CN113353168B - 一种外管道检测机器人及行走方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外管道检测机器人及行走方法，包括外壁组件、内壁组件，所述外壁组件、内壁组件均包括若干电控吸附装置，所述电控吸附装置能够吸附在被检测管道外壁；还包括主轴、与所述主轴相连的传动组件；当主轴正转时，所述传动组件带动外壁组件前进、并带动外壁组件上的电控吸附装置做靠近和远离被检测管道的交替运动；当主轴反转时，所述传动组件带动内壁组件前进。本发明提供一种外管道检测机器人及行走方法，以解决现有技术中爬行机器人不适用于长距离油气输送管道外壁检测的问题，实现能够适应长输油气管道平缓布置、需要长距离作业等特点的目的。

Description

一种外管道检测机器人及行走方法

技术领域

本发明涉及油气管道检测领域，具体涉及一种外管道检测机器人及行走方法。

背景技术

随着长距离油气输送管道的大量铺设，定期对这些油气输送管道进行检测和维护变得尤为重要，管道机器人是进行这类作业的重要手段之一。在油气输送管道领域内，大量研究集中在管道内机器人的结构优化改进，以适应油气输送管道的特殊作业环境，但是对于油气管道外检测机器人的研究相对较少。现有技术中在其余领域内出现了爬杆机器人，其可以沿杆状物攀爬行走，其上携带检测设备即可进行检测。但是这类现有技术难以与油气输送管道的运用场景相适配，具体的：（1）现有的爬杆机器人其运用场景一般是需要登高作业的、斜度较大甚至完全直立的杆状物，因此其技术重点一般在于如何稳定上杆、抱紧、下杆等方面；而长距离油气输送管道通常平铺、且具有坡度时也相对较为平缓，没有登高作业的需求；（2）现有的爬杆机器人一般模拟动物爬树形态，采用两组爬行体分别交替运动实现爬行，两组爬行体的控制与驱动结构十分复杂且各自独立，导致整个爬杆机器人体积庞大、设备臃肿、能耗极高；而对于长距离油气输送管道而言，由于管道距离过长，通过一次作业完成更长的行走距离是一个重要技术指标，而传统的爬杆机器人由于体积庞大、驱动与控制结构复杂、能耗极高等缺陷，要想实现长距离作业，就需要携带大量能源（蓄电池）、甚至通过长距离电缆进行供电，使用效果极其不理想。因此，亟需一种能够适用于长距离油气输送管道远距离检测作业的管道机器人。

发明内容

本发明提供一种外管道检测机器人及行走方法，以解决现有技术中爬行机器人不适用于长距离油气输送管道外壁检测的问题，实现能够适应长输油气管道平缓布置、需要长距离作业等特点的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种外管道检测机器人，包括外壁组件、内壁组件，所述外壁组件、内壁组件均包括若干电控吸附装置，所述电控吸附装置能够吸附在被检测管道外壁；还包括主轴、与所述主轴相连的传动组件：

当主轴正转时，所述传动组件带动外壁组件前进、并带动外壁组件上的电控吸附装置做靠近和远离被检测管道的交替运动；

当主轴反转时，所述传动组件带动内壁组件前进。

针对现有技术中爬行机器人不适用于长距离油气输送管道外壁检测的问题，本发明首先提出一种外管道检测机器人，通过电控吸附装置使得外壁组件、内壁组件能够各自独立的吸附在被检测管道外壁，本申请中的电控吸附装置可使用任意现有技术中的由通电控制的、能够吸附在油气输送管道上的吸附装置实现；由于油气输送管道一般都为铁质材料，因此优选使用电磁铁。本申请中的主轴通过任意现有方式驱动进行转动，并通过传动组件来进行传动，以此控制本申请外管道检测机器人的行走。具体的，当主轴正转时，带动传动组件动作，由传动组件驱动外壁组件前进、同时带动外壁组件上的电控吸附装置做靠近和远离被检测管道的交替运动，当外壁组件上的电控吸附装置靠拢管道外壁时，即可启动该电控吸附装置，将外壁组件吸附在管壁上；反之，当外壁组件上的电控吸附装置远离管道外壁时，即可实现外壁组件的独立前进；当主轴反转时，带动传动组件动作，由传动组件驱动内壁组件前进。需要说明的是，本申请中主轴的正转、反转，并不对其具体转动方向起限定作用，只需满足正转和反转的转向相反即可，如以主轴俯视状态下顺时针旋转为正转，那么该状态下逆时针旋转即为反转；同理，若以主轴俯视状态下逆时针旋转为正转，那么该状态下顺时针旋转即为反转。

