CN117267519A - 自主行走式管网探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主行走式管网探测机器人，包括电子仓和行走装置，电子仓内置控制系统和丝杆电机，行走装置包括支架、变径机构和行走轮组，其中支架上依次套设有主动滑套、从动滑套、丝杆支撑座和弹簧，上述变径机构包括多个轮臂、支撑杆及丝杆、丝杆电机，上述行走轮组包括位于轮臂前端部的行走轮和行走轮电机，本发明采用间接驱动的变径方式，通过丝杆驱动主动滑套，主动滑套通过弹簧柔性推动从动滑套，进而推动支撑杆张开，使轮臂径向伸展，带动行走轮接触管壁并自主行走，该变径方式能提供较好的减震避震效果，保证了电子仓内各探测元件的稳定及数据的采集精度，也提高了机器人的行走安全性和可靠性。

Description

自主行走式管网探测机器人

技术领域

本发明涉及到智能管网检测技术领域，尤其涉及到一种适应性好、行走灵活及时的自主行走式管网探测机器人。

背景技术

新建基础管线采用非开挖施工已成为主流技术，但由于施工水平和工艺等因素，管道轨迹往往与设计轨迹存在较大差异，特别是竣工后的测量技术滞后，致使地下管线工程竣工资料、数据和管线实际空间位置坐标误差较大，不利于地下管线管理和利用，因此准确掌握竣工管道的地下空间位置十分重要，它不仅是评价工程质量的指标，而且能为后续新建管线的轨迹设计和施工提供依据，以避免管线相交或重叠，同时，使用过程中的管线内部情况也需要及时准确的掌握。

目前管道轨迹采集技术和管道内部情况测量情况一般是通过管线测绘仪等无损探测设备或装置进行数据采集，利用基于电子罗盘的探测设备或装置在管内行走，将探测的数据通过无线或有线方式传输给上位机处理并计算出三维轨迹，但通过电缆传输数据过程中会受到环境磁场的干扰，造成方位数据失准，测量精度降低，因此其只适用于无异常磁场干扰的环境中。针对这一问题，行业内提出了采用姿态传感器进行轨迹测量的技术，利用姿态传感器测量管道的坐标轨迹，基于光纤陀螺仪技术避免环境磁场的干扰，如专利CN201711019623.3、一种用于测量管道三维姿态及长度的设备和专利CN201510369061.X、一种探测装置所公开的技术方案，包括电子仓和前后支架的装置结构，将惯性测量单元设置于电子仓内，通过前后支架的径向伸展来调节使得轮子始终与管道壁紧密接触，自适应管壁内径自动张缩，保持探测器的稳定前行性和测量的准确性，该类结构遇到管径变化较大时，扶正支架的伸展范围较小，无法满足管径的变化，而且由于没有动力装置，使得装置的行走灵活性和及时性得不到满足，使用时间长了轮子的使用寿命也会缩短。

发明内容

本发明主要解决上述存在的技术问题；提供了一种适应性好、行走灵活及时的自主行走式管网探测机器人。

为了解决上述存在的技术问题，本发明主要是采用下述技术方案：

本发明的一种自主行走式管网探测机器人，用于管道的探测，所述探测机器人包括：

电子仓，内置控制系统和丝杆电机；

行走装置，用于支撑并驱动电子仓的行走，包括结构相同且分别位于电子仓前部和后部的前行走装置和后行走装置，所述前行走装置包括支架、变径机构和行走轮组；

支架，包括多根沿电子仓中轴线环布且与电子仓中轴线平行的导杆，上述导杆的一端固接于电子仓端板上，导杆另一端悬空并固设有一设备平台，支架上从内到外依次套设有主动滑套、从动滑套和丝杆支撑座，所述主动滑套和从动滑套沿导杆滑移，所述丝杆支撑座与导杆固定，主动滑套中央设有与丝杆螺纹相适配的螺纹孔，从动滑套中央设有容纳丝杆穿越的通孔，主动滑套与从动滑套之间的导杆上分别套设有弹簧，所述弹簧的一端与主动滑套固接，弹簧的另一端与丝杆支撑座固接；

变径机构，包括多个沿电子仓中轴线环布的轮臂、支撑杆及丝杆、丝杆电机，所述轮臂的一端铰接于上述电子仓端部，轮臂的另一端悬空，上述支撑杆的一端与轮臂中部铰接，另一端与从动滑套铰接且随从动滑套移动，所述丝杆电机置于电子仓内且与控制系统电连接，所述丝杆位于电子仓的中轴线上，上述丝杆电机的输出轴与丝杆端部连接并驱动丝杆转动，丝杆另一端与上述丝杆支撑座连接；

