CN208595354U - 一种输油管道检测维护多足机器人 - Google Patents

Abstract

一种输油管道检测维护多足机器人，包括顺次安装在主轴上的橡皮碗、油污清理干燥器、超声波探测盘、第一照明摄像盘、柔性修补臂、温湿度传感器、行走机构、喷涂干燥器，设于输油管道外部的控制器信号连接输油管道检测维护多足机器人，本装置采用橡皮碗清理掉管道内壁油污及管道内其他障碍物，保证机器人不受障碍物影响正常前进，检测及清洁修补设备不受影响；采用干燥器进行干燥处理，保证机器人前进后退时工作成果不受湿度影响；测量参数多样化，对可维护的管壁损伤进行处理，不可维护的管壁损伤则由控制器报警显示当前里程位置信息，便于后续进行人工挖掘维修；具有多种工作模式，既可以对管道进行检测和维护，也可以清理管道油污和障碍物。

Description

一种输油管道检测维护多足机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，尤其涉及一种输油管道检测维护多足机器人。

背景技术

管道作为人类生活的生命线，已经成为城市生活的重要基础之一，特别是石油管道越来越重要，需求量也大。但长距离输油管道因压力、石油中某些成分的腐蚀性，长期使用会发生腐蚀、疲劳破坏或者管道内部潜在安全隐患引起泄漏事故。因此，必须定期对管道检修和维护，而管道所处的环境往往是人力所限或人及不可及。近年来一些用于管道检测的机器人，在某一领域已经得到应用，但是由于缺少清洁油污干燥装置和相应的维护措施只能得到一些的管道信息并不能代替人工进行操作。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于解决现有的在役石油管道因管壁多油而一般机器人行动受阻力大以及管道壁多油污导致检测不足，提供一种输油管道检测维护多足机器人，能够在清除管壁油污后，对管壁进行检测和基本维护，并将信息共享到PC端进一步做大数据分析。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：包括顺次安装在主轴上的橡皮碗、油污清理干燥器、超声波探测盘、第一照明摄像盘、柔性修补臂、温湿度传感器、行走机构、喷涂干燥器，设于输油管道外部的控制器信号连接输油管道检测维护多足机器人，其中：

用于疏通输油管道的橡皮碗安装在主轴最前端，其碗口朝向其后方的油污清理干燥器，橡皮碗外缘尺寸与输油管道内径尺寸相匹配；

用于探测输油管道内壁裂纹及腐蚀情况的超声波探测盘上沿周向间隔配置多个超声波探测头；用于拍摄输油管道管内图像的第一照明摄像盘上沿周向间隔配置CCD摄像头和照明灯；超声波探测盘和第一照明摄像盘由电机驱动，能够分别绕主轴独自转动，对输油管道内部作圆周扫描及摄像；

用于修补输油管道内壁的柔性修补臂能够柔性伸缩及弯曲，柔性修补臂一端固定在主轴上，另一端上设有管道修补执行机构；靠近柔性修补臂安装温湿度传感器；

沿主轴周向间隔配置多组行走机构，行走机构包括间隔安装在主轴的两个安装盘，在两个安装盘之间，间隔配置多组伸缩腿，每组伸缩腿由两个呈“X”形配置的伸缩腿构成，两个伸缩腿的上端分别安装在两个安装盘上，一个伸缩腿的下端上转动安装驱动轮，另一个伸缩腿的下端上转动安装从动轮，两个伸缩腿中部转动安装在一起，其转轴轴向垂直于主轴轴向；所有伸缩腿能够在驱动下同步伸缩，所有驱动轮能够在驱动下同步转动；

驱动轮或者从动轮中一个为里程轮，里程轮上设有磁钢，安装了里程轮的伸缩腿上对应设有霍尔传感器；

用于向输油管道内壁喷涂并烘干防腐液的喷涂干燥器安装在主轴末端。

工作时，输油管道检测维护多足机器人位于输油管道内，电机驱动行走机构的驱动轮转动，使机器人在输油管道内前进/后退；伸缩腿结构，能够使机器人灵活适应不同管径的输油管道。

