一种分离式管道检测机器人的制作方法

1.本发明涉及管道检测技术领域，特别是一种分离式管道检测机器人。


背景技术：

2.近年来，国内外的工业飞速发展，越来越多的场景需要应用管道。过热器管道在我们日常生活中有着重要的地位，在化石能源、化学工业、电力、天然气、水利水电工程等领域都发挥着极为重要的作用。然而在日常生活中，管道在运行一段时间之后可能会出现破损、腐蚀、受力变形等安全隐患，一旦管道发生故障，不仅会影响各种设备的运行造成经济上的损失，还可能会引发事故，造成人员伤亡甚至危害环境。因此，对在役管道进行定期监测与维护是至关重要的。但是某些管道因为结构设计要求或者地理位置的限制，不得不铺设在非常高的位置，周边工作环境非常恶劣，部分管道的主要工作是输送有害物质或高温物质。在这种情况下，在高空维修检测过热器管道所产生的安全事故时有发生，由于没有合适的设备代替工人完成相关工作，给工人的安全、企业的利润、可持续发展都带来了负面的影响。
3.过热器管道检测机器人属于管道机器人研究领域中的一种，该设备能够在复杂的过热器管道外表面随意攀爬，对于管道上的障碍，具有一定的通过性，如果在机器人末端加装检测机构，那么该设备就可以完成对过热器管道的检测工作。过热器检测机器人能够实现机械代替人工在恶劣环境下的检测工作，避免工人在危险环境下进行相关工作，从而极大地提高工人工作的安全性，其工作效率、精度又远远高于人工，在现代工业中具有非常大的应用价值和工业前景。
4.本发明针对的具体环境为锅炉内过热器多管屏平行且单管管间距、管屏间距较小的复杂环境。在过热器的最上端多管道交错收紧，往下则是梳形密封板，该梳形密封板突出管排面一定的宽度。在梳形密封板下方是过热器顶棚管，过热器顶棚管以一定的间距成排排列形成管屏。在顶棚管屏的下面是四组垂直管排的活动夹块以及一组呈倒v的活动夹块组成的连接件，用于连接相邻的顶棚管。
5.现阶段，管道机器人有两个子类别，分别为管道内机器人和管道外壁机器人，其中管道内壁机器人是目前的主要研究方向。但是管道外壁的机器人研究投入较少。近年来，因为对高空电缆、管道的检测在一定程度上由管道机器人代替人工来执行，管道外壁检测机器人也慢慢得到了研发人员以及相关企业的重视。根据目前的国内外发展趋势来看，管道机器人一般采用仿生学的设计，然而在实际工作中总会有一定的局限性，大部分都无法实现两管道之间的过渡，并且对管道外壁的平整性有极大的要求，很难满足实际工况的检测需求。所以，对管道外壁检测机器人的研发极其重要、并且具有非常广阔的商业化前景，对提高生产安全性和工作质量是非常有意义的。
6.现有管外行走机器人经过发展，典型装置主要有以下几种：
7.1、气动蠕动式：此类装置运动采用蠕动方式。通过气缸与夹紧机构动作配合及先后顺序，可实现机构的往复运动，且过程中保证至少有一对手爪夹紧管道。此种机构结构简
单，易于操作，但爬升高度受供气源管道的限制，且运动速度受夹紧时间限制。部分简易爬管本体部分采用自锁原理，利用弹簧、橡胶球、斜面等基本特性使机构保持静止。此类装置只适合直管爬行，当遇到阻碍时其通过性极差。
8.2、内框螺旋式：此类装置由圆柱框架和三台均布的相同小车组成。车轮抱紧管壁后，通过驱动车轮实现装置螺旋上升或下降。通过调节螺母，调整装置初始抱紧力，装置随着管道外径的改变可自动调整。此装置负荷量大，运行平稳，适合不同直径管件，但只能应用于连续型管件，当遇到阻碍物时，无法通过。
9.3、关节式：此类装置由一系列转动和移动关节组成，通过夹持管道实现在管道上的行走。关节式管外爬行结构较复杂，使得其灵活性较高，可以跨越管道上和管道间的常见障碍，但其设计及造价成本较高，普及性不高。
