一种两栖探查作业移动机器人

技术领域

本发明涉及管道检测技术领域，具体涉及一种两栖探查作业移动机器人。

背景技术

排水管道在制造及投入运行等过程中都可能存在缺陷，及时对管道检测，准确了解管道的运行状况，可以保证管道的可靠安全运行。排水管道环境复杂，存在淤积、变形、异物插入、建筑垃圾堆积等缺陷，需通过管道检测机器人定期进行检测。

目前市面上管道检测机器人以CCTV小车与全地形双螺旋机器人为主；比如公告号为CN211344445U，专利名称为一种CCTV管道检测用机器人的现有专利文献中，便记载了CCTV管道检测小车，包括机器车体，所述机器车体上左右两侧位置分别设有多个行走轮，机器车体内设有行走驱动机构，机器车体上顶部位置安装有摄像装置，所述机器车体内底部中间位置安装有电源模块，电源模块上方的固定架顶端安装有PCB板，PCB板上安装有控制行走驱动机构、摄像装置工作的CPU，CPU上还连接有无线通信模块和加速度传感器。其CCTV小车检测只适用于新管道验收或干净无水管道检测，当遇到针对水位高或满水管道检测的时候，其检测前需要进行封堵、抽水等工序，然后实现管道处于污无水环境才能检测，这种检测局限性较大，适用环境窄。而全地形机器人多用于大管径管道的低水位检测或箱涵检测，该种机器人检测一般不适用于高水位检测，高水位检测会影响机器人使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决目前管道检测机器人适用范围小，检测时局限性较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种两栖探查作业移动机器人，包括机体系统和行走系统，其中行走系统安装在机体系统的两侧，所述机体系统包括有机体组件，其中机体组件又包括有上车体和下车体，上车体安装在下车体的上方，所述下车体的两侧均设有上下两组安装位；所述行走系统为轮式行走组件或者履带式行走组件，所述轮式行走组件或者履带式行走组件安装在下车体两侧的相应安装位上。

本申请设轮式行走组件或者履带式行走组件，均可安装在下车体上，履带式行走模块适用淤积、部分带水的管道环境检测，轮式行走模块适应小管径及无水、潜水的管道环境检测，则通过将行走系统与机体系统进行快换，使得本移动机器人能够适用于多种不同环境，提高本申请的适用范围，提高实用性和检测范围局限性；通过在下车体的两侧均设有上下两组安装位，则轮式行走组件或者履带式行走组件均有上下两种安装方式，且每种安装方式适用的场景又不同，进一步增加本申请的适用范围，提高实用性，比如履带式行走组件与上安装位固定时，适合水面和倾角较大的干净硬实管道检测，履带式行走组件与下安装位固定时，适合淤积较深的污水管道和松软的流沙等地面环境检测；轮式行走组件与上安装位固定时，适合小管径、管道淤积和建筑垃圾较少的管道运行，轮式行走组件与下安装位固定时，适合大块建筑垃圾较多的雨水管道、满水和高水位排水管道潜水爬行运行。

作为本发明进一步的方案：所述下车体的两侧均安装有上下分布的两个齿轮，其中两个齿轮啮合连接有驱动齿轮，所述驱动齿轮由横向安装在机体组件内的驱动电机驱动，下车体的两侧的齿轮和驱动齿轮通过封盖紧固在下车体的两侧；所述下车体的内部且位于驱动电机的一侧还设有驱动器。

本申请驱动电机横向安装在下车体内，且驱动电机直连驱动齿轮，进而驱动上下安装位的两组齿轮转动，无需换向，无径向力，结构简单且可靠。

作为本发明进一步的方案：所述机体系统包括有设在上车体上的防水运动相机组件、前视照明组件、雷达组件、后视像机组件和防护栏、以及设在下车体上的声呐组件和线夹组件；所述声呐组件和线夹组件分别设在下车体的两端；所述防水运动相机组件设在上车体的顶部一侧，防护栏设在上车体的顶部、且防水运动相机组件的外侧；所述雷达组件和后视像机组件位于上车体的后端，前视照明组件位于上车体的前端。

作为本发明进一步的方案：所述防水运动相机组件包括有机芯、机座、壳体、防护罩和减震柱，所述机座上方设有机芯，机芯的外侧设有防护罩，且防护罩的底部壳体安装在上车体上，所述机座的底部还设有减震柱。

作为本发明进一步的方案：所述前视照明组件包括有前射灯模组和辅助灯，所述前射灯模组安装在上车体的前端，辅助灯设在下车体的前端，且辅助灯位于前射灯模组的下方；所述声呐组件位于前视照明组件的下方，声呐组件包括有声呐和声呐防护架，其中声呐设在下车体的前端，声呐防护架设在声呐的外侧。