机器人的检测功能通过温湿度传感器、霍尔传感器和超声波探测头共同实现，其中：

温湿度传感器用于监测管道内的环境温度及湿度，如果管道内的环境温度超过机器人正常工作温度的上限/下限，控制器会报警并控制机器人退出该温度过高/过低的管道段或者机器人停机等待直至管道内的环境温度恢复至设定范围值内，如果管道内的环境湿度过高，则控制器相应加大喷涂干燥器上干燥设备的工作功率。

霍尔传感器和磁钢配合工作，机器人行走时里程轮旋转，里程轮轮毂上的磁钢依次经过安装在支臂上的霍尔传感器，当磁钢位于霍尔传感器正下方时，霍尔传感器输出信号，每旋转一周机器人记下一个里程标记，以此通过霍尔传感器测量里程轮的转数来进行里程测量，再加上里程轮到超声波探测头或者到CCD摄像头的距离就可以得到位置信息，对机器人在管道内的具体位置进行定位。

超声波探测头扫描得到管壁内部结构的波形图，由于管道腐蚀、裂痕的波形图是不同的，因此波形图的变化可以直接用来判断管道内部缺陷，分析波形图就可以得到管道内部信息。旋转是为了得到管道内壁一周的波形图。超声波探测盘快速旋转加上机器人慢速移动，相当于螺旋状扫描管道，扫描检测的速度快精度高。

CCD摄像头用于拍摄管道内部实时的图像(即管道内部的样子)，对超声波探测头的扫描波形起到辅佐作用，验证超声波检测是否有误，此外，操作人员还可以通过控制器上回传的图像分析分析管道缺陷的原因。由于单个CCD摄像头的视角有限，有些视角可能被设备阻挡住，所以第一照明摄像盘旋转，不仅能够全方位拍摄，还可减少CCD摄像头的数量，节省资源。第一照明摄像盘不需要高速旋转，否则可能会影响传送出去的图像质量。

机器人的清洁维护功能由橡皮碗、油污清理干燥器、柔性修补臂和喷涂干燥器，橡皮碗先初步清理管道内壁黏附的油液、疏通管道，再由油污清理干燥器对管道内壁上残留的油液进一步清理并干燥，控制器根据超声波探测头回传的波形图及CCD摄像头回传的图像信息，对管道内壁的损伤作出判断，对于能够由柔性修补臂进行修补的管道损伤，控制柔性修补臂进行修补后，再由喷涂干燥器对修补过的管道内壁喷涂防腐液后干燥处理，对于柔性修补臂不能修补的管道损伤，识别后报警显示当前里程位置信息，以便后续进行人工挖掘维修。

进一步的，所述超声波探测盘和第一照明摄像盘的驱动电机为直流电机；所述驱动轮的驱动电机为步进电机。步进电机可实现精确定位控制但控制相对直流电机复杂，更适合需要位移精确定位的驱动轮；直流电机控制相对简单，但是定位精度不高，更适合对速度要求高，而对位移定位不高的超声波探测盘和第一照明摄像盘的旋转驱动。

再进一步，为保证检测的准确性，所述直流电机的转速为步进电机转速的3倍以上。

再进一步，为兼顾行走机构对整个机器人有效支撑及尽可能少的行走机构数量，沿主轴周向间隔均匀配置3组行走机构，步进电机驱动与之相连接的蜗杆，并由蜗杆并联驱动沿周向均布的3个蜗轮，每个蜗轮又分别带动一个驱动轮转动，以实现所有驱动轮能够在步进电机驱动下同步转动。

进一步的，所述柔性修补臂包括弹簧、固定箍和牵引绳，弹簧上沿轴向间隔固定多个固定箍，最底部的固定箍安装在固定于主轴上的底座上，牵引绳外周上间隔均匀的开设多列通孔，每列通孔中，一根牵引绳活动穿过，每根牵引绳分别由各自己的驱动电机拉紧或者放松、使柔性修补臂能够柔性伸缩及弯曲；柔性修补臂采用弹簧支撑配合牵引绳的方式，使用多个驱动电机相互配合拉紧或放松牵引绳使柔性臂弯曲伸缩，弹簧在中间起支撑作用。为了约束牵引绳的走向，在弹簧上固定若干个固定箍，固定箍的周围开设通孔穿插牵引绳。最下面的固定箍与底座相连，底座上安放三个微型步进电机作为驱动电机，分别控制上下、前后、左右方向。管道修补执行机构固定于柔性修补臂顶端通过控制线路与控制器相连接，柔性修补臂的多根牵引绳绕柔性修补臂周向均匀分布。利用多个驱动电机分别拉紧或松开牵引绳来控制柔性修补臂的前后、上下、左右动作，进而带动顶端管道修补执行机构位置变化。

