CN207406986U - 一种管道机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种管道机器人，包括机器人主体和负载机构，机器人主体上设置有3组驱动机构，3组驱动机构围绕主体呈放射状对称分布，3组驱动机构两两之间呈120度角；负载机构通过万向节与机器人主体连接。本实用新型的管道机器人，结构简单、稳定性高、成本低，能够适应不同口径的管道，并且能够保证管道机器人具备较好的运动能力，控制系统能够通过采集环境信息或者机器人的运动信息，对机器人实现闭环控制，从而使得管道机器人的稳定性更强，能够适应管道未知且恶劣的环境。

Description

一种管道机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种管道机器人。

背景技术

管道机器人一般指的是可以在管道内行走工作的移动平台。管道机器人需要具有自主行走能力，同时自身可以携带所需要的检测装置和作业装置在特定的管道空间中工作，通过专业人员的实时控制或者自主模式下在管道内工作，完成如管道清洁，安装，检测、运输等任务。

管道机器人的工作空间是特殊和复杂的各种管道环境，管道按材质和用途分有很多种，主要分为金属和非金属两类，被广泛应用于电力、通讯、运输、民航机场等基础建设领域。常见的如应用于电线管道和排污管道的PVC管，大口径的市政供水的球墨管，应用于空调工程、通风排烟系统中的镀锌钢钣风管，由钢管经电焊连接而成的集气管道和输气管道，以及应用于石油运输的合金钢铁管，家庭中常用到的铜管和复合管，以及应用于冷热水管道的ABS 管、PE管等。同时管道的形状也是多种多样的，包括直管、T型管、L型管、倾斜管以及变径管等多种形状。并且管道由于安装和长期使用过程中会出现焊缝，凸起等，以及实际应用于工程的管道网络都是不同的，以上这些问题都对管道机器人的设计提出了较高的要求。

根据管道应用环境的不同，管道机器人的功能需求也各有差异。管道的环境通常比较恶劣而且是未知的，管道的类型也多种多样，这就要求管道机器人能够在不同口径的管道、未知恶劣的环境中自主运动，具备较好的运动能力，因此管道机器人的驱动装置应当具备较高的可靠性、环境适应性。

实用新型内容

本实用新型提出一种管道机器人，该机器人结构简单，实用性强。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种管道机器人，包括机器人主体和负载机构，机器人主体上设置有3组驱动机构，3组驱动机构围绕主体呈放射状对称分布， 3组驱动机构两两之间呈120度角；负载机构通过万向节与机器人主体连接；

所述驱动机构包括驱动装置和变径装置，所述驱动装置包括机架，机架的两端分别设置有前驱动轮和后从动轮，前驱动轮和后从动轮之间通过履带传动，机架的外侧还设置有齿轮传动组，齿轮传动组包括主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮啮合传动，从动齿轮和前驱动轮同轴连接，机架的中部设置有驱动电机，驱动电机的转轴驱动主动齿轮转动；所述变径装置包括连杆结构、丝杠和步进电机，步进电机的转轴与丝杠连接带动丝杠转动，丝杠上设置由丝杠螺母，丝杠转动能够带动丝杠螺母水平运动，丝杠的两端安装有轴套，轴套的位置相对固定；连杆结构包括第一连杆、第二连杆和推杆，机架底座两端分别与第一连杆和第二连杆的一端铰接，第一连杆和第二连杆的另一端分别与丝杠两端的轴套铰接，推杆的一端与丝杠螺母铰接，另一端与第一连杆的中部铰接；

所述负载机构包括圆柱形壳体，所述壳体的后部，沿壳体的周向均匀设置有3个支撑轮，所述支撑轮通过支撑轴与壳体铰接，所述支撑轴的中部设置有预紧弹簧，预紧弹簧的一端连接到支撑轴的中部，另一端连接到壳体的底部。

进一步地，所述机器人主体上还设置有控制系统，所述控制系统包括微控制器、环境监测传感器、电机驱动模块和摄像头，环境监测传感器包括姿态传感器、压力传感器和光电码盘，光电码盘设置在步进电机的转轴上，压力传感器设置在丝杠螺母与丝杆之间的轴套上，姿态传感器设置在机器人上，用于检测机器人的姿态信息，摄像头设置在机器人的正前方，电机驱动模块用于驱动步进电机和驱动电机，电机驱动模块、姿态传感器、压力传感器、光电码盘和摄像头分别与微控制器电连接。

