伸缩式管道机器人装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种伸缩式管道机器人装置包括伸缩机构、锁止机构、机器人主舱体、前支撑轮系、后支撑轮系、中支撑轮系和可拆卸铰链；伸缩机构、锁止机构之间通过可拆卸铰链连接，伸缩机构、中支撑轮系之间通过螺栓连接，中支撑轮系、机器人主舱体之间通过可拆卸铰链连接，锁止机构、机器人主舱体之间通过可拆卸铰链连接，前支撑轮系与锁止机构之间，后支撑轮系与锁止机构之间均通过螺纹连接；本发明主体结构采用多节模块设计，便于机器人顺利通过弯曲管道。
【专利说明】伸缩式管道机器人装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及管道机器人领域，具体涉及一种应用于地下管线检测领域的管道机器人。
【背景技术】
[0002]管道机器人属于特种机器人的研究范畴，是一种可在管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。管道机器人的主要工作可以分为检测作业和维修作业。检测作业项目主要包括管道定位、管道探伤等；维修作业包括清扫、补口、焊接等。为了满足不同需求，国内外各机构从管道机器人的行走方式、结构组成、控制系统等方面入手研究出许多样式的机器人。
[0003]按照管道机器人的行走方式划分，目前常见的管道机器人有轮式管道机器人与履带式管道机器人。采用轮式行走方式的管道机器人其驱动机构带动一个或几个轮子转动，实现机器人的前后与转弯运动。此类管道机器人结构简单、行进速度快，因此得到了广泛运用。但轮式管道机器人也有明显不足，例如中国专利申请公布号为CN201427125Y的“管道除垢机器人”采用轮式行走装置，在泥泞、油污的环境中行走困难，不适用于大倾角管道，且牵引力较小。
[0004]为了提高机器人的牵引力与管内环境的适应能力，实现在油污、泥泞等恶劣条件下的管道内移动，履带式管道机器人也得到了较多应用。履带式行走机构在恶劣环境中通过性能较好，履带上设有履齿，不易打滑，与轮式机构相比能提供较大的牵引力。例如中国专利申请公布号为CN103672293A的“一种多维检测两栖作业管道机器人”虽然克服了轮式管道机器人牵引力差、越障能力差的缺点，但该发明难以在大倾角的管道中使用，且体积较大，只能适用于大口径管线。
[0005]上述两种管道机器人通常适用于大、中口径管道的检测，为了使机器人适用于中、小口径地下管线，同时满足大管道倾角、大牵引力的要求，国内外一些机构设计了伸缩(蠕动)式管道机器人。此类机器人为了实现前进或后退，其行走结构需要进行往复伸缩的动作，其运动是间歇的，因而移动速度一般比轮式、履带式机器人慢。例如中国专利申请公布号CN103672290A的“全驱蠕动式管道机器人”克服了轮式、履带式管道机器人不适于小口径管道的缺陷，但该发明无法自主检测机器人是否可靠锁止，且防水性能较差，无法适应地下管道中的恶劣环境。
[0006]由于地下管线往往深埋，铺设环境复杂，目前各类管道机器人所使用的定位技术均有或多或少的缺陷。GPS定位与电磁定位方法无法应用于深埋地下管线中机器人的定位；单一里程计定位误差较大，且不能获得机器人运动的三维姿态；视觉定位方法目前大多处于研究阶段，实际应用中还有诸多问题。此外，上述技术更难以获得被检测地下管线的三维坐标。
[0007]综上所述，当前适用于中、小口径地下管线的管道机器人还有诸多缺点与不足。特别是针对非开挖技术铺设的地下管线，现有的管道机器人一般难以适应此类工作环境，因此需要专门设计一种新型管道机器人来满足此类需求。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于为地下管线检测领域提供一种稳定、可靠的自主检测平台，并能获得准确的地下管线三维坐标。该管道机器人主要面向非开挖技术铺设的各类地下管线，具备双向行走能力、较强的爬坡能力和优异的环境适应能力，并能适应多种不同口径的管道。此外，机器人前端配有CCD摄像头，并配有上位机系统，用户可在上位机实时观察管道内部视频图像。
[0009]伸缩式管道机器人装置包括伸缩机构、锁止机构、机器人主舱体、前支撑轮系、后支撑轮系、中支撑轮系和可拆卸铰链；
