CN205938338U - 螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人 - Google Patents

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郑建明
李旭波
刘敏
杨翔
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西安理工大学
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Abstract

本实用新型公开了一种螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,包括依次连接的螺旋式牵引装置、电源装置及图像获取装置;螺旋式牵引装置与电源装置之间通过一个螺旋弹簧相连,电源装置与图像获取装置之间通过另一个螺旋弹簧相连,螺旋式牵引装置中设置有三组在空间呈螺旋线布置的变径驱动机构。本实用新型的螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人能够自适应管径发生微小变化的情况并越过微小障碍,对中小直径的90°极限弯道和竖直管道都能具有良好的通过性。

Description

螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人
技术领域
[0001] 本实用新型属于管道检测设备技术领域,具体涉及一种螺旋式管道内壁缺陷图像 获取机器人。
背景技术
[0002] 在工业与民用领域存在各种各样的石油、天然气管道,这些管道在长期使用过程 中,由于化学腐蚀、机械破坏、老化等原因会引起腐蚀、变形、裂纹等管道损坏现象,如未能 及时检测出,有可能会引发管道泄露等事故,造成经济损失甚至威胁人身安全。然而,管道 大部分都埋于地下,不仅自身直径较小,且管线分布复杂,使得管道的探测和维修十分困 难,因而如果能够开发出一种管道机器人来帮助工人完成管道检测和探伤工作,将会大大 提高管道的寿命和使用安全性。
[0003] 目前,国内外对管道机器人的研究众多,一般认为,法国工程师J. VRERTUT是最早 开展管道机器人理论和样机研究的,他于1978年提出了轮腿式管内机器人,后来人们在此 基础上进行了大量研究,开发出了多种结构的管道机器人。按照其运动方式,管道机器人可 分为:轮式管道机器人、履带式管道机器人、懦动式管道机器人、螺旋式管道机器人等。轮式 管道机器人在直管中具有效率高、运动平稳等优点,但其遇到弯管或者不规则管道时会发 生运动干涉问题,严重限制了轮式管道机器人的应用;履带式管道机器人的支撑面积大、牵 引力大、越野性能好,能适应复杂的管道,但其结构复杂、在直径较小的管道内灵活性较差; 蠕动式管道机器人的移动机构设计巧妙,但其结构复杂、驱动机构多、较难控制;螺旋式管 道机器人通过旋转体的螺旋运动实现轴向运动,其结构紧凑、控制简单、弯曲管道通过性 好,在保持大牵引力的条件下可进一步微小化。然而,目前现有技术中应用的螺旋式管道机 器人大都机构复杂、传动机构繁琐、工作效率不高,对管道半径发生变化的情况适应性也较 差,且大多数管道机器人主要应用于直线管道或曲率半径较大的弯道,对现实生活中常常 出现的90°极限弯道通过性能较差,而且大部分都是运行于口径大于100mm的大管径管道, 而实际工程中应用较广泛的带直角弯道的中小直径管道,其检测机器人还处于实验开发阶 段,通用性也较差。 实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的是提供一种螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,其能够自适 应管径发生微小变化的情况并越过微小障碍,对中小直径的90°极限弯道和竖直管道都能 具有良好的通过性。
[0005] 本实用新型所采用的技术方案是:螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,包括依 次连接的螺旋式牵引装置、电源装置及图像获取装置;螺旋式牵引装置与电源装置之间通 过一个螺旋弹簧相连,电源装置与图像获取装置之间通过另一个螺旋弹簧相连,螺旋式牵 引装置中设置有三组在空间呈螺旋线布置的变径驱动机构。
