CN113695327A - 一种新型可变径管道除锈机器人 - Google Patents

Abstract

一种新型可变径管道除锈机器人，包括视觉和灯光机构、第一节机器人、第一节可变径轮组机构、超高压水喷射机构、第二节可变径轮组机构、第二节机器人、烘干机构；通过控制该管道机器人进入到管道内部进行除锈和清理等工作，本次设计的管道机器人采用高压水射流除锈，并对除锈过后的湿管道进行烘干处理，防止再次产生铁锈。该管道机器人能够实现在管道内部长期工作，拥有高度的智能化和自动化。

Description

一种新型可变径管道除锈机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种新型可变径管道除锈机器人。

背景技术

随着我国的石油管道、天然气管道网的不断扩大，我国的管道网规模更是达到16.9万km。为了保证管道的使用寿命，必须对管道进行维护和清理。管道在使用一端时间后，管道内壁会出现锈斑和残留一些杂质，这就需要对管道内壁进行除锈和清理工作，传统的除锈和除杂方式大多采用打磨和化学方法除锈，打磨除锈不仅效率低，而且还需要投入大量的劳动力；化学除锈不仅除锈效率低，而且会对环境造成污染。所以需要一种新型的环保的除锈方式，本专利特别设计一种管道除锈机器人，不再需要人工进入管道内部进行清理，而且在小口径管道和长管道内部是人无法进入的，这就需要管道机器人代替人工作。同时该发明将采用一种新型的除锈方式，采用高压水射流的方式除锈，不仅效率高，而且环保。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的提供一种新型可变径管道除锈机器人，可以通过控制该管道机器人进入到管道内部进行除锈和清理等工作，本次设计的管道机器人采用高压水射流除锈，并对除锈过后的湿管道进行烘干处理，防止再次产生铁锈。该管道机器人能够实现在管道内部长期工作，拥有高度的智能化和自动化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种新型可变径管道除锈机器人，包括视觉和灯光机构（Ⅰ）、第一节机器人（Ⅱ）、第一节可变径轮组机构（Ⅲ）、超高压水喷射机构（Ⅳ）、第二节可变径轮组机构（Ⅴ）、第二节机器人（Ⅵ）、烘干机构（Ⅶ），其特征在于，

所述的第一节可变径轮组机构（Ⅲ）和第二节可变径轮组机构（Ⅴ）相邻的轮式机构均相距120度；

所述的第一节机器人（Ⅱ）主体1上分布着螺栓孔（2）和固定基座（3）、固定基座（4）和固定基座（5）；

视觉和灯光机构（Ⅰ）为：

高清摄像头（8）通过转动销（9）安装在3120度旋件（7）上，实现摄像头（8）能够3120度无死角监控，摄像头（8）的两侧安装照明灯（6）和明灯（10）；

基座（12）、基座（26）和基座（23）通过螺栓分别安装在固定基座（3）、固定基座（4）和固定基座（5）上，杆件（13）、杆件（22）的一端分别和基座（12）和基座（23）通过转动销铰接，另一端均和轮底板（18）的两端铰接，连接杆件（14）分别和杆件（13）、杆件（22）的中心部位铰接；连接件（14）上开设滑槽（28），滑动块（27）在滑槽（28）内来回滑动，摆动件（24）的一端和滑动块（27）铰接，步进电机（25）通过螺栓安装在基座（26）上，摆动件（24）的另一端和步进电机（25）的输出轴连接；轮底板（18）上安装第一节可变径轮组机构（Ⅲ）及第二节可变径轮组机构（Ⅴ），一组轮是通过电机（17）驱动轮（15）、轮（16）转动，另一组轮是通过电机（19）驱动轮（20）、轮（21）转动；

电机（19）的输出轴（32）与锥齿轮（31）同轴心连接，轮胎（20）通过轮轴（29）与锥齿轮（30）同轴心连接，轮胎（21）通过轮轴（34）与锥齿轮（33）同轴心连接，锥齿轮（30）和锥齿轮（31）啮合装配，锥齿轮（33）和锥齿轮（31）啮合配合，且锥齿轮（30）和锥齿轮（33）平行；