10.4、并联式：此类装置分为两种形式，一种由平台、夹紧装置、直线驱动器、操作臂以及铰链组成；一种由平台、直线驱动器和若干腿组成。并联式管外机器人的优点是结构简单、行进速度快、制造成本低等，但控制较为复杂，需要算出运动方程后才可正常工作。
11.上述的管道检修装置均存在弊端。


技术实现要素：

12.为解决上述问题，本发明提出一种分离式管道检测机器人，其检测装置与攀爬机构分离，相比以往的管道外机器人，因为其检测装置与攀爬机构分离，检测机构能够稳定的依附于管道外侧，从而提高检测的精度。
13.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
14.一种分离式管道检测机器人，包括攀爬机构、牵引绳索和检测机构，其中攀爬机构包括直线滑动模块和两个夹爪组件，两个所述夹爪组件分别安装在直线滑动模块的两个滑动端，该直线滑动模块用于驱动两个夹爪组件相对靠近或远离，所述直线滑动模块与两个夹爪组件配合实现攀爬机构沿管道攀爬；
15.所述检测机构包括相机、超声波传感器、检测车体、吸力装置、滚动轮装置和卷线装置，其中滚动轮装置安装在检测车体的底部，吸力装置、卷线装置、超声波传感器和相机均安装在检测车体上，所述吸力装置的吸气口开设在检测车体的底面且排气口设置在检测车体的顶面，该吸力装置用于清除管道外壁的灰尘并将检测机构通过气动的方式吸附在管道外部，所述卷线装置的卷线端通过牵引绳索连接在直线滑动模块的侧向外壁；检测机构中相机拍摄管道外观图片，超声波传感器用于检测滚轮到管道的距离，以测量管道的直径。
16.所述检测机构通过吸力装置气动吸附的方式吸附在管道外部，且攀爬机构通过牵引绳索拖拽检测机构在管道外部移动。
17.作为优选的，两个所述夹爪组件包括均为电动驱动的第一旋转模块、第二旋转模块、第三旋转模块、第四旋转模块、第一夹爪模块和第二夹爪模块，其中第一旋转模块和第二旋转模块的底座分别连接在直线滑动模块的两个滑动端，所述第三旋转模块和第四旋转模块的底座分别连接在第一旋转模块和第二旋转模块的转动端，所述第一夹爪模块和第二夹爪模块的底座分别连接在第三旋转模块和第四旋转模块的转动端，且所述直线滑动模块的伸缩方向为x轴方向，所述第一旋转模块和第二旋转模块的转动轴为y轴方向，所述第三旋转模块和第四旋转模块的转动轴为z轴方向。
18.作为优选的，所述直线滑动模块的侧面具有旋转吊环模块，所述牵引绳索的端部通过旋转吊环模块连接在直线滑动模块的侧面。
19.作为优选的，所述检测车体移动方向的两侧分别设有两个支撑抬升装置，所述支撑抬升装置包括支撑支座、微型电动推杆、叉形座和普通滚轮，其中支撑支座安装在检测车体的侧面，所述微型电动推杆的底座安装在支撑支座上，微型电动推杆的伸出端朝下设置，所述叉形座安装在微型电动推杆的下末端，普通滚轮通过转轴连接在叉形座中。
20.作为优选的，所述检测车体包括存放箱、第一支撑侧板、支撑箱板、第二支撑侧板、第一减震器、工字板和第二减震器，其中吸力装置和卷线装置安装在存放箱内，相机安装在支撑箱板下方，工字板连接在存放箱的底部，第一减震器、工字板、支撑箱板和第二减震器通过一根铜柱贯穿于第一支撑侧板中部镂空区，另一对第一减震器和第二减震器与工字板另一端、支撑箱板的另一端通过一根铜柱贯穿于第二支撑侧板中部镂空区，且第一支撑侧板和第二支撑侧板分别位于存放箱对向两侧，且第一减震器和第二减震器的缓冲方向为垂向，所述支撑抬升装置分别安装在工字板上，所述滚动轮装置和超声波测距传感器安装在第一支撑侧板和第二支撑侧板之间的轴上，超声波传感器可以随着所述滚动轮装置轴向移动。
