CN114397305A - 基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人 - Google Patents

Abstract

基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，包括探测头、中控室、驱动装置、从动装置以及定位装置，其中由电机、传动机构、安装板，以及设置在安装板上的驱动臂和变径机构组成的驱动装置位于探测头与中控室之间，从动装置位于中控室的另一侧，从动装置的尾部固联机器人定位装置。本发明的检测模式有二维纹理图像拍摄模式和三维点云扫描模式；二维纹理图像拍摄模式中探测头拍摄管道内纹理图像并在管道轴向上初步定位损伤位置；三维点云扫描模式中探测头扫描得到管道内部三维点云数据；当两种模式结合工作时可以对管道内的损伤情况进行评估和定位，并且针对损伤部位精细扫描，这对管道的使用、维护和寿命评估有重要意义。

Description

基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人

技术领域

本发明涉及管道检测技术领域，特别涉及一种基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人。

背景技术

管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的运输方式，具有运输量大、连续、迅速、经济、安全、可靠以及占地少的优点，被广泛的应用于石油、天然气、生活用水等生产生活物资的输送；随着使用年限增加，管道会因化学腐蚀、机械破坏、管道老化等产生腐蚀、变形、裂纹等损坏，如果检测不及时，会产生严重后果。部分管道因其口径较小，并且安装环境恶劣（地下、高空架设等），检测较为困难。在军工领域，火炮的身管内膛在使用过程中，承受着弹丸的磨损、冲击作用以及高温、高压、高速火药气体的反复烧蚀、冲蚀作用，导致内膛直径逐渐增大，使得火炮的弹道性能受到影响，准确测量火炮身管内部特征对于预测火炮弹道性能的改变量和火炮寿命有着重要的意义。由此可见，管道检测在当今的生活、工业生产以及军工等领域都有着广泛的应用前景。

针对小尺寸管道检测如炮管内膛损伤检测时，接触式检测仪器被广泛使用，如机械星型测径仪：该仪器主要由带有刻度的直管、基本游标尺、定心支撑环、微调螺等组成，测量时将测径杆调整到炮膛直径的公称尺寸，游标尺归零，将仪器从炮口部装入炮膛内，移动带拉杆的手柄，拉杆及锥体使测量头上的量爪向外抵住内膛壁，通过游标尺读取测量值。该仪器使用简单可靠，但需人工操作效率不高，且测量头需与炮管内膛进行接触式测量，会对炮管带来二次损伤。陈宗尧等人在文章“关节履带式管道检测机器人越障性能优化”中设计了一种小体积紧凑型的关节履带式机器人，该管道机器人本体采用关节履带式结构，内部驱动装置选用直流伺服电机，可对机器人的运动速度、方向以及摆臂姿态角等进行精确控制。此机器人可携带摄像装置对管道内部进行摄影测量，具有良好的越障能力，但履带式基本结构使其大小固定，无法适应不同管径管道的检测，针对不同大小的管道需定制大小匹配的机器人，费时费力造成额外的开销。

因此，亟需设计一款可变内径的管道检测机器人以适应各种尺寸管道内壁，实现管道内壁的全自动化、高精度检测。

发明内容

本发明针对当前管道检测的存在的问题，提出一种基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，其特征在于，包括探测头、中控室、驱动装置、从动装置以及定位装置，其中由驱动电机、传动机构、安装板，以及设置在安装板上的驱动臂和变径机构组成的驱动装置位于探测头与中控室之间，从动装置位于中控室的另一侧，从动装置的尾部固联机器人定位装置。

优选为：所述的探测头包括环形激光投射器，投射出的环形激光打在管道内壁上；三个及以上相机沿探测头周向均匀分布，保证相机视野覆盖管道内部环形结构光所在位置周向360°的范围，每个相机拍摄其视野范围内的激光光条并对其提取后进行拼接，实现对管道的扫描；每个相机旁设置有补光灯。

优选为：所述的驱动装置包括与爬行机构同轴的驱动电机，驱动电机转子带动伞齿轮转动，输出的力矩分别通过三根蜗轮蜗杆传递到三条驱动臂底部的宽齿轮，宽齿轮带动两边同轴的直齿轮转动，再通过链条带动驱动臂底部的驱动轮转动，从而带动检测机器人在管道中前进。驱动臂的张开角度通过变径机构调节，以适应不同管径。

