一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型专利提供了一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，属于管道机器人领域。其特征是包括:机架，履带轮式行走机构，管径自适应调整机构，管道清洁机构，摄像头升降机和红外检测装置。4个履带轮分布在机架的4个角，带动整机行走，可伸缩的电动推杆控制履带轮与机架之间的角度可变，使得履带轮紧贴管壁。摄像头升降架一端设置在机架上，另一端安装摄像头单元和辅助光源。红外检测装置，安装在适当的高度，发出不同的控制信号，控制机器人行走、越障和转向。本实用新型专利的管道清洁机器人具有可自适应管径变化，越障能力强，负载能力强，弯道通过性好，管道与履带轮的磨损较小，可自动调整并保持平稳正立行走和清洁无死角的优点。
【专利说明】
一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种工业领域使用管道内机器人，尤其是涉及一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人。
【背景技术】
[0002]管道如电站管道，输油管道，天然气、煤气等输气管道，输、排水管道，楼宇中央空调管道等，经过长期应用，管道内壁不再像新铺设的管道一样光滑和形状规则，会出现不同程度的结垢和杂质的粘附，从而造成管道内壁的凹凸不平。如输水管道内壁会产生水垢、锈斑等形式多样的沉淀物，输油管道出现内径堵塞，这样大大增加流体输送过程中的阻力，使得管道的输送能力大为降低，而且还会对管道材料造成腐蚀和伤害，严重时会使管道破裂，造成运输流体的外泄，甚至爆裂的危险情况。因此从经济角度和安全角度考虑，需要研发管道机器人解决以上状况。
[0003]管道机器人作为一种高智能、高自动化的管内爬行设备因需要逐步发展起来，这种新型的设备在管道作业中起着运载各种作业工具的作用。管道机器人是一种可沿管道内行走的机械装置，能进入人所不及、复杂多变的非结构管道环境中，通过携带一种或多种传感器及操作装置如超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等，在远程控制下完成管道检测、清理和焊接等作业，以保障管道安全和畅通无阻地工作。目前工业领域使用的管道内机器人多种多样，按功能不同大致可分为:管道清洁机器人、管道检测机器人和管道补口机器人。
[0004]大部分管道机器人还只能在特定管径的管道运行，而实际工况是管道机器人需要爬行的管径不是单一不变的。比如，第一次需要清洗的管道为400mm，第二次清洗的管道为500mm或者600mm。由于长期使用的管道会出现凹凸，因此需在不同的管径的管道中收缩和张开行走机构，使得管道机器人能够在不同的管径中行走，遇到障碍时能够顺利通过。为使管内机器人欲在管内平稳、可靠的启停、行走，行走机构需要以适当的正压力压紧在管壁上，为管道机器人的爬行提供足够的摩擦力；当管径变化时，行走机构与管壁之间的压紧力保持稳定。为实现适应管径变化的功能，主要采用弹簧封闭力机构，当管径变化范围较大时，易失去常封闭力的特性，管道机器人的牵引力将不再稳定，机器人的工作可靠性将受到很大的限制；目前所研制的管道机器人基本上还是实验样机，负载低，越障能力差，只能从事管道除尘、检测等负载能力较低的单一作业。
[0005]目前对管道清洁机器人的研究较多，如申请号为CN201320854277.1的中国实用新型专利，公告日为2014-07-30，记载了一种由主机吸附机构和导管组成的复合履带管道机器人装置，主机通过传动轴带动两侧的复合履带机构，同时主机上的吸附机构与导管接口连通，保证其吸附于管壁，无需借助吸盘产生负压，仅通过履带上强力磁铁的磁力作用，即可实现行进作业。但是该机器人不能适应管径变化，负载能力和越障能力不强，不能有效吸附对于垂直或者倾斜角度较大的非磁性材料。再如申请号为CN105135151A的中国发明专利，公告日为2015-12-09，记载了一种由螺旋机构、摇杆滑块机构、平行四边形机构组成的具有主动适应和自适应功能的履带式管道机器人，能够主动适应不同管道直径的变化并保持履带与管道内壁之间有一定的压力，可越过管道表面凹凸不平的局部障碍，但是该机器人外形过长，弯道通过性较差，且采用摇杆滑块机构、平行四边形机构实现适应管径变化，机构在调整过程中容易出现运动死点，即卡死现象，在管道中较难处理，且机器人的负载能力不强，无法携带更多的检测或清洗装置等。
