CN113878418A - 一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人 - Google Patents

一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，包括摄像头、辅助支撑模块、变径支撑模块、主动式万向节、抛光打磨变径模块、抛光打磨模块，所述摄像头固定在辅助支撑模块前端，辅助支撑模块固定在变径支撑模块前端，变径支撑模块后端通过主动式万向节与所述抛光打磨变径模块连接，抛光打磨模块与抛光打磨变径模块的支撑杆铰接。本发明使得弯管内壁检测系统以及弯管内壁加工系统相结合，且能够通过大角度弯头，还具有不同管径的自适应能力。

Description

一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人
技术领域
本发明属于管道机器人领域，具体涉及一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人。
背景技术
由于汽车、航空航天等机械领域的不断发展，发动机内部结构的设计越来越复杂，而在这复杂而狭小的发动机空间之内，需要许多的管路来完成作业。而自由弯曲空间弯管，因其空间占有率小的优点，被应用于这些发动机之中。但由于当前工艺水平的局限，弯管内壁的表面质量难以得到保证，不管是冷弯成型还是热弯成型，空间弯管在弯曲处难免会有几率产生褶皱以及微裂纹等缺陷，这将直接影响到发动机的机械性能，使其工作不稳定，降低发动机寿命。这是因为如果弯曲处有表面缺陷，那么气体或者液体流过时就会产生湍流、振动等现象，因此我们需要对弯管内壁进行检测，并对有裂纹或者有瑕疵的位置进行定位与打磨抛光处理。同时由于弯管形状非常复杂，传统的加工工艺难以保证零件内表面加工质量达到相应的精度技术要求。
在传统的空间管道加工中，通常运用机械手臂拖动旋转磁极沿弯管中轴线这一曲线，进行机械加工，与之配套是磁力粉沫或者磁力球，这种加工方法成本巨大，容易产生干涉，操纵控制复杂，而且设备大，同时也需要相对应的检测定位装置，因此不适合于复杂的弯管，或者小批量工件的加工。因此急需要一种，将弯管内壁检测系统以及弯管内壁加工系统相结合的机器人，并且为了适应于不同管径的弯管，该机器人除了能够通过大角度弯头的能力外，还需要具有不同管径的自适应能力。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题,本发明提供一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，将弯管内壁检测系统以及弯管内壁加工系统相结合的机器人，并且为了适应于不同管径的弯管，该机器人除了能够通过大角度弯头的能力外，还需要具有不同管径的自适应能力。
本发明采用的技术方案如下，结合附图：
一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，包括摄像头1、辅助支撑模块2、变径支撑模块3、主动式万向节4、抛光打磨变径模块5、抛光打磨模块6；所述摄像头1固定在辅助支撑模块2前端，辅助支撑模块2固定在变径支撑模块3前端，变径支撑模块3后端通过主动式万向节4与所述抛光打磨变径模块5连接；所述抛光打磨变径模块5包括驱动电机503、以及变径机构，变径机构包括变径电机总成502、多个支撑杆501、一号支架轮毂505、二号支架轮毂508、主动齿轮509、从动齿轮506；所述驱动电机503输出端固定连接在一号支架轮毂505上，用于驱动所述变径机构整体旋转；变径电机总成502安装在二号支架轮毂508上，变径电机总成502输出端与主动齿轮509连接，驱动主动齿轮转动一定角度，主动齿轮509通过轴承转动连接在一号支架轮毂505与二号支架轮毂508之间，多个从动齿轮506均匀分布在主动齿轮509外周，主动齿轮509同时与多个从动齿轮506啮合传动，所述多个支撑杆501一一对应分别与多个从动齿轮506固定连接；支撑杆501采用阿基米德螺旋线构型，每个支撑杆501末端分别铰接一个所述抛光打磨模块6。
