CN215908658U - 一种自适应三履带管道检测机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自适应三履带管道检测机器人，包括机身主体、三组自适应支撑机构、三组行走机构和视觉检测机构，所述三组自适应支撑机构沿着机身主体轴线的周向120均匀分布，所述三组自适应支撑机构分别与三组行走机构相连，所述视觉检测机构位于机身主体的最前端。所述机器人能适应200—350mm管道，通过拆卸重组可以适应100—660mm的管道；同时适合于圆管、方管检测，最小可以在250mm的管道内自由转弯；所述机器人装有预紧装置，使机器紧压管道内壁—能够借此减轻电机压力，保护电机驱动板，延长电机使用寿命，能够检测垂直管道，大角度管道。

Description

一种自适应三履带管道检测机器人

技术领域

本实用新型属于机器人制造技术领域，具体涉及一种自适应三履带管道检测机器人。

背景技术

管道检测机器人是针对油、气等输送管道的检测、喷涂、接口焊接、异物清理等维护检修作业所研制的一种特种机器人，它综合了智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术。这类机器人能进入人所不及、复杂多变的非结构管道环境中，通过携带的无损检测装置和作业装置，对工作中的油气管道进行在役检测、清理、维护，以保障管道的安全和畅通无阻地工作。由于管道检测机器人实施的是管道内检测技术，它还能够方便地获取、传输、存储管道内的视频影像数据，作为分析判断管道内壁腐蚀状况、几何形状异常、堵塞、断裂、泄漏的重要依据，并可利用机器人白身精确的定位系统对缺陷进行定位，通过携带的检测装置对关键部位实施进一步的定量检测。

市场以轮式管道车为主，此管道车牵引能力有限，不能长距离拖进，主要是用于市政管道检修，不能适应于大型管道，不能适应小管道的转弯，没有任何攀爬能力，不能使用于垂直管道，车轮行驶在管道的恶劣潮湿环境不能更好的行驶。据市场调研得知此检修车的可靠性差，易失控损坏。国内售价主要在20W左右，维修成本高。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的问题，提出了一种自适应三履带管道检测机器人，该检测机器人可以适应不同尺寸的圆形和方形管道的检测，最小可以在350mm的管道内自由转弯。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

提供一种自适应三履带管道检测机器人，包括机身主体、三组自适应支撑机构、三组行走机构和视觉检测机构，所述三组自适应支撑机构沿着机身主体轴线的周向120度均匀分布，所述三组自适应支撑机构分别与三组行走机构相连，所述视觉检测机构位于机身主体的最前端。

所述自适应支撑机构包括驱动电机、大圆柱齿轮、小圆柱齿轮、第一弹簧、滑块盘、支撑前连杆、支撑后连杆、支撑弹簧前连杆、支撑弹簧后连杆、第一丝杆、法兰轴承、丝杆轴承、第一丝杆螺母盘、限位块、第一推力轴承、防松螺母，6根支撑前连杆的一端与机身主体上的推力轴承通过防松螺母连接，6根支撑前连杆的另一端与行走机构相连， 6根支撑后连杆的一端与机身主体上的推力轴承通过防松螺母连接，6根支撑后连杆的另一端与行走机构相连，所述支撑弹簧前连杆和支撑弹簧后连杆中间连接第一弹簧，所述支撑弹簧后连杆通过螺栓与机身主体上的滑块盘相连，所述滑块盘固定设有第一丝杆螺母盘，所述第一丝杆螺母盘与第一丝杆啮合，所述第一丝杆的一端连接限位块，所述第一丝杆的依次穿过法兰轴承、丝杆轴承与小圆柱齿轮啮合，所述小圆柱齿轮与大圆柱齿轮啮合，所述大圆柱齿轮与驱动电机的输出轴相连。

为了使机器人在通过弯管时避免出现“卡死”的情况，同时增强机器人的平稳性，机器人的变径机构采用主动适应机构与被动适应机构相融合的办法，在主动变径适应机构的设计基础上增加被动适应机构，即为自适应机构。

