CN107940166A - 带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，包括依次通过螺旋弹簧相连的图像获取装置、动力装置和螺旋推进装置，图像获取装置包括中空的图像获取装置箱体，图像获取装置箱体顶部通过螺钉固定有LED盘，LED盘内部空槽内嵌有CCD相机，图像获取装置箱体内部安装有控制模块；动力装置包括中空的动力箱，动力箱内安装有直流减速电机，控制模块与直流减速电机控制连接；螺旋推进装置包括从上到下螺旋状分布的弹性螺旋推进架，螺旋推进架上沿螺旋方向设置有多个轴，轴上通过轴承连接有驱动轮。本发明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。

Description

带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人

技术领域

本发明属于管道检测设备技术领域，具体涉及一种带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人。

背景技术

工业管道***广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域，其因工作环境非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，造成经济损失甚至危害人身安全。因此必须定期的对这些管道进行检修和维护，但是管道大部分埋藏于地下，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，因此，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。

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、蠕动式管道机器人、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。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，解决了现有螺旋式管道机器人无法适用于中小直径的90°极限弯道和竖直管道的问题。

本发明所采用的技术方案是，带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，包括依次通过螺旋弹簧相连的图像获取装置、动力装置和螺旋推进装置，图像获取装置包括中空的图像获取装置箱体，图像获取装置箱体顶部通过螺钉固定有LED盘，LED盘内部空槽内嵌有CCD相机，图像获取装置箱体内部安装有控制模块；动力装置包括中空的动力箱，动力箱内安装有直流减速电机，控制模块与直流减速电机控制连接，动力箱底部外设置有电机过渡套与直流减速电机底部的主轴连接；螺旋推进装置包括从上到下螺旋状分布的弹性螺旋推进架，螺旋推进架上沿螺旋方向设置有多个轴，轴上通过轴承连接有驱动轮；图像获取装置箱体和动力箱外壁上分别绕轴向设置有三组互成120°的张紧机构。

本发明的特点还在于，

图像获取装置箱体和动力箱内壁的长槽内均设置有电池板，电池板分别与对应的控制模块和直流减速电机连接。

LED盘底部安装有CCD相机盖，图像获取装置箱体底部外通过螺钉固定有图像获取连接盖。

张紧机构包括上下设置的两个张紧连杆，每个张紧连杆一端通过轴承连接有支撑轮，每组张紧机构的两个张紧连杆之间设置有张紧弹簧。

动力箱顶部外通过螺钉固定有动力箱连接盖。

直流减速电机的主轴与动力箱底部之间设置有电机盖，电机盖的内圆和外圆分别通过三个螺钉与直流减速电机的主轴端、动力箱底部连接。

图像获取装置箱体和动力箱均为内部中空的圆筒结构。

张紧连杆另一端均与对应的图像获取装置箱体和动力箱外壁铰接。

LED盘外壁安装有LED光源。

本发明的有益效果是，

采用螺旋驱动原理，内置电源，使机器人结构简单、行动自如；

弹性螺旋推进装置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，对管道直径的变化具有良好的适应性能，具有较强的越障能力；

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

图1是本发明带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人的结构示意图；

图2是本发明带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人的工作原理示意图。

图中，1.图像获取装置，2.动力装置，3.螺旋推进装置；

101.LED盘，102.CCD相机，103.CCD相机盖，104.图像获取装置箱体，105.电池板，106.控制模块，107.图像获取连接盖，108.张紧连杆，109.张紧弹簧，110.支撑轮；

201.动力箱连接盖，202.动力箱，203.直流减速电机，204.电机盖，205.电机过渡套；

301.螺旋推进架，302.驱动轮，400.螺旋弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，如图1所示，包括依次通过螺旋弹簧400相连的图像获取装置1、动力装置2和螺旋推进装置3，图像获取装置1包括中空的图像获取装置箱体104，图像获取装置箱体104顶部通过螺钉固定有LED盘101，LED盘101内部空槽内嵌有CCD相机102，图像获取装置箱体104内部安装有控制模块106；动力装置2包括中空的动力箱202，动力箱202内安装有直流减速电机203，控制模块106与直流减速电机203控制连接，动力箱202底部外设置有电机过渡套205与直流减速电机203底部的主轴连接；螺旋推进装置3包括从上到下螺旋状分布的弹性螺旋推进架301，螺旋推进架301上沿螺旋方向设置有多个轴，轴上通过轴承连接有驱动轮302；图像获取装置箱体104和动力箱202外壁上分别绕轴向设置有三组互成120°的张紧机构。

图像获取装置箱体104和动力箱202内壁的长槽内均设置有电池板105，电池板105分别与对应的控制模块106和直流减速电机203连接。LED盘101底部安装有CCD相机盖103，图像获取装置箱体104底部外通过螺钉固定有图像获取连接盖107。张紧机构包括上下设置的两个张紧连杆108，每个张紧连杆108一端通过轴承连接有支撑轮109，每组张紧机构的两个张紧连杆108之间设置有张紧弹簧109。动力箱202顶部外通过螺钉固定有动力箱连接盖201。直流减速电机203的主轴与动力箱202底部之间设置有电机盖204，电机盖204的内圆和外圆分别通过三个螺钉与直流减速电机203的主轴端、动力箱202底部连接。图像获取装置箱体104和动力箱202均为内部中空的圆筒结构。张紧连杆108另一端均与对应的图像获取装置箱体104和动力箱202外壁铰接。LED盘101外壁安装有LED光源。

