水库涵管检测机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种水库涵管检测机器人。尚未出现针对水库涵管检测工作的专用管道机器人。本发明包括驱动轮组、转向系统、连接机构、从动轮组和控制系统；驱动轮组与从动轮组通过连接机构连接，转向系统控制驱动轮组的转向；驱动轮组包括轮腿机构和分动系统；三个轮腿机构沿圆周均布设置在第一主安装板的侧壁上；分动系统设置在第一主安装板的中心处，驱动三个轮腿机构；转向系统包括绳索、转向绳索辊、转向电机、转向复位弹簧、初位止动销、拉臂和终位止动销。本发明适合水库涵管工作环境，能在管道内原地绕管道中心轴自转，以避开障碍；采用前后两排轮组和伸缩式变径机构，每个轮腿伸缩量相互独立，适应管道直径变化能力强。
【专利说明】水库涵管检测机器人
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械领域，涉及一种管道机器人，具体涉及一种水库涵管检测机器人。
【背景技术】
[0002] 管道作为一种方便有效的物料输送工具，在日常生活中应用非常广泛。管道在长 期使用过程中，难免出现裂纹、泄漏等现象，特别是水库涵管，一旦发生问题造成水库坝体 事故后果非常严重。水库涵管管径比较小，无支岔道，涵管内壁会有苔藓等物，底部有积水、 淤泥，且伴有碎石、凹坑等障碍，人员无法直接进入，对水库涵管的检测是一件非常困难的 事情。只有采用管道机器人才能高效地检测，通过其携带的传感器、摄像头等设备来完成水 库涵管的检测工作。
[0003] 现有的管道机器人在管道内驱动方式多样，大致可分为介质压差式、蠕动式、脚 式、轮式、螺旋驱动式和履带式等几种，但还尚未有出现针对水库涵管检测工作的专用管道 机器人。
[0004] 介质压差式管道机器人，是通过管内流动介质的压力差驱动管道机器人向前运 动，水库涵管工作在无水压状态，其启闭阀门在坝体有水一侧，且涵管内壁不平滑，故介质 压差式管道机器人不适合水库涵管的工作环境。
[0005] 蠕动式管道机器人通过模拟蚯蚓等尺蠖类动物自身的伸缩运动实现在管道内移 动，但其缺点是在管道内移动速度慢，波动较大，且避障能力差，不合适水库涵管的工作环 境。
[0006] 脚式管道机器人是通过多足行走方式在管道内行走，但其缺点是具有较复杂的运 动学和动力学特征，在步态规划和关节间协调控制等方面难度非常高。机器人结构非常复 杂，需要大量的精密传感器，研究成本和制造成本都很高，且牵引能力有限，不适合长距离 拖缆作业，不合适水库涵管的工作环境。
[0007] 轮式管道机器人还可区分为支撑轮式和车型式两类，支撑轮管道机器人采用对称 分布的支撑轮紧贴管道内壁，机器人中心与管道中心大致重合，机器人运动稳定性好，一般 有变径机构，一定范围内适应不同管径；现有的变径机构一般采用平行四边形结构，虽然实 现简单，但缺点是前后轮子变化量相同，容易造成空轮运行，不利于在管道内平衡。车型式 管道机器人在管道底部行走，由于是依靠自重提供正压力，因此牵引能力有限，驱动轮与管 壁间易打滑，不适合水库涵管内爬行。
[0008] 螺旋驱动式管道机器人通常由静止部分和旋转部分组成，旋转部分各轮与管壁有 一夹角，依靠机器人旋转部分旋转，各滚轮将沿着管壁螺旋上升，从而带动静止部分沿管壁 轴线运动，由于旋转部分的各滚轮是沿着管壁螺旋上升，在该螺旋路径上遇到障碍无法避 开，因此壁障能力差，不适合水库涵管。
[0009] 履带式管道机器人依靠履带在管道内运动，虽履带附着力大，具有优越的越障能 力，但驱动机构复杂，机械结构尺寸较大，在管道内难以调整姿态，不适合水库涵管的工作 环境。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种水库涵管检测机器人，可实现变 径以适应不同管径，摄像头居管道中心轴线上，且摄像头的方位角保持不变，采用倾角传感 器确定管道机器人姿态角；摄像头发现有凹坑、碎石等障碍时通过原地绕管道中心轴线转 动以调整姿态角避开障碍继续前行。