所述驱动电机旋转带动大圆柱齿轮转动，进而带动小圆柱齿轮转动，所述小圆柱齿轮带动丝杆旋转，进而使得丝杆螺母盘在丝杆上移动，进而滑块盘可以左右移动，进而带动弹簧产生压力，使得机器人与管道壁之间产生压力。

所述自适应结构通过丝杆螺母机构的主动适应和弹簧的被动适应来实现履带足和管壁的正压力调节。驱动电机通过驱动丝杆螺母机构压缩弹簧使其产生预紧力，预紧力通过支撑弹簧前连杆作用于支撑机构行走，从而使履带足和管壁间产生一定的正压力。当机器人通过障碍或者变径管道时，自适应机构能够使履带足和管壁间的正压力保持在一定的范围内，从而使得机器人不因为正压力过小而脱离管壁或因正压力过大而难以行进。

进一步的，所述行走机构包括驱动模块、履带、侧板，所述驱动模块包括大同步带轮、第一圆柱直齿轮、第二圆柱直齿轮、履带支撑轮、锥齿轮、直流无刷伺服电机，所述直流无刷伺服电机与减速器相连，通过电机座和减速器座固定于侧板上，所述减速器末端与联轴器相连，并与两个啮合的锥齿轮相连，所述锥齿轮套接在第一传动轴的外周，所述第一传动轴上还套接有第一圆柱直齿轮，所述第一圆柱直齿轮和第二圆柱直齿轮啮合连接，所述第二圆柱直齿轮套接在第二传动轴上，所述第二传动轴上第二圆柱直齿轮的前后还套接有两个大同步带轮，所述大同步带轮与行走机构的履带的内表面啮合，所述履带支撑轮套接在履带支撑柱上，所述履带支撑柱通过螺栓固定在前后的侧板上。

所述检测机器人的三组行走机构都作为驱动，即采用全驱动方式，每组行走机构内均置独立电机，即所述检测机器人采用独立全驱动，增强了进一步的杂管道环境中的牵引能力与弯管通过性。所述行走机构的电机均采用直流无刷伺服电机，可通过控制电机转速来实现对前行速度的控制，通过锥齿轮啮合传动将电机的输出动力传递到第一传动轴上的第一圆柱直齿轮最后，通过第一圆柱直齿轮和第一圆柱直齿轮的啮合传动，将动力传递给履带，驱动机器人前行。

进一步的，所述视觉检测机构包括摄像机、X舵机、Y舵机，所述摄像机固定在摄像机外壳内，所述摄像机外壳与X舵机的圆盘固定连接，所述X舵机外套设有X轴壳内，X轴壳与Y舵机的圆盘相连，Y舵机外套设有Y轴壳。

所述管道机器人搭载光源和摄像机，可直接对管道内部图像进行实时图像采集、传输和处理，利用图像处理技术进行无损非接触式检测，提高管道检测效率的同时减少人为主观因素影响。该机器人摄像机云台有 x 和 y 两个方向的旋转自由度，通过对舵机的控制，实现图像采集模块可实现左右滚转和前后俯仰运动，极大地提高摄像机的拍摄范围。简单的制动控制，优化了内部结构，实现检测机构的小型化。

进一步的，还包括方管圆管自适应结构，所述方管圆管自适应结构固定于行走机构和自适应支撑机构之间，用来调整行走机构的转换角度，使检测机器人可以同时适应圆形和方形管道的检测。

进一步优选的，所述方管圆管自适应结构包括直流电机、减速箱、丝杆、弹簧、弹簧支撑杆、第二丝杆螺母盘、电机安装板，所述直流电机安装在电机安装板上，直流电机与减速箱连接，所述减速箱与丝杆连接，所述丝杆上固定有第二丝杆螺母盘，丝杆的两侧设有弹簧支撑柱，所述弹簧支撑柱连接电机安装板和丝杆螺母盘，所述弹簧支撑柱外套设有第二弹簧，所述第二丝杆螺母盘与行走机构相连。