优选地，所述微控制器的型号为STM32F103。

优选地，所述压力传感器的型号为DHT24。

优选地，所述姿态传感器的型号为MPU6050。

优选地，所述光电码盘的型号为HKT25XX。

优选地，所述驱动电机采用直流伺服电机，所述步进电机选用两相混合式步进电机；电机驱动模块包括直流电机驱动模块和步进电机驱动模块，所述直流电机驱动模块用于驱动直流伺服电机，步进电机驱动模块用于驱动两相混合式步进电机，直流电机驱动模块和步进电机驱动模块分别与微控制器电连接。

进一步地，所述控制系统还包括与上位机进行通信的ZigBee模块，所述ZigBee模块与微控制器电连接。

进一步地，所述前驱动轮和后从动轮均为齿轮，履带为分别与前驱动轮和后从动轮(14) 相互啮合的同步带。

优选地，所述履带采用橡胶材料制成的履带。

本实用新型的管道机器人，结构简单、稳定性高、成本低，能够适应不同口径的管道，并且能够保证管道机器人具备较好的运动能力，控制系统能够通过采集环境信息或者机器人的运动信息，对机器人实现闭环控制，从而使得管道机器人的稳定性更强，能够适应管道未知且恶劣的环境。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为驱动机构负载机构；

图3为负载机构负载机构；

图4为控制系统的模块连接示意图；

上述图中：1-驱动装置；11-前驱动轮；12-履带；13-驱动电机；14-后从动轮；15-机架；16-主动齿轮；17-从动齿轮；2-变径装置；21-第一连杆；22-推杆；23-第二连杆；24-轴套； 25-丝杠螺母；26-丝杠；27-步进电机；3-负载机构；31-支撑轮；32-支撑轴；33-预紧弹簧；34-壳体。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种管道机器人，包括机器人主体和负载机构3，机器人主体上设置有3 组驱动机构，3组驱动机构围绕主体呈放射状对称分布，3组驱动机构两两之间呈120度角；负载机构3通过万向节与机器人主体连接4。

如图2所示，驱动机构包括驱动装置1和变径装置2，驱动装置1包括机架15，机架15的两端分别设置有前驱动轮11和后从动轮14，前驱动轮11和后从动轮14之间通过履带12传动，机架15的外侧还设置有齿轮传动组，齿轮传动组包括主动齿轮16和从动齿轮17，主动齿轮16和从动齿轮17啮合传动，从动齿轮16和前驱动轮11同轴连接，机架15的中部设置有驱动电机13，驱动电机13的转轴驱动主动齿轮16转动；变径装置2包括连杆结构、丝杠26和步进电机27，步进电机27的转轴与丝杠26连接带动丝杠26转动，丝杠26上设置由丝杠螺母25，丝杠26转动能够带动丝杠螺母25水平运动，丝杠26的两端安装有轴套24，轴套24的位置相对固定；连杆结构包括第一连杆21、第二连杆23和推杆22，机架15底座两端分别与第一连杆21和第二连杆23的一端铰接，第一连杆21和第二连杆23的另一端分别与丝杠26两端的轴套24铰接，推杆22的一端与丝杠螺母25铰接，另一端与第一连杆21 的中部铰接。

在本实用新型中，由于管道内部环境复杂多变，即使机器人配备多种传感器也无法全面了解管内信息，且机器人在管内运动的不确定性大，因此机器人的运动方式选择履带式，满足管道机器人在管内的稳定通过性与对管道环境的适应性，且履带式的运动方式也满足了管道机器人对牵引力、越障能力以及爬坡能力的要求。并且选用前驱方式，使机器人在行驶过程中获得更大的牵引力且功耗小。前驱动轮11和后从动轮14均为齿轮，履带12为分别与前驱动轮11和后从动轮14相互啮合的同步带，履带12采用橡胶材料制成的履带，橡胶材料制成履带，具有的柔性特点使其不会对管壁造成伤害，有一定的耐腐蚀性，可以使机器人在行走过程中履带与管壁接触均匀，且无噪声。