[0006] 本实用新型的特点还在于:
[0007] 螺旋式牵引装置的具体结构如下:包括驱动连接接头及旋转体支架,旋转体支架 与驱动连接接头的一端通过螺钉连接,驱动连接接头的另一端通过螺旋弹簧与电源装置连 接;三组变径驱动机构分别套接在旋转体支架上,变径驱动机构包括导向块、张紧滑柱、预 紧弹簧、驱动轮及驱动轮架,导向块通过销钉与旋转体支架连接,张紧滑柱的侧面设置有与 导向块相匹配的导向槽,张紧滑柱通过该导向槽与导向块配合连接;从张紧滑柱的一端向 其内部开有弹簧通道,预紧弹簧的一端与该弹簧通道的顶壁固接,预紧弹簧的另一端与驱 动连接接头固接;驱动轮架的中部通过螺钉固定在张紧滑柱的另一端,驱动轮架的两端分 别通过轴承连接驱动轮,驱动轮的轴线与管道轴线呈锐角夹角。
[0008] 电源装置包括电机支架,电机支架为内部中空的圆筒结构,电机支架的内部安装 有直流减速电机,直流减速电机通过螺钉周向固定于电机支架内,直流减速电机的输出轴 一端通过电机过渡套及螺旋弹簧与驱动连接接头的另一端相连;电机支架远离直流减速电 机输出轴的一端通过螺钉连接有中间接头,中间接头通过另一个螺旋弹簧与图像获取装置 相连;电机支架的外壁设置有三组张紧机构,三组张紧机构互成120°设置;电机支架的外壁 上与每组张紧机构对应的位置处均通过机体外壳固定连接有锂电池组。
[0009] 每组张紧机构的结构如下:包括两个张紧连杆,两个张紧连杆的一端与电机支架 的外壁铰接,两个张紧连杆的另一端均通过轴承连接有支撑轮,支撑轮的轴线与管道轴线 相垂直,两个张紧连杆之间固接有拉伸弹簧。
[0010] 图像获取装置包括摄像支架,摄像支架为内部中空的圆筒结构,摄像支架的一端 通过连接接头及另一个螺旋弹簧与中间接头相连,摄像支架的内部安装有摄像头,摄像头 通过摄像头端盖与摄像支架的另一端轴向固定连接,摄像头端盖的一端与摄像头相连,摄 像头端盖的另一端与摄像支架通过销钉连接;摄像支架的内部安装有遥控控制器,遥控控 制器通过导线与直流减速电机连接;摄像支架的外壁也设置有三组张紧机构,三组张紧机 构互成120°设置。
[0011] 摄像支架的外壁设置的张紧机构的结构如下:包括两个张紧连杆,两个张紧连杆 的一端与摄像支架的外壁铰接,两个张紧连杆的另一端均通过轴承连接有支撑轮,支撑轮 的轴线与管道轴线相垂直,两个张紧连杆之间固接有拉伸弹簧。
[0012] 摄像头为带LED光源的高清广角摄像头。
[0013]本实用新型的有益效果是:
[0014]本实用新型采用螺旋驱动原理,内置电源,使机器人结构简单、行动自如;三组驱 动轮在空间螺旋分布,能够提供较大的牵引力,保证了机器人对竖直、复杂管道的通过能 力。且对管道直径的变化具有良好的适应性能。本实用新型采用螺旋弹簧连接各模块,避免 了传动时压力角过大出现卡死,提高了通过弯道的能力,实现了其整体通过中小直径的90° 极限弯道,而不仅局限于直管道的性能。
附图说明
[0015] 图1为本实用新型螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人的结构示意图;
[0016] 图2为本实用新型螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人的工作原理示意图。
[0017]图中,1.螺旋式牵引装置,101.驱动轮架,102.驱动连接接头,103.驱动轮,104.旋 转体支架,105.预紧弹簧,106.导向块,107.张紧滑柱,2.电源装置,201.机体外壳,202.锂 电池组,203 .中间接头,204 .直流减速电机,205 .支撑轮,206 .拉伸弹簧,207 .张紧连杆, 208.电机支架,209.电机过渡套,3.图像获取装置,301.遥控控制器,302.摄像头端盖,303. 摄像支架,304.摄像头,305.连接接头,400.螺旋弹簧。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述:
[0019] 本实用新型一种螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,如图1所示,包括依次连接 的螺旋式牵引装置1、电源装置2及图像获取装置3;螺旋式牵引装置1与电源装置2之间通过 一个螺旋弹簧400相连,电源装置2与图像获取装置3之间通过另一个螺旋弹簧400相连,螺 旋式牵引装置1中设置有三组在空间呈螺旋线布置的变径驱动机构。
