CN106476004B - 一种井架缺陷巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井架缺陷巡检机器人，包括前车、连接结构和后车，前车通过连接结构与后车连接；所述前车包括前车架、天线、信号发射器、信号接收器、运动摄像机、前夹紧驱动机构、电磁铁和三轴加速度传感器；所述后车包括后车架、步进电机、步进电机驱动器、控制装置、后夹紧驱动机构、电磁铁和电源装置；所述连接结构包括丝杠和圆弹簧；所述控制装置与信号发射器、信号接收器、运动摄像机、三轴加速度传感器、电磁铁和步进电机驱动器连接，信号发射器与天线连接；电源装置为整个***供电。无需人工进行巡检，节约人力资源，不会存在人体安全隐患，同时提高监测精度；另外本装置可实时进行监测并反馈数据，便于监测者查看。

Description

一种井架缺陷巡检机器人

技术领域

本发明涉及一种井架巡检设备，具体是一种井架缺陷巡检机器人。

背景技术

井架是冶金采矿、采煤，石油钻探等提升设备的重要组成部分。井架实际工作中，在工作提升载荷、脉动风载荷等多种因素的影响下，使得井架产生平面及高程方向三维摆动变形。当变形超过一定限值，会严重影响安全生产，成为工作过程中最危险的安全隐患。为此，必须掌握井架的动态变形，以便采取相应的安全预警措施。井架斜撑基础地层自上而下分别为填土、黄土状粉质粘土、粘土、残积土。该层物质成分复杂,没经过必要的压实处理,所以质地松软、承载能力较低。因此,压缩变形大,一旦斜腿基础加载后或地表水位受采动影响而下降,就可能引起斜排基础较大的沉降。井架立架基础直接座落在基岩上的混凝土井壁上,因而，其沉降量可以忽略不计,这样可能引起整个井架向斜撑方向倾斜。在正常情况下,井架是足够安全、稳定的。但是,如果使用操作不当或因其它原因,井架也可能发生弯曲变形。井架弯曲变形后,其总体稳定性和承载能力将大大降低。所以,一旦出现这种情况,重新对弯曲变形后的井架进行稳定校核和正确地计算出该井架的承载能力,对决定可否继续进行后续作业和采取校直、加固等补救措施,还是更换井架都十分重要。目前国内外,井架的变形监测主要采取常规测量手段，如全站仪进行平面变形监测，水准仪测定高程变形。然而常规测量方法监测周期长，劳动强度大，难以满足监测要求。与此同时，也有一种新型的测量方法——三维激光扫描测量技术，其是一种新型全自动高精度立体扫描技术，它通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。与传统测量方法相比，地面三维激光扫描技术采集数据不需要合作目标，能快速、准确地获取目标体数据，具有密度高、精度高等特点，适合大面积或者表面复杂的物体测量及其物体局部细节测量，计算目标表面、体积、断面、截面、等值线等，为测绘人员突破传统测量技术提供一种全新的数据获取手段。但是成本较大，研究周期较长，实际意义并不是很大。

对于目前井架安全检修的现状分析可知，主要存在如下问题：

1、这些检测方法都需要大量人力资源，且成本较高，并且数据的误差比较大，最为主要的是存在安全隐患。

2、这些检测方法都是粗略的检测，不能够较为精确的反应井架的现状，对于井架的细节部分不能精确检测，存在很大的隐患。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种井架缺陷巡检机器人，无需人工进行巡检，节约人力资源，不会存在人体安全隐患，同时提高监测精度；另外本装置可实时进行监测并反馈数据，便于监测者查看。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该种井架缺陷巡检机器人，包括前车、连接结构和后车，前车通过连接结构与后车连接；

