CN115076512A - 一种高驱动力的自适应管道检测清理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高驱动力的自适应管道检测清理装置，包括云台单元、运动机构、连接机构和清理单元，所述运动机构包括两组，两组运动机构对称式分布在连接机构两侧且通过连接机构刚性连接在于一起，通过两组运动机构驱动整个装置在管道内部运动，其中一组运动机构的端部连接云台单元、另一组运动机构的端部连接清理单元；该装置采用直轮式驱动装置，通过电机和减速器直接带动驱动轮转动，驱动方式结构简单，故障率低，适合管内长距离作业要求，同时牵引力多驱动轮的分布方式也使得装置具备高驱动力，传动效率高。

Description

一种高驱动力的自适应管道检测清理装置

技术领域

本发明属于狭小空间智能设备、管道清理机器人技术领域，具体涉及一种高驱动力的自适应管道检测清理装置。

背景技术

上世纪中期，随着工业化进程的加快，对石油、天然气等能源的需求越来越大。流体管道作为油气能源的主要输送工具，在城市供水、废水废气排放及油库储运等系统中也得到了广泛的应用。虽然管道输送带给人们很多便利，但随着使用年限的增加，自然破坏、人为干扰或流体腐蚀等多种因素的影响，极易在流体输送过程中发生裂纹或破损等泄漏现象，若不能及时对泄漏管道进行处理处置，一旦发生事故，就会造成严重的经济损失和环境污染，甚至威胁到人民群众的生命安全。现有管道装置驱动方式多采用螺旋式、履带式、步进式等，结构复杂且故障率高，不便于在复杂管道中行走。因此，开发一种高动力输出，低故障率且具有一定自适应能力的管道检测清理装置很有必要。

发明内容

基于上述技术现状，本发明的目的在于提供一种高驱动力的自适应管道检测清理装置，该装置采用直轮式驱动装置，通过电机和减速器直接带动驱动轮转动，驱动方式结构简单，故障率低，适合管内长距离作业要求，同时牵引力多驱动轮的分布方式也使得装置具备高驱动力，传动效率高；而变径部分通过独立的丝杠螺母和步进电机的搭配使本发明的检测清理装置实时适应管道内径变化，增强系统在复杂管道中的适用性。

本发明采用的技术方案如下：一种高驱动力的自适应管道检测清理装置，包括云台单元、运动机构、连接机构和清理单元，所述运动机构包括两组，两组运动机构对称式分布在连接机构两侧且通过连接机构刚性连接在于一起，通过两组运动机构驱动整个装置在管道内部运动，其中一组运动机构的端部连接云台单元、另一组运动机构的端部连接清理单元。

所述云台单元包括摄像头、双轴窄U支架一、舵机和双轴窄U支架二，所述摄像头固定安装在双轴窄U支架一的封闭端处，所述双轴窄U支架一的敞开端通过轴安装在舵机上，以通过舵机驱动所述双轴窄U支架一绕轴能够在径向方向摆动；所述舵机远离摄像头的一端通过双轴窄U支架二安装在运动机构上。

所述运动机构包括相互平行设置的前支撑和后支撑，所述前支撑和后支撑之间设置多根可相对转动的丝杠，所述丝杠限定所述前支撑和后支撑之间的相对距离不变；且所述丝杠伸出后支撑的一端连接步进电机，通过步进电机带动丝杠实现转动；

所述运动机构还包括多个驱动单元，所述驱动单元由两根并排的支撑杆构成主体骨架，支撑杆的一端铰接于所述前支撑的边缘、支撑杆的另一端通过轮轴安装有驱动轮；两根支撑杆中间位置处安装有电机和减速器，所述支撑杆的内侧面还安装有传动齿轮一和圆柱齿轮，所述减速器将电机的动力传递至传动齿轮一；所述轮轴上固定安装有传动齿轮二，所述圆柱齿轮与传动齿轮二啮合，所述传动齿轮一与圆柱齿轮啮合；