所述的蜗轮蜗杆底部为伞齿轮，与电机带动的伞齿轮啮合；头部为蜗杆，与驱动臂底部的宽齿轮啮合；中部由限位孔固定。

优选为：所述的三条驱动臂沿爬行机构周向均匀分布。驱动臂底部为宽齿轮，宽齿轮两侧各有一个直齿轮，为了不影响传动效果，将三个齿轮都固定在驱动臂的转轴上，以保证在调整驱动臂张开角度时，宽齿轮与蜗轮蜗杆相对位置不变，始终能够接触，从而对力矩进行有效传递；宽齿轮转动带动两侧直齿轮转动，再由链条传动至驱动轮两侧的直齿轮，带动驱动轮转动。单电机输出的力矩被同时传递到三个驱动轮处，保证了其运动同步性。驱动臂靠近根部的地方为变径杆。

优选为：所述的变径机构的支撑杆设置于安装板上，支撑杆前半部分为螺杆，后半部分为光滑直杆。转动定位螺帽，在螺杆上移动，改变自适应弹簧的位置；自适应弹簧尾部与三个连接杆一端相接，连接杆的另一端与驱动臂的变径杆连接，弹簧移动时就会带动驱动臂改变张开角度。在管道内遇到障碍时则通过弹簧的伸缩来进行自适应调整。

优选为：所述的从动装置与驱动装置结构基本一致，但不包含电机以及传动机构，只有安装板、从动轮及变径机构。

优选为：所述的机器人定位装置固联在爬行机构尾部，包括一块半透明平面玻璃板，以及一个光点定位相机；半透明平面玻璃板垂直于机身轴线，光点定位相机正对半透明平面玻璃板。管道口放置的激光测距装置与其配合工作。

优选为：所述的中控室内设有核心控制板，用于控制、数据传输以及供电；还设有姿态检测装置，用于实时监控爬行机构姿态，并结合机器人定位装置，对扫描的点云进行修正拼接。

优选为：所述的缺陷检测机器人的检测模式有二维纹理图像拍摄模式和三维点云扫描模式。在二维纹理图像拍摄模式中，探测头拍摄管道内纹理图像，并对其进行损伤缺陷判别及分类，同时结合激光测距装置在管道轴向上初步定位。在三维点云扫描模式中，探测头通过环形结构光发生器以及相机进行管道扫描；通过姿态检测装置以及机器人定位装置对上述扫描所获取的点云数据进行修正拼接，得到管道内部整体的三维点云数据。以上两种模式可以单独工作，也可以结合工作。若将两种模式相结合，则在爬行器到达二维纹理图像拍摄模式获取的损伤缺陷的初定位位置时，可以增加该位置附近的轴向点云扫描密度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明的驱动装置通过齿轮传动设计，只用一个驱动电机同时驱动三条驱动臂，能有效保证驱动臂之间的同步性，避免了因驱动臂运动不同步而导致的缺陷检测机器人机身偏移；本发明的变径机构通过手动以及自适应调节的方法，使机器人能适应不同管径管道，并能自适应避障；本发明的探测头在管道检测的过程中具有两种可供选择的模式，二维纹理图像拍摄模式可以对管道内的损伤进行判别并在管道轴向上初步定位，三维点云扫描模式通过姿态检测装置以及机器人定位装置对获取的点云数据进行修正拼接。两种模式结合工作时，可以对管道缺陷位置进行更高精度扫描，获取该区域稠密点云。由此可知，本发明是一种结构可靠、可以在不同内径管道内稳定行进、并可以对管道内部进行多方位检测的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人。

