自稳定的管道内壁检测机器人的制作方法

1.本发明涉及管道内壁检测技术领域，具体涉及一种自稳定的管道内壁检测机器人。


背景技术：

2.在生产中有大量管道需要进行内壁检测，例如燃气管道、石油管道、自来水管道、化工管道、火炮身管等等，这些管道在制造过程中需要对内壁质量、管身轴线直线度进行检测，在使用过程中也需要检测内壁状态，确定是否需要维修更换。其中火炮身管内壁瑕疵裂痕、膛线、身管轴线直线度、炮口角的检验事关安全、设计精度、火炮寿命、经济等事项。
3.有很多文献及专利涉及到管道内壁及轴线的相关检测。北京理工郑军等人的《火炮身管内表面综合测量系统研究》论文描述了一种测量方法及装置。华阴兵器试验中心李建中等人的《火炮身管弯曲度、炮口角测量系统驱动控制》描述了一种火炮管身弯曲度、炮口角测量系统的行进驱动装置及其控制方法。北京航空航天大学孙军华的《基于环形结构光视觉的可变内径管道内壁缺陷检测机器人》发明专利（专利申请号202210114881.4），描述了一种变内径管道内壁缺陷检测机器人。
4.但这些现有皆没有注意到检测设备（具体为检测机器人的检测主体）由于自转给检测所带来的不利，具体而言，由于检测设备的自转没有处理，导致设备如果在检测过程中发生自转则无法定位缺陷所在的周向角度位置从而影响检测精度。