[0010]伸缩机构、锁止机构之间通过可拆卸铰链连接，伸缩机构、中支撑轮系之间通过螺栓连接，中支撑轮系、机器人主舱体之间通过可拆卸铰链连接，锁止机构、机器人主舱体之间通过可拆卸铰链连接，前支撑轮系与锁止机构之间，后支撑轮系与锁止机构之间均通过螺纹连接；
[0011]与现有的管道机器人相比，本发明的优点在于:
[0012](I)主体结构采用多节模块设计，便于机器人顺利通过弯曲管道；
[0013](2)机器人达到IP68的防护等级，能够长时间在地下恶劣的环境中使用；
[0014](3)能自动检测锁止机构是否可靠锁止；
[0015](4)设计有非接触式的限位控制装置，防止机器人动作超出安全行程；
[0016](5)克服现有管道机器人无法准确进行自主定位的缺点，机器人配有惯性导航模块，能对机器人自身姿态和地下管线的三维坐标进行准确定位；
[0017](6)机器人与上位机的通讯采用直流载波通讯技术，传输距离远，抗干扰能力强。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的整体结构示意图。
[0019]图2是本发明的伸缩机构结构示意图。
[0020]图3是本发明的锁止机构结构示意图。
[0021]图4是本发明的主舱体结构示意图。
[0022]图5是本发明的前支撑轮系结构示意图。
[0023]图6是本发明的后支撑轮系结构示意图。
[0024]图7是本发明的中支撑轮系结构示意图。
[0025]图8是本发明的伸缩机构防水密封示意图。
[0026]图9是本发明的锁止机构防水密封示意图。
[0027]图10是本发明的控制系统结构示意图。
[0028]图11是本发明的锁止机构可靠锁止判断流程图。
[0029]图12是本发明的非接触式限位机构原理图。
[0030]图中:
[0031]1.伸缩机构 2.锁止机构3.机器人主舱体
[0032]4.前支撑轮系5.后支撑轮系6.可拆卸铰链
[0033]7.中支撑轮系
[0034]1-1.步进电机1-2.电机丝杠座1-3.滚珠丝杠
[0035]1-4.弹性联轴器1-5.固定侧轴承1-6.支撑侧轴承
[0036]1-7.螺母座1-8.伸缩推杆1-9.导轨
[0037]1-10.磁珠座1-11.霍尔开关座 1-12.接线仓
[0038]1-13.连接座1-14.防水电缆接头 1-15.滚珠螺母
[0039]1-16.电机仓
[0040]2-1.行星减速步进电机2-2.减速电机丝杠座2-3.滚珠丝杠
[0041]2-4.螺母座2-5.支撑臂2-6.支撑体
[0042]2-7.连接杆2-8.磁珠座2_9.霍尔开关座
[0043]2-10.连接座2-11.轮系固定座2_12.减速电机仓
[0044]2-13.0型橡胶密封圈 2-14.防水丝杠护套 2_15.防水电缆接头
[0045]3-1.电路仓3-2.接线口3-3.防水电缆接头
[0046]3-4.开关盖3-5.连接座3-6.控制系统
[0047]4-1.摄像头仓4-2.轮系中轴4-3.中轴座
[0048]4-4.轮系固定盘4-5.支撑臂座4-6.支撑臂活动座
[0049]4-7.支撑臂4-8.轮子
[0050]5-1.牵引环5-2.后轮系中轴5-3.轮系固定盘
[0051]5-4.支撑臂座5-5.支撑臂活动座 5-6.支撑臂
[0052]5-7.轮子
[0053]7-1.接线仓7-2.中轮系中轴7-3.支撑臂座
[0054]7-4.支撑臂活动座7-5.支撑臂7-6.轮子
[0055]7-7.连接座7-8.防水电缆接头 7-9.弹簧
【具体实施方式】
[0056]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0057]如图1所示，本发明的伸缩式管道机器人装置包括伸缩机构1、锁止机构2、机器人王舱体3、如支撑轮系4、后支撑轮系5、中支撑轮系7和可拆卸绞链6。
[0058]伸缩机构1、锁止机构2之间通过可拆卸铰链6连接，伸缩机构1、中支撑轮系7之间通过螺栓连接，中支撑轮系7、机器人主舱体3之间通过可拆卸铰链6连接，锁止机构2、机器人主舱体3之间通过可拆卸铰链6连接，可拆卸铰链6可灵活转动，从而使机器人顺利的通过弯曲管道，并便于机器人的存储和维护；前支撑轮系4与锁止机构2之间，后支撑轮系4与锁止机构2之间均通过螺纹连接。