作为本发明进一步的方案：所述雷达组件包括有雷达和雷达安装座，其中雷达的一侧通过雷达安装座安装在上车体的后端。

作为本发明进一步的方案：所述后视像机组件包括有后视像机、后视补光灯组、后视像机安装座和封板，其中后视像机的前侧设有后视补光灯组、后侧通过后视像机安装座安装在上车体的后端，所述后视像机的前侧还安装有封板；所述后视像机组件位于雷达组件的一侧。

作为本发明进一步的方案：所述线夹组件包括有线夹和牵引座，所述牵引座安装在下车体的后端，牵引座上通过线夹连接有弹簧。

作为本发明进一步的方案：所述轮式行走组件包括有轮架和车轮，其中轮架的两侧通过传动链轮与车轮的转轴连接，且两个传动链轮之间通过链条传动连接，所述轮架的外侧设有护罩；所述轮架的中部位置处设有与下车体进行固定的轮式固定座。

作为本发明进一步的方案：所述履带式行走组件包括有履带架，所述履带架的两侧传动连接有链轮，两组链轮之间通过链组传动连接，所述链组的外侧等距设有若干个橡胶块；所述履带架上还设有与链组啮合连接的张紧轮，所述履带架的中部位置设有与下车体进行固定的固定座，履带架的前端安装有浮筒，浮筒的外侧设有挡泥板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本申请设轮式行走组件或者履带式行走组件，均可安装在下车体上，履带式行走模块适用淤积、部分带水的管道环境检测，轮式行走模块适应小管径及无水、潜水的管道环境检测，则通过将行走系统与机体系统进行快换，使得本移动机器人能够适用于多种不同环境，提高本申请的适用范围，提高实用性；通过在下车体的两侧均设有上下两组安装位，则轮式行走组件或者履带式行走组件均有上下两种安装方式，且每种安装方式适用的场景又不同，进一步增加本申请的适用范围，提高实用性，有效解决针对不同工况选用不同设备的现状，同时适用于水、淤泥、建筑垃圾等复杂工况的运动，通过将两种行走组件及在机体上下安装位进行快换，使得本移动机器人能够适用于多种不同环境下进行使用，提高本申请的适用范围，提高实用性；

二、履带式行走组件与上安装位固定时，由于履带行走模块浮力较大，可在高水位管道中漂浮在水面上，在上安装位安装时机器人重心降低、不易摆动倾翻，因此适合部分带水的管道环境漂浮航行检测和倾角较大的干净硬实管道检测，履带式行走组件与下安装位固定时，由于下安装位的安装导致机体离地间隙加大、具备较大越障能力，加上履带接地面积较大、接地比压较小、不易因下陷导致机器人机体托底，因此适合高淤积管道淤积面爬行、淤积较深的污水管道和松软的流沙等地面环境检测；

轮式行走组件与上安装位固定时，整机结构紧凑、体积较小、通过性较好，适合小管径检测，由于轮式行走组件车轮橡胶轮胎花纹较深、具有较大附着力、运行平稳，具有较好减震性，浮力较小，能够在水中自然下潜，适合小管径、管道淤积和建筑垃圾较少的管道运行；轮式行走组件与下安装位固定时，下安装位安装时机体抬高、越障能力大幅增强，适合大块建筑垃圾较多的雨水管道、满水和高水位排水管道潜水爬行运行，进一步细化机器人在各种场景下安装方式，提高机器人的灵活应用；

三、履带行走组件、轮式行走组件及挡水板的精准定位和两螺栓快换(两行走组件和上下安装位之间快换)结构，大幅提高功能转换效率及客户认可度；

四、本申请的驱动电机横向安装在下车体内，驱动电机直连两组驱动齿轮，进而驱动上或下安装位的两组齿轮转动，无需进行换向结构紧凑，且无轴径向力可承受较大载荷，结构简单可靠，确保驱动齿轮与齿轮平稳运行；

五、本申请设有前视照明组件，前后照明灯组由60°、90°、120°等多个不同角度聚光灯对称布局，可根据距离远、近管径大、小检测照明需求按需开启；

六、本申请通过设置声呐组件和雷达组件，声呐组件设在机体组件的前端下部，雷达组件设在机体组件的后端上部，互不遮挡，在半水管道时拟合生成上下两个半圆轮廓图像(上半部水面以上部分为雷达图像、下半部水面以下部分为声呐图像)，实时显示管道内壁变形、结垢、塌陷、破损、支管暗接、异物插入、淤积等缺陷，无水或水位较低工况可仅用雷达、满水工况可仅用声呐，生成完整管壁的轮廓图像，声呐和雷达形成的横向环形轮廓图像结合机器人行走纵向距离数据独立或二者拟合为可精准测量的3D图像，径向通过截面轮廓图时钟法、纵向通过牵引电缆长度计米精准、直观显示管道缺陷的位置、形状、大小，还可通过3D图形及展开的二维图形，进行定性、定量判读，完整体现管道健康状况；

