专利名称：一种排水管道视频检测机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种管道用器械，特别涉及一种排水管道视频检测机器人。
背景技术：
管道检测机器人是一种可沿管道内部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机 械，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下进行一系列管道作业的光机电一体化系 统。排水管道检测机器人可用于管网的验收、缺陷检测、疏通、修补等工作。一个完整的管道检测机器人系统，应由移动载体(爬行器)、管道内部环境识别检 测系统、信号传递和动力传输系统及控制系统组成。一般的排水管道视频检测机器人应具 备下列条件与电脑连接的摄像头、照明灯、具有一定的活动性、通讯与电源、防故障与手动 取回措施、简便的操作界面。排水管道检测机器人的工作原理是通过遥控器控制机器人在管内行驶，机器人前 端的镜头将管道内部的实时影像显示在计算机屏幕上，工作人员通过屏幕检查管道的健康 情况。一般使用排水管道检测机器人对管道进行检测的工作程序是先对管道进行疏通 与清洗，避免管道机器人在检测过程中碰到障碍而无法前进与工作。现有的排水管道机器 人在作业过程中都要求管道处于干燥或是水量较少的情况，必要时还得阻断上游污水，以 避免机身在检测时浸没在污水中而无法工作。对于国内南方地区或部分工业区管道，排水管道长期处于高充盈度状态，排水管 道内污水不易排走，也不适于阻断上游来水，对管道检测机器人的工作带来问题。此外，国 内现有的机器人较笨重，给工作人员在操作过程中带来不便；同时在管径较小的管道中行 走时容易发生侧翻问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于管中充盈度较大的管道检测机器人，主要用于排 水管网的缺陷检测、新建管网验收等工作。本发明采用的技术方案为本发明的整体结构包括摄像系统，镜头控制系统，机身 驱动系统，软件控制与数据传输系统和照明装置。各构件的关系是由驱动系统负载其它系 统在管道内爬行，镜头控制系统用以调整摄像系统的位置与角度，摄像系统获取经照明后 的管道内部信息，最后通过数据传输系统将这些信息输出到计算机屏幕上。本发明所述机器人的具体结构为机箱为所述机器人的主干部分，在机箱的两侧共设置4个车轮，在机箱的上面安装旋转支架轴箱；旋转电机箱通过升降杆安装在旋转支 架轴箱上，并在旋转电机箱的前部安装前叉、在旋转电机箱的顶部安装照明装置；在前叉的 前部安装镜头，在旋转支架轴箱的顶部以及机箱的尾部分别设置吊环；机箱内安装数据传 输与控制系统，并通过电缆接出，用来控制机器人的各种姿态和动作；所述旋转支架轴箱带 动所述旋转电机箱的升起或下降，所述旋转电机箱带动所述前叉绕自身轴线旋转，所述前叉带动所述镜头向上或向下转动。所述镜头套装在形状为长方筒体的铝制保护罩内，保护罩的前端设置密封安装的 有机玻璃罩，以避免镜头因渗水、撞击、摩擦而损坏；在有机玻璃罩及镜头之间设置电路板， 并在电路板的表面安装多个LED灯，作为局部照明使用。所述镜头的光学变焦为16-20倍，其视场角为45-50度，最短物距为35cm。
