CN114776936A - 带有撑轮的管道机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种带有撑轮的管道机器人，包括：机身主体；撑轮组件，设置在机身主体上方，包括撑轮、连接组件和舵机；撑轮组件配置为：当管道坡度大于阈值时，撑轮远离机身主体与管道顶壁相抵；当管道坡度变化至小于阈值时，撑轮离开管道顶壁回落至初始位置；所述机身主体配置有：用于检测管道坡度的检测单元，和根据管道倾斜角度控制舵机转动的控制器。机身主体在管道内行进，检测单元将检测到的管道坡度传输至控制器，当管道坡度大于设定的阈值时控制器控制舵机转动，带动撑轮相对机身主体向外张开至撑轮与管道顶壁相抵；管道顶壁为机身主体提供一个向下的反作用力，保证机身主体在斜坡上平稳运行。

Description

带有撑轮的管道机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别是指一种带有撑轮的管道机器人。

背景技术

管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电一体化系统。其中轮式机器人应用最普遍，使用范围也最广。由于地形差异或是铺设需求，有些管道在地下蜿蜒起伏设置，管道机器人在管道内行驶时常会遇到上坡或下坡路况，对管道机器人运行的平稳性要求比较高。如何提高管道机器人在起伏不平的管道内的运行平稳性，成为当前亟需解决的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种带有撑轮的管道机器人，用于提高机器人在管道内的运行平稳性。

本申请是通过以下技术措施来实现的：一种带有撑轮的管道机器人，包括：可在管道内行进的机身主体；撑轮组件，设置在机身主体上方，包括撑轮、连接组件和舵机，舵机通过连接组件调节撑轮与机身主体的相对距离：撑轮组件配置为：当管道坡度大于阈值时，撑轮远离机身主体与管道顶壁相抵；当管道坡度变化至小于阈值时，撑轮离开管道顶壁回落至初始位置；所述机身主体配置有：实时检测管道坡度的检测单元，和根据管道倾斜角度控制舵机转动的控制器。

本申请中，机身主体在管道内行进，检测单元将检测到的管道坡度传输至控制器，控制器判断管道坡度是否大于设定的阈值，若是，则控制器控制舵机转动，舵机通过连接组件带动撑轮相对机身主体向外张开至撑轮与管道顶壁相抵；管道顶壁为机身主体提供一个向下的反作用力，保证机身主体在斜坡上平稳运行；当管道坡度变化至小于设定的阈值时，舵机通过连接组件带动撑轮离开管道顶壁，相对机身主体向内回落至初始位置。

作为优选，所述连接组件包括U型件和轮杆，轮杆前端与撑轮连接，轮杆后端与U型件主臂固定连接；舵机位于U型架两个支臂中间，U型件两个支臂与舵机舵盘固定连接，舵机舵盘转动时驱动U型件转动，轮杆带动撑轮跟随U型件的转动离开或靠近机身主体。

本申请中，舵机固定连接在机身主体上方，舵机舵盘平行于机身主体轴线设置，舵机位于U型架两个支臂中间；支架型的连接方式对应舵机两侧均具有舵盘的结构，双向驱动U型架的起伏，保证撑轮抬起或落下的平稳性。

作为优选，所述撑轮包括轮架和两个轮体；轮架包括十字交叉的轮轴和支架，两个轮体安装在轮轴两端，分别位于支架的两侧；轮杆前端与支架固定连接。

本申请中，两个轮体的设置于管道顶壁形成双向支撑的抵接作用，加大了撑轮与管道顶壁的接触面积，且具有分布性，支撑作用更加明显。

作为优选，所述轮杆与支架的连接位置位于两个轮体中心线的上方。

本申请中，轮杆与支架的连接位置设置在两个轮体中心线的上方使得轮杆前端更靠近轮体上边缘，轮体在管道顶壁运行至靠近管道内焊缝时，轮杆预先与焊缝表面产生接触，起到导向和缓冲的作用，焊缝滑过轮杆后与轮体接触，防止轮体突然遇到焊缝对撑轮结构造成大的冲击。

作为优选，所述轮杆与支架的连接位置与轮体上边缘的最大距离小于管道内焊缝高度。

本申请中，考虑到不同管径的管道焊缝凸起高度不同，最小管径160的管道焊缝凸起高度为2.0mm，因此将轮杆与支架的连接位置与轮体上边缘的最大距离设置为小于2.0mm，该结构应用于其他管径的管道时也同样适用，轮杆可以起到导向和缓冲的作用。

作为优选，所述支架由上到下开设有一槽体，位于槽体两侧的支架表面设有贯穿的安装孔，连接件穿过两侧的连接孔将轮杆前端固定在槽体内，轮杆端部和槽体间设有挡片。

本申请中，轮杆位于槽体内，槽体两侧支架对轮杆起到支撑作用，位于槽体上方的连接件对轮杆产生向下的压紧作用，该结构使得轮杆与支架接触的各个位置都形成紧密连接，有助于轮杆通过支架带动轮体的开合。