所述方管圆管自适应结构可以使机器能够在方形管道和圆形管道里自由通行，增强机器的一体性。用弹簧纵杆辅助，增强机构的稳定性。行走机构中的三个履带只有两个履带添加方管圆管自适应结构进行角度的自动调节。另一个履带维持原安装模式不变。

所述方管圆管自适应结构的工作原理为：所述直流电机旋转，带动丝杆从而使丝杆螺母盘在丝杆上前后移动，从而调节行走机构的角度，使其在120度到180度自由转换。在120度时履带适应圆形管道，在180度时，履带适应方形管道，履带与机器通过三角型结构连接，结构稳定可靠。在180度向120度运动过程中，压紧弹簧，使攀爬垂直圆形管道更容易对管道内壁施加正应力。

进一步的，所述行走机构和自适应结构之间还设有加长结构，所述加长结构可以使检测机器人适用较大管径的管道。

本实用新型的有益效果：

（1）本机器适应绝大数管道能适应200—350mm管道，通过拆卸重组可以适应100—660mm的管道。

（2）本机器装有预紧装置，使机器紧压管道内壁—能够借此减轻电机压力，保护电机驱动板，延长电机使用寿命，能够检测垂直管道，大角度管道。

（3）本机器最小可以在250mm的管道内自由转弯。

（4）本机器可以同时适合于圆管、方管检测。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图（未包含方管圆管自适应结构）；

图2为本实用新型的结构示意图（包含方管圆管自适应结构）；

图3为本实用新型的自适应支撑机构的结构示意图；

图4为本实用新型的自适应支撑机构的另一结构示意图；

图5为本实用新型的行走机构的结构示意图（未包含侧板）；

图6为本实用新型的行走机构的外部结构示意图；

图7为本实用新型的行走机构的俯视图；

图8为本实用新型的视觉检测机构的内部结构示意图（未包含摄像机外壳、X轴壳、Y轴壳）；

图9为本实用新型的视觉检测机构的外部结构示意图；

图10为本实用新型的方管圆管自适应结构的结构示意图；

图11为本实用新型的方管圆管自适应结构的安装结构示意图；

图12为本实用新型的自适应三履带管道检测机器人在小管径方管工作时结构示意图；

图13为本实用新型的自适应三履带管道检测机器人在大管径方管工作时结构示意图；

图14为本实用新型的自适应三履带管道检测机器人在小管径圆管工作时结构示意图；

图15为本实用新型的自适应三履带管道检测机器人在大管径圆管工作时结构示意图；

图中所示：

1、机身主体，2、自适应支撑机构，3、行走机构，4、视觉检测机构， 5、大圆柱齿轮，6、小圆柱齿轮，7、第一弹簧，8、滑块盘，9、支撑前连杆，10、支撑后连杆，11、支撑弹簧前连杆，12、支撑弹簧后连杆，13、第一丝杆，14、法兰轴承，15、丝杆轴承，16、第一丝杆螺母盘，17、限位块，18、第一推力轴承，19、防松螺母，20、大同步带轮，21、第一圆柱直齿轮，22、第二圆柱直齿轮，23、履带支撑轮，24、锥齿轮，25、直流无刷伺服电机，26、履带，27、侧板，28、摄像机，29、X舵机，30、Y舵机，31、摄像机外壳，32、X轴壳，33、Y轴壳，34、直流电机，35、第二丝杆，36、第二弹簧，37、弹簧支撑杆，38、第二丝杆螺母盘，39、电机安装板，40、合页。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

参见图1-2，提供一种自适应三履带管道检测机器人，包括机身主体1、三组自适应支撑机构2、三组行走机构3和视觉检测机构4，所述三组自适应支撑机构2沿着机身主体1轴线的周向120度均匀分布，所述三组自适应支撑机构2分别与三组行走机构3相连，所述视觉检测机构4位于机身主体1的最前端。