进一步地，所述抛光打磨变径模块5的变径机构中，多个从动齿轮506的结构相同，均为不完全齿轮；从动齿轮506固定在从动齿轮轴507上，从动齿轮轴507的两端分别通过轴承与一号支架轮毂505和二号支架轮毂508连接；主动齿轮509固定在主动齿轮轴510上，主动齿轮轴510两端分别通过轴承与一号支架轮毂505和二号支架轮毂508连接；变径电机总成502的输出端与主动齿轮轴510固连；支撑杆501一端与从动齿轮轴507固定连接，支撑杆501另一端铰接所述抛光打磨模块6。
进一步地，所述变径支撑模块3包括电机固定座301、步进电机311、丝杠螺母滑动驱动机构、驱动臂303、支撑板308；所述步进电机311通过电机支撑架310固定在电机固定座301内，步进电机311输出端与所述丝杠螺母滑动驱动机构的丝杠连接，多个驱动臂303周向均布并分别铰接在电机固定座301上，驱动臂303另一端通过顶杆304与所述丝杠螺母滑动驱动机构的滑块306铰接，驱动臂303可在滑块306的带动下径向张开或收缩；支撑板308通过支撑螺柱309与电机固定座301固定连接，所述主动式万向节4固定在支撑板308后端面上。
优选的，所述丝杠螺母滑动驱动机构的丝杠为梯形丝杠305，梯形丝杠305与丝杠螺母307啮合传动，滑块306与丝杠螺母307固定连接；梯形丝杠305一端与步进电机311输出轴连接且与电机固定座301铰接，梯形丝杠305另一端与支撑板308铰接。
优选的，所述驱动臂303包括受力连杆3031、直流电机3032、蜗轮蜗杆微型减速器3034、轮毂3035、橡胶轮胎3036；受力连杆3031一端与所述电机固定座301铰接，轮毂3035铰接在受力连杆3031另一端，橡胶轮胎3036固定在轮毂3035上组成变径支撑轮；所述直流电机3032和蜗轮蜗杆微型减速器3034固定在受力连杆3031上，蜗轮蜗杆微型减速器3034与变径支撑轮的轮轴相连，使变径支撑轮在直流电机3032和蜗轮蜗杆微型减速器3034的驱动下旋转运动。
进一步地，所述主动式万向节4包括前段端盖401、中段端盖402、旋转驱动机构、摆动机构、后段端盖405；前段端盖401固定在所述变径支撑模块3的支撑板308上；旋转驱动机构包括旋转电机406及旋转机构齿轮传动副，旋转电机406固定在前端端盖401内，旋转电机406通过旋转机构齿轮传动副驱动中段端盖402转动；摆动机构包括摆动电机408及摆动机构锥齿轮副，摆动电机408固定在中段端盖402内，摆动电机408通过摆动机构锥齿轮副驱动后段端盖405摆动；所述抛光打磨变径模块5固定在后段端盖405上。
优选的，所述旋转机构齿轮传动副包括旋转驱动齿轮407、旋转内嵌齿轮409；旋转电机406输出轴与旋转驱动齿轮407固定连接，旋转驱动齿轮407在旋转电机406的驱动下作旋转运动，旋转内嵌齿轮409与旋转驱动齿轮407啮合传动，旋转内嵌齿轮409通过固定螺钉411固定连接在中段端盖402内，旋转内嵌齿轮409同时与前段端盖401通过旋转关节轴承410连接，实现中段端盖402相对前段端盖401的旋转。
优选的，所述摆动机构锥齿轮副包括摆动小锥齿轮403、摆动大锥齿轮404；摆动电机408输出轴与摆动小锥齿轮403固定连接，摆动小锥齿轮403在摆动电机408的驱动下作旋转运动，摆动大锥齿轮404与摆动小锥齿轮403啮合传动，摆动大锥齿轮404固定在销轴412上，销轴412固定在后段端盖405上，销轴412与中段端盖402铰接，实现后段端盖405相对中段端盖402的摆动动作。
进一步地，所述抛光打磨模块6包括一号轴架601、磨削组件主动齿轮轴602、磨削组件从动齿轮轴603、弧形弹簧604、打磨轮605、磨削组件从动齿轮606、磨削组件主动齿轮607、驱动轮609、二号轴架610；所述磨削组件主动齿轮轴602两端分别与一号轴架601和二号轴架610铰接，磨削组件主动齿轮607和驱动轮609均固定在磨削组件主动齿轮轴602上；打磨轮605及磨削组件从动齿轮606均固定在磨削组件从动齿轮轴603上；磨削组件从动齿轮轴603两端分别通过轴承与一号轴架601和二号轴架610的弧形凹槽连接；弧形弹簧604安装在一号轴架601的弧形凹槽内并与磨削组件从动齿轮轴603抵接。
进一步地，所述辅助支撑模块2包括前轮201、前轮轮毂202、锥弹簧203，前轮轮毂202为辐射状结构，3个前轮201沿前轮轮毂202周向均布设置铰接在前轮轮毂202外端部，锥弹簧203垂直固定在前轮轮毂202中心位置。