[0059]如图2所示，伸缩机构I包括步进电机1-1、电机丝杠座1-2、滚珠丝杠1_3、弹性联轴器1-4、固定侧轴承1-5、支撑侧轴承1-6、螺母座1-7、伸缩推杆1-8、导轨1_9、磁珠座
1-10、霍尔开关座1-11、接线仓1-12、连接座1-13、防水电缆接头1_14、滚珠螺母1_15、电机仓 1-16 ；
[0060]步进电机1-1作为驱动部件，步进电机1-1采用螺栓固定在电机丝杠座1-2上；
[0061]滚珠丝杠1-3—端通过弹性联轴器1-4连接步进电机1-1的输出轴，滚珠丝杠1-3采用固定一支撑的安装方式，固定侧为固定侧轴承1-5，支撑侧为支撑侧轴承1-6，固定侧轴承1-5通过螺钉固定在电机丝杠座1-2上；
[0062]滚珠丝杠1-3上设有滚珠螺母1-15，螺母座1-7与滚珠螺母1_15通过螺栓连接；
[0063]伸缩机构设有两根导轨1-9，导轨1-9 一端穿过螺母座1-7，通过螺纹连接电机丝杠座1-2，另一端通过螺钉固定连接支撑侧轴承1-6的轴承座；
[0064]伸缩机构设有两根伸缩推杆1-8，伸缩推杆1-8 —端固定连接螺母座1-7，另一端穿过支撑侧轴承1-6的轴承座并通过螺钉固定连接接线仓1-12 ；
[0065]磁珠座1-10固定在螺母座1-7上，霍尔开关座1-11固定在支撑侧轴承1_6的轴承座上，霍尔开关座1-11上面安装有霍尔开关，磁珠座1-10与霍尔开关座1-11相对应设置；
[0066]接线仓1-12上设有防水电缆接头1-14，达到防水密封的目的，防水电缆接头1_14接出的电缆用于霍尔开关座1-11、锁止机构2与机器人主舱体3内控制系统3-6的连接；
[0067]接线仓1-12上还设有连接座1-13，通过连接销连接可拆卸铰链6，可拆卸铰链6的另一端连接锁止机构2 ；
[0068]电机丝杠座1-2通过螺纹连接有电机仓1-16，电机仓1-16设有螺纹孔，用于固定中支撑轮系7。
[0069]滚珠丝杠1-3将步进电机1-1的旋转运动转化为滚珠螺母1-15及螺母座1_7的轴向移动，螺母座1-7带动伸缩推杆1-8，伸缩机构I即可完成伸缩动作。磁珠座1-10与霍尔开关座1-11相配合，构成了非接触式限位机构，防止伸缩动作超出安全行程。
[0070]通过伸缩机构的伸长与收缩实现管道机器人的前进或后退。结合管道机器人对管径适用范围、行走速度、牵引力等性能的要求，伸缩机构采用电机丝杠的驱动方式。
[0071]本发明设有结构完全相同的两套锁止机构2，如图3所示，锁止机构2包括行星减速步进电机2-1、减速电机丝杠座2-2、滚珠丝杠2-3、螺母座2-4、支撑臂2_5、支撑体2_6、连接杆2-7、磁珠座2-8、霍尔开关座2-9、连接座2-10、轮系固定座2_11、减速电机仓2_12。
[0072]行星减速步进电机2-1作为驱动部件，行星减速步进电机2-1通过螺栓固定在减速电机丝杠座2-2上；
[0073]滚珠丝杠2-3 —端通过弹性联轴器与行星减速步进电机2-1的输出轴连接，另一端固定连接轮系固定座2-11 ；
[0074]螺母座2-4上设有3只呈120°周向对称分布的支撑臂固定座，轮系固定座2_11也设有3只呈120°周向对称分布的支撑臂固定座；
[0075]支撑臂2-5包括两个支撑杆，两个支撑杆通过活动轴连接，活动轴穿过支撑体
2-6，一个支撑杆的一端连接螺母座2-4上的支撑臂固定座，另一个支撑杆的一端连接轮系固定座2-11的支撑臂固定座，本发明中设有3只支撑臂2-5，分别连接3个支撑臂固定座，支撑臂2-5能够实现张开与收缩，
[0076]支撑体2-6上设有橡胶防滑垫，增加支撑体2-6与管道内壁间的摩擦力，其中一个支撑体2-6内安装有微型测力传感器，用于检测支撑体2-6对管道内壁间施加的压力。支撑臂2-6可以根据管径设置不同尺寸，使其适应不同管径的管道。
[0077]连接杆2-7穿过螺母座2-4，一端固定连接减速电机丝杠座2_2，另一端固定连接轮系固定座2-11，连接杆2-7用于增加系统强度，
[0078]磁珠座2-8通过紧定螺钉固定在连接杆2-7上，霍尔开关座2_9通过螺钉固定在螺母座2-4上，对应设置，磁珠座2-8与霍尔开关座2-9构成非接触式的限位机构。
