CN108953840A - 一种适用于不同管径的无缆式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于不同管径的无缆式管道机器人，包括电机驱动单元、螺旋伞齿轮传动单元、主轴斜齿轮传动单元、惰齿轮过渡传动单元、从动轴传动单元、包胶轮组传动单元、云台举升单元、摄像头单元和蓄电池单元；电机驱动单元包括两台驱动电机，分别驱动管道机器人左右两侧轮组；螺旋伞齿轮传动单元将电机驱动单元提供的动力经过传动比放大，再由主轴斜齿轮传动单元、惰齿轮过渡传动单元、从动轴传动单元利用斜齿轮传动到包胶轮组传动单元，实现整个管道机器人爬行动作。本发明可根据现场不同工况，快速安装适应管道的外接轮组；采用管道机器人无缆式，自带蓄电池与无线通信模块，工作效率高，能实现连续不间断作业，工作距离长。

Description

一种适用于不同管径的无缆式管道机器人

技术领域

本发明涉及管道内部勘察、清理与修补技术，具体涉及一种适用于不同管径的无缆式管道机器人。

背景技术

随着城市的发展，在工业界、石油、天然气、供水、排水和医学领域上管道作为一种高效的输送手段越来越得到广泛的应用，管道已成为一个城市的“生命线”。管道技术的广泛应用，提高管道使用寿命与及时查寻危险隐患迫在眉睫。管道机器人的研发不仅代替人工作业，排除人工下井的危险性，而且能做有些人工无法完成的工作。

国内外对管道机器人的研究颇多，目前市场上常见的管道机器人都是有缆式，缆线既供电又负责通信。但此类管道机器人最致命的缺陷是行走距离有限。随着缆线越拖越长，机器人动力不足以在拉到缆线的重量往前进。有缆式管道机器人工作效率极低，每次工作到一定距离后需原路退回放入口，不能实现连续远距离自主巡航。对于管道机器人搭载不同功能模块来清污与修补，市场上还没有类似产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于不同管径的无缆式管道机器人。

实现本发明目的的技术方案为：一种适用于不同管径的无缆式管道机器人，包括电机驱动单元、螺旋伞齿轮传动单元、主轴斜齿轮传动单元、惰齿轮过渡传动单元、从动轴传动单元、包胶轮组传动单元、云台举升单元、摄像头单元和蓄电池单元；

所述电机驱动单元包括两台驱动电机，两台驱动电机独立工作，分别驱动管道机器人左右两侧轮组；螺旋伞齿轮传动单元将电机驱动单元提供的动力经过传动比放大，再由主轴斜齿轮传动单元、惰齿轮过渡传动单元、从动轴传动单元利用斜齿轮传动到包胶轮组传动单元，实现整个管道机器人爬行动作；所述包胶轮组传动单元外接不同规格轮组单元；

所述云台举升单元采用电机驱动四连杆机构升降摄像头单元；所述摄像头单元用于实时采集、传输与存储图像，所述蓄电池单元用于为电机驱动单元供电。

进一步的，所述轮组单元选用不同规格的外接轮组来适应不同的管径，外接轮组采用充气轮胎。

进一步的，所述包胶轮组传动单元的外形采用适应管道弧面的设计，轮毂与主轴间采用莫氏1号的圆锥面传动设计。

进一步的，摄像头单元包括前置摄像头和后置摄像头，前置摄像头通过四连杆机构实现±90°俯仰与360°旋转动作。

进一步的，前置摄像头和后置摄像头配置有LED灯组。

进一步的，云台举升单元内置无线通信模块，实现管道机器人无缆式长距离作业。

进一步的，管道机器人还包括传感器单元与GPS定位单元，传感器单元检测分析管道内部气体与液体成分，GPS定位单元时刻记录在管道内所处位置，生成管道布局图。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明可根据现场不同工况，快速安装适应管道的外接轮组，外接轮组选用充气轮胎，可替换性强，采用模块化快装结构，现场安装时无需专业人员安装；(2)本发明采用管道机器人无缆式，自带蓄电池与无线通信模块，工作效率高，能实现连续不间断作业，工作距离长；(3)本发明管道机器人整体外形与包胶轮组单元与管道形状相吻合，在内部长时间作业时不会发生打滑与倾覆现场。

附图说明

图1是本发明适用于不同管径的无缆式管道机器人总体结构示意图。

图2是电机驱动单元的结构示意图。

图3是主轴斜齿轮传动单元的结构示意图。

图4是惰齿轮过渡传动单元的结构示意图。

图5是从动轴传动单元的结构示意图。

图6是包胶轮组传动单元的结构示意图。

图7(a)是摄像头单元中前置摄像头模块示意图，图7(b)是后置摄像头模块结构示意图。

图8是管道机器未外接轮组单元时总体结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种适用于不同管径的无缆式管道机器人，包括电机驱动单元、螺旋伞齿轮传动单元、主轴斜齿轮传动单元、惰齿轮过渡传动单元、从动轴传动单元、包胶轮组传动单元、外接不同规格轮组单元、云台举升单元、摄像头单元和蓄电池单元。