本发明提供的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器，其控制过程主要包括以下几个步骤：
步骤1.将机器人放入管道中，启动机器人，并进行初始化，同时输入管路路径以及管径数据；
步骤2.机器人开始在管路前进，根据霍尔测速传感器和已知的管路的数据，可以实时确定管路中机器人的位置，根据机器人所在位置以及管路的数据，可以做出以下判断：
a)管路管径是否发生变化，若发生变化，步进电机启动使得变径装置做变径运动；若未发生变化，步进电机处于待机状态；
b)机器人是否进入弯管，若进入弯管，直流电机控制芯片对三个电机进行差速控制，使其转弯；若未进入弯管，直流电机控制芯片控制三个电机同速，使其直行；
步骤3.与步骤2同时，机器人摄像头拍摄管道内部的图像，根据管道内部图像，来判断是否进行磨抛；
步骤4.若进行磨抛，控制系统干涉步骤2，使机器人停止前行，抛光打磨变径模块根据此时的管径进行自动变径，然后抛光打磨模块对定位处进行抛光打磨；
步骤5.抛光打磨完成之后，判断磨抛结果是否符合要求，若符合要求，则返回步骤3，并干涉步骤2，使机器人继续前行；若不符合要求，则重新执行步骤4；
步骤6.若不进行磨抛，则继续观察管道内部图像；
步骤7.机器人前行中，当定位到机器人处于管道末端时，机器人停止前行，流程结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.创新使用了基于阿基米德螺旋线的变径打磨装置，这种打磨装置设计拥有主动式的万向节，阿基米德螺旋线型的支撑杆和被动式的磨削组件，设计比较新颖，打磨比较均匀；
2.使得弯管内壁检测系统以及弯管内壁加工系统相结合，并且为了适应于不同管径的弯管，该机器人除了能够通过大角度弯头的能力外，还具有不同管径的自适应能力。
附图说明
图1是本发明一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人总体结构轴测示意图
图2是本发明一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人总体结构另一角度轴测示意图
图3是本发明一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人总体结构主视示意图
图4是本发明所述辅助支撑模块结构示意图
图5是本发明所述变径支撑模块结构示意图
图6是本发明所述变径支撑模块的电机固定座内部结构示意图
图7是本发明所述变径支撑模块的驱动臂结构示意图
图8是本发明所述主动式万向节结构示意图
图9是主动式万向节局部隐藏后的结构示意图
图10是主动式万向节传动系统轴测结构示意图
图11是主动式万向节传动系统另一角度轴测结构示意图
图12是主动式万向节传动系统结构示意图
图13是本发明所述抛光打磨变径模块、主动式万向节及抛光打磨模块装配轴测结构示意图
图14是本发明所述抛光打磨变径模块传动系统机构示意图
图15是本发明所述抛光打磨变径模块主视结构图
图16是本发明所述抛光打磨模块结构示意图
图17是本发明一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人控制流程图
图18是一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人操纵控制系统网络图
图中：
1.摄像头2.辅助支撑模块3.变径支撑模块4.主动式万向节5.抛光打磨变径模块6.抛光打磨模块
201.前轮202.前轮轮毂203.锥弹簧
301.电机固定座302.辅助支撑轮303.驱动臂304.顶杆305.梯形丝杠306.滑块307.丝杠螺母308.支撑板309.支撑螺柱310.电机支撑架311.步进电机3031.受力连杆3032.直流电机3033.固定绳3034.蜗轮蜗杆微型减速器3035.轮毂3036.橡胶轮胎
401.前段端盖402.中段端盖403.摆动小锥齿轮404.摆动大锥齿轮405.后段端盖406.旋转电机407.旋转驱动齿轮408.摆动电机409.旋转内嵌齿轮410.旋转关节轴承411.固定螺钉412.销轴
