CN209803023U - 一种农村小直径供水管道探伤机器人 - Google Patents

Abstract

一种农村小直径供水管道探伤机器人，两个前舱车轮分别安装在前舱体外表面的左、右端。电路板、马达和变速箱的壳体固定在前舱体的内表面上。两个马达分别通过减速机连接两个车轮。在前舱体舱内前端安装有前视广角摄像头和斜下视微距摄像头。在前舱体外壁上安装有LED补光灯。在电路板上固定安装有单片机、电源模块、视频信号处理模块、GPS模块、无线发射接收模块、蓝牙模块和存储模块。前舱体的外表面上安装有电池充电口、电源开关和蓝牙配对按钮。两个后舱车轮上的中心轴分别***后舱体左、右端。充电电池安装在后舱体的舱内。在前舱体和后舱体之间安装十八节铰链或弹簧。本实用新型显著优点：探伤准。体积小。造价低。续航强。

Description

一种农村小直径供水管道探伤机器人

技术领域

本实用新型属于管道探伤机器人领域，特别涉及一种农村饮水安全工程小直径供水管道探伤机器人。

背景技术

管道探伤技术在国内外已有较多研究，很多检测方法及产品也已经商业化。目前成熟的不开挖检测技术是超声波检测、射线检测和磁法检测，法国IPSI公司、加拿大R/DTech公司以及日本钢管株式会社都已研制出非开挖埋地管道探伤装置（来源：论文——埋地管道非开挖场源成像技术 于润桥）。但是已有的探伤技术更多的是针对石油、天然气、气体介质等工业埋地管道的探伤技术或产品（来源：论文——埋地管道无损检测技术 沈功田）。其特点如下：一是检测对象即管道尺寸较大，从而对探伤设备尺寸要求较宽松，设备的构造更精密，功能更复杂；二是设备造价及使用成本较高，由于服务对象为工业级设备，对成像效果及探测精度要求高，国产设备价格多在5万到20万以上。国内农村饮水安全工程供水管道多埋于冻土层以下，由于热胀冷缩或年久失修等原因，管道容易发生破损导致漏水，农村饮水安全工程等小型供水工程因维修养护***，施工技术人员水平参差不齐，因此遇到深埋管路损坏，常常需要开挖整条管线寻找漏点，工程量大，效率极低。而且，现有大部分技术没有考虑故障等特殊工况下的找回措施。

现有技术的缺点一——尺寸偏大。现有的管道探伤机器人多用来进行大型管道（如天然气、石油等）探伤。因管径较大，对机器人尺寸、电量、爬行方式、收回方式等参数要求并不是特别严格，例如深圳市某公司生产的一款管道检测技术产品适合管径:300mm-2000mm，在农村饮水安全管道中适用性较差。

现有技术的缺点二——造价偏高。现有的管道探伤机器人多用来进行大型工业管道（如天然气、石油等）探伤，附加超声波探测器、红外探测器、机械臂等装置，造价偏高，在农村饮水工程供水管道探伤领域中实用及推广难度大。

现有技术的缺点三——续航能力不强。现有的管道探伤机器人大多采用单体式结构，为了实现所有功能，机器人内部构造较复杂，留给电池的空间通常不会很大，导致机器人续航能力偏低，影响探伤检测效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种农村饮水安全工程小直径供水管道探伤机器人。解决了现有管道探伤机器人尺寸大，无法给农村饮水安全工程小直径供水管道探伤的问题。

采用的技术方案是：

一种农村小直径供水管道探伤机器人，包括前舱和后舱，其特征在于：

前舱，包括电路板、前舱体、四个前舱轴承导轮、两个马达、两个变速箱和两个前舱车轮。前舱体为胶囊形状，四个前舱轴承导轮的支架分别固定在前舱体外表面的前端左、右侧和后端左、右侧。两个前舱车轮分别安装在前舱体外表面的左、右端。电路板、两个马达和两个变速箱的壳体通过螺丝固定安装在前舱体的内表面上。两个马达的动力输出轴分别和两个变速箱的动力输入轴连接；两个变速箱的动力输出轴分别穿过前舱体的左、右舱壁上的通孔且由通孔内的轴承支撑，并安装有防水密封圈。两个变速箱的动力输出轴分别和两个前舱车轮的中心固定连接。在前舱体舱内前端的中心处和中心下方处分别安装有前视广角摄像头和斜下视微距摄像头。位于前视广角摄像头和斜下视微距摄像头的前端，在前舱体的舱壁上开设有两个玻璃片安装孔，玻璃片安装孔上装有防水高透玻璃片。位于前视广角摄像头和斜下视微距摄像头的四周处，在前舱体外壁的安装孔上安装有多个LED补光灯，并通过密封胶密封。

