CN115031090A - 一种直轮驱动式管道巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新式结构的管道巡检机器人，包括巡检机构、连接机构、驱动机构、后支撑轮机构、后置检测系统和底盘骨架，所述驱动机构和后支撑轮机构均安装在底盘骨架上，所述巡检机构通过连接机构安装在底盘骨架前端；其重新设计了支撑系统和驱动系统的结构及组合类型，使得本发明的管道巡检机器人不仅能在大角度弯管道和直径变化的管道内行走，又可以在水平面上顺利地爬行，完成作业任务，极大提升了管道巡检机器人的工况适应能力。

Description

一种直轮驱动式管道巡检机器人

技术领域

本发明涉及管道检修设备、管道机器人技术领域，具体涉及一种直轮驱动式管道巡检机器人。

背景技术

管道输送凭借着输送量大、方便快捷、低成本等优势，在国民经济中占有越来越大的比重，已广泛应用于石油、化工、能源、城市供排水、农业灌溉、核工业等领域。然而管道长期处于压力大的恶劣环境中，很容易受到水、油混合物、硫化氢等有害物质的腐蚀。这些管道受蚀后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油、漏气的问题，存在重大安全生产隐患和经济损失，因此研究工程应用中的管道巡检机器人具有很高的实用价值和学术价值。就目前发展现状而言，国内外都在研制各种各样的管道机器人，但是对于大多数的管道爬行机器人，他们有一些共同的不足之处就是不能在底面水平或者大角度弯曲的管道中爬行，只能在单一的管道结构中爬行。所以本发明的目的就是要对其它目前已有的管道爬行机器人进行改进，使改进后的管道爬行机器人不仅能在大角度弯管道和直径变化的管道同时又能在水平面上顺利地爬行和完成作业任务。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新式结构的管道巡检机器人，其重新设计了支撑系统和驱动系统的结构及组合类型，使得本发明的管道巡检机器人不仅能在大角度弯管道和直径变化的管道内行走，又可以在水平面上顺利地爬行，完成作业任务，极大提升了管道巡检机器人的工况适应能力。

本发明采用的技术方案如下：一种直轮驱动式管道巡检机器人，包括：巡检机构、连接机构、驱动机构、后支撑轮机构、后置检测系统和底盘骨架，所述驱动机构和后支撑轮机构均安装在底盘骨架上，所述巡检机构通过连接机构安装在底盘骨架前端；

所述巡检机构主体为行走盘，所述行走盘的外周侧固定连接有多个前支撑轮机构，所述行走盘的前端安装有传感器和前摄像头，所述传感器包括湿度传感器、温度传感器、气体成分检测传感器、测障用的超声波传感器等，可以根据实际的工况进行更换安装，具体的，所述行走盘内部中空，以方便安装传感器及铺设传感器的线路。所述前支撑轮机构由转换螺丝、连接螺丝和轮体组成，所述连接螺丝连接在行走盘外周面上，其内部安装有长弹簧，所述转换螺丝连接在所述连接螺丝远离行走盘的端部的中孔内，所述长弹簧可推动转换螺丝远离所述连接螺丝或复位，所述轮体可转动地安装在所述转换螺丝远离连接螺丝的端部。

所述连接机构包括回转舵机、回转舵机支架、滑台和滑块，所述回转舵机通过舵机壳固定安装在底盘骨架的前端，所述回转舵盘可带动回转舵机支架左右摆动运动；所述滑台呈竖直方向地固定安装在所述回转舵机支架上，所述滑块可上下滑动调节位置地安装在所述滑台上，所述滑块与巡检机构的行走盘固定连接，通过滑块上下滑动调节位置可调节所述行走盘在竖直方向上的位置，所述回转舵机可通过舵盘带动行走盘左右摆动；

