[发明专利]基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人系统

说明书

(一)技术领域：

本发明属于管道检测机器人技术领域，特别是一种基于高强度弹簧 压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人系统。

(二)背景技术：

管道运输与铁路运输、公路运输、水路运输和航空运输并称为当今 世界五大运输方式。凭借安全、经济、快捷、量大等传输特点，管道输 送已广泛应用于石油化工、食品加工、城市供排水、生活资源供给、核 工业等领域，在国民经济发展中占有极为重要的地位，是衡量一个国家 工业发展水平的主要标志之一。随着国家经济建设的稳步推进，管道工 业也迎来了快速发展期。在“十一五”期间，我国管道新增数量将接近 34000公里.随着油气管道长时运行，由管道自身缺陷和后期运行期间 发生的腐蚀穿孔、人为损坏和自然地质灾害等因素造成的管道泄漏、爆 炸等事故将会增多，严重威胁着周边居民人身财产安全和自然环境，影 响着国家正常的经济建设。传统管道检测都是由相关人员实施，有全面 挖掘发和随机抽样法，工作量大，效率低下。而且有些管道位置人员无 法安全到达实施监测，比如输送有毒化学品或内部结构复杂狭小的管 道。此外特殊的管道环境也给管道检测带来了很大的困难。由此，管道 检测机器人应运而生。管道机器人是一种可沿细小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。具有 快速运动、灵活操纵、准确判断和低成本等优点。

目前，管道机器人多以普通结构的轮式或是履带式为主，可以在水 平或是倾斜度不大的管道内运行，但在倾斜度较大甚至垂直的管道内很 难稳定运行；驱动电机控制多以传统PID算法为主，但面对结构复杂、 环境多变的管道，控制效果不佳。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式 驱动管道机器人系统，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单， 操作方便的机器人系统，它结合了压壁结构和螺旋驱动结构的机械本体 设计，使机器人可以在具有倾斜、垂直、微小变径等特征的小型管道内 稳定灵活地移动；底层单片机和上位PC机的联合控制方式，可以实现 对管道机器人的远程遥控和在线数据采集。

本发明的技术方案：一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动 管道机器人系统，其特征在于它包括本体机械结构和控制系统；其中， 所述本体机械结构由螺旋头、机身和保持架构成；所述机身是机器人的 主体，所述螺旋头和保持架均安装在机身上；所述螺旋头在圆周方向上 分布安装有驱动轮；所述保持架在圆周方向上分布安装有导向轮；所述 驱动轮和导向轮均通过连接杆连接到螺旋头和保持架上。

所述螺旋头在圆周方向上均匀分布着三组驱动轮，每两组驱动轮之 间的间隔为120°。

所述三组驱动轮的每组都由单个车轮构成，而且每个车轮的轴线与 管道的中心线成一个夹角α，当车轮沿着管道内壁移动一圈时，管道机 器人移动的直线距离为L＝πDtanα，其中D为管道内径。

所述保持架在圆周方向上均匀分布着三组导向轮，每两组导向轮之 间的间隔为120°。

所述三组导向轮的每组都由单个车轮构成，而且每个车轮的轴线与 管道的中心线平行，对机器人起支撑、导向作用。

所述连接杆的径向装有高强度弹簧，使行走机构即驱动轮和导向轮 对管壁始终保持一定的压力和摩擦力。

所述控制系统，包括上位PC机、路由器、Wifi连接器，其特征在 于它是由单片机、电源模块、电机驱动模块、直流驱动电机、检测模块 和通讯模块构成；其中所述电源模块为单片机和检测模块提供5V直流 电，为通讯模块提供3.3V直流电，为电机驱动模块提供12V直流电； 所述单片机与通讯模块和检测模块分别呈双向连接，且所述单片机的输 入端分别与电源模块和检测模块的输出端连接；所述单片机的输出端连 接电机驱动模块的输入端；所述电机驱动模块的输出端输出驱动信号驱 动直流驱动电机，最终驱动管道机器人本体运动。

所述单片机是美国微芯公司生产的PIC(PeripheralInterface Controller)系列单片机芯片。

所述通讯模块是Wifi通讯传输芯片，可以通过路由器和Wifi连接 器与手机、摄像头、上位PC机连接。