管道机器人的制作方法

专利名称：管道机器人的制作方法
管道机器人
技术领域：
本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种管道机器人。背景技术：
管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛的应用。为了提高管道寿命、防止 泄露等事故的发生，必须对管道进行有效的检测维护。在人工检测方式存在诸多缺点的情 况下，管道检测机器人作为一种有效的管道检测设备，得到了越来越多的应用。目前已有的管道检测机器人主要采用轮式或者履带式移动载体。由于轮式驱动具 有结构简单，运行平稳等优点，管道检测机器人移动载体多采用轮式驱动方式。传统的采用轮式结构的管道检测机器人轮的布置分为平面和空间两种。轮子平 面布置的管道检测机器人所有轮子与地面接触点在同一平面上，主要用于通风管道、天 然气管道等。空间多轮结构的管道检测机器人通常是三组支承轮沿圆周方向，相互间隔 一百二十度分布。早期研究的管道检测机器人主要用于石油管道、天然气管道的探测，多采 用空间多轮结构。轮子平面布置的轮式机器人结构简单、动作灵活，但由于其轮缘和管道壁 面是线接触，所以刚性、稳定性较差。而空间多轮结构的轮式机器人轮子的轮平面与壁面垂 直接触，为面接触，所以稳定性好，但这种机器人结构较复杂，可控性差且对弯管和支岔管 的通过性不佳。

发明内容为了解决传统的轮子平面布置的轮式机器人与管道壁是线接触，因而稳定性较差 的技术问题，有必要提供一种可适应不同管径的管道，即确保在不同管径管道工作时可以 保证轮平面与管道壁面垂直接触的管道机器人。一种管道机器人，包括管道机器人本体，所述管道机器人本体包括移动载体和所 述移动载体上的作业机构，所述移动载体包括车身、轮、连接所述车身和轮的柔性轮轴，以 及与所述车身和柔性轮轴连接、用于调节所述轮与车身之间的夹角的摆杆滑块机构。优选的，所述摆杆滑块机构包括位于所述车身中部并与所述车身垂直连接的丝 杆，置于所述丝杆上的轮调节螺母，固定于所述轮调节螺母上的螺母扣件，与所述柔性轮轴 连接的轮固定板，以及铰接所述轮固定板和螺母扣件的连杆。优选的，所述柔性轮轴为软轴，所述软轴包括内芯和外管，所述轮固定板与外管固 定连接，所述内芯用于将扭矩传递给轮。优选的，所述车身包括箱体和与车身密封连接的上盖板，所述车身还包括箱体内 与柔性轮轴配合的轴承，以及紧贴箱体内壁且与轴承接触、并箍住柔性轮轴的轮轴密封盖 板。优选的，所述箱体和上盖板之间采用硅胶密封条进行静密封；所述车身还包括设 于轮轴密封盖板和柔性轮轴之间的轴用防水组合斯特封，以及设于所述轮轴密封盖板内且 与所述箱体接触的0型密封圈；所述轮轴密封盖板与柔性轮轴为密封连接。
优选的，所述移动载体采用后轮驱动。优选的，所述作业机构包括所述移动载体上的机座，云台，连接所述云台与机座的 杆机构，所述云台上的照明灯以及和云台连接的摄像头。优选的，所述摄像头通过叉状件与所述云台连接，所述叉状件通过垂直于云台的 叉状件转轴与云台连接，该转轴可带动叉状件三百六十度转动；叉状件的两个平行的叉头 之间连接有垂直于所述叉状件转轴的摄像头轴，所述摄像头可绕摄像头轴一百八十度转 动。优选的，所述管道机器人本体还包括控制系统，所述控制系统包括控制器下位机， 传感模块，摄像头控制模块，电机控制模块以及数据采集模块；所述控制器下位机接收对所 述管道机器人本体的控制信号，并分别传送给所述摄像头控制模块、电机控制模块以及数 据采集模块，还用于接收传感模块产生的传感信息，传送给数据采集模块；所述传感模块包 括倾角传感器和距离传感器，所述倾角传感器用于测量所述移动载体的姿态，以防止所述 移动载体在管道内倾覆；所述距离传感器用于检测管道机器人本体前进方向的障碍物，防 止在行进中与障碍物产生碰撞；所述传感模块将倾角传感器和距离传感器产生的所述传感 信息传送给所述控制器下位机；所述摄像头控制模块接收所述控制信号，用于控制所述摄 像头的转动，包括通过所述叉状件转轴控制叉状件绕叉状件转轴转动，以及通过所述摄像 头轴控制摄像头绕摄像头轴转动；还用于调整摄像头的焦距；所述电机控制模块接收所述 控制信号，用于控制设于车身内的电机，所述电机包括驱动所述轮运动的电机和调节所述 杆机构的电机。