一种自适应螺旋驱动式管道缺陷检测机器人

技术领域

本发明提供了一种自适应螺旋驱动式管道缺陷检测机器人，属于螺旋式机器人技术领域。

背景技术

管道是现代工业和城市建设中重要的基础设施，用于输送各种液体、气体和固体颗粒等物质。随着管道使用年限的增长，管道内部可能出现腐蚀、结垢、堵塞等问题。这些问题会影响管道的正常使用，甚至可能导致环境污染、事故发生等严重后果。因此，对管道进行定期检测、维修和保养至关重要。

传统的管道检测方法主要包括人工目视检测、漏磁检测、超声检测等，这些方法在一定程度上能够发现管道问题，但存在检测效率低、准确性不足、无法进入狭小管道等缺点。

管道机器人是一种作业在狭小空间内的特种机器人，能够搭载多种不同类型传感器，具备数据分析、储存的能力，能够与远程控制台通信，且保持良好的姿态控制，可以对管道进行全方位、无死角的检测。但是目前使用的管道机器人至少还存在以下问题：

1、一般采用有线连接，作业时需要携带线缆进入管道，有线拖缆的方式供电时缆线在拖缆过程中摩擦会存在安全隐患；

2、缺乏对管道内环境的监测，使得监测结果不全面。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种自适应螺旋驱动式管道缺陷检测机器人硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种自适应螺旋驱动式管道缺陷检测机器人，包括依次相连的前置检测模块、自适应支撑模块、驱动模块、螺旋运动模块和后置检测模块，所述前置检测模块和后置检测模块分别位于机器人的头尾，分别内置有控制模块、摄像头、无线传输模块和对管道内环境进行检测的传感器，其中前置检测模块用于对机器人进行导航和定位，后置检测模块用于采集管道内缺陷；

所述自适应支撑模块由三个自适应机构组成，三个自适应机构轴向120°安装在中心座上，自适应机构通过弹簧和升降机构实现主动适应不同管径的管道；

所述驱动模块用于为机器人提供牵引力，所述驱动模块内固定有牵引电机，所述牵引电机的四周分部有电池仓，电池仓内设置的锂电池用于为驱动模块和前置检测模块提供续航能力；

所述螺旋运动模块用于为机器人提供驱动力输出，螺旋运动模块的一端通过联轴器与驱动模块相连接，螺旋运动模块的另一端与后置检测模块固定连接，包括三个螺旋驱动模块和位于中心的驱动电机，三个螺旋驱动模块之间相互间隔120°，三个螺旋驱动模块的两两之间分别固定一个电池仓，电池仓内设置的锂电池用于为螺旋运动模块和后置检测模块提供续航能力；

其中每个螺旋驱动模块包括驱动轮和舵机，驱动轮通过轮架安装在舵机上，舵机通过第一螺栓与舵机安装架相连，舵机安装架的两端下方分别连接一根丝杠，丝杠上连接有丝杠螺母，丝杠的底端连接有同步轮，两个同步轮之间连接有同步带，两个同步轮分别固定在支撑座上，在舵机安装架的底端两侧分别分布两个第一弹簧来实现螺旋驱动模块对管道直径变化的适应，其中第一弹簧套在第一螺栓上，第一螺栓固定在舵机安装架两端；

所述驱动电机的输出轴与大锥齿轮固定连接，大锥齿轮上啮合有三个小锥齿轮，三个小锥齿轮分别与对应的同步轮相连。

所述自适应机构包括升降桶、升降柱和支撑轮，支撑轮通过第二螺栓安装在轮架上，轮架通过螺钉与升降柱相连，升降柱套在升降桶内，升降柱底部贯穿有子母螺丝，升降桶的底部固定在中心座上，升降桶内设置有第二弹簧，第二弹簧的一端固定在升降桶底部，第二弹簧的另一端与子母螺丝接触。

所述驱动模块包括固定在电机连接件和电机稳固件之间的牵引电机，在电机稳固件的四周固定有电机支撑件，牵引电机固定在电机支撑件之间，且牵引电机的底座与电机稳固件固定连接，同时通过连接杆将电机连接件与电机稳固件连接，并通过圆头螺母对连接杆的上下侧进行固定，同时圆头螺母上还设置有垫圈和平垫。

所述前置检测模块包括前置封装外壳和两侧的前置端盖，其中与自适应支撑模块相连的前置端盖上放置有前置蓝牙传输模块，位于外侧的前置端盖上设置有导航摄像头、前置测温传感器、前置测距传感器，在前置封装外壳的顶部设置有甲烷传感器，在前置封装外壳内部设置有前置检测电路板，前置检测电路板上集成有前置控制器，前置控制器通过导线分别与导航摄像头、前置测温传感器、前置测距传感器、甲烷传感器、前置蓝牙传输模块相连，用于实时监测管道内的缺陷、温度、气体浓度参数，机器人在运动过程中导航摄像头会不断输出图像，并通过相应的算法进行处理，以确定机器人在管道中的位置和方向。