本申请在工作时，只需通过任意现有的驱动装置驱动主轴进行正反转，即可实现整个检测机器人沿管壁的稳定行走，具体行走过程如下：首先通过电控吸附装置将内壁组件吸附在管道上，将外壁组件中的电控吸附装置断电以保证外壁组件能够脱离与管壁的接触；此时通过任意现有驱动方式驱动主轴正转，传动组件带动外壁组件前进、同时带动外壁组件上的电控吸附装置首先远离被检测管道；此时由于外壁组件上的电控吸附装置脱离了被检测管道表面，且已经断电不再吸附，因此传动组件能够顺利的驱动外壁组件前进；当外壁组件前进到设定行程位置后，由于外壁组件上的电控吸附装置是做靠近和远离被检测管道的交替运动，此时外壁组件上的电控吸附装置已经重新抵达靠近被检测管道外壁的位置，重新对外壁组件上的电控吸附装置通电，使其再次吸附在管壁上；之后，将内壁组件中的电控吸附装置断电以保证内壁组件能够脱离与管壁的接触，然后通过任意现有驱动方式驱动主轴反转，此时外壁组件保持对管壁的吸附不进行移动，传动组件带动内壁组件前进。本申请通过上述工作方式，可实现外壁组件和内壁组件的交替吸附和前进，即是外壁组件前进时，由内壁组件吸附在管壁上；内壁组件前进时，由外壁组件吸附在管壁上。本申请相较于现有的爬杆机器人而言，由于是作用在长距离油气输送管道上，利用了长输油气管道相对平缓的特性，通过电控吸附装置的吸附实现稳定行走，与现有技术考虑上杆、抱紧、下杆等技术侧重点完全不同；此外，本申请只需通过任意现有驱动方式驱动主轴进行正反转，即可实现整个设备沿管道的不断前进，只需采用一个常用的电机即可实现正反转的驱动，因此克服了现有技术体积庞大、设备臃肿、能耗极高等缺陷，相较于现有技术而言具有结构简单、相对轻便、能耗低等优点，能够充分满足长输油气管道长距离作业的需求，在携带同等容量的蓄电池的前提下，能够明显提高单次作业的行走距离。

进一步的，所述外壁组件包括两个爪臂，所述爪臂呈弧形，且所述弧形的凹面朝向被检测管道；还包括与爪臂转动连接的连杆，所述连杆用于与传动组件相连；外壁组件上的电控吸附装置为与所述爪臂铰接的外壁电磁铁。本方案中，两个爪臂相对分布在两侧，便于从两侧抱住管道，爪臂的凹面朝向被检测管道，有利于爪臂适配不同管径的管道进行工作，外壁电磁铁铰接在爪臂上，对其进行通电即可将两侧爪臂吸附在管道外壁实现临时的紧固。本方案中每个爪臂上均转动连接有连杆，通过连杆与传动组件相连，使得传动组件有效的将主轴的正转动作传递至爪臂，带动爪臂做靠近和远离被检测管道的交替运动。

进一步的，还包括外壳；所述爪臂通过连接轴与外壳铰接，所述主轴通过轴承与外壳转动连接，所述爪臂上固定连接连杆轴，所述连杆转动连接在连杆轴上。本方案中的外壳为整个外管道检测机器人的外壳，除了起到常规的遮挡作用之外，还可以为爪臂提供铰接安装的工位，使得爪臂在做靠近和远离被检测管道的交替运动时，无需进行直线往复，而是可以沿一定的弧形进行转动升降，有利于避免爪臂与管道外壁之间的无效接触，降低对爪臂和管道外壁的磨损。

进一步的，所述传动组件包括与主轴固定连接的齿轮、通过单向轴承与主轴连接的沟槽凸轮；所述单向轴承的转动方向，与主轴反转方向相同；还包括配合在所述沟槽凸轮内的两个推杆，所述推杆远离沟槽凸轮的一端滑动配合在直线滑槽内，且两个推杆分别与两个连杆转动连接。作为本申请的核心发明点之一，即是在传动组件中运用单向轴承与沟槽凸轮的结构进行配合。其中，单向轴承为可在一个方向上可以自由转动，而在另一个方向上锁死的轴承；沟槽凸轮是利用沟槽以实现凸轮的形封闭的机构。本申请中，沟槽凸轮内装配两个推杆，分别对应两个连杆，推杆远离沟槽凸轮的一端滑动配合在直线滑槽内，使得沟槽凸轮转动时，推杆被迫沿在直线滑槽内往复运动，以此推动连杆进行往复动作，实现爪臂做靠近和远离被检测管道的交替运动；由于在此过程中主轴是进行正转，而本申请中单向轴承的自由转动方向与主轴反转方向相同，因此能够确保主轴的正转带动沟槽凸轮同步转动。在主轴反转、传动组件带动内壁组件前进的过程中，通过单向轴承使得与主轴连接的沟槽凸轮不发生转动，即可保证爪臂上的外壁电磁铁稳定的吸附在管道外壁，实现传动组件仅带动内壁组件前进、不会驱动外壁组件前进的效果。