所述径向可调驱动机构设置在管道机器人中时，共设置3组，3组径向可调驱动机构成放射状对称分布于机器人机身，径向可调驱动机两两之间呈120度角。三组履带驱动机构成 120度空间对称分布在机身周围，保证了当机器人在管内行走时，机身轴心与管道轴心的重合，使机器人的每一个履带机构能有效贴合在管壁上，为机器人提供良好的稳定性和附着力，防止机器人因一轴或多轴离开管壁而产生侧滑或倾覆。驱动机构中的驱动力由三个直流伺服电机单独提供，这样也可以通过对每个电机的PWM控制来实现三个直流电机的差速控制，避免了复杂的转向结构。机器人采用前轮为主动轮的设计思想，使机器人在行进和越障时获得更大的驱动力，同时也便于操作人员控制。每个直流电机通过锥形齿轮与齿轮组来驱动主动轮，从而牵引履带转动，带动后轮。通过对三个直流电机转向及转速上的控制，来实现机器人的前后行进与转向。

为增强机器人在管道环境中的适应能力，机器人加入了变径机构来满足机器人管径调整的需要。变径机构的动力源由两相混合式步进电机提供，步进电机通过联轴器与机身的丝杠连接，从而带动丝杠进行正反方向的转动，使丝杠上的螺母具有前进与后退两种行进方式。而成空间对称分布的变径机构采用平行连杆的结构方式与丝杠螺母连接，从而控制三个轴的扩张与收缩，调节三轴支撑角大小。这样使得管道机器人在管径设计范围内的管道中行走作业时，既可以通过控制来改变机器人的外径尺寸，也可以调节机器人履带与管道内壁之间的正压力，改善机器人在不同姿态下的运动特性。

如图3所示，负载机构3包括圆柱形壳体34，壳体34的后部，沿壳体34的周向均匀设置有3个支撑轮31，支撑轮31通过支撑轴32与壳体34铰接，支撑轴32的中部设置有预紧弹簧33，预紧弹簧33的一端连接到支撑轴32的中部，另一端连接到壳体34的底部。

负载机构3的设置主要是为了装载附加电源模块，方便机器人在有缆与无缆作业之间切换而设计的附加模块，通过万向节与机器人主体连接，使得机器人附加机构具有多自由度，不妨碍机器人主体的正常作业。其上可负载3块大容量的锂电池为机器人提供动力源，满足了机器人在管道中无缆作业的需要。若在作业时间较短的情况下，也可拆下附加电源模块，采用便携式负载电池进行供电，减轻机身重量。

管道机器人还包括控制系统，控制系统包括STM32F103微控制器、环境监测传感器、电机驱动模块和与上位机进行通信的ZigBee模块，环境监测传感器包括MPU6050姿态传感器、 DHT24压力传感器、HKT25XX光电码盘和摄像头，光电码盘设置在步进电机的转轴上，压力传感器设置在丝杠螺母与丝杆之间的轴套上，姿态传感器设置在机器人上，用于检测机器人的姿态信息，电机驱动模块用于驱动步进电机27和驱动电机13，电机驱动模块、姿态传感器、压力传感器、光电码盘和ZigBee模块分别与微控制器电连接。另外，驱动电机13采用直流伺服电机，步进电机27选用两相混合式步进电机；电机驱动模块包括直流电机驱动模块和步进电机驱动模块，直流电机驱动模块用于驱动直流伺服电机，步进电机驱动模块用于驱动两相混合式步进电机，直流电机驱动模块和步进电机驱动模块分别与微控制器电连接。

控制系统是管道机器人的核心部分，对机器人的各分系统起到协调和控制的作用，主要负责数据采集、传输、决策与控制。

为使操控者能实时了解机器人在管道环境中的位姿，避免机器人在管中倾覆，控制系统加入了姿态传感器模块。同时，姿态传感器的使用也使管道机器人在弯管中现差速转弯成为可能。

压力传感器设置在丝杠螺母与丝杆之间的轴套上可以将采集到的来自履带压紧管壁的压力值进行反馈，可依据检测到的正压力来控制调节步进电机的正反转，形成闭环控制。保证了管道机器人履带与管壁之间存在适当的压力，既避免了因压力过大而产生阻碍履带运动、电机堵转及履带磨损的问题；又解决了因压力过小，牵引力不足，甚至履带脱离管壁的问题，为机器人提供稳定而又可靠的拖动力。