所述后置检测模块包括后置封装外壳和两侧的后置端盖，在后置封装外壳上设置有检测摄像头、后置测温传感器、后置测距传感器和后置蓝牙传输模块，在外侧的后置端盖上设置有蜂鸣报警器，在后置封装外壳内部设置有后置检测电路板，后置检测电路板上集成有后置控制器，后置控制器通过导线分别与检测摄像头、蜂鸣报警器、后置测温传感器、后置测距传感器和后置蓝牙传输模块相连，检测摄像头在螺旋前进过程中，绕管道轴线不断旋转扫描。

所述驱动轮上设置有压力传感器，所述螺旋运动模块内设置有控制单元，所述控制单元分别通过导线与驱动电机的控制端、三个舵机的控制端和三个压力传感器相连，通过压力传感器对驱动轮与管道内壁的正压力进行实时采集。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：

1、高效：管道机器人可以在短时间内对大量管道进行检测，提高检测效率。

2、准确：内置多种传感器，实时监测管道状况，检测结果更为准确。

3、适应性强：管道机器人可以适应不同直径、形状和材质的管道，具有较强的通用性。

4、安全：避免了人工进入狭小、高温、有毒等恶劣环境，降低了作业风险。

5、实时监控：通过无线通信技术，不需要拖拽线缆，提高安全性，且管道机器人可以将检测数据实时传输至远程控制中心，便于实时监控和数据分析。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明机器人的整体结构示意图；

图2为本发明螺旋运动模块的轴测图；

图3为本发明电池仓的轴测图；

图4为本发明螺旋运动模块内部结构示意图；

图5为图4的正视图；

图6为本发明驱动模块的轴测图；

图7为本发明自适应支撑模块的轴测图；

图8为图7的正视图；

图9为本发明前置检测模块的轴测图；

图10为图9的正视图；

图11为本发明后置检测模块的轴测图；

图12为图11的正视图；

图13为图11的右视图；

图14为图11的俯视图；

图中：1为螺旋运动模块、2为驱动模块、3为自适应支撑模块、4为前置检测模块、5为后置检测模块；

11为螺旋驱动模块、12为电池仓、13为联轴器、111为驱动轮、112为舵机、113为第一螺栓、114为丝杠、115为第一弹簧、116为丝杠螺母、117为同步轮、118为同步带、119为支撑座、1110为驱动电机、1111为小锥齿轮、1112为大锥齿轮、1113为舵机安装架、121为电池仓壳体、122为电池盖板；

21为电机连接件、22为电机稳固件、23为电机支撑件、24为连接杆、25为牵引电机、26为螺母、27为垫圈、28为平垫；

31为自适应机构、32为中心座、33为支撑轮、34为第二螺栓、35为轮架、36为螺钉、37为升降柱、38为子母螺丝、39为升降桶、310为第二弹簧；

41为前置测温传感器、42为前置测距传感器、43为甲烷传感器、44为导航摄像头、45为前置封装外壳、46为前置端盖、47为蓝牙传输模块；

51为后置测温传感器、52为后置测距传感器、53为蜂鸣报警器、54为检测摄像头、55为后置封装外壳、56为后置端盖。

具体实施方式

如图1至图14所示，本发明提供了一种自适应螺旋驱动式管道缺陷检测机器人，主要由依次连接的前置检测模块4、自适应支撑模块3、驱动模块2、螺旋运动模块1和后置检测模块5五个部分组成，这些模块相互协调工作，以实现机器人在管道内的检测任务。具体而言，螺旋运动模块1构成了整个机器人的驱动力输出部分，通过该部分的结构来主动控制机器人的驱动轮111与管道轴线的夹角即螺旋角和驱动轮111与管道内壁的压力，从而改变机器人牵引力适应不同环境的管道，使得机器人在管道内以螺旋式运动前进，因此称为螺旋式管道机器人。驱动模块2为机器人提供牵引力，自适应支撑模块3使得机器人可以适应不同的管径，前置检测模块4和后置检测模块5分别位于机器人的前部和后部，内置了多种传感器和控制单元。这些传感器可实时监测管道内的各种参数，包括管道缺陷、温度、气体浓度等。

