CN114184238A - 一种基于可伸缩轮系的老旧管道巡检机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可转向和减震的老旧管道检测机器人。两个前轮组件分别通过对应的前后轮连接组件与后轮组件连接，前轮组件和后轮组件之间设置有转向机构，转向机构的两侧分别与两个前后轮连接组件相连，转向机构上安装有摄像模块；后轮组件用于提供巡检机器人的前进动力，前后轮连接组件用于减震，转向机构通过两个前后轮连接组件为前轮组件提供转向力，前轮组件调整巡检机器人的前进角度后实现巡检机器人的转向。本发明可以适应不同的管道路面情况并实现越障减震；能很好地使机器人在老旧管道内顺利行驶，实现老旧管道的巡检工作，具有普适性好及工作效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及老旧管道巡检领域的一种巡检机器人，具体涉及一种新型转向和减震的老旧管道巡检机器人。
背景技术
随着城市管道使用年限不断上升，城市道路下早先修建的老旧管道数量越来越多。监测管道环境和损害情况的任务也更加艰巨。为了避免人工监测过程中存在的各种安全隐患以及解决人工检测精度的问题，常利用现代机械自动化技术制造的巡检机器人来实现管道巡检。现有的管道巡检设备类型有：轮式巡检机器人、履带式巡检机器人、轨道式巡检机器人等。用轨道式巡检机器人对老旧管道进行巡检，需要在管道铺设滑轨。不仅加大了管道检测系统的建设成本，且铺设轨道需要开凿管道顶部壁面，使得管道环境的不稳定因素增加。其次，轨道式巡检机器人只能沿着轨道行进，其检测盲区较大，降低了检测数据的精度。履带式巡检机器人虽然具有较好的越障能力，但履带式巡检机器人常采用多轮驱动结构，增加了整体结构的设计难度。且履带式巡检机器人与地面的接触面积更大，行进过程中所受的摩擦力也比较大，需要更大的驱动功率。
相比于以上两种形式的巡检机器人，轮式管道巡检机器人由于其机械结构相对简单可靠，机电控制技术相对成熟完善，且便于维护维修，更广泛地被运用于老旧管道巡检任务。然而，由于老旧管道环境复杂，管道路面常会出现积水、砖块等杂物的情况。普通的轮式管道管道巡检机器人并不能够很好地适应这样的管道环境，顺利地开展检测工作。为了解决这个问题，对普通轮式结构的管道巡检机器人进行一定的改良，使其能够更好地适应工作环境显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，通过轮子的自由变向以适应不同的路面情况并实现越障；配有自动行驶系统以在管道内顺利行驶；配有高进度可伸缩摄像探头以搜集老旧管道内的多种环境信息。此老旧管道巡检机器人具有普适性好及工作效率高等优点。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明包括两个前轮组件、后轮组件、前后轮连接组件、转向机构和摄像模块；
两个前轮组件分别通过对应的前后轮连接组件与后轮组件连接，前轮组件和后轮组件之间设置有转向机构，转向机构的两侧分别与两个前后轮连接组件相连，转向机构上安装有摄像模块；后轮组件用于提供巡检机器人的前进动力，前后轮连接组件用于减震，转向机构通过两个前后轮连接组件为前轮组件提供转向力，前轮组件调整巡检机器人的前进角度后实现巡检机器人的转向。
所述两个前轮组件结构相同，每个前轮组件包括前轮和前轮联轴器；
每个前轮的外侧安装有前轮联轴器，前轮联轴器包括前轮联轴器本体、前轮纵向转轴、前轮横向转轴和前轮轴箱体筋件，前轮联轴器本体的上表面固定安装有前轮纵向转轴，前轮纵向转轴与前后轮连接组件的一端活动连接，前轮轴箱体筋件的一端固定安装在前轮联轴器本体的一侧面，前轮轴箱体筋件另一端的侧面固定安装有前轮横向转轴的一端，前轮横向转轴的另一端与前轮的同轴活动连接，前轮纵向转轴和前轮横向转轴的轴向不处于同一平面且垂直布置。
所述后轮组件包括后轮、后轮联轴器、电机固定箱和后车轴；
两个后轮之间通过后车轴进行同轴连接，后车轴的中部设置有电机固定箱，用于为后轮组件提供前进动力；
