CN114709747A - 自适应异形空间电缆管道巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开自适应异形空间电缆管道巡检机器人，涉及管道巡检设备技术领域，包括机架前段和机架后段；所述机架前段和所述机架后段之间非刚性连接；所述机架前段和所述机架后段的两侧分别设置有一侧支撑结构，所述机架前段和所述机架后段的顶部分别设置有一顶支撑结构；所述机架前段和所述机架后段上分别设置有一固定结构；所述所述机架前段和所述机架后段之间通过一传动结构实现相对转动。本发明中的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，不摩擦接触电缆，同时在排管内有障碍物或电缆排布复杂的情况，通过轴向旋转运动，使机器人通过在不接触电缆的情况下顺利继续前进，完成测温任务。

Description

自适应异形空间电缆管道巡检机器人

技术领域

本发明涉及管道巡检设备技术领域，特别是涉及自适应异形空间电缆管道巡检机器人。

背景技术

越来越多的城市或人口密集区采用地下电缆输配电方式取代架空输电线路。在有利于城市美观的同时，地下电缆通道可以容纳多回线路，输送容量的适应性增强，避免了雷电、风雨、盐雾、污秽等自然环境对电缆的影响，提高了供电的可靠性。现在排管敷设是一种将电缆敷设于地下管道的安装方式，适用于城市交通比繁忙，地下走廊比较拥挤，敷设条数较多的地段。绝缘电力电缆以其自身的诸多优点在电网中的使用量越来越大。电缆穿管敷设成为城市电网的重要组成部分。但是，在城市电网运行维护过程中对管内电缆定期巡检或不定期故障排查，目前采用较多的是人工定期停电检修的方式，这种方式存在着停电带来经济损失大、客户用电中断，检修任务繁重等缺点。

近年来，城市电力输送越来越多地采用地下电缆敷设的形式，电缆线芯温度是电缆的一个重要参数。当电缆满负荷运行时，线芯温度往往已达到允许温度；电缆一旦超过负荷，线芯温度将急剧上升，高于允许温度，由此加速电缆绝缘老化，甚至发生绝缘介质热击穿，最后导致电缆火灾的发生。如果能在事故发生的早期提前进行预警并迅速采取措施，将能有效地避免此类事故的发生。

管道机器人应运而生，现有的管道机器人多适用于形状比较规则的圆形直管道，且机器人体积较大，无法适应于异形狭窄的空间，所以不能在地下电缆排管内进行自主行走与温度测量。并且现有的管道机器人大多只进行管道清理工作，较少涉及温度的采集与传输。

受现场环境影响，排管敷设导致电缆不能充分散热，造成电缆本体温度升高，可能加快绝缘老化的速度和缩短电缆使用寿命，给线路运行和维护带来了诸多不便。如何将电缆运行温度和电缆载流量影响程度平衡，是一个迫切需要解决的问题。因此，研发一款自适应异形空间电缆管道巡检机器人显得尤为重要。

电缆在运行过程中，电缆载流量与线芯温度、电缆表皮温度及绝缘层绝缘状态间存在密切而复杂的关联关系。

目前针对已敷设排管内电缆温度监测的手段及方法详见CN 111805561 A，该技术方案中管道测温机器人包括：支撑装置、驱动装置、测温装置、连接装置和控制装置，控制装置控制机器人在异形窄小腔体内的行走与启停，测温装置设置在连接装置前段上，能够对电缆温度进行测温，在电缆仅位于排管底部中心位置时，能实现机器人在地下电缆排管内自主行走并且对电缆温度进行检测。

现有技术方案的机器人在检测过程中，机器人会与排管内电缆摩擦接触，会在一定程度上损伤电缆，而且该方案的机器人只能在排管内电缆位于排管底部中心位置时前行运动，常规排管内电缆不可能一直处于排管底部中心位置，同时排管内不可避免有石头等障碍物，该技术方案当遇到电缆偏离排管底部中心时或有障碍物时无法使该机器人旋转以达到合适的位置继续前进。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供自适应异形空间电缆管道巡检机器人，能够在异形腔体内部不接触排管内电缆运动，同时在遇到排管内电缆未位于排管底部中心或有障碍物时可旋转到合适位置继续前进运动。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供自适应异形空间电缆管道巡检机器人，包括机架前段和机架后段；所述机架前段和所述机架后段之间非刚性连接；所述机架前段和所述机架后段的两侧分别设置有一侧支撑结构，所述机架前段和所述机架后段的顶部分别设置有一顶支撑结构；所述机架前段和所述机架后段上分别设置有一固定结构；所述所述机架前段和所述机架后段之间通过一传动结构实现相对转动。