超高压水喷射机构（Ⅳ）为：

万向节叉（34）与万向节叉（36）通过十字轴（35）连接，万向节叉(34)的另一端与第一节机器人本体（1）连接，万向节叉（36）的另一端与轴承(53)的外圈连接，轴承(53)的内圈与5通管(37)的实心轴连接，5通管(37)的4个管口在一个垂直平面上，且均与4根管(38)连接，管（38）的末端均连接高压水喷头（39），高压水喷头（39）是由十字形的无数小喷嘴组成，整个高压水射流机构连接的5通管（37）与电机（55）连接；

第二节机器人（Ⅵ）为：

第二节机器人（Ⅵ）本体（52）的内部结构剖示图，电机（55）安装在圆形底盖（54）上，圆形底盖（54）通过螺栓固定在第二节机器人本体（52）的前端，且圆形底盖（54）上有通气孔，电机（56）安装在第二节机器人本体（52）内部的圆形隔板（58）的中心处，圆形隔板（58）上也通无数个空气孔，电机（56）的输出轴（59）与螺旋叶片（57）同轴心配合；螺旋叶片（57）的后面安装圆形电热丝（60），圆形电热丝（60）后安装集流加压装置（61），最后通过螺栓将圆形底板（62）安装第二节机器人本体（52）的末端；

烘干机构（Ⅶ）为：

5通管（64）的主管与集流加压装置（61）的末端连接，5通管（64）的四个分管均安装螺旋形喷嘴（63）。

本发明的有益效果是：

（1）该管道除锈机器人采用高压水射流除锈，不仅环保，而且除锈效率高。

（2）该管道除锈机器人末端设计了烘干机构，对水射流除锈后的表面进行烘干，防止再次出现铁锈。

（3）该管道除锈机器人采用两节式，提高了该机器人在弯曲管道内部的通过性。

（4）该管道除锈机器人采用三组轮式，相邻的两组轮相距120度，使得各组轮与管道内壁产生面接触，而不是线接触，提高了该管道机器人的稳定性。

（5）该管道除锈机器人采用可变径了轮组机构，使得该管道机器人能够适应在一定范围内的不同口径的管道。

（6）该管道除锈机器人结构简单，外形尺寸小，机械效率高，并能较平稳地、持续的工作。

附图说明

图1为整体结构示意图；

图2为整体轴侧视图；

图3为第一节机器人本体结构示意图；

图4为视觉和灯光机构局部示意图；

图5为可变径轮组机构局部示意图；

图6为曲柄滑块机构局部放大图；

图7为轮子动力传递机构局部示意图；

图8为第二节机器人机构局部示意图；

图9为高压水射流喷射机构局部示意图；

图10为高压喷头结构示意图；

图11为第二节机器人内部剖视图；

图12为螺旋形叶片结构示意图；

图13为圆形电热丝结构示意图；

图14为烘干机构局部示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步叙述。

图1为本次设计的主要设计内容，一种新型可变径管道除锈机器人，，包括视觉和灯光机构（Ⅰ）、第一节机器人（Ⅱ）、第一节可变径轮组机构（Ⅲ）、超高压水喷射机构（Ⅳ）、第二节可变径轮组机构（Ⅴ）、第二节机器人（Ⅵ）、烘干机构（Ⅶ），各个机构之间相互配合共同完成在管道内稳定运动和除锈等目的。

图2为两节式管道可变径管道机器人的轴侧视图，第一节可变径轮组机构（Ⅲ）和第二节可变径轮组机构（Ⅴ）相邻的轮式机构均相距120度，进一步提高了该管道机器人的稳定性。

图3为第一节管道机器人主体1，其上分布着螺栓孔2和固定基座3、4和5。

图4为管道机器人前端视觉和灯光机构，高清摄像头8通过转动销9安装在3120度旋件7上，实现摄像头8能够3120度无死角监控，摄像头8的两侧安装照明灯6和10，目的是为管道内部提供光照。整个机构通过螺栓连接固定安装在第一节机器人本体1的前端。

图5、图6为轮组机构，连接基座12、26和23通过螺栓分别安装在固定基座3、4和5上，杆件13、22的一端分别和基座12、23通过转动销铰接，另一端均和轮底板18的两端铰接，使得杆件13和22可以分别绕基座12和23转动，连接杆件14分别和杆件13、22的中心部位铰接。连接件14上开设滑槽28，滑动块27在滑槽28内来回滑动，摆动件24的一端和滑动块27铰接，步进电机25通过螺栓安装在基座26上，摆动件24的另一端和步进电机25的输出轴连接，可以通过控制步进电机25的转速和转角来实现控制摆动件24的摆动速度和摆动弧度，从而实现轮组机构的可变径的目的。轮底板18上安装两组轮，一组轮是通过电机17驱动轮15、16转动，另一组轮是通过电机19驱动轮20、21转动。