[0011] 本发明包括驱动轮组、转向系统、连接机构、从动轮组、同步带和控制系统；所述的 驱动轮组与从动轮组通过连接机构连接。
[0012] 所述的驱动轮组包括第一主安装板、轮腿机构和分动系统；三个轮腿机构沿圆周 均布设置在第一主安装板的侧壁上，分动系统设置在第一主安装板的中心处。
[0013] 所述的轮腿机构包括转向筒支承件、浮动轮架伸缩弹簧、转向筒、浮动轮架、从动 轴、驱动轮、驱动轮轴、驱动轮从动锥齿轮和驱动轮主动锥齿轮；所述的转向筒通过转向筒 支承件支承在第一主安装板的侧壁上；浮动轮架与转向筒通过滑动副连接，且浮动轮架与 转向筒之间设有浮动轮架伸缩弹簧；所述从动轴和驱动轮轴均通过轴承支承在浮动轮架 上；驱动轮主动锥齿轮固定在从动轴外端；所述的驱动轮从动锥齿轮固定在驱动轮轴上， 并与驱动轮主动锥齿轮啮合；两个驱动轮对中固定在驱动轮轴两端。
[0014] 所述的分动系统包括分动驱动轴、分动主动锥齿轮、分动从动锥齿轮和驱动电机； 所述驱动电机的底座固定在第一主安装板上，分动主动锥齿轮固定在驱动电机的输出轴 上；三根分动驱动轴沿分动主动锥齿轮的转动中心均布，且均通过轴承支承在第一主安装 板上；三根分动驱动轴的一端均固接有分动从动锥齿轮，另一端分别与对应一个轮腿机构 的从动轴内端通过花键连接；三个分动从动锥齿轮均与分动主动锥齿轮啮合。
[0015] 所述的转向系统包括绳索、转向绳索辊、第一辅助安装板、转向电机、转向复位弹 簧、初位止动销、拉臂和终位止动销；所述的第一辅助安装板与驱动轮组的第一主安装板固 定；所述转向电机的底座固定在第一辅助安装板上，转向绳索棍固定在转向电机的输出轴 上；三根绳索的一端均绕在转向绳索辊上，另一端分别与一个拉臂固定；三个拉臂分别固 定在驱动轮组的一个轮腿机构的转向筒上；拉臂与第一主安装板通过转向复位弹簧连接； 所述的初位止动销和终位止动销均固定在第一主安装板上；正常行进状态下，拉臂在转向 复位弹簧的预紧力下压紧初位止动销，驱动轮的周向沿管道的轴线方向设置；遇到障碍状 态下，转向电机开启，绳索拉动拉臂压紧终位止动销，驱动轮的周向与管道的轴线垂直设 置。
[0016] 所述的从动轮组包括第二主安装板、第二辅助安装板和轮腿机构；所述的第二辅 助安装板固定在第二主安装板上；三个轮腿机构沿圆周均布，每个轮腿机构的转向筒通过 转向筒支承件支承在第二主安装板上；从动轮组的每个轮腿机构通过一根同步带与驱动轮 组对应的一个轮腿机构连接。
[0017] 所述的控制系统包括控制器、倾角传感器和摄像头；所述的倾角传感器设置在第 二主安装板顶部的水平侧壁上；所述的控制器分别与倾角传感器、摄像头、转向电机及驱动 电机连接。
[0018] 所述的连接机构包括螺母和连接杆；三根连接杆的一端均与第一主安装板通过螺 母连接，另一端均与第二主安装板通过螺母连接。
[0019] 所述的控制系统还包括摄像头支架和配重块；所述的摄像头支架通过轴承支承在 第二辅助安装板上；所述的摄像头和配重块均与摄像头支架固定；所述摄像头和摄像头支 架的旋转中心均与第二主安装板的旋转中心重合。
[0020] 本发明具有的有益效果是： 本发明适合水库涵管工作环境，能在管道内原地绕管道中心轴线自转，以避开凹坑、碎 石等障碍；采用前后两排轮组和伸缩式变径机构，结构紧凑，每个轮腿伸缩量相互独立，适 应管道直径变化能力强；拉绳式转向系统，实现前后两排轮组同步转向，结构简单灵活，易 于实现；电机数量少，重量轻，摄像头定向设计，避障姿态角计算简单，控制系统简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的整体结构立体图； 图2为本发明中驱动轮组的结构示意图； 