附图说明

图1为本发明基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人的总体结构示意图；

图2为缺陷检测机器人的探测头部分示意图，其中（a）为探测头正视图，（b）为探测头侧视图；

图3为缺陷检测机器人的变径机构示意图；

图4为缺陷检测机器人的驱动机构示意图；

图5为图4中A处的放大结构示意图；

图6为缺陷检测机器人的尾部定位装置示意图；

图7为缺陷检测机器人在管道中检测的示意图；

图中：1-探测头、2-中控室、3-驱动装置、4-从动装置、5-机器人定位装置、6-相机、7-补光灯、8-环形激光发生器、9-支撑杆、10-定位螺帽、11-自适应弹簧、12-连接杆、13-变径杆、14-安装板、15-驱动电机、16-限位孔、17-宽齿轮、18-直齿轮、19-链条、20-伞齿轮、21-蜗轮蜗杆、22-驱动轮、23-驱动臂、24-驱动臂转轴、25-半透明平面玻璃板、26-光点定位相机、27-激光测距装置、28-测距装置夹持件、29-测距激光、30-被测管道、31-环形激光。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

如图1-6所示，为本发明的一个实施例提供的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，包括探测头1以及中控室2，探测头与中控室之间为驱动装置3，包括驱动电机15、传动机构、安装板14，以及设置在安装板上的驱动臂23和变径机构；中控室的另一侧为从动装置4，从动装置的尾部固联机器人定位装置5，该定位装置与放在管道口的激光测距装置共同确定爬行机构在管道中轴向的位置以及径向偏移。

作为本发明的一种实施例，请参阅图2，缺陷检测机器人的探测头1包括环形激光投射器8，投射出的环形激光打在管道内壁上；三个相机6沿探测头周向均匀分布，并保证每个相机视野覆盖管道内部环形结构光所在位置周向大于120°的范围，每个相机拍摄其视野范围内的激光光条，提取后进行拼接，实现对管道的360°扫描；每个相机旁设置有两个补光灯7。相机和激光投射器都与探测头固联，其相互位置保持不变。

作为本发明的一种实施例，请参阅图4和图5，驱动装置3包括与爬行机构同轴的驱动电机15，驱动电机转子带动伞齿轮20转动，输出的力矩分别通过三根蜗轮蜗杆传递到三条驱动臂底部的宽齿轮17，宽齿轮带动两边同轴的直齿轮18转动，再通过链条19带动驱动臂23底部的驱动轮22转动，从而带动检测机器人在管道中前进。驱动臂的张开角度通过变径机构调节，以适应不同管径。采用伞齿轮改变驱动电机转子输出力矩的传动方向，配合驱动臂的安装角度，更加有效地利用机身的内部空间。

作为本发明的一种实施例，请参阅图5，蜗轮蜗杆21底部为伞齿轮，与电机带动的伞齿轮20啮合；头部为蜗杆，与驱动臂底部的宽齿轮17啮合；中部由限位孔16固定。

作为本发明的一种实施例，请参阅图5，三条驱动臂23沿爬行机构周向均匀分布。驱动臂23底部为宽齿轮17，宽齿轮17两侧各有一个直齿轮18，为了不影响传动效果，将三个齿轮都固定在驱动臂转轴24上，以保证在调整驱动臂张开角度时，宽齿轮17与蜗轮蜗杆21相对位置不变，始终能够接触，从而对力矩进行有效传递；宽齿轮17转动带动两侧直齿轮18转动，再由链条19传动至驱动轮22两侧的直齿轮，带动驱动轮22转动。单个驱动电机15输出的力矩被同时传递到三个驱动轮处，保证了其运动同步性。驱动臂23靠近根部的地方为变径杆13。相较于配置四根及以上的驱动臂，本发明采用三根驱动臂即可实现稳定并驱动机器人的目的，节约用料成本，也易于安装和后期校准。

作为本发明的一种实施例，请参阅图3，变径机构可以通过手动调节，在管道内也有一定的自适应调节能力。变径机构的支撑杆9设置于安装板14上，支撑杆9前半部分为螺杆，后半部分为光滑直杆。转动定位螺帽10，在螺杆上移动，改变自适应弹簧11的位置；自适应弹簧11尾部与三个连接杆12一端相接，连接杆12的另一端与驱动臂23的变径杆13连接，弹簧移动时就会带动驱动臂23改变张开角度。使用时先通过定位螺帽设置好张开角度，在管道内遇到障碍时则通过弹簧的伸缩来进行自适应调整。