可选的，所述机架前段和所述机架后段的底部设置有向内凹陷的避让槽，所述避让槽用于避免所述机架前段和所述机架后段与排管内的电缆接触。

可选的，所述机架前段和所述机架后段之间采用绳索或链条连接。

可选的，所述侧支撑结构包括侧全向轮、侧支架和侧弹性机构；所述侧支架一端与所述机架前段或所述机架后段的侧面相连接，所述侧弹性机构设置于所述侧全向轮和所述侧支架之间。

可选的，所述侧弹性机构包括侧上段腿和侧下段腿；所述侧上段腿一端与所述侧支架相连接，所述侧下段腿一端与所述侧全向轮相连接；所述侧上段腿的另一端和所述侧下段腿的另一端滑动连接，所述侧上段腿的另一端和所述侧下段腿的另一端之间设置有侧弹簧。

可选的，所述顶支撑结构包括顶驱动、顶全向轮、导向板、顶支架和顶弹性机构；所述顶支架的底部设置于所述机架前段或所述机架后段的上部，所述顶弹性机构设置于所述导向板底部和所述顶支架顶部之间；所述导向板与所述机架前段或所述机架后段滑动连接；所述顶全向轮可转动的设置于所述导向板上；所述顶驱动与所述顶全向轮传动连接。

可选的，所述顶弹性机构包括顶上段腿和顶下段腿；所述顶上段腿一端与所述导向板的底部相连接，所述顶下段腿一端与所述顶支架的顶部相连接，所述顶上段腿的另一端和所述顶下段腿的另一端滑动连接，所述顶上段腿的另一端和所述顶下段腿的另一端之间设置有顶弹簧。

可选的，所述固定结构包括橡胶活塞、电磁铁固定外壳和电磁铁；所述电磁铁固定外壳与所述机架前段或所述机架后段相连接，所述电磁铁顶部的活动端与所述橡胶活塞相连接，所述电磁铁用于驱动所述橡胶活塞向外延伸使所述橡胶活塞顶压排管的内壁。

可选的，所述传动结构包括内驱动、差速器、前半轴和后半轴；所述内驱动与所述差速器的主动齿轮传动连接，所述后半轴一端与所述差速器的后侧齿轮传动连接，所述前半轴一端与所述差速器的前侧齿轮传动连接，所述后半轴的另一端与所述机架后段相连接，所述前半轴的另一端与所述机架前段相连接。

可选的，所述机架前段底部设置有测温探头，所述测温探头用于检测电缆温度。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.解决了已敷设电缆的排管内空间异性且狭小，两电缆井之间的电缆难以实现人工温度检测的问题；

2.解决了在已敷设电缆的排管内情况下，通过管道巡检机器人实现对电缆运行温度的检测问题；

3.本发明解决了针对已敷设排管内有障碍物或电缆排布复杂的情况下，管道巡检机器人无法继续直行的问题；

4.本发明中的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，不摩擦接触电缆，同时在排管内有障碍物或电缆排布复杂的情况，通过轴向旋转运动，使机器人通过在不接触电缆的情况下顺利继续前进，完成测温任务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人在排管内的使用状态结构示意图；

图2为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人的结构示意图；

图3为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人的内部结构示意图；

图4为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人的内部结构俯视示意图；

图5为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人中机架后段的结构示意图；

图6为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人中侧支撑结构的结构示意图；

图7为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人中顶支撑结构的结构示意图；

图8为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人中测温探头的结构示意图；

图9为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人中传动结构的结构示意图；

图10为本发明自适应异形空间电缆管道巡检机器人中传动结构的俯视结构示意图。

附图标记说明：1、排管；2、巡检机器人；3、电缆；

21、机架前段；22、侧支撑结构；23、防护板；24、机架后段；25、固定结构；26、传动结构；27、顶支撑结构；28、摄像装置；29、测温探头；30、控制装置；

221、侧支架；222、侧上段腿；223、侧下段腿；224、侧全向轮；

261、从动齿轮；262、主动齿轮；263、内驱动；264、固定支撑柱；265、前半轴；266、后半轴；267、后侧齿轮；268、前侧齿轮；

271、顶驱动；272、顶全向轮；273、导向板；274、顶上段腿；275、顶下段腿；276、顶支架；

281、测温支架；282、固定螺母；283、测温探头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至10所示，本实施例提供自适应异形空间电缆管道巡检机器人，包括机架前段21和机架后段24；机架前段21和机架后段24之间非刚性连接；机架前段21和机架后段24的两侧分别设置有一侧支撑结构22，机架前段21和机架后段24的顶部分别设置有一顶支撑结构27；机架前段21和机架后段24上分别设置有一固定结构25；机架前段21和机架后段24之间通过一传动结构26实现相对转动。