所述驱动机构安装在底盘骨架上，所述驱动机构包括左右对称布置在底盘骨架两侧的两个调角舵机，所述调角舵机通过舵盘安装行走轮系统，从而可通过调角舵机调整两个行走轮系统之间的张合角度，具体的，所述调角舵机固定安装在支座上，所述支座为L形结构，每个调角舵机的两侧均固定有一个支座，所述支座的L形结构的一个支臂用于与调角舵机固定连接，另一支臂与所述底盘骨架弹性的安装在一起。所述支座的L形结构的另一支臂与底盘骨架之间通过六角头螺栓和螺母配合安装，且所述六角头螺栓位于支座与底盘骨架之间的位置处套设有短弹簧，所述短弹簧使得调角舵机与行走轮系统组成的整体相对于底盘骨架具备一定幅度的变径效果。所述驱动机构还包括舵机盖，所述舵机盖留有一定空隙的盖覆在所述调角舵机的上方，且所述舵机盖与底盘骨架之间固定连接，起到保护调节舵机的作用。

所述行走轮系统包括轮架、驱动轮和电机，所述轮架用于安装驱动轮，其端部通过U形架固定安装在所述调角舵机的舵盘上，所述电机对应驱动轮的轮轴位置处安装在所述轮架的侧面，通过电机带动驱动轮运动。在其他实施例中，在整个驱动机构中，每个驱动轮以一组电机驱动，每组电机包括两个，两个电机分别安装在轮架的两侧，驱动机构采用调角舵机连接行走轮系统并控制两组行走轮系统之间的夹角大小，从而改变两个驱动轮之间的夹角，实现对不同管道内径的适应性调节，如当管径较小时，两组行走轮系统之间夹角调小，而当管径逐渐变大时，控制调角舵机调整两组行走轮系统之间的夹角变大，在调角舵机及支座结构影响下起到延长轮架的效果，从而适应变大的管径。爬出管道后，两个驱动轮通过调角舵机调节角度自动降落与平面接触，实现平直路面爬行检测。

所述后置检测系统包括舵机云台和后摄像头，所述舵机云台固定安装在底盘骨架的后端，所述后摄像头安装在舵机云台上，由舵机云台控制后摄像头的转动角度。舵机云台可以左右360度旋转，同时俯仰角度大约为95度，可以很好的完成监测工作。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明的管道巡检机器人可以自适应爬行弯管和水平面，能通过改变调角舵机的旋转角度适应不同弯度的管道，走出管道之后能继续在水平路面上爬行检测，工况适应能力强。

2、驱动机构与底盘骨架的连接中有短弹簧的存在，可以实现一定的变径效果，配合巡检机构和后支撑轮系统的变径能力，使得本发明的管道巡检机器人系统具有很强的越障能力。

3、驱动机构使驱动轮表面相切于管道内壁，使其自适应管道变化，巡检机构作为头部与回转舵机的连接可实现机器人的转弯。

4、本发明中，采用万向轮及长弹簧配合的方式作为支撑结构，拥有一定的变径范围，使管道机器人能适应更狭窄的管道。

5、本发明中，巡检机构与驱动机构共同连接在底盘骨架上，并使用驱动轮驱动，整体上来讲具有结构简单、操作方便、综合性价比高的优势。

6、本发明中管道检测机器人后方安装有后置检测系统，可以实现左右旋转360度，俯角95度的全方位摄像，使得检测更加全面。

7、本发明中管道巡检机器人中巡检机构中的行走盘设计为穿孔式的结构，安放前摄像头并穿线，且内部提供了足够的空间安装各种其他温度、湿度等传感器、和电源，减少机器人的总体重量。

