一种用于管道内部巡检的柔性扩展装置及其管道巡检方法

1.本发明属于柔性机器人技术领域，具体涉及一种用于管道内部巡检的柔性扩展装置及其扩展方法。


背景技术：

2.管道因其极高的耐磨特性、极高的耐冲击性、耐腐蚀性、良好的自润性、对生物无毒性、独特的耐低温性等独特的特点，广泛应用于多行业、多领域。但是由于国内传统产业技术创新能力弱，专业人才短缺，主要依靠低成本、低价格、低利润来进入市场，导致管道的质量越来越低。同时，长期使用的管道，管内的油泥、锈垢固化造成原管径变小；管道内的异物不定期清除会造成管道堵塞。上述的各种因素严重影响管道的正常使用，因此对管道进行巡检，使管道内恢复材质本身表面，可以有效地防止污垢的再次产生，并且能有效地对设备进行保护，使设备不受腐蚀或者其他化学破坏作用，有效的保证设备的安全和延长设备的使用寿命。目前市面上的清理方法主要有化学清洗、高压水清洗以及pig清管。但上述几种方法都需要较为专业的设备与操作人员，以及需要较为专业的设备，无法大面积使用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供用于管道内部巡检的柔性扩展装置及其扩展方法。
4.本发明一种用于管道内部巡检的柔性扩展装置，包括伸缩机构、径向变形机构和清理组件。所述的伸缩机构的两端分别安装有径向变形机构。所述的径向变形机构包括齿条组和多个动力单元。齿条组包括与动力单元对应数量的弹性齿条。各弹性齿条的内端均固定在伸缩机构上。每条弹性齿条上均安装有动力单元。所述的动力单元包括径向支撑壳、u型轨道和驱动组件。u型轨道固定在径向支撑壳的内侧。u型轨道的两端开口均朝内设置。弹性齿条伸入u型轨道的一端开口。弹性齿条与u型轨道在驱动组件驱动下进行相对移动。径向支撑壳的外侧面设置有压力传感器。
5.所述的清理组件包括推出元件、摆杆、连杆和挖掘组件。推出元件安装在伸缩机构的头端；多个摆杆的内端均与推出元件的推出部铰接。多个连杆的内端均与推出元件的固定部铰接。各连杆的外端与各摆杆的中部分别铰接。四个摆杆的外端均安装有挖掘组件。挖掘组件用于剥落管道内的污垢。
6.作为优选，所述的伸缩机构包括同轴设置的前中心轴和后中心轴。前中心轴与后中心轴的相对端通过液压伸缩机构连接。两个径向变形机构分别安装在前中心轴和后中心轴上。
7.作为优选，所述的弹性齿条沿伸缩机构的径向设置；同一齿条组内的各弹性齿条沿伸缩机构中心轴线的周向均布。
8.作为优选，所述的驱动组件包括动力电机，以及用于连接弹性齿条的齿轮或蜗杆；齿轮或蜗杆由动力电机驱动旋转，并与对应的弹性齿条啮合。
9.作为优选，所述的动力电机上安装有编码器。
10.作为优选，所述径向支撑壳的外侧面为n分之一圆柱面，n为动力单元的数量。
11.作为优选，所述的径向支撑壳采用橡胶材料。
12.作为优选，所述的挖掘组件包括清理片和切片电机。清理片的中部与连杆的外端转动连接。切片电机的输出轴与清理片固定。
13.该用于管道内部巡检的柔性扩展装置的管道巡检方法，具体步骤如下：
14.步骤一、将该柔性扩展装置放置于管道中，将该柔性扩展装置的径向尺寸调节至大于或等于预设的管道最小工作内径。之后，向管道通入流体，使得柔性扩展装置随流体在管道内移动。