所述有机玻璃罩的表面涂有防水雾涂料，以避免表面水汽或水珠的凝聚而影响摄 像效果。所述前叉的左侧前端与镜头连接处设有转动轴以及与所述转动轴连接的前叉前 履带轮，前叉的尾端左侧设有前叉电机以及与前叉电机连接的前叉后履带轮；所述前叉前 履带轮与前叉后履带轮的直径比为2 1，两者间由履带连接；在所述前叉后履带轮上安装 随前叉后履带轮转动的前叉挡光片，在所述前叉挡光片旁设置与所述前叉电机连接的前叉 光电开关，前叉电机的涡轮每旋转180°即会带动前叉挡光片切断前叉光电开关，使镜头至 多仅能向上或向下转动90°。所述旋转电机箱内设有一根与前叉固定连接的主轴，在旋转电机箱内左侧安装旋 转电机箱电机；在所述主轴上安装主轴履带轮，在所述旋转电机箱电机的输出端连接旋转 电机箱电机履带轮，所述主轴履带轮与所述旋转电机箱电机履带轮的直径比为2 1，两者 间由履带连接；在所述旋转电机箱电机履带轮上安装随旋转电机箱电机履带轮转动的旋转 电机箱挡光片，在所述旋转电机箱挡光片旁设置与所述旋转电机箱电机连接的旋转电机箱 光电开关；旋转电机箱电机通过两个履带轮及主轴带动前叉沿主轴的圆心轴方向转动；旋 转电机箱电机的涡轮每旋转180°即会带动旋转电机箱挡光片切断旋转电机箱光电开关， 使前叉至多仅能向左或向右各旋转转动90°。所述旋转电机箱内右侧位置安装危险气体检测探头，在旋转电机箱的顶部靠后位 置设有气门塞与电磁铁开关，利用电磁铁开关将气门塞打开后即可用危险气体检测探头对 气体进行检测。所述旋转支架轴箱内安装旋转支架轴箱电机，以及与所述旋转支架轴箱电机输出 端连接的减速器，减速器的输出端通过齿轮及转动轴的传动带动升降杆向上或向下摆动。所述机箱内一前一后安装机箱前电机和机箱后电机，所述每个车轮上均分别安装 一个铰链轮，在机箱内中部两侧分别设置一个张紧轴承；机箱左侧的两个铰链轮及左侧的 张紧轴承之间通过一条铰链连接，机箱右侧的两个铰链轮及右侧的张紧轴承之间通过另一 条铰链连接；所述机箱前电机通过齿轮传动带动左侧的两个铰链轮转动，从而带动所述机 器人左侧的两个车轮转动，所述机箱后电机通过齿轮传动带动右侧的两个铰链轮转动，从 而带动所述机器人右侧的两个车轮转动；通过两侧车轮在转向上的分别控制，实现机器人 在左右方向的小角度转动。本发明的有益效果为(1)本发明尺寸小，适用于管径为300-800mm、充盈度不超过50%的下水道内部的
环境观察；(2)机身重心低、不易侧翻，且整体重量较轻，方便工作人员的现场操作；(3)机身完全密封防水，摄像镜头最大垂直抬升高度为19cm，避免镜头在充盈度 较高的管道中没入污水；
(4)机身采用四轮左右相互独立的驱动方式，通过分别控制左右两侧轮子的转向， 使机器人能实现小角度的摆向，避免在管道内爬行时偏向而影响检测；(5)机身上带有气体探头，可检测硫化氢及其他可燃气体；(6)本发明的最大速度可达0. 5m/s，具有10°角的爬坡能力。
图1为所述排水管道机器人的侧视图；图2为所述排水管道机器人机箱内的驱动系统和结构示意图；
图3为所述排水管道机器人的前叉内部结构示意图；图4为所述排水管道机器人的旋转电机箱内部结构示意图；图5为所述排水管道机器人的旋转支架轴箱内部结构示意图。图中标号1-镜头；2-前叉；3-旋转电机箱；4-升降杆；5-铰链轮；6_张紧轴承；7-旋转支架轴箱；8-机箱；9-照明装置；10-车轮；11_保护罩；12-有机玻璃罩；13-电路板；14-前叉前履带轮；15-前叉后履带轮；16-前叉挡光片；17-前叉光电开关；18-主轴；19-旋转电机箱电机；20-主轴履带轮；21-旋转电机箱电机履带轮；22-旋转电机箱挡光片；23-旋转电机箱光电开关；24-危险气体检测探头；25-电磁铁开关；26-旋转支架轴箱电机；27-减速器；28-机箱前电机；29-机箱后电机；30-电缆；31-控制平台；32-前叉电机。
具体实施例方式本发明提供了一种排水管道视频检测机器人，下面结合附图和具体实施方式