进一步的，所述沟槽凸轮包括相互垂直的长轴、短轴，沟槽凸轮沿长轴和短轴均为轴对称图形；沟槽凸轮的沟槽包括位于长轴两端的大行程段、位于短轴两端的小行程段，所有大行程段、小行程段均为同心圆弧，且相邻的大行程段和小行程段之间具有平滑的过渡段。本方案中的沟槽凸轮为沿长轴和短轴均轴对称的形状，且沟槽凸轮必然具有沟槽，本方案对其沟槽进行限定，使长轴两端为大行程段、短轴两端为小行程段，当两个推杆位于大行程段时，两个推杆间的距离最大，从小行程段向大行程段运动过程中，推杆驱动对应连杆向外运动，使得外壁电磁铁抵靠在管道外壁；反之当两个推杆位于小行程段时，两个推杆间的距离最小，从大行程段向小行程段运动过程中，此时推动将对应连杆拉回，使得外壁电磁铁抬起、脱离管道外壁表面。任意相邻的大行程段和小行程段之间具有平滑的过渡段，以保证沟槽凸轮转动时，推杆在沟槽内稳定连续的进行移动。本方案通过沟槽凸轮的特殊槽型设计来有效控制爪臂按规律进行交替运动，保证了外壁电磁铁稳定的抬起与放下，保证了本申请的结构优化，确保通过一个驱动装置实现对本申请的所有动力输出。

进一步的，所述内壁组件包括内壁架、安装在内壁架上且与所述齿轮相啮合的齿条、位于内壁架朝向被检测管道一侧的两个轮架，两个轮架分别位于内壁架的前后两端，所述轮架底部设置若干导轮；内壁组件上的电控吸附装置为设置在内壁架朝向被检测管道一侧的内壁电磁铁；所述内壁电磁铁与内壁架之间连接若干阻尼弹簧。本方案中，内壁架为内壁组件的主体结构，其通过齿条与传动组件中的齿轮啮合，当主轴反转时，在单向轴承的作用下沟槽凸轮不发生转动，此时齿轮转动，由于此时外壁组件吸附在管道上，主轴与齿轮均只能转动无法向前移动，因此通过齿轮的转动驱动齿条向前移动，即可带动整个内壁组件前进。本方案中，内壁架朝向被检测管道一侧的前后两端均安装轮架；本申请中的前后，是以沿管道直线的前进为前、后退方向为后。轮架底部的导轮用于与管道外壁滚动接触，以减小阻力和磨损。内壁电磁铁作为内壁的电控吸附装置，安装在内壁组件上，并且在内壁电磁铁与内壁架之间连接若干阻尼弹簧，当内壁电磁铁通电时，电磁铁克服阻尼弹簧的阻力吸附在管道上；当内壁电磁铁断电时，在阻尼弹簧的复位力作用下直接将内壁电磁铁拉起，使得内壁组件前进过程中内壁电磁铁不与管壁接触。

进一步的，所述内壁组件包括内壁架、位于内壁架朝向被检测管道一侧的两个轮架、位于轮架底部的若干导轮；

还包括转向组件；所述转向组件包括分别位于内壁架前后两端的两个圆槽、位于圆槽内的转轮，所述转轮与圆槽同轴，且转轮与圆槽槽壁之间形成环形间隙；所述环形间隙内固定挡件，所述转轮上设置位于环形间隙内的拨件，所述挡件与拨件之间设置有位于环形间隙内的弹性件；两个转轮分别与两个轮架固定连接。

本申请在设计过程中还遇到如下技术问题：目前大多数炼油厂内的成品油输送管道基本都是采用90°的弯道，所以解决检测机器人转弯的问题对于在炼油厂相关的管道领域内的性能提升就非常重要，而现有技术的技术重点大都在稳定进行爬升、下降等方向，不适用于炼油厂内部油气输送管道的检测使用。为此，本申请为油气输送管道的90°弯道专门设计了转向组件，在内壁架的前后两端设置圆槽，并在圆槽内转动连接转轮，由于转轮与圆槽同轴，因此两者之间会形成环形间隙，该环形间隙内具有相对固定不动的挡件，用以为转轮转动提供限位。而转轮上固定有拨件，拨件位于前述环形间隙内且随转轮同步转动，挡件与拨件之间设置有位于环形间隙内的弹性件。本方案中，两个转轮分别与两个轮架固定连接，因此当本申请前进至弯管处时，首先位于前方的轮架率先进入弯管，轮架逐渐转动、同时带动转轮转动，转轮转动过程中由拨件驱动弹性件产生形变；随着本申请机器人的主体进入弯道，两转轮间的连线慢慢成为弯管中心圆的弦，当后方轮架刚进入弯道的时候达到轮架最大的旋转角度，只需保证此角度在后轮架的最大设计旋转角度内，即可保证本申请能够稳定转过这个弯道。在过弯完成后，利用弹性件的复位能力，可以自动将轮架恢复到正常的直线行走位置。本方案通过转轮的设置，为轮架的转动提供了弹性阻力和角度限制，保证了轮架沿管道曲率进行稳定转动，显著提高了外管道检测机器人的自动过弯能力，甚至还能够避免轮架行走过程中的打滑等现象。