进一步的，所述伸缩腿为气缸式伸缩腿，液压缸式伸缩腿或者其它能由控制器控制制、实现伸缩功能的类似机构。

进一步的，所述控制器和输油管道检测维护多足机器人之间通过WIFI信号连接。无线连接方式更适合输油管道工作环境。

进一步的，所述喷涂干燥器后方的主轴上安装有第二照明摄像盘，第二照明摄像盘用于拍摄经过修复后的管道内壁情况并反馈给控制器以监控修复质量。

再进一步，所述第一照明摄像盘/第二照明摄像盘上均布6个CCD摄像头，每个CCD摄像头左右两侧各有2个灯管提供照明。

进一步的，所述里程轮上沿周向间隔设有3个磁钢。机器人里程轮转一圈，霍尔传感器扫描到3个磁钢，通过扫描磁钢的数目和车轮的周长就可以计算机器人行走的里程。

本实用新型的有益效果在于：

1、采用橡皮碗清理掉管道内壁油污及管道内其他障碍物，保证机器人不受障碍物影响正常前进，检测及清洁修补设备不受影响；

2、采用干燥器在橡皮碗清理掉油污和喷涂器喷涂后进行干燥处理，保证机器人前进后退时工作成果不受湿度影响；

3、测量参数多样化，主要包括温湿度、管道内壁图像、超声波检测的波形图和CCD摄像头采集管道内部图像等，作为控制器的PC端图形识别器根据上述测量参数自动判断裂纹、腐蚀、凹凸等管壁损务的程度及具体位置、该位置处的温湿度，柔性修补臂对可维护的管壁损伤进行处理，不可维护的管壁损伤则由控制器报警显示当前里程位置信息，便于后续进行人工挖掘维修；

4、具有多种工作模式，既可以作为管道检测维护装置对管道进行检测和维护，也可以作为管道清洁装置清理管道油污和障碍物。

附图说明

图1为机器人一种优选结构的配置示意图

图2为一种行程轮结构示意图

图3为一种伸缩腿的结构示意图

图4为一种柔性修补臂的结构示意图

图1～4中：1为行走机构，101为安装盘，102为伸缩腿，103为驱动轮，104为从动轮，105为磁钢，106为控制阀，107为活塞，2为主轴，3为柔性修补臂，301为弹簧，302为固定箍，303为牵引绳，304为底座，305为微型步进电机，4为第一照明摄像盘，5为橡皮碗，6为油污清理干燥器，7为超声波探测盘，701为超声波探测头，8为温湿度传感器，9为喷涂干燥器，10为输油管道，11为控制器，12为第二照明摄像盘，13为霍尔传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示的输油管道检测维护多足机器人，包括顺次安装在主轴2上的橡皮碗5、油污清理干燥器6、超声波探测盘7、第一照明摄像盘4、柔性修补臂3、温湿度传感器8、行走机构1、喷涂干燥器9和第二照明摄像盘12，设于输油管道10外部的控制器11通过WIFI信号连接输油管道检测维护多足机器人。

用于疏通输油管道10的橡皮碗5安装在主轴2最前端，其碗口朝向其后方的油污清理干燥器6，橡皮碗5外缘尺寸与输油管道10内径尺寸相匹配，通过更换不同外缘尺寸的橡皮碗5，可以使同一机器人适用于不同内径的输油管道10。

用于探测输油管道10内壁裂纹及腐蚀情况的超声波探测盘7上沿周向每间隔30°配置了一共12个超声波探测头701；超声波探测头701通过WIFI将波形图传送到地面PC端波形图像显示界面，PC端经过大量样本训练的神经网络，能够自动识别管道缺陷。

用于拍摄输油管道10管内图像的第一照明摄像盘4和第二照明摄像盘12上沿周向均布6个CCD摄像头，每个CCD摄像头左右两侧各有2个灯管提供照明，对管道内部的实时影像进行拍摄并回传到地面PC端。