所述前车包括前车架、天线、信号发射器、信号接收器、运动摄像机、前夹紧驱动机构和三轴加速度传感器，所述信号发射器、信号接收器、运动摄像机、电磁铁和三轴加速度传感器设置在前车架上，天线设置在信号发射器上部；所述前车架下部设有两组滚轮，所述滚轮通过转轴与前车架铰接；前夹紧驱动机构设置在前车架下部，所述前夹紧驱动机构由沿前车架中心截面对称布置的两个舵机、两个空心杯电机和两个夹紧轮组成，舵机的转动支架与空心杯电机固定连接，空心杯电机的输出轴与夹紧轮固定连接；

所述后车包括后车架、步进电机、步进电机驱动器、控制装置、后夹紧驱动机构和电源装置，所述步进电机、步进电机驱动器、控制装置、电磁铁和电源装置设置在后车架上，步进电机驱动器与步进电机连接，所述步进电机和步进电机驱动器均为三个，三个步进电机呈品字形分布，所述三个步进电机的输出轴上均设有形状相同的传动齿轮；所述后车架下部设有两组滚轮，所述滚轮通过转轴与后车架铰接；后夹紧驱动机构设置在后车架下部，所述后夹紧驱动机构由沿后车架中心截面对称布置的两个舵机、两个空心杯电机和两个夹紧轮组成，舵机的转动支架与空心杯电机固定连接，空心杯电机的输出轴与夹紧轮固定连接；

所述连接结构包括丝杠和圆弹簧，丝杠的一端和圆弹簧的一端刚性连接，圆弹簧的另一端与前车架刚性连接，丝杠的另一端穿过后车架上的支板，所述丝杠上设有联动齿轮，所述联动齿轮的外圆周设有与传动齿轮相配合的齿、联动齿轮的内孔为螺纹孔，所述丝杠、圆弹簧和联动齿轮均为三个，三个联动齿轮分别与三个传动齿轮啮合，联动齿轮卡在后车架上的齿轮座内；

所述控制装置与信号发射器、信号接收器、运动摄像机、三轴加速度传感器、电磁铁和步进电机驱动器连接，信号发射器与天线连接；电源装置为整个***供电。

进一步，所述控制装置为单片机。

进一步，所述天线为蘑菇天线。

进一步，还包括限位板，所述限位板上开设三个孔，限位板设置在丝杠上，三个丝杠分别穿过三个孔。采用限位板在丝杠进行移动时，可保持三个丝杠的相对位置不会改变，从而提高运行稳定性。