所述支撑杆上还铰接有连杆，所述连杆远离支撑杆的一端铰接于丝杠螺母，所述丝杠螺母螺纹配合地套设在所述丝杠上，所述步进电机驱动丝杠转动时，可带动丝杠螺母沿丝杠轴向移动，从而通过连杆驱动支撑杆绕其与前支撑的铰接轴转动，改变驱动轮所在的径向半径，使得驱动轮适应不同管道内径；所述步进电机通过螺栓五安装在电机支架上，多个步进电机均相对固定在电机支架上，以增强装置的结构稳定性。

所述清理单元包括盘式电机、直线电机、伸缩杆和清理刷，所述盘式电机安装在运动机构上，所述直线电机安装在盘式电机的转动外壳上，直线电机的输出轴连接伸缩杆，所述伸缩杆的端部安装清理刷，通过盘式电机带动直线电机周向转动，所述直线电机驱动伸缩杆伸出或缩回以带动清理刷在径向方向上的伸出距离的变化。

进一步的，所述传动齿轮一的轮径大于所述圆柱齿轮的轮径，所述传动齿轮二的轮径略大于或等于圆柱齿轮的轮径且所述传动齿轮二的轮径也小于传动齿轮一的轮径。通过传动齿轮一、圆柱齿轮和传动齿轮二组成传动链，将电机的动力传递至驱动轮，同时通过轮径的尺寸选择，保证较大的传动比，使每个驱动轮均能够提供高驱动力。

进一步的，所述盘式电机上还设置有限位块，所述限位块为固定在盘式电机转动外壳表面的方块结构，其限定直线电机相对于所述转动外壳的位置，以确保直线电机具有良好的受力方向。

所述连接机构包括多块保护板，多块保护板的两端分别固定连接在两组运动机构的后支撑上，以固定两组运动机构之间的相对距离；两组运动机构的步进电机均位于多块保护板构成的空间内，以防护步进电机免受管道内杂质渗入及损伤。

本发明技术方案的优点在于：

1、通过电机带动驱动轮运动，电机设置支撑杆内部，对装置整体体积无影响，各驱动轮相互独立、互不影响，从而增加了装置行走的灵活性，控制精度高、响应速度快；而且变径运动通过步进电机精确控制丝杠的转动来实现，驱动轮的行走运动和变径运动也互不干涉，可以同步进行，增强了装置在管径多变等复杂管道内的适用性。

2、通过圆柱齿轮为中心的齿轮系统传动，几乎不占用空间，同时能够提供大于现有设备的驱动力，使装置管道适应性强，同时传动效率高。

3、采用丝杆螺母进行变径可以保证自适应管道检测清理装置的驱动过程与变径过程同步进行；保证装置在管道中的对中性，丝杠机构具有自锁性能，可以保证轮胎在移动过程中的摩擦力；丝杠螺母机构加工简单，并且有较高的减速比，可以提供较大的摩擦力。

4、通过特定的传感器对管道内的情况进行分析,以丝杆螺母单元实现该装置对不同管径的适应性,大大提高了装置对管道的适应性和越障能力；各个驱动轮独立工作互不影响，可以在不增加其余转向机构的基础上，通过差速控制达到自主转向的功能。

5、云台单元的结构设计使得摄像头具有横向转动自由度，拍摄范围广，能够对管道内的杂质，缺陷，裂纹等情况进行实时图像或视屏的采集和检测，以便能够快速的监测到管道内部状况、精确监测并且检测管道中的杂物。