每个后轮的外侧安装有后轮联轴器，后轮联轴器与前后轮连接组件的另一端活动连接；后轮联轴器包括后轮联轴器本体、后轮纵向转轴和后轮横向转轴；后轮联轴器本体的上表面固定安装有后轮纵向转轴，后轮联轴器本体的一侧面固定安装有后轮横向转轴，后轮纵向转轴和后轮横向转轴的轴向处于同一平面且垂直布置。
所述前后轮连接组件包括连接固定架、空气减震器和前后轮连接架；
前后轮连接架的两端分别与前轮组件和后轮组件活动连接，前后轮连接架的中部固定安装有连接固定架，连接固定架的侧面与转向机构固定连接，连接固定架上安装有空气减震器，空气减震器用于减震。
所述转向机构包括中间连接杆、球形杆件和液压传动装置；
液压传动装置的两侧分别设置有一根输出杆，液压传动装置两侧的输出杆平行设置且不在同一直线上，液压传动装置两侧的输出杆分别通过对应的球形杆件和中间连接杆与两个前后轮连接组件的中部固定连接，使得两个前后轮连接组件关于液压传动装置左右对称布置。
每个所述中间连接杆的两端分别设置有一根分支杆，每个中间连接杆两端的两根分支杆均与对应的前后轮连接组件的中部固定连接；
每个中间连接杆的一端部的侧面开有球形槽，球形杆件的端部活动安装在球形槽中，其中一个中间连接杆的球形槽开设在前端，另一个中间连接杆的球形槽开设在后端，使得两个前后轮连接组件关于液压传动装置左右对称布置。
所述液压传动装置两侧的输出杆的输出状态独立控制，分别为两侧的前轮组件提供转向力。
所述摄像模块由云台和安装在云台上的检测模块组成，云台固定安装在转向机构上，检测模块包括摄像探头、连接刚体、连接转体、旋转台和摄像电机；
云台上固定安装有摄像电机，摄像电机的输出轴与旋转台固定连接，旋转台上安装有连接转体，连接转体与连接刚体连接，摄像探头固定安装在连接刚体上。
所述摄像探头具体为热成像传感器和摄像机。
本发明的有益效果：
1、本发明的老旧管道巡检机器人对老旧管道的环境有着较好的适应能力。对于比较平缓及无较大障碍的管道路面，巡检机器人直接通过车轮上的横轴纵向摆动，在空气减震器的调节下，前轮不需通过侧架转向便可平稳通过。遇到较大障碍时，中间电机带动两侧转向架转动可使巡检机器人的轮胎发生转动，使得巡检机器人的轮胎越过障碍物，检测收集信息。
2、可采集多种信息。车身上装载着多种传感器，可采集管道内部温度、有害气体浓度、管道温湿度等信息，车身云台上装载了一种新型摄像头探头，此摄像头可自由旋转和伸缩，可大范围拍摄管道内环境情况，并传输数据和图片至外部工作台。
3、前轮轮系结构灵活可靠。转向机构通过液压传动装置驱动两侧转向架摆动，转向架的摆动将推动前轮上的轴向轴完成一个与转向架相反方向的转向，整个过程使整个前轮轮系转向过程简单、灵活、可靠。
由此综合来说，本发明通过转向架的摆动以适应不同的路面情况并实现减震越障；配有自动行驶系统可使机器人在管道内顺利行驶；携带的多种传感器和可旋转伸缩摄像探头可搜集老旧管道内的多种环境信息从而实现老旧管道道的巡检工作，具有普适性好及工作效率高等优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为前轮联轴器的结构示意图；
图3为后轮联轴器的结构示意图；
图4为摄像模块的结构示意图；
图5为转向机构的正视图；
图6为转向机构的A-A面剖视图；
图7为巡检机器人正常行驶时的状态示意图；
图8为巡检机器人转向行驶时的状态示意图。
图中：1、电机固定箱，2、电机固定箱盖，3、后车轴，4、车轮，5、后轮联轴器，6、连接固定架，7、空气减震器，8、前后轮连接架，9、前轮联轴器，10、中间连接杆，11、球形杆件，12、液压传动装置，13、云台，15、检测模块，16、后轮纵向转轴，17、前轮纵向转轴，18、后轮横向转轴，19、前轮横向转轴，20、前轮轴箱体筋件，15-1、摄像探头，15-2、连接刚体，15-3、连接转体，15-4、旋转台，15-5、摄像电机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包括两个前轮组件、后轮组件、前后轮连接组件、转向机构和摄像模块；