[0079]前支撑轮系4与后支撑轮系5均通过螺纹固定在2-11轮系固定座上。
[0080]减速电机仓2-12通过螺纹固定连接减速电机丝杠座2-2，减速电机仓2_12上设有连接座2-10，通过连接销连接可拆卸铰链6，可拆卸铰链6的另一端连接伸缩机构I ;
[0081]连接座2-10上设有防水电缆接头，达到防水密封的目的，防水电缆接头用于连接机器人主舱体3内设置的控制系统3-6 ；
[0082]滚珠丝杠2-3将行星减速步进电机2-1的旋转运动转化为螺母座2-4的轴向移动，螺母座2-4带动支撑臂2-5张开与收缩，当支撑臂2-5张开时，支撑体2-6便可紧压管道内壁，从而锁定机器人。
[0083]针对伸缩式行走方式的特点，机器人设计有两套结构相同的锁止机构来实现机器人的双向行走。当锁止机构紧压管道内壁时，机器人不能自由运动；当锁止机构收缩时，机器人可以在伸缩机构的作用下前后移动。锁止机构安装有微型测力传感器，用于检测机器人是否可靠锁止。
[0084]如图4是机器人主舱体3结构示意，包括电路仓3-1、接线口 3-2、防水电缆接头
3-3、开关盖3-4、连接座3-5、控制系统3-6 ；
[0085]控制系统3-6位于电路仓3-1内，接线口 3-2与电路仓3-1通过螺纹连接，接线口
3-2上安装有防水电缆接头3-3。开关盖3-4通过螺纹与接线口 3-2连接，内部设有机器人总开关。机器人主舱体3两端通过螺纹连接有连接座3-5，通过连接销可连接可拆卸铰链6，通过连接座3-5和可拆卸铰链6，机器人主舱体3的一端与锁止机构2连接，另一端与中支撑轮系7连接。
[0086]机器人主舱体3具有良好的防水密封性能。
[0087]如图10是本发明控制系统3-6的示意图，为了使该管道机器人运行可靠，设计有基于DSP的机器人控制系统。根据设计需要，控制系统3-6包括电源模块、DSP+CPLD模块、外部传感器、惯性导航模块、电机驱动模块、视频模块、通讯模块；
[0088]电源模块为管道机器人供电，包括控制系统3-6以及电机等其他零部件，电源模块采用外部直流电源通过电缆为机器人供电。
[0089]DSP+CPLD模块中，DSP为管道机器人控制系统的核心，DSP采用TMS320F28335高性能数字信号处理器，实现电机控制、数据采集与处理、上下位机通讯等功能。CPLD采用XC9572XL芯片，用于辅助DSP工作，提供限位保护等控制信号。
[0090]控制系统3-6设有外部传感器，包括霍尔开关、微型测力传感器、里程计和防水摄像头。现有伸缩式管道机器人装置大多不能自动检测其锁止机构是否可靠锁止，为了克服这一缺陷，本发明在锁止机构2的支撑体2-6内安装有微型测力传感器，只有测力传感器检测到机器人支撑体对管壁施加的压力大于预定阈值时，机器人才进行伸缩动作，从而防止机器人在大倾角管道内发生意外滑动。本发明的伸缩机构I与锁止机构2均设计有霍尔开关与磁珠构成的非接触式限位机构，这种非接触式的限位机构原理简单可靠，抗干扰能力强，避免了电机停转不及时可能对接触式限位机构造成的损坏。里程计为导航模块提供机器人的里程信息。防水摄像头提供待测管道内部的视频图像。
[0091]惯性导航模块用于实时获取伸缩式管道机器人装置准确姿态和位置，输出至DSP+CPLD模块，获取地下管线的三维坐标。
[0092]电机驱动模块采用专用步进电机驱动芯片THB6064AH为各机构步进电机(步进电机1-1以及行星减速步进电机2-1)提供可靠的驱动信号。该芯片接收DSP+CPLD模块发出的速度脉冲、正反转、细分等电机控制信号，为步进电机提供相应的驱动信号。为了防止电机驱动模块对控制系统产生干扰，各控制信号均使用光耦进行隔离。
[0093]视频传输模块将摄像头采集的视频图像输出至上位机，现有机器人的视频信号常通过同轴电缆、以太网线或无线技术进行传输。由于地下管线深埋于地下，且管道内部环境复杂，无线技术不适用于此场合。同轴电缆或以太网线若不增加中继手段，传输信号衰减较大，无法长距离传输视频。为了克服上述缺点，本发明采用双绞线视频传输模块完成视频信号的传输，这种手段传输距离可达900米，成本远低于光纤等介质，且抗干扰能力强。