在电路板上固定安装有单片机、电源模块、视频信号处理模块、GPS模块、无线发射接收模块、蓝牙模块和存储模块。电源模块、视频信号处理模块、GPS模块、无线发射接收模块、蓝牙模块和存储模块的信号传输端子分别和单片机上的对应的信号传输端子连接，实现单片机对各模块的工作控制和数据传递。前视广角摄像头和斜下视微距摄像头的信号传输端子分别和视频信号处理模块上对应的信号传输端子连接。视频信号处理模块上的存储信号输出端子和存储模块上的存储信号输入端子连接。两个马达、前视广角摄像头、斜下视微距摄像头、LED补光灯、单片机、视频信号处理模块、GPS模块、无线发射接收模块、蓝牙模块和存储模块的电源输入端子分别和电源模块上对应的电源输出端子连接实现供电。

前舱体的外表面上安装有电池充电口、按钮式自动复位圆形电源开关和按钮式自动复位蓝牙配对按钮。在电池充电口上安装有防水塞。按钮式自动复位蓝牙配对按钮的信号输出端子通过导线与蓝牙模块的对应信号输入端子连接，通过蓝牙模块和外设的手机配对实现无线局域网连接，进行手机端操作控制和图像显示。按钮式自动复位圆形电源开关的控制信号输出端子通过导线连接在电源模块对应的控制信号输入端子上。电池充电口的电源输出端口通过导线与电源模块的对应电源输入端口连接。

后舱，包括后舱体、充电电池、四个后舱轴承导轮、两个后舱车轮和牵引绳。后舱体为胶囊形状，与前舱体尺寸相同。两个后舱车轮上的中心轴分别***后舱体左、右端的车轮安装槽内且由车轮安装槽内的轴承支撑，并安装有防水密封圈。四个后舱轴承导轮的支架分别固定在后舱体外表面的前端左、右侧和后端左、右侧。充电电池安装在后舱体的舱内。充电电池的电源传输端子通过穿过前舱体和后舱体的导线连接在电源模块对应的电源传输端子上。后舱体的后端外壁上设有吊环，在吊环上系有牵引绳。牵引绳为钓鱼线，高韧性、轻质，方便非常状态下找回机器人。

在前舱体和后舱体之间安装十八节铰链或弹簧。十八节铰链或弹簧的两端分别固定在前舱体的后端外壁和后舱体的前端外壁上。铰链结构与自行车链条相同，当机器人行至转弯处时，可以弯成90度角，铰链的上下搭接可满足前后舱连接的刚度要求；还可以采用弹簧代替铰链方案，采用弹簧将前后舱连接，当机器人行至转弯处时，可以弯成90度角。铰链和弹簧都可以帮助机器人在狭长的管道内实现转弯动作。前舱和后舱通过导线连接，以实现后舱电池向前舱供电。导线长度满足前后舱转弯时所需长度。当前舱与后舱通过弹簧连接时，可将导线从弹簧中间穿过。导线和前后舱连接处利用密封圈防水。