附图说明

图1是本发明管道巡检机器人的整体结构示意图；

图2是本发明管道巡检机器人的巡检机构的结构示意图；

图3是本发明巡检机构中前支撑轮机构的结构示意图；

图4是本发明管道巡检机器人的连接机构的结构示意图；

图5是本发明管道巡检机器人的驱动机构的结构示意图；

图6是本发明驱动机构中行走轮系统的结构示意图；

图7是本发明管道巡检机器人的后置检测系统的结构示意图；

图8是本发明管道巡检机器人在直管中巡检示意图；

图9是本发明管道巡检机器人在弯管中过弯巡检示意图；

图10是本发明管道巡检机器人在水平面巡检示意图；

图中：1、巡检机构，2、连接机构，3、驱动机构，4、后支撑轮机构，5、后置检测系统，6、底盘骨架，7、管道，8、弯管，9、水平道路；

11、前支撑轮机构，12、行走盘，13、传感器，14、前摄像头；111、万向轮，112、转换螺丝，113、连接螺丝，114、长弹簧；

21、滑块，22、滑台，23、导轨垫片，24、回转舵机支架，25、舵机壳，26、回转舵机，27、舵盘；

31、行走轮系统，32、调角舵机，33、舵机盖，34、六角头螺栓，35、螺母，36、短弹簧，37、支座；311、电机，312、轮架，313、驱动轮；

51、舵机云台，52、后摄像头。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明管道巡检机器人的整体结构示意图，如图所示，本发明的直轮驱动式管道巡检机器人包括：巡检机构1、连接机构2、驱动机构3、后支撑轮机构4、后置检测系统5和底盘骨架6，所述驱动机构3和后支撑轮机构4均安装在底盘骨架6上，所述巡检机构1通过连接机构2安装在底盘骨架6前端，且所述巡检机构1相对于底盘骨架6可上下移动及左右摆动。

所述巡检机构1负责整个机器人前端的支撑和变径功能，其具体结构如图2所示，图2是本发明管道巡检机器人的巡检机构的结构示意图，所述巡检机构1主体为行走盘12，所述行走盘12的外周侧固定连接有多个前支撑轮机构11，所述行走盘12的前端安装有传感器13和前摄像头14，所述传感器13包括湿度传感器、温度传感器、气体成分检测传感器、测障用的超声波传感器等，可以根据实际的工况进行更换安装。所述前支撑轮机构11由转换螺丝112、连接螺丝113和轮体组成，所述连接螺丝113连接在行走盘12外周面上，其内部安装有长弹簧114，所述转换螺丝112连接在所述连接螺丝113远离行走盘12的端部的中孔内，所述长弹簧114可推动转换螺丝112远离所述连接螺丝113或复位，所述轮体可转动地安装在所述转换螺丝112远离连接螺丝113的端部；其具体结构参见图3，所述轮体可选用与管道机器人相适配的转轮，优选的，本实施例中所述轮体为万向轮111，以使前支撑轮机构11适应任何方向的变向运动。

在本发明中，附图示出了行走盘12外周侧安装有四个前支撑轮机构11的实施例，在本实施例中，对应管道巡检机器人的正下方的方向和正上方的方向各设置有一个前支撑轮机构11，另外两个前支撑轮机构11以与朝向正下方的前支撑轮机构11间隔60°的角度设置在该朝向正下方的前支撑轮机构11的两侧，如此设置，使得巡检机构1不仅可完全适应管道内部的行走环境，实现变径及转向功能，且使得本发明的巡检机器人在平面上也可以稳定平衡的行走。

图4是本发明管道巡检机器人的连接机构的结构示意图，如图所示，所述连接机构2包括回转舵机26、回转舵机支架24、滑台22和滑块21，所述回转舵机26通过舵机壳25固定安装在底盘骨架6的前端，所述回转舵机支架24为U型架，其敞开的一端与所述回转舵机26的舵盘27连接在一起，以使得回转舵盘26可带动回转舵机支架24左右摆动运动；所述滑台22呈竖直方向地固定安装在所述回转舵机支架24上，所述滑块21可滑动调节位置地安装在所述滑台22上，所述滑块21与巡检机构1的行走盘12固定连接，通过滑块21上下滑动调节位置可调节所述行走盘12在竖直方向上的位置，所述回转舵机26可通过舵盘27带动行走盘12左右摆动。