超声波探测盘7、第一照明摄像盘4和第二照明摄像盘12由各自的直流电机驱动，能够分别绕主轴2独自转动，对输油管道10内部作圆周扫描及摄像。

如图4所示，用于修补输油管道10内壁的柔性修补臂3包括弹簧301、固定箍302和牵引绳303，弹簧上沿轴向间隔固定多个固定箍302，最底部的固定箍302安装在固定于主轴2上的底座304上，牵引绳303外周上间隔均匀的开设多列通孔，每列通孔中，一根牵引绳303活动穿过，每根牵引绳303分别由各自己的驱动电机拉紧或者放松、使柔性修补臂3能够一定程度的弯曲和伸缩去执行维护管道的命令，该实施例中，底座304上安放三个微型步进电机305作为驱动电机，分别控制上下、前后、左右方向；柔性修补臂3顶部设有管道修补执行机构；如图1所示，温湿度传感器8可采用DS18B20温度传感器、DH11湿度传感器，安装在底座304上。

如图1所示，沿主轴2周向间隔120°均匀配置3组行走机构1，行走机构1包括间隔安装在主轴2的两个安装盘101，在两个安装盘101之间，间隔配置多组伸缩腿102，每组伸缩腿102由两个呈“X”形配置的伸缩腿102构成，两个伸缩腿102的上端分别安装在两个安装盘101上，一个伸缩腿102的下端上转动安装驱动轮103，另一个伸缩腿102的下端上转动安装从动轮104，两个伸缩腿102中部转动安装在一起，其转轴轴向垂直于主轴2轴向，3组行走机构1构成6足机器人。

如图3所示的实施例中，伸缩腿102为气压缸式伸缩腿，活塞107两侧的缸体内充满压缩空气、并通过活塞107上的控制阀106连通，控制器控制控制阀106启闭及压缩空气的流向，从而控制所有伸缩腿102同步伸缩，不仅可以使机器人适应一定范围不同半径的管道内径，还有利于机器人在管道凹凸正常前进或者后退。

步进电机驱动与之相连接的蜗杆，并由蜗杆并联驱动沿周向均布的3个蜗轮，每个蜗轮又分别带动一个驱动轮103转动，所有驱动轮103能够在驱动下同步转动，从而实现机器人在输油管道10内的前进或后退。

如图2所示的实施例中，某一驱动轮103为里程轮，该驱动轮103上沿周向间隔均匀设置了3个磁钢105，对应的伸缩腿102上设有霍尔传感器13，机器人行走时里程轮旋转，每旋转一周机器人记下一个里程标记，轮毂上的3个磁钢105依次经过安装在伸缩腿102上的霍尔传感器13，当磁钢105位于霍尔传感器13正下方时，霍尔传感器13输出信号，以此通过霍尔传感器13测量里程轮的转数来进行里程测量。

用于向输油管道10内壁喷涂并烘干防腐液的喷涂干燥器9安装在主轴2末端，根据PC端的命令对清洁和/或修补过的输油管道10喷涂防腐液，根据温湿度传感器8监测的温湿度信息进行合适的干燥处理。

如图1所示，控制器11控制位于地下的输油管道10内部的机器人，步进电机驱动行走机构1使机器人能够前进或者后退，第一照明摄像盘4和超声波探测盘7分别由高速直流电机使其运转，为保证检测的准确性，直流电机的转速是伺服电机的3倍以上。超声波探测头701检测得到管道裂纹、腐蚀、空洞、凹凸的波形图，并通过测得管道半径差检测出管道是否大幅度凹凸不平。CCD摄像头得到管道实时场景图，经过基本滤波处理后，通过WIFI远程传送到地上作为控制器11使用的PC端，PC端进行图像对比判断管道废弃或者维护，并配合里程计得到其具体位置，废弃管道人工挖掘更换，可维护的管道根据获取的里程信息定位和温湿度信息，机器人暂停前进，通过柔性修补臂3对指定地点管道维护，并再次检测修复部分是否合格，喷涂干燥器9可以选择性的对每一段管道喷涂防腐液，并根据温湿度传感器8回传的现场温湿度信息，通过油污清理干燥器6和喷涂干燥器9中的干燥设备调整湿度，确保维护可靠性。

机器人有高、中、低三种速度，检测维护模式、清洁模式两种模式。保证检测的准确性机器人工作在检测模式时使用中、低速，工作完成返回时提高效率采用高速退出。

Claims (10)