[0094]通讯模块实现管道机器人与上位机系统的实时通讯与控制。本发明的通讯模块采用直流载波通讯技术，这种通讯技术将信号叠加在直流供电线上，与RS232或者RS485通讯协议相比，它的传播距离远，传输数据准确率高，且无需专门的通讯电缆即可完成长距离数据传输。直流载波电路主要由网络接口控制器P485、功率放大器Plll以及其他附属电路组成。
[0095]如图5为前支撑轮系4结构示意图，前支撑轮系4包括摄像头仓4-1、轮系中轴
4-2、中轴座4-3、轮系固定盘4-4、支撑臂座4-5、支撑臂活动座4_6、支撑臂4_7、轮子4_8，
[0096]前支撑轮系4前端设有摄像头仓4-1，内部安装有防水摄像头，为了保证机器人在恶劣环境中正常采集管内视频信号，采用了具备IP68防护等级的水下摄像机，并配有摄像头保护舱。
[0097]轮系中轴4_2通过螺纹与中轴座4_3固定连接，中轴座4_3通过螺钉与轮系固定盘4-4连接。轮系固定盘4-4设有螺纹，用于和锁止机构2的轮系固定座2-11相连。
[0098]轮系中轴4-2前端连接有支撑臂座4-5。
[0099]支撑臂活动座4-6内固定有直线轴承，轮系中轴4-2穿过直线轴承，支撑臂活动座
4-6能够在轮系中轴4-2表面轴向移动。
[0100]支撑臂座4-5和支撑臂活动座4-6均设有3个支撑臂轴孔，3只120°周向对称的支撑臂4-7通过连接轴分别安装在两者之上。
[0101]支撑臂4-7的中间连接处通过轴承安装有轮子4-8。
[0102]支撑臂座4-5和支撑臂活动座4-6之间有活节螺栓连接的弹簧4-9。在弹簧4_9的作用下，支撑臂4-7张开，使轮子4-8紧压管道内壁，当通过弯曲管道时，弹簧4-9可以拉伸，使支撑臂4-7收缩，轮子4-8的张开直径变小，机器人便可顺利通过弯曲管道。
[0103]如图6所示为后支撑轮系5的结构示意图，其总体结构与前支撑轮系4类似。包括牵引环5-1、后轮系中轴5-2、轮系固定盘5-3、支撑臂座5-4、支撑臂活动座5_5、支撑臂
5-6、轮子5-7，
[0104]牵引环5-1通过螺纹固定后轮系中轴5-2 —端,后轮系中轴5-2另一端固定在轮系固定盘5-3上。
[0105]轮系固定盘5-3设有螺纹，用于和锁止机构2的轮系固定座2-11相连。
[0106]支撑臂座5-4通过螺钉固定在轮系固定盘5-3上，
[0107]支撑臂活动座5-5内设有直线轴承，后轮系中轴5-2穿过直线轴承，支撑臂活动座
5-5能够在后轮系中轴5-2上轴向移动。
[0108]支撑臂座5-4和支撑臂活动座5-5均设有3个支撑臂轴孔，3只120°周向对称分布的支撑臂5-6通过连接轴分别安装在两者之上。
[0109]支撑臂5-6的中间连接处通过轴承安装有轮子5-7。
[0110]支撑臂座5-4和支撑臂活动座5-5之间有活节螺栓连接的弹簧5-8。在弹簧5_8的作用下，支撑臂5-6张开，使轮子5-7紧压管道内壁，当通过弯曲管道时，弹簧5-8可以拉伸，使支撑臂5-6收缩，轮子5-7的张开直径变小，机器人便可顺利通过弯曲管道。
[0111]如图7所示为中支撑轮系7的结构示意图，包括接线仓7-1、中轮系中轴7-2、支撑臂座7-3、支撑臂活动座7-4、支撑臂7-5、轮子7-6、连接座7_7、防水电缆接头7_8、弹簧7-9。
[0112]接线仓7-1通过螺纹固定在中轮系中轴7-2 —端，中轮系中轴7-2另一端固定在支撑臂座7-3上。中轮系中轴7-2为中空结构，控制系统3-6的控制电缆可从中穿过。
[0113]支撑臂座7-3设有螺纹孔，用于和伸缩机构I的电机仓1-16相连。
[0114]支撑臂活动座7-4内设有直线轴承，中轮系中轴7-2穿过直线轴承，支撑臂活动座7-4能够在中轮系中轴7-2上轴向移动。
[0115]支撑臂座7-3和支撑臂活动座7-4均设有3个支撑臂轴孔，3只120°周向对称分布的支撑臂7-5通过连接轴分别安装在两者之上。
[0116]支撑臂7-5的中间连接处通过轴承安装有轮子7-6。
[0117]支撑臂座7-3和支撑臂活动座7-4之间有活节螺栓连接的弹簧7-9。在弹簧7_9的作用下，支撑臂7-5张开，使轮子7-6紧压管道内壁，当通过弯曲管道时，弹簧7-9可以拉伸，使支撑臂7-5收缩，轮子7-6的张开直径变小，机器人便可顺利通过弯曲管道。