21.作为优选的，所述第一支撑侧板和第二支撑侧板均为正置的梯形板状结构，滚动轮装置有两组，两组滚动轮装置均连接在第一支撑侧板和第二支撑侧板之间且分列在存放箱的前部和后部。
22.作为优选的，所述第一支撑侧板和第二支撑侧板的中部具有镂空区，所述工字板穿过第一支撑侧板和第二支撑侧板中部的镂空区，所述支撑抬升装置安装在第一支撑侧板和第二支撑侧板的外侧。
23.作为优选的，所述滚动轮装置为自适应滚动轮装置，所述自适应滚动轮装置包括管道滚轮、第三减震器、轴承组件、第四减震器、挡板和车轮轴，车轮轴中部具有轴肩，轴肩到车轮轴的末端之间均安装管道滚轮，所述管道滚轮通过轴承组件可转动的安装在车轮轴上，所述第三减震器和第四减震器均套装在车轮轴上，且第三减震器的两端抵接在轴肩和轴承组件上，所述第四减震器的两端分别抵接在轴承组件和车轮轴末端的挡板上。
24.作为优选的，所述轴肩朝向第三减震器的一侧设有环形凹槽，所述第三减震器的端部嵌入到轴肩的环形凹槽内；所述管道滚轮为“v”形轮，所述轴承组件包括滚珠轴承、过度轴套和直线轴承，所述直线轴承套装在车轮轴上，直线轴承的外圈固定安装在过度轴套的内环面，所述滚珠轴承的内圈固定安装在过度轴套的外环面，所述滚珠轴承的外圈固定安装在管道滚轮的内环面处；所述过度轴套和直线轴承的轴向长度一致且端部对齐，所述滚珠轴承有两组，两个所述滚珠轴承分别安装在过度轴套与管道滚轮之间靠近端面处。
25.作为优选的，所述卷线装置包括蜗轮、轴承支座、蜗杆、刚性联轴器、卷线电机、卷线电机支座、卷线支座和卷线滚筒，其中卷线支座为“u”形支架，所述卷线滚筒通过转轴安装在卷线支座内，所述转轴延伸出卷线支座，所述蜗轮安装在转轴上且位于卷线支座外侧，所述轴承末端通过轴承支座安装在检测车体上，所述卷线电机通过卷线电机支座安装在检测车体上，卷线电机的动力端通过刚性联轴器连接蜗杆，所述蜗杆与蜗轮啮合形成传动；
26.所述相机安装在检测机构的支撑箱板下方，拍摄管道外观图片，并通过无线网上传到计算机中保存；
叉形座，345-普通滚轮，35-卷线装置，351-蜗轮，352-轴承支座，353-蜗杆，354-刚性联轴器，355-卷线电机，356-卷线电机支座，357-卷线支座，358-卷线滚筒，36-相机，37-超声波传感器。
具体实施方式
47.为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
48.如图1-图10所示，本实施例提出一种分离式管道检测机器人，包括攀爬机构1、牵引绳索2和检测机构3，其中攀爬机构1包括直线滑动模块11和两个夹爪组件，两个夹爪组件分别安装在直线滑动模块11的两个滑动端，该直线滑动模块11用于驱动两个夹爪组件相对靠近或远离，直线滑动模块11与两个夹爪组件配合实现攀爬机构1在管道上攀爬；检测机构3包括检测车体31、吸力装置32、滚动轮装置33和卷线装置35，其中滚动轮装置33安装在检测车体31的底部，吸力装置32、卷线装置35和相机36均安装在检测车体31上，吸力装置32的吸气口开设在检测车体31的底面且排气口设置在检测车体31的顶面，该吸力装置32用于将检测机构3通过气动的方式吸附在管道外部，并清除管道灰尘，卷线装置35的卷线端通过牵引绳索2连接在直线滑动模块11的侧向外壁；检测机构3通过存放箱内的吸力装置32气动吸附的方式吸附在管道外部，且攀爬机构1通过牵引绳索2拖拽检测机构3在管道外部外部移动。