501.支撑杆502.变径电机总成503.驱动电机504.驱动电机端盖505.一号支架轮毂506.从动齿轮507.从动齿轮轴508.二号支架轮毂509.主动齿轮510.主动齿轮轴
601.一号轴架602.磨削组件主动齿轮轴603.磨削组件从动齿轮轴604.弧形弹簧605.打磨轮606.磨削组件从动齿轮607.磨削组件主动齿轮608.轴架右端盖609.驱动轮610.二号轴架611.轴架左端盖
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明实施方案。
如图1至图3所示，一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，包括摄像头1、辅助支撑模块2、变径支撑模块3、主动式万向节4、抛光打磨变径模块5、抛光打磨模块6，所述摄像头1固定在辅助支撑模块2前端，辅助支撑模块2固定在变径支撑模块3前端，变径支撑模块3后端通过主动式万向节4与所述抛光打磨变径模块5连接，抛光打磨模块6与抛光打磨变径模块5的支撑杆501外端铰接。本发明使得弯管内壁检测系统以及弯管内壁加工系统相结合，且能够通过大角度弯头，还具有不同管径的自适应能力。
如图4所示，所述辅助支撑模块2包括前轮201、前轮轮毂202、锥弹簧203，前轮轮毂202为辐射状结构，3个前轮201沿前轮轮毂202周向均布设置铰接在前轮轮毂202外端部，锥弹簧203垂直固定在前轮轮毂202中心位置。由于机器人的变径范围较大，因而变径支撑模块3的轴向距离也较大，机械人的轴向尺寸相对径向尺寸较长，在小管径管道内行驶时容易造成不稳定的现象，所以机器人辅助支撑结构的设计还是非常有必要的。
由于此模块不需要为机器人提供动力，只是用于提高机器人整体的稳定性，因而不需要力的稳定控制，采用弹簧进行张紧即可，考虑到锥形弹簧具有突出的压缩性能，即其轴向伸缩能力强，且锥形弹簧不容易失稳，弯曲性能也更加强大，故支撑部分与主要模块之间采用锥弹簧的柔性连接方式；这种连接方式不仅适用于弯管作业，而且还能对机器人功能模块起到一定的保护作用，即当管道中出现障碍物时，即使支撑环节撞到障碍物，也是柔性的冲击，为机器人的反应争取时间。
如图5至图7所示，所述变径支撑模块3包括电机固定座301、步进电机311、丝杠螺母滑动驱动机构、驱动臂303、支撑板308。所述步进电机311通过电机支撑架310固定在电机固定座301内，步进电机311输出端与所述丝杠螺母滑动驱动机构的丝杠连接，三个驱动臂303周向均布并分别铰接在电机固定座301上，驱动臂303另一端通过顶杆304与所述丝杠螺母滑动驱动机构的滑块306铰接，驱动臂303可在滑块306的带动下径向张开或收缩；支撑板308通过支撑螺柱309与电机固定座301固定连接，所述主动式万向节4固定在支撑板308后端面上。采用步进电机的优点：电机运转角度与施加脉冲数正相关；转矩最大的情况出现在电机停转时，此时转矩叫做保持力矩；单步误差在百分之五以内，且没有误差累积效应，因而定位精度好；电机结构简单，控制简单且灵敏；调速性能好，寿命长；由于可输出低转速大扭矩，因而负载可以直接施加在电机的主轴上。
所述丝杠螺母滑动驱动机构包括梯形丝杠305、滑块306、丝杠螺母307，丝杠螺母307与梯形丝杠305啮合传动，滑块306与丝杠螺母307固定连接；梯形丝杠305一端与步进电机311输出轴连接且与电机固定座301铰接，梯形丝杠305另一端与支撑板308铰接，使得梯形丝杠305的支撑为“固定-游动”型支撑方式，在步进电机311的驱动下，梯形丝杠305绕X轴作旋转运动，从而带动丝杠螺母307沿X轴往复运动。
如图6所示，电机支撑架310固定在电机固定座301上，电机311固定在电机支撑架310上；三个支撑螺柱309绕X轴呈120°均匀分布且固定在电机固定座301上，支撑板308与支撑螺柱309固定连接。
