一种自适应管径的轮式管道内检测机器人

技术领域

本发明属于管道检测相关技术领域，具体涉及一种自适应管径的轮式管道内检测机器人。

背景技术

油气管道在长时间使用过程中，受地理环境和自然灾害的影响，会发生管道的腐蚀、裂纹和断裂的问题。为避免出现油气泄漏污染环境和安全的问题，保障油气管线的安全运营，需要定期对管线状况进行巡检。其中，管内检测是油气管道检测中较为常见的一种方式。而轮式检测装置由于其方便、成本低等优点成为管道检测中较为常用的装置。

轮式检测装置主要由前后行走轮组及连接于前后行走轮组之间的检测机构构成。检测机构大多采用无损检测的方式，其中导波超声检测是较为常见的无损检测的方式。为满足管道的变径要求，现有技术中公开有自适应管径的轮式管道内检测机器人，但现有的自适应管径的轮式管道内检测机器人在适应管道直径变化的过程中会出现由于检测模块密度变化导致检测精度变化的问题，适应性不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种在适应管道直径变化的过程中可保持检测模块密度匹配，从而可保持检测精度，具有较好的适用性的自适应管径的轮式管道内检测机器人。

本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种自适应管径的轮式管道内检测机器人，其特征在于：包括支撑行走机构、主体检测机构和驱动行走机构，所述支撑行走机构、主体检测机构和驱动行走机构前后依次设置，并通过万向节依次连接；所述支撑行走机构用于支撑整个机器人在管道中，所述驱动行走机构用于驱动机器人在管道中自主行走，所述主体检测机构用于检测管壁缺陷；

所述支撑行走机构和驱动行走机构均为可随管道内径尺寸变化随动调节径向尺寸的行走机构；所述支撑行走机构通过三组从动前轮组与管道内壁接触；所述驱动行走机构通过三组主动后轮组与管道内壁接触；

所述主体检测机构包括电控单元和检测执行机构；所述电控单元设置于检测执行机构的前端，所述电控单元集成于一检测筒内，两者通过万向节连接；

所述检测执行机构包括固定盘组件、多组检测模块组件及检测变径驱动机构构成；所述多组检测模块组件沿圆周方向均布设置并与管道内壁形成检测接触，所述多组检测模块组件以沿径向被导向的方式与固定盘组件配合；所述检测变径驱动机构同时与多组检测模块组件形成驱动连接，在管道变径的过程中，用于驱动多组检测模块组件同步实现径向尺寸调节，同时随管道内壁面积的变化实现检测面积的调节。

而且，所述支撑行走机构包括盘状中心座，在盘形中心座上沿圆周方向均布设置有三个径向杆插装孔，在每个径向杆插装孔内可移动式插装有三个外伸出的径向支撑杆，在每个径向支撑杆上套装一径向压簧，在径向支撑杆上位于径向压簧的外侧套设有压力传感器；在每个径向支撑杆的外端均固定安装有从动前轮组，每组从动前轮组均包括前轮架，所述前轮架采用U形支架，U形支架的底边通过压力传感器与径向压簧的外端压紧接触。在U形支架的两侧边上设置有轴孔，在轴孔内安装有前轴，在每个前轴上可转动式安装有一前轮。

而且，所述驱动行走机构包括筒状中心座，在筒状中心座的筒壁上沿圆周方形均布设置有三处安装槽，在每处安装槽内沿轴向方向固定安装还有一导向柱，在每个导向柱上靠近前端的位置均固定卡装一固定块，在每个导向柱上靠近后端的位置可滑动式套装一滑块，在每个导向柱上位于滑块的后部套设有轴向压簧；在每个固定块的外端均通过第一销轴与一主支撑臂的内端可相对转动式连接，在每个主支撑臂的外端均安装有一组主动后轮组，所述主动后轮组包括安装在主支撑臂外端的后轴、安装在后轴上的后轮及与后轴一端驱动连接的后轮驱动电机；每个滑块的外端均通过第二销轴与一副支撑臂的内端可相对转动式连接，每个副支撑臂的外端均通过第三销轴与对应主支撑臂的后侧靠近中部的位置可相对转动式连接。