49.分离式管道检测机器人分为攀爬机构1、牵引绳索2、检测机构3三个部分。牵引绳索2是为了连接分离式管道检测机器人的攀爬机构1和检测机构3，减轻单一机器人的运行负担。分离式管道检测机器人攀爬机构1是通过设计好的各种步态，完成在锅炉过热器上的攀爬工作，包括单管爬行、管间过渡、管屏间过渡。并夹持在管道上方，协助机器人检测机构3进行检测。检测机构3采用轮式机构，通过牵引绳索2的卷绕和吸力装置32，使检测机构3可以依附于管道进行移动，从而完成检测任务。因单个管件间存在连接件，故检测机构3也应具有一定的越障能力。
50.以下详细说明本装置的各个部分。
51.如图2所示，两个夹爪组件包括均为电动驱动的第一旋转模块12、第二旋转模块13、第三旋转模块14、第四旋转模块15、第一夹爪模块16和第二夹爪模块17，其中第一旋转模块12和第二旋转模块13的底座分别连接在直线滑动模块11的两个滑动端，第三旋转模块14和第四旋转模块15的底座分别连接在第一旋转模块12和第二旋转模块13的转动端，第一夹爪模块16和第二夹爪模块17的底座分别连接在第三旋转模块14和第四旋转模块15的转动端，且直线滑动模块11的伸缩方向为x轴方向，第一旋转模块12和第二旋转模块13的转动轴为y轴方向，第三旋转模块14和第四旋转模块15的转动轴为z轴方向。
52.直线滑动模块11由线性模组用电机、齿轮对、联轴器、丝杆、滑块、滑轨和主板连接板组成。线性模组由电机经过齿轮对变向后通过联轴器驱动丝杆转动，实现滑块在滑轨上前后移动，而主板连接板通过螺栓连接在滑块上从而与滑块同进退。第一旋转模块12、第二旋转模块13、第三旋转模块14和第四旋转模块15均由电机和连接法兰组成，其中第一旋转模块12和第二旋转模块13完全相同，第三旋转模块14和第四旋转模块15完全相同。第一夹
爪模块16和第二夹爪模块17完全相同，主要由卡爪连接件、卡爪用电机、齿轮连杆、外连杆和卡夹组成。卡爪用电机通过驱动齿轮连杆从而实现卡夹的松开与夹紧。第一旋转模块12和第二旋转模块13通过连接法兰与直线滑块模块连接，第一旋转模块12和第二旋转模块13的电机通过连接法兰分别控制第三旋转模块14、第四旋转模块15的旋转，卡爪连接件将第三旋转模块14、第四旋转模块15与第一夹爪模块16和第二夹爪模块17分别固连。
53.作为优选的，直线滑动模块11的侧面具有旋转吊环模块18，牵引绳索2的端部通过旋转吊环模块18连接在直线滑动模块11的侧面。旋转吊环模块18具有对各个角度的牵引绳牵引角度自适应的优势。
54.如图4所示，攀爬机构1的工作原理如下。
55.单管爬行：在这个过程中，通过攀爬机构1中的直线滑动模块11的伸长与收缩以及两个夹爪交替的松开与夹紧来实现攀爬机构1在单根管道上的爬行。在整个爬行运动过程中，攀爬机构1的四个旋转关节不转动。
56.单管跨越障碍：攀爬机构1在单个管道上跨越障碍的运动过程中，第三旋转关节和第四旋转关节不转动以外，其他的关节都参与运动。跨越障碍的过程如图4所示，当攀爬机构1上端遇到障碍时，第二卡爪模块松开，第一旋转关节和第二旋转关节转动使第二卡爪模块脱离管道，直线滑动模块11伸长使机器人的上半部分跨越障碍，随后第一旋转关节和第二旋转关节转动使第二卡爪模块抓紧管道，直线滑动模块11收缩使攀爬机构1恢复正常爬行状态。攀爬机构1下端越障碍时，直线滑动模块11处于伸长状态，先将第一卡爪模块松开，第一旋转关节转动使第一卡爪模块脱离管道，直线滑动模块11收缩使机器人的下半部分跨越障碍，同时第一旋转关节和第二旋转关节转动使第一卡爪模块抓紧管道，微调第一旋转关节和第二旋转关节使攀爬机构1恢复正常爬行状态。