如图7所示，三个驱动臂303绕X轴呈120°均匀分布，所述驱动臂303包括受力连杆3031、直流电机3032、固定绳3033、蜗轮蜗杆微型减速器3034、轮毂3035、橡胶轮胎3036；受力连杆3031一端与电机固定座301铰接，轮毂3035铰接在受力连杆3031另一端，橡胶轮胎3036固定在轮毂3035上组成变径支撑轮；所述直流电机3032和蜗轮蜗杆微型减速器3034通过固定绳3033和螺钉固定在受力连杆3031上，蜗轮蜗杆微型减速器3034与变径支撑轮的轮轴相连，使变径支撑轮在直流电机3032和蜗轮蜗杆微型减速器3034的驱动下绕Y轴作旋转运动。直流电机3032通过传递效率高，蜗轮蜗杆可以实现力的方向的变换，同时齿轮传动的传动方式传递的误差小，精确度高。每个驱动臂均由直流电机3032驱动其与变径支撑轮，实现差速运行最终可以实现转弯,三只驱动臂的驱动形式及相邻两驱动臂之间相隔120°可以使得机构自定心，机器人在管道内行进可以适应不同倾斜程度的弯管。
多个辅助支撑轮302安装在电机固定座301的周向且均匀分布，辅助支撑轮302的作用为即使在机器人运动不稳定时，也可以对机器人起到很好的保护作用。
如图8至图12所示，所述主动式万向节4包括前段端盖401、中段端盖402、旋转驱动机构、摆动机构、后段端盖405；前段端盖401固定在所述变径支撑模块3的支撑板308上；旋转驱动机构包括旋转电机406及旋转机构齿轮传动副，旋转电机406固定在前端端盖401内，旋转电机406通过旋转机构齿轮传动副驱动中段端盖402转动；摆动机构包括摆动电机408及摆动机构锥齿轮副，摆动电机408固定在中段端盖402内，摆动电机408通过摆动机构锥齿轮副驱动后段端盖405摆动；所述抛光打磨变径模块5固定在后段端盖405上。打磨模块与机器人主体之间采用主动式的万向节连接，这样可以使打磨模块始终与管径垂直，使打磨模块对弯管的适用性加强，起到更好地打磨作用。
旋转机构齿轮传动副包括旋转驱动齿轮407、旋转内嵌齿轮409；旋转电机406输出轴与旋转驱动齿轮407固定连接，旋转驱动齿轮407在旋转电机406的驱动下绕X轴作旋转运动，旋转内嵌齿轮409与旋转驱动齿轮407啮合传动，旋转内嵌齿轮409通过固定螺钉411固定连接在中段端盖402内，旋转内嵌齿轮409同时与前段端盖401通过旋转关节轴承410连接，从而实现中段端盖402相对前段端盖401的旋转。
摆动机构锥齿轮副包括摆动小锥齿轮403、摆动大锥齿轮404；摆动电机408输出轴与摆动小锥齿轮403固定连接，摆动小锥齿轮403在摆动电机408的驱动下绕X轴作旋转运动，摆动大锥齿轮404与摆动小锥齿轮403啮合传动，摆动大锥齿轮404固定在销轴412上，销轴412固定在后段端盖405上，销轴412与中段端盖402铰接，从而实现后段端盖405相对中段端盖402的摆动动作。
如图13至图15所示，所述抛光打磨变径模块5包括驱动电机503、驱动电机端盖504以及变径机构，驱动电机端盖504固定在所述主动式万向节4的后段端盖405上。变径机构包括变径电机总成502、三个支撑杆501、一号支架轮毂505、二号支架轮毂508、主动齿轮509、三个从动齿轮506；所述驱动电机503输出端固定连接在一号支架轮毂505上；变径电机总成502安装在二号支架轮毂508上，变径电机总成502输出端与主动齿轮509连接，主动齿轮509转动连接在一号支架轮毂505与二号支架轮毂508之间；三个从动齿轮506绕X轴呈120°均匀分布在主动齿轮509外周，主动齿轮509分别与三个从动齿轮506啮合传动；所述三个支撑杆501一一对应分别与三个从动齿轮506固定连接；支撑杆501采用阿基米德螺旋线构型，每个支撑杆501末端分别铰接一个所述抛光打磨模块6。
如图14、15所示，所述变径机构中，三个从动齿轮结构相同，均为不完全齿轮，实现限位功能，可以避免电机抱闸失效，发生由于支撑杆501的干涉，导致电机损坏。从动齿轮506固定在从动齿轮轴507上，从动齿轮轴507的两端分别通过轴承与一号支架轮毂505和二号支架轮毂508连接，主动齿轮509固定在主动齿轮轴510上，主动齿轮轴510两端分别通过轴承与一号支架轮毂505和二号支架轮毂508连接。变径电机总成502的输出端与主动齿轮轴510固连。三个支撑杆501分别固定在三个从动齿轮轴507上，支撑杆501一端与从动齿轮轴507固定连接，支撑杆501另一端用于铰接所述抛光打磨模块6。