6、装置整体结构简单，各单元独立工作，互相不影响，故障率低，各单元功能一目了然，维修也更为方便。

附图说明

图1是本发明检测清理装置的立体结构示意图；

图2是本发明检测清理装置的整体结构示意图；

图3是本发明检测清理装置的云台结构示意图；

图4是本发明检测清理装置的运动机构视角一的示意图；

图5是本发明检测清理装置的运动机构视角二的示意图；

图6是本发明检测清理装置的驱动单元结构示意图；

图7是本发明检测清理装置的连接机构结构示意图；

图8是本发明检测清理装置的清理单元结构示意图；

图中：1、云台单元，2、运动机构，3、连接机构，4、清理单元；

11、摄像头，12、双轴窄U支架一，13、轴，14、舵机，15、双轴窄U支架二；

21、固定块，22、圆柱齿轮，23、丝杠螺母，24、连杆，25、螺栓一，26、螺栓二，27、螺栓三，28、传动齿轮一，29、驱动轮，210、轮轴，211、传动齿轮二，212、螺栓四，213、螺栓五，214、后支撑，215、前支撑，216、电机支架，217、步进电机，218、减速器，219、电机，220、刚性联轴器，221、支撑杆，222、丝杠；

41、盘式电机，42、限位块，43、直线电机，44、伸缩杆外壳，45、伸缩杆，46、清理刷。

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是本发明检测清理装置的立体结构示意图，图2是本发明检测清理装置的整体结构示意图，参见图1、图2，本发明的高驱动力的自适应管道检测清理装置，包括云台单元1、运动机构2、连接机构3和清理单元4，所述运动机构2包括两组，两组运动机构2对称式分布在连接机构3两侧且通过连接机构3刚性连接在于一起，其中一组运动机构2的端部连接云台单元1、另一组运动机构2的端部连接清理单元4。

如图3所示，是本发明检测清理装置的云台结构示意图，所述云台单元1包括摄像头11、双轴窄U支架一12、舵机14和双轴窄U支架二15，所述摄像头11固定安装在双轴窄U支架一12的封闭端处，所述双轴窄U支架一12的敞开端通过轴13安装在舵机14上，以通过舵机14驱动摄像头11绕轴13能够在径向方向摆动，确保摄像头11的横向旋转自由度，来保证摄像头至少能够视察检测清理装置前方的整个空间；所述舵机14的远离摄像头11的一端通过双轴窄U支架二15安装在运动机构2上。

图4是本发明检测清理装置的运动机构视角一的示意图，图5是本发明检测清理装置的运动机构视角二的示意图；结合图4、图5对所述运动机构2详细介绍如下：运动机构2包括相互平行设置的前支撑215和后支撑214，所述前支撑215和后支撑214之间设置多根可相对转动的丝杠223，所述丝杠223限定所述前支撑215和后支撑214之间的相对距离不变，具体的，丝杠223与前支撑215之间以及丝杠223与后支撑214之间均设置轴承；所述丝杠223伸出后支撑214的一端通过刚性联轴器224连接步进电机217，通过步进电机217带动丝杠213实现精确转动。

所述运动机构2还包括驱动单元，图6是本发明检测清理装置的驱动单元结构示意图，如图所示，所述驱动单元由两根并排的支撑杆221构成主体骨架，支撑杆221的一端与前支撑215铰接、另一端通过轮轴210安装有驱动轮29，具体的，所述前支撑215边缘位置处通过螺栓四212固定安装有铰链，所述铰链通过螺栓二26形成铰接轴，所述支撑杆221的端部通孔与所述铰链轴铰接；两根支撑杆221中间位置处安装有电机219和减速器218，所述支撑杆221的内侧面还安装有传动齿轮一28和圆柱齿轮22，所述减速器218将电机219的动力传递至传动齿轮一28，所述圆柱齿轮22通过螺栓三27可转动的安装在支撑杆221内侧壁上；所述轮轴210上固定安装有传动齿轮二211，所述圆柱齿轮22与传动齿轮二211啮合，所述传动齿轮一28与圆柱齿轮22啮合，同时在尺寸选择上，所述传动齿轮一28的轮径大于所述圆柱齿轮22的轮径、所述传动齿轮二211的轮径略大于或等于圆柱齿轮22的轮径且小于传动齿轮一28的轮径，通过传动齿轮一28、圆柱齿轮22和传动齿轮二211组成传动链，将电机219的动力传递至驱动轮29，同时通过轮径的尺寸选择，保证较大的传动比，使每个驱动轮29均能够提供高驱动力。所述减速器218的外壳形状设置为与两根支撑杆221相适配的固定块21，以限定两根支撑杆221的结构稳定以及固定安装电机219。