进一步的，所述内壁架的前后两端均设置凸台，所述圆槽开设在凸台上；所述挡件与拨件将环形间隙分隔为两个弧形槽，两个弧形槽内均设置有弹性件，所述弹性件为复位弹簧；所述转轮与对应的轮架分别位于内壁架的两侧；当无外力作用时，两个轮架的轴线平行，且两个轮架之间的垂线，平行于两个转轮的圆心连线；且轮架在圆槽内转动的最大角度满足：

α＞90°-arcsin(AB/2/R)

其中，α为轮架轴线与两个转轮的圆心连线之间的夹角；AB为两个转轮的圆心距；R为被检测管道弯道轴线的转弯半径。

本申请在拨件两侧均设置复位弹簧作为弹性件，且复位弹簧的另一端与挡件接触，以保证本申请能够稳定的向不同转弯方向进行转向；并且在无外力作用时，两侧的复位弹簧同时作用，能够保证轮架稳定的处于设定位置（即前进方向的位置），此时两个轮架的轴线理论上相互平行，且两个轮架之间的垂线平行于两个转轮的圆心连线，此状态即是本申请在直管上前进时轮架的理想状态。

本方案中，轮架能够在圆槽内转动的最大角度满足：α＞90°-arcsin(AB/2/R)，即给出了轮架转动至极限位置时，其自身轴线与两个转轮的圆心连线之间的夹角α需满足以上关系。在角度α满足此要求时，能够保证本申请的外管道检测机器人自动平稳的通过90°弯道。本方案中，角度α是指轮架轴线与两个转轮圆心连线之间的夹角，该夹角受挡件的大小、位置，以及复位弹簧弹性大小、形变程度等共同限制。

一种外管道检测机器人的行走方法，外管道检测机器人包括内壁组件、外壁组件、传动组件；行走方法包括：

步骤S1、内壁组件、外壁组件中的电控吸附装置均通电，将外管道检测机器人吸附在管道外壁；

步骤S2、外壁组件中的电控吸附装置断电；

步骤S3、电机正转，驱动传动组件中的主轴正转，主轴带动齿轮转动，并且在单向轴承的作用下，主轴还带动沟槽凸轮转动；

齿轮转动过程中，沿固定在内壁组件中的齿条移动，带动外壁组件前进；

沟槽凸轮转动过程中，首先带动传动组件中的推杆从沟槽的大行程段移动至小行程段、使推杆沿直线滑槽向内收回，驱动连杆上行，带动外壁组件中的电控吸附装置脱离管道外壁；之后带动传动组件中的推杆从沟槽的小行程段移动至大行程段、使推杆沿直线滑槽向外推出，推动连杆下行，带动外壁组件中的电控吸附装置抵拢管道外壁；外壁组件中的电控吸附装置再次通电，将外壁组件吸附在管道外壁；

步骤S4、内壁组件中的电控吸附装置断电，内壁组件中的阻尼弹簧复位，使内壁组件中的电控吸附装置脱离管道外壁；

步骤S5、电机反转，驱动传动组件中的主轴反转，主轴带动齿轮转动，并且在单向轴承的作用下，沟槽凸轮不发生转动；齿轮转动过程中，驱动所述齿条移动，带动内壁组件前进；

步骤S6、内壁组件前进到位后，内壁组件中的电控吸附装置再次通电，克服阻尼弹簧的阻力将内壁组件吸附在管道外壁；

步骤S7、重复步骤S2~步骤S6。

本方法中，通过一个电机控制主轴进行正反转，即可实现外管道检测机器人的稳定连续行走。

进一步的，所述外管道检测机器人包括用于转向的转向组件；

转向组件包括分别位于内壁架前后两端的两个圆槽、位于圆槽内的转轮，所述转轮与圆槽同轴，且转轮与圆槽槽壁之间形成环形间隙；所述环形间隙内固定挡件，所述转轮上设置位于环形间隙内的拨件，所述挡件与拨件之间设置有位于环形间隙内的弹性件；两个转轮分别与两个轮架固定连接；轮架能够在圆槽内转动的最大角度α满足：

α＞90°-arcsin(AB/2/R)；

其中，AB为两个转轮的圆心距；R为被检测管道弯道中心圆的圆心半径；

转向方法包括：

转向组件中靠近前进方向的轮架率先进入弯道，并沿管道轴线转动，带动靠近前进方向的转轮同步转动，该转轮驱动对应的弹性件产生变形；

转向组件中远离前进方向的轮架逐渐进入弯道，并沿管道轴线转动，带动远离前进方向的转轮同步转动，该转轮驱动对应的弹性件产生变形；

当通过弯道后，弹性件复位，驱动对应的转轮复位，带动轮架复位。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种外管道检测机器人及行走方法，相较于现有的爬杆机器人而言，与现有技术考虑上杆、抱紧、下杆等技术侧重点完全不同，由于本申请是作用在长距离油气输送管道上，利用了长输油气管道相对平缓的特性，通过电控吸附装置的吸附实现稳定行走。