本实用新型主要针对农村饮水供水管路等小尺寸管道设计，与现有技术方案相比有三个显著优点：

1.探伤准。采用双摄像头设计，能够实时处理图像信号并传输至检测人员手机端，利用自动和手动探测相结合方式，提高探伤的准确度和效率。

2.体积小。减小设备尺寸，从而能在农村饮水工程供水管道的狭小空间内（管道中、转弯处等）灵活行动，提升了对不同小管径供水管道的适用性。

3.造价低。在保证基本探伤定位功能的基础上，使用技术成熟的通用电器元件，采用分体式设计，降低生产难度，以较低成本实现探伤功能。

4.续航强。分体式设计使机器人可以在狭小空间内正常工作的同时，增加了电池容量，增加了续航时间。

附图说明

图1为本机器人的结构示意图。

图2为本机器人的集成电路板结构示意图。

图3为本机器人电器元件逻辑工作图。

图4为本机器人的供电关系图。

图5为本机器人的前端结构示意图。

具体实施方式

一种农村小直径供水管道探伤机器人，包括前舱和后舱，其特征在于：

前舱，包括电路板1、前舱体2、四个前舱轴承导轮3、两个马达4、两个变速箱5和两个前舱车轮6。前舱体1为胶囊形状，四个前舱轴承导轮3的支架分别固定在前舱体2外表面的前端左、右侧和后端左、右侧。两个前舱车轮6分别安装在前舱体2外表面的左、右端。电路板1、两个马达4和两个变速箱5的壳体通过螺丝固定安装在前舱体2的内表面上。两个马达4的动力输出轴分别和两个变速箱5的动力输入轴连接；两个变速箱5的动力输出轴分别穿过前舱体2的左、右舱壁上的通孔且由通孔内的轴承支撑，并安装有防水密封圈。两个变速箱5的动力输出轴分别和两个前舱车轮6的中心固定连接。在前舱体2舱内前端的中心处和中心下方处分别安装有前视广角摄像头7和斜下视微距摄像头8。位于前视广角摄像头7和斜下视微距摄像头8的前端，在前舱体2的舱壁上开设有两个玻璃片安装孔9，玻璃片安装孔9上装有防水高透玻璃片。位于前视广角摄像头7和斜下视微距摄像头8的四周处，在前舱体2外壁的安装孔上安装有多个LED补光灯10，并通过密封胶密封。

在电路板1上固定安装有单片机11、电源模块12、视频信号处理模块13、GPS模块14、无线发射接收模块15、蓝牙模块16和存储模块17。电源模块12、视频信号处理模块13、GPS模块14、无线发射接收模块15、蓝牙模块16和存储模块17的信号传输端子分别和单片机11上的对应的信号传输端子连接，实现单片机11对各模块的工作控制和数据传递。前视广角摄像头7和斜下视微距摄像头8的信号传输端子分别和视频信号处理模块13上对应的信号传输端子连接。视频信号处理模块13上的存储信号输出端子和存储模块17上的存储信号输入端子连接。两个马达4、前视广角摄像头7、斜下视微距摄像头8、LED补光灯10、单片机11、视频信号处理模块13、GPS模块14、无线发射接收模块15、蓝牙模块16和存储模块17的电源输入端子分别和电源模块12上对应的电源输出端子连接实现供电。

前舱体2的外表面上安装有电池充电口22、按钮式自动复位圆形电源开关23和按钮式自动复位蓝牙配对按钮24。在电池充电口22上安装有防水塞。按钮式自动复位蓝牙配对按钮24的信号输出端子通过导线与蓝牙模块16的对应信号输入端子连接，通过蓝牙模块和外设的手机配对，实现无线局域网连接后，进行手机端操作控制和图像显示。按钮式自动复位圆形电源开关23的控制信号输出端子通过导线连接在电源模块12对应的控制信号输入端子上。电池充电口22的电源输出端口通过导线与电源模块12的对应电源输入端口连接。

后舱，包括后舱体18、充电电池19、四个后舱轴承导轮20和两个后舱车轮21。后舱体18为胶囊形状，与前舱体2的尺寸相同。两个后舱车轮21上的中心轴分别***后舱体18左、右端的车轮安装槽内且由车轮安装槽内的轴承支撑，并安装有防水密封圈。四个后舱轴承导轮20的支架分别固定在后舱体18外表面的前端左、右侧和后端左、右侧。充电电池19安装在后舱体18的舱内。充电电池19的电源传输端子通过穿过前舱体2和后舱体18的导线连接在电源模块12对应的电源传输端子上。

在前舱体2和后舱体18之间安装十八节铰链或弹簧25。十八节铰链或弹簧25的两端分别固定在前舱体2的后端外壁和后舱体18的前端外壁上。后舱体18的后端外壁上设有吊环26，在吊环26上系有牵引绳27。牵引绳27为钓鱼线，高韧性、轻质，方便非常状态下找回机器人。前、后舱体四角上的轴承导轮结构同四驱车上用于转弯时使用的轴承导轮相同。