作为本发明的一种实施例，请参阅图1，从动装置4与驱动装置3结构基本一致，但不包含电机以及传动机构，只有安装板、从动臂（与驱动臂基本一致，不包含传动机构），以及变径机构，用于辅助爬行机构在管道中行进。

作为本发明的一种实施例，请参阅图6，机器人定位装置5固联在爬行机构尾部，包括一块半透明平面玻璃板25，以及一个光点定位相机26；半透明平面玻璃板垂直于机身轴线，光点定位相机正对半透明平面玻璃板。管道口放置的激光测距装置射出的激光打在半透明平面玻璃板上以后，一部分反射回测距装置，用于对机器人在管道内的轴向定位；另一部分透过半透明平面玻璃板，通过光点定位相机拍摄其在玻璃板上的位置偏移，来计算缺陷检测机器人在管道内的径向偏移。半透明平面玻璃板的半反射半透射特性能够为激光测距装置提供反射光用以测距，同时为另一侧的光点定位相机提供成像信息，紧密配合本发明的技术方案；若采用全透明平面玻璃板或其他完全性质的玻璃板则不能兼顾两套设备的同时使用需求。

作为本发明的一种实施例，请参阅图1，中控室2内设有核心控制板，用于控制爬行机构的驱动电机，控制激光器、相机以及补光灯的工作触发，并与管道外部终端进行数据交互，还用于给整个系统供电；中控室还设有MEMS陀螺仪，用于实时监控爬行机构姿态，并结合机器人定位装置5，对扫描的点云进行修正拼接。

作为本发明的一种实施例，请参阅图7，使用时，首先根据被检测管道30的管径，调整缺陷检测机器人的驱动装置3和从动装置4的变径机构，使其略大于管径。机器人进入管道后，通过中控室2控制驱动电机15带动三条驱动臂，由驱动装置3和从动装置4共同支撑机器人在管道内部行进，在遇到障碍时，通过自适应弹簧11来进行缓冲，保证缺陷检测机器人行进时的平稳性。管道内壁缺陷检测机器人的检测模式有二维纹理图像拍摄模式和三维点云扫描模式。二维纹理图像拍摄模式，中控室2控制探测头1中相机6以及补光灯7触发，拍摄管道内纹理图像；三维点云扫描模式，中控室2控制探测头1中的环形结构光发生器8以及相机6触发，进行扫描，并通过MEMS陀螺仪以及机器人定位装置5对获取的点云数据进行修正拼接，得到管道内部整体的三维点云数据；两种模式结合工作时，可以对管道缺陷位置进行更高精度扫描，获取该区域稠密点云。

本发明设计的机器人在管道中进行测量时，驱动电机转子带动伞齿轮转动，输出的力矩分别通过三根蜗轮蜗杆传递到三条驱动臂底部的宽齿轮，宽齿轮带动两边同轴的直齿轮转动，再通过链条带动驱动臂底部的驱动轮转动，从而带动检测机器人在管道中前进，且变径机构会根据管径不同自动调整驱动臂的张开角度，保证机器人在不同大小的管道中都能稳定工作。在此移动过程中，探测头同步工作对管道内部进行摄影测量，根据不同的检测需求，探测头可仅拍摄二维纹理图，或由环形激光投射器投射环形激光在管道内壁上，对管道内壁进行360°全周点云采样，相机旁的补光灯根据需求进行补光保证获取更好的摄影测量效果。在二维纹理图像拍摄模式中，探测头拍摄管道内纹理图像，并对其进行损伤缺陷判别及分类，同时结合激光测距装置在管道轴向上初步定位；在三维点云扫描模式中，探测头通过环形结构光发生器以及相机进行管道扫描；通过姿态检测装置以及机器人定位装置对上述扫描所获取的点云数据进行修正拼接，得到管道内部整体的三维点云数据；以上两种模式可以单独工作，也可以结合工作；若将两种模式相结合，则在爬行器到达二维纹理图像拍摄模式获取的损伤缺陷的初定位位置时，可以增加该位置附近的轴向点云扫描密度。由此，以本发明设计的管道机器人为基础，结合搭载的探测头和位姿检测模块就可对不同大小管道内壁进行多维度全方位检测，实现管道内壁的全自动化、高精度检测。