主动齿轮509在变径电机总成502的驱动下沿X轴旋转一定角度，带动从动齿轮506绕从动齿轮轴507轴线转动，继而带动支撑杆501转动一定角度，由于支撑杆501构型为阿基米德螺旋线，当其转动一定角度，可使支撑杆501组外端到主动齿轮轴心的距离发生变化，此过程为变径运动。当支撑杆501转动到合适位置时，变径电机总成502抱闸，实现主动齿轮509的自锁，以使支撑杆501固定在合适的位置。驱动电机503输出端与一号支架轮毂505固定连接，一号支架轮毂505在驱动电机503的驱动下作沿X轴的旋转运动，从而带动变径机构整体随一号支架轮毂50旋转。传统的弹簧变径，难以保证驱动力的大小，且弹簧变径机构会使打磨机构与管道的接触力的大小随着管径的变化而变化，不利于打磨抛光，又考虑到机器人轴向尺寸的因素，故采用此抛光打磨变径模块5。
如图16所示，所述抛光打磨模块6包括一号轴架601、磨削组件主动齿轮轴602、磨削组件从动齿轮轴603、弧形弹簧604、打磨轮605、磨削组件从动齿轮606、磨削组件主动齿轮607、轴架右端盖608、驱动轮609、二号轴架610、轴架左端盖611。所述驱动轴磨削组件主动齿轮轴602从一端到另一端，依次与一号轴架601铰接、与磨削组件主动齿轮607固定连接、与二号轴架610铰接、与驱动轮609固定连接；磨削组件从动齿轮轴603从一端到另一端，依次与一号轴架601铰接、与打磨轮605固定连接、与磨削组件从动齿轮606固定连接、与二号轴架610铰接；磨削组件从动齿轮轴603两端通过一号轴架601和二号轴架610背面通孔，并通过轴承与一号轴架601和二号轴架610的弧形凹槽配合；弧形弹簧604安装在一号轴架601的弧形凹槽内并与磨削组件从动齿轮轴603抵接，使得磨削组件从动齿轮轴603与一号轴架601和二号轴架610浮动连接，从而使得打磨过程为柔性的过程。
抛光打磨模块6的打磨原理为，磨削组件主动齿轮轴602在打磨模块的变径机构支撑杆501的作用下，使得驱动轮609与管道内壁紧贴，从而产生摩擦力，带动驱动轮609转动，驱动轮609与磨削组件主动齿轮607同时固定在磨削组件主动齿轮轴602上，驱动轮609的转动会带动磨削组件主动齿轮607的转动，磨削组件主动齿轮607的转动会带动磨削组件从动齿轮606的转动，而打磨轮605与磨削组件从动齿轮606同轴，因而打磨轮605转动，达到磨削工件的目的。值得注意的是，这是一种被动式的打磨机构，磨削组件上无需附加额外的驱动力，只需要由电机带动变径机构转动，进而带动磨削组件旋转即可，从动轴通过两端的轴承和弧形弹簧与轴架浮动连接，因而打磨过程是一个柔性的过程，而且由于浮动式的设计对不同管径大小的管道都可以完成打磨工作。
机器人的转弯过程可分为三个阶段，过渡阶段、旋转阶段、过渡阶段，第一个过渡阶段为机器人前端在弯道处，后端在直道处；旋转阶段为前端和后端都在弯道处；第二个过渡阶段同第一个过渡阶段相对应。旋转阶段是转弯过程中很重要的部分。旋转阶段，通过此时机器人驱动轮所在的位置，可以推算出各支撑轮的角速度的比值，所以机器人的转弯是一个渐进的过程。
如图17所示，一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人的控制方法，控制过程主要包括以下几个步骤：
步骤1.将机器人放入管道中，启动机器人，并进行初始化，同时输入管路路径以及管径数据；
步骤2.机器人开始在管路前进，根据霍尔测速传感器和已知的管路的数据，可以实时确定管路中机器人的位置，根据机器人所在位置以及管路的数据，可以做出以下判断：
(a)管路管径是否发生变化，若发生变化，变径支撑模块3的步进电机311启动使得变径装置做变径运动；若未发生变化，步进电机处于待机状态；
(b)机器人是否进入弯管，若进入弯管，变径支撑模块3的直流电机控制芯片对三个直流电机3032进行差速控制，使其转弯；若未进入弯管，直流电机控制芯片控制三个直流电机3032同速，使其直行；
步骤3.与步骤2同时，机器人摄像头拍摄管道内部的图像，根据管道内部图像，来判断是否进行磨抛；
步骤4.若进行磨抛，控制系统干涉步骤2，使机器人停止前行，抛光打磨变径模块5根据此时的管径进行自动变径，然后抛光打磨模块6对定位处进行抛光打磨；
步骤5.抛光打磨完成之后，判断磨抛结果是否符合要求，若符合要求，则返回步骤3，并干涉步骤2，使机器人继续前行；若不符合要求，则重新执行步骤4；
步骤6.若不进行磨抛，则继续观察管道内部图像；
步骤7.机器人前行中，当定位到机器人处于管道末端时，机器人停止前行，流程结束。