工作过程

农村饮用安全工程输水管道种类众多，从材质上分为铸铁管道（易生锈现少用）和PE管道，本装置主要针对PE管道设计；从管径上分为内径20mm、32mm、50mm、75mm、90mm、100mm、150mm、200mm、500mm等，考虑到150mm以下的管道对探伤机人的尺寸要求更高，技术实现难度更大，故本装置主要针对150mm及以上管道设计。

放入管道

农村饮水安全供水主管路的主管路设计时通常考虑管路渗漏，通常在主管路节点除、主管路与支管路连接处设置控制阀门，通过支管路的控制阀门关闭后水压变化情况，推定主管路漏点的大致位置，即可将主管路渗漏点限定在几十米到几百米之间的范围内。找到漏点范围的首端与末端，首先在首端处开挖出管道，切断后露出管道端口，此时因停水维修，且管道施工时一般有小角度坡降，管道中只有少量存水。将探伤机器人打开电源开关后，电源模块向机器人所有电气元件供电，与手机进行蓝牙和无线网连接后，将机器人放入管道。探伤机器人默认自行模式，即以匀速向前运动，速度保证视频成像质量足够高满足探伤要求；也可由检测人员根据手机上实时反馈的摄像画面及定位信息，手动控制机器人的行走方向，如看到可疑除可手动停车或倒车复检。为保证无线信号，检测人员在地面跟着机器人行走保持一定的距离；另一名检测人员控制牵引绳，不断放松牵引绳，以免牵引绳绷紧浪费电量。

管道探伤、定位

机器人在行走时，电源供应方面：电池与电源模块相连，一方面实现供电，另一方面通过实时反馈的电压值，电源模块可估算电池电量及机器人续航时间、里程。电源模块分别与两个摄像头、两个马达、LED补光灯组、单片机、视频信号处理模块、GPS模块、无线发射接收模块、蓝牙模块和存储模块分别有电源输出端口，从而为***供电。探伤定位方面：单片机分别和电源模块、视频信号处理模块、GPS模块、无线发射接收模块、蓝牙模块和存储模块连接，实现探伤定位功能。前视广角摄像头和斜下视微距摄像头的视频信号均与视频信号处理模块相连。检修状态时的农村饮水安全工程供水管道输水管内无压力，铺设时预留的坡降使得管道内只有少量积水。前视广角摄像头主要拍摄积水水面以上部分，斜下视微距摄像头拍摄水面以下部分。视频信号处理模块通过视频模拟信号进行数字处理后，探测管壁是否有裂缝。发现管道损伤后，GPS模块记录位置信息。信号传输方面：若管道有裂缝，将报警信号、探伤图像数字信号连同当时的位置信息通过单片机处理记录至存储模块，并通过无线发射接收模块实时发送至检测人员的手机。若检测人员对当前视频画面有异议，可通过手机利用无线发射接收模块发出控制指令，由单片机发出前进、倒退或转弯命令，通过电源模块使马达作出相应动作。由于农村饮水工程输水干管多为PE材质，且多深埋于3m左右的均质土中，现有技术的无线传输技术以及GPS技术可以穿透管道和覆土，从而实现信号传输功能。

机器人的转弯

农村饮水供水管道一般的转弯均为90度直角转弯或者90度以上的钝角转弯，机器人根据前视广角摄像头采集的图像判断转弯方向，为降低造价，降低转弯***的防水难度，本设计利用了“轮椅”转弯的原理，即前舱的两个轮子反向转动，配合前后舱的转向导轮，可以实现机器人在供水管道的转弯功能。

机器人的取出

一旦确认出漏点，即可选择合适位置，开挖漏点处管道，取出机器人。如果机器出现故障，或者电量耗光导致无法继续工作，检测人员可以通过手机收到的最新位置信息开挖管道，找回机器人，也可以在管道首端直接拽回牵引绳，直到机器人取回。

工作原理

1.探伤原理——本装置利用图像检测原理，实时拍摄管道内视频画面，把模拟图像转换为数字图像后，既可以通过内置算法自动判别拍摄画面内有无裂缝，又可以将实时画面通过无线发射装置传至检测人员手机进行进一步识别。机器人实时存储视频及对应的GPS位置信息，并实时传送给检测人员。