参照图2-5，本发明的螺旋运动模块1用于为机器人提供驱动力输出，螺旋运动模块1的具体结构如下：螺旋运动模块1主要包括三个螺旋驱动模块11和位于中心的驱动电机1110，三个螺旋驱动模块11之间相互间隔120°，三个螺旋驱动模块11的两两之间分别固定一个电池仓12，三个电池仓12可容纳三块锂电池，为机器人螺旋运动模块1和后置检测模块5提供续航能力。电池仓12包括电池仓壳体121和电池盖板122，通过电池仓12储存电池。螺旋运动模块1的一端通过联轴器13与驱动模块2相连接，螺旋运动模块1的另一端与后置检测模块5固定连接。其中每个螺旋驱动模块11由驱动轮111和舵机112组成。驱动轮111通过轮架安装在舵机112上，舵机112通过四个第一螺栓113与舵机安装架1113相连。舵机安装架1113的两端下方分别连接一根丝杠114，丝杠114上连接有丝杠螺母116，丝杠114的底端连接有同步轮117，两个同步轮117之间连接有同步带118，两个同步轮117分别固定在支撑座119上，在舵机安装架1113的底端两侧分别分布两个第一弹簧115来实现螺旋驱动模块11对管道直径变化的适应，其中第一弹簧115套在第一螺栓113上，第一螺栓113固定在舵机安装架1113两端。在螺旋运动模块1的内部中心设置有驱动电机1110，其输出轴与大锥齿轮1112固定连接，大锥齿轮1112上啮合有三个小锥齿轮1111，三个小锥齿轮1111上分别连接有同步轮117。

螺旋运动模块1的原理为：通过驱动电机1110输出轴的旋转，带动大锥齿轮1112进行转动，从而带动三个小锥齿轮1111同步转动，通过小锥齿轮1111转动，带动丝杠114和同步轮117旋转。同步轮117进而带动同步带118旋转，丝杆螺母116可在丝杆114上移动，以调节第一弹簧115的压缩量，从而改变驱动轮111与管道内壁的压力，提高管道机器人的牵引力，能够适应不同管道内壁的情况，提高了管道机器人在管道内的性能和可靠性。

本发明的驱动模块2用于为机器人提供牵引力，确保机器人在管道内的稳定行驶。参照图6，主要包括固定在电机连接件21和电机稳固件22之间的牵引电机25，在电机稳固件22的四周固定有电机支撑件23，牵引电机25固定在电机支撑件23之间，且牵引电机25的底座与电机稳固件22固定连接，同时通过连接杆24将电机连接件21与电机稳固件22连接，并通过圆头螺母26对连接杆24的上下侧进行固定，同时采用垫圈27和平垫28对螺母26与螺栓之间进行进一步保护，该部分通过电机连接件21、电机稳固件22、电机支撑件23、连接杆24对牵引电机25进行固定，并通过圆头螺母26、垫圈27和平垫28将连接杆24与电机稳固件22和电机支撑杆23进行连接，从而使牵引电机25能够为机器人提供稳定动力。并且在电机连接件21中心开设牵引电机25输出轴的孔，通过联轴器13实现牵引电机25与螺旋运动模块1的连接，通过牵引电机25的转动，从而带动螺旋运动模块1整体360度转动，进而带动后置检测模块5实现360度转动。

参照图7-8，本发明的自适应支撑模块3主要由三个自适应机构31组成，三个自适应机构31周向120度焊接在中心座32上，自适应机构31包括升降桶39、升降柱37和支撑轮33，支撑轮33通过第二螺栓34安装在轮架35上，轮架35通过螺钉36与升降柱37相连。升降桶39固定在支撑座32上，升降桶39内设置有第二弹簧310，升降柱37的底部设置在升降桶39内，升降柱37底部贯穿有子母螺丝38，支撑轮33可通过贯穿在升降柱37上的子母螺丝38挤压升降桶39内的第二弹簧310，从而达到主动适应不同管径的管道。自适应支撑模块2可平衡螺旋运动模块1旋转过程中所产生的反向扭矩。

参照图9-10，本发明的前置检测模块4包括前置封装外壳46和两侧的前置端盖45，其中与自适应机构31相连的气质端盖45上放置有前置蓝牙传输模块47，位于外侧的前置端盖45上设置有导航摄像头44、前置测温传感器41、前置测距传感器42，在前置封装外壳46的顶部设置有甲烷传感器43，在前置封装外壳46内部设置有前置检测电路板，前置检测电路板上集成有前置控制器，前置控制器通过导线分别与导航摄像头44、前置测温传感器41、前置测距传感器42、甲烷传感器43、前置蓝牙传输模块47相连，用于实时监测管道内的缺陷、温度、气体浓度等参数，机器人在运动过程中导航摄像头44会不断输出图像，并通过相应的算法进行处理，以确定机器人在管道中的位置和方向。这样，机器人可以准确地移动和定位发现缺陷位置时，前置测距传感器42对缺陷部位与机器人的位置进行定位，前置蓝牙传输装置47将数据传输至控制端以进行分析和处理。实现与远程控制中心的数据传输和通信，便于实时监控和远程操作。

