無損探傷管道機器人的製作方法

2023-10-09 18:08:24 1

專利名稱：無損探傷管道機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及管道機器人技術領域，具體是涉及一種用於無損探傷檢測的管道機器人。
背景技術：
無論是工業工程還是日常生活中，管道起著極其重要的作用。然而管道在使用過程中由於受到腐蝕、壓力以及其它外力損傷等因素的影響，難免形成一定的安全隱患，這就需要定期對管道進行檢測、維修及清洗等工作來確保管道使用過程中的安全性。但管道大多深埋地下或者位於建築物中，管網結構錯綜複雜，且有些管徑較小，人工難以在這樣的環境下進行工作；即使人工可以進入有些管徑較粗的管道，也會受困於活動空間狹小，難以進行作業；同時，管道內可能存在有流水、毒氣及腐蝕垃圾等，嚴重危及工人的安全。因此，管道機器人應用而生。現有技術中也有應用在不同情況下的管道機器人，但這些管道機器人一是在彎管、支岔管中的通過性問題難以克服，機動靈活性及運行可靠性差；二是在豎直管道中前行缺乏足夠大的驅動力及有效支撐；三是由於受管道內部環境複雜的影響，導致現有的管道機器人的輸出的數據及圖像不是特別穩定，應用效果不是特別理想。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提出一種無損探傷管道機器人，該管道機器人能夠適用於豎直及彎管環境，且工作性能穩定可靠。為實現上述發明目的，本發明創造採用如下技術方案—種無損探傷管道機器人，包括用來檢測管道內部損傷情況的檢測機構、用來承載檢測機構和電源的承載機構、用於提供無損探傷管道機器人行走動力的驅動機構和控制系統，所述驅動機構和承載機構通過萬向聯軸器連接，檢測機構設置在承載機構的承載中心軸軸端；還包括控制無損探傷管道機器人行走方向的導向機構，所述導向機構置於驅動機構前方，包括導向伸縮杆和置於導向伸縮杆前端的導向輪，導向伸縮杆上套設導向彈簧，導向伸縮杆後端設置在與驅動機構連接的套筒內，且通過導向伸縮杆上設置的銷子在套筒的長圓孔內伸縮滑動；所述導向機構引導位於驅動機構下部的轉向輪進行轉向，所述驅動機構前方左右兩側設有轉向探測裝置，兩側的轉向探測裝置分別將探測到的數位訊號反饋至控制系統， 控制系統對數位訊號處理後分別將控制指令傳輸至位於驅動機構左右兩側的伺服電機驅動器，由伺服電機驅動器控制伺服電機驅動位於驅動機構下方左右兩側的驅動輪，彎管環境下，左右兩側的驅動輪轉速形成差值，實現差速轉向。為更好的實施本發明創造，所述驅動輪之間角度能夠在90-120°範圍內調整。為更好的實施本發明創造，所述驅動機構上還設有支撐輪，所述支撐輪通過驅動四連杆與驅動機構架體連接，其中，驅動機構下方連杆通過伸縮杆與驅動機構架體連接，伸縮杆上套設彈簧，且伸縮杆一端設置在與驅動機構架體連接的支座內，所述支座外壁上旋合有調節彈簧伸縮量的旋緊螺母。[0012]為更好的實施本發明創造，所述驅動機構的驅動後板兩側設有直線探測裝置，所述直線探測裝置分別將探測到的數位訊號反饋至控制系統，控制系統對數位訊號處理後分別將控制指令傳輸至位於驅動機構左右兩側的伺服電機驅動器，由伺服電機驅動器控制伺服電機驅動位於驅動機構下方左右兩側的驅動輪，直管環境下，修正左右兩側的驅動輪轉速差值；所述驅動後板上連接萬向聯軸器一端。[0013]為更好的實施本發明創造，所述驅動機構的驅動前板上設有CXD成像裝置。[0014]為更好的實施本發明創造，所述承載機構包括承載大圓盤、承載小圓盤及設置在兩者之間連接兩者的承載肋板，還包括穿過承載大圓盤和承載小圓盤中心的承載中心軸； 所述承載小圓盤連接萬向聯軸器另一端；其中，承載肋板上鉸接承載杆，承載杆一端分別設有承載大輪和承載小輪，承載小輪位於承載大輪前方；承載杆另一端通過承載連杆與中心滑塊連接，所述中心滑塊設置在直線軸承外圈上，直線軸承內圈與承載中心軸構成移動副； 所述承載中心軸上套設支撐中心滑塊的中心彈簧。