两个前轮组件分别通过对应的前后轮连接组件与后轮组件连接，前轮组件和后轮组件之间设置有转向机构，转向机构的两侧分别与两个前后轮连接组件相连，转向机构上安装有摄像模块；后轮组件用于提供巡检机器人的前进动力，前后轮连接组件用于减震，使整个车身能够达到减震的效果。转向机构通过两个前后轮连接组件为前轮组件提供转向力，前轮组件调整巡检机器人的前进角度后实现巡检机器人的转向。
巡检机器人的车轮4包括两个前轮和两个后轮。
如图3所示，两个前轮组件结构相同，每个前轮组件包括前轮和前轮联轴器9；
每个前轮的外侧安装有前轮联轴器9，从而实现自由转动。前轮联轴器9包括前轮联轴器本体、前轮纵向转轴17、前轮横向转轴19和前轮轴箱体筋件20，前轮联轴器本体的上表面固定安装有前轮纵向转轴17，前轮纵向转轴17与前后轮连接组件的连接固定架6的一端活动连接，前轮轴箱体筋件20的一端固定安装在前轮联轴器本体的一侧面，前轮轴箱体筋件20另一端的侧面固定安装有前轮横向转轴19的一端，前轮横向转轴19的另一端与前轮的同轴活动连接，前轮纵向转轴17和前轮横向转轴19的轴向不处于同一平面且垂直布置。
如图2所示，后轮组件包括后轮、后轮联轴器5、电机固定箱盖2、电机固定箱1和后车轴3；
两个后轮之间通过后车轴3进行同轴连接，后车轴3的中部设置有电机固定箱1，电机固定箱1中安装有后轮驱动电机，后轮驱动电机驱动后车轴3转动，用于为后轮组件提供前进动力；电机固定箱1上安装有电机固定箱盖2。
每个后轮的外侧安装有后轮联轴器5，后轮联轴器5与前后轮连接组件的连接固定架6的另一端活动连接；后轮联轴器5包括后轮联轴器本体、后轮纵向转轴16和后轮横向转轴18；后轮联轴器本体的上表面固定安装有后轮纵向转轴16，后轮联轴器本体的一侧面固定安装有后轮横向转轴18，后轮纵向转轴16和后轮横向转轴18的轴向处于同一平面且垂直布置。
遇到小障碍时，可通过前后轮横向转轴的转动带动前后轮连接组件上下小幅度的摆动实现前后轮的减震效果。
前后轮连接组件包括连接固定架6、空气减震器7和前后轮连接架8；
前后轮连接架8的两端分别与前轮组件的前轮纵向转轴17和后轮组件的后轮纵向转轴16活动连接，前后轮连接架8的中部固定安装有连接固定架6，连接固定架6的侧面与转向机构的中间连接杆10固定连接，连接固定架6上安装有空气减震器7，空气减震器7用于减震。
如图5和图6所示，转向机构包括中间连接杆10、球形杆件11和液压传动装置12，液压传动装置12的两侧分别设置有一根输出杆，液压传动装置12两侧的输出杆平行设置且不在同一直线上，即液压传动装置12两侧的输出杆一前一后布置，液压传动装置12两侧的输出杆分别通过对应的球形杆件11和中间连接杆10与两个前后轮连接组件的中部的连接固定架6固定连接，使得两个前后轮连接组件关于液压传动装置12左右对称布置。
每个中间连接杆10的两端分别设置有一根分支杆，每个中间连接杆10两端的两根分支杆均与对应的前后轮连接组件的中部的连接固定架6固定连接；
每个中间连接杆10的一端部的侧面开有球形槽，球形杆件11的端部活动安装在球形槽中，其中一个中间连接杆10的球形槽开设在前端，另一个中间连接杆10的球形槽开设在后端，使得两个前后轮连接组件关于液压传动装置12左右对称布置。
液压传动装置12两侧的输出杆的输出状态独立控制，分别为两侧的前轮组件提供转向力。具体实施中，液压传动装置12两侧的输出杆的输出状态分别通过各自的液压马达控制对应的输出杆所在液压腔的进出油状态实现。
如图4所示，摄像模块由云台13和安装在云台13上的检测模块15组成，云台13固定安装在转向机构上，检测模块15包括摄像探头15-1、连接刚体15-2、连接转体15-3、旋转台15-4和摄像电机15-5；
云台13上用螺栓固定安装有摄像电机15-5，摄像电机15-5的输出轴与旋转台15-4固定连接，旋转台15-4上安装有连接转体15-3，连接转体15-3与连接刚体15-2连接，摄像探头15-1固定安装在连接刚体15-2上。
摄像探头15-1具体为热成像传感器和摄像机。
本发明的运动过程是：
后轮驱动电机运行后，带动后车轴3旋转进而带动两个后轮转动，两个后轮接触管道地面，两个后轮因与两个前轮通过前后轮连接架8间接连接，故而两个后轮转动的同时带动两个前轮转动，进而带动机器人车体前进或者倒退。