优选的，所述控制系统还包括数据采集模块接收所述控制信号和所述传感信息并 进行存储。优选的，所述管道机器人还包括远程控制箱，所述远程控制箱包括控制器上位机， 与所述控制器上位机连接的输入设备，以及显示设备；所述控制器上位机接收通过所述输 入设备输入的所述控制信号，并进行分析处理后传输给所述控制器下位机，所述控制器上 位机还用于接收控制器下位机传输的传感信息；所述输入设备用于输入控制信号，包括控 制摄像头转动和调整焦距的信号，控制电机的信号；所述显示设备与所述管道机器人本体 连接，接收所述摄像头拍摄的图像信号并进行显示。优选的，所述远程控制箱还包括数字视频录像机，用于将所述图像信号录制在存 储设备中。优选的，所述远程控制箱和管道机器人本体之间采用电缆进行连接，所述电缆包 括电源线、通讯线以及视频线；所述电源线用于给管道机器人本体提供工作电源，所述通讯 线用于传输所述控制信号和传感信息，所述视频线用于传输所述图像信号。上述管道机器人轮与车身之间的夹角可调，使机器人在不同管径工作时，轮子的 外缘与壁面仍然垂直接触，增加了轮外缘与管道壁面的接触面积，使机器人在管道中运行 更加平稳，且这种结构能够提供较大的驱动力。驱动轮与车身之间采用柔性轴连接，既使轮 与管道机器人本体之间的夹角可调，又能保证足够的驱动力。

图1为一个实施例中管道机器人本体的移动载体示意5
图2是图1所示实施例中车身与柔性轮轴接触处的局部放大剖面图；图3是一个实施例中管道机器人本体的示意图；图4是管道机器人的结构示意图；图5为一个实施例中控制系统的结构示意图；图6是一个实施例中远程控制箱的结构示意图；图7是另一个实施例中远程控制箱的结构示意图。
具体实施方式管道检测机器人一般包括两个部分，即地面上的远程监控系统和管道中的机器人 本体，二者之间的通讯方式有无线和有线两种。采用无线通讯时，由于没有电缆，检测效率 较高，但是图像传输效果较差，受干扰影响较大，且移动载体需自带电池，航行距离受到一 定的限制。另外，一旦机器人本体的移动载体出现故障，则需要人工进入管道回收管道检测 机器人，回收较困难。采用有线方式时，通信信号质量好，且可通过电缆供电，增加了航行距 离；但由于电缆增加了阻力和重力，要求移动载体的牵引力较大。本发明的管道机器人由于 可以保证轮平面与管道壁面垂直接触，抓地力较大，因此牵引力也较大，故在优选的实施例 中可以采用有线方式。图1为一个实施例中管道机器人本体的移动载体示意图。移动载体20包括车身 210，轮220，连接车身210和轮220的柔性轮轴230，以及与车身210和柔性轮轴230连接、 用于调节轮220与车身210之间的夹角的摆杆滑块机构240 ；摆杆滑块机构240包括位于车 身210中部并与车身210垂直连接的丝杆241，置于丝杆241上的轮调节螺母242，固定于 轮调节螺母242上的螺母扣件243，与柔性轮轴230连接的轮固定板244，以及铰接轮固定 板244和螺母扣件243的连杆245。其中螺母扣件243是位于轮调节螺母242和车身210 之间的，连杆245和螺母扣件243之间是铰接。管道机器人工作之前，可以根据管径大小调节好移动载体20的四个轮220与车身 210之间的夹角，使轮平面垂直于管壁，保证轮220与管壁之间的接触面积最大。具体是通 过摆杆滑块机构240进行调节的。通过调节轮调节螺母242在丝杆241的上位置，带动螺 母扣件243沿丝杆241上下运动，进而带动通过连杆245和螺母扣件243铰接的轮固定板 244运动，从而改变柔性轮轴230的形状(弯曲程度)，和柔性轮轴230垂直连接的轮220 与车身210之间的夹角也随之改变。具体是轮调节螺母242向上时，轮220与车身210间 的夹角变小，轮调节螺母242越往上，管道机器人适用的管径越大；轮调节螺母242向下时， 轮220与车身间的夹角变大，轮调节螺母242越往下，管道机器人适用的管径越小。在本实施例中，移动载体20采用差速转向，后轮驱动，通过车身210内的电机驱动 柔性轮轴230，进而将扭矩传递给轮220中的两个后轮，驱动其转动。在优选的实施例中，柔性轮轴230采用软轴，电机轴与与软轴的金属内芯固定连 接，电机通过软轴的金属内芯传递扭矩，轮固定板244则与软轴的外管固定连接。