七、选装挡水板，履带行走组件安装在上位时，通过在履带链轮的外侧设置挡泥板，用来遮挡橡胶块拨起的水花或泥点，防止对声呐、雷达成像造成干扰，履带式行走组件在下位和换装轮式行走组件换装时拆除，防止搅起的硬质淤泥、块状垃圾卡阻在挡水板和履带间影响正常运行；

八、声呐不锈钢防护架具备较高强度，前端安装锥形帽盖，防止坚硬障碍物对声呐的撞击，防护架外包非金属护套或涂层，防止金属吸收声波影响声呐正常工作。

附图说明

图1为本发明实施例轮式行走组件和机体系统形成的轮式行走机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例履带式行走组件和机体系统形成的履带式行走机器人的结构示意图；

图3为本发明实施例机体系统前端的示意图；

图4为本发明实施例机体系统后端的示意图；

图5为本发明实施例机体组件的结构示意图；

图6为本发明实施例图4的左视图；

图7为本发明实施例图6中的A-A向剖视图；

图8为本发明实施例图6中I部分放大图；

图9为本发明实施例防水运动相机组件的部分结构示意图；

图10为本发明实施例防水运动相机组件的结构示意图；

图11为本发明实施例图10的平面图；

图12为本发明实施例机体系统的前端结构示意图；

图13为本发明实施例机体系统的后端结构示意图；

图14为本发明实施例后视像机组件的部分结构示意图；

图15为本发明实施例后视像机组件的结构示意图；

图16为本发明实施例雷达组件的结构示意图；

图17为本发明实施例轮式行走组件的结构示意图；

图18为本发明实施例轮式行走组件的内部结构示意图；

图19为本发明实施例履带式行走组件的结构示意图；

图20为本发明实施例履带式行走组件的内部结构示意图；

附图标记说明：

1、机体系统；

11、机体组件；111、上车体；112、下车体；113、驱动电机；114、驱动器；115、驱动齿轮；116、齿轮；117、封盖；

12、防水运动相机组件；121、机芯；122、机座；123、壳体；124、防护罩；125、减震柱；

13、前视照明组件；131、前射灯模组；132、辅助灯；

14、声呐组件；141、声呐；142、声呐防护架；143、盖帽；

15、雷达组件；151、雷达；152、雷达安装座；

16、后视像机组件；161、后视像机；162、后视补光灯组；163、后视像机安装座；164、封板；

17、防护栏；

18、线夹组件；181、线夹；182、牵引座；183、弹簧；

2、行走系统；

21、轮式行走组件；211、车轮；212、轮架；213、护罩；214、传动链轮；215、链条；216、轮式固定座；

22、履带式行走组件；221、履带架；222、链轮；223、链组；224、张紧轮；225、橡胶块；226、挡泥板；227、浮筒；228、固定座。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，一种两栖探查作业移动机器人，包括机体系统1和行走系统2，其中行走系统2安装在机体系统1的两侧，行走系统2用来带动机体系统1整体进行移动，而机体系统1为行走系统2提供行走动力。

参照图1，当行走系统2选用轮式行走组件21的时候，即轮式行走组件21安装在行走系统2的两侧，此时移动机器人为轮式行走机器人，其中轮式机器人适用于小管径及无水、潜水的管道环境检测。

参照图2，当行走系统2选用履带式行走组件22的时候，即履带式行走组件22安装在行走系统2的两侧，此时移动机器人为履带式行走机器人，其中履带式行走机器人适用于淤积、部分带水的管道环境检测。

参照图5，机体系统1包括有机体组件11，其中机体组件11又包括有上车体111和下车体112，上车体111安装在下车体112的上方，其中上车体111和下车体112的外壳选用铝合金材质，下车体112的两侧均安装有上下两组安装位，其中每组安装位均设有两处安装点，两处安装点分别安装在下车体112的前后端，二者并处于同一水平线上，其中一个安装点为驱动点、另一个安装点为从动点；需要注意的是，两组安装点均可以用来安装轮式行走组件21或者履带式行走组件22。