行走轮组，包括多个与轮臂一一对应且沿电子仓中轴线均布的行走轮和行走轮电机，行走轮固设于轮臂的悬空端，行走轮的轮缘抵靠管道的内壁，上述行走轮电机与控制系统电连接并驱动行走轮；

变径机构采用间接驱动的方式，丝杆驱动主动滑套平移，主动滑套通过弹簧柔性间接推动从动滑套平移，进而驱动并调节支撑杆的开启角度，使轮臂径向伸展，带动行走轮紧密接触管道内壁并自主行走，该变径方式间接调整并控制行走装置的径向伸展尺寸，在保证较大变径范围情况下，能最大程度缩短行走装置的长度，从而提高机器人的通过性，而丝杆与从动滑套之间的柔性连接，能提供较好的减震避震效果，行走轮受到的震动或跳动冲击将被弹簧所吸收，不会硬性传递至电子仓内，保证了电子仓内各探测元件的稳定及数据的采集精度，同时，机器人在过坎或焊缝或异物时也能通过弹簧的弹性变形而微调轮臂的径向伸展尺寸，提高了机器人行走安全性和可靠性。

作为优选，所述后行走装置的行走轮组还包括里程轮，所述里程轮替换其中一个轮臂悬空端上的行走轮，里程轮的轮缘抵靠管道内壁，里程轮与控制系统电连接，在后行走装置上设置里程轮，可及时记录探测机器人在管道内的行走距离，便于了解并控制探测机器人。

作为优选，所述轮臂和支撑杆均为三件，三件轮臂和三件支撑杆均环绕电子仓中轴线间隔120°均布，所述前行走装置中的行走轮组包括三个前行走轮和三个行走轮电机，所述后行走装置中的行走轮组包括二个行走轮、二个行走轮电机和一个里程轮，行走轮电机和里程轮均与电子仓内的控制系统电连接，三个均布的行走轮设计，保证了行走过程的稳定性。

作为优选，所述轮臂呈多段式弧形结构，其弧形朝外，轮臂设计成弧形结构可以使轮臂具有更大的伸展变径范围，收拢后径向尺寸更小，具备更好的通过性，不容易被异物卡住，同时，拱起的结构既避开了中间的滑块、支撑座等结构件，也具备更好的抗外部冲击和挤压能力。

作为优选，所述支撑杆为多段拼接式结构，采用多段式结构，可扩大行走装置的变径调节范围，当管道直径变化超出丝杆调节范围时，可适当增加或减小支撑杆的长度，达到更大的变径要求，适应性更好。

作为优选，所述支撑杆上设有力矩传感器，所述力矩传感器与控制系统电连接，力矩传感器可实时检测支撑杆的受力信息并传输给控制系统，通过控制系统能及时调整变径机构，进而调节传动轮对管壁的抵紧力，保证行走轮与管壁之间具有合适的摩擦力和行走力，达到安全行走和紧急避障的目的。

作为优选，位于电子仓前端的设备平台上设有包括摄像头、照明灯、水位感应器、激光测距雷达中的一件或数件，上述摄像头、照明灯、水位感应器、激光测距雷达均与所述控制系统电连接，在前端设备平台设置一种或多种探测设备，在工作过程中能有针对性的对管道环境进行探测，如摄像头和照明灯可实时采集管道前方的影像信息，供操作人员查看，水位感应器能检测管道内积水，激光测距雷达可探测管道内的障碍物，上述探测设备既提高了探测精度和可靠性，也保证了探测机器人的使用安全和延长机器人的使用寿命。

作为优选，位于电子仓后端的设备平台上设有红外探测器，上述红外探测器与所述控制系统电连接，在后端设备平台上设置红外探测器，当机器人退出管道时能及时检测到管口位置信息，准确控制探测机器人在管口的停止，防止探测机器人从管口跌落，保证了使用的安全性。

作为优选，所述丝杆电机为步进电机，保证变径过程的准确性。

本发明的有益效果是：变径机构采用间接驱动的方式，丝杆驱动主动滑套平移，主动滑套通过弹簧推动从动滑套平移，进而驱动并调节支撑杆的开启角度，使轮臂径向伸展，带动行走轮紧密接触管道内壁，间接调整并控制行走装置的径向伸展尺寸，该变径方式在保证较大变径范围情况下，能最大程度缩短行走装置的长度，从而提高机器人的通过性，而丝杆与从动滑套之间的柔性连接，能提供较好的减震避震效果，行走轮受到的震动或跳动冲击将被弹簧所吸收，不会硬性传递至电子仓内，保证了电子仓内各探测元件的稳定及数据的采集精度，同时，机器人在过坎或焊缝或异物时也能通过弹簧的弹性变形而微调轮臂的径向伸展尺寸，提高了机器人的行走安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是图1局部结构的放大示意图。