由于所有 软轴的两端均分别被固定在两块轮固定板244上(移动载体20的左右各设有一块轮固定 板244)，因此轮调节螺母242在丝杆241上下运动时，所有的轮220的角度会一起被调节。管道机器人本体200采用防水设计。车身210包括箱体212和与车身210密封连 接的上盖板214。箱体212采用整体成型加工，箱体212和上盖板214之间采用硅胶密封条进行静密封。图2是图1所示实施例中车身与柔性轮轴接触处的局部放大剖面图，包括 箱体212，柔性轮轴230，箱体212内与柔性轮轴230配合的轴承232，紧贴箱体212的内壁 212a且与轴承232接触、并箍住柔性轮轴230的轮轴密封盖板234，轮轴密封盖板234和柔 性轮轴230之间的轴用防水组合斯特封236，以及轮轴密封盖板234内且与箱体212接触的 0型密封圈238。轮轴密封盖板234与柔性轮轴230为密封连接。通过轮轴密封盖板234、 轴用防水组合斯特封236以及0型密封圈238配合实现了箱体212与柔性轮轴230连接处 的密封。采用上述密封结构的防水设计，使得管道机器人能够在充斥有液体环境的管道 (例如排水管道、输油管道等)内工作，而不会因浸水而使内部的电路失效。图3是一个实施例中管道机器人本体的示意图。管道机器人本体200包括移动载 体20和移动载体20上的作业机构。作业机构是管道机器人作业时使用的工具及将这些工 具进行连接的结构，包括机座30、云台40、连接云台40与机座30的杆机构50、云台40上的 照明灯60以及和云台40连接的摄像头70。杆机构50为可以摆动的结构，通过将杆机构50摆到不同的位置，可以实现对云台 40位置的调节。杆机构50可以是由电机驱动的。摄像头70通过一个叉状件72与云台40连接，该叉状件72通过一根垂直于云台 40的叉状件转轴与云台40连接，该转轴可带动叉状件72三百六十度转动。叉状件72的两 个平行的叉头之间连接有摄像头轴，摄像头70可绕摄像头轴一百八十度转动。摄像头70 为可变焦摄像头。云台40上固定有照明灯60，为摄像头70提供照明。照明灯60的亮度可调，为 LED (发光二极管)光源。叉状件72与云台40间的静密封采用压0型圈的密封方式。摄像头70与叉状件 72之间通过摄像头轴旋转连接，该处的活动密封采用挤压橡胶圈的密封方式。摄像头和云 台采用上述密封方式，可以保证能在充斥有液体的环境下工作。如图4所示，本发明的管道机器人包括管道机器人本体200、远程控制箱100以及 连接他们的电缆。远程控制箱100放置在管道外面，工作人员通过远程控制箱100远程监 视并发出控制信号控制管道内的管道机器人本体200工作，管道机器人本体200的控制系 统接收控制信号，并分别传送给各个具体模块。管道机器人工作时，由工作人员把管道机器 人本体200放进管道内部，然后接上电缆。电缆包括电源线、视频线和通讯线，可以用卷线 盘实现收放。车身210内安装有控制电路板、电机、倾角传感器、距离传感器、编码器等用于机 器人控制的零部件。图5是一个实施例中管道机器人本体的控制系统的结构示意图。控制系统80包 括控制器下位机281，以及与控制器下位机281连接的传感模块282、摄像头控制模块283、 照明灯控制模块284、电机控制模块285以及数据采集模块286。控制器下位机281接收远程控制箱100通过通讯线传输的对管道机器人本体200 的控制信号，并分别传送给摄像头控制模块283、照明灯控制模块284、电机控制模块285以 及数据采集模块286 ；还将传感模块282产生的传感信息传送给远程控制箱100和数据采 集模块286。
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传感模块282包括倾角传感器和距离传感器。倾角传感器用于测量移动载体20 的姿态，以防止移动载体20在管道内倾覆。距离传感器用于检测管道机器人本体200前进 方向的障碍物，防止在行进中与障碍物产生碰撞。传感模块282将传感器产生的传感信息 传送给控制器下位机281。摄像头控制模块283接收控制信号，控制摄像头70的转动，包括通过叉状件转轴 控制叉状件72绕叉状件转轴三百六十度转动，以及通过垂直于叉状件转轴的摄像头轴控 制摄像头70绕摄像头轴一百八十度转动；还用于调整摄像头70的焦距。