[0118]接线仓7-1固定安装有连接座7-7，通过连接销连接可拆卸铰链6，可拆卸铰链6的另一端连接机器人主舱体3。连接座7-7上固定安装有防水电缆接头7-8，用于控制系统
3-6与步进电机1-1之间的电缆连接。
[0119]前支撑轮系4、中支撑轮系7与后支撑轮系5构成机器人的支撑轮体系。在锁止机构解锁时，支撑轮系支撑机器人，并机器人运动平稳，减小摩擦阻力。
[0120]为了克服现有管道机器人防水密封性能差的缺陷，该管道机器人具有极好的防水性能，其设计遵循国际电工委员会推荐的IP68防护等级，该防护等级可完全防止灰尘进入机器人主舱体，并能使机器人在一定压力下长时间浸水且能正常使用。为了实现IP68的防护等级，本发明设计了一套防水密封措施，伸缩机构I的防水设计如图7所示，电机丝杠座
1-2接口采用55°密封管螺纹，并在螺纹口增加了O型橡胶密封圈1-17。电机丝杠座1-2与螺母座1-7、螺母座1-7与接线仓1-12之间增加了防水丝杠护套1-18，防水丝杠护套1_18使用法兰盘与上述机构连接。伸缩机构I的电缆接线口均使用防水电缆接头1-14保护。在防水电缆接头1-14、防水丝杠护套1-18的接口处，均使用防水灌封胶进行密封保护。
[0121]锁止机构2的防水设计如图9所示，减速电机仓2-12的接口螺纹采用55°密封管螺纹，并在螺纹口增加了 O型橡胶密封圈2-13。减速电机丝杠座2-2与螺母座2-4、螺母座
2-4与轮系固定座2-11之间增加了防水丝杠护套2-14，防水丝杠护套2-14使用法兰盘与上述机构连接。锁止机构2的电缆接线口均使用防水电缆接头2-15保护。在防水丝杠护套2-14、防水电缆接头2-15的接口处，均使用防水灌封胶进行密封保护。
[0122]本发明的行走原理:
[0123]1.将该管道机器人放置在管道入口处，机器人执行初始化过程；
[0124]2.后端锁止机构2中的行星减速步进电机2-1正向转动，通过滚珠丝杠2-3与螺母座2-7带动3只支撑臂2-5张开，使支撑体2-6紧压管道内壁，当支撑体2_6中的微型测力传感器检测2-6支撑体对管壁施加的压力超过预定值时，后端锁止机构2即可靠锁定。同时前端锁止机构2的2-1行星减速步进电机反向转动，通过2-3滚珠丝杠与2-7螺母座带动3只2-5支撑臂收缩，使2-6支撑远离管道内壁，当2-9霍尔开关座内的霍尔开关感受到2-8磁珠座内小磁珠磁场超过阈值时，发出限位控制信号，2-1行星减速步进电机停转，前端锁止机构2锁定解除；
[0125]3.伸缩机构I内的1-1步进电机正向转动，通过1-3滚珠丝杠与1_7螺母座推动1-8伸缩推杆，从而推动机器人前端向前移动，当1-11磁珠座与1-12霍尔开关座构成的限位机构发出限位控制信号时，1-1步进电机停转，伸缩机构I动作停止；
[0126]4.前端锁止机构2的2-6支撑体对管壁施加压力，当控制机构检测到满足锁定条件时，前端锁止机构2锁定完成；同时后端锁止机构2的2-6支撑体远离管壁,后端锁止机构2锁定解除；
[0127]5.伸缩机构I内的1-1步进电机反向转动，通过1-3滚珠丝杠与1_7螺母座拉动
1-8伸缩推杆，从而带动机器人后端向前移动，当1-11磁珠座与1-12霍尔开关座构成的限位机构发出限位控制信号时，1-1步进电机停转，伸缩机构I动作停止；
[0128]上述2-5几个步骤为一个基本的伸缩动作，机器人进行多个伸缩动作，即可实现沿管壁向前移动。
[0129]如图11所示，是机器人控制系统3-6对锁止机构2的可靠锁止判断流程图，防止锁止机构2不能可靠锁定造成机器人的意外滑动。控制系统3-6的DSP控制机器人锁止机构开始动作，首先DSP载入待测管道的内径，并根据导航模块传送的机器人姿态角计算机器人当前所在这一小段管道的弯曲程度，根据上述计算，DSP计算并设定支撑臂2-5张开尺寸的范围，之后控制系统控制行星减速步进电机2-1启动，经过加速后，行星减速步进电锯