而且，所述固定盘组件由前挡盘、中间盘和后挡盘通过螺栓固定连接构成；在前挡盘和中间盘之间，中间盘与后挡盘之间均设置有安装间隔；在中间盘和后挡盘上均设置有中心孔；在中间盘上靠近前挡盘的一侧靠近其外边部的位置沿圆周方向均布固定安装有多个支撑座，在支撑座上设置有沿径向方向的穿杆通孔；在中间盘和后挡板的中心孔内可转动式安装有传动轴。

而且，每组检测模块组件包括第一探头组件、第二探头组件、第三探头组件、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一导向杆、第二导向杆；沿圆周方向，第二探头组件设置于第一探头组件和第三探头组件之间，第一连杆的两端分别通过销轴与第一探头组件的一端和第二探头组件的一端连接，第二连杆的两端分别通过销轴与第二探头组件的另一端与第三探头组件的一端铰连接；第一连杆和第二连杆均为左右设置的两组，分别实现第二探头组件与第一探头组件和第三探头组件在左侧和右侧形成连接；所述第三连杆和第四连杆的上端分别与第一探头组件的下端和第三探头组件的下端铰连接，第三连杆的下端和第四连杆的下端与第一导向杆的上端形成同轴铰连接；所述第二导向杆的上端与第二探头组件的下端中部固定连接，在第二导向杆的下端设置有垂直导向头，在导向头上可安装导向滚；多组检测模块组件通过第一导向杆一一插入到固定于中间盘上的支撑座上的穿杆通孔内。

而且，所述检测变径驱动机构包括伺服电机、电机安装座、旋转盘、旋转支座；所述电机安装座采用筒状支座，所述电机安装座固定安装于后挡盘的后端，所述伺服电机安装于电机安装座的内腔中，伺服电机的输出端与上述的传动轴同轴驱动连接。所述旋转支座和旋转盘分别设置于前挡盘与中间盘之间及中间盘与后挡盘之间，并分别与主动轴形成套装驱动连接；所述旋转支座由中心套和连接于中心套外圆周上沿圆周方向均布设置的多个径向支撑臂构成，多个径向支撑臂的外端分别通过一第五连杆与多个第一导向杆的内端连接；所述旋转盘上设置有中心孔，在中心孔的外围沿圆周方向布设有多个变径驱动弧形槽，多组检测模块组件的第二导向杆上的导向滚分别一一可滚动式嵌装与多个变径驱动弧形槽内。

本发明具有的优点和积极效果为：

本发明中的支撑行走机构和驱动行走机构随管道内径的变化可实现随动径向尺寸调节，电控单元根据主支撑行走机构中的压力传感器的压力大小，对检测变径驱动机构的伺服电机的旋转角度进行控制，从而实现主体检测机构部分的变径调节，进而实现在管径变化过程中检测密度保持不变，保证了检测精度，达到了较好的适用性。

附图说明

图1是本发明的整体结构视图；

图2是本发明支撑行走机构的结构图；

图3是本发明主体检测机构的整体图；

图4是本发明主体检测执行机构中固定盘组件及检测变径驱动机构的连接图(请用纵向剖视图显示)

图5是本发明检测执行机构正视图；

图6是本发明检测执行机构后视图；

图7是本发明检测执行机构的立体图；

图8是本发明旋转盘的结构示意图；

图9是本发明整体变径过程示意图；

图10是本发明对应于第一种形式弧形槽的单组检测模块组件从正面看的变径过程示意图；

图11是本发明对应于第二种形式的弧形槽的单组检测模块组件从后面看的变径过程示意图；

图12是本发明驱动行走机构的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

一种自适应管径的轮式管道内检测机器人，请参见图1-图12，其发明点为：主要包括支撑行走机构、主体检测机构和驱动行走机构，所述支撑行走机构、主体检测机构和驱动行走机构前后依次设置，并通过万向节依次连接。所述支撑行走机构1主要负责支撑整个机器人在管道中，驱动行走机构3主要负责驱动机器人在管道中自主行走，主体检测机构2负责检测管壁缺陷。