参照图11-14，本发明的后置检测模块5包括后置封装外壳56和两侧的后置端盖55，在后置封装外壳56上设置有检测摄像头54、后置测温传感器51、后置测距传感器52和后置蓝牙传输模块，在外侧的后置端盖55上设置有蜂鸣报警器53，在后置封装外壳56内部设置有后置检测电路板，后置检测电路板上集成有后置控制器，后置控制器通过导线分别与检测摄像头54、蜂鸣报警器53、后置测温传感器51、后置测距传感器52和后置蓝牙传输模块相连。同时检测摄像头54具备自动对焦功能，并能够在昏暗的管道环境中清晰地捕捉到管道内的缺陷信息。检测摄像头54使得机器人能够在螺旋前进过程中，绕管道轴线不断旋转扫描。机器人可以满足管道内壁360°的检测需求，同时输出图像并对画面进行实时储存。在巡检过程中，如果机器人检测到管道内瓦斯等危险气体的浓度降至爆炸极限，它会及时触发报警机制，蜂鸣报警器53进行报警，这样可以确保及时采取相应的安全措施，以防止潜在的爆炸事故。还可以控制机器人的舵机112和牵引电机25，通过调节这些舵机112的偏转角度、牵引电机25的转速使得机器人可以实现在管道内的位姿调整、速度控制以及过弯方式的调节。这样，机器人可以根据具体管道的形状和条件，灵活地适应管道作业的需求。

本发明的工作原理如下：

螺旋运动模块1通过联轴器13将驱动模块2中的牵引电机25与其相连，由电池仓12给驱动电机1110与舵机112提供动力，当螺旋运动模块1中的螺旋驱动模块11通过舵机112转动使驱动轮111与管道轴线形成特定的螺旋角后，驱动模块2中的牵引电机25旋转，使机器人以螺旋向前运动，机器人的前置检测模块4中的导航摄像头44对前方管道的状况进行视觉评估。这种实时视觉反馈使机器人能够识别管道内的障碍物或缺陷，如裂缝、腐蚀或其他形式的损坏。随着管道直径的变化，机器人可以相应地适应不同管径，确保顺利穿过管道的不同管径，为了增强机器人的自适应功能，螺旋运动模块1中可通过控制单元来控制位于机器人中心的驱动电机1110的旋转，继而使得丝杠螺母116压缩第一弹簧115，使得机器人的驱动轮111与管道内壁的正压力调节，增加机器人在管道内的适应能力，与驱动模块2连接的自适应支撑模块3由升降柱37与升降桶37之间的第二弹簧310压缩来实现自主变径，使机器人可以通过不同尺寸的管道，适应不同的管道配置和布局。其中驱动轮111上安装有压力传感器可连续测量驱动轮111和管道内壁之间的压力，为控制端提供有价值的反馈，控制端可以从以前的检查数据中学习，调整机器人的最佳运行姿态提升机器人在管道内的适应能力。当检测摄像头54检测到管道缺陷时，将前置测温传感器41测到的管内温度与检测摄像头54检测的管道缺陷图片一起通过前置蓝牙传输模块47传输至控制端，从而了解管道内缺陷信息与参数指标，实现管道泄漏事故的预防和针对性的防控。后置检测模块5中的检测摄像头54在机器人螺旋向前时，对管道内径周向的状况进行勘察，通过甲烷传感器43对管道内部气体浓度进行检测并传输至控制端，当机器人检测到管道内存在缺陷，或者甲烷传感器43检测到气体浓度超标时，蜂鸣报警器53进行报警工作，提醒操作人员及时采取相应措施。

机器人进入管道作业时，轮体与管壁接触产生的压力使螺旋驱动模块11与自适应支撑模块3中的弹簧压缩，实现自适应管径。螺旋运动模块1中的螺旋驱动模块11通过舵机112旋转，使连接在轮架上的驱动轮111与管道轴线方向有一个夹角，即螺旋角，当驱动模块2中的牵引电机25运动带动螺旋驱动模块11旋转时，使机器人在管道内螺旋运动。

整个机器人由驱动模块2前端与螺旋运动模块1相连，后端与自适应支撑模块4相连接，形成一个紧密而高效的工作结构。这样的设计使机器人能够适应不同管道环境，并有效地完成任务。

在不同工况下，驱动轮111与管道内壁的摩擦系数不同，因此机器人的运行状态也会变化。因此，需要根据实际工况调整适当的螺旋角（驱动轮111与管道轴线的夹角）和正压力（驱动轮111与管道内壁的压力）来适应不同的环境。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。