2-1开始匀速转动。当DSP根据滚珠丝杠副2-3的公称导程与行星减速步进电机2-1转动的圈数计算支撑体2-6是否接近管道内壁。若支撑体2-6尚未接近管道内壁，行星减速步进电机2-1继续匀速转动。若支撑体2-6接近管道内壁，行星减速步进电机2-1开始减速转动，同时DSP开始进行AD转换，不断监测支撑体2-6内的微型测力传感器的输出压力值，当该压力值达到预设阈值时，认为锁止机构2可靠锁止，DSP发出电机停转信号，CPLD接收该信号，并控制行星减速步进电机2-1停转。
[0130]如图12是本发明的非接触式限位机构原理图。为了防止机器人伸缩机构1、锁止机构2动作超出安全界限，本发明设计有基于霍尔开关的非接触式限位机构。霍尔开关安装在霍尔开关座1-11、2-9内，磁珠座1-10、2-8内安装有小磁珠。霍尔开关可以感受器件周围的磁场，若霍尔开关周围的磁场达到其阈值时，变发出低电平信号。霍尔开关随着图12所示的螺母座在滚珠丝杠上轴向移动，当达到安全界限时，霍尔开关检测到小磁珠的磁场，向控制系统3-6内的CPLD芯片发出限位控制信号，CPLD向DSP发出电机停转信号，同时向电机驱动芯片发出控制信号，控制电机停转。
【权利要求】
1.伸缩式管道机器人装置包括伸缩机构、锁止机构、机器人主舱体、前支撑轮系、后支撑轮系、中支撑轮系和可拆卸铰链； 伸缩机构、锁止机构之间通过可拆卸铰链连接，伸缩机构、中支撑轮系之间通过螺栓连接，中支撑轮系、机器人主舱体之间通过可拆卸铰链连接，锁止机构、机器人主舱体之间通过可拆卸铰链连接，前支撑轮系与锁止机构之间，后支撑轮系与锁止机构之间均通过螺纹连接； 伸缩机构包括步进电机、电机丝杠座、滚珠丝杠、弹性联轴器、固定侧轴承、支撑侧轴承、螺母座、伸缩推杆、导轨、磁珠座、霍尔开关座、接线仓、连接座、防水电缆接头、滚珠螺母、电机仓；步进电机固定在电机丝杠座上；滚珠丝杠一端通过弹性联轴器连接步进电机的输出轴，滚珠丝杠采用固定一支撑的安装方式，固定侧为固定侧轴承，支撑侧为支撑侧轴承，固定侧轴承通过螺钉固定在电机丝杠座上；滚珠丝杠上设有滚珠螺母，螺母座与滚珠螺母连接；伸缩机构设有两根导轨，导轨一端穿过螺母座，通过螺纹连接电机丝杠座，另一端通过螺钉固定连接支撑侧轴承的轴承座；伸缩机构设有两根伸缩推杆，伸缩推杆一端固定连接螺母座，另一端穿过支撑侧轴承的轴承座并通过螺钉固定连接接线仓；磁珠座固定在螺母座上，霍尔开关座固定在支撑侧轴承的轴承座上，霍尔开关座上面安装有霍尔开关，磁珠座与霍尔开关座相对应设置；接线仓上设有防水电缆接头，防水电缆接头接出的电缆用于霍尔开关座、锁止机构与机器人主舱体内控制系统的连接；接线仓上还设有连接座，通过连接销连接可拆卸铰链，可拆卸铰链的另一端连接锁止机构；电机丝杠座连接有电机仓，电机仓设有螺纹孔，用于固定中支撑轮系； 本发明设有结构完全相同的两套锁止机构，锁止机构包括行星减速步进电机、减速电机丝杠座、滚珠丝杠、螺母座、支撑臂、支撑体、连接杆、磁珠座、霍尔开关座、连接座、轮系固定座、减速电机仓；行星减速步进电机通过螺栓固定在减速电机丝杠座上；滚珠丝杠一端通过弹性联轴器与行星减速步进电机的输出轴连接，另一端固定连接轮系固定座；螺母座上设有3只呈120°周向对称分布的支撑臂固定座，轮系固定座也设有3只呈120°周向对称分布的支撑臂固定座；支撑臂包括两个支撑杆，两个支撑杆通过活动轴连接，活动轴穿过支撑体，一个支撑杆的一端连接螺母座上的支撑臂固定座，另一个支撑杆的一端连接轮系固定座的支撑臂固定座，3只支撑臂分别连接3个支撑臂固定座，支撑体上设有橡胶防滑垫，其中一个支撑体内安装有微型测力传感器，用于检测支撑体对管道内壁间施加的压力；连接杆穿过螺母座，一端固定连接减速电机丝杠座，另一端固定连接轮系固定座，磁珠座通过紧定螺钉固定在连接杆上，霍尔开关座通过螺钉固定在螺母座上，对应设置，前支撑轮系与后支撑轮系均通过螺纹固定在轮系固定座上；减速电机仓通过螺纹固定连接减速电机丝杠座，减速电机仓上设有连接座，通过连接销连接可拆卸铰链，可拆卸铰链的另一端连接伸缩机构；连接座上设有防水电缆接头，用于连接机器人主舱体内设置的控制系统； 