所述支撑杆221上还通过螺栓一25铰接有连杆24，所述连杆24的远离支撑杆221的一端铰接于丝杠螺母23，所述丝杠螺母23螺纹配合地套设于丝杠222上，步进电机217驱动丝杠222转动时，可带动丝杠螺母23沿丝杠222轴向移动，从而通过连杆24驱动支撑杆221绕其与前支撑215的铰接轴转动，改变驱动轮29所在的径向半径；所述步进电机217通过螺栓五213安装在电机支架216上。

所述驱动单元的数量与所述丝杠222的数量相对应，在本实施例中，每组运动机构2包括三个驱动单元，三个驱动单元呈圆周阵列式(间隔120°)分布在前支撑215的外周侧，便于各个驱动轮均匀受力。两组运动机构2通过连接机构3刚性连接在一起，参见附图7，是本发明检测清理装置的连接机构结构示意图，所述连接机构3包括多块保护板，多块保护板的两端分别固定连接在两组运动机构2的后支撑214上，以固定两组运动机构2之间的相对距离，两组运动机构2的步进电机217均位于多块保护板构成的空间内，以防护步进电机免受管道内杂质渗入及损伤。

图8是本发明检测清理装置的清理单元结构示意图，所述清理单元4安装在一组运动机构2的前支撑215上，其具体包括盘式电机41、直线电机43、伸缩杆45和清理刷46，所述盘式电机41安装在运动机构2的前支撑215上，所述直线电机43安装在盘式电机41的转动外壳上，直线电机43的输出轴连接伸缩杆45，所述伸缩杆45的端部安装清理刷46，通过盘式电机41带动直线电机43周向转动，所述直线电机43驱动伸缩杆45伸出或缩回以带动清理刷46在径向方向上的伸出距离的变化，完成对管道内壁清理的目的。

进一步的，所述盘式电机41上还设置有限位块42，所述限位块42为固定在盘式电机转动外壳表面的方块结构，其辅助限定直线电机43相对于所述转动外壳的位置，以确保直线电机43具有良好的受力方向。所述直线电机43端部还设置有伸缩杆外壳44，所述伸缩杆外壳44保护所述伸缩杆45。当进行清扫工作时，直线电机43推动伸缩杆45上下运动，使得清理刷46的刷面或刷毛贴紧在管道内壁上，同时盘式电机41开始旋转，带动整个清理刷46在圆周范围内做圆周运动，完成整个清理过程。

本发明的工作过程为：

当运输管道发生杂质增多或泄漏险情后，需要本发明对管道进行巡检，查看管道运行情况。在管道上开槽搭建装置仓，将本发明的装置放到装置仓中，本发明装置将自动执行管道巡检清理作业。

本发明的装置工作时，先将系统开机，自适应管道检测清理装置将自动进行巡检清理工作。首先：该自适应管道检测清理装置的云台单元1开始运行，舵机14旋转带动双轴窄U支架一12与摄像头11摆动，而后将传感器以及摄像头监测到的数据传输到云端。与此同时变径部分开始工作，调节步进电机217，丝杠222在步进电机217驱动下转动，使得丝杠螺母23沿丝杠222轴向平动，将丝杆222的转动转化为丝杠螺母23的直线运动。丝杠螺母23与支撑杆221、连杆24构成了滑块连杆机构，将丝杠螺母23的直线运动转化为驱动轮29的径向伸缩运动。当丝杠螺母23向前运动时，带动连杆24随动，使得驱动轮29沿着径向方向的距离变小，实现装置对较小管径变化的调整。当丝杠螺母23向后运动时，带动连杆24随动，使得驱动轮29沿着径向方向的距离变大，实现装置对较大管径变化的调整。而后驱动单元开始动作，前后两排驱动轮29与管壁支撑起到支撑作用，电机219通过减速器218驱动与之相连接的传动齿轮一28与圆柱齿轮22、传动齿轮二211，实现装置在管道内的前进运动。当该装置需要向后运动时，电机219反转，实现其后退运动。当巡检到需要清理的部位时，电机219停止转动，相应的装置停止在管道轴向的运动。步进电机217停止转动，使得与之相连的丝杆222停止转动，从而使得丝杠螺母23停止运动，整个机构实现自锁，避免了该装置在管道径向的移动；直线电机43推动伸缩杆45沿径向运动，使清理刷46紧压管壁。同时盘式电机41开始旋转，带动直线电机43做圆周运动，从而带动整个清理刷46在圆周范围内做圆周运动，完成整个清理过程。通过伸缩杆45与直线电机43相配合从而达到适应不同管径，清扫管道时360°旋转，快速清除灰尘，选择柔软的毛刷能减少对管道内壁的损害。当完成巡检清理工作后，电机219反转，实现其后退运动，带动整个装置驶离管道。