作为优选，所述轮体一圈分布有若干孔洞。

本申请中，孔洞设计有助于减轻轮体重量。

作为优选，所述轮杆为具有柔韧性的“一”字型平直杆体。

本申请中，由于撑轮与机身主体的运行轮无法保持同时通过管道焊缝，如果撑轮和机身主体之间采用硬性连接，在遇到同一管道焊缝时，会产生两次抖动，撑轮和机身主体间互相影响，不利于机器人在管道内的平稳运行。轮杆采用柔性杆体有助于缓冲或消解撑轮轮体通过管道焊缝时引起的振动对机身主体的影响，以及机身主体通过管道焊缝时引起的抖动对于撑轮轮体的影响。

作为优选，所述轮杆后端设有加固套环，加固套环一部分伸入U型件主臂，另一部分位于U型件主臂外侧。

本申请中，加固套环的设置有助于减弱轮杆后端直接伸入U型件主臂在U型件主臂表面形成的应力作用，提高轮杆强度。

作为优选，所述坡道为上升坡道。

本申请中，撑轮结构可选的可以只在上升坡道打开，遇到下坡坡道回落或是处于初始位置；或者，在上升坡道和下降坡道都可以打开，只在水平运行或是坡度小于阈值的管道内运行时处于初始位置。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1为带有撑轮的管道机器人示意图；

图2为管道机器人在水平管道内运行示意图；

图3为管道机器人在上坡坡道内运行示意图；

图4为撑轮的控制系统示意图；

图5为撑轮结构示意图；

图6为U型架与舵机分离的示意图；

图7为轮杆示意图；

图8为轮架示意图；

图9为轮体示意图；

图10为轮杆与轮体相对位置示意图（1）；

图11为轮杆与轮体相对位置示意图（2）。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一：

一种带有撑轮的管道机器人，如图1所示，包括：机身主体和安装在机身主体上方的撑轮组件。图1中机身主体结构仅做示例用。如图2所示，机身主体在管道内沿水平方向运行时，撑轮组件处于收纳状态，位于机身主体上方初始位置处；如图3所示，机身主体在管道内行进遇到上坡坡道，且上坡坡道的坡度超过设定的阈值时，撑轮组件打开，抵接在管道顶壁上，为机身主体提供向下的支撑力，使得机身主体的抓地力更强，保证机身主体在管道顶壁和底部内壁的双向支撑作用下通过上坡坡道。遇到下坡坡道时，撑轮收回，控制器通过控制机身主体的运行速度使得机身主体顺利运行。

机身主体在管道内自主行进，或是在其他动力机构的驱动或拖拽作用下在管道内行进。机身主体上配置有：检测单元1001和控制器1002。一种方式下，检测单元采用搭载于机身主体上的IMU惯性传感器，IMU惯性传感器可检测机身主体的俯仰角，以机身主体的俯仰角作为机身主体当前所处坡道的坡度值。检测单元可实现对坡道坡度的实时检测。如图4所示，控制器根据来自检测单元的坡道坡度控制舵机转动，从而调节撑轮与机身主体的相对距离，使得撑轮撑起与管道顶壁相抵。此外，机身主体还为控制器和舵机提供工作电源。

如图5所示，撑轮组件包括撑轮100、连接组件和舵机300，舵机通过连接组件调节撑轮与机身主体的相对距离。撑轮组件配置为：当坡道坡度大于阈值时，撑轮远离机身主体与管道顶壁相抵；当坡道坡度变化至小于阈值或机身主体变为俯身向下（即处于下坡坡道）时，撑轮离开管道顶壁回落至初始位置。实际应用中，该阈值一般设为30°--35°。

连接组件包括轮杆210和U型件220，轮杆前端与撑轮连接，轮杆后端与U型件主臂固定连接。舵机位于U型架两个支臂中间，U型件两个支臂与舵机舵盘310固定连接，舵机舵盘转动时驱动U型件转动，轮杆带动撑轮跟随U型件的转动离开或靠近机身主体。具体地，如图6所示，U型件两个支臂上均设有与舵机舵盘固定连接的卡盘221，卡盘上设有连接小孔，与舵盘上的连接孔通过第二连接件固定连接。本实施例采用适宜扭力大小的舵机，旋转缓慢，适合于撑轮移动范围小的特点。

如图7所示，轮杆210为具有柔韧性的“一”字型平直杆体，在撑轮遇到障碍物（例如焊缝或是管壁附着物）产生颠簸和抖动时，具有柔韧性的杆体产生轻微形变，可以减弱撑轮颠簸对机身主体的影响，同样的当机身主体产生颠簸时也能削弱对撑轮起运行平稳性的影响。轮杆前端设有挡片211，轮杆后端设有加固套环212，加固套环一部分伸入U型件主臂，另一部分位于U型件主臂外侧。