图中1.电子仓，2.导杆，3.设备平台，4.主动滑套，5.从动滑套，6.丝杆支撑座，7.弹簧，8.轮臂，9.支撑杆，10.丝杆，11.行走轮，12.行走轮电机，13.里程轮。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的自主行走式管网探测机器人，用于地下管道的检测，如图1和图2所示，所述探测机器人包括：

电子仓1，内置控制系统和丝杆电机，上述丝杆电机为步进电机；

行走装置，用于支撑并驱动电子仓的行走，包括结构相同且分别位于电子仓前部和后部的前行走装置和后行走装置，所述前行走装置包括支架、变径机构和行走轮组；

支架，包括三根沿电子仓中轴线间隔120°均布且与电子仓中轴线平行的导杆2，上述导杆的一端固接于电子仓端板上，导杆另一端悬空并安装有一设备平台3，支架上从内到外依次套设有主动滑套4、从动滑套5和丝杆支撑座6，主动滑套和从动滑套可沿导杆滑移，丝杆支撑座与导杆固定不动，主动滑套中央设计有与丝杆螺纹相适配的螺纹孔，丝杆旋转可驱动主动滑套平移，从动滑套中央设计有容纳丝杆穿越的通孔，主动滑套与从动滑套之间的导杆上分别套装有弹簧7，弹簧的一端与主动滑套固接，弹簧的另一端与丝杆支撑座固接，主动滑套通过弹簧驱动从动滑套在导杆上平移；

变径机构，包括三个沿电子仓中轴线间隔120°均布的轮臂8、支撑杆9及丝杆10、丝杆电机，上述轮臂呈多段式弧形结构，其弧形朝外，轮臂的一端铰接于电子仓端部，轮臂的另一端悬空，上述支撑杆的一端与轮臂中部铰接，另一端与从动滑套铰接且随从动滑套平移，丝杆电机安装在电子仓内且与控制系统电连接，丝杆位于电子仓的中轴线上，丝杆电机的输出轴与丝杆端部连接并驱动丝杆转动，丝杆另一端穿越主动滑套和从动滑套与上述丝杆支撑座连接；

行走轮组，包括三个与轮臂一一对应且沿电子仓中轴线间隔120°均布的行走轮11和行走轮电机12，行走轮安装在轮臂的悬空端，行走轮的轮缘抵紧并接触管道内壁，上述行走轮电机与控制系统电连接并驱动行走轮；

其中前行走装置中的行走轮组包括三个前行走轮和三个行走轮电机，后行走装置中的行走轮组包括二个行走轮、二个行走轮电机和一个里程轮13，行走轮电机和里程轮均与电子仓内的控制系统电连接。

其中位于电子仓前端的设备平台上安装有摄像头、照明灯、水位感应器和激光测距雷达，上述摄像头、照明灯、水位感应器和激光测距雷达均与电子仓内的控制系统电连接，位于电子仓后端的后端设备平台上设有红外探测器，上述红外探测器与所述控制系统电连接。

使用时，先打开控制系统，操纵丝杆电机反向旋转，丝杆驱动主动滑套向电子仓方向平移，带动从动滑套也向电子仓方向平移，支撑杆回缩并减小支撑杆开合角度，轮臂下移缩拢，此时，操作人员可方便将缩拢后的探测机器人整体放入需要探测的管道中，再次打开控制系统，控制系统控制探测机器人运行，丝杆电机正向旋转，丝杆驱动主动滑套向电子仓方向反向平移，带动从动滑套也反向平移，支撑杆前移顶伸并增大开合角度，轮臂径向伸展，使行走轮紧密接触管壁，完成探测机器人在管道内的定位和行走准备，继续，控制系统根据程序要求并结合前端设备平台上的摄像头拍摄的影像信息、水位感应器采集的水位信息及激光测距雷达采集的管道内部物体信息，综合判断并控制行走轮电机，驱动行走轮旋转，使探测机器人开始在管道内自主行走并进行探测，同时，里程轮记录并传输探测机器人的行走距离。

