一种管道检测机器人

1.本发明属于管道机器人的技术领域，具体涉及一种管道检测机器人。


背景技术：

2.随着现代城市和工业经济的发展，管道运输已然成为了工业生产领域和人民生活必不可少的一部分。管道运输具有运量大，成本低等优点，管道被广泛用于城市供排水、石化、核工业等方面，未来管道建设的规模将更加庞大。2014年以来，我国城市排水管道规模逐年增加，截止2019年，我国城市排水管道的规模已经达到73.7万km，比2018年增加7.91％。地下管道长度高速增长的同时也使城市管理面临新的挑战，虽然地下管道在城市建设发展的同时也在不停地更新迭代，但是由于管道内流量的激增以及大规模建设中对地表造成破坏等因素，深埋地下的管道容易出现腐蚀、损坏、堵塞等问题。企业中的管道也会出现泄漏、内部破裂、堵塞等问题。管内介质和地下复杂的环境都会对管道产生不良影响，如管外的挤压、腐蚀等。随着以上问题的逐渐突出，各行各业对管道的维护和生产提出不同的要求，因此管道机器人在近几年内的需求大幅度提升。
3.随着科技水平提高和社会发展进步，机器人逐渐出现在人们的视线中，代替人工进行各种繁琐、复杂的工作，给人类的生活、生产带来极大便利。利用机器人替代人工进入复杂、狭小的地下管道，完成对地下管道的维护和检测已然成为行业工作者的重点关注。机器人可以根据管径大小设计不同尺寸，同时也可以根据管线内的工作环境实施对应的防护措施，避免管线内工作受到影响，降低了劳动力复杂程度，避免可能对人体造成的危害，是实现现代化管理重要的手段之一。因此，近年来管道机器人的研究已然成为国内外研究的重点，其相关产品也受到用户的欢迎。
4.管道检测机器人在实际的应用中虽然已商业化，但在检测和行走当年仍然存在着许多需要解决的困难。主要包括:
5.成本较高，后期的维护费用较昂贵；适应环境较为复杂恶劣的管道困难；仅适用于管径单一的管道；不具备自适应管道的能力，以致于现有管道检测机器人适用范围有限。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种管道检测机器人，以解决现有管道检测机器人适用范围有限的问题。
7.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
8.一种管道检测机器人，其包括主体结构和多个行走机构；主体结构呈圆柱状，多个行走机构沿圆柱状的主体结构的周向均匀分布；多个行走机构与管道内壁挤压接触，行走机构受到管道内壁的挤压力而在管道的径向上进行伸缩作业。
9.进一步地，主体结构包括机体主轴；机体主轴的一端与连接板固定相连，机体主轴的另一端与法兰盘固定连接；机体主轴的圆周上开设有与行走机构数量相同的凹槽；行走机构与所述凹槽活动相连。
10.进一步地，机体主轴的周向上设有三个行走机构；行走机构包括多个滚轮、驱动组件和伸缩组件；伸缩组件活动设于机体主轴上；滚轮设于伸缩组件上，且滚轮与驱动组件相连；驱动组件驱动滚轮沿管道内壁行走。
11.进一步地，伸缩组件包括主梁、安装板、两根摇杆和两根连接杆；安装板通过螺钉固定于主体结构的凹槽内；滚轮安装于主梁上；一根摇杆活动连接于主梁和安装板的边端；另一根摇杆活动连接于主梁和安装板的另一个边端，且该摇杆与两根连接杆的一端转动相连，两根连接杆的另一端与滑块相连。
12.进一步地，安装板上开设有容纳腔；容纳腔内设有第一u型槽和第二u型槽，第一u型槽和第二u型槽的槽口相向设置；第一u型槽与所述滑块固定连接，且第一u型槽可在容纳腔内滑动作业；第二u型槽固定于容纳腔的边端；第一u型槽和第二u型槽之间设有弹簧，第一u型槽的槽内固定有弹簧的一端，弹簧的另一端固定于第二u型槽的槽内。
13.进一步地，两根连接杆与滑块通过销轴相连，两根连接杆位于滑块的两端，销轴的两端分别穿过滑块和两根连接杆并向外延伸至限位槽内。
14.进一步地，两个限位槽对称开设于安装板的两侧。
15.进一步地，驱动组件包括直流减速电机；直流减速电机通过电机座固定于主梁的下方；直流减速电机的电机轴与蜗杆相连，蜗杆与涡轮啮合传动相连，涡轮通过键与转轴相连；滚轮与转轴相连。