如图18所示，一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人的控制操作系统如下：
操纵控制系统以单片机为主控芯片，下位机与上位机之间采用串口通信，摄像头直接与上位机相连，完成对管道内壁的实时监测工作，采用薄膜式压力传感器，六轴陀螺仪，霍尔传感器，作为下位机信息获取的工具，传感器获取信息后将这些信息传递给单片机，在单片机的处理运算以及上位机外设的控制下，对电机驱动模块进行控制，最终控制主体驱动部分，变径机构以及打磨部分的直流电机和步进电机的运作，实现机器人的整体功能。

Claims (10)

1.一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，包括摄像头(1)、辅助支撑模块(2)、变径支撑模块(3)、主动式万向节(4)、抛光打磨变径模块(5)、抛光打磨模块(6)；所述摄像头(1)固定在辅助支撑模块(2)前端，辅助支撑模块(2)固定在变径支撑模块(3)前端，变径支撑模块(3)后端通过主动式万向节(4)与所述抛光打磨变径模块(5)连接；所述抛光打磨变径模块(5)包括驱动电机(503)、以及变径机构，变径机构包括变径电机总成(502)、多个支撑杆(501)、一号支架轮毂(505)、二号支架轮毂(508)、主动齿轮(509)、从动齿轮(506)；所述驱动电机(503)输出端固定连接在一号支架轮毂(505)上，用于驱动所述变径机构整体旋转；变径电机总成(502)安装在二号支架轮毂(508)上，变径电机总成(502)输出端与主动齿轮(509)连接，驱动主动齿轮转动一定角度，主动齿轮(509)通过轴承转动连接在一号支架轮毂(505)与二号支架轮毂(508)之间，多个从动齿轮(506)均匀分布在主动齿轮(509)外周，主动齿轮(509)同时与多个从动齿轮(506)啮合传动，所述多个支撑杆(501)一一对应分别与多个从动齿轮(506)固定连接；支撑杆(501)采用阿基米德螺旋线构型，每个支撑杆(501)末端分别铰接一个所述抛光打磨模块(6)。
2.如权利要求1所述的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，所述抛光打磨变径模块(5)的变径机构中，多个从动齿轮(506)的结构相同，均为不完全齿轮；从动齿轮(506)固定在从动齿轮轴(507)上，从动齿轮轴(507)的两端分别通过轴承与一号支架轮毂(505)和二号支架轮毂(508)连接；主动齿轮(509)固定在主动齿轮轴(510)上，主动齿轮轴(510)两端分别通过轴承与一号支架轮毂(505)和二号支架轮毂(508)连接；变径电机总成(502)的输出端与主动齿轮轴(510)固连；支撑杆(501)一端与从动齿轮轴(507)固定连接，支撑杆(501)另一端铰接所述抛光打磨模块(6)。
3.如权利要求1所述的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，所述变径支撑模块(3)包括电机固定座(301)、步进电机(311)、丝杠螺母滑动驱动机构、驱动臂(303)、支撑板(308)；所述步进电机(311)通过电机支撑架(310)固定在电机固定座(301)内，步进电机(311)输出端与所述丝杠螺母滑动驱动机构的丝杠连接，多个驱动臂(303)周向均布并分别铰接在电机固定座(301)上，驱动臂(303)另一端通过顶杆(304)与所述丝杠螺母滑动驱动机构的滑块(306)铰接，驱动臂(303)可在滑块(306)的带动下径向张开或收缩；支撑板(308)通过支撑螺柱(309)与电机固定座(301)固定连接，所述主动式万向节(4)固定在支撑板(308)后端面上。
4.如权利要求3所述的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，所述丝杠螺母滑动驱动机构的丝杠为梯形丝杠(305)，梯形丝杠(305)与丝杠螺母(307)啮合传动，滑块(306)与丝杠螺母(307)固定连接；梯形丝杠(305)一端与步进电机(311)输出轴连接且与电机固定座(301)铰接，梯形丝杠(305)另一端与支撑板(308)铰接。