照明灯控制模块284接收控制信号，用于调节照明灯60的亮度。在其他实施例中， 管道机器人本体280的控制系统80也可以没有照明灯控制模块284，而通过照明灯60上的 按钮手动进行调节，但这样就无法进行远程调节了。电机控制模块285接收控制信号，用于控制车身210内的电机，包括驱动轮220运 动的电机和调节杆机构50的电机等，以对移动载体20的前进、后退、转弯、行进速度等进行 控制，以及调节云台40的位置。数据采集模块286接收控制信号和传感信息并进行存储。图6是一个实施例中远程控制箱的结构示意图。远程控制箱100包括控制器上位 机110，与控制器上位机110连接的输入设备120，以及显示设备130。控制器上位机110接收通过输入设备120输入的控制信号，并进行分析处理后通 过通讯线传输给控制器下位机281。控制器上位机110还用于接收控制器下位机281通过 通讯线传输的传感信息。输入设备120用于输入控制信号，包括控制摄像头70转动和调整焦距的信号，控 制照明灯60亮度的信号，控制电机的信号等。输入设备120可以是操作杆、键盘、触摸屏等。显示设备130通过视频线与管道机器人本体200连接，接收摄像头70拍摄的视频 图像信号并进行显示。图7是另一个实施例中远程控制箱的结构示意图，其与图6的实施例的主要区别 在于增加了与显示设备130连接的数字视频录像机(Digital VideORecOrder，DVR)140，用 于将视频图像信号录制在存储设备(硬盘或光盘)里。工作时，将管道机器人本体200放进需要检测的管道口，连接好电缆，打开电源， 使远程控制箱100和管道机器人本体200保持通讯状态。显示设备130实时显示管道检测 机器人本体200通过摄像头70拍摄的管道中的图像。工作人员根据显示的图像，通过输入 设备120远程操作管道中的管道机器人本体200前进、后退、转弯等。管道机器人本体200 在管道中的速度也可以通过输入设备120调节。同时，摄像头70拍摄的图像通过数字视频 录像机140被保存在存储设备中。当发现管道中有可疑的故障或者缺陷时，可以通过输入设备120控制摄像头70的 位置，以及调节摄像头的焦距对目标点进行仔细的观察。如果遇到管道的圆周焊缝，还可以 控制摄像头70对管壁进行一周的扫描，对可疑处进行更清晰的排查。本发明的管道机器人轮子与车身之间的夹角可调，使机器人在不同管径工作时， 轮子的外缘与壁面仍然垂直接触，增加了轮外缘与管道壁面的接触面积，使机器人在管道 中运行更加平稳，且这种结构能够提供较大的驱动力。驱动轮与车身之间采用柔性轴连接， 既使轮与管道机器人本体之间的夹角可调，又能保证足够的驱动力。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
一种管道机器人，包括管道机器人本体，所述管道机器人本体包括移动载体和所述移动载体上的作业机构，其特征在于，所述移动载体包括车身、轮、连接所述车身和轮的柔性轮轴，以及与所述车身和柔性轮轴连接、用于调节所述轮与车身之间的夹角的摆杆滑块机构。
2.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述摆杆滑块机构包括位于所述 车身中部并与所述车身垂直连接的丝杆，置于所述丝杆上的轮调节螺母，固定于所述轮调 节螺母上的螺母扣件，与所述柔性轮轴连接的轮固定板，以及铰接所述轮固定板和螺母扣 件的连杆。
3.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于，所述柔性轮轴为软轴，所述软轴包 括内芯和外管，所述轮固定板与外管固定连接，所述内芯用于将扭矩传递给轮。
4.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于，所述车身包括箱体和与车身密封 连接的上盖板，所述车身还包括箱体内与柔性轮轴配合的轴承，以及紧贴箱体内壁且与轴 承接触、并箍住柔性轮轴的轮轴密封盖板。
5.根据权利要求4所述的管道机器人，其特征在于，所述箱体和上盖板之间采用硅胶 密封条进行静密封；所述车身还包括设于轮轴密封盖板和柔性轮轴之间的轴用防水组合斯 特封，以及设于所述轮轴密封盖板内且与所述箱体接触的0型密封圈；所述轮轴密封盖板 与柔性轮轴为密封连接。