2、本发明一种外管道检测机器人及行走方法，只需驱动主轴进行正反转，即可实现整个设备沿管道的不断前进，只需采用一个常用的电机即可实现正反转的驱动，因此克服了现有技术体积庞大、设备臃肿、能耗极高等缺陷，相较于现有技术而言具有结构简单、相对轻便、能耗低等优点，能够充分满足长输油气管道长距离作业的需求，在携带同等容量的蓄电池的前提下，能够明显提高单次作业的行走距离。

3、本发明一种外管道检测机器人及行走方法，运用单向轴承与沟槽凸轮的结构进行配合，实现爪臂做靠近和远离被检测管道的交替运动，实现外壁组件中爪臂的提起和放下；并且，在主轴反转、传动组件带动内壁组件前进的过程中，通过单向轴承使得与主轴连接的沟槽凸轮不发生转动，即可保证爪臂上的外壁电磁铁稳定的吸附在管道外壁，实现传动组件仅带动内壁组件前进、不会驱动外壁组件前进的效果。

4、本发明一种外管道检测机器人及行走方法，通过沟槽凸轮的特殊槽型设计来有效控制爪臂按规律进行交替运动，保证了外壁电磁铁稳定的抬起与放下，保证了本申请的结构优化，确保通过一个驱动装置实现对本申请的所有动力输出。

5、本发明一种外管道检测机器人及行走方法，能够保证自动平稳的通过90°弯道，克服了因炼油厂内的成品油输送管道基本都是采用90°弯管导致现有技术难以自动转弯、难以长距离自动行走工作的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为本发明具体实施例的***视图；

图3为本发明具体实施例无外壳状态下的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中传动组件的结构示意图；

图5为本发明具体实施例中外壁组件的局部结构示意图；

图6为本发明具体实施例中沟槽凸轮的俯视图；

图7为本发明具体实施例中内壁组件的局部结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-外壁电磁铁，2-爪臂，3-连杆轴，4-连杆，5-滑轨，6-阻尼弹簧，7-连接轴，8-外壳，9-直线滑槽，10-锥齿轮，11-沟槽凸轮，111-大行程段，112-小行程段，113-过渡段，12-主轴加强件，13-齿轮，14-齿条，15-拨件，16-弹性件，17-内壁架，18-检测器后支架，19-轮架，20-导轮，21-检测器前支架，22-内壁电磁铁，23-单向轴承，24-推杆，25-主轴，26-轴承，27-凸台，28-转轮，29-环形间隙，30-挡件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

实施例1：

如图1至图3所示的一种外管道检测机器人，包括外壁组件、内壁组件，所述外壁组件、内壁组件均包括若干电控吸附装置，电控吸附装置能够吸附在被检测管道外壁；还包括主轴25、与主轴25相连的传动组件：当主轴25正转时，传动组件带动外壁组件前进、并带动外壁组件上的电控吸附装置做靠近和远离被检测管道的交替运动；当主轴25反转时，传动组件带动内壁组件前进。

本实施例中主轴25由电机驱动进行转动，电机的输出端可通过任意现有方式驱动锥齿轮10转动。电机正转时带动主轴正转（逆时针转动），电机反转带动主轴反转（顺时针转动）。

本实施例中的电控吸附装置均为电磁铁。

实施例2：

一种外管道检测机器人，在实施例1的基础上，外壁组件如图5所示，包括两个爪臂2，爪臂2呈凹面向下的弧形；还包括与爪臂2转动连接的连杆4，连杆4用于与传动组件相连；外壁组件上的电控吸附装置为与爪臂2铰接的外壁电磁铁1。还包括外壳8；爪臂2通过连接轴7与外壳8铰接，主轴25通过轴承26与外壳8转动连接，爪臂2上固定连接连杆轴3，连杆4转动连接在连杆轴3上。

传动组件如图4所示，包括与主轴25固定连接的齿轮13、通过单向轴承23与主轴25连接的沟槽凸轮11；单向轴承23的转动方向，与主轴25反转方向相同；还包括配合在沟槽凸轮11内的两个推杆24，推杆24远离沟槽凸轮11的一端滑动配合在直线滑槽9内，且两个推杆24分别与外壁组件中的两个连杆4转动连接。

内壁组件如图7所示，包括内壁架17、安装在内壁架17上且与齿轮13相啮合的齿条14、位于内壁架17朝向被检测管道一侧的两个轮架19，两个轮架19分别位于内壁架17的前后两端，轮架19底部设置若干导轮20；内壁组件上的电控吸附装置为设置在内壁架17朝向被检测管道一侧的内壁电磁铁22；内壁电磁铁22与内壁架17之间连接若干阻尼弹簧6。