图7其中一组轮是局部放大图，电机19的输出轴32与锥齿轮31同轴心连接，轮胎20通过轮轴29与锥齿轮30同轴心连接，轮胎21通过轮轴34与锥齿轮33同轴心连接，锥齿轮30和锥齿轮31啮合装配，锥齿轮33和锥齿轮31啮合配合，且锥齿轮30和锥齿轮33平行。当电机19转动时将带动锥齿轮31转动，从而带动锥齿轮30和33转动，最终带动轮子20和21转动，其余各组轮子的工作方式均如上。

图8、图9和图10为管道机器人后半部分局部示意图。万向节叉34与万向节叉36通过十字轴35连接，万向节叉34的另一端与第一节机器人本体1连接，万向节叉36的另一端与轴承53的外圈连接，轴承53的内圈与5通管37的实心轴连接，5通管37的4个管口在一个垂直平面上，且均与4根管38连接，管38的末端均连接高压水喷头39，高压水喷头39在喷高压水的时候会自旋，高压水喷头39是由十字形的无数小喷嘴组成，目的是产生无数细小的高压水射流，增加除锈效率。整个高压水射流机构连接的5通管37与电机55连接，当电机55转动时，将带动整个高压水射流机构旋转，最终实现水射流能够对管道四周无死角的除锈。

图11、12、13为第二节机器人本体52的内部结构剖示图，电机55安装在圆形底盖54上，圆形底盖54通过螺栓固定在第二节机器人本体52的前端，且圆形底盖54上有无数个通气孔，目的是为内部提供尽可能多的空气。电机56安装在第二节机器人本体52内部的圆形隔板58的中心处，圆形隔板58上也通无数个空气孔，电机56的输出轴59与螺旋叶片57同轴心配合。螺旋叶片57的后面安装圆形电热丝60，圆形电热丝60后安装集流加压装置61，最后通过螺栓将圆形底板62安装第二节机器人本体52的末端。圆形电热丝60对螺旋叶片57旋转产生的高速气体进行加热，最终高速热气流经过集流加压装置61进一步加压，形成高压热气流从末端流出。

图14为机器人末端的烘干机构，5通管64的主管与集流加压装置61的末端连接，5通管64的四个分管均安装螺旋形喷嘴63，高压热气流经过5通管64分流，最终从螺旋形喷嘴63喷出，由于高压热气流在螺旋形喷嘴63处产出切向作用力，使得整个烘干机构在切向作用力的作用下旋转，从而实现对管道内部进行无死角的烘干，防止再次产生铁锈。

本发明的工作原理：

通过控制高清摄像头8的视觉来检测管道内部环境，并通过测距和采集管道内部环境特征发送给终端控制器，从而进一步控制管道机器人的运动轨迹。照明灯6、10对管道内部提供光线，让管道机器人能够在黑暗的环境中工作。

控制步进电机25的转速和转角，适应不同口径的管道。当机器人进入任意一种口径的管道时（在一定范围内），控制器终端会根据高清摄像头8反馈的管道直径数据控制步进电机25转动一定的角度，摆动杆件24将摆动相应的弧度，滑块27将在连接杆件14的滑槽28内滑动一定的距离，从而控制杆件13、22转动一定的弧度，最终控制轮底板18上下移动，达到调节运动半径的目的，从而适应管道的内壁直径，让轮子与管道内壁面接触。同时控制电机19转动，电机19转动带动锥齿轮31转动，锥齿轮31转动带动锥齿轮30和33转动，最终带动轮子20和21转动，其余各组的轮组的工作方式均如此，均是通过与之对应的电机驱动轮子转动。实现该管道机器人在管道内部运动。

第一节机器人1通过十字轴35连接万向节叉34、36，将第一节和第二节机器人连接在一起，中间连接的万向节可以实现两节机器人相对转动，增加了管道机器人的适应复杂管道环境的能力。5通管37在电机55的带动下转动，将高压水通入到5通管37内分流，最终高压水从高压水喷头39内喷射出，由于5通管37转动，4个高压水喷头39也随着转动，从而实现在管道内部通过高压水射流3120度无死角的除锈。