[0015]為更好的實施本發明創造，所述檢測機構包括檢測單元底板和檢測單元上板，兩者之間夾設套筒，所述套筒中心孔內設有伸縮杆，伸縮杆上套設壓縮彈簧，且伸縮杆一端連接檢測單元輪；所述檢測單元上板上120°間隔設有渦流檢測裝置。[0016]為更好的實施本發明創造，所述檢測單元底板和檢測單元上板設置為三角板形狀，且對稱設置，檢測單元底板和檢測單元上板的邊角處夾設連接套筒。[0017]為更好的實施本發明創造，所述承載機構上還設有往復機構，往復機構的伺服電機設置在承載大圓盤上，伺服電機輸出軸上連接齒輪A，所述齒輪A與設置在檢測單元底板上的齒輪B嚙合。[0018]為更好的實施本發明創造，所述控制系統具備智能化和人工控制兩種模式，當實施人工控制時，上位機切斷控制系統的信號，由人通過上位機直接控制伺服驅動器，然後再由伺服驅動器將指令傳給伺服電機來進行驅動。[0019]由於採用如上所述的技術方案，本發明創造具有如下優越性[0020]本實用新型是一種基於CCD圖像採集系統和渦流檢測的無損探傷管道機器人。該機器人實現了以下突破[0021]1、由於採用智能化和人工控制兩種模式，另外應用多種傳感器，以應對管道內部環境複雜，可能導致傳感器無法正常工作的情況，從而保證智能管道機器人的工作穩定性。[0022]2、驅動部分採用傾斜驅動輪，利用連杆機構使管道檢測機器人與管壁有較大的摩擦，適應不同口徑的水平管道和垂直管道。[0023]3、利用支撐輪、轉向輪和導向輪等結構使其具有很好的機械轉向能力；控制部分利用單片機對左右兩個伺服電機進行精確控制，通過智能化電控實現精確地轉向的能力。[0024]4、檢測部分由LED照明裝置、CXD攝像機、渦流傳感器、位置傳感器等探測元件組成。利用LED照明裝置對機器人前進方向進行照明，為CCD攝像機提供充足的光源。CCD攝像機對管道內部圖像進行採集，同時還可以在管道內極其複雜的情況下為工作人員遙控控制提供圖像信息。利用先進的渦流檢測技術，實現了對管壁的精確檢測，同時通過檢測機器人上的傳感器可以確定其位置，便可以利用CCD圖像採集器和渦流檢測這種無損傷檢測技術實現對管道內部的精確檢測。

圖1是無損探傷管道機器人的立體結構示意圖；圖2是無損探傷管道機器人的主視圖；圖3是無損探傷管道機器人的檢測機構的結構示意圖；圖4是無損探傷管道機器人的承載機構的結構示意圖；圖5是無損探傷管道機器人的驅動機構的結構示意圖；圖6是無損探傷管道機器人控制流程示意圖；圖中1-檢測機構；101-檢測單元輪，102-彈簧，103-套筒，104-滾動軸承，105-檢測單元上板，106-檢測單元底板，107-伸縮杆。2-承載機構；201-承載大圓盤，202-承載杆，203-承載肋板，204-承載大輪， 205-承載小輪，206-承載小圓盤，207-承載中心軸，208-軸用彈性擋圈，209-直線軸承， 2010-中心滑塊，2011-中心彈簧，2012-法蘭盤，2013-承載連杆。3-萬向聯軸器；4-驅動機構；401-限位板，402-驅動四連杆，403-支撐輪，404-驅動單元前板， 405-旋緊螺母，406-驅動輪，407-電機承載外殼，408-伸縮杆，409-驅動電機，4010-轉向輪，4011 -承載肋板，4012-驅動單元後板；4013-彈簧，4014-連杆。5-導向機構；501-導向彈簧，502-導向輪，503-導向伸縮杆，504-銷子；505-套筒。6-渦流檢測裝置7-往復機構；701-齒輪A，702-伺服電機，703-齒輪B。8-轉向檢測裝置；9-控制系統；10-CCD 成像裝置；11-直線檢測裝置。