在一个或多个优选的实施方式中，沟槽凸轮11如图6所示，包括相互垂直的长轴、短轴，沟槽凸轮11沿长轴和短轴均为轴对称图形；沟槽凸轮11的沟槽包括位于长轴两端的大行程段111、位于短轴两端的小行程段112，所有大行程段111、小行程段112均为同心圆弧，且相邻的大行程段111和小行程段112之间具有平滑的过渡段113。

在一个或多个优选的实施方式中，轴承26为深沟球轴承。

在一个或多个优选的实施方式中，轮架19左右两端各设置一个导轮，且导轮向内倾斜一定角度，以确保与圆管外壁的稳定接触，有利于本申请的稳定快速行走。

在一个或多个优选的实施方式中，如图1所示，内壁架17上还设置滑轨5，外壳8与滑轨5滑动配合，以提高本申请中内壁组件或外壁组件单独前进时的稳定性。其中滑轨5和齿条14分别位于内壁架17的两侧。

在一个或多个优选的实施方式中，还包括与主轴25固定连接的主轴加强件12，用于对主轴25起加强作用。

本实施例具体工作时，将检测设备安装在检测器前支架21上即可；

优选的，检测器前支架21通过检测器后支架18连接在内壁架17上。

本实施例中外管道检测机器人的具体行走过程如下：

步骤S1、内壁组件、外壁组件中的电控吸附装置均通电，将外管道检测机器人吸附在管道外壁；

步骤S2、外壁组件中的电控吸附装置断电；

步骤S3、电机正转，驱动传动组件中的主轴25正转，主轴25带动齿轮13转动，并且在单向轴承23的作用下，主轴25还带动沟槽凸轮11转动；

齿轮13转动过程中，沿固定在内壁组件中的齿条14移动，带动外壁组件前进；

沟槽凸轮11转动过程中，首先带动传动组件中的推杆24从沟槽的大行程段111移动至小行程段112、使推杆24沿直线滑槽9向内收回，驱动连杆4上行，带动外壁组件中的电控吸附装置脱离管道外壁；之后带动传动组件中的推杆24从沟槽的小行程段112移动至大行程段111、使推杆24沿直线滑槽9向外推出，推动连杆4下行，带动外壁组件中的电控吸附装置抵拢管道外壁；外壁组件中的电控吸附装置再次通电，将外壁组件吸附在管道外壁；

步骤S4、内壁组件中的电控吸附装置断电，内壁组件中的阻尼弹簧6复位，使内壁组件中的电控吸附装置脱离管道外壁；

步骤S5、电机反转，驱动传动组件中的主轴25反转，主轴25带动齿轮13转动，并且在单向轴承23的作用下，沟槽凸轮11不发生转动；齿轮13转动过程中，驱动齿条14移动，带动内壁组件前进；

步骤S6、内壁组件前进到位后，内壁组件中的电控吸附装置再次通电，克服阻尼弹簧6的阻力将内壁组件吸附在管道外壁；

步骤S7、重复步骤S2~S6。

综上所述，本实施例采用沟槽凸轮结构，通过电机的正、反转，带动齿轮与沟槽凸轮的转动，夹持爪的提起与放下；利用三个电磁铁交替通电时产生吸附力，使装置外壁和内壁交替吸附于检测管道外侧，为各部分的运动提供支撑；机器人的行走运动主要是靠电机的正反转驱动齿轮的正反转，通过齿轮与齿条的啮合传动来实现内外壁的交替前行；通过沟槽凸轮上设计的特殊凸轮轴线来控制爪臂按规律运动；基于单向轴承能顺时针转动而不能逆时针转动的原理，与沟槽凸轮上的轴线相配合，实现在主轴在顺时针转动时爪臂不运动，逆时针转动是爪臂运动。

实施例3：

一种外管道检测机器人，在上述任一实施例的基础上，如图2与图7所示，内壁组件包括内壁架17、位于内壁架17朝向被检测管道一侧的两个轮架19、位于轮架19底部的若干导轮20；还包括转向组件；

转向组件包括分别位于内壁架17前后两端的两个圆槽、位于圆槽内的转轮28，转轮28与圆槽同轴，且转轮28与圆槽槽壁之间形成环形间隙29；环形间隙29内固定挡件30，转轮28上设置位于环形间隙29内的拨件15，挡件30与拨件15之间设置有位于环形间隙29内的弹性件16；两个转轮28分别与两个轮架19固定连接。

其中，内壁架17的前后两端均设置凸台27，圆槽开设在凸台27上；挡件30与拨件15将环形间隙29分隔为两个弧形槽，两个弧形槽内均设置有弹性件16，弹性件16为复位弹簧；转轮28与对应的轮架19分别位于内壁架17的相对两侧；当无外力作用时，两个轮架19的轴线平行，且两个轮架19之间的垂线，平行于两个转轮28的圆心连线。