撑轮包括轮架110和两个轮体120。如图8所示，轮架包括十字交叉的轮轴111和支架112，轮轴水平设置，两个轮体安装在轮轴两端，分别位于支架的两侧。支架由上到下开设有一槽体1121，位于槽体两侧的支架表面设有贯穿的安装孔1122，连接件穿过两侧的连接孔将轮杆前端固定在槽体内，轮杆端部和槽体间设有挡片，挡片可以固定设置在轮杆端部，也可以作为单独的连接件与轮杆端部连接。如图9所示，轮体一圈分布有若干孔洞。

为了保证撑轮在管道顶壁遇到焊缝01时前，轮杆能预先与焊缝表面产生接触，使得焊缝滑过轮杆表面后与轮体接触，对后方的撑轮起到导向和缓冲的作用，防止轮体突然遇到焊缝对撑轮结构造成大的冲击，如图3所示。为了实现这一目的，如图10-11所示，轮杆与支架的连接位置A位于两个轮体中心线l的上方，靠近轮体边缘处。进一步地，考虑到不同管径大小的管道其焊缝的凸起高度不尽相同，以SDR11 管材为例，如表1所示，轮杆与支架连接位置的设置要与不同管径下焊缝的凸起高度相适应。以最小管径160mm管道为例，最小的焊缝凸起高度为2.0mm，因此轮杆与支架的连接位置与轮体上边缘的最大距离h小于2.0mm时，可适用于各种管径的管道。

表1 SDR11 管材热熔对接焊接参数

管体公称直径（mm）	焊缝凸起高度（mm）
		160	2.0
180	2.0
		200	2.0
225	2.5
		250	2.5
280	2.5
		315	3.0
355	3.0
		400	3.0
450	3.5
		500	3.5
560	4.0
		630	4.0

实施例2：

本实施例与实施例1的其余部分均相同，不同之处在于机身主体处于下坡坡道且坡度大于第二阈值时，撑轮打开，抵接在管道顶壁上，一方面管道顶壁为机身主体提供向下的支撑力，使得机身主体的抓地力更强，保证机身主体在管道顶壁和底部内壁的双向支撑作用下通过下坡坡道；另一方面加大与管道内壁的摩擦力，起到减速的作用。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种带有撑轮的管道机器人，其特征在于，包括：

可在管道内行进的机身主体；

撑轮组件，设置在机身主体上方，包括撑轮、连接组件和舵机，舵机通过连接组件调节撑轮与机身主体的相对距离：撑轮组件配置为：当机身主体在管道内行进遇到坡道且坡道坡度大于阈值时，撑轮远离机身主体与管道顶壁相抵；当坡道坡度变化至小于阈值时，撑轮离开管道顶壁回落至初始位置；

所述机身主体配置有：用于检测坡道坡度的检测单元，和根据管道坡度控制舵机转动的控制器。

2.根据权利要求1所述的带有撑轮的管道机器人，其特征在于，所述连接组件包括U型件和轮杆，轮杆前端与撑轮连接，轮杆后端与U型件主臂固定连接；U型件两个支臂与舵机舵盘固定连接，舵机舵盘转动时驱动U型件转动，轮杆带动撑轮跟随U型件的转动离开或靠近机身主体。

3.根据权利要求2所述的带有撑轮的管道机器人，其特征在于，所述撑轮包括轮架和两个轮体；轮架包括十字交叉的轮轴和支架，两个轮体安装在轮轴两端，分别位于支架的两侧；轮杆前端与支架固定连接。

4.根据权利要求3所述的带有撑轮的管道机器人，其特征在于，所述轮杆与支架的连接位置位于两个轮体中心线的上方。

5.根据权利要求3所述的带有撑轮的管道机器人，其特征在于，所述轮杆与支架的连接位置与轮体上边缘的最大距离小于管道内焊缝高度。

6.根据权利要求3或4所述的带有撑轮的管道机器人，其特征在于，所述支架由上到下开设有一槽体，位于槽体两侧的支架表面设有贯穿的安装孔，连接件穿过两侧的连接孔将轮杆前端固定在槽体内，轮杆端部和槽体间设有挡片。

7.根据权利要求3所述的带有撑轮的管道机器人，其特征在于，所述轮体一圈分布有若干孔洞。

8.根据权利要求2所述的带有撑轮的管道机器人，其特征在于，所述轮杆为具有柔韧性的“一”字型平直杆体。

9.根据权利要求8所述的带有撑轮的管道机器人，其特征在于，所述轮杆后端设有加固套环，加固套环一部分伸入U型件主臂，另一部分位于U型件主臂外侧。

10.根据权利要求1所述的带有撑轮的管道机器人，其特征在于，所述坡道为上升坡道。

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