进一步的，轮式行走组件21分别与两侧的上安装位固定时，由于轮式行走组件21车轮具有附着力、运行平稳，具有较好减震性，浮力较小，能够在水中自然下潜，适合小管径、管道淤积和建筑垃圾较少的管道运行；轮式行走组件与21下安装位固定时，下安装位安装时机体抬高、越障能力大幅增强，适合大块建筑垃圾较多的雨水管道、满水和高水位排水管道潜水爬行运行，进一步细化机器人在各种场景下安装方式，提高机器人的灵活应用；

履带式行走组件22分别与两侧的上安装位固定时，由于履带式行走组件22浮力较大，可在高水位管道中漂浮在水面上，在上安装位安装时机器人重心降低不易、摆动倾翻，因此适合水面和倾角较大的干净硬实管道检测，履带式行走组件22与下安装位固定时，由于下安装位的安装导致机体离地间隙加大、具备较大越障能力，加上履带接地面积较大、不易因下陷导致机器人机体托底，因此适合淤积较深的污水管道和松软的流沙等地面环境检测。

进一步的，参照图6、图7和图8，下车体112的两侧均安装有上下分布的两个齿轮116，此处上下两个齿轮116正好对应上下两个安装位内的两个安装点，其中两个齿轮116啮合连接有驱动齿轮115，驱动齿轮115由横向安装在机体组件11内的驱动电机113驱动，下车体112的两侧的齿轮116和驱动齿轮115通过封盖117紧固在下车体的两侧；下车体112的内部且位于驱动电机113的一侧还设有驱动器114，需要注意的是，驱动电机113横向安装在下车体112内部，且驱动电机113的驱动直连驱动齿轮115，驱动齿轮115进而能够驱动两个齿轮116转动，无需进行换向，且无径向力，结构简单可靠，能够确保驱动齿轮115与齿轮116平稳运行，两个齿轮116处为两个驱动点，用来为行走系统(轮式行走组件21或者履带式行走组件22)提供驱动力。

参照图3和图4，机体系统1还包括有设在上车体111上的防水运动相机组件12、前视照明组件13、雷达组件15、后视像机组件16和防护栏17、以及设在下车体112上的声呐组件14和线夹组件18，其中声呐组件14和线夹组件18分别设在下车体112的前后两端，同时防水运动相机组件12设在上车体111的顶部前侧，防护栏17设在上车体111的顶部、且防水运动相机组件12的外侧，防护栏17可对机器人上部以及防水运动相机组件12进行保护，防止顶部出现杂物损坏机器人的上车体111；雷达组件15和后视像机组件16位于上车体111的后端，前视照明组件13位于上车体111的前端。

参照图9、图10和图11，防水运动相机组件12包括有机芯121、机座122、壳体123、防护罩124和减震柱125，机座122上方设有机芯121，机芯121的外侧设有防护罩124，且防护罩124的底部壳体123安装在上车体111上，机座122的底部还设有减震柱125，需要注意的是，机座122底部的减震柱125在安装的时候，减震柱125位于上车体111内，能够防止机体遇颠簸时像机振动导致图像采集不清晰，壳体123和上车体111配合安装，各个配合面均安装密封圈，保证壳体123和上车体111的独立密封，其中防护罩124采用PC材料，通过CNC加工而成，透明度好，强度高。

参照图12，前视照明组件13包括有前射灯模组131和辅助灯132，前射灯模组131安装在上车体111的前端，辅助灯132设在下车体112的前端，且辅助灯132位于前射灯模组131的下方，前射灯模组131是通过外购灯珠，集成聚光杯并设计成模组独立密封的结构，大功率、可调节亮度的灯珠满足机器人在不同场景下的照明需求，同时通过聚光杯选型，能够变换照射角度，由60°、90°、120°等多个不同角度对称布局，兼顾远、近、大、小管径检测照明需求。

参照图12，声呐组件14位于前视照明组件13的下方，声呐组件14包括有声呐141、声呐防护架142和盖帽143，其中声呐141设在下车体112的前端，声呐防护架142设在声呐141的外侧，盖帽143设在声呐防护架142的前端，且盖帽143对声呐141的前端进行遮挡，防止坚硬障碍物对声呐的撞击，其中在声呐防护架142的外侧设有非金属护套或涂层，防止金属吸收声波影响声呐正常工作，将声呐141前端由下车体112前侧装有密封圈的孔位穿出，声呐防护架142安装至下车体112前端，并对声呐141进行保护，防护声呐扫描头不受障碍物撞击，声呐141采用360°环扫声呐，在半水管道生成下半圆轮廓图像，能够根据实时显示管道内壁变形、塌陷、破损、异物插入、淤积等缺陷，满水工况情况下，拆下雷达仅用声呐。

