本发明专利技术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；本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
伸缩式管道机器人装置
本专利技术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。
技术介绍
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。 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。 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，但该专利技术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。 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，但该专利技术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。 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。 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。
技术实现思路
本专利技术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。 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； 与现有的管道机器人相比，本专利技术的优点在于: (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； (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； (3)能自动检测锁止机构是否可靠锁止； (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； (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； (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。 【附图说明】 图1是本专利技术的整体结构示意图。 图2是本专利技术的伸缩机构结构示意图。 图3是本专利技术的锁止机构结构示意图。 图4是本专利技术的主舱体结构示意图。 图5是本专利技术的前支撑轮系结构示意图。 图6是本专利技术的后支撑轮系结构示意图。 图7是本专利技术的中支撑轮系结构示意图。 图8是本专利技术的伸缩机构防水密封示意图。 图9是本专利技术的锁止机构防水密封示意图。 图10是本专利技术的控制系统结构示意图。 图11是本专利技术的锁止机构可靠锁止判断流程图。 图12是本专利技术的非接触式限位机构原理图。 图中: 1.伸缩机构 2.锁止机构3.机器人主舱体 4.前支撑轮系5.后支撑轮系6.可拆卸铰链 7.中支撑轮系 1-1.步进电机1-2.电机丝杠座1-3.滚珠丝杠 1-4.弹性联轴器1-5.固定侧轴承1-6.支撑侧轴承 1-7.螺母座1-8.伸缩推杆1-9.导轨 1-10.磁珠座1-11.霍尔开关座 1-12.接线仓 1-13.连接座1-14.防水电缆接头 1-15.滚珠螺母 1-16.电机仓 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 2-4.螺母座2-5.支撑臂2-6.支撑体 2-7.连接杆2-8.磁珠座2_9.霍尔开关座 2-10.连接座2-11.轮系固定座2_12.减速电机仓 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 3-1.电路仓3-2.接线口3-3.防水电缆接头 3-4.开关盖3-5.连接座3-6.控制系统 4-1.摄像头仓4-2.轮系中轴4-3.中轴座 4-4.轮系固定盘4-5.支撑臂座4-6.支撑臂活动座 4-7.支撑臂4-8.轮子 5-1.牵引环5-2.后轮系中轴5-3.轮系固定盘 5-4.支撑臂座5-5.支撑臂活动座 5-6.支撑臂 5-7.轮子 7-1.接线仓7-2.中轮系中轴7-3.支撑臂座 7-4.支撑臂活动座7-5.支撑臂7-6.轮子 7-7.连接座7-8.防水电缆接头 7-9.弹簧 【具体实施方式】 下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。 如图1所示，本专利技术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。 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。 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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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—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；本专利技术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...
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋华，曲迪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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