参见图3-4，所述自适应支撑机构2包括驱动电机、大圆柱齿轮5、小圆柱齿轮6、第一弹簧7、滑块盘8、支撑前连杆9、支撑后连杆10、支撑弹簧前连杆11、支撑弹簧后连杆12、第一丝杆13、法兰轴承14、丝杆轴承15、第一丝杆螺母盘16、限位块17、第一推力轴承18、防松螺母19，6根支撑前连杆9的一端与机身主体1上的推力轴承通过防松螺母19连接，6根支撑前连杆9的另一端与行走机构3相连，6根支撑后连杆10的一端与机身主体1上的推力轴承通过防松螺母19连接，6根支撑后连杆10的另一端与行走机构3相连，所述支撑弹簧前连杆11和支撑弹簧后连杆12中间连接第一弹簧7，所述支撑弹簧后连杆12通过螺栓与机身主体1上的滑块盘8相连，所述滑块盘8固定设有第一丝杆螺母盘16，所述第一丝杆螺母盘16与第一丝杆13啮合，所述第一丝杆13的一端连接限位块17，所述第一丝杆13的依次穿过法兰轴承14、丝杆轴承15与小圆柱齿轮6啮合，所述小圆柱齿轮6与大圆柱齿轮5啮合，所述大圆柱齿轮5与驱动电机的输出轴相连。

所述驱动电机旋转带动大圆柱齿轮5转动，进而带动小圆柱齿轮6转动，所述小圆柱齿轮6带动丝杆旋转，进而使得第一丝杆螺母盘16在丝杆上移动，进而滑块盘8可以左右移动，进而带动弹簧产生压力，使得机器人与管道壁之间产生压力。

为了使机器人在通过弯管时避免出现“卡死”的情况，同时增强机器人的平稳性，机器人的变径机构采用主动适应机构与被动适应机构相融合的办法，在主动变径适应机构的设计基础上增加被动适应机构，即为自适应机构。

所述自适应结构通过丝杆螺母机构的主动适应和弹簧的被动适应来实现履带26足和管壁的正压力调节。驱动电机通过驱动丝杆螺母机构压缩弹簧使其产生预紧力，预紧力通过支撑弹簧前连杆11作用于支撑机构行走，从而使履带26足和管壁间产生一定的正压力，借此减轻电机压力，保护电机驱动板，延长电机使用寿命，上述预紧装置的设计使得机器人能够检测垂直管道，大角度管道。

参见图5-7，所述行走机构3包括驱动模块、履带26、侧板27，所述驱动模块包括大同步带轮20、第一圆柱直齿轮21、第二圆柱直齿轮22、履带支撑轮23、锥齿轮24、直流无刷伺服电机25，所述直流无刷伺服电机25与减速器相连，通过电机座和减速器座固定于侧板27上，所述减速器末端与联轴器相连，并与两个啮合的锥齿轮24相连，所述锥齿轮24套接在第一传动轴的外周，所述第一传动轴上还套接有第一圆柱直齿轮21，所述第一圆柱直齿轮21和第二圆柱直齿轮22啮合连接，所述第二圆柱直齿轮22套接在第二传动轴上，所述第二传动轴上第二圆柱直齿轮22的前后还套接有两个大同步带轮20，所述大同步带轮20与行走机构3的履带26的内表面啮合，所述履带支撑轮23套接在履带26支撑柱上，所述履带26支撑柱通过螺栓固定在前后的侧板27上。

所述检测机器人的三组行走机构3都作为驱动，即采用全驱动方式，每组行走机构3内均置独立电机，即所述检测机器人采用独立全驱动，增强了进一步的杂管道环境中的牵引能力与弯管通过性。所述行走机构3的电机均采用直流无刷伺服电机25，可通过控制电机转速来实现对前行速度的控制，通过控制两个行走机构3的行走速度来实现转弯的功能，本机器最小可以在250mm的管道内自由转弯。通过锥齿轮24啮合传动将电机的输出动力传递到第一传动轴上的第一圆柱直齿轮21最后，通过第一圆柱直齿轮21和第一圆柱直齿轮21的啮合传动，将动力传递给履带26，驱动机器人前行。