所述螺旋伞齿轮传动单元用于将电机驱动单元中电机输出的力矩经螺旋伞齿轮的传动比放大后输出到主轴斜齿轮传动单元；主轴斜齿轮传动单元利用一组斜齿轮传动将螺旋伞齿轮传动单元传递过来的力矩输出到从动轴传动单元，惰齿轮过渡传动单元用于主轴斜齿轮传动单元与从动轴传动单元之间过渡传递力矩；所述从动轴传动单元将主轴斜齿轮传动单元传过来的力矩分别传递到每个包胶轮组传动单元上。

所述外接不同规格轮组单元是外接装配在包胶轮组传动单元，其作用在于根据现场工况的不同，选用不同规格的外接轮组来适应不同的管径，此单元设计成模块化，现场安装无需专业人员安装，安装方式简单便捷，外接轮组采用市面上通用的充气轮胎，成本低且可替换性强。

所述云台举升单元采用电机驱动四连杆机构平稳升降摄像头单元；所述摄像头单元用于实时传输与存储图像，在管道关键部位进行高清拍照后图像分析处理，前置摄像头可实现±90°俯仰与360°无止境旋转动作，对管道内部图像的采集，做到无死角，其中后置摄像头单元用于辅助倒车，两组摄像头单元都装有高亮LED灯组，保证摄像头捕捉到的画面清晰度。

所述蓄电池单元与举升云台单元中装有无线通信模块，实现管道机器人无缆式的远距离自主巡航功能，大容量锂电池组保证管道机器人长时间的续航能力。

结合图2，所述电机驱动单元采用双马达驱动动力设计，两台驱动电机独立工作，分开控制管道机器人左右两侧轮组，此设计易于控制端控制管道机器人的行进姿态，可灵活的在管道内利用电机输出差速实现拐弯或掉头。

所述螺旋伞齿轮传动单元用于电机驱动单元中电机输出的力矩经螺旋伞齿轮的传动比放大后输出到主轴斜齿轮传动单元，从而保证管道机器人有足够的输出力矩，在有较多障碍物的环境下拥有一定的越障能力。

结合图3，所述主轴斜齿轮传动单元利用一组斜齿轮传动把螺旋伞齿轮传动单元传递过来的力矩平缓的输出到从动轴传动单元，本单元采用成对使用的角接触球轴承来承受传动过程中受到的轴向力，此设计使包胶轮组传动单元只负责周向转动，从而保证整机传动部分的故障率大幅度降低，使用寿命更加持久。

结合图4，所述惰齿轮过渡传动单元用于主轴斜齿轮传动单元与从动轴传动单元之间过渡传递力矩。

结合图5，所述从动轴传动单元把主轴斜齿轮传动单元传过来的力矩分别传递到每个包胶轮组传动单元上。

结合图6，所述包胶轮组传动单元的外形采用适应管道弧面的设计，此设计使其与管道内部贴合，在管道内工作时更平稳，不易出现打滑与侧翻等现象，并且轮毂与主轴间采用莫氏1号的圆锥面传动设计，此设计使管道机器人行进时不会出现直线远距离跑偏，无需控制端时刻调整管道机器人行进姿态。

结合图7(a)，所述前置摄像头模块可实现±90°俯仰与360°无止境旋转动作，实现对管道内部画面无死角采集。

结合图7(b)，所述后置摄像头倒车模块用于辅助倒车。摄像头单元都配备高亮LED灯组，在没有任何光源的管道内，辅助摄像头进行画面捕捉。

结合图8，所述在管径较小的管道内，可不外接各种规格轮组。此款管道机器人可适用于最小直径400mm的管道内工作。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种适用于不同管径的无缆式管道机器人，包括电机驱动单元、螺旋伞齿轮传动单元、主轴斜齿轮传动单元、惰齿轮过渡传动单元、从动轴传动单元、包胶轮组传动单元、云台举升单元、摄像头单元和蓄电池单元。