需要特别说明的是，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式，以上所述实施例仅表达了本技术方案的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术方案专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，包括探测头、中控室、驱动装置、从动装置以及定位装置，其特征在于：包括驱动电机、传动机构、安装板，以及设置在安装板上的驱动臂和变径机构组成的驱动装置位于探测头与中控室之间，从动装置位于中控室的另一侧，从动装置的尾部固联机器人定位装置。

2.根据权利要求1所述的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，其特征在于，所述的探测头包括环形激光投射器，投射出的环形激光打在管道内壁上；三个及以上的相机沿所述探测头周向均匀分布，保证相机视野覆盖管道内部环形结构光所在位置周向360°的范围，每个相机拍摄其视野范围内的激光光条并对其提取后进行拼接，实现对管道的扫描；每个相机旁设置有补光灯。

3.根据权利要求1所述的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，其特征在于，所述的驱动装置包括与爬行机构同轴的驱动电机，驱动电机转子带动伞齿轮转动，输出的力矩分别通过三根蜗轮蜗杆传递到三条驱动臂底部的宽齿轮，宽齿轮带动两边同轴的直齿轮转动，再通过链条带动驱动臂底部的驱动轮转动，从而带动检测机器人在管道中前进；所述驱动臂的张开角度通过变径机构调节，以适应不同管径。

4.根据权利要求3所述的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，其特征在于，所述的蜗轮蜗杆底部为伞齿轮，与驱动电机带动的伞齿轮啮合，头部为蜗杆，与驱动臂底部的宽齿轮啮合，中部由限位孔固定。

5.根据权利要求3所述的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，其特征在于，所述的三条驱动臂沿爬行机构周向均匀分布；驱动臂底部为宽齿轮，宽齿轮两侧各有一个直齿轮，为了不影响传动效果，将三个齿轮都固定在驱动臂的转轴上，以保证在调整驱动臂张开角度时，宽齿轮与蜗轮蜗杆相对位置不变，始终能够接触，从而对力矩进行有效传递；宽齿轮转动带动两侧直齿轮转动，再由链条传动至驱动轮两侧的直齿轮，带动驱动轮转动；单电机输出的力矩被同时传递到三个驱动轮处，保证了其运动同步性；驱动臂靠近根部的地方为变径杆。

6.根据权利要求3所述的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，其特征在于，所述变径机构的支撑杆设置于安装板上，支撑杆前半部分为螺杆，后半部分为光滑直杆，转动定位螺帽在螺杆上移动，改变自适应弹簧的位置；自适应弹簧尾部与三个连接杆一端相接，连接杆的另一端与驱动臂的变径杆连接，弹簧移动时就会带动驱动臂改变张开角度；在管道内遇到障碍时则通过弹簧的伸缩来进行自适应调整。

7.根据权利要求1所述的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，其特征在于，所述的机器人定位装置固联在爬行机构尾部，包括一块半透明平面玻璃板，以及一个光点定位相机；半透明平面玻璃板垂直于机身轴线，光点定位相机正对半透明平面玻璃板；管道口放置的激光测距装置与其配合工作。

8.根据权利要求1所述的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，其特征在于，所述的中控室内设有核心控制板以及姿态检测装置。

9.根据权利要求1所述的基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人，其特征为：所述姿态检测装置的检测模式有二维纹理图像拍摄模式和三维点云扫描模式；在二维纹理图像拍摄模式中，探测头拍摄管道内纹理图像，并对其进行损伤缺陷判别及分类，同时结合激光测距装置在管道轴向上初步定位；在三维点云扫描模式中，探测头通过环形结构光发生器以及相机进行管道扫描；通过姿态检测装置以及机器人定位装置对上述扫描所获取的点云数据进行修正拼接，得到管道内部整体的三维点云数据；以上两种模式可以单独工作，也可以结合工作；若将两种模式相结合，则在爬行器到达二维纹理图像拍摄模式获取的损伤缺陷的初定位位置时，可以增加该位置附近的轴向点云扫描密度。

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