图3为本发明中轮腿机构的结构示意图； 图4-1为本发明中分动系统的运动原理简图； 图4-2为本发明中驱动电机与第一主安装板的装配示意图； 图5-1为本发明中转向系统的机构运动简图； 图5-2为本发明中转向电机与第一辅助安装板的装配示意图； 图6-1为本发明中轮腿机构未转向状态的示意图； 图6-2为本发明中轮腿机构转向状态的示意图； 图7为本发明中从动轮组的结构立体图； 图8为本发明中驱动轮组与从动轮组的装配立体图； 图9为本发明中控制系统的装配位置示意图； 图10为本发明的工作原理流程图。
[0022] 图中：1、驱动轮组，2、转向系统，3、轮腿机构，4、分动系统，5、连接机构，6、从动轮 组，7、同步带，8、控制系统，1-1、第一主安装板，2-1、绳索，2-2、转向绳索辊，2-3、第一辅助 安装板，2-4、转向电机，2-5、转向复位弹簧，2-6、初位止动销，2-7、拉臂，2-8、终位止动销， 3- 1、转向筒支承件，3-2、浮动轮架伸缩弹簧，3-3、转向筒，3-4、浮动轮架，3-5、从动轴，3-6、 驱动轮，3-7、驱动轮轴，3-8、驱动轮从动锥齿轮，3-9、驱动轮主动锥齿轮，4-1、分动驱动轴， 4- 2、分动主动锥齿轮，4-3、分动从动锥齿轮，4-4、驱动电机，5-1、螺母，5-2、连接杆，6-1、第 二主安装板，6-2、第二辅助安装板，8-1、控制器，8-2、倾角传感器，8-3、摄像头，8-4、摄像头 支架，8-5、配重块。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0024] 如图1所示，水库涵管检测机器人，包括驱动轮组1、转向系统2、连接机构5、从动 轮组6、同步带7和控制系统8 ;驱动轮组1与从动轮组6通过连接机构5连接，转向系统2 控制驱动轮组1的转向。
[0025] 如图1和2所示，驱动轮组1包括第一主安装板1-1、轮腿机构3和分动系统4 ;三 个轮腿机构3沿圆周均布设置在第一主安装板1-1的侧壁上；分动系统4设置在第一主安 装板1-1的中心处，驱动三个轮腿机构3。
[0026] 如图2和3所示，轮腿机构3包括转向筒支承件3-1、浮动轮架伸缩弹簧3-2、转向 筒3-3、浮动轮架3-4、从动轴3-5、驱动轮3-6、驱动轮轴3-7、驱动轮从动锥齿轮3-8和驱 动轮主动锥齿轮3-9 ;转向筒3-3通过转向筒支承件3-1支承在第一主安装板1-1的侧壁 上，可相对第一主安装板1-1转动；浮动轮架3-4与转向筒3-3通过滑动副连接，且浮动轮 架3-4与转向筒3-3之间设有浮动轮架伸缩弹簧3-2 ;从动轴3-5和驱动轮轴3-7均通过 轴承支承在浮动轮架3-4上；驱动轮主动锥齿轮3-9固定在从动轴3-5外端；驱动轮从动锥 齿轮3-8固定在驱动轮轴3-7上，并与驱动轮主动锥齿轮3-9啮合；两个驱动轮3-6对中固 定在驱动轮轴3-7两端。
[0027] 如图3、4_1和4-2所示，分动系统4包括分动驱动轴4-1、分动主动锥齿轮4-2、分 动从动锥齿轮4-3和驱动电机4-4 ;驱动电机4-4的底座固定在第一主安装板1-1上，分动 主动锥齿轮4-2固定在驱动电机4-4的输出轴上；三根分动驱动轴4-1沿分动主动锥齿轮 4-2的转动中心均布，且均通过轴承支承在第一主安装板1-1上；三根分动驱动轴4-1的一 端均固接有分动从动锥齿轮4-3,另一端分别与对应一个轮腿机构的从动轴3-5内端通过 花键连接；三个分动从动锥齿轮4-3均与分动主动锥齿轮4-2啮合。