对本 发明做进一步说明。本发明的长为65cm、宽为21cm、高为20cm，适应的管径范围为300mm以上。本发明 采用柴油发电机作为用以操作的电脑以及机器人电源。发电机所输出的220V交流电需先 经过本发明机身自带的变压电路才能为机器人的各直流电机供电。如图1所示，机箱8为所述机器人的主干部分，在机箱8的两侧共设置4个车轮10， 在机箱8的上面安装旋转支架轴箱7，所述机箱8和旋转支架轴箱7均采用铝合金材料 ’旋 转电机箱3通过升降杆4安装在旋转支架轴箱7上，并在旋转电机箱3的前部安装前叉2、 在旋转电机箱3的顶部安装照明装置9 ；在前叉2的前部安装镜头1，在旋转支架轴箱7的 顶部以及机箱8的尾部分别设置吊环，两个吊环分别位于水平和竖直穿过机器人重心的直 线上；机箱8内安装数据传输与控制系统，并通过电缆接出，用来控制机器人的各种姿态和 动作；所述旋转支架轴箱7带动所述旋转电机箱3的升起或下降，所述旋转电机箱3带动所 述前叉2绕自身轴线旋转，所述前叉2带动所述镜头1向上或向下转动。如图2所示，机箱8内一前一后安装机箱前电机28和机箱后电机29，所述每个车 轮10上均分别安装一个铰链轮5，在机箱8内中部两侧分别设置一个张紧轴承6 ；机箱8左 侧的两个铰链轮及左侧的张紧轴承之间通过一条铰链连接，机箱8右侧的两个铰链轮及右 侧的张紧轴承之间通过另一条铰链连接，调整张紧轴承6的位置，使铰链处于压紧状态；所述机箱前电机28通过齿轮传动带动左侧的两个铰链轮转动，从而带动所述机器人左侧的 两个车轮转动，所述机箱后电机29通过齿轮传动带动右侧的两个铰链轮转动，从而带动所 述机器人右侧的两个车轮转动；通过两侧车轮在转向上的分别控制，实现机器人在左右方 向的小角度转动。所述机箱前电机28和机箱后电机29均为直流电机，其功率为40W，工作 电压为12V。如图3所示，镜头1套装在形状为长方筒体、长7. 5cm、宽7. 25cm、深14cm的铝制 保护罩11内，保护罩11的前端设置密封安装的有机玻璃罩12，以避免镜头1因渗水、撞击、 摩擦而损坏；在有机玻璃罩12及镜头1之间设置电路板13，并在电路板13的表面安装多 个LED灯，作为局部照明使用。镜头1的光学变焦为18倍，其视场角为48度，最短物距为 35cm，重量约为215g。有机玻璃罩12的表面涂有防水雾涂料，以避免表面水汽或水珠的凝 聚而影响摄像效果。如图3所示，前叉2的左侧前端与镜头1连接处设有转动轴以及与所述转动轴连 接的前叉前履带轮14，前叉2的尾端左侧设有前叉电机32以及与前叉电机32连接的前叉 后履带轮15;所述前叉前履带轮14与前叉后履带轮15的直径比为2 1，两者间由履带 连接；在所述前叉后履带轮15上安装随前叉后履带轮15转动的前叉挡光片16，在所述前 叉挡光片16旁设置与所述前叉电机32连接的前叉光电开关17，前叉电机32的涡轮每旋 转180°即会带动前叉挡光片16切断前叉光电开关17，使镜头1至多仅能向上或向下转动 90° 。如图4所示，旋转电机箱3内设有一根与前叉2固定连接的主轴18，在旋转电机箱 3内左侧安装旋转电机箱电机19 ；在所述主轴18上安装主轴履带轮20，在所述旋转电机箱 电机19的输出端连接旋转电机箱电机履带轮21，所述主轴履带轮20与所述旋转电机箱电 机履带轮21的直径比为2 1，两者间由履带连接；在所述旋转电机箱电机履带轮21上安 装随旋转电机箱电机履带轮21转动的旋转电机箱挡光片22，在所述旋转电机箱挡光片22 旁设置与所述旋转电机箱电机19连接的旋转电机箱光电开关23 ；旋转电机箱电机19通过 两个履带轮及主轴18带动前叉2沿主轴18的圆心轴方向转动；旋转电机箱电机19的涡轮 每旋转180°即会带动旋转电机箱挡光片22切断旋转电机箱光电开关23，使前叉2至多仅 能向左或向右各旋转转动90°。