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)

1.一种高驱动力的自适应管道检测清理装置，其特征在于，包括云台单元、运动机构、连接机构和清理单元，所述运动机构包括两组，两组运动机构对称式分布在连接机构两侧且通过连接机构刚性连接在于一起，通过两组运动机构驱动整个装置在管道内部运动，其中一组运动机构的端部连接云台单元、另一组运动机构的端部连接清理单元；

所述云台单元包括摄像头、双轴窄U支架一、舵机和双轴窄U支架二，所述摄像头固定安装在双轴窄U支架一的封闭端处，所述双轴窄U支架一的敞开端通过轴安装在舵机上，以通过舵机驱动所述双轴窄U支架一绕轴能够在径向方向摆动；所述舵机远离摄像头的一端通过双轴窄U支架二安装在运动机构上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述运动机构包括相互平行设置的前支撑和后支撑，所述前支撑和后支撑之间设置多根可相对转动的丝杠，所述丝杠限定所述前支撑和后支撑之间的相对距离不变；且所述丝杠伸出后支撑的一端连接步进电机，通过步进电机带动丝杠实现转动；

所述运动机构还包括多个驱动单元，所述驱动单元由两根并排的支撑杆构成主体骨架，支撑杆的一端铰接于所述前支撑的边缘、支撑杆的另一端通过轮轴安装有驱动轮；两根支撑杆中间位置处安装有电机和减速器，所述支撑杆的内侧面还安装有传动齿轮一和圆柱齿轮，所述减速器将电机的动力传递至传动齿轮一；所述轮轴上固定安装有传动齿轮二，所述圆柱齿轮与传动齿轮二啮合，所述传动齿轮一与圆柱齿轮啮合；

所述支撑杆上还铰接有连杆，所述连杆远离支撑杆的一端铰接于丝杠螺母，所述丝杠螺母螺纹配合地套设在所述丝杠上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征还在于，所述传动齿轮一的轮径大于所述圆柱齿轮的轮径，所述传动齿轮二的轮径略大于或等于圆柱齿轮的轮径且所述传动齿轮二的轮径也小于传动齿轮一的轮径。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征还在于，所述驱动单元的数量与所述丝杠的数量相对应。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征还在于，每组运动机构包括三个驱动单元，三个驱动单元呈圆周阵列式分布在前支撑的外周侧。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征还在于，所述清理单元包括盘式电机、直线电机、伸缩杆和清理刷，所述盘式电机安装在运动机构上，所述直线电机安装在盘式电机的转动外壳上，直线电机的输出轴连接伸缩杆，所述伸缩杆的端部安装清理刷，通过盘式电机带动直线电机周向转动，所述直线电机驱动伸缩杆伸出或缩回以带动清理刷在径向方向上的伸出距离的变化。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征还在于，所述盘式电机上还设置有限位块，所述限位块为固定在盘式电机转动外壳表面的方块结构，其限定直线电机相对于所述转动外壳的位置。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征还在于，所述连接机构包括多块保护板，多块保护板的两端分别固定连接在两组运动机构的后支撑上，以固定两组运动机构之间的相对距离。

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