图5是本发明管道巡检机器人的驱动机构的结构示意图，所述驱动机构3安装在底盘骨架6上，具体的，所述驱动机构3包括左右对称布置的两个调角舵机32，所述调角舵机32通过舵盘安装行走轮系统31，从而可通过调角舵机32调整两个行走轮系统31之间的张合角度，每一个调角舵机32均固定安装在支座37上，所述支座37为L形结构，每个调角舵机32的两侧均固定有一个支座37，所述支座37的L形结构的另一支臂与所述底盘骨架6弹性的安装在一起，参见图5，所述支座37的L形结构的另一支臂与底盘骨架6之间通过六角头螺栓34和螺母35配合安装，且所述六角头螺栓34位于支座37与底盘骨架6之间的位置处套设有短弹簧36，所述短弹簧36使得调角舵机32与行走轮系统31组成的整体相对于底盘骨架6具备一定幅度的变径效果。所述驱动机构3还包括舵机盖33，所述舵机盖33留有一定空隙的盖覆在所述调角舵机32的上方，且所述舵机盖33与底盘骨架6之间固定连接，起到保护调节舵机的作用。

参见图6，所述行走轮系统31包括轮架312、驱动轮313和电机311，所述轮架312用于安装驱动轮313，其端部通过U形架固定安装在所述调角舵机32的舵盘上，所述电机311对应驱动轮313的轮轴位置处安装在所述轮架312的侧面，通过电机311带动驱动轮313运动，所述电机311的输出轴与轮轴之间安装减速器或其他传动结构。在其他实施例中，在整个驱动机构3中，每个驱动轮313以一组电机驱动，每组电机包括两个，两个电机311分别安装在轮架312的两侧，驱动机构3采用调角舵机32连接行走轮系统31并控制两组行走轮系统31之间的夹角大小，从而改变两个驱动轮313之间的夹角，实现对不同管道内径的适应性调节，如当管径较小时，两组行走轮系统31之间夹角调小，而当管径逐渐变大时，控制调角舵机32调整两组行走轮系统31之间的夹角变大，在调角舵机32及支座31结构影响下起到延长轮架312的效果，从而适应变大的管径。

图7是本发明管道巡检机器人的后置检测系统的结构示意图，如图所示，所述后置检测系统5包括舵机云台51和后摄像头52，所述舵机云台51固定安装在底盘骨架6的后端，所述后摄像头52安装在舵机云台51上，由舵机云台51控制后摄像头52的转动角度。优选的，所述后摄像头52具备360°的圆周转动角度和70°～100°的俯仰角度。

下面结合图8-10对本发明的管道巡检机器人的工作过程进一步介绍如下：

图8是本发明管道巡检机器人在直管中巡检示意图，该状态下，先将系统开机，再根据管道7的直径，使用上位机调整管道巡检机器人两侧的调角舵机32，调角舵机32上的支架开始转动，同时带动着两侧行走轮系统31上的驱动轮313形成一定的夹角，以使管道巡检机器人适应管道的管径。进入管道7时，管道巡检机器人的巡检机构1中行走盘12上的前支撑轮系统11先进入，前支撑轮系统11上面的万向轮111会被自动弹开，弹开原理就是前支撑轮系统11中的长弹簧114向外推动转换螺丝112，转换螺丝112会将万向轮111压紧至管道7内壁面，当万向轮111与管道7内壁紧挨时产生足够的弹力和摩擦力，以此来使管道巡检机器人的巡检机构1可以起到支撑的作用以及向前或向后移动。当管道巡检机器人放入管道7后，我们通过单片机给与底盘骨架6上驱动机构3连接的调角舵机32通电，让调角舵机32难以转动，在两个调角舵机32保持不变时，支架就会保持固定的角度，底盘骨架6上驱动机构3就可以驱使整个管道巡检机器人稳定行驶在管道7内。