旋转电机箱3内右侧位置安装危险气体检测探头24，在旋 转电机箱3的顶部靠后位置设有气门塞与电磁铁开关25，利用电磁铁开关25将气门塞打开 后即可用危险气体检测探头24对气体进行检测。如图5所示，旋转支架轴箱7内安装旋转支架轴箱电机26，以及与所述旋转支架轴 箱电机26输出端连接的减速器27，减速器27的输出端通过齿轮及转动轴的传动带动升降 杆4向上或向下摆动。升降杆4左右两侧各分为两支杆，每侧位于下方的杆为驱动杆，位于 上方的杆仅起到支撑作用。升降杆4最大可旋转角度为100°，镜头1的最大垂直抬升距离 为 19cm0在机箱8的尾段设有数据输出总接口，包括动力、电源、视频信号、控制电路在内的各种信号的传输全都集中在电缆30中，电缆接口能与机箱8通过螺纹锁上，使电缆30本 身可作为机器人的保护线，在实际管道中运行出现问题时可用以拖拽机身。所有的输出信号均汇总到控制平台31，操作人员通过控制平台31对视频信号、 机身驱动、镜头转动、镜头升降、灯光亮度进行检测和控制。视频信号控制包括开始、停止录像、视频景深的放大或缩小、视频图像截屏；机身驱动控制包括了机器人的推进、后退、左转、右转以及运行速度；镜头转动控制包括镜头在上下左右四个方向上的旋转。镜头升降控 制包括了整个镜头的抬升与下降；灯光亮度调节控制可对镜头前端的LED灯的亮度进行控 制。
权利要求
一种排水管道视频检测机器人，其特征在于，机箱(8)为所述机器人的主干部分，在机箱(8)的两侧共设置4个车轮(10)，在机箱(8)的上面安装旋转支架轴箱(7)；旋转电机箱(3)通过升降杆(4)安装在旋转支架轴箱(7)上，并在旋转电机箱(3)的前部安装前叉(2)、在旋转电机箱(3)的顶部安装照明装置(9)；在前叉(2)的前部安装镜头(1)，在旋转支架轴箱(7)的顶部以及机箱(8)的尾部分别设置吊环；机箱(8)内安装数据传输与控制系统，并通过电缆接出，用来控制机器人的各种姿态和动作；所述旋转支架轴箱(7)带动所述旋转电机箱(3)的升起或下降，所述旋转电机箱(3)带动所述前叉(2)绕自身轴线旋转，所述前叉(2)带动所述镜头(1)向上或向下转动。
2.根据权利要求1所述的一种排水管道视频检测机器人，其特征在于，所述镜头(1)套 装在形状为长方筒体的铝制保护罩(11)内，保护罩(11)的前端设置密封安装的有机玻璃 罩(12)，以避免镜头(1)因渗水、撞击、摩擦而损坏；在有机玻璃罩(12)及镜头(1)之间设 置电路板(13)，并在电路板(13)的表面安装多个LED灯，作为局部照明使用。
3.根据权利要求1所述的一种排水管道视频检测机器人，其特征在于，所述镜头(1)的 光学变焦为16-20倍，其视场角为45-50度，最短物距为35cm。
4.根据权利要求2所述的一种排水管道视频检测机器人，其特征在于，所述有机玻璃 罩(12)的表面涂有防水雾涂料，以避免表面水汽或水珠的凝聚而影响摄像效果。
5.根据权利要求1所述的一种排水管道视频检测机器人，其特征在于，所述前叉(2)的 左侧前端与镜头(1)连接处设有转动轴以及与所述转动轴连接的前叉前履带轮(14)，前叉 (2)的尾端左侧设有前叉电机(32)以及与前叉电机(32)连接的前叉后履带轮(15)；所述 前叉前履带轮(14)与前叉后履带轮(15)的直径比为2 1，两者间由履带连接；在所述前 叉后履带轮(15)上安装随前叉后履带轮(15)转动的前叉挡光片(16)，在所述前叉挡光片 (16)旁设置与所述前叉电机(32)连接的前叉光电开关(17)，前叉电机(32)的涡轮每旋转 180°即会带动前叉挡光片(16)切断前叉光电开关(17)，使镜头(1)至多仅能向上或向下 转动90°。