动作原理——本装置利用两个马达组成的动力***，实现前进、后退和拐弯动作。其中转弯功能依靠图像检测功能实现，即一旦摄像头拍摄前方为向右的拐点，则自动控制两个独立的马达，使得左前轮正转、右前轮反转。

Claims (1)

1.一种农村小直径供水管道探伤机器人，包括前舱和后舱，其特征在于：

前舱，包括电路板(1)、前舱体(2)、四个前舱轴承导轮(3)、两个马达(4)、两个变速箱(5)和两个前舱车轮(6)；前舱体(2)为胶囊形状，四个前舱轴承导轮(3)的支架分别固定在前舱体(2)外表面的前端左、右侧和后端左、右侧；两个前舱车轮(6)分别安装在前舱体(2)外表面的左、右端；电路板(1)、两个马达(4)和两个变速箱(5)的壳体固定安装在前舱体(2)的内表面上；两个马达(4)的动力输出轴分别和两个变速箱(5)的动力输入轴连接；两个变速箱(5)的动力输出轴分别穿过前舱体(2)的左、右舱壁上的通孔且由通孔内的轴承支撑；两个变速箱(5)的动力输出轴分别和两个前舱车轮(6)的中心固定连接；在前舱体(2)舱内前端的中心处和中心下方处分别安装有前视广角摄像头(7)和斜下视微距摄像头(8)；位于前视广角摄像头(7)和斜下视微距摄像头(8)的前端，在前舱体(2)的舱壁上开设有两个玻璃片安装孔(9)，玻璃片安装孔(9)上装有防水高透玻璃片；位于前视广角摄像头(7)和斜下视微距摄像头(8)的四周处，在前舱体(2)外壁的安装孔上安装有多个LED补光灯(10)；

在电路板(1)上固定安装有单片机(11)、电源模块(12)、视频信号处理模块(13)、GPS模块(14)、无线发射接收模块(15)、蓝牙模块(16)和存储模块(17)；电源模块(12)、视频信号处理模块(13)、GPS模块(14)、无线发射接收模块(15)、蓝牙模块(16)和存储模块(17)的信号传输端子分别和单片机(11)上的对应的信号传输端子连接；前视广角摄像头(7)和斜下视微距摄像头(8)的信号传输端子分别和视频信号处理模块(13)上对应的信号传输端子连接；视频信号处理模块(13)上的存储信号输出端子和存储模块(17)上的存储信号输入端子连接；两个马达(4)、前视广角摄像头(7)、斜下视微距摄像头(8)、LED补光灯(10)、单片机(11)、视频信号处理模块(13)、GPS模块(14)、无线发射接收模块(15)、蓝牙模块(16)和存储模块(17)的电源输入端子分别和电源模块(12)上对应的电源输出端子连接；

前舱体(2)的外表面上安装有电池充电口(22)、按钮式自动复位圆形电源开关(23)和按钮式自动复位蓝牙配对按钮(24)；在电池充电口(22)上安装有防水塞；按钮式自动复位蓝牙配对按钮(24)的信号输出端子通过导线与蓝牙模块(16)的对应信号输入端子连接；按钮式自动复位圆形电源开关(23)的控制信号输出端子通过导线连接在电源模块(12)对应的控制信号输入端子上；电池充电口(22)的电源输出端口通过导线与电源模块(12)的对应电源输入端口连接；

后舱，包括后舱体(18)、充电电池(19)、四个后舱轴承导轮(20)和两个后舱车轮(21)；后舱体(18)为胶囊形状；两个后舱车轮(21)上的中心轴分别***后舱体(18)左、右端的车轮安装槽内且由车轮安装槽内的轴承支撑；四个后舱轴承导轮(20)的支架分别固定在后舱体(18)外表面的前端左、右侧和后端左、右侧；充电电池(19)安装在后舱体(18)的舱内；充电电池(19)的电源传输端子通过穿过前舱体和后舱体的导线连接在电源模块(12)对应的电源传输端子上；

在前舱体(2)和后舱体(18)之间安装铰链或弹簧(25)；铰链或弹簧(25)的两端分别固定在前舱体(2)的后端外壁和后舱体(18)的前端外壁上；后舱体(18)的后端外壁上设有吊环(26)，在吊环(26)上系有牵引绳(27)。