在管道巡检机器人进入管道7后，检测也开始进行，巡检机构1的行走盘12上安装的前摄像头14以及后置检测系统5上的后摄像头52可以将管道中的全部状况传输给上位机，同时巡检机构1中的行走盘12内部安装的各类传感器13也开始运作，检测管道中温度、气体成分和湿度等情况。

在行走过程中遇见障碍物时，各前支撑轮系统11中的转换螺丝112连接的长弹簧114以及驱动机构3与底盘骨架6相连接处的六角头螺栓34上连接着的短弹簧36，这些弹簧共同作用可以使得整个机构具有一定的变径范围，以此来达到越障的目的。

图9是本发明管道巡检机器人在弯管中过弯巡检示意图，在该状态时，先将系统开机，再根据管道7的直径，使用上位机调整管道巡检机器人两侧的调角舵机32，调角舵机32上的支架开始转动，同时带动着两侧行走轮系统31上的驱动轮313形成一定的夹角，以使管道巡检机器人适应不同的管径。当自适应管道巡检机器人放入管道7后，我们通过单片机给与底盘骨架6上驱动机构3连接的调角舵机32通电，让调角舵机32难以转动，在两个调角舵机32保持不变时，支架就会保持固定的角度，底盘骨架6上驱动机构3就可以驱使整个管道巡检机器人稳定行驶在管道7内。一直到管道巡检机器人开始经过弯管8时，两侧的调角舵机32依旧保持不变，而管道巡检机器人的连接机构2中的回转舵机26则需要使用上述的上位机发送命令断电，即放开回转舵机26转动度的锁定，让回转舵机26能够在过弯时随弯度自行转过一定的角度。过弯时，管道巡检机器人的巡检机构1率先进入弯道8，而后巡检机构1通过连接机构2带动着底盘骨架6随着管道角度的变化自行转动，最后使得管道巡检机器人的驱动单元3等顺利通过弯道。

在管道巡检机器人进入弯道后，检测也一直进行，巡检机构1的行走盘12上安装的前摄像头14以及后置检测系统5上的后摄像头52可以将管道中的全部状况传输给上位机，同时巡检机构1中的行走盘12内部安装的各类传感器13也开始运作，检测管道中温度、气体成分和湿度等情况。

在行走过程中遇见障碍物时，各前支撑轮系统11中的转换螺丝112下方的长弹簧114以及驱动机构3与底盘骨架6相连接处的六角头螺栓34上连接着的短弹簧36，这些弹簧可以使得整个机构具有一定的变径范围，以此来达到越障的目的。

图10是本发明管道巡检机器人在水平面巡检示意图，管道巡检机器人在水平道路9上行走时，不需考虑管道直径。为了管道巡检机器人在水平道路9上稳定行驶，工作时，先将系统开机，使用上位机调整管道巡检机器人两侧的调角舵机32，调角舵机32上的支架开始转动，带动着两驱动轮313转动到基本平行。同时，与在直管道7内行驶的情况一致，我们要给与巡检机构1连接的回转舵机26和与驱动机构3连接的调角舵机32通电，使两机构在行驶时无法轻易摆动，此时两驱动机构3上的驱动轮313与巡检机构1中间的前支撑轮系统11成三角形放置在水平道路9上，从而使机器人稳定地行驶在水平道路9上。管道巡检机器人在水平道路转弯时，我们通过电机311控制两侧驱动轮313的正反转，实现机器人不同方向的转弯。例如，在管道巡检机器人左转时，我们控制左侧驱动轮反转，右侧驱动轮正转，使两驱动轮间形成差速，从而实现左转。

管道巡检机器人行驶时，还能通过安装于巡检机构1前端的超声波传感器13实现避障。检测当机器人与障碍物之间的距离小于一定值时，机器人主动转向，并再次测量机器人与它前面物体间的距离，直到机器人找到没有障碍物的方向，从而实现避障。