具體實施方式
以下結合附圖及優選的實施例對本發明創造做詳細解釋，需說明的是，以下實施例不得解釋為對本發明無損探傷管道機器人的限制。由於管道機器人在管道中受到很強的管道約束，尤其是遇到彎曲的管道。一方面機器人在彎管(包括垂直管道)行走中要有足夠的摩擦力來克服重力的影響，需要提供足夠大的驅動力來克服各種阻力；另一方面需要機器人容易控制，機動靈活。參看附圖1中，本發明創造的無損探傷管道機器人主要是由檢測機構1、承載機構 2、驅動機構4和控制系統9組成，驅動機構4和承載機構2通過萬向聯軸器3連接，可以保證整個管道機器人的運動靈活；檢測機構1設置在承載機構2的承載中心軸207軸端。其中驅動機構4裝有轉向檢測裝置8和CCD成像裝置10來進行數字成像，實時監測管道機器人的運動情況，並根據成像分析探測管道內部結構來引導管道機器人的行走。同時檢測機構1上裝有渦流檢測裝置6可以對管道進行無損探傷，並將所形成的圖像傳給主控系統，供主控系統進行分析。其中驅動機構4主要靠左右的兩個伺服電機來控制驅動輪406的運動。 檢測機構1通過設置在承載機構2和檢測機構1之間的往復機構7實現運動。[0046]參看附圖2及附圖3，檢測機構1主要是由三角形對稱的檢測單元底板106和檢測單元上板105作支撐，檢測單元底板106和檢測單元上板105之間夾設套筒103，套筒103 通過螺釘與檢測單元上板105和檢測單元底板106連接，且套筒103位於兩者的邊角處。伸縮杆107設置在套筒103中心孔內，且能夠在中心孔內自由拉拔及旋轉。壓縮彈簧102套設在伸縮杆107上，檢測單元輪101連接在伸縮杆107端部。當整個管道機器人通過較小的管道時，檢測單元輪101受力，帶動伸縮杆107縮回套筒103中心孔，壓縮彈簧102的設置，有效保證了伸縮杆107縮回速度及回縮量；從而實現減小整個檢測機構1的半徑，進而順利通過較小的管道。在承載單元上板105上120°間隔固定有三個渦流檢測裝置6。[0047]參看附圖4，承載機構2的承載大圓盤201、承載小圓盤206之間間隔設置四個承載肋板203，保證了整個承載機構的強度。承載中心軸207穿過承載大圓盤201和承載小圓盤206中心；所述承載小圓盤206連接萬向聯軸器3另一端；其中，每個承載肋板203上均鉸接承載杆202，承載杆202 —端分別設有承載大輪204和承載小輪205，承載小輪205位於承載大輪204前方；承載大輪204和承載小輪205通過滾動軸承連接在承載杆202上，以減小運動時的摩擦。承載杆202另一端通過承載連杆2013與中心滑塊2010連接，所述中心滑塊2010設置在直線軸承209外圈上，直線軸承209內圈與承載中心軸207構成移動副； 所述承載中心軸207上套設支撐中心滑塊2010的中心彈簧2011。由於承載機構2主要是用來承載電源和驅動渦流檢測裝置，且承載機構2沒有直接驅動，阻力應儘可能的小。上述結構設計保證了承載機構2在運動過程中儘量減少與管壁的摩擦。當整個機器人遇到較小管徑的管道時，承載大輪204受力，由於受到承載大輪204的作用，承載杆202受到壓力，傳遞到中心滑塊2010，中心滑塊2010帶動直線軸承209在承載中心軸207運動，壓縮中心彈簧2011，從而減少承載機構的總體半徑，順利通過較小的管道。[0048]所述承載機構2上還設有往復機構7，往復機構7的伺服電機702設置在承載大圓盤201上，伺服電機702輸出軸上連接齒輪A701，所述齒輪A701與設置在檢測單元底板 106上的齒輪B703嚙合。伺服電機702控制檢測機構1的運動範圍處於120度之間，這樣的運動可以保證安裝在檢測機構1上的三個渦流檢測裝置6將管道內部實際情況全部傳輸出來。