参照图16，雷达组件15包括有雷达151和雷达安装座152，其中雷达151的一侧通过雷达安装座152安装在上车体111的后端，雷达151为360°环扫雷达，在半水管道生成上半圆轮廓图像，能够根据实时显示管道内壁变形、塌陷、破损、异物插入、淤积等缺陷。无水或水位较低工况情况下，拆下声呐、仅用雷达，声呐和雷达环形轮廓图像结合机器人行走距离数据独立或二者拟合为可精准测量的3D图像。

参照图14和图15，后视像机组件16包括有后视像机161、后视补光灯组162、后视像机安装座163和封板164，其中后视像机161的前侧设有后视补光灯组162、后侧通过后视像机安装座163安装在上车体111的后端，后视像机161的前侧还安装有封板164；后视像机组件16位于雷达组件15的一侧。

参照图13，线夹组件18包括有线夹181和牵引座182，牵引座182安装在下车体111的后端，牵引座182上通过线夹181连接有弹簧183，弹簧183选用不锈钢弹簧，线夹组件18主要作用是由机器人尾部夹持线缆，防止线缆与垂直井壁(或管壁)剐蹭，导致线缆破损。

参照图17和图18，轮式行走组件21包括有轮架212和车轮211，其中轮架212的两侧通过传动链轮214与车轮211的转轴连接，且两个传动链轮214之间通过链条215传动连接，轮架212的外侧设有护罩213；轮架212的中部位置处设有与下车体112进行固定的轮式固定座216，需要注意的是，车轮211由两侧金属轮毂和外圈的橡胶轮胎组合而成，兼具行走支撑和减震功能，电机驱动其中一个链轮214转动的时候，经由链条215传动带动另一个链轮214，实现运动功能，在安装的时候，两个链轮214分别与下车体112上的两个安装位进行相应的安装，其中一个安装位内的驱动电机113带动相应的链轮214传动，进而实现带动轮式行走组件21进行传动。

参照图19和图20，履带式行走组件22包括有履带架221，履带架221的两侧传动连接有链轮222，两组链轮222之间通过链组223传动连接，链组223的外侧设有等距设有若干个橡胶块225，链组223上表面阵列安装的橡胶块225，形成履带式行走机构，具备复杂情况的越障能力；履带架221上还设有与链组223啮合连接的张紧轮224，张紧轮224用来调节链轮222的张紧度，履带架221的中部位置设有与下车体112进行固定的固定座228，固定座228用来将履带式行走组件22与下车体112进行安装，履带架221的前端安装有浮筒227；

浮筒227的外侧设有挡泥板226，挡泥板226位于行走组件外侧前端，在机器人行进过程中可阻挡履带溅起的水花或泥点，避免对检测元件的影响，遇半水或高水位时，在链组内侧封闭空间增设的浮筒227，增加机体浮力实现高水位漂浮，橡胶块225由内金属支撑、外橡胶包裹开模加工而成，强度高、减震好、质量轻，从而实现在水、淤泥及垃圾等工况下的水路两栖移动特性。

轮式行走组件21和履带式行走组件22分别通过轮式固定座216和固定座228采用螺栓快速拆装，快换连接部位使用高强度螺栓，增加连接强度和便利维修(螺孔损坏只需更换固定座，无需更换机体)。两种行走机构可适用于不同工况，其中履带式行走组件22适用淤积、部分带水检测，轮式行走组件21适应小管径及无水、潜水检测，两种模块快换满足水、泥、垃圾等多种复杂工况的运动。

本申请具体的操作原理如下：

当安装轮式行走组件21的时候，首先将下车体112上两侧的上安装位(或者下安装位)内的两个安装点与轮式行走组件21上的两个传动链轮214连接，并将轮式行走组件21上的轮式固定座216与下车体112进行固定，安装完成后形成图1所示状态，行走的时候，通过驱动电机113驱动驱动齿轮115传动，进而带动齿轮116转动，进而驱动相应的传动链轮214进行传动，从而驱动轮式行走机器人进行移动；

当安装履带式行走组件22的时候，首先将下车体112上两侧的上安装位(或者下安装位)内的两个安装点与履带式行走组件22上的两个链轮222连接，并将履带式行走组件22上的固定座228与下车体112进行固定，安装完成后形成图2所示状态，行走的时候，通过驱动电机113驱动驱动齿轮115传动，进而带动齿轮116转动，进而驱动相应的链轮222进行传动，从而驱动履带式行走机器人进行移动。

以上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精神和范围。