[0028] 如图5-1、5-2、6-1和6-2所示，转向系统2包括绳索2-1、转向绳索辊2-2、第一辅 助安装板2-3、转向电机2-4、转向复位弹簧2-5、初位止动销2-6、拉臂2-7和终位止动销 2-8 ;第一辅助安装板2-3与驱动轮组的第一主安装板1-1固定；转向电机2-4的底座固定 在第一辅助安装板2-3上，转向绳索辊2-2固定在转向电机2-4的输出轴上；三根绳索2-1 的一端均绕在转向绳索辊2-2上，另一端分别与一个拉臂2-7固定；三个拉臂2-7分别固定 在驱动轮组1的一个轮腿机构的转向筒3-3上；拉臂2-7与第一主安装板1-1通过转向复 位弹簧2-5连接；初位止动销2-6和终位止动销2-8均固定在第一主安装板1-1上，对拉臂 2-7止动，从而起到对转向筒3-3的限位作用；正常行进状态下，拉臂2-7在转向复位弹簧 2-5的预紧力下压紧初位止动销2-6,驱动轮3-6的周向沿管道的轴线方向设置；遇到障碍 状态下，转向电机2-4开启，绳索2-1拉动拉臂2-7压紧终位止动销2-8,驱动轮3-6的周向 与管道的轴线垂直设置。
[0029] 如图1和7所示，从动轮组6包括第二主安装板6-1、第二辅助安装板6-2和轮腿 机构3 ;第二辅助安装板6-2固定在第二主安装板6-1上；三个轮腿机构3沿圆周均布，每 个轮腿机构的转向筒3-3通过转向筒支承件3-1支承在第二主安装板6-1上，可相对第二 主安装板6-1转动；从动轮组的每个轮腿机构3通过一根同步带7与驱动轮组1对应的一 个轮腿机构3连接。
[0030] 如图8所示，连接机构5包括螺母5-1和连接杆5-2 ;三根连接杆5-2的一端均与 第一主安装板1-1通过螺母5-1连接，另一端均与第二主安装板6-1通过螺母5-1连接。
[0031] 如图9所不，控制系统8包括控制器8-1、倾角传感器8-2、摄像头8-3、摄像头支 架8-4和配重块8-5 ;控制器8-1和倾角传感器8-2均固定在第二主安装板6-1上，且倾角 传感器8-2设置在第二主安装板6-1顶部的水平侧壁上；摄像头支架8-4通过轴承支承在 第二辅助安装板6-2上；摄像头8-3和配重块8-5均与摄像头支架8-4固定，且摄像头8-3 和摄像头支架8-4的旋转中心均与第二主安装板6-1的旋转中心重合；控制器8-1分别与 倾角传感器8-2、摄像头8-3、转向电机2-4及驱动电机4-4连接。
[0032] 该水库涵管检测机器人的工作原理： 如图10所示，控制器8-1分析由摄像头8-3采集来的图像判断前方没有障碍时，控制 驱动电机4-4开启，此时转向系统2不工作；驱动电机4-4的动力经分动主动锥齿轮4-2传 给三个分动从动锥齿轮4-3和三根分动驱动轴4-1 ;每根分动驱动轴4-1传输动力给驱动 轮组1的一个轮腿机构的从动轴3-5 ;从动轴3-5带动驱动轮主动锥齿轮3-9转动，驱动轮 主动锥齿轮3-9与驱动轮从动锥齿轮3-8啮合，从动锥齿轮3-8带动驱动轮轴3-7,从而带 动两个驱动轮3-6 ;驱动轮组1的三个轮腿机构驱动该水库涵管检测机器人在水库涵管内 直行，从动轮组6的三个轮腿机构3用于支承该水库涵管检测机器人的前部，并在驱动轮组 1驱下前进。当水库涵管直径发生变化时，轮腿机构3的浮动轮架3-4在浮动轮架伸缩弹簧 3- 2的作用下沿转向筒3-3伸缩运动，使得驱动轮3-6始终紧贴水库涵管内壁。
[0033] 控制器8-1分析由摄像头8-3采集来的图像判断前方遇到障碍时，停转驱动电机 4- 4,开启转向电机2-4,并计算出该水库涵管检测机器人避免碰到障碍物时应绕涵管中心 轴旋转的角度，即姿态角5 ;转向电机2-4驱动转向绳索辊2-2绕入绳索2-1，绳索2-1拉 动拉臂2-7使转向筒3-3转动，直到拉臂2-7与终位止动销2-8接触，即驱动轮组1的轮腿 机构的转向筒3-3转过90°，同时同步带7驱动从动轮组6的轮腿机构的转向筒3-3转过 90°，此时控制器8-1启动驱动电机4-4,该水库涵管检测机器人绕水库涵管的中心轴作旋 转运动；倾角传感器8-2可检测自身相对水平面的倾角，从而测得该水库涵管检测机器的 姿态角6 ;当姿态角S能保证该水库涵管检测机器避免碰到障碍物时，驱动电机4-4和转向 电机2-4均停转，转向复位弹簧2-5在回复力作用下驱动拉臂2-7使驱动轮组的转向筒3-3 复位，直到拉臂2-7与初位止动销2-6接触，绳索2-1退绕出转向绳索辊2-2,同时同步带7 驱动从动轮组的转向筒3-3复位，此时驱动电机4-4启动，该水库涵管检测机器人在水库涵 管内沿轴向继续直行。