在一个或多个优选的实施方式中，轮架19在圆槽内转动的最大角度满足：

α＞90°-arcsin(AB/2/R)；其中，α为轮架19轴线与两个转轮28的圆心连线之间的夹角，AB为两个转轮28的圆心距（或称主轴中心距），R为被检测管道弯道中心圆的圆心半径。以AB=200mm的本申请机器人、R=686mm的管道为例，由本申请机器人的运动原理可知在前轮架完全进入转弯管径而后轮架将要进入转弯管径时，下部轮子的旋转角度达到最大值，其计算过程如下：

Sin（γ/2）=100/686（3.5）；

γ=2arcsin(100/686)=15.2°；

其中γ为两个轮架之间所对应的圆心角。

因为三角形内角和为180°，所以可得：α=(180°-15.2°)/2=81.6°，即此状态下只需满足轮架19在圆槽内转动时，其自身长轴与两个转轮28的圆心连线之间的夹角满足不低于81.6°，即可完成在90°弯管上的转弯。

同理，对于φ500mm的管道，其R=762mm，计算得到α应该大于82.4°；

对于φ550mm的管道，其R=838mm，计算得到α应该大于83.2°。

本实施例在转向时，转向组件中靠近前进方向的轮架19率先进入弯道，并沿管道轴线转动，带动靠近前进方向的转轮28同步转动，该转轮28驱动对应的弹性件16产生变形；转向组件中远离前进方向的轮架19逐渐进入弯道，并沿管道轴线转动，带动远离前进方向的转轮28同步转动，该转轮28驱动对应的弹性件16产生变形；当通过弯道后，弹性件16复位，驱动对应的转轮28复位，带动轮架19复位。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (8)

1.一种外管道检测机器人，其特征在于，包括外壁组件、内壁组件，所述外壁组件、内壁组件均包括若干电控吸附装置，所述电控吸附装置能够吸附在被检测管道外壁；还包括主轴（25）、与所述主轴（25）相连的传动组件：

当主轴（25）正转时，所述传动组件带动外壁组件前进、并带动外壁组件上的电控吸附装置做靠近和远离被检测管道的交替运动；

当主轴（25）反转时，所述传动组件带动内壁组件前进；

所述外壁组件包括两个爪臂（2），所述爪臂（2）呈弧形，且所述弧形的凹面朝向被检测管道；还包括与爪臂（2）转动连接的连杆（4），所述连杆（4）用于与传动组件相连；外壁组件上的电控吸附装置为与所述爪臂（2）铰接的外壁电磁铁（1）；

所述传动组件包括与主轴（25）固定连接的齿轮（13）、通过单向轴承（23）与主轴（25）连接的沟槽凸轮（11）；所述单向轴承（23）的转动方向，与主轴（25）反转方向相同；还包括配合在所述沟槽凸轮（11）内的两个推杆（24），所述推杆（24）远离沟槽凸轮（11）的一端滑动配合在直线滑槽（9）内，且两个推杆（24）分别与两个连杆（4）转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种外管道检测机器人，其特征在于，还包括外壳（8）；所述爪臂（2）通过连接轴（7）与外壳（8）铰接，所述主轴（25）通过轴承（26）与外壳（8）转动连接，所述爪臂（2）上固定连接连杆轴（3），所述连杆（4）转动连接在连杆轴（3）上。

3.根据权利要求1所述的一种外管道检测机器人，其特征在于，所述沟槽凸轮（11）包括相互垂直的长轴、短轴，沟槽凸轮（11）沿长轴和短轴均为轴对称图形；沟槽凸轮（11）的沟槽包括位于长轴两端的大行程段（111）、位于短轴两端的小行程段（112），所有大行程段（111）、小行程段（112）均为同心圆弧，且相邻的大行程段（111）和小行程段（112）之间具有平滑的过渡段（113）。

4.根据权利要求1所述的一种外管道检测机器人，其特征在于，所述内壁组件包括内壁架（17）、安装在内壁架（17）上且与所述齿轮（13）相啮合的齿条（14）、位于内壁架（17）朝向被检测管道一侧的两个轮架（19），两个轮架（19）分别位于内壁架（17）的前后两端，所述轮架（19）底部设置若干导轮（20）；内壁组件上的电控吸附装置为设置在内壁架（17）朝向被检测管道一侧的内壁电磁铁（22）；所述内壁电磁铁（22）与内壁架（17）之间连接若干阻尼弹簧（6）。

5.根据权利要求1所述的一种外管道检测机器人，其特征在于，所述内壁组件包括内壁架（17）、位于内壁架（17）朝向被检测管道一侧的两个轮架（19）、位于轮架（19）底部的若干导轮（20）；