【实用新型内容】
[0006]为了解决【背景技术】中提到的诸多问题，本实用新型提供一种可适应不同管径变化，负载能力强，越障能力强，可适应管道的弯道和任意坡度的履带轮式管道清洁机器人。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型为一种可清洁带有不规则转角和任意坡度范围的管道的履带轮式机器人。包括:履带轮行走机构为4个履带轮，均由中心齿轮、3个均布二级齿轮、3个三级齿轮和履带对应啮合而成，带动整个机器人行走;管径自适应调节机构，可伸缩的电动推杆控制机架与履带轮之间的角度可变，以适应不同管径变化;清洁装置，两侧臂架配合弹簧伸缩杆，起到清洁时避免管壁微小障碍的作用;红外检测装置，安装在适当的高度，发出不同的控制信号，控制机器人行走、越障和转向。
[0008]所述履带轮行走机构，主动力由4个步进电机提供，步进电机驱动中心齿轮运动，中心齿轮与3个均布二级齿轮啮合，3个二级齿轮又分别与3个三级齿轮啮合，构成二级减速增力传动，三级齿轮与履带轮啮合，带动履带轮行走。齿轮通过转轴固定在可绕中心轴转动的连板上，连板间有调节弹簧连接，使得与履带啮合的三级齿轮有微小活动空间，保证存在加工误差的前提下齿轮与履带正确啮合，且可防止卡齿。履带轮本身保证机器人有较好的越障能力，4个步进电机驱动可提供足够的牵引力，使该机器人的负载能力强。
[0009]所述管径自适应调节机构，通过两个伸缩的电动推杆调节履带轮与机架的夹角，推杆连接有两个对称的升降连杆，升降连杆可绕穿过步进电机架的细轴转动，当管道直径变大时，电动推杆伸出长度下降，推杆伸出最短状态，履带轮向下摆动，与管道紧密贴合，当管道直径变大时，电动推杆伸长到最大，履带轮向上摆动，与管道紧密贴合。
[0010]所述清洁装置，由舵机控制机械臂，板型机械臂I和板型机械臂2通过机械臂支撑架连接组成关节I，方形机械臂为机械臂2，方形机械臂通过避障弹簧伸缩杆与侧面清洁刷相连，实现两侧管壁的清洁。后部舵机安装在支撑平台上，通过一字舵机盘和底面清洁刷相连，通过转动控制清洁刷上升和下降，以完成不同直径的管道的清洁。
[0011 ]所述红外检测装置，当传感器监测范围内没有障碍时，电平为低电平，监测到有障碍时，电平变为高电平。该履带轮式管道机器人分别在前左右安装了三个红外传感器。主控制器可以设置三个端口用来检测电平变化，进而控制步进电机转速，实现避障。利用三轴陀螺仪与三轴加速度计，检验校核角度，通过端口读取数据，当机器人处于倾斜状态时，通过MPU6050三轴陀螺仪的实时偏差值判断倾斜方向，并控制清洁臂向两侧平推，使机器人原地调整水平位置，一次平推后陀螺仪再次检查与水平位置时偏差值。
[0012]履带轮式管道机器人采用电动驱动的方式进行驱动，驱动器采用直流角位移伺服电动机舵机和步进电机。
[0013]履带轮式管道机器在管道中行进时，如果突发电力系统崩溃，可提供三种方式将管道机器人移出管道，第一种是启动备用电力系统，继续支撑机器人完成清洁工作，第二种充分利用负载能力强的特性，使机器人携带小车绳索装置，失电时控制小车带动机器人行走，第三种充分利用管道两端开口中间封闭的特点，利用外界流体的动力，使机器人被冲刷出来。
[0014]清洁装置中，两侧机械臂为可拆卸机械臂，可更换以适应不同直径管道的清洗。同时，该管道清洁装置可替换为管道检测装置，管道补口装置和焊接装置等。
[0015]—种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人的有益技术效果为:新颖、实用、高效，可有效解决现有管道机器人负载能力低，越障能力差，不能稳定适应管变化的缺点，可批量生产，具有较好的推广和使用价值。
【附图说明】
[0016]图1是一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人的总体结构图。
[0017]图2是履带轮行走机构爆炸结构图。