15.步骤二、当柔性扩展装置在管道中遇到阻碍无法随流体前进时，其在管道内蠕动式前进。蠕动式前进的具体过程为：伸缩机构周期性伸缩运动，两个径向变形机构异步进行周期性的展开和收拢运动；径向变形机构展开时，各径向支撑壳向外推出至抵住管道内壁的状态。位于前端的径向变形机构展开，位于后端的径向变形机构收拢时，伸缩机构缩短。当位于前端的径向变形机构收拢，位于后端的径向变形机构展开时，伸缩机构缩短。
16.通过各径向支撑壳上的压力传感器，检测径向变形机构是否抵住管道的内侧壁。根据径向变形机构的展开程度，检测管道不同位置的内部直径。
17.当检测到管道一个区域的内部直径小于管道最小工作内径时，认定管道的该区域为堵塞区域；清理组件中的推出元件推出，使得各摆杆展开，挖掘组件抵住堵塞区域的边缘处，对堵塞区域进行清理；清理过程中，该柔性扩展装置持续在管道内蠕动式前进。堵塞区域清理完成后，清理组件中的推出元件缩回，使得各摆杆向后收折复位。
18.本发明具有的有益效果是：
19.1、本发明的柔性扩展装置能够精准地对管道内壁的直径进行检测，同时最大限度地减少它施加到周围的张力，减少对管道的损伤。此外，本发明通过在管道内部进行巡检，检测管道在使用过程中某些位置的应力及应变的变化(利用压力传感器检测)，从而实时反馈管道的质量情况。
20.2、本发明的柔性扩展装置能够改变自身大小和形状以改变管道内部的环境，同时保持通过牵引操纵检测管道所需的精度和灵敏度。
21.3、本发明自带的清理组件，可在管道内部存在阻塞时自动清理杂质，保证管道内部的通畅。
22.4、本发明的柔性扩展装置结构简单、便于控制、体积小空间受限能力小，且成本低可重复使用。
附图说明
23.图1为本发明的整体示意图。
24.图2为本发明中径向变形机构的结构示意图。
25.图3为本发明中动力单元与对应的弹性齿条的连接示意图。
26.图4为本发明中动力单元的结构示意图。
27.图5为本发明中清理组件的结构示意图。
28.图6为本发明中清理组件由收折变形为展开的过程示意图。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明作进一步说明。
30.实施例1
31.如图1、2和3所示，一种用于管道内部巡检的柔性扩展装置，包括伸缩机构3、径向变形机构和清理组件。伸缩机构3包括同轴设置的前中心轴3-1和后中心轴3-2。前中心轴3-1与后中心轴3-2的相对端通过液压伸缩机构连接，使得前中心轴3-1和后中心轴3-2的间距增大或减小。前中心轴3-1和后中心轴3-2上均安装有径向变形机构。径向变形机构能够在管道内撑开，使得对应的中心轴能够与管道的内壁。
32.如图1、2、3和4所示，径向变形机构包括齿条组2和四个动力单元。齿条组2包括四根齿条段。四根齿条段的内端均固定在对应中心轴四个方形槽内，四根齿条段沿对应的中心轴的周向均布，且沿对应的中心轴的径向设置。各齿条段均能够弯曲，且沿长度方向不可压缩。四个动力单元分别安装在四根齿条段上。动力单元包括动力电机、径向支撑壳1、变速箱4和蜗杆5。u型轨道6固定在径向支撑壳1的内侧。u型轨道6的两端均朝向对应的中心轴。变速箱4和动力电机安装在u型轨道6上。u型轨道6的纵截面呈方形。