于本具体实施例中，机架前段21和机架后段24的底部设置有向内凹陷的避让槽，避让槽用于避免机架前段21和机架后段24与排管1内的电缆3接触。更具体的，机架后段24的结构如图5所示，机架前段21的结构与机架后段24的结构相同，也可以是轴对称或中心对称结构，机架前段21或机架后段24的截面为月牙形，弧度较小的一端为底部，作为避让电缆3的避让槽使用。

机架前段21和机架后段24之间采用链条连接。在机架前段21与机架后段24之间，通过链条和铁钩进行连接，使机架前段21与机架后段24既可以共同行驶或停止，也可以进行一定角度的相对转动。

侧支撑结构22包括侧全向轮224、侧支架221和侧弹性机构；侧支架221一端与机架前段21或机架后段24的侧面相连接，侧弹性机构设置于侧全向轮224和侧支架221之间。侧弹性机构包括侧上段腿222和侧下段腿223；侧上段腿222一端与侧支架221相连接，侧下段腿223一端与侧全向轮224相连接；侧上段腿222的另一端和侧下段腿223的另一端滑动连接，侧上段腿222的另一端和侧下段腿223的另一端之间设置有侧弹簧。侧弹簧用于调整侧全向轮224与机架前段21或机架后段24之间的距离，使巡检机器人2能够适应不同管径的排管1，并具有一定的减震和避障作用。

顶支撑结构27包括顶驱动271、顶全向轮272、导向板273、顶支架276和顶弹性机构；顶支架276的底部设置于机架前段21或机架后段24的上部，顶弹性机构设置于导向板273底部和顶支架276顶部之间；导向板273与机架前段21或机架后段24滑动连接；顶全向轮272可转动的设置于导向板273上；顶驱动271与顶全向轮272传动连接。顶弹性机构包括顶上段腿274和顶下段腿275；顶上段腿274一端与导向板273的底部相连接，顶下段腿275一端与顶支架276的顶部相连接，顶上段腿274的另一端和顶下段腿275的另一端滑动连接，顶上段腿274的另一端和顶下段腿275的另一端之间设置有顶弹簧。顶弹簧用于调整顶全向轮272伸出的距离，使顶全向轮272压紧排管1内顶壁，与两侧的侧全向轮224组成三点定位，使巡检机器人2能够在排管1内壁上距离排管1内底部一定距离，并通过顶驱动271使巡检机器人2能够沿排管1行走。顶驱动271采用步进电机。

固定结构25包括橡胶活塞、电磁铁固定外壳和电磁铁；电磁铁固定外壳与机架前段21或机架后段24相连接，电磁铁顶部的活动端与橡胶活塞相连接，电磁铁用于驱动橡胶活塞向外延伸使橡胶活塞顶压排管1的内壁。电磁铁通电产生磁力时，使橡胶活塞伸出，橡胶活塞的顶部顶住排管1的内壁，防止机架前段21或机架后段24转动达到所在机身固定作用。

传动结构26包括内驱动263、差速器、前半轴265和后半轴266；差速器包括从动齿轮261、主动齿轮262、后侧齿轮267和前侧齿轮268，其具体连接方式及结构为现有技术，在此不再赘述；内驱动263与差速器的主动齿轮262传动连接，后半轴266一端与差速器的后侧齿轮267传动连接，前半轴265一端与差速器的前侧齿轮268传动连接，后半轴266的另一端与机架后段24相连接，前半轴265的另一端与机架前段21相连接。内驱动263采用步进电机。由于前半轴265的长度较长，为了避免前半轴265中部下沉，在前半轴265的上设置两个固定支撑柱264，固定支撑柱264一端与机架前段21或机架后段24相连接，另一端与前半轴265之间通过轴承连接。

机架前段21底部设置有测温探头283，测温探头283用于检测电缆3温度。更具体的，测温探头283通过固定螺母282设置于测温支架281上，测温支架281设置于机架前段21的底部。

机架前段21前端设置有摄像装置28。机架前段21内设置有控制装置30。机架后段24上设置有电池模块。电池模块与控制装置30电连接，摄像装置28、测温装置、顶驱动271和内驱动263均与控制装置30电连接。

机架前段21和机架后段24上部均设置有防护板23，顶支撑结构27和固定结构25均贯穿防护板23。

当巡检机器人2处于环境较好(无障碍物，排管1内电缆3基本处于底部中心位置)的电缆3排管1中，只驱动顶驱动271带动巡检机器人2运动即可，此时四个侧全向轮224在两个顶全向轮272的带动下转动，从而带动整个巡检机器人2前行。顶驱动271的驱动过程如下：控制装置30中的主控板向顶驱动271步进电机驱动器发送脉冲信号，顶驱动271步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，驱动顶驱动271步进电机的出轴向同一方向转动一个固定的角度，出轴转动一个角度从而带动与出轴相连的顶全向轮272转动，当顶驱动271步进电机驱动器不断接收到主控板发出的脉冲信号，顶驱动271步进电机的出轴就朝着一个方向不停转动，从而带动顶全向轮272紧压着管壁开始行走，顶全向轮272带动侧全向轮224，从而带动整个机器人开始行走。主控板通过控制是否向顶驱动271步进电机驱动器发送脉冲信号来控制步进电机的转动与否，从而控制机器人的启停，主控板通过控制脉冲信号的频率来控制电机转动的速度，从而对巡检机器人2进行调速。