5.如权利要求3所述的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，所述驱动臂(303)包括受力连杆(3031)、直流电机(3032)、蜗轮蜗杆微型减速器(3034)、轮毂(3035)、橡胶轮胎(3036)；受力连杆(3031)一端与所述电机固定座(301)铰接，轮毂(3035)铰接在受力连杆(3031)另一端，橡胶轮胎(3036)固定在轮毂(3035)上组成变径支撑轮；所述直流电机(3032)和蜗轮蜗杆微型减速器(3034)固定在受力连杆(3031)上，蜗轮蜗杆微型减速器(3034)与变径支撑轮的轮轴相连，使变径支撑轮在直流电机(3032)和蜗轮蜗杆微型减速器(3034)的驱动下旋转运动。
6.如权利要求1所述的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，所述主动式万向节(4)包括前段端盖(401)、中段端盖(402)、旋转驱动机构、摆动机构、后段端盖(405)；前段端盖(401)固定在所述变径支撑模块(3)的支撑板(308)上；旋转驱动机构包括旋转电机(406)及旋转机构齿轮传动副，旋转电机(406)固定在前段端盖(401)内，旋转电机(406)通过旋转机构齿轮传动副驱动中段端盖(402)转动；摆动机构包括摆动电机(408)及摆动机构锥齿轮副，摆动电机(408)固定在中段端盖(402)内，摆动电机(408)通过摆动机构锥齿轮副驱动后段端盖(405)摆动；所述抛光打磨变径模块(5)固定在后段端盖(405)上。
7.如权利要求6所述的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，所述旋转机构齿轮传动副包括旋转驱动齿轮(407)、旋转内嵌齿轮(409)；旋转电机(406)输出轴与旋转驱动齿轮(407)固定连接，旋转驱动齿轮(407)在旋转电机(406)的驱动下作旋转运动，旋转内嵌齿轮(409)与旋转驱动齿轮(407)啮合传动，旋转内嵌齿轮(409)通过固定螺钉固定连接在中段端盖(402)内，旋转内嵌齿轮(409)同时与前段端盖(401)通过旋转关节轴承(410)连接，实现中段端盖(402)相对前段端盖(401)的旋转。
8.如权利要求6所述的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，所述摆动机构锥齿轮副包括摆动小锥齿轮(403)、摆动大锥齿轮(404)；摆动电机(408)输出轴与摆动小锥齿轮(403)固定连接，摆动小锥齿轮(403)在摆动电机(408)的驱动下作旋转运动，摆动大锥齿轮(404)与摆动小锥齿轮(403)啮合传动，摆动大锥齿轮(404)固定在销轴(412)上，销轴(412)固定在后段端盖(405)上，销轴(412)与中段端盖(402)铰接，实现后段端盖(405)相对中段端盖(402)的摆动动作。
9.如权利要求1所述的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，所述抛光打磨模块(6)包括一号轴架(601)、磨削组件主动齿轮轴(602)、磨削组件从动齿轮轴(603)、弧形弹簧(604)、打磨轮(605)、磨削组件从动齿轮(606)、磨削组件主动齿轮(607)、驱动轮(609)、二号轴架(610)；所述磨削组件主动齿轮轴(602)两端分别与一号轴架(601)和二号轴架(610)铰接，磨削组件主动齿轮(607)和驱动轮(609)均固定在磨削组件主动齿轮轴(602)上；打磨轮(605)及磨削组件从动齿轮(606)均固定在磨削组件从动齿轮轴(603)上；磨削组件从动齿轮轴(603)两端分别通过轴承与一号轴架(601)和二号轴架(610)的弧形凹槽连接；弧形弹簧(604)安装在一号轴架(601)的弧形凹槽内并与磨削组件从动齿轮轴(603)抵接。
10.如权利要求1所述的一种弯管内壁智能检测与精密打磨机器人，其特征在于，所述辅助支撑模块(2)包括前轮(201)、前轮轮毂(202)、锥弹簧(203)，前轮轮毂(202)为辐射状结构，3个前轮(201)沿前轮轮毂(202)周向均布设置铰接在前轮轮毂(202)外端部，锥弹簧(203)垂直固定在前轮轮毂(202)中心位置。
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