参见图8-9，所述视觉检测机构4包括摄像机28、X舵机29、Y舵机30，所述摄像机28固定在摄像机外壳31内，所述摄像机外壳31与X舵机29的圆盘固定连接，所述X舵机29外套设有X轴壳32内，X轴壳32与Y舵机30的圆盘相连，Y舵机30外套设有Y轴壳33。

所述管道机器人搭载光源和摄像机28，可直接对管道内部图像进行实时图像采集、传输和处理，利用图像处理技术进行无损非接触式检测，提高管道检测效率的同时减少人为主观因素影响。该机器人摄像机28云台有 x 和 y 两个方向的旋转自由度，通过对舵机的控制，实现图像采集模块可实现左右滚转和前后俯仰运动，极大地提高摄像机28的拍摄范围。简单的制动控制，优化了内部结构，实现检测机构的小型化。

参见图10-11，还包括方管圆管自适应结构，所述方管圆管自适应结构通过合页40固定于行走机构3和自适应支撑机构2之间，用来调整行走机构3的转换角度，使检测机器人可以同时适应圆形和方形管道的检测。

所述方管圆管自适应结构包括直流电机34、减速箱、第二丝杆35、第二弹簧36、弹簧支撑杆37、第二丝杆螺母盘38、电机安装板39，所述直流电机34安装在电机安装板39上，直流电机34与减速箱连接，所述减速箱与第二丝杆35连接，所述第二丝杆35上固定有丝杆螺母盘38，第二丝杆35的两侧设有弹簧支撑柱，所述弹簧支撑柱连接电机安装板39和第二丝杆螺母盘38，所述弹簧支撑柱外套设有第二弹簧36，所述第二丝杆螺母盘38与行走机构3相连。

所述方管圆管自适应结构可以使机器能够在方形管道和圆形管道里自由通行，增强机器的一体性。用弹簧纵杆辅助，增强机构的稳定性。行走机构3中的三个履带26只有两个履带26添加方管圆管自适应结构进行角度的自动调节，另一个履带26维持原安装模式不变。

所述方管圆管自适应结构的工作原理为：所述直流电机34旋转，带动丝杆从而使丝杆螺母盘38在丝杆上前后移动，从而调节行走机构3的角度，使其在120度到180度自由转换。

参见图12-15，在120度时，所述自适应三履带管道检测机器人适应圆形管道，在180度时，所述自适应三履带管道检测机器人适应方形管道，履带26与机器通过三角型结构连接，结构稳定可靠。在180度向120度运动过程中，压紧第二弹簧36，使攀爬垂直圆形管道更容易对管道内壁施加正应力。

所述检测机器人能适应200—350mm管径的管道，通过拆卸重组可以适应100—660mm管径的管道。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本实用新型的技术方案并非是对本实用新型的限制，参照优选的实施方式对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本实用新型的宗旨，也应属于本实用新型的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种自适应三履带管道检测机器人，其特征在于：包括机身主体（1）、三组自适应支撑机构（2）、三组行走机构（3）和视觉检测机构（4），所述三组自适应支撑机构（2）沿着机身主体（1）轴线的周向120度均匀分布，所述三组自适应支撑机构（2）分别与三组行走机构（3）相连，所述视觉检测机构（4）位于机身主体（1）的最前端。