当巡检机器人2处于环境较差(有障碍物，排管1内电缆3未处于底部中心位置)的电缆3排管1中，断开顶驱动271步进电机，驱动内驱动263步进电机带动巡检机器人2轴向运动。内驱动263步进电机的驱动过程如下：主控板向内驱动263步进电机驱动器发送脉冲信号，内驱动263步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动内驱动263步进电机的出轴向同一方向转动一个固定的角度，出轴转动一个角度从而带动与出轴相连的主动齿轮262转动，当内驱动263步进电机驱动器不断接收到主控板发出的脉冲信号，内驱动263步进电机的出轴就朝着一个方向不停转动，从而带动传动结构26前半轴265或后半轴266转动，与前半轴265或后半轴266相连的机架上固定的顶全向轮272和侧全向轮224压着管壁开始转动，从而带动机器人前端或后端开始旋转。主控板通过控制是否向内驱动263步进电机驱动器发送脉冲信号来控制内驱动263步进电机的转动与否，从而控制机器人前段或后段旋转，主控板通过控制脉冲信号的频率来控制内驱动263步进电机转动的速度，从而对机器人轴向进行旋转调速。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，包括机架前段和机架后段；所述机架前段和所述机架后段之间非刚性连接；所述机架前段和所述机架后段的两侧分别设置有一侧支撑结构，所述机架前段和所述机架后段的顶部分别设置有一顶支撑结构；所述机架前段和所述机架后段上分别设置有一固定结构；所述所述机架前段和所述机架后段之间通过一传动结构实现相对转动。

2.根据权利要求1所述的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，所述机架前段和所述机架后段的底部设置有向内凹陷的避让槽，所述避让槽用于避免所述机架前段和所述机架后段与排管内的电缆接触。

3.根据权利要求1所述的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，所述机架前段和所述机架后段之间采用绳索或链条连接。

4.根据权利要求1所述的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，所述侧支撑结构包括侧全向轮、侧支架和侧弹性机构；所述侧支架一端与所述机架前段或所述机架后段的侧面相连接，所述侧弹性机构设置于所述侧全向轮和所述侧支架之间。

5.根据权利要求4所述的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，所述侧弹性机构包括侧上段腿和侧下段腿；所述侧上段腿一端与所述侧支架相连接，所述侧下段腿一端与所述侧全向轮相连接；所述侧上段腿的另一端和所述侧下段腿的另一端滑动连接，所述侧上段腿的另一端和所述侧下段腿的另一端之间设置有侧弹簧。

6.根据权利要求1所述的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，所述顶支撑结构包括顶驱动、顶全向轮、导向板、顶支架和顶弹性机构；所述顶支架的底部设置于所述机架前段或所述机架后段的上部，所述顶弹性机构设置于所述导向板底部和所述顶支架顶部之间；所述导向板与所述机架前段或所述机架后段滑动连接；所述顶全向轮可转动的设置于所述导向板上；所述顶驱动与所述顶全向轮传动连接。

7.根据权利要求6所述的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，所述顶弹性机构包括顶上段腿和顶下段腿；所述顶上段腿一端与所述导向板的底部相连接，所述顶下段腿一端与所述顶支架的顶部相连接，所述顶上段腿的另一端和所述顶下段腿的另一端滑动连接，所述顶上段腿的另一端和所述顶下段腿的另一端之间设置有顶弹簧。

8.根据权利要求1所述的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，所述固定结构包括橡胶活塞、电磁铁固定外壳和电磁铁；所述电磁铁固定外壳与所述机架前段或所述机架后段相连接，所述电磁铁顶部的活动端与所述橡胶活塞相连接，所述电磁铁用于驱动所述橡胶活塞向外延伸使所述橡胶活塞顶压排管的内壁。

9.根据权利要求1所述的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，所述传动结构包括内驱动、差速器、前半轴和后半轴；所述内驱动与所述差速器的主动齿轮传动连接，所述后半轴一端与所述差速器的后侧齿轮传动连接，所述前半轴一端与所述差速器的前侧齿轮传动连接，所述后半轴的另一端与所述机架后段相连接，所述前半轴的另一端与所述机架前段相连接。

10.根据权利要求1所述的自适应异形空间电缆管道巡检机器人，其特征在于，所述机架前段底部设置有测温探头，所述测温探头用于检测电缆温度。

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