16.进一步地，驱动组件还包括电源；所述直流减速电机与电源电连接。
17.进一步地，法兰盘通过螺栓与环形挡板固定连接。
18.本发明提供的管道检测机器人，具有以下有益效果：
19.本发明采用驱动组件驱动滚轮转动，以实现管道检测机器人在管道内的运动，同时可在机器人上搭载检测装置或者除污设备，以对管道进行维护和清理的作业。
20.本发明结构简单，工作适应性强，节约成本，便于加工和进行装配；本发明利用伸缩组件的伸缩特性，将弹簧的横向伸缩能力转变为摇杆和连接杆的旋转，进而改变整个机器人的径向尺寸，以适应管道内径的突然变化。
附图说明
21.图1为本发明管道检测机器人的俯视图。
22.图2为管道检测机器人结构示意图。
23.图3为管道检测机器人伸缩装置结构图。
24.图4为行走机构简易示意图。
25.图5为涡轮蜗杆受力分析图。
26.图6为弯曲部分过弯分析图。
27.图7为直边部分过弯分析图。
28.图8为处于弯管直边部分时的过弯尺寸分析图。
29.图9为处于弯管弯曲部分时的过弯尺寸分析图。、
30.图10为行走机构的三维视图。
31.其中，1、滚轮；2、连接板；3、螺钉；4、机体主轴；5、摇杆；6、主梁；7、蜗杆；8、直流减速电机；9、弹簧；10、连接杆；11、凹槽；12、法兰盘；13、螺栓；14、环形挡板；15、安装板；16、滑
块；17、第一u型槽；18、第二u型槽；19、限位槽。
具体实施方式
32.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
33.实施例1
34.参考图1，本实施例的管道检测机器人，可根据管道内壁孔径大小的变化而进行管道检测机器人整体径向尺寸的变化，以适应更多的管道和应用场景，其具体包括：
35.主体结构和多个行走机构，本实施例的主体结构呈圆柱状，用于支撑和限位行走机构。
36.多个行走机构沿主体结构的周向均匀分布，本实施例优选设计三个行走机构，但并不局限于三个；三个行走机构结构完全相同，且三个行走机构之间对应的圆心角为120
°
，行走机构具有驱动功能和伸缩功能。
37.在具体作业时，多个行走机构与管道内壁挤压接触，当管道内的孔径变化时，行走机构的尺寸随之变大而变大或者随管道的孔径变小而变小；同时，在主体结构上搭载检测装置或者除污设备，在管道机器人行走的同时，实现对管道内的维护和清理作业。
38.实施例2
39.为实现对行走机构的支撑，本实施例提供一种主体结构，其具体包括：
40.参考图2，主体结构包括机体主轴4，机体主轴4的一端与连接板2固定相连，机体主轴4的另一端与法兰盘12固定连接，连接板2和法兰盘12可用于外接设备，如现有的检测设备和清洗设备等，以实现对管道内的作业。
41.法兰盘12通过螺栓13与环形挡板14固定连接。
42.机体主轴4的圆周上开设有与行走机构数量相同的凹槽11，凹槽11于行走机构配合，以将行走机构固定于机体主轴4上。
43.实施例3
44.为实现对管道检测机器人的行走驱动和管道检测机器人的伸缩功能，本实施例提供一种行走机构，其具体包括：
45.参考图2、图3和图10，行走机构包括多个滚轮1、驱动组件和伸缩组件。
46.伸缩组件活动设于机体主轴4上，用于实现机器人的伸缩功能；
47.滚轮1设于伸缩组件上，且滚轮1与驱动组件相连，驱动组件驱动滚轮1沿管道内壁行走，包括前进和后退作业。
48.具体的，伸缩组件包括主梁6、安装板15、两根摇杆5和两根连接杆10，安装板15通过螺钉3固定于主体结构的凹槽11内，滚轮1安装于主梁6上，滚轮1受驱动组件的驱动进行作业。
49.其中，一根摇杆5活动连接于主梁6和安装板15的边端，另一根摇杆5活动连接于主梁6和安装板15的另一个边端，且该摇杆5与两根连接杆10的一端转动相连，两根连接杆10的另一端与滑块16相连。
50.参考图4，需要说明的是，本实施例摇杆5与安装板15、摇杆5与主梁6、摇杆5与连接杆10、连接杆10与滑块16之间的连接均为销轴连接。
