3的履带502分别由单独的步进电机501独立驱动，从而具有更大负载及可靠性，而且通过调节3个独立步进电机501差速运转，可实现管道机器人平稳过弯。
本发明的管径自适应高精度检测机器人的工作原理如下：变径驱动电机7带动丝杠12旋转，与之相配合的丝母架13沿轴向进给，带动弹簧支撑杆6，进而推动行走机构3沿径向展开，同时行走机构3通过弹簧支撑杆6支撑，可以弥补变径误差，减小履带502与管壁接触时的冲击力，能够使传感器始终处于管道轴线位置，保证最好的检测效果，并且可提高履带与管道的黏着力，具有变径效率高、适应力强、使用方便及避障效果良好的特点。
综上所述，本发明的管径自适应高精度检测机器人通过变径机构的调节及结合弹簧支撑杆的自适应特性，可适应不同管径尺寸，更好贴紧管道内壁，以及具备越障、水平及小坡度爬行和过弯能力，实现了对管道内壁几何轮廓的高精度检测和可视化重构。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种管径自适应的管道检测机器人，其特征在于，包括主体机架、行走机构、变径机构、检测机构及驱动机构；
所述行走机构至少设有三个，每个所述行走机构内包括履带、挡板和两套连杆组，所述挡板与连杆组的一端铰接，连杆组的另一端铰接于所述主体机架；每套所述连杆组包括至少两个平行间隔设置的连杆；
所述变径机构包括弹簧支撑杆、丝母架、光杠及丝杠，所述弹簧支撑杆的一端铰接于所述连杆的中端，另一端铰接于所述丝母架；所述弹簧支撑杆沿丝母架周向布置；所述丝杠为梯形丝杠，由变径驱动电机驱动旋转，变径驱动电机通过所述光杠固定连接于所述主体机架上，所述丝母架通过通孔穿于所述光杠上，形成间隙配合；所述丝杠与所述丝母架上的丝杠螺母形成螺纹副，所述丝杠螺母采用螺栓连接固定于所述丝母架上；
所述检测机构包括拉线传感器、激光传感器和陀螺仪，所述激光传感器和陀螺仪设置于所述主体机架的前端，用于对管道内壁轮廓进行扫描与检测；
所述驱动机构包括同步带轮、驱动轮、步进电机和支撑板，所述支撑板对称布置，同步带轮、驱动轮分别布置于支撑板的前后两端，同步带轮、驱动轮与所述履带连接，带轮、驱动轮与支撑板构成的空间内安装有所述驱动电机，所述驱动轮通过传动齿轮与步进电机的输出轴连接，所述挡板通过螺栓固定于所述支撑板上。
2.根据权利要求1所述一种管径自适应的管道检测机器人，其特征在于，所述行走机构沿周向均匀间隔设置于主体机架四周，且所述行走机构由步进电机独立驱动，通过调节上述步进电机差速运转，实现管道机器人平稳过弯。
3.根据权利要求1所述一种管径自适应的管道检测机器人，其特征在于，每个所述行走机构内的两套连杆组分别布置在该行走机构内履带的左右两侧。
4.根据权利要求1所述一种管径自适应的管道检测机器人，其特征在于，每个行走机构对应连接两个相互平行设置的弹簧支撑杆，弹簧支撑杆包括弹簧、长杆和伸缩杆，所述伸缩杆上设置有盲孔，所述长杆的一端套装所述弹簧后穿过所述盲孔伸入所述伸缩杆中，定位销穿过所述长杆预留的径向通孔置于所述伸缩杆上的限位槽中，所述长杆与所述伸缩杆形成滑动配合。
5.根据权利要求1所述一种管径自适应的管道检测机器人，其特征在于，所述光杠设有至少三个且沿环向均匀间隔布置。
6.根据权利要求1所述一种管径自适应的管道检测机器人，其特征在于，所述主体机架内还设置有前置电机和电滑环，所述电滑环以过盈配合方式嵌入所述主体机架，所述电滑环上设有轴向通孔；所述检测机构还包括壳体，壳体上设有壳体转轴，所述壳体转轴穿过电滑环通孔连接于前置电机，壳体由所述前置电机驱动旋转；所述壳体内设置有所述激光传感器和陀螺仪，所述激光传感器和所述陀螺仪用于分别记录位移和转角，并通过有线电缆传输至电脑终端。
7.根据权利要求6所述一种管径自适应的管道检测机器人，其特征在于，所述激光传感器和陀螺仪横向平行内置于所述壳体中，所述激光传感器和陀螺仪朝向管道内壁，在所述壳体的旋转带动下，所述激光传感器和陀螺仪能够周向旋转，并完整检测管道的内壁。
8.根据权利要求1所述一种管径自适应的管道检测机器人，其特征在于，所述拉线传感器置于管道外部，与所述拉线传感器相连的拉绳另一端通过螺纹副固定于所述变径驱动电机尾部，用于管道机器人的轴向位移的测量。
9.一种管道检测处理系统，其特征在于，包括控制终端、数据采集分析终端、电源供应终端以及管道检测机器人，其中管道检测机器人与控制终端连接，并由控制终端控制动作；管道检测机器人搭载用于管道内壁检测的检测机构，检测机构与数据采集分析终端相连接，并由数据采集分析终端接收和分析检测数据；管道检测机器人与电源供应终端连接，由电源供应终端供电。
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