[0049]參看附圖5，驅動機構4驅動前板404上設有控制無損探傷管道機器人行走方向的導向機構5及CCD成像裝置10，導向機構5包括導向伸縮杆503和置於導向伸縮杆503前端的導向輪502，導向伸縮杆503上套設導向彈簧501，導向伸縮杆503後端設置在與驅動機構4連接的套筒505內，且通過導向伸縮杆503上設置的銷子504在套筒505的長圓孔內伸縮滑動。導向機構5控制著整個機器人的行走方向，當管道機器人需要轉向時，首先導向輪502通過導向彈簧501的作用，使整個管道機器人頂著管壁，位於電機承載外殼406下部的轉向輪4010開始轉向，進而帶動整個管道機器人進行轉向。由於驅動機構4前方左右兩側設有轉向探測裝置8，兩側的轉向探測裝置8分別將探測到的數位訊號反饋至控制系統9，控制系統9對數位訊號處理後分別將控制指令傳輸至位於驅動機構4左右兩側的伺服電機驅動器，由伺服電機驅動器控制伺服電機409驅動位於驅動機構4下方左右兩側的驅動輪406，彎管環境下，左右兩側的驅動輪406轉速形成差值，實現差速轉向。其中，驅動輪 406之間角度能夠在90-120°範圍內調整。驅動機構4上還設有支撐輪403，所述支撐輪403通過驅動四連杆402與驅動機構 4架體連接，其中，驅動機構4下方連杆4014通過伸縮杆408與驅動機構4架體連接，伸縮杆408上套設彈簧4013，且伸縮杆408 —端設置在與驅動機構4架體連接的支座內，所述支座外壁上旋合有調節彈簧4013伸縮量的旋緊螺母405，從而適應不同直徑的管道。上支撐輪403在運動過程中起著重要的作用，它承受很大的摩擦力，這樣才能在複雜的管道環境中正常行走。上支撐輪403由於伸縮杆408的作用，可以實時調節整個管道機器人的行走直徑，以適應不同的管道。驅動機構4的驅動後板4011兩側設有直線探測裝置11，所述直線探測裝置11分別將探測到的數位訊號反饋至控制系統9，控制系統9對數位訊號處理後分別將控制指令傳輸至位於驅動機構4左右兩側的伺服電機驅動器，由伺服電機驅動器控制伺服電機409 驅動位於驅動機構4下方左右兩側的驅動輪406，直管環境下，修正左右兩側的驅動輪406 轉速差值；所述驅動後板4011上連接萬向聯軸器3 —端。即驅動機構4是靠伺服電機驅動的，通過紅外探測裝置8、11和CXD成像裝置10 所產生的數位訊號傳給控制系統9，再由控制系統發出指令至伺服電機驅動器，由伺服電機驅動器控制伺服電機執行相應動作來引導驅動輪406的運動，從而使管道機器人可以適應不同環境下的管道。當某一側轉向探測裝置8沒有檢測到障礙物(即管壁)時，此時說明管道向該側彎曲，集成電路控制板便控制該側的電機停止，另一側仍繼續運動，從而實現電機的差速控制；直線探測裝置11都檢測到障礙物(管壁)時，說明此時機器人在直管道中行走，左右兩個驅動電機帶動驅動輪驅動檢測機器人向前運動。當直線探測裝置11均未檢測到障礙物(即管壁)時，說明此處管道為「T」形，即此處為三通，檢測機器人會根據複雜的情況做出一定的選擇，實現順利通過。控制系統以16位單片機STC12CM12AD為核心，左右驅動輪406附近的紅外轉向探測裝置8根據探測到的障礙物即管壁而產生不同的信號，紅外轉向探測裝置8將檢測到的信號送入單片機進行處理。單片機根據紅外轉向探測裝置8傳出的信號的不同，來調節左右兩側驅動電機的運動，從而實現電控的精確轉向。同時位於檢測機構1的渦流檢測器可以對管道內部進行實時檢測，並將檢測數據傳給上位機，由上位機對所採集的數據進行分析，從而判斷管道的損害情況，並傳出實際數據，用來對管道進行預防和修補。結合圖6，當整個管道機器人開始通電時，需要把單片機的個個寄存器，相應的IO 管腳進行初始化，這時候開啟無線的視頻傳輸裝置，不停的發送管道內部的信息。