51.安装板15上开设有容纳腔，容纳腔用于限制连接杆10的运动，以将摇杆5的转动连接转变为横向运动。
52.具体的，容纳腔内设有第一u型槽17和第二u型槽18，第一u型槽17和第二u型槽18的槽口相向设置，第一u型槽17与滑块16固定连接，且第一u型槽17可在容纳腔内滑动作业。
53.本实施例滑块16和第一u型槽17固定连接，也可以将滑块16和第一u型槽17一体化设置，第一u型槽17在容纳腔内滑动，即可带动滑块16进行滑动作业。
54.第二u型槽18固定于容纳腔的边端，第一u型槽17和第二u型槽18之间设有弹簧9，第一u型槽17的槽内固定有弹簧9的一端，弹簧9的另一端固定于第二u型槽18的槽内。
55.当管道检测机器人在管内移动时遇见管道直径变化的情况，或者因为管道内恶劣的工作环境，管道内壁局部由于杂质引起的特殊情况，此时弹簧9的伸缩功能即可适应该情况，以达到自适应变化管径的功能。
56.两个限位槽19对称开设于安装板15的两侧，两根连接杆10与滑块16通过销轴相连，两根连接杆10位于滑块16的两端，销轴的两端分别穿过滑块16和两根连接杆10并向外延伸至限位槽19内，在滑块16滑动时，滑块16上的销轴在限位槽19内运动，限位槽19的横向距离有限，进而限定滑动移动的距离。
57.本实施例的驱动组件包括直流减速电机8，直流减速电机8通过电机座固定于主梁6的下方；直流减速电机8的电机轴与蜗杆7相连，蜗杆7与涡轮啮合传动相连，涡轮通过键与转轴相连，滚轮1与转轴相连。
58.驱动组件还包括电源，直流减速电机8与电源电连接。
59.电源供电给直流减速电机8，随后直流减速电机8开始运动，电机轴连接蜗杆7，蜗杆7与涡轮进行啮合传动，涡轮用键连接转轴，带动转轴转动，并将其滚轮1用键连接的方式将运动和动力传递给滚轮1。
60.本发明的前滚轮1和后滚轮1在同一水平线上，给管道检测机器人在管线内部移动时的稳定性做保障，在连接杆10上连接弹簧9为其提供牵引力，满足具有自适应变径能力的设计要求，当地下排水管线的直径变小时，或者因为地下排水管线内部的杂质致使排水管线的直径产生变化时能够根据弹簧9所具有的压缩功能实现变径。当管径增加时弹簧9能够实现自行扩张的功能，因为张紧力的存在，当管道检测机器人初步进入地下排水管线内部时开始给弹簧9提供压力，弹簧9便开始压缩，于是受到管壁挤压的弹簧9伸缩机构就有了扩张的反力。
61.实施例4
62.本实施例对涡轮蜗杆7进行强度校核，其具体包括：
63.参考图5，在对蜗杆7蜗轮传动进行受力分析时，一般来说它们之间所产生的摩擦力大小不做考虑。分析对象选定为朝右旋转的蜗杆7，,其中fn是集中作用于节点p处的法向载荷，fn可分解为三个相互垂直的分力，即圆周力f
t
，径向力fr，轴向力fa。蜗杆7与蜗轮之间相互作用着f
t1
和f
t2
，f
r1
和f
r2
，f
a1
和f
a2
这三个大小相等，方向相反的力。其中轴向力的方向与蜗杆7的旋向有关。蜗轮蜗杆7受力分析为：
64.当不计摩擦的时候，各力的大小如下公式计算:
[0065][0066][0067]fr1
＝f
r2
＝f
t2 tana
[0068][0069]
其中，t1，t2是蜗杆7蜗轮上的公称转矩，d1，d2是蜗杆7蜗轮分度圆直径。
[0070]
蜗杆7蜗轮强度的校核主要是两个方面的校核，一个是齿面接触疲劳强度的校核，另一个是齿根弯曲疲劳强度的计算：
[0071]
齿面接触疲劳强度的校核
[0072][0073]
其中，z
ρ
是接触系数，z
ρ
＝2.2，ze为材料的弹性系数，。
[0074]
k是载荷系数，k＝kak
β
kv，ka是使用系数，k
β
是齿向载荷分布系数，当蜗杆7传动在平稳载荷时工作，载荷分布不均匀现象将由表面的良好磨合的到改善，取k
β
＝1，kv为动载系数，由于蜗杆7传动平稳，所以kv取值原则如下：蜗轮圆周速度小于3m/s时，kv取1.0-1.1，速度大于3m/s时，取1.1-1.2之间，kv＝1.0，ka＝1，所以k＝1，[δh]为许用应力。