6.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述移动载体采用后轮驱动。
7.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述作业机构包括所述移动载体 上的机座，云台，连接所述云台与机座的杆机构，所述云台上的照明灯以及和云台连接的摄 像头。
8.根据权利要求7所述的管道机器人，其特征在于，所述摄像头通过叉状件与所述 云台连接，所述叉状件通过垂直于云台的叉状件转轴与云台连接，该转轴可带动叉状件 三百六十度转动；叉状件的两个平行的叉头之间连接有垂直于所述叉状件转轴的摄像头 轴，所述摄像头可绕摄像头轴一百八十度转动。
9.根据权利要求8所述的管道机器人，其特征在于，所述管道机器人本体还包括控制 系统，所述控制系统包括控制器下位机，传感模块，摄像头控制模块，电机控制模块以及数 据采集模块；所述控制器下位机接收对所述管道机器人本体的控制信号，并分别传送给所述摄像头 控制模块、电机控制模块以及数据采集模块，还用于接收传感模块产生的传感信息，传送给 数据采集模块；所述传感模块包括倾角传感器和距离传感器，所述倾角传感器用于测量所述移动载体 的姿态，以防止所述移动载体在管道内倾覆；所述距离传感器用于检测管道机器人本体前 进方向的障碍物，防止在行进中与障碍物产生碰撞；所述传感模块将倾角传感器和距离传 感器产生的所述传感信息传送给所述控制器下位机；所述摄像头控制模块接收所述控制信号，用于控制所述摄像头的转动，包括通过所述 叉状件转轴控制叉状件绕叉状件转轴转动，以及通过所述摄像头轴控制摄像头绕摄像头轴 转动；还用于调整摄像头的焦距；所述电机控制模块接收所述控制信号，用于控制设于车身内的电机，所述电机包括驱动所述轮运动的电机和调节所述杆机构的电机。
10.根据权利要求9所述的管道机器人，其特征在于，所述控制系统还包括数据采集模 块接收所述控制信号和所述传感信息并进行存储。
11.根据权利要求9所述的管道机器人，其特征在于，所述管道机器人还包括远程控制 箱，所述远程控制箱包括控制器上位机，与所述控制器上位机连接的输入设备，以及显示设 备；所述控制器上位机接收通过所述输入设备输入的所述控制信号，并进行分析处理后传 输给所述控制器下位机，所述控制器上位机还用于接收控制器下位机传输的传感信息；所述输入设备用于输入控制信号，包括控制摄像头转动和调整焦距的信号，控制电机 的信号；所述显示设备与所述管道机器人本体连接，接收所述摄像头拍摄的图像信号并进行显
12.根据权利要求11所述的管道机器人，其特征在于，所述远程控制箱还包括数字视 频录像机，用于将所述图像信号录制在存储设备中。
13.根据权利要求11所述的管道机器人，其特征在于，所述远程控制箱和管道机器人 本体之间采用电缆进行连接，所述电缆包括电源线、通讯线以及视频线；所述电源线用于给 管道机器人本体提供工作电源，所述通讯线用于传输所述控制信号和传感信息，所述视频 线用于传输所述图像信号。
全文摘要
本发明涉及一种管道机器人，包括管道机器人本体，管道机器人本体包括移动载体，移动载体包括车身，轮，连接所述车身和轮的柔性轮轴，以及与车身和柔性轮轴连接、用于调节轮与车身之间的夹角的摆杆滑块机构；管道机器人本体还包括移动载体上的机座，云台，连接云台与机座的杆机构，云台上的照明灯以及和云台连接的摄像头。上述管道机器人轮与车身之间的夹角可调，使机器人在不同管径工作时，轮子的外缘与壁面仍然垂直接触，增加了轮外缘与管道壁面的接触面积，使机器人在管道中运行更加平稳，且这种结构能够提供较大的驱动力。驱动轮与车身之间采用柔性轴连接，既使轮与管道机器人本体之间的夹角可调，又能保证足够的驱动力。
文档编号F16L101/30GK101915339SQ201010240870
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者宋章军, 张建伟, 胡颖, 蔡阳春, 郑之增 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院