[0020] 其中,螺旋式牵引装置1的具体结构如下:包括驱动连接接头102及旋转体支架 104,旋转体支架104与驱动连接接头102的一端通过螺钉连接,驱动连接接头102的另一端 通过螺旋弹簧400与电源装置2连接;三组变径驱动机构分别套接在旋转体支架104上,变径 驱动机构包括导向块106、张紧滑柱107、预紧弹簧105、驱动轮103及驱动轮架101,导向块 106通过销钉与旋转体支架104连接,张紧滑柱107的侧面设置有与导向块106相匹配的导向 槽,张紧滑柱107通过该导向槽与导向块106配合连接;从张紧滑柱107的一端向其内部开有 弹簧通道,预紧弹簧105的一端与该弹簧通道的顶壁固接,预紧弹簧105的另一端与驱动连 接接头102固接;驱动轮架101的中部通过螺钉固定在张紧滑柱107的另一端,驱动轮架101 的两端分别通过轴承连接驱动轮103,驱动轮103的轴线与管道轴线呈锐角夹角。
[0021] 电源装置2包括电机支架208,电机支架208为内部中空的圆筒结构,电机支架208 的内部安装有直流减速电机204,直流减速电机204通过螺钉周向固定于电机支架208内,直 流减速电机204的输出轴一端通过电机过渡套209及螺旋弹簧400与驱动连接接头102的另 一端相连;电机支架208远离直流减速电机204输出轴的一端通过螺钉连接有中间接头203, 中间接头203通过另一个螺旋弹簧400与图像获取装置3相连;电机支架208的外壁设置有三 组张紧机构,三组张紧机构互成120°设置;电机支架208的外壁上与每组张紧机构对应的位 置处均通过机体外壳201固定连接有锂电池组202。
[0022]每组张紧机构的结构如下:包括两个张紧连杆207,两个张紧连杆207的一端与电 机支架208的外壁铰接,两个张紧连杆207的另一端均通过轴承连接有支撑轮205,支撑轮 205的轴线与管道轴线相垂直,两个张紧连杆207之间固接有拉伸弹簧206。
[0023]图像获取装置3包括摄像支架303,摄像支架303为内部中空的圆筒结构,摄像支架 303的一端通过连接接头305及另一个螺旋弹簧400与中间接头203相连,摄像支架303的内 部安装有摄像头304,摄像头304为带LED光源的高清广角摄像头。摄像头304通过摄像头端 盖302与摄像支架303的另一端轴向固定连接,摄像头端盖302的一端与摄像头304相连,摄 像头端盖302的另一端与摄像支架303通过销钉连接;摄像支架303的内部安装有遥控控制 器301,遥控控制器301通过导线与直流减速电机204连接;摄像支架303的外壁也设置有三 组张紧机构,三组张紧机构互成120°设置。
[0024]摄像支架303的外壁设置的张紧机构的结构如下:包括两个张紧连杆207,两个张 紧连杆207的一端与摄像支架303的外壁铰接,两个张紧连杆207的另一端均通过轴承连接 有支撑轮205,支撑轮205的轴线与管道轴线相垂直,两个张紧连杆207之间固接有拉伸弹簧 206 〇
[0025]本实用新型的工作原理如下:
[0026]本实用新型通过在空间呈螺旋线布置的三组驱动轮103张紧于管道内壁,旋转体 支架104在直流减速电机204的驱动下作旋转运动,该运动通过驱动轮103与管道内壁之间 的摩擦传动转化为沿管道内壁的旋转运动,从而实现管道机器人的轴线移动。当电源装置2 中的直流减速电机204通电时,电机输出轴由电机过渡套209通过螺旋弹簧400带动螺旋式 牵引装置1旋转,如图2的原理图所示,螺旋式牵引装置1中张紧滑柱107里的预紧弹簧105的 压力Fn使驱动轮103紧压在管道内壁上,由于驱动轮103的轴线与管道轴线成锐角角度,进 而能产生沿轴向的摩擦力fy和周向的摩擦力f ',整个驱动轮组沿管壁做螺旋运动,同时电 源装置2和图像获取装置3在支撑轮205的周向摩擦力作用下只能沿管道轴线移动而不能旋 转,从而实现了整个机器人在管道内的运动。图像获取装置3内安装的遥控控制器301用于 控制直流减速电机204的正反转,通过改变直流减速电机204的通电方向,可改变管道机器 人的移动运动,从而使机器人在管内进退自如。
[0027]参考图2,在上述螺旋旋转运动中,假设驱动轮不发生滑动,主轴以转速n转动,管 道半径为R,轮子直径为D,设驱动轮103的轴线与管道轴线之间的夹角为0,则 [0028] 驱动轮中心的线速度: 、 D
[0029] Vx ~ 2mi{R--) a,.