所述支撑行走机构可实现随管道内经的变化进行自适应径向尺寸调节，主要包括盘状中心座1.1，在盘形中心座上沿圆周方向均布设置有三个径向杆插装孔，在每个径向杆插装孔内可移动式插装有三个外伸出的径向支撑杆1.2，在径向支撑杆与对应的径向杆插装孔处设置有防止径向支撑杆外脱出的限位结构，比如，在径向支撑杆的内端固定直径大于径向支撑杆本体的导向头，通过导向套与径向杆插装孔形成导向配合，在径向杆插装孔的外端固定安装端盖，端盖上设置与径向支撑杆本体尺寸一致的中心孔，通过端盖与导向头的限位配合，实现对径向支撑杆的防脱。在每个径向支撑杆上套装一径向压簧1.3，在径向支撑杆上位于径向压簧的外侧套设有压力传感器1.4，在径向支撑杆的外端固定安装有前轮架1.5，所述前轮架采用U形支架，U形支架的底边通过压力传感器与径向压簧的外端压紧接触。在U形支架的两侧边上设置有轴孔1.6，在轴孔内安装有前轴1.7，在每个前轴上可转动式安装有一前轮，上述前轮架、前轴及前轮构成从动前轮组。所述前轮在径向压簧的作用下，与管道内壁面相接触。本支撑行走机构通过三个径向弹簧分别顶压三个径向支撑杆，通过径向顶压杆带动前轮与管道内壁面接触，当管道内径变化时，通过径向压簧的压缩量来进行控制，实现了随管道内径的自适应调节。

所述驱动行走机构可实现随管道内经的变化进行自适应径向尺寸调节，主要包括筒状中心座3.1、导向柱3.3、固定块3.2、滑块3.8、轴向压簧3.9、主支撑臂3.4、副支撑臂3.5、后轮3.7、后轮驱动电机。在筒状中心座的筒壁上沿圆周方形均布设置有三处安装槽，在每处安装槽内沿轴向方向固定安装还有一导向柱，在每个导向柱上靠近前端的位置均固定卡装一固定块，在每个导向柱上靠近后端的位置可滑动式套装一滑块，在每个导向柱上位于滑块的后部套设有轴向压簧。在每个固定块的外端均通过第一销轴与一主支撑臂的内端可相对转动式连接，在每个主支撑臂的外端均通过后轴3.6可转动式安装有一后轮，所述后轮的一端与一后轮驱动电机形成驱动连接，所述后轮驱动电机固定于对应主支撑臂的外端一侧外，所述后轮驱动电机3.10、后轮及后轴构成主动后轮组。每个滑块的外端均通过第二销轴与一副支撑臂的内端可相对转动式连接，每个副支撑臂的外端均通过第三销轴与对应主支撑臂的后侧靠近中部的位置可相对转动式连接。本驱动行走机构通过三个轴向压簧施加顶压力在滑块上，通过滑块将压力传动到副支撑臂上，继而通过副支撑臂将压力传递给主支撑臂，最终通过主支撑臂带动后轮与管道内壁面相接触。当管道内径变化时，通过轴向压簧的压缩量来进行控制，实现了随管道内径的自适应调节。

所述主体检测机构电控单元2.1和检测执行机构2.2。所述电控单元设置于检测执行机构的前端，所述电控单元集成于一检测筒内，两者通过万向节连接。

所述检测执行机构包括固定盘组件、多组检测模块组件及检测变径驱动机构构成。

所述固定盘组件由前挡盘2.2.1、中间盘2.2.2和后挡盘2.2.3通过螺栓固定连接构成。在前挡盘和中间盘之间，中间盘与后挡盘之间均设置有安装间隔。在中间盘和后挡盘上均设置有中心孔。在中间盘上靠近前挡盘的一侧靠近其外边部的位置沿圆周方向均布通过螺钉固定安装有多个支撑座2.2.17，在支撑座上设置有沿径向方向的穿杆通孔。在中间盘和后挡板的中心孔内通过轴承或轴套可转动式安装有传动轴2.2.18。