初始化結束之後，則整個機器人按照事先設定的默認速度前進。為了讓整個系統更加智能化的運行， 機器人在行走的過程中需要實時檢測外界接收到的信息上位機發送的命令、檢測整個系統是否走偏、檢測整個系統是否傾斜，同時還要實時檢測整個管壁是否有裂縫。上位機發送的命令可以調節機器人的運行速度、是否進行拐彎、以及運行停止等命令。當接收到上位機通過無線發送到的命令之後，通過判斷接收到的信息，經過比較判斷之後控制整個系統做出相應的動作，從而實現了人與機器的交互控制。當管道機器人處於直線行走的過程中，牽引端有直線探測裝置11檢測機器人與管壁的距離，經過判斷之後得出小車是向哪個方向偏斜，從而經過PID算法，來控制兩個驅動輪的佔空比，從而讓系統回歸到直線行走的軌道上來，同時放置在機器人上的角度傳感器也能起到同樣的效果。[0057]在檢測機構1放置了三個渦流檢測裝置6，在運行的過程中，這三個渦流檢測裝置 6 一直不斷的掃描管壁信息，如果檢測到管壁有裂縫，就把裂縫的位置信息通過無線裝置發送給上位機，同時整個系統停止，等待上位機發送新的命令。[0058]本發明創造除了可以進行管道內部的探傷工作，其承載機構和檢測機構還可以根據需要加載其他裝置來對管道內部進行作業。[0059]本發明創造主要應用於石油、煤氣、化工、水利、鍋爐等行業的管道檢測及清理工作，可以實現以下四個功能[0060](1)實現對管道堵塞狀況的實時監控。[0061](2)實現對管壁腐蝕狀況的實時監控。[0062](3)實現對管道管壁壁厚的實時監控。[0063](4)實現對管道管內缺陷的實時監控。
權利要求1.一種無損探傷管道機器人，包括用來檢測管道內部損傷情況的檢測機構(1)、用來承載檢測機構(1)和電源的承載機構O)、用於提供無損探傷管道機器人行走動力的驅動機構(4)和控制系統(9)，所述驅動機構(4)和承載機構(2)通過萬向聯軸器(3)連接，檢測機構(1)設置在承載機構O)的承載中心軸(207)軸端；其特徵是還包括控制無損探傷管道機器人行走方向的導向機構(5)，所述導向機構(5)置於驅動機構(4)前方，包括導向伸縮杆(503)和置於導向伸縮杆(503)前端的導向輪(502)，導向伸縮杆(503)上套設導向彈簧(501)，導向伸縮杆(503)後端設置在與驅動機構(4)連接的套筒(505)內，且通過導向伸縮杆(503)上設置的銷子(504)在套筒(505)的長圓孔內伸縮滑動；所述導向機構(5)引導位於驅動機構(4)下部的轉向輪G010)進行轉向，所述驅動機構(4)前方左右兩側設有轉向探測裝置(8)，兩側的轉向探測裝置(8)分別將探測到的數位訊號反饋至控制系統(9)，控制系統(9)對數位訊號處理後分別將控制指令傳輸至位於驅動機構⑷左右兩側的伺服電機驅動器，由伺服電機驅動器控制伺服電機G09)驅動位於驅動機構(4)下方左右兩側的驅動輪006)，彎管環境下，左右兩側的驅動輪(406)轉速形成差值，實現差速轉向。
2.根據權利要求1所述的無損探傷管道機器人，其特徵是所述驅動輪(406)之間角度能夠在90-120°範圍內調整。
3.根據權利要求1所述的無損探傷管道機器人，其特徵是所述驅動機構(4)上還設有支撐輪003)，所述支撐輪(40 通過驅動四連杆(40 與驅動機構(4)架體連接，其中， 驅動機構(4)下方連杆G014)通過伸縮杆(408)與驅動機構(4)架體連接，伸縮杆(408) 上套設彈簧(4013)，且伸縮杆(408) —端設置在與驅動機構(4)架體連接的支座內，所述支座外壁上旋合有調節彈簧伸縮量的旋緊螺母005)。