还包括转向组件；所述转向组件包括分别位于内壁架（17）前后两端的两个圆槽、位于圆槽内的转轮（28），所述转轮（28）与圆槽同轴，且转轮（28）与圆槽槽壁之间形成环形间隙（29）；所述环形间隙（29）内固定挡件（30），所述转轮（28）上设置位于环形间隙（29）内的拨件（15），所述挡件（30）与拨件（15）之间设置有位于环形间隙（29）内的弹性件（16）；两个转轮（28）分别与两个轮架（19）固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种外管道检测机器人，其特征在于，所述内壁架（17）的前后两端均设置凸台（27），所述圆槽开设在凸台（27）上；所述挡件（30）与拨件（15）将环形间隙（29）分隔为两个弧形槽，两个弧形槽内均设置有弹性件（16），所述弹性件（16）为复位弹簧；所述转轮（28）与对应的轮架（19）分别位于内壁架（17）的两侧；当无外力作用时，两个轮架（19）的轴线平行、且两个轮架（19）之间的垂线，平行于两个转轮（28）的圆心连线；且轮架（19）在圆槽内转动的最大角度满足：

α＞90°-arcsin(AB/2/R)；

其中，α为轮架（19）轴线与两个转轮（28）的圆心连线之间的夹角；AB为两个转轮（28）的圆心距；R为被检测管道中轴线的圆心半径。

7.基于权利要求1~6中任一项所述的一种外管道检测机器人的行走方法，其特征在于，外管道检测机器人包括内壁组件、外壁组件、传动组件；行走方法包括：

步骤S1、内壁组件、外壁组件中的电控吸附装置均通电，将外管道检测机器人吸附在管道外壁；

步骤S2、外壁组件中的电控吸附装置断电；

步骤S3、电机正转，驱动传动组件中的主轴（25）正转，主轴（25）带动齿轮（13）转动，并且在单向轴承（23）的作用下，主轴（25）还带动沟槽凸轮（11）转动；

齿轮（13）转动过程中与齿条相互啮合，沿固定在内壁组件中的齿条（14）移动，带动外壁组件前进；

沟槽凸轮（11）转动过程中，首先带动传动组件中的推杆（24）从沟槽的大行程段（111）移动至小行程段（112）、使推杆（24）沿直线滑槽（9）向内收回，驱动连杆（4）上行，带动爪臂向上运动，带动外壁组件中的电控吸附装置脱离管道外壁；之后带动传动组件中的推杆（24）从沟槽的小行程段（112）移动至大行程段（111）、使推杆（24）沿直线滑槽（9）向外推出，推动连杆（4）下行，带动爪臂向下运动，带动外壁组件中的电控吸附装置抵拢管道外壁；外壁组件中的电控吸附装置再次通电，将外壁组件吸附在管道外壁；

步骤S4、在步骤S3过程完成后，内壁组件中的电控吸附装置断电，内壁组件中的阻尼弹簧（6）复位，使内壁组件中的电控吸附装置脱离管道外壁；

步骤S5、电机反转，驱动传动组件中的主轴（25）反转，主轴（25）带动齿轮（13）转动，并且在单向轴承（23）的作用下，沟槽凸轮（11）不发生转动；齿轮（13）转动过程中，驱动所述齿条（14）移动，带动内壁组件前进；

步骤S6、内壁组件前进到位后，内壁组件中的电控吸附装置再次通电，克服阻尼弹簧（6）的阻力将内壁组件吸附在管道外壁；

步骤S7、重复步骤S2~步骤S6。

8.根据权利要求7所述的行走方法，其特征在于，所述外管道检测机器人包括用于转向的转向组件；

转向组件包括分别位于内壁架（17）前后两端的两个圆槽、位于圆槽内的转轮（28），所述转轮（28）与圆槽同轴，且转轮（28）与圆槽槽壁之间形成环形间隙（29）；所述环形间隙（29）内固定挡件（30），所述转轮（28）上设置位于环形间隙（29）内的拨件（15），所述挡件（30）与拨件（15）之间设置有位于环形间隙（29）内的弹性件（16）；两个转轮（28）分别与两个轮架（19）固定连接；轮架（19）在圆槽内转动的最大角度满足：

α＞90°-arcsin(AB/2/R)；

其中，α为轮架（19）轴线与两个转轮（28）的圆心连线之间的夹角；AB为两个转轮（28）的圆心距；R为被检测管道弯道中心圆的圆心半径；

转向方法包括：

转向组件中靠近前进方向的轮架（19）率先进入弯道，并沿管道轴线转动，带动靠近前进方向的转轮（28）同步转动，该转轮（28）驱动对应的弹性件（16）产生变形；

转向组件中远离前进方向的轮架（19）逐渐进入弯道，并沿管道轴线转动，带动远离前进方向的转轮（28）同步转动，该转轮（28）驱动对应的弹性件（16）产生变形；

当整个装置完全通过弯道后，弹性件（16）驱动对应的转轮（28）复位，带动轮架（19）复位。

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