在管道巡检机器人启动后，检测也开始进行，巡检机构1的行走盘12上安装的前摄像头14以及后置检测系统5上的后摄像头52可以将水平面上的全部状况传输给上位机，同时巡检机构中的行走盘12内部安装的各类传感器13也开始运作，检测水平面上温度、气体成分和湿度等情况。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种等效结构或等效流程的修改或变形，或直接或间接运用到其他相关的技术领域，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种直轮驱动式管道巡检机器人，其特征在于，包括：巡检机构、连接机构、驱动机构、后支撑轮机构、后置检测系统和底盘骨架，所述驱动机构和后支撑轮机构均安装在底盘骨架上，所述巡检机构通过连接机构安装在底盘骨架前端；

所述巡检机构主体为行走盘，所述行走盘的外周侧固定连接有多个前支撑轮机构，所述行走盘的前端安装有传感器和前摄像头；所述前支撑轮机构由转换螺丝、连接螺丝和轮体组成，所述连接螺丝连接在行走盘外周面上，其内部安装有长弹簧，所述转换螺丝连接在所述连接螺丝远离行走盘的端部的中孔内，所述长弹簧可推动转换螺丝远离所述连接螺丝或复位，所述轮体可转动地安装在所述转换螺丝远离连接螺丝的端部；

所述连接机构包括回转舵机、回转舵机支架、滑台和滑块，所述回转舵机通过舵机壳固定安装在底盘骨架的前端，所述回转舵盘可带动回转舵机支架左右摆动运动；所述滑台呈竖直方向地固定安装在所述回转舵机支架上，所述滑块可上下滑动调节位置地安装在所述滑台上，所述滑块与巡检机构的行走盘固定连接，通过滑块上下滑动调节位置可调节所述行走盘在竖直方向上的位置，所述回转舵机可通过舵盘带动行走盘左右摆动；

所述驱动机构安装在底盘骨架上，所述驱动机构包括左右对称布置在底盘骨架两侧的两个调角舵机，所述调角舵机通过舵盘安装行走轮系统，从而可通过调角舵机调整两个行走轮系统之间的张合角度，

所述行走轮系统包括轮架、驱动轮和电机，所述轮架用于安装驱动轮，其端部通过U形架固定安装在所述调角舵机的舵盘上，所述电机对应驱动轮的轮轴位置处安装在所述轮架的侧面，通过电机带动驱动轮运动。

2.根据权利要求1所述的管道巡检机器人，其特征还在于，所述传感器包括湿度传感器、温度传感器、气体成分检测传感器、超声波传感器的一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的管道巡检机器人，其特征还在于，所述轮体为万向轮。

4.根据权利要求1所述的管道巡检机器人，其特征还在于，所述调角舵机固定安装在支座上，所述支座为L形结构，每个调角舵机的两侧均固定有一个支座，所述支座的L形结构的一个支臂用于与调角舵机固定连接，另一支臂与所述底盘骨架弹性的安装在一起。

5.根据权利要求4所述的管道巡检机器人，其特征还在于，所述支座的L形结构的另一支臂与底盘骨架之间通过六角头螺栓和螺母配合安装，且所述六角头螺栓位于支座与底盘骨架之间的位置处套设有短弹簧，所述短弹簧使得调角舵机与行走轮系统组成的整体相对于底盘骨架具备一定幅度的变径效果。

6.根据权利要求1所述的管道巡检机器人，其特征还在于，每个驱动轮以一组电机驱动，每组电机包括两个，两个电机分别安装在轮架的两侧。

7.根据权利要求1所述的管道巡检机器人，其特征还在于，所述驱动机构还包括舵机盖，所述舵机盖留有一定空隙的盖覆在所述调角舵机的上方，且所述舵机盖与底盘骨架之间固定连接，起到保护调节舵机的作用。

8.根据权利要求1所述的管道巡检机器人，其特征还在于，所述后置检测系统包括舵机云台和后摄像头，所述舵机云台固定安装在底盘骨架的后端，所述后摄像头安装在舵机云台上，由舵机云台控制后摄像头的转动角度。

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