33.齿条段伸入u型轨道6的一端开口。蜗杆5转动连接在径向支撑壳1内。蜗杆5与动力电机的输出轴通过变速箱4连接。动力电机采用带编码器的直流齿轮电机。蜗杆5与对应的齿条段啮合。径向支撑壳1的外侧面设置有薄片式压力传感器，用于检测径向支撑壳1是否抵住管道内部。径向支撑壳1的外侧面为四分之一圆柱面。当四个动力单元内的径向支撑壳1均向内缩回至极限位置时，四个径向支撑壳1的外侧面合围呈圆柱面。动力电机上的编码器经过远程连接至系统控制器进行控制。直流齿轮电机为永磁有刷直流(pmdc)齿轮电机。蜗杆5、导轨和铰链均采用3d打印。蜗杆5旋转时能够沿齿条段长度方向移动，从而驱动径向支撑壳1沿中心轴的径向移动。由于齿条段采用弹性材料，其伸入u型轨道6后，在u型轨道6的弯折处能够发生弯曲变形，避免齿条段限制径向支撑壳1沿向内移动的幅度。
34.径向支撑壳1使用橡胶材料制成，通过开槽与轨道组件相连接；根据薄片式压力传感器检测到的应力应变情况，调整外壳的径向位置，实现对管道张力的调节。齿条组2的材质为pla(生物降解塑料聚乳酸)，通过采用3d打印得到。齿条组2能够根据外界环境的压力进行变形，以避免管道内壁施加过大的压力。齿条组2能够在-10.00
°
～10.00
°
范围内弯曲。
35.如图5和6所示，清理组件安装在伸缩机构3的头端，其包括推出元件7、摆杆8、连杆9和挖掘组件10。推出元件7采用电缸，其推出部朝外设置；四个摆杆8的内端均与推出元件7的推出部铰接。四个连杆9的内端均与推出元件7的固定部铰接。四个连杆9的外端与四个摆杆8的中部分别铰接。四个摆杆8的外端均安装有挖掘组件10。
36.挖掘组件10包括清理片和切片电机。清理片的中部与连杆9的外端转动连接。切片电机的输出轴与清理片固定。切片电机用于驱动清理片翻转；清理片翻转的过程中能够对管道内壁的污垢进行挖取，实现管道的疏通。
37.该用于管道内部巡检的柔性扩展装置的管道巡检方法，具体步骤如下：
38.步骤一、将该柔性扩展装置放置于管道中，设定管道内壁标准宽度为该柔性扩展装置扩展的最大值，设定管道最小工作内径为该柔性扩展装置扩展的起始值。向管道通入气体或液体，使得该柔性扩展装置随气体或液体在管道内移动。
39.步骤二、当该柔性扩展装置在管道中遇到阻碍无法前进时，该柔性扩展装置在管
道内蠕动式前进。蠕动式前进的具体过程为：伸缩机构3周期性伸缩运动，两个径向变形机构异步进行周期性的展开和收拢运动；径向变形机构展开时，各径向支撑壳1向外推出至抵住管道内壁的状态。前中心轴3-1上的径向变形机构展开，后中心轴3-2上的径向变形机构收拢时，伸缩机构3缩短。当前中心轴3-1上的径向变形机构收拢，后中心轴3-2上的径向变形机构展开时，伸缩机构3缩短。
40.通过各径向支撑壳1上的压力传感器，检测径向变形机构是否抵住管道的内侧壁。利用动力电机在径向变形机构展开过程中得到转动角度，判断径向支撑壳1沿径向向外伸出的程度，进而获得管道不同位置的内部直径。
41.当检测到管道一个区域的内部直径小于管道最小工作内径时，认定管道的该区域为堵塞区域；清理组件中的推出元件7推出，使得各摆杆8展开，各清理片抵住堵塞区域的边缘处；各摆杆8的外端到伸缩机构3中心轴线的距离根据管道清理后需要达到的流通内径确定。各切片电机分别驱动对应的清理片往复转动，通过挖掘的方式对堵塞区域进行清理；清理过程中，该柔性扩展装置持续在管道内蠕动式前进。堵塞区域清理完成后，清理组件中的推出元件7缩回，使得各摆杆8向后收折复位。
42.实施例2
43.一种用于管道内部巡检的柔性扩展装置，本实施例与实施例1的区别在于：将蜗杆替换为齿轮。齿轮与对应的齿条段啮合。齿轮由动力电机驱动。