当在行进过程中遇到小障碍物，前轮先接触到障碍物时，前轮被障碍物抬起，前轮通过与之连接的横向转轴促使前轮联轴器完成一个相应角度的摆动，又因前后轮上所连接的联轴器分别通过前后轮连接架8联接在一起，转向架上固定安装有空气减震器7，通过空气减震器7的减震调节，使得前轮能够平稳越过小障碍；同理，当两后轮开始接触障碍物时，后车轮因被抬高，带动联轴器和转向架进行相应角度的摆动，通过空气减震器7的减震调节，后轮也可以平稳越过小障碍。
当在行进过程中遇到较大障碍物时，超过了空气减震器减震调节的范畴，需要巡检机器人进行转向操作，以达到机器人越过障碍的目的。当发现机器人前方有较大障碍时，液压马达开始工作，驱动液压传动装置12运行，液压传动装置12两侧的输出杆控制两边的球形杆件11进行伸缩，由于球形杆件11与中间连接体10的球形槽固定连接，从而带动两边的前后轮连接架8左右摇摆，前后轮连接架8的摆动进而带动前轮联轴器9往前后轮连接架8相反的方向转动一个相应的角度，前轮联轴器9又带动前轮完成摆动。由此过程，液压马达继续运行，可实现前轮的转向恢复，从而达到让机器人转向同时越过障碍的目的。
当老旧管道中碎屑过多时，在行进过程中，液压马达控制液压传动装置12驱动两侧球形杆件11同时向外伸，从而带动两侧转向架向外转动一个相应角度，使得两前轮行驶在管壁，与两后轮组成一个稳定梯形行进方式，以实现减少轮子摩擦的效果。
检测过程中，摄像探头先通过红外线探测管道内壁，发现有异常现象时，摄像电机15-5运行，控制旋转台15-4、连接转体15-3完成摄像模块的旋转、伸缩动作，以实现摄像探头能够近距离观察拍摄内壁问题部位，并上传至操作台处，可以对管道情况有更清楚的掌握和了解。
轮子的两种工作状态如图7和图8所示：
图7老旧管道巡检机器人正常行驶时的形态。
如图4所示，当两前轮处于未转向状态时，后轮驱动电机运行带动后车轴3转动，带动后轮转动，后轮再带动前轮转动，形成正常工作状态。
图8为老旧管道巡检机器人越障行驶时的形态。
如图8所示，当两前轮处于转向状态时，液压马达开始工作，驱动液压传动装置12运行，液压传动装置12控制两边的球形杆件11伸缩，由于球形杆件11与中间连接体10的球形槽固定连接，从而带动两边的前后轮连接架8左右摇摆，前后轮连接架8的摆动进而带动前轮联轴器9往前后轮连接架8相反的方向转动一个相应的角度，前轮联轴器9又带动前轮完成摆动。由此过程，液压马达继续运行，可实现前轮的转向恢复，从而达到让机器人转向同时越过障碍的目的。
可转向减震的老旧管道巡检机器人通过以上所述的工作过程，可以在老旧管道路面平缓的情况下较为快速地行驶、巡检，也可以在老旧管道路面崎岖的情况下轻松跨越石块、碎屑等阻碍行驶的杂物，基本解决了老旧管道巡检过程中机器人行驶困难的问题。并辅以摄像头、热成像仪、多种传感器等元器件，最终实现高效率的老旧管道巡检工作。
Claims (9)
1.一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，其特征在于，包括两个前轮组件、后轮组件、前后轮连接组件、转向机构和摄像模块；
两个前轮组件分别通过对应的前后轮连接组件与后轮组件连接，前轮组件和后轮组件之间设置有转向机构，转向机构的两侧分别与两个前后轮连接组件相连，转向机构上安装有摄像模块；后轮组件用于提供巡检机器人的前进动力，前后轮连接组件用于减震，转向机构通过两个前后轮连接组件为前轮组件提供转向力，前轮组件调整巡检机器人的前进角度后实现巡检机器人的转向。
2.根据权利要求1所述的一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，其特征在于，所述两个前轮组件结构相同，每个前轮组件包括前轮和前轮联轴器(9)；
每个前轮的外侧安装有前轮联轴器(9)，前轮联轴器(9)包括前轮联轴器本体、前轮纵向转轴(17)、前轮横向转轴(19)和前轮轴箱体筋件(20)，前轮联轴器本体的上表面固定安装有前轮纵向转轴(17)，前轮纵向转轴(17)与前后轮连接组件的一端活动连接，前轮轴箱体筋件(20)的一端固定安装在前轮联轴器本体的一侧面，前轮轴箱体筋件(20)另一端的侧面固定安装有前轮横向转轴(19)的一端，前轮横向转轴(19)的另一端与前轮的同轴活动连接，前轮纵向转轴(17)和前轮横向转轴(19)的轴向不处于同一平面且垂直布置。