[0075][0076]
弯曲疲劳强度的计算
[0077]
当蜗轮轮齿弯曲强度不能满足要求时，就会导致失效的状况发生，在开式传动中和蜗轮齿数较多时，为了判断蜗轮轮齿是否存在弯曲断裂的可能性需要对蜗轮轮齿的弯曲强度进行校核，失效的情况也会对承受重载荷的蜗杆7副产生很大的压力，蜗轮轮齿在工作时产生的弯曲变化程度的大小与蜗杆7副工作时的运动稳定性密切相关。由于蜗轮轮齿的齿型有多种复杂的形状，想要计算它的弯曲应力是较为困难的，这样就会导致常用的齿根弯曲疲劳强度的计算方法产生很大的局限性。
[0078][0079]
其中，b是蜗轮弧长，θ为蜗轮齿宽角，取100
°
，法向模数为mn，mn＝mcosγ。
[0080][0081]
其中，y
fa2
是蜗轮齿形系数，可有蜗杆7的当量齿数z
v2
＝z2/cos2
γ
以及蜗轮的变为系数x2，是螺旋角影响系数；
[0082][0083]
实施例5
[0084]
本发明的管道检测机器人的行走机构采用的是三腿支撑轮式，并且三条腿分别由一个直流减速电机8驱动。转向运动可以围绕转向中心的运动来描述，该中心自身还可以根据车辆的运动情况分为曲线或者原地保持不动。当转向中心做曲线运动时，说明管道检测机器人在转大弯，曲线的曲率的半径越大，说明弯道越缓，当转向中心原地保持不动时，说明管道机器人在过急弯，即90
°
的弯管。分别围绕各自的瞬时中心而做旋转运动和滑移运动。
[0085]
在管道检测机器人过弯时，弯管的曲率半径，机器人本体的最大直径和管道检测机器人的总体长度都会对过弯性能造成影响。管道检测机器人在工作时是不是能够完成过弯，必须重点考虑这些要求是否能实现。当上述条件都符合的情况下，管道检测机器人则能够顺利过弯，若不符合上述条件便不能顺利过弯，可能会发生卡在弯道中的情况，无法移动，所以管道检测机器人过弯的临界值必须计算。
[0086]
进入的管道直径为d＝220mm，管道检测机器人的长度a＝170mm，经设计管道机器人的直径为d1＝230mm，由几何关系得：
[0087][0088]
其中的x就是过弯临界值，解得x≈88mm。
[0089]
过弯道时管道检测机器人经常遇到障碍，管道机器人要想顺利完成任务，就必须具备过弯能力，所以机器人的设计就必须满足弯道的几何约束。弯管的主要参数也就是影响管道检测机器人过弯性能的参数有曲率半径r、弯曲角度λ和管道内径d，不论是相对细长或短粗的机器人都可能会会发生卡死现象。下面将讨论这三个参数对机器人几何尺寸的影响。机器人在管道中卡死的情况如图6和7所示，处于弯管正中央的位置，其中l为机器人主体长度，d为机器人主体径向最大尺寸。在弯管几何参数满足的情况下，机器人通过弯管时需考虑两种情况：(1)机器人的两个端面在弯管直管部分，(2)机器人的两个端面在弯管的弯曲部分；
[0090]
由此应该满足如下公式：
[0091][0092]
当管道检测机器人的两端与弯管直边部分接触时，应满足以下条件：
[0093][0094][0095]
d＝110+110
×
sin30
°
＝170mm
[0096]
曲率半径为88，管道直径为220mm，管线弯曲角度为60
°
，管道检测机器人的直径为170mm，解得l
max
≈139.6mm。
[0097]
管道检测机器人的两端与弯管弯曲部分接触时，应满足以下条件：
[0098]
0《d《d
[0099][0100]
由于管道机器人两个端面在弯管弯曲部分，如图8和图9所示，管道机器人与弯管卡死的地方在上面行走轮与下机体部分。d＝110+20＝130mm，解得l
max
≈166mm。当弯管几何尺寸满足的时候，两端面不会同时在直管部分的两端，这时候应考虑的情况为管道检测机器人两端在弯管内部时，即此时只满足上述的条件即可，综上所述l＝130mm。
[0101]
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。