如行走过程中碰到如焊缝或异物等障碍时，由于弹簧作用，行走轮推动轮臂下压并带动支撑杆挤压弹簧，使支撑杆回缩，减小了轮臂的径向尺寸，使得行走轮可继续翻坡前行，当越过障碍时，弹簧压缩力可推动从动滑套反向伸展，带动支撑杆前移，进而驱动轮臂伸展，使得行走轮重新贴紧管壁继续自主行走。

当完成探测工作后，控制系统启动行走轮反向旋转，使探测机器人沿管道退回，此时，红外探测器开始监测管道的管口位置信息并传输至控制系统，当探测机器人退至管口时，红外探测器发出到达管口信息，控制系统及时控制并停止行走轮，完成整个探测任务。

在本发明的描述中，技术术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“内”、“外”等表示方向或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述和理解本发明的技术方案，以上说明并非对本发明作了限制，本发明也不仅限于上述说明的举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、增添或替换，都应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自主行走式管网探测机器人，用于管道的检测，其特征在于，所述探测机器人包括：

电子仓(1)，内置控制系统和丝杆电机；

行走装置，用于支撑并驱动电子仓的行走，包括结构相同且分别位于电子仓前部和后部的前行走装置和后行走装置，所述前行走装置包括支架、变径机构和行走轮组；

支架，包括多根沿电子仓中轴线环布且与电子仓中轴线平行的导杆(2)，上述导杆的一端固接于电子仓端板上，导杆另一端悬空并固设有一设备平台(3)，支架上从内到外依次套设有主动滑套(4)、从动滑套(5)和丝杆支撑座(6)，所述主动滑套和从动滑套沿导杆滑移，所述丝杆支撑座与导杆固定，主动滑套中央设有与丝杆螺纹相适配的螺纹孔，从动滑套中央设有容纳丝杆穿越的通孔，主动滑套与从动滑套之间的导杆上分别套设有弹簧(7)，所述弹簧的一端与主动滑套固接，弹簧的另一端与丝杆支撑座固接；

变径机构，包括多个沿电子仓中轴线环布的轮臂(8)、支撑杆(9)及丝杆(10)、丝杆电机，所述轮臂的一端铰接于上述电子仓端部，轮臂的另一端悬空，上述支撑杆的一端与轮臂中部铰接，另一端与从动滑套铰接且随从动滑套移动，所述丝杆电机置于电子仓内且与控制系统电连接，所述丝杆位于电子仓的中轴线上，上述丝杆电机的输出轴与丝杆端部连接并驱动丝杆转动，丝杆另一端与上述丝杆支撑座连接；

行走轮组，包括多个与轮臂一一对应且沿电子仓中轴线均布的行走轮(11)和行走轮电机(12)，行走轮固设于轮臂的悬空端，行走轮的轮缘抵靠管道的内壁，上述行走轮电机与控制系统电连接并驱动行走轮。

2.根据权利要求1所述的自主行走式管网探测机器人，其特征在于：所述后行走装置的行走轮组还包括里程轮(13)，所述里程轮替换其中一个轮臂悬空端上的行走轮(11)，里程轮的轮缘抵靠管道内壁，里程轮与控制系统电连接。

3.根据权利要求2所述的自主行走式管网探测机器人，其特征在于：所述轮臂(8)和支撑杆(9)均为三件，三件轮臂和三件支撑杆均环绕电子仓中轴线间隔120°均布，所述前行走装置中的行走轮组包括三个前行走轮(11)和三个行走轮电机(12)，所述后行走装置中的行走轮组包括二个行走轮、二个行走轮电机和一个里程轮(13)，行走轮电机和里程轮均与电子仓内的控制系统电连接。

4.根据权利要求1所述的自主行走式管网探测机器人，其特征在于：所述轮臂(8)呈多段式弧形结构，其弧形朝外。

5.根据权利要求1或4所述的自主行走式管网探测机器人，其特征在于：所述支撑杆(9)为多段拼接式结构。

6.根据权利要求1所述的自主行走式管网探测机器人，其特征在于：所述支撑杆(9)上设有力矩传感器，上述力矩传感器与控制系统电连接。

7.根据权利要求1所述的自主行走式管网探测机器人，其特征在于：位于电子仓前端的设备平台(3)上设有包括摄像头、照明灯、水位感应器、激光测距雷达中的一件或数件，上述摄像头、照明灯、水位感应器、激光测距雷达均与所述控制系统电连接。

8.根据权利要求1或7所述的自主行走式管网探测机器人，其特征在于：位于电子仓后端的设备平台(3)上设有红外探测器，上述红外探测器与所述控制系统电连接。

9.根据权利要求1所述的自主行走式管网探测机器人，其特征在于：所述丝杆电机为步进电机。