3.根据权利要求1所述的一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，其特征在于，所述后轮组件包括后轮、后轮联轴器(5)、电机固定箱(1)和后车轴(3)；
两个后轮之间通过后车轴(3)进行同轴连接，后车轴(3)的中部设置有电机固定箱(1)，用于为后轮组件提供前进动力；
每个后轮的外侧安装有后轮联轴器(5)，后轮联轴器(5)与前后轮连接组件的另一端活动连接；后轮联轴器(5)包括后轮联轴器本体、后轮纵向转轴(16)和后轮横向转轴(18)；后轮联轴器本体的上表面固定安装有后轮纵向转轴(16)，后轮联轴器本体的一侧面固定安装有后轮横向转轴(18)，后轮纵向转轴(16)和后轮横向转轴(18)的轴向处于同一平面且垂直布置。
4.根据权利要求1所述的一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，其特征在于，所述前后轮连接组件包括连接固定架(6)、空气减震器(7)和前后轮连接架(8)；
前后轮连接架(8)的两端分别与前轮组件和后轮组件活动连接，前后轮连接架(8)的中部固定安装有连接固定架(6)，连接固定架(6)的侧面与转向机构固定连接，连接固定架(6)上安装有空气减震器(7)，空气减震器(7)用于减震。
5.根据权利要求1所述的一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，其特征在于，所述转向机构包括中间连接杆(10)、球形杆件(11)和液压传动装置(12)；
液压传动装置(12)的两侧分别设置有一根输出杆，液压传动装置(12)两侧的输出杆平行设置且不在同一直线上，液压传动装置(12)两侧的输出杆分别通过对应的球形杆件(11)和中间连接杆(10)与两个前后轮连接组件的中部固定连接，使得两个前后轮连接组件关于液压传动装置(12)左右对称布置。
6.根据权利要求5所述的一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，其特征在于，每个所述中间连接杆(10)的两端分别设置有一根分支杆，每个中间连接杆(10)两端的两根分支杆均与对应的前后轮连接组件的中部固定连接；
每个中间连接杆(10)的一端部的侧面开有球形槽，球形杆件(11)的端部活动安装在球形槽中，其中一个中间连接杆(10)的球形槽开设在前端，另一个中间连接杆(10)的球形槽开设在后端，使得两个前后轮连接组件关于液压传动装置(12)左右对称布置。
7.根据权利要求5所述的一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，其特征在于，所述液压传动装置(12)两侧的输出杆的输出状态独立控制，分别为两侧的前轮组件提供转向力。
8.根据权利要求1所述的一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，其特征在于，所述摄像模块由云台(13)和安装在云台(13)上的检测模块(15)组成，云台(13)固定安装在转向机构上，检测模块(15)包括摄像探头(15-1)、连接刚体(15-2)、连接转体(15-3)、旋转台(15-4)和摄像电机(15-5)；
云台(13)上固定安装有摄像电机(15-5)，摄像电机(15-5)的输出轴与旋转台(15-4)固定连接，旋转台(15-4)上安装有连接转体(15-3)，连接转体(15-3)与连接刚体(15-2)连接，摄像探头(15-1)固定安装在连接刚体(15-2)上。
9.根据权利要求8所述的一种可转向和减震的老旧管道巡检机器人，其特征在于，所述摄像探头(15-1)具体为热成像传感器和摄像机。
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