进一步，所述夹紧轮外表面为橡胶材质。

与现有技术相比，本发明采用前车、连接结构和后车相结合的方式，将本装置放置在井架上，通过前夹紧驱动机构和后夹紧驱动机构使前车和后车相对固定在井架管路上，通过电磁铁增强小车与井架的吸附力，此时开启运动摄像机和三轴加速度传感器，运动摄像机将拍摄的实时视频反馈到控制装置，同时三轴加速度传感器将实时检测前车的运动情况并反馈给控制装置，控制装置预处理后通过信号发射器及天线发送给地面控制中心；进行移动时，信号接收器接收地面控制中心的的信号并送入到控制装置。控制装置控制前后夹紧驱动机构中的空心杯电机启动，空心杯电机带动夹紧轮转动，通过夹紧轮与井架管路的摩擦，完成整个装置向前匀速运动。当遇到有弧度的管路时，控制装置控制前夹紧驱动机构中的舵机向外旋转90°，从而使前夹紧驱动机构中的夹紧轮从夹紧井架管路状态变成与井架管路不接触状态；然后控制装置通过步进电机驱动器控制三个步进电机同步启动，进而通过传动齿轮带动联动齿轮转动，由于后车处于固定状态且联动齿轮和丝杠为螺纹连接，这样联动齿轮转动会导致丝杠相对联动齿轮向前进行运动，丝杠运动会带动前车架通过滚轮在井架管路上实现向前运动，此时控制装置通过步进电机驱动器减小转弯方向的对应步进电机的转速，那么与步进电机对应联动丝杠的前进速度就会变小，其他两根联动丝杠保持原来的前进速度，由于丝杠连接的圆弹簧有一定的变形量，由此实现前车的转向运动。前车运动到对应的轨道时，控制装置控制步进电机停止工作，同时控制前夹紧驱动机构中的舵机向内旋转90°，从而使前夹紧驱动机构中的夹紧轮从与井架管路不接触状态变成夹紧井架管路状态，完成前车转向并固定的过程；然后控制装置控制后夹紧驱动机构的舵机向外转动90°。从而使后夹紧驱动机构中的夹紧轮从夹紧井架管路状态变成与井架管路不接触状态；然后控制装置通过步进电机驱动器控制三个步进电机同步启动并相对之前方向转动，进而通过传动齿轮带动联动齿轮转动，由于此时前车处于固定状态，后车处于可移动状态，这样联动齿轮转动会导致联动齿轮相对丝杠向前运动，进而带动后车架通过滚轮在井架管路上靠近前车方向运动，此时控制装置通过步进电机驱动器减小转弯方向的对应步进电机的转速，那么与步进电机对应联动丝杠的收缩速度就会变小，其他两根联动丝杠的收缩速度保持不变，由于丝杠连接的圆弹簧有一定的变形量，就能实现后车的转向运动。当后车进入前车所在轨道时，控制装置控制步进电机停止工作，同时控制后夹紧驱动的舵机向内转动90°，从而使后夹紧机构中的夹紧轮从与井架管路不接触状态变成夹紧井架管路状态，完成整个装置的转向过程。这样无需人工采用多种设备进行定期巡检，节约人力资源，不会存在人体安全隐患，通过视频检测和三轴加速度传感器的双项巡检模式，能更加直观的将井架的状况反映到地面控制中心，有效的提高了监测精度；机器人灵活的运动转向机构能在复杂的管路中自由前进，避免了检测死角，扩大了检测范围。另外相对于地面三维激光扫描技术来说可大大降低监测成本，同时地面三维激光扫描技术其后期处理数据的周期较长，而本装置可实时进行监测并反馈数据，便于监测者查看。

附图说明

图1是本发明的结构侧视图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的前车转向示意图；

图4是本发明中后车的结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明中后车的齿轮传动机构示意图。

图中：1、丝杠，2、步进电机驱动器，3、步进电机，4、支板，5、电源装置，6、限位板，7、圆弹簧，8、蘑菇天线，9、运动摄像机，10、信号接收器，11、后车架，12、空心杯电机，13、舵机，14、夹紧轮，15、电磁铁，16、齿轮座，17、滚轮，18、信号发生器，19、三轴加速度传感器，20、前车架，21、传动齿轮，22、联动齿轮。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，本发明包括前车、连接结构和后车，前车通过连接结构与后车连接；

所述前车包括前车架20、天线、信号发射器18、信号接收器10、运动摄像机9、电磁铁15、前夹紧驱动机构和三轴加速度传感器19，所述信号发射器18、信号接收器10、运动摄像机9和三轴加速度传感器19设置在前车架20上，天线设置在信号发射器18上部；所述前车架20下部设有两组滚轮17，所述滚轮17通过转轴与前车架20铰接；前夹紧驱动机构设置在前车架20下部，所述前夹紧驱动机构由两个舵机13、两个空心杯电机12和两个夹紧轮14组成，舵机13的转动支架与空心杯电机12固定连接，空心杯电机12的输出轴与夹紧轮14固定连接；

所述后车包括后车架11、步进电机3、步进电机驱动器2、控制装置、电磁铁15、后夹紧驱动机构和电源装置5，所述步进电机3、步进电机驱动器2、控制装置、电磁铁15和电源装置5设置在后车架11上，步进电机驱动器2与步进电机3连接，所述步进电机3和步进电机驱动器2均为三个，三个步进电机3呈品字形分布，所述三个步进电机3的输出轴上均设有形状相同的传动齿轮21；所述后车架11下部设有两组滚轮17，所述滚轮17通过转轴与后车架11铰接；后夹紧驱动机构设置在后车架11下部，所述后夹紧机构由舵机13和两个夹紧轮14组成，舵机13的支架与空心杯电机12固定连接，空心杯电机的输出轴与夹紧轮14固定连接；