57.管间过渡：攀爬机构1在进行管间过渡的运动过程中，依靠第一旋转模块12、第二旋转模块13、第三旋转模块14和第四旋转模块15的协调转动即可，可根据管道与管道之间的距离来决定是否需要直线滑动模块11的运动来配合整个攀爬机构1的运动。
58.如图8所示，检测车体31移动方向的两侧分别设有两个支撑抬升装置34，支撑抬升装置34包括支撑支座341、微型电动推杆342、叉形座343和普通滚轮345，其中支撑支座341安装在检测车体31的侧面，微型电动推杆342的底座安装在支撑支座341上，微型电动推杆342的伸出端朝下设置，叉形座343安装在微型电动推杆342的下末端，普通滚轮345通过转轴连接在叉形座343中。支撑抬升装置34的作用是抬升车体，以达到检测机构3跨越障碍物的目的。
59.如图5、图6所示，具体的，检测车体31包括存放箱311、第一支撑侧板312、支撑箱板313、第二支撑侧板314、第一减震器315、工字板316和第二减震器317，其中吸力装置32和卷线装置35安装在存放箱311内，相机36安装在支撑箱板313下方，工字板316连接在存放箱311的底部，第一减震器315、工字板316、支撑箱板313和第二减震器317通过一根铜柱贯穿于第一支撑侧板312中部镂空区，另一对第一减震器315和第二减震器317与工字板316另一端、支撑箱板313的另一端通过一根铜柱贯穿于第二支撑侧板314中部镂空区，且第一支撑侧板312和第二支撑侧板314分别位于存放箱311对向两侧，且第一减震器315和第二减震器317的缓冲方向为垂向，支撑抬升装置34分别安装在工字板316上，滚动轮装置安装在第一支撑侧板312和第二支撑侧板314上。
60.存放箱311用来存放卷线装置35、电路板、电池等，包括箱盖和箱体。当管道表面有微型突起时，四个第一减震器315和四个第二减震器317可以保证检测车体31不至于产生较大的震动，从而损坏检测机构3的其他零部件。本实施例中，吸力装置32包括涵道风扇和涵道风扇安装板，涵道风扇通过涵道风扇安装板安装在存放箱311的箱盖上。
61.如图6所示，第一支撑侧板312和第二支撑侧板314均为正置的梯形板状结构，滚动轮装置有两组，两组滚动轮装置均连接在第一支撑侧板312和第二支撑侧板314之间且分列在存放箱311的前部和后部。第一支撑侧板312和第二支撑侧板314使得自适应滚动轮装置33的垂向投影在检测车体31垂向投影的外部，进而使检测车体31得移动更平稳，避免检测车体31倾倒。
62.另外，第一支撑侧板312和第二支撑侧板314的中部具有镂空区，工字板316穿过第一支撑侧板312和第二支撑侧板314中部的镂空区，支撑抬升装置34安装在第一支撑侧板312和第二支撑侧板314的外侧。本实施例中，支撑抬升装置34通过工字板316与存放箱311形成刚性连接并形成整体。而存放箱311通过第一减震器315和第二减震器317与自适应滚动轮装置33形成缓震结构，使得存放箱311具有适应检测环形的底盘结构。
63.如图7所示，滚动轮装置为自适应滚动轮装置33，自适应滚动轮装置33包括管道滚轮331、第三减震器332、轴承组件、第四减震器336、挡板和车轮轴337，车轮轴337中部具有轴肩，轴肩到车轮轴337的末端之间均安装管道滚轮331，管道滚轮331通过轴承组件可转动的安装在车轮轴337上，第三减震器332和第四减震器336均套装在车轮轴337上，且第三减震器332的两端抵接在轴肩和轴承组件上，第四减震器336的两端分别抵接在轴承组件和车轮轴337末端的挡板上。