机器人主舱体包括电路仓、接线口、防水电缆接头、开关盖、连接座、控制系统；控制系统位于电路仓内，接线口与电路仓通过螺纹连接，接线口上安装有防水电缆接头；开关盖通过螺纹与接线口连接，内部设有机器人总开关；机器人主舱体两端通过螺纹连接有连接座，通过连接销可连接可拆卸铰链，通过连接座和可拆卸铰链，机器人主舱体的一端与锁止机构连接，另一端与中支撑轮系连接；控制系统包括电源模块、DSP+CPLD模块、外部传感器、惯性导航模块、电机驱动模块、视频模块、通讯模块；电源模块为管道机器人供电，DSP+CPLD模块中，DSP实现电机控制、数据采集与处理、上下位机通讯功能；CPLD用于辅助DSP工作，提供限位保护控制信号；惯性导航模块用于实时获取伸缩式管道机器人装置准确姿态和位置，输出至DSP+CPLD模块，获取地下管线的三维坐标；电机驱动模块为各机构步进电机提供驱动信号；视频传输模块将摄像头采集的视频图像输出至上位机；通讯模块实现管道机器人与上位机系统的实时通讯与控制； 前支撑轮系包括摄像头仓、轮系中轴、中轴座、轮系固定盘、支撑臂座、支撑臂活动座、支撑臂、轮子，前支撑轮系前端设有摄像头仓，内部安装有防水摄像头，轮系中轴与中轴座固定连接，中轴座与轮系固定盘连接；轮系固定盘设有螺纹，用于和锁止机构的轮系固定座相连；轮系中轴前端连接有支撑臂座；支撑臂活动座内固定有直线轴承，轮系中轴穿过直线轴承，支撑臂活动座能够在轮系中轴表面轴向移动；支撑臂座和支撑臂活动座均设有3个支撑臂轴孔，3只120°周向对称的支撑臂通过连接轴分别安装在两者之上；支撑臂的中间连接处通过轴承安装有轮子；支撑臂座和支撑臂活动座之间有活节螺栓连接的弹簧； 后支撑轮系包括牵引环、后轮系中轴、轮系固定盘、支撑臂座、支撑臂活动座、支撑臂、轮子，牵引环通过螺纹固定后轮系中轴一端，后轮系中轴另一端固定在轮系固定盘上；轮系固定盘设有螺纹，用于和锁止机构的轮系固定座相连；支撑臂座通过螺钉固定在轮系固定盘上，支撑臂活动座内设有直线轴承，后轮系中轴穿过直线轴承，支撑臂活动座能够在后轮系中轴上轴向移动；支撑臂座和支撑臂活动座均设有3个支撑臂轴孔，3只120°周向对称分布的支撑臂通过连接轴分别安装在两者之上；支撑臂的中间连接处通过轴承安装有轮子；支撑臂座和支撑臂活动座之间有活节螺栓连接的弹簧； 中支撑轮系包括接线仓、中轮系中轴、支撑臂座、支撑臂活动座、支撑臂、轮子、连接座、防水电缆接头、弹簧；接线仓通过螺纹固定在中轮系中轴一端，中轮系中轴另一端固定在支撑臂座上；中轮系中轴为中空结构，控制系统的控制电缆从中穿过；支撑臂座设有螺纹孔，用于和伸缩机构的电机仓相连；支撑臂活动座内设有直线轴承，中轮系中轴穿过直线轴承，支撑臂活动座能够在中轮系中轴上轴向移动；支撑臂座和支撑臂活动座均设有3个支撑臂轴孔，3只120°周向对称分布的支撑臂通过连接轴分别安装在两者之上；支撑臂的中间连接处通过轴承安装有轮子；支撑臂座和支撑臂活动座之间有活节螺栓连接的弹簧；接线仓固定安装有连接座，通过连接销连接可拆卸铰链，可拆卸铰链的另一端连接机器人主舱体；连接座上固定安装有防水电缆接头，用于控制系统与步进电机之间的电缆连接。
2.根据权利要求1所述的伸缩式管道机器人装置，所述的视频传输模块采用双绞线视频传输技术。
3.根据权利要求1所述的伸缩式管道机器人装置，所述的伸缩机构中，电机丝杠座接口采用55°密封管螺纹，并在螺纹口增加了 O型橡胶密封圈；电机丝杠座与螺母座、螺母座与接线仓之间增加了防水丝杠护套，防水丝杠护套使用法兰盘与上述机构连接；伸缩机构的电缆接线口均使用防水电缆接头保护；在防水电缆接头、防水丝杠护套的接口处，均使用防水灌封胶进行密封保护。
4.根据权利要求1所述的伸缩式管道机器人装置，所述的锁止机构中，减速电机仓的接口螺纹采用55°密封管螺纹，并在螺纹口增加了 O型橡胶密封圈；减速电机丝杠座与螺母座、螺母座与轮系固定座之间增加了防水丝杠护套，防水丝杠护套使用法兰盘与上述机构连接；锁止机构的电缆接线口均使用防水电缆接头保护；在防水丝杠护套、防水电缆接头的接口处，均使用防水灌封胶进行密封保护。
5.根据权利要求1所述的伸缩式管道机器人装置，所述的通讯模块采用直流载波通讯技术。
6.根据权利要求1所述的伸缩式管道机器人装置，所述伸缩机构与锁止机构中，均设有霍尔元件、磁珠构成的非接触式限位机构。
【文档编号】F16L101/30GK104266037SQ201410392192
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】宋华, 曲迪 申请人:北京航空航天大学