所述蓄电池单元为整个管道机器人动力源，供电给电机驱动单元。驱动电机把电能转化为机械能，两个驱动电机分别驱动管道机器人两侧轮组。由螺旋伞齿轮传动单元把电机驱动单元提供的驱动力经过传动比放大，螺旋伞齿轮传动能承受更大的转矩且传动平稳。再由主轴斜齿轮传动单元连接包胶轮组中间轮，驱动中间轮行走。采用斜齿轮传动承受的转矩更大且传动过程平稳没有噪音。惰齿轮过渡传动单元过渡连接主轴斜齿轮传动单元与从动轴传动单元，把主轴斜齿轮传动单元上的驱动力传输到从动轴传动单元。同时，惰齿轮过渡传动单元起齿轮组换向的作用，使主动齿轮与从动齿轮转向一致。从动轴传动单元把惰齿轮过渡传动单元传过来的力矩再传到包胶轮组传动单元上，这样实现每侧三个轮组单元行走。管道机器人为适应不同管径，包胶轮组传动单元上可外接不同规格的轮组。每个轮组都采用模块化设计，携带与安装方便，可根据现场管径大小直接选择不同规格外接轮组。这种快装式外接轮组方法是本发明管道机器人创新点之一。

所述蓄电池单元同样需供电给云台举升单元中驱动举升电机，通过一组齿轮传动把输出力矩放大。本发明采用四连杆机构连接摄像头单元中前置摄像头模块，四连杆机构保证升降动作平稳无冲击。前置摄像头模块可实现±90°俯仰与360°无止境旋转动作，实现对管道内部画面无死角采集。后置摄像头倒车模块用于辅助倒车。摄像头单元都配备高亮LED灯组，在没有任何光源的管道内，辅助摄像头进行画面捕捉。同时，云台举升单元内置了无线通信模块，长距离与地面控制端保持通信，实现管道机器人无缆式长距离作业。

在对于城镇生活污水管道的检测，清理与修复工作中，可根据施工现场管径大小，选择合适的外接轮组快装到包胶轮组单元上。如果现场管径较小，则采用图8所示的方案，直接放入管道内进行工作。如管径较大则采用图1所示方案，根据现场管径大小选择相应规格的外接轮组来适应管道。

本实施例中在上位机控制端接线调试完成后，利用下井装置，把管道机器人放入管道工作口一端。第一步，搭载摄像头模块，进行图像传输与存储，在关键位置拍照处理。传输上位机控制端的图像将由专业人士进行分析，并拿出评估报告。本步骤不仅搭载摄像头单元，还搭载GPS定位模块，为后续清污与修复提供精确的地理位置。第二步，将搭载清污模块。主要处理管道内部堆积的障碍物与附着物，是一种从内部疏通管道的方案。第三步，将搭载修补模块。用于处理管道内部缺陷，如裂纹，变形和渗漏等问题。从管道内部分析与处理管道各种问题。这种非开挖式处理，成本与周期上都大大减小，并且对周围设施无任何影响。

本发明的管道机器人工作结束后，无需原路返回，不受线缆的约束，可在就近的井口直接提出。与有缆式相比，本发明工作距离长，工作效率高。

Claims (7)

1.一种适用于不同管径的无缆式管道机器人，其特征在于，包括电机驱动单元、螺旋伞齿轮传动单元、主轴斜齿轮传动单元、惰齿轮过渡传动单元、从动轴传动单元、包胶轮组传动单元、云台举升单元、摄像头单元和蓄电池单元；

所述电机驱动单元包括两台驱动电机，两台驱动电机独立工作，分别驱动管道机器人左右两侧轮组；螺旋伞齿轮传动单元将电机驱动单元提供的动力经过传动比放大，再由主轴斜齿轮传动单元、惰齿轮过渡传动单元、从动轴传动单元利用斜齿轮传动到包胶轮组传动单元，实现整个管道机器人爬行动作；所述包胶轮组传动单元外接不同规格轮组单元；

所述云台举升单元采用电机驱动四连杆机构升降摄像头单元；所述摄像头单元用于实时采集、传输与存储图像，所述蓄电池单元用于为电机驱动单元供电。

2.根据权利要求1所述的适用于不同管径的无缆式管道机器人，其特征在于，所述轮组单元选用不同规格的外接轮组来适应不同的管径，外接轮组采用充气轮胎。

3.根据权利要求1或2所述的适用于不同管径的无缆式管道机器人，其特征在于，所述包胶轮组传动单元的外形与管道弧面相适应，轮毂与主轴间采用莫氏1号的圆锥面传动设计。

4.根据权利要求1所述的适用于不同管径的无缆式管道机器人，其特征在于，摄像头单元包括前置摄像头和后置摄像头，前置摄像头通过四连杆机构实现±90°俯仰与360°旋转动作。

5.根据权利要求4所述的适用于不同管径的无缆式管道机器人，其特征在于，前置摄像头和后置摄像头配置有LED灯组。

6.根据权利要求1所述的适用于不同管径的无缆式管道机器人，其特征在于，云台举升单元内置无线通信模块。

7.根据权利要求1所述的适用于不同管径的无缆式管道机器人，其特征在于，管道机器人还包括传感器单元与GPS定位单元，传感器单元检测分析管道内部气体与液体成分，GPS定位单元时刻记录在管道内所处位置，生成管道布局图。