通过高压水射流除锈的管道内壁上存在大量的水，这就需要烘干机构对管道内壁进行烘干处理，不然很容易又继续生锈。这时将会通过控制电机56运行，带动螺旋叶片57高速转动，螺旋叶片57高速转动将会产生高速气流，产生的高速气流经过圆形电热丝60的加热变成高速热气流，高速热气流经过集流加压装置61进一步加压，变成高压热气流从集流加压装置61的末端输出，由于集流加压装置61末端连接5通管64，高压热气流在5通管64分流，最终从螺旋形喷嘴63喷出，由于高压热气流在螺旋形喷嘴63处产出切向作用力，使得整个烘干机构在切向作用力的作用下旋转，从而实现对管道内部进行无死角的烘干，防止再次产生铁锈。

Claims (1)

1.一种新型可变径管道除锈机器人，包括视觉和灯光机构（Ⅰ）、第一节机器人（Ⅱ）、第一节可变径轮组机构（Ⅲ）、超高压水喷射机构（Ⅳ）、第二节可变径轮组机构（Ⅴ）、第二节机器人（Ⅵ）、烘干机构（Ⅶ），其特征在于，

所述的第一节可变径轮组机构（Ⅲ）和第二节可变径轮组机构（Ⅴ）相邻的轮式机构均相距120度；

所述的第一节机器人（Ⅱ）主体1上分布着螺栓孔（2）和固定基座（3）、固定基座（4）和固定基座（5）；

视觉和灯光机构（Ⅰ）为：

高清摄像头（8）通过转动销（9）安装在3120度旋件（7）上，实现摄像头（8）能够3120度无死角监控，摄像头（8）的两侧安装照明灯（6）和明灯（10）；

基座（12）、基座（26）和基座（23）通过螺栓分别安装在固定基座（3）、固定基座（4）和固定基座（5）上，杆件（13）、杆件（22）的一端分别和基座（12）和基座（23）通过转动销铰接，另一端均和轮底板（18）的两端铰接，连接杆件（14）分别和杆件（13）、杆件（22）的中心部位铰接；连接件（14）上开设滑槽（28），滑动块（27）在滑槽（28）内来回滑动，摆动件（24）的一端和滑动块（27）铰接，步进电机（25）通过螺栓安装在基座（26）上，摆动件（24）的另一端和步进电机（25）的输出轴连接；轮底板（18）上安装第一节可变径轮组机构（Ⅲ）及第二节可变径轮组机构（Ⅴ），一组轮是通过电机（17）驱动轮（15）、轮（16）转动，另一组轮是通过电机（19）驱动轮（20）、轮（21）转动；

电机（19）的输出轴（32）与锥齿轮（31）同轴心连接，轮胎（20）通过轮轴（29）与锥齿轮（30）同轴心连接，轮胎（21）通过轮轴（34）与锥齿轮（33）同轴心连接，锥齿轮（30）和锥齿轮（31）啮合装配，锥齿轮（33）和锥齿轮（31）啮合配合，且锥齿轮（30）和锥齿轮（33）平行；

超高压水喷射机构（Ⅳ）为：

万向节叉（34）与万向节叉（36）通过十字轴（35）连接，万向节叉(34)的另一端与第一节机器人本体（1）连接，万向节叉（36）的另一端与轴承(53)的外圈连接，轴承(53)的内圈与5通管(37)的实心轴连接，5通管(37)的4个管口在一个垂直平面上，且均与4根管(38)连接，管（38）的末端均连接高压水喷头（39），高压水喷头（39）是由十字形的无数小喷嘴组成，整个高压水射流机构连接的5通管（37）与电机（55）连接；

第二节机器人（Ⅵ）为：

第二节机器人（Ⅵ）本体（52）的内部结构剖示图，电机（55）安装在圆形底盖（54）上，圆形底盖（54）通过螺栓固定在第二节机器人本体（52）的前端，且圆形底盖（54）上有通气孔，电机（56）安装在第二节机器人本体（52）内部的圆形隔板（58）的中心处，圆形隔板（58）上也通无数个空气孔，电机（56）的输出轴（59）与螺旋叶片（57）同轴心配合；螺旋叶片（57）的后面安装圆形电热丝（60），圆形电热丝（60）后安装集流加压装置（61），最后通过螺栓将圆形底板（62）安装第二节机器人本体（52）的末端；

烘干机构（Ⅶ）为：

5通管（64）的主管与集流加压装置（61）的末端连接，5通管（64）的四个分管均安装螺旋形喷嘴（63）。

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