1.一种输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：包括顺次安装在主轴(2)上的橡皮碗(5)、油污清理干燥器(6)、超声波探测盘(7)、第一照明摄像盘(4)、柔性修补臂(3)、温湿度传感器(8)、行走机构(1)、喷涂干燥器(9)，设于输油管道(10)外部的控制器(11)信号连接输油管道检测维护多足机器人，其中：

用于疏通输油管道(10)的橡皮碗(5)安装在主轴(2)最前端，其碗口朝向其后方的油污清理干燥器(6)，橡皮碗(5)外缘尺寸与输油管道(10)内径尺寸相匹配；

用于探测输油管道(10)内壁裂纹及腐蚀情况的超声波探测盘(7)上沿周向间隔配置多个超声波探测头(701)；用于拍摄输油管道(10)管内图像的第一照明摄像盘(4)上沿周向间隔配置CCD摄像头和照明灯；超声波探测盘(7)和第一照明摄像盘(4)由电机驱动，能够分别绕主轴(2)独自转动，对输油管道(10)内部作圆周扫描及摄像；

用于修补输油管道(10)内壁的柔性修补臂(3)能够柔性伸缩及弯曲，柔性修补臂(3)一端固定在主轴(2)上，另一端上设有管道修补执行机构；靠近柔性修补臂(3)安装温湿度传感器(8)；

沿主轴(2)周向间隔配置多组行走机构(1)，行走机构(1)包括间隔安装在主轴(2)的两个安装盘(101)，在两个安装盘(101)之间，间隔配置多组伸缩腿(102)，每组伸缩腿(102)由两个呈“X”形配置的伸缩腿(102)构成，两个伸缩腿(102)的上端分别安装在两个安装盘(101)上，一个伸缩腿(102)的下端上转动安装驱动轮(103)，另一个伸缩腿(102)的下端上转动安装从动轮(104)，两个伸缩腿(102)中部转动安装在一起，其转轴轴向垂直于主轴(2)轴向；所有伸缩腿(102)能够在驱动下同步伸缩，所有驱动轮(103)能够在驱动下同步转动；

驱动轮(103)或者从动轮(104)中一个为里程轮，里程轮上设有磁钢(105)，安装了里程轮的伸缩腿(102)上对应设有霍尔传感器(13)；

用于向输油管道(10)内壁喷涂并烘干防腐液的喷涂干燥器(9)安装在主轴(2)末端。

2.根据权利要求1所述的输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：所述超声波探测盘(7)和第一照明摄像盘(4)的驱动电机为直流电机；所述驱动轮的驱动电机为步进电机。

3.所述根据权利要求2所述的输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：所述直流电机的转速为步进电机转速的3倍以上。

4.根据权利要求2所述的输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：沿主轴(2)周向间隔均匀配置3组行走机构(1)，步进电机驱动与之相连接的蜗杆，并由蜗杆并联驱动沿周向均布的3个蜗轮，每个蜗轮又分别带动一个驱动轮(103)转动。

5.根据权利要求1所述的输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：所述柔性修补臂(3)包括弹簧(301)、固定箍(302)和牵引绳(303)，弹簧上沿轴向间隔固定多个固定箍(302)，最底部的固定箍(302)安装在固定于主轴(2)上的底座(304)上，牵引绳(303)外周上间隔均匀的开设多列通孔，每列通孔中，一根牵引绳(303)活动穿过，每根牵引绳(303)分别由各自己的驱动电机拉紧或者放松、使柔性修补臂(3)能够柔性伸缩及弯曲。

6.根据权利要求1所述的输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：所述伸缩腿(102)为气缸式伸缩腿或者液压缸式伸缩腿。

7.根据权利要求1所述的输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：所述控制器(11)和输油管道检测维护多足机器人之间通过WIFI信号连接。

8.根据权利要求1所述的输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：所述喷涂干燥器(9)后方的主轴(2)上安装有第二照明摄像盘(12)。

9.根据权利要求1或者8所述的输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：所述第一照明摄像盘(4)/第二照明摄像盘(12)上均布6个CCD摄像头，每个CCD摄像头左右两侧各有2个灯管提供照明。

10.根据权利要求1所述的输油管道检测维护多足机器人，其特征在于：所述里程轮上沿周向间隔设有3个磁钢(105)。