所述多组检测模块组件沿圆周方向均布设置，每组检测模块组件包括第一探头组件2.2.8、第二探头组件2.2.9、第三探头组件2.2.10、第一连杆2.2.11、第二连杆2.2.12、第三连杆2.2.13、第四连杆2.2.14、第一导向杆2.2.15、第二导向杆2.2.16。沿圆周方向，第二探头组件设置于第一探头组件和第三探头组件之间，第一连杆的两端分别通过销轴与第一探头组件的一端和第二探头组件的一端连接，第二连杆的两端分别通过销轴与第二探头组件的另一端与第三探头组件的一端铰连接。第一连杆和第二连杆均为左右设置的两组，分别实现第二探头组件与第一探头组件和第三探头组件在左侧和右侧形成连接。所述第三连杆和第四连杆的上端分别与第一探头组件的下端和第三探头组件的下端铰连接，第三连杆的下端和第四连杆的下端与第一导向杆的上端形成同轴铰连接，所述第二导向杆的上端与第二探头组件的下端中部固定连接，在第二导向杆的下端设置有垂直导向头，在导向头上可安装导向滚。

多组检测模块组件通过第一导向杆一一插入到固定于中间盘上的支撑座上的穿杆通孔内，实现沿圆周方向均布安装于固定盘组件外部。

所述检测变径驱动机构包括伺服电机2.2.5、电机安装座2.2.4、旋转盘2.2.6、旋转支座2.2.7。所述电机安装座采用筒状支座，所述电机安装座固定安装于后挡盘的后端，所述伺服电机安装于电机安装座的内腔中，伺服电机的输出端与上述的传动轴同轴驱动连接。所述旋转支座和旋转盘分别设置于前挡盘与中间盘之间及中间盘与后挡盘之间，并分别与主动轴形成套装驱动连接。

所述旋转支座由中心套和连接于中心套外圆周上沿圆周方向均布设置的多个径向支撑臂构成，多个径向支撑臂的外端分别通过一第五连杆与多个第一导向杆的内端连接，实现在主动轴旋转的情况下，带动第一导向杆沿径向进行内外运动。

所述旋转盘上设置有中心孔，在中心孔的外围沿圆周方向布设有多个变径驱动弧形槽2.2.6a，上述多组检测模块组件的第二导向杆上的导向滚分别一一可滚动式嵌装与多个变径驱动弧形槽内。为实现在变径的过程中，多组检测模块组件对管道的检测密度保持不变，确保检测精度保持不变。即检测探头数量满足检测管道直径最大时候的需求，在直径减小的过程中探头数量逐渐减少。本发明中，旋转盘上的多个变径驱动弧形槽采用了不同的弧度，具体的，变径驱动弧形槽采用交替设置的两种形式的弧形槽，第一种形式的弧形槽，在由最大检测直径向小直径变化的前半程，每组检测模块组件的第一探头组件、第二探头组件、第三探头组件发生同步的径向位移，三个探头组件之间无相对位移；而在直径变化的后半程，每组检测模块组件的第一探头组件和第三探头组件发生同步的径向位移，而第二探头组件的径向位移速度大于对应组的第一探头组件和第三探头组件的径向位移速度，第二探头组带动实现第一和第三探头组件产生沿圆周方向的相互靠近的位置，第二探头组件折叠于第一和第三探头组件的内部，减小对管道内部的检测面积。而第二种形式的弧形槽，在由最大检测直径向小直径变化的前半程，第二探头组件的径向位移速度大于对应组的第一探头组件和第三探头组件的径向位移速度，第二探头组带动实现第一和第三探头组件产生沿圆周方向的相互靠近的位置，第二探头组件折叠于第一和第三探头组件的内部，减小对管道内部的检测面积；而在直径变化的后半程，每组检测模块组件的第一探头组件、第二探头组件、第三探头组件发生同步的径向位移，三个探头组件之间无相对位移，见图8。

综上，从管道内大径位置到小径位置的变化过程中：按照依次间隔的方式先减小一部分检测模块组件的检测面积，然后再减小另一部分检测组件的检测面积，达到在变径的过程中，保持检测密度不变。而从管道内小径位置到大径位置的变化过程，与上述变化过程刚好相反。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。