[0018]图3是清洁机构图((a)左右清洁臂、(b)底部清洁装置)。
[0019]图4是机器人适应最小管径状态图。
[0020]图5是机器人适应最大管径状态图。
[0021 ]图6是机器人转弯示意图。
[0022]图7是机器人控制系统运行的总体流程图。
[0023]图8是机器人越障检测控制流程图。
[0024]图9是机器人转向检测控制流程图。
[0025]图10是机器人平衡检测控制流程图。
[0026]图11是机器人控制系统实际连接图。
【具体实施方式】
[0027]结合图1一 11对本实用新型做出进一步的详细说明。
[0028]该清洁机器人由履带(I)，侧面清洁刷(2)，方形机械臂(3)，避障弹簧(4)，板型机械臂1(5)，舵机(6)，板型机械臂2(7)，升降连杆(8)，步进电机(9)，机架(10)，推杆(11)，电动推杆(12)，多功能舵机架(13)，圆形舵机盘(14)，细轴(15)，中心齿轮(16)，二级齿轮
(17)，三级齿轮(18)，3号轴(19)，2号轴(20)，中心轴(21)，联轴器(22)，机械臂支撑架(23)，摆动轴(24)，底面清洁刷(25)，一字舵机盘(26)，支撑平台(27)，步进电机机架(28)，连板
[29]，调节弹簧(30)组成，如图1所示。
[0029]图2所示为履带轮行走机构爆炸结构图，清楚地表达了履带轮的组成及其连接关系。步进电机固定在步进电机架上，通过联轴器与中心轴相连，中心轴通过键与中心齿轮相连，中心轴和中心齿轮之间均匀贯穿着3个连板，连板沿中心轴向外依次为2号轴和3号轴和固定其上的二级齿轮和三级齿轮，三级齿轮与履带啮合，连板间由调节弹簧连接。启动时，步进电机驱动中心齿轮转动，进而带动与其啮合的二级齿轮运动，再带动三级齿轮运动，最后带动履带转动，从而带动整机在管道内行走。
[0030]图3为清洁机构，(a)为左右清洁臂，采用两个舵机提供两个自由度，并控制两侧清洁臂摆动，可适应较大范围管径变化，实现对两侧管壁的清洁。(b)为底面清洁装置，舵机连接一字舵机盘，舵机盘垂直连接底面清洁刷，通过舵机转动控制清洁刷上升和下降，以完成不同直径的管道的清洁，越障时可把底面清洁刷抬起，方便越障。
[0031]图4为机器人适应最小管径的状态，此时电动推杆伸长到最大，履带轮向上摆动，与管道紧密贴合，左右清洁臂关节I向内侧摆动，底面清洁装置也向上摆动，适应变小的管径。当管道直径变大时，电动推杆伸出长度下降，图5为推杆伸出最短状态，即机器人所能适应的最大管径，此时履带着陆面与底板平行，左右清洁臂关节I和关节2几乎在一条直线上，底面清洁装置下压，保证有效接触。
[0032]图6为机器人转弯示意图，采用四个步进电机，通过差速控制即可实现转向。
[0033]图7为控制系统运行的总体流程图，管道机器人的行走与作业是通过对自身电机与舵机旋转控制来完成的，并且通过传感器的值进行调整。将机器人在整个管道中行走可能执行的运动策略分为直立行走、越障行走和转向行走三个部分。
[0034]本实用新型可用于中央空调通风系统管道(风管)，输水、石油、天然气管道的清洗。由于该机器人承载能力强，可在清洁装置的基础上增加管道检测装置或管道检测装置，也可将该管道清洁装置替换为管道检测装置或管道补口装置。以完成管道检测、补口和焊接等作业。
[0035]上述应用实例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作出的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1.一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，机械本体由机架和固定在其上的履带轮行走机构、管径适应调节机构、管道清洁机构组成;履带轮行走机构，由固定在步进电机架(28)上的步进电机(9)提供动力，其中步进电机架可以绕固定在机架(10)上的相应的摆动轴(24)转动，其中电机通过联轴器(2 