本发明带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，如图2所示，通过在空间呈螺旋线型的弹性螺旋推进装置张紧于管道内壁。

螺旋推进装置3在直流减速电机203的驱动下作旋转运动，同时通过驱动轮302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。

当动力装置2中的直流减速电机203通电时，直流减速电机203的主轴输出由电机过渡套205通过其下方的螺旋弹簧400，带动螺旋推进装置3旋转，螺旋推进装置3中螺旋推进架301的张紧力Fn使驱动轮302紧压在管道内壁上，由于驱动轮302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和轴向的摩擦力f’，整个驱动轮组沿管壁做螺旋运动。

同时，由于支撑轮110的轴线与管道轴线相垂直，动力装置2和图像获取装置1在支撑轮110的轴向摩擦力作用下，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1内安装的控制模块106用于控制直流减速电机203的正反转，通过改变直流减速电机203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。

参考图2，在上述螺旋旋转运动中，假设驱动轮302不发生滑动，主轴以转速n转动，螺旋推进架301的半径为R，驱动轮302直径为D，设螺旋推进装置3的螺旋角为β，则

驱动轮302中心的线速度：

驱动轮302轴向移动速度：

该管道机器人在工作中，当遇到管径变小时，螺旋推进架301受管壁的压力，使得其受压径向向里移动；当遇到管径变大时，螺旋推进架301张开，沿管道径向背离管道中心轴线移动，这样使得驱动轮302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。

在遇到较小障碍物或者管径在一定范围变化时，图像获取装置箱体104和动力箱202外壁的张紧机构，在张紧弹簧109作用下，同一组两个张紧连杆108之间的距离发生变化，使得支撑轮110始终贴于管壁。

该管道机器人在管道内行走进行管道检测，图像获取装置箱体104的LED盘101安装有一周共6个LED光源，用于照亮管道内部，使CCD相机102获得清晰的管道壁图像，且图像获取装置箱体104内部可安装蓝牙装置，CCD相机102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。

图像获取装置1、动力装置2及螺旋推进装置3对应的连接端均设置有的连接接头，相邻连接接头之间均设置有螺旋弹簧400，以增加其弹性。

本发明能够适应管径的较大范围的变化，有较强的驱动力和越障能力，对中小直径的90°极限弯道和竖直管道具有良好的通过性。

Claims (9)

1.带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，包括上下设置且依次通过螺旋弹簧(400)相连的图像获取装置(1)、动力装置(2)和螺旋推进装置(3)，

所述图像获取装置(1)包括中空的图像获取装置箱体(104)，所述图像获取装置箱体(104)顶部通过螺钉固定有LED盘(101)，所述LED盘(101)内部空槽内嵌有CCD相机(102)，所述图像获取装置箱体(104)内部安装有控制模块(106)；

所述动力装置(2)包括中空的动力箱(202)，所述动力箱(202)内安装有直流减速电机(203)，所述控制模块(106)与直流减速电机(203)控制连接，所述动力箱(202)底部外设置有电机过渡套(205)与直流减速电机(203)底部的主轴连接；

所述螺旋推进装置(3)包括从上到下螺旋状分布的弹性螺旋推进架(301)，所述螺旋推进架(301)上沿螺旋方向设置有多个轴，所述轴上通过轴承连接有驱动轮(302)；

所述图像获取装置箱体(104)和动力箱(202)外壁上分别绕轴向设置有三组互成120°的张紧机构。

2.根据权利要求1所述的带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述图像获取装置箱体(104)和动力箱(202)内壁的长槽内均设置有电池板(105)，所述电池板(105)分别与对应的控制模块(106)和直流减速电机(203)连接。

3.根据权利要求1所述的带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述LED盘(101)底部安装有CCD相机盖(103)，所述图像获取装置箱体(104)底部外通过螺钉固定有图像获取连接盖(107)。

4.根据权利要求1所述的带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述张紧机构包括上下设置的两个张紧连杆(108)，每个所述张紧连杆(108)一端通过轴承连接有支撑轮(109)，每组所述张紧机构的两个张紧连杆(108)之间设置有张紧弹簧(109)。

5.根据权利要求1所述的带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述动力箱(202)顶部外通过螺钉固定有动力箱连接盖(201)。

6.根据权利要求1所述的带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述直流减速电机(203)的主轴与动力箱(202)底部之间设置有电机盖(204)，所述电机盖(204)的内圆和外圆分别通过三个螺钉与直流减速电机(203)的主轴端、动力箱(202)底部连接。

7.根据权利要求1所述的带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述图像获取装置箱体(104)和动力箱(202)均为内部中空的圆筒结构。

8.根据权利要求4所述的带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述张紧连杆(108)另一端均与对应的图像获取装置箱体(104)和动力箱(202)外壁铰接。

9.根据权利要求4所述的带有螺旋推进装置的管道内壁缺陷图像获取机器人，其特征在于，所述LED盘(101)外壁安装有LED光源。