[0030] 驱动轮轴向移动速度:
[0031 ] Vy - 2rai( R - ~) 1 an d
[0032] 因此,松开驱动轮架101和张紧滑柱107的连接螺钉,转动驱动轮架101,可改变夹 角9来改变该管道机器人的移动速度。
[0033] 该管道机器人在工作中,当遇到管径变小时,驱动轮架101受管壁的压力,使得连 接于驱动轮架101的张紧滑柱107受压径向向里移动;当遇到管径变大时,预紧弹簧105伸 长,张紧滑柱107在预紧弹簧105的作用下沿管道径向背离管道中心轴线移动,这样使得驱 动轮103时刻张紧于管壁,对管道直径在一定范围内的变化有了良好的适应性能。
[0034] 在遇到微小障碍物或者管径微小变化时,在其张紧机构中拉伸弹簧206作用下,同 一组两个张紧连杆207之间的距离发生变化,使得支撑轮205始终贴于管壁。
[0035]该管道机器人在管道内行走进行管道检测,其摄像头304安装有一周共六个LED光 源,用于照亮管道内部,获得清晰的管道壁图像。并且摄像头304尾部可安装蓝牙装置,其采 集的图像存储在自身SD卡中或由蓝牙驱动通过WiFi无线传输到显示与处理设备,实现工作 人员对管道内壁情况的分析处理。
[0036]螺旋式牵引装置1、电源装置2及图像获取装置3三个模块之间通过中间连接接头 分别连接于螺旋弹簧400两端,增加该管道机器人的柔性。

Claims (7)

1. 螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,其特征在于,包括依次连接的螺旋式牵引装 置(1)、电源装置(2)及图像获取装置(3);螺旋式牵引装置(1)与电源装置(2)之间通过一个 螺旋弹簧(400)相连,电源装置(2)与图像获取装置(3)之间通过另一个螺旋弹簧(400)相 连,所述螺旋式牵引装置(1)中设置有三组在空间呈螺旋线布置的变径驱动机构。
2. 根据权利要求1所述的螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,其特征在于,所述螺旋 式牵引装置(1)的具体结构如下:包括驱动连接接头(102)及旋转体支架(104),旋转体支架 (104)与驱动连接接头(102)的一端通过螺钉连接,驱动连接接头(102)的另一端通过所述 螺旋弹簧(400)与所述电源装置(2)连接;三组所述变径驱动机构分别套接在旋转体支架 (104) 上,所述变径驱动机构包括导向块(106)、张紧滑柱(107)、预紧弹簧(105)、驱动轮 (103)及驱动轮架(101),导向块(106)通过销钉与所述旋转体支架(104)连接,所述张紧滑 柱(107)的侧面设置有与导向块(106)相匹配的导向槽,张紧滑柱(107)通过该导向槽与所 述导向块(106)配合连接;从张紧滑柱(107)的一端向其内部开有弹簧通道,所述预紧弹簧 (105) 的一端与该弹簧通道的顶壁固接,预紧弹簧(105)的另一端与所述驱动连接接头 (102)固接;所述驱动轮架(101)的中部通过螺钉固定在张紧滑柱(107)的另一端,驱动轮架 (101)的两端分别通过轴承连接所述驱动轮(103),驱动轮(103)的轴线与管道轴线呈锐角 夹角。
3. 根据权利要求2所述的螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,其特征在于,所述电源 装置(2)包括电机支架(208),电机支架(208)为内部中空的圆筒结构,电机支架(208)的内 部安装有直流减速电机(204),直流减速电机(204)通过螺钉周向固定于电机支架(208)内, 直流减速电机(204)的输出轴一端通过电机过渡套(209)及所述螺旋弹簧(400)与所述驱动 连接接头(102)的另一端相连;所述电机支架(208)远离所述直流减速电机(204)输出轴的 一端通过螺钉连接有中间接头(203),中间接头(203)通过所述另一个螺旋弹簧(400)与所 述图像获取装置(3)相连;所述电机支架(208)的外壁设置有三组张紧机构,三组张紧机构 互成120°设置;所述电机支架(208)的外壁上与每组张紧机构对应的位置处均通过机体外 壳(201)固定连接有锂电池组(202)。
4. 根据权利要求3所述的螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,其特征在于,所述每组 张紧机构的结构如下:包括两个张紧连杆(207),两个张紧连杆(207)的一端与所述电机支 架(208)的外壁铰接,两个张紧连杆(207)的另一端均通过轴承连接有支撑轮(205),支撑轮 (205)的轴线与管道轴线相垂直,两个张紧连杆(207)之间固接有拉伸弹簧(206)。
5. 根据权利要求3所述的螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,其特征在于,所述图像 获取装置(3)包括摄像支架(303 ),摄像支架(303)为内部中空的圆筒结构,摄像支架(303) 的一端通过连接接头(305)及所述另一个螺旋弹簧(400)与所述中间接头(203)相连,摄像 支架(303)的内部安装有摄像头(304),摄像头(304)通过摄像头端盖(302)与所述摄像支架 (303)的另一端轴向固定连接,摄像头端盖(302)的一端与摄像头(304)相连,摄像头端盖 (302) 的另一端与摄像支架(303)通过销钉连接;所述摄像支架(303)的内部安装有遥控控 制器(301),遥控控制器(301)通过导线与所述直流减速电机(204)连接;所述摄像支架 (303) 的外壁也设置有三组张紧机构,三组张紧机构互成120°设置。
6. 根据权利要求5所述的螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,其特征在于,所述摄像 支架(303)的外壁设置的张紧机构的结构如下:包括两个张紧连杆(207),两个张紧连杆 (207)的一端与所述摄像支架(303)的外壁铰接,两个张紧连杆(207)的另一端均通过轴承 连接有支撑轮(205 ),支撑轮(205)的轴线与管道轴线相垂直,两个张紧连杆(207)之间固接 有拉伸弹簧(206)。
7.根据权利要求5所述的螺旋式管道内壁缺陷图像获取机器人,其特征在于,所述摄像 头(304)为带LED光源的高清广角摄像头。
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