2)与中心轴(21)相连，中心轴通过键与中心齿轮(16)相连，其中中心轴和中心齿轮之间均匀贯穿着3个连板(29)，连板间由调节弹簧(30)连接，各连板沿中心轴向外依次为2号轴(20)和3号轴(19)和固定在对应轴上的二级齿轮(17)和三级齿轮(18)，其中三级齿轮与履带(I)啮合;管径适应调节机构，主要通过两个电动推杆(12)调节履带轮与机架的夹角，推杆(11)对称连接有两个升降连杆(8)，升降连杆可绕穿过步进电机架的细轴(15)转动，其中推杆的升降可以使履带轮贴合不同直径的管壁，管道清洁机构，主要由两个固定在多功能舵机架(13)上的舵机(6)控制机械臂摆动，其中一个舵机架固定在机架上，通过圆形舵机盘(14)和销轴与板型机械臂1(5)和板型机械臂2(7)连接组成关节I，其中关节I间有机械臂支撑架(23)固定;方形机械臂(3)固定在另一个舵机架上，与挂在其上的避障弹簧(4)和弹簧另一端连接的侧面清洁刷(2)组成关节2;关节I末端与关节2的舵机架和圆形舵机盘相连组成机构整体，实现对管壁侧面的清洁，后部舵机安装在固定在机架上的支撑平台(27)上，通过一字舵机盘(26)和底面清洁刷(25)相连，通过转动控制清洁刷上升和下降，以完成不同直径的管道的清洁，越障时顺时针转动90°即可。2.根据权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，其特征在于:包含由I个中心齿轮，均布的3个二级齿轮和3个三级齿轮及履带组成的履带轮行走机构，由可伸缩电动推杆及升降连杆组成的管径自适应调节机构和由端部带弹簧伸缩杆的臂架与清洁刷组成的清洁装置，分别实现在管道内行走，调整履带轮紧贴管壁越障和清洁管道的功能。3.根据权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，其特征在于:对于单个履带轮而言，步进电机驱动中心齿轮运动，中心齿轮与3个均布二级齿轮啮合，3个二级齿轮又分别与3个三级齿轮啮合，构成二级减速增力传动，三级齿轮与履带轮啮合，带动履带轮行走;齿轮通过转轴固定在可绕中心轴转动的连板上，连板间有调节弹簧连接，使得与履带啮合的三级齿轮有微小活动空间，保证存在加工误差的前提下齿轮与履带正确啮合，且可防止卡齿。4.根据权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，其特征在于:4个履带和齿轮系组成的履带轮行走机构，保证管道机器人有较强越障能力的基础上，也保证了较强的负载能力，可携带更多的清洁工具和备用电力驱动系统。5.根据权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，其特征在于:通过两个伸缩的电动推杆调节履带轮与机架的夹角，保证履带与机架倾角可变，不仅可适应不同直径的管壁，还可以获得更大的牵引力，增大履带轮与管壁之间的摩擦力，减少压强，减少对履带或者管壁的磨损。6.根据权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，其特征在于:侧面清洁刷的支撑臂架上端设计了弹簧伸缩杆，保证清洁时无需调节清洁臂，仅利用弹簧杆的伸缩特性便可跨越管道侧壁的微小障碍。7.根据权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，其特征在于:清洁装置包括两侧清洁臂端部的清洁刷和正面的清洁臂端部的清洁刷，两侧清洁臂随着行走机构的运动做规律的往复摆动，尾部舵机往下摆动使底面清洁刷压紧管壁，由于清洁刷为球面外形，为面接触增大压力，且保证清洁无死角。8.根据权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，其特征在于:采用平衡控制装置，保证机器人时刻处于正立平衡姿态，在管道中平稳的行走，增强了管道机器人的适应能力。9.根据权利要求1所述的一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，其特征在于:其外形尺寸已通过弯道校核，保证较好的弯道通过性，牵引力已通过受力分析校核，可保证适应O度到90度的管道坡度范围，坡度适应性好。
【文档编号】F16L101/10GK205579032SQ201620068716
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】李喜艳, 屈春雷, 肖力凡, 陈俊, 卢昱华, 陈建友
【申请人】李超