光电码盘，可以对步进电机的转动圈数和转动角度进行测量，即可准确算得丝杠螺母目前所处管道的直径都可分别算出。

机器人搭载视频监控模块，可将摄像头拍摄的管道环境现状实时发送给操控者，在PC 端显示，满足了对管道环境监控的需要。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种管道机器人，其特征在于，包括机器人主体和负载机构(3)，机器人主体上设置有3组驱动机构，3组驱动机构围绕主体呈放射状对称分布，3组驱动机构两两之间呈120度角；负载机构(3)通过万向节与机器人主体连接(4)；

所述驱动机构包括驱动装置(1)和变径装置(2)，所述驱动装置(1)包括机架(15)，机架(15)的两端分别设置有前驱动轮(11)和后从动轮(14)，前驱动轮(11)和后从动轮(14)之间通过履带(12)传动，机架(15)的外侧还设置有齿轮传动组，齿轮传动组包括主动齿轮(16)和从动齿轮(17)，主动齿轮(16)和从动齿轮(17)啮合传动，从动齿轮(17)和前驱动轮(11)同轴连接，机架(15)的中部设置有驱动电机(13)，驱动电机(13)的转轴驱动主动齿轮(16)转动；所述变径装置(2)包括连杆结构、丝杠(26)和步进电机(27)，步进电机(27)的转轴与丝杠(26)连接带动丝杠(26)转动，丝杠(26)上设置由丝杠螺母(25)，丝杠(26)转动能够带动丝杠螺母(25)水平运动，丝杠(26)的两端安装有轴套(24)，轴套(24)的位置相对固定；连杆结构包括第一连杆(21)、第二连杆(23)和推杆(22)，机架(15)底座两端分别与第一连杆(21)和第二连杆(23)的一端铰接，第一连杆(21)和第二连杆(23)的另一端分别与丝杠(26)两端的轴套(24)铰接，推杆(22)的一端与丝杠螺母(25)铰接，另一端与第一连杆(21)的中部铰接；

所述负载机构(3)包括圆柱形壳体(34)，所述壳体(34)的后部，沿壳体(34)的周向均匀设置有3个支撑轮(31)，所述支撑轮(31)通过支撑轴(32)与壳体(34)铰接，所述支撑轴(32)的中部设置有预紧弹簧(33)，预紧弹簧(33)的一端连接到支撑轴(32)的中部，另一端连接到壳体(34)的底部。

2.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于：所述机器人主体上还设置有控制系统，所述控制系统包括微控制器、环境监测传感器、电机驱动模块和摄像头，环境监测传感器包括姿态传感器、压力传感器和光电码盘，光电码盘设置在步进电机的转轴上，压力传感器设置在丝杠螺母与丝杆之间的轴套上，姿态传感器设置在机器人上，用于检测机器人的姿态信息，摄像头设置在机器人的正前方，电机驱动模块用于驱动步进电机(27)和驱动电机(13)，电机驱动模块、姿态传感器、压力传感器、光电码盘和摄像头分别与微控制器电连接。

3.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于：所述微控制器的型号为STM32F103。

4.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于：所述压力传感器的型号为DHT24。

5.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于：所述姿态传感器的型号为MPU6050。

6.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于：所述光电码盘的型号为HKT25XX。

7.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于：所述驱动电机(13)采用直流伺服电机，所述步进电机(27)选用两相混合式步进电机；电机驱动模块包括直流电机驱动模块和步进电机驱动模块，所述直流电机驱动模块用于驱动直流伺服电机，步进电机驱动模块用于驱动两相混合式步进电机，直流电机驱动模块和步进电机驱动模块分别与微控制器电连接。

8.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于：所述控制系统还包括与上位机进行通信的ZigBee模块，所述ZigBee模块与微控制器电连接。

9.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于：所述前驱动轮(11)和后从动轮(14)均为齿轮，履带(12)为分别与前驱动轮(11)和后从动轮(14)相互啮合的同步带。

10.根据权利要求4所述的管道机器人，其特征在于：所述履带(12)采用橡胶材料制成的履带。