6.根据权利要求1所述的一种排水管道视频检测机器人，其特征在于，所述旋转电机 箱⑶内设有一根与前叉⑵固定连接的主轴(18)，在旋转电机箱(3)内左侧安装旋转电 机箱电机(19)；在所述主轴(18)上安装主轴履带轮(20)，在所述旋转电机箱电机(19)的 输出端连接旋转电机箱电机履带轮(21)，所述主轴履带轮(20)与所述旋转电机箱电机履 带轮(21)的直径比为2 1，两者间由履带连接；在所述旋转电机箱电机履带轮(21)上安 装随旋转电机箱电机履带轮(21)转动的旋转电机箱挡光片(22)，在所述旋转电机箱挡光 片(22)旁设置与所述旋转电机箱电机(19)连接的旋转电机箱光电开关(23)；旋转电机箱 电机(19)通过两个履带轮及主轴(18)带动前叉(2)沿主轴(18)的圆心轴方向转动；旋转 电机箱电机(19)的涡轮每旋转180°即会带动旋转电机箱挡光片(22)切断旋转电机箱光 电开关(23)，使前叉(2)至多仅能向左或向右各旋转转动90°。
7.根据权利要求1所述的一种排水管道视频检测机器人，其特征在于，所述旋转电机 箱(3)内右侧位置安装危险气体检测探头(24)，在旋转电机箱(3)的顶部靠后位置设有气 门塞与电磁铁开关(25)，利用电磁铁开关(25)将气门塞打开后即可用危险气体检测探头 (24)对气体进行检测。
8.根据权利要求1所述的一种排水管道视频检测机器人，其特征在于，所述旋转支架轴箱(7)内安装旋转支架轴箱电机(26)，以及与所述旋转支架轴箱电机(26)输出端连接的 减速器(27)，减速器(27)的输出端通过齿轮及转动轴的传动带动升降杆(4)向上或向下摆动。
9.根据权利要求1所述的一种排水管道视频检测机器人，其特征在于，所述机箱(8)内 一前一后安装机箱前电机(28)和机箱后电机(29)，所述每个车轮(10)上均分别安装一个 铰链轮(5)，在机箱⑶内中部两侧分别设置一个张紧轴承(6)；机箱⑶左侧的两个铰链 轮及左侧的张紧轴承之间通过一条铰链连接，机箱(8)右侧的两个铰链轮及右侧的张紧轴 承之间通过另一条铰链连接；所述机箱前电机(28)通过齿轮传动带动左侧的两个铰链轮 转动，从而带动所述机器人左侧的两个车轮转动，所述机箱后电机(29)通过齿轮传动带动 右侧的两个铰链轮转动，从而带动所述机器人右侧的两个车轮转动；通过两侧车轮在转向 上的分别控制，实现机器人在左右方向的小角度转动。
全文摘要
一种排水管道视频检测机器人属于管道用器械设备。本发明的整体结构包括摄像系统，镜头控制系统，机身驱动系统，软件控制与数据传输系统和照明装置。各构件的关系是由驱动系统负载其它系统在管道内爬行，镜头控制系统用以调整摄像系统的位置与角度，摄像系统获取经照明后的管道内部信息，最后通过数据传输系统将这些信息输出到计算机屏幕上。本发明尺寸小，适用于管径为300-800mm、充盈度不超过50％的下水道内部的环境观察；机身重心低、不易侧翻，且整体重量较轻，方便工作人员的现场操作。
文档编号F16L55/26GK101832447SQ201010170739
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月6日 优先权日2010年5月6日
发明者左剑恶, 干里里, 罗同顺 申请人:清华大学