2.根据权利要求1所述的自适应三履带管道检测机器人，其特征在于：所述自适应支撑机构（2）包括驱动电机、大圆柱齿轮（5）、小圆柱齿轮（6）、第一弹簧（7）、滑块盘（8）、支撑前连杆（9）、支撑后连杆（10）、支撑弹簧前连杆（11）、支撑弹簧后连杆（12）、第一丝杆（13）、法兰轴承（14）、丝杆轴承（15）、第一丝杆螺母盘（16）、限位块（17）、第一推力轴承（18）、防松螺母（19），6根支撑前连杆（9）的一端与机身主体（1）上的推力轴承通过防松螺母（19）连接， 6根支撑前连杆（9）的另一端与行走机构（3）相连，6根支撑后连杆（10）的一端与机身主体（1）上的推力轴承通过防松螺母（19）连接，6根支撑后连杆（10）的另一端与行走机构（3）相连，所述支撑弹簧前连杆（11）和支撑弹簧后连杆（12）中间连接第一弹簧（7），所述支撑弹簧后连杆（12）通过螺栓与机身主体（1）上的滑块盘（8）相连，所述滑块盘（8）固定设有第一丝杆螺母盘（16），所述第一丝杆螺母盘（16）与第一丝杆（13）啮合，所述第一丝杆（13）的一端连接限位块（17），所述第一丝杆（13）的依次穿过法兰轴承（14）、丝杆轴承（15）与小圆柱齿轮（6）啮合，所述小圆柱齿轮（6）与大圆柱齿轮（5）啮合，所述大圆柱齿轮（5）与驱动电机的输出轴相连。

3.根据权利要求1所述的自适应三履带管道检测机器人，其特征在于：所述行走机构（3）包括驱动模块、履带（26）、侧板（27），所述驱动模块包括大同步带轮（20）、第一圆柱直齿轮（21）、第二圆柱直齿轮（22）、履带支撑轮（23）、锥齿轮（24）、直流无刷伺服电机（25），所述直流无刷伺服电机（25）与减速器相连，通过电机座和减速器座固定于侧板上，所述减速器末端与联轴器相连，并与两个啮合的锥齿轮（24）相连，所述锥齿轮（24）套接在第一传动轴的外周，所述第一传动轴上还套接有第一圆柱直齿轮（21），所述第一圆柱直齿轮（21）和第二圆柱直齿轮（22）啮合连接，所述第二圆柱直齿轮（22）套接在第二传动轴上，所述第二传动轴上第二圆柱直齿轮（22）的前后还套接有两个大同步带轮（20），所述大同步带轮（20）与行走机构（3）的履带（26）的内表面啮合，所述履带支撑轮（23）套接在履带支撑柱上，所述履带撑柱通过螺栓固定在前后的侧板（27）上。

4.根据权利要求1所述的自适应三履带管道检测机器人，其特征在于：所述视觉检测机构（4）包括摄像机（28）、X舵机（29）、Y舵机（30），所述摄像机（28）固定在摄像机外壳（31）内，所述摄像机外壳（31）与X舵机（29）的圆盘固定连接，所述X舵机（29）外套设有X轴壳（32）内，X轴壳（32）与Y舵机（30）的圆盘相连，Y舵机（30）外套设有Y轴壳（33）。

5.根据权利要求1所述的自适应三履带管道检测机器人，其特征在于：还包括方管圆管自适应结构，所述方管圆管自适应结构通过合页（40）固定于行走机构（3）和自适应支撑机构（2）之间，用来调整行走机构（3）的转换角度，使检测机器人可以同时适应圆形和方形管道的检测。

6.根据权利要求5所述的自适应三履带管道检测机器人，其特征在于：所述方管圆管自适应结构包括直流电机（34）、减速箱、第二丝杆（35）、第二弹簧（36）、弹簧支撑杆（37）、第二丝杆螺母盘（38）、电机安装板（39），所述直流电机（34）安装在电机安装板（39）上，直流电机（34）与减速箱连接，所述减速箱与第二丝杆（35）连接，所述第二丝杆（35）上固定有第二丝杆螺母盘（38），第二丝杆（35）的两侧设有弹簧支撑柱，所述弹簧支撑柱连接电机安装板（39）和第二丝杆螺母盘（38），所述弹簧支撑柱外套设有第二弹簧（36），所述第二丝杆螺母盘（38）与行走机构（3）相连。

Images