所述连接结构包括丝杠1和圆弹簧7，丝杠1的一端和圆弹簧7的一端刚性连接，圆弹簧7的另一端与前车架17刚性连接，丝杠1的另一端穿过后车架11上的支板4，所述丝杠1上设有联动齿轮22，所述联动齿轮22的外圆周设有与传动齿轮21相配合的齿、联动齿轮22的内孔为螺纹孔，所述丝杠1、圆弹簧7和联动齿轮22均为三个，三个联动齿轮19分别与三个传动齿轮21啮合，联动齿轮22卡在后车架11上的齿轮座16内；

所述控制装置与信号发射器18、信号接收器10、运动摄像机9、三轴加速度传感器19电磁铁15、和步进电机驱动器2连接，信号发射器18与天线连接；电源装置5为整个***供电。

进一步，所述控制装置为单片机。

进一步，所述天线为蘑菇天线8。

进一步，还包括限位板6，所述限位板6上开设三个孔，限位板6设置在丝杠1上，三个丝杠1分别穿过三个孔。采用限位板6在丝杠1进行移动时，可保持三个丝杠1的相对位置不会改变，从而提高运行稳定性。

进一步，所述夹紧轮14外表面为橡胶材质。

将本装置放置在井架上，通过前夹紧驱动机构和后夹紧驱动机构使前车和后车相对固定在井架管路上，通过电磁铁17增强小车与井架的吸附力，此时开启运动摄像机9和三轴加速度传感器19，运动摄像机9将拍摄的实时视频反馈到控制装置，同时三轴加速度传感器19将实时检测前车的运动情况并反馈给控制装置，控制装置预处理后通过信号发射器18及天线8发送给地面控制中心；进行移动时，信号接收器10接收地面控制中心的的信号并送入到控制装置。控制装置控制前后夹紧驱动机构中的空心杯电机12启动，空心杯电机12带动夹紧轮14转动，通过夹紧轮14与井架管路的摩擦，完成整个装置向前匀速运动。当遇到有弧度的管路时，控制装置控制前夹紧驱动机构中的舵机13向外旋转90°，从而使前夹紧驱动机构中的夹紧轮14从夹紧井架管路状态变成与井架管路不接触状态；然后控制装置通过步进电机驱动器2控制三个步进电机3同步启动，进而通过传动齿轮21带动联动齿轮22转动，由于后车处于固定状态且联动齿轮22和丝杠1为螺纹连接，这样联动齿轮22转动会导致丝杠1相对联动齿轮22向前进行运动，丝杠1运动会带动前车架20通过滚轮17在井架管路上实现向前运动，此时控制装置通过步进电机驱动器2减小转弯方向的对应步进电机3的转速，那么与步进电机3对应联动丝杠1的前进速度就会变小，其他两根联动丝杠1保持原来的前进速度，由于丝杠1连接的圆弹簧7有一定的变形量，由此实现前车的转向运动。前车运动到对应的轨道时，控制装置控制步进电机3停止工作，同时控制前夹紧驱动机构中的舵机13向内旋转90°，从而使前夹紧驱动机构中的夹紧轮14从与井架管路不接触状态变成夹紧井架管路状态，由此完成前车转向并固定的过程；然后控制装置控制后夹紧驱动机构的舵机13向外转动90°。从而使后夹紧驱动机构中的夹紧轮14从夹紧井架管路状态变成与井架管路不接触状态；然后控制装置通过步进电机驱动器2控制三个步进电机3同步启动并相对之前方向反向转动，进而通过传动齿轮21带动联动齿轮22转动，由于此时前车处于固定状态，后车处于可移动状态，这样联动齿轮22转动会导致联动齿轮22相对丝杠向前运动，进而带动后车通过滚轮17在井架管路上靠近前车方向运动，此时控制装置通过步进电机驱动器2减小转弯方向的对应步进电机3的转速，那么与步进电机3对应联动丝杠1的收缩速度就会变小，由于丝杠1连接的圆弹簧7有一定的变形量，就能实现后车的转向运动。当后车进入前车所在轨道时，控制装置控制步进电机3停止工作，同时控制后夹紧驱动的舵机13向内转动90°，从而使后夹紧机构中的夹紧轮14从与井架管路不接触状态变成夹紧井架管路状态，完成整个装置的转向过程。这样无需人工采用多种设备进行定期巡检，节约人力资源，不会存在人体安全隐患，通过视频检测和三轴加速度传感器的双项巡检模式，能更加直观的将井架的状况反映到地面控制中心，有效的提高了监测精度；机器人灵活的运动转向机构能在复杂的管路中自由前进，避免了检测死角，扩大了检测范围。另外相对于地面三维激光扫描技术来说可大大降低监测成本，同时地面三维激光扫描技术其后期处理数据的周期较长，而本装置可实时进行监测并反馈数据，便于监测者查看。