4.根據權利要求1所述的無損探傷管道機器人，其特徵是所述驅動機構的驅動後板G011)兩側設有直線探測裝置(11)，所述直線探測裝置(11)分別將探測到的數位訊號反饋至控制系統(9)，控制系統(9)對數位訊號處理後分別將控制指令傳輸至位於驅動機構⑷左右兩側的伺服電機驅動器，由伺服電機驅動器控制伺服電機G09)驅動位於驅動機構(4)下方左右兩側的驅動輪006)，直管環境下，修正左右兩側的驅動輪(406)轉速差值；所述驅動後板G011)上連接萬向聯軸器C3) —端。
5.根據權利要求1所述的無損探傷管道機器人，其特徵是所述驅動機構的驅動前板(404)上設有CCD成像裝置(10)。
6.根據權利要求1所述的無損探傷管道機器人，其特徵是所述承載機構( 包括承載大圓盤001)、承載小圓盤(206)及設置在兩者之間連接兩者的承載肋板003)，還包括穿過承載大圓盤(201)和承載小圓盤Q06)中心的承載中心軸Q07)；所述承載小圓盤(206)連接萬向聯軸器C3)另一端；其中，承載肋板(20 上鉸接承載杆002)，承載杆(20 —端分別設有承載大輪(204)和承載小輪005)，承載小輪(20 位於承載大輪 (204)前方；承載杆(20 另一端通過承載連杆與中心滑塊Q010)連接，所述中心滑塊Q010)設置在直線軸承(209)外圈上，直線軸承O09)內圈與承載中心軸(207)構成移動副；所述承載中心軸(207)上套設支撐中心滑塊O010)的中心彈簧0011)。
7.根據權利要求1所述的無損探傷管道機器人，其特徵是所述檢測機構(1)包括檢測單元底板(106)和檢測單元上板(105)，兩者之間夾設套筒(103)，所述套筒(103)中心孔內設有伸縮杆(107)，伸縮杆(107)上套設壓縮彈簧(102)，且伸縮杆(107) —端連接檢測單元輪(101)；所述檢測單元上板(10 上120°間隔設有渦流檢測裝置(6)。
8.根據權利要求7所述的無損探傷管道機器人，其特徵是所述檢測單元底板(106) 和檢測單元上板(10 設置為三角板形狀，且對稱設置，檢測單元底板(106)和檢測單元上板(105)的邊角處夾設套筒(103)。
9.根據權利要求6或7所述的無損探傷管道機器人，其特徵是所述承載機構(2)上還設有往復機構(7)，往復機構(7)的伺服電機(702)設置在承載大圓盤O01)上，伺服電機(70 輸出軸上連接齒輪A(701)，所述齒輪A(701)與設置在檢測單元底板(106)上的齒輪B (703)嚙合。
10.根據權利要求1所述的無損探傷管道機器人，其特徵是所述控制系統具備智能化和人工控制兩種模式，當實施人工控制時，上位機切斷控制系統的信號，由人通過上位機直接控制伺服電機驅動器，然後再由伺服電機驅動器將指令傳給伺服電機來進行驅動。
專利摘要本實用新型公開的無損探傷管道機器人，涉及管道機器人技術領域，該管道機器人能夠適用於豎直及彎管環境，且工作性能穩定可靠；包括檢測管道內部損傷情況的檢測機構、承載檢測機構和電源的承載機構、提供行走動力的驅動機構和控制系統，驅動機構和承載機構通過萬向聯軸器連接，檢測機構設置在承載機構的承載中心軸軸端；還包括控制行走方向的導向機構，導向機構置於驅動機構前方，導向機構引導位於驅動機構下部的轉向輪進行轉向，驅動機構前方設有的轉向探測裝置將探測到的數位訊號反饋至控制系統，控制系統對數位訊號處理後分別將控制指令傳輸至伺服電機驅動器，控制伺服電機驅動驅動輪，彎管環境下，驅動輪轉速形成差值，實現差速轉向。
文檔編號F16L101/30GK202252613SQ201120380389

公開日2012年5月30日 申請日期2011年10月1日 優先權日2011年10月1日
發明者劉興振, 呂遠好, 孫娟, 張旦聞, 朱德榮, 李東偉, 王國強, 王小濤, 範宦潼, 趙秀婷 申請人:洛陽理工學院