[0034] 摄像头8-3的定向原理：由于配重块8-5的重力作用，摄像头8-3始终保持通一个 方位角，不会随姿态角5的改变而改变。
【权利要求】
1. 水库涵管检测机器人，包括驱动轮组、转向系统、连接机构、从动轮组、同步带和控 制系统，其特征在于：所述的驱动轮组与从动轮组通过连接机构连接； 所述的驱动轮组包括第一主安装板、轮腿机构和分动系统；三个轮腿机构沿圆周均布 设置在第一主安装板的侧壁上，分动系统设置在第一主安装板的中心处； 所述的轮腿机构包括转向筒支承件、浮动轮架伸缩弹簧、转向筒、浮动轮架、从动轴、驱 动轮、驱动轮轴、驱动轮从动锥齿轮和驱动轮主动锥齿轮；所述的转向筒通过转向筒支承件 支承在第一主安装板的侧壁上；浮动轮架与转向筒通过滑动副连接，且浮动轮架与转向筒 之间设有浮动轮架伸缩弹簧；所述从动轴和驱动轮轴均通过轴承支承在浮动轮架上；驱动 轮主动锥齿轮固定在从动轴外端；所述的驱动轮从动锥齿轮固定在驱动轮轴上，并与驱动 轮主动锥齿轮啮合；两个驱动轮对中固定在驱动轮轴两端； 所述的分动系统包括分动驱动轴、分动主动锥齿轮、分动从动锥齿轮和驱动电机；所述 驱动电机的底座固定在第一主安装板上，分动主动锥齿轮固定在驱动电机的输出轴上；三 根分动驱动轴沿分动主动锥齿轮的转动中心均布，且均通过轴承支承在第一主安装板上； 三根分动驱动轴的一端均固接有分动从动锥齿轮，另一端分别与对应一个轮腿机构的从动 轴内端通过花键连接；三个分动从动锥齿轮均与分动主动锥齿轮啮合； 所述的转向系统包括绳索、转向绳索辊、第一辅助安装板、转向电机、转向复位弹簧、初 位止动销、拉臂和终位止动销；所述的第一辅助安装板与驱动轮组的第一主安装板固定； 所述转向电机的底座固定在第一辅助安装板上，转向绳索辊固定在转向电机的输出轴上； 三根绳索的一端均绕在转向绳索辊上，另一端分别与一个拉臂固定；三个拉臂分别固定在 驱动轮组的一个轮腿机构的转向筒上；拉臂与第一主安装板通过转向复位弹簧连接；所述 的初位止动销和终位止动销均固定在第一主安装板上；正常行进状态下，拉臂在转向复位 弹簧的预紧力下压紧初位止动销，驱动轮的周向沿管道的轴线方向设置；遇到障碍状态下， 转向电机开启，绳索拉动拉臂压紧终位止动销，驱动轮的周向与管道的轴线垂直设置； 所述的从动轮组包括第二主安装板、第二辅助安装板和轮腿机构；所述的第二辅助安 装板固定在第二主安装板上；三个轮腿机构沿圆周均布，每个轮腿机构的转向筒通过转向 筒支承件支承在第二主安装板上；从动轮组的每个轮腿机构通过一根同步带与驱动轮组对 应的一个轮腿机构连接； 所述的控制系统包括控制器、倾角传感器和摄像头；所述的倾角传感器设置在第二主 安装板顶部的水平侧壁上；所述的控制器分别与倾角传感器、摄像头、转向电机及驱动电机 连接。
2. 根据权利要求1所述的水库涵管检测机器人，其特征在于：所述的连接机构包括螺 母和连接杆；三根连接杆的一端均与第一主安装板通过螺母连接，另一端均与第二主安装 板通过螺母连接。
3. 根据权利要求1所述的水库涵管检测机器人，其特征在于：所述的控制系统还包括 摄像头支架和配重块；所述的摄像头支架通过轴承支承在第二辅助安装板上；所述的摄像 头和配重块均与摄像头支架固定；所述摄像头和摄像头支架的旋转中心均与第二主安装板 的旋转中心重合。
【文档编号】F16L55/32GK104500914SQ201410757574
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】夏旭东, 陈建能, 徐高欢, 肖达度 申请人:浙江理工大学