Claims (5)

1.一种井架缺陷巡检机器人，其特征在于，包括前车、连接结构和后车，前车通过连接结构与后车连接；

所述前车包括前车架、天线、信号发射器、信号接收器、运动摄像机、前夹紧驱动机构、电磁铁和三轴加速度传感器，所述信号发射器、信号接收器、运动摄像机和三轴加速度传感器设置在前车架上，天线设置在信号发射器上部；所述前车架下部设有两组滚轮，所述滚轮通过转轴与前车架铰接；前夹紧驱动机构设置在前车架下部，所述前夹紧驱动机构由沿前车架中心截面对称布置的两个舵机、两个空心杯电机和两个夹紧轮组成，舵机的转动支架与空心杯电机固定连接，空心杯电机的输出轴与夹紧轮固定连接；

所述后车包括后车架、步进电机、步进电机驱动器、控制装置、后夹紧驱动机构、电磁铁和电源装置，所述步进电机、步进电机驱动器、控制装置、电磁铁和电源装置设置在后车架上，步进电机驱动器与步进电机连接，所述步进电机和步进电机驱动器均为三个，三个步进电机呈品字形分布，所述三个步进电机的输出轴上均设有形状相同的传动齿轮；所述后车架下部设有两组滚轮，所述滚轮通过转轴与后车架铰接；后夹紧驱动机构设置在后车架下部，所述后夹紧机构由沿后车架中心截面对称布置的两个舵机、两个空心杯电机和两个夹紧轮组成，舵机的转动支架与空心杯电机固定连接，空心杯电机的输出轴与夹紧轮固定连接；

所述连接结构包括丝杠和圆弹簧，丝杠的一端和圆弹簧的一端刚性连接，圆弹簧的另一端与前车架刚性连接，丝杠的另一端穿过后车架上的支板，所述丝杠上设有联动齿轮，所述联动齿轮的外圆周设有与传动齿轮相配合的齿、联动齿轮的内孔为螺纹孔，所述丝杠、圆弹簧和联动齿轮均为三个，三个联动齿轮分别与三个传动齿轮啮合，联动齿轮卡在后车架上的齿轮座内；

所述控制装置与信号接收器、信号发射器、运动摄像机、三轴加速度传感器、电磁铁和步进电机驱动器连接，信号发射器与天线连接；电源装置为整个***供电。

2.根据权利要求1所述的一种井架缺陷巡检机器人，其特征在于，所述控制装置为单片机。

3.根据权利要求1所述的一种井架缺陷巡检机器人，其特征在于，所述天线为蘑菇天线。

4.根据权利要求1所述的一种井架缺陷巡检机器人，其特征在于，还包括限位板，所述限位板上开设三个孔，限位板设置在丝杠上，三个丝杠分别穿过三个孔。

5.根据权利要求1所述的一种井架缺陷巡检机器人，其特征在于，所述夹紧轮外表面为橡胶材质。