64.具体的，轴肩朝向第三减震器332的一侧设有环形凹槽，第三减震器332的端部嵌入到轴肩的环形凹槽内；管道滚轮331为“v”形轮，轴承组件包括滚珠轴承333、过度轴套334和直线轴承335，直线轴承335套装在车轮轴337上，直线轴承335的外圈固定安装在过度轴套334的内环面，滚珠轴承333的内圈固定安装在过度轴套334的外环面，滚珠轴承333的外圈固定安装在管道滚轮331的内环面处；过度轴套334和直线轴承335的轴向长度一致且端部对齐，滚珠轴承333有两组，两个滚珠轴承333分别安装在过度轴套334与管道滚轮331之间靠近端面处。
65.管道滚轮331采用v型结构，可以卡在管道上行进，保证检测机构3不会有所偏移，并且与滚珠轴承333、过度轴套334和直线轴承335固连在一起，从而保证其整体可以沿管道纵向滚动，第三减震器332和第四减震器336可以保证管道滚轮331在管道发生纵向弯曲时能够横向移动，从而保护检测机构3不会发生颠簸和倾斜。
66.如图9所示，卷线装置35由蜗轮351、轴承支座352、蜗杆353、刚性联轴器354、卷线电机355、卷线电机支座356、卷线支座357和卷线滚筒358组成，其中卷线支座357为“u”形支架，卷线滚筒358通过转轴安装在卷线支座357内，转轴延伸出卷线支座357，蜗轮351安装在转轴上且位于卷线支座357外侧，轴承末端通过轴承支座352安装在检测车体31上，卷线电机355通过卷线电机支座356安装在检测车体31上，卷线电机355的动力端通过刚性联轴器354连接蜗杆353，蜗杆353与蜗轮351啮合形成传动。卷线电机355通过刚性联轴器354，蜗轮351，蜗杆353减速后输出大扭矩，转动卷线滚筒358将牵引绳索2卷绕，从而带动检测机构3上升。
67.如图10所示，本检测机构3中的工作原理如下。
68.直管爬行：当检测机构3沿管道爬行时，攀爬机构1带着牵引绳行驶至高处某一位置，检测机构3悬吊于空中，吸力装置32中涵道风扇工作，涵道风扇所产生的推力将检测机构3与管道接触，此时自适应滚轮装置与管道有实际接触。卷线电机355通过蜗轮351和蜗杆353减速后输出大扭矩，转动卷线滚筒358将牵引绳索2卷绕，从而带动检测机构3上升，采用v型结构的管道滚轮331可以将检测机构3相对的固定在管道上行进，保证检测机构3不会有所偏移。管道发生纵向弯曲时，第三减震器332和第四减震器336配合管道滚轮331能够发生少许横向移动，从而保证检测机构3不会发生颠簸或倾斜。
69.跨越障碍：当检测机构3前方有较大障碍时，四个支撑抬升装置34中的微型电动推杆342伸长，先将检测机构3横向抬离管道，卷线装置35卷绕牵引绳索2，牵引绳索2缩短从而拉升检测机构3，当前端自适应滚动轮装置33越过障碍时，四个支撑抬升装置34中的微型电动推杆342收缩，牵引绳索2缩短继续拉升检测机构3直至后端自适应滚动轮装置33即将接触障碍，此时四个支撑抬升装置34中的微型电动推杆342伸长，抬离检测机构3于管道，牵引绳索2缩短继续拉升检测机构3使后端自适应滚动轮装置33跨越障碍。
70.作为优选的，超声波传感器37安装在检测机构3的第一支撑侧板312和第二支撑侧板314之间的轴上，超声波传感器37位于滚轮331的中轴线前方，测量滚轮331到管道的距离，由此计算得到管道的直径。设滚轮331轴线到管道的距离为h，滚轮331的v形夹角为2θ，则管道半径为r＝h*sinθ。
71.本分离式管道检测机器人，其检测装置与攀爬机构1分离，相比以往的管道外机器人，因为其检测装置与攀爬机构1分离，检测机构3能够稳定的依附于管道外侧，从而提高检测的精度。
72.以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。