技术实现要素：

5.本发明设计的自稳定的管道内壁检测机器人，能够解决现有技术中由于检测主体发生自转导致检测过程中无法准确定位管道内壁缺陷的周向角度位置，降低检测精度的技术问题。
6.本发明的目的在于提供一种自稳定的管道内壁检测机器人，包括走行组件以及检测主体组件，其中，所述走行组件包括走行筒状壳体，所述检测主体组件包括检测筒状外壳，所述检测筒状外壳的两端通过轴承可旋转地架设于所述走行筒状壳体内，所述检测筒状外壳内具有倾角传感器模块以及角位移矫正组件，所述角位移矫正组件包括与所述检测筒状外壳固定连接的第一回转电机以及与所述第一回转电机的回转轴套装的摩擦轮，所述摩擦轮与至少部分地穿过所述检测筒状外壳与所述走行筒状壳体的内壁抵触，所述倾角传感器模块能够检测所述检测主体组件在运行过程中发生的自转角度，所述第一回转电机能够被根据所述倾角传感器模块检测的所述自转角度控制运转以通过驱动所述摩擦轮的回转消除所述检测主体组件的所述自转角度。
7.在一些实施方式中，所述检测筒状外壳内的底部区域设有配重平板，所述倾角传感器模块组装于所述配重平板的顶面上。
8.在一些实施方式中，所述检测筒状外壳的一端连接有检测相机组件，所述检测筒状外壳的另一端连接有激光测距反射板，所述检测相机组件的下方连接有第一配重块，和/
或，所述激光测距反射板的下方连接有第二配重块。
9.在一些实施方式中，所述第一配重块通过第一软绳索与所述检测相机组件连接；和/或，所述第二配重块通过第二软绳索与所述激光测距反射板连接。
10.在一些实施方式中，所述走行筒状壳体的外侧连接有至少三个走行支架，每个所述走行支架上沿其长度方向皆间隔设置有至少两个能够被驱动运行的走行轮，至少三个所述走行支架环绕所述走行筒状壳体的周向均匀间隔设置。
11.在一些实施方式中，所述走行支架包括顺次铰接的第一支架段、第二支架段以及第三支架段，其中，每个所述走行支架分别具有的第一支架段的自由端共同铰接于第一环体，每个所述走行支架分别具有的第三支架段的自由端共同铰接于第二环体，所述第一环体以及所述第二环体分别可拆卸地套装于所述走行筒状壳体的两端。
12.在一些实施方式中，所述走行筒状壳体的外周壁上还套装有直径调节结构，所述直径调节结构在所述走行筒状壳体的轴向位置可以被调整，以带动至少三个所述第二支架段沿着所述走行筒状壳体的径向向内或者向外运动。
13.在一些实施方式中，所述直径调节结构包括套装于所述走行筒状壳体的外周壁上的第一套环、第二套环、螺旋弹簧，所述螺旋弹簧连接于所述第一套环与所述第二套环之间，所述第一套环与所述第二套环皆间隙套装于所述走行筒状壳体的外周壁上，所述第一套环上具有沿其径向延伸的多个调节导杆，每个所述调节导杆分别对应所述第二支架段形成连接以带动所述第二支架段沿所述走行筒状壳体的轴向移动，所述第二套环通过快拧螺钉与所述走行筒状壳体固定连接。
14.在一些实施方式中，所述第二支架段上具有间隔设置的两个支撑柱，每个支撑柱皆垂直于所述走行筒状壳体的轴向，且每个所述支撑柱上皆套装于滚轮，所述调节导杆的自由端插装于两个所述支撑柱上分别套装的所述滚轮形成的间隙内。
15.在一些实施方式中，所述走行筒状壳体的第一端的直径大于第二端的直径，所述检测筒状外壳的第一端的直径大于第二端的直径，所述检测筒状外壳的第二端能够经由所述走行筒状壳体的第一端组装至所述走行筒状壳体的第二端，且所述检测筒状外壳与所述走行筒状壳体之间具有轴向位移限制部件。
16.本发明的自稳定的管道内壁检测机器人，在检测主体组件在发生周向自转时，倾角传感器模块的倾角传感器获得对应的自转角度反馈至相应的控制部件，控制部件控制第一回转电机旋转带动摩擦轮，从而使摩擦轮与走行筒状壳体的内壁之间的相对摩擦力的作用下使检测主体组件整体绕着其中心轴（也即两个轴承的同轴线）旋转一个与自转角度方向相反的相同角度，从而使检测主体组件恢复至原来的角度状态也即实现了自稳定，进而实现检测主体组件的周向角度精准定位，提高检测精度。
附图说明
17.图1是本发明的自稳定的管道内壁检测机器人应用到管道中时在一视角下的立体图（局部剖视）。
18.图2是图1中的自稳定的管道检测机器人的拆解结构示意图。
19.图3是图1中的检测主体组件的立体结构示意图（局部剖视）。
20.图4是图1中的检测主体组件在另一实施例中的立体结构示意图。
21.图5是图1中的走行组件的立体结构示意图。
22.图6是图5中a处的局部放大图。
23.图7是本发明另一实施例的管道内壁检测机器人的结构示意图（局部剖视）。
24.图中：1、走行组件；11、走行筒状壳体；12、走行支架；121、第一支架段；122、第二支架段；1221、支撑柱；1222、滚轮；123、第三支架段；13、走行轮；131、走行驱动回转电机；141、第一环体；142、第二环体；1431、第一套环；1432、第二套环；1433、螺旋弹簧；144、调节导杆；2、检测主体组件；21、检测筒状外壳；22、配重平板；3、轴承；41、倾角传感器模块；421、第一回转电机；422、摩擦轮；51、检测相机组件； 511、环形灯源；512、防护玻璃；52、激光测距单元；521、激光测距反射板；522、激光器；53、第一配重块；54、第二配重块；55、第一软绳索；56、第二软绳索； 6、快拧螺钉；7、轴向位移限制部件；8、电压转换模块；9、线缆；100、待检管道；200、环形激光器。
具体实施方式
25.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
26.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
27.下例所描述的实施例是本发明的自稳定的管道内壁检测机器人，本例仅是本发明的一部分实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
28.请参照图1至图7，根据本发明的实施例，提供一种自稳定的管道内壁检测机器人，包括走行组件1以及检测主体组件2、激光测距单元52，其中，检测主体组件2上具有检测相机组件51，其通过该检测相机组件51对管道内壁进行检测，走行组件1承载检测主体组件2以驱动检测主体组件2沿着管道的长度方向前行或者后退，激光测距单元52包括激光测距反射板521以及发射激光的激光器522，能够对走行组件1的走行距离精确测量，走行组件1包括走行筒状壳体11，检测主体组件2包括检测筒状外壳21，检测筒状外壳21的两端通过轴承3可旋转地架设于走行筒状壳体11内，检测筒状外壳21内具有包括倾角传感器的倾角传感器模块41以及角位移矫正组件，角位移矫正组件包括与检测筒状外壳21固定连接的第一回转电机421以及与第一回转电机421的回转轴套装的摩擦轮422，摩擦轮422与至少部分地穿过检测筒状外壳21与走行筒状壳体11的内壁抵触，倾角传感器模块41（具体通过倾角传感器）能够检测检测主体组件2在运行过程中发生的自转角度，第一回转电机421能够被根据倾角传感器模块41检测的自转角度控制运转以通过驱动摩擦轮422的回转消除检测主体组件2的自转角度，具体而言，管道内壁检测机器人具有相应的控制部件，其能够接收倾角
传感器模块41检测的前述自转角度，并发出控制第一回转电机421回转运行的控制指令以消除该自转角度，从而实现管道内壁检测机器人的自稳定设计目的，当然，其还能够被用来控制走行组件1的行走等，前述的控制部件例如为与检测机器人一体的控制器，其还可以是通过线缆9通讯连接的计算机（其内配置有相应的检测软件）。
29.该技术方案中，在检测主体组件2在发生周向自转时，倾角传感器模块41的倾角传感器获得对应的自转角度反馈至相应的控制部件，控制部件控制第一回转电机421旋转带动摩擦轮422，从而使摩擦轮422与走行筒状壳体11的内壁之间的相对摩擦力的作用下使检测主体组件2整体绕着其中心轴（也即两个轴承3的同轴线）旋转一个与自转角度方向相反的相同角度，从而使检测主体组件2恢复至原来的角度状态，进而实现检测主体组件2的周向角度精准定位也即实现了自稳定，提高检测精度。
30.前述的激光测距单元52采用激光测距反射板521与激光器522配合实现机器人进行距离的测定，能够克服现有技术中依靠驱动机构的编码器确定行走里程，因驱动轮（也即走行轮13）打滑而测距不准，导致缺陷轴向定位精度差的问题发生。
31.在一个较优的实施例中，检测筒状外壳21内的底部区域设有配重平板22，倾角传感器模块41组装于配重平板22的顶面上，此时该配重平板22一方面作为了检测主体组件2的部分内部部件例如前述的倾角传感器模块41、电压转换模块8等的安装载体，从而便利组件的定位安装，另一方面则能够通过其自身的较大重量使检测主体组件2的整体质心偏向下方，如此能够通过该结构方式降低检测主体组件2的自转发生几率，在一些检测精度要求相对较低的情况下，可以考虑仅采用配置配重平板22的方式实现机器人的自稳定效果。进一步而言，如图4所示，在检测筒状外壳21连接有检测相机组件51的一端，检测相机组件51的下方连接有第一配重块53，和/或，检测筒状外壳21连接有激光测距反射板521的另一端，激光测距反射板521的下方连接有第二配重块54，第一配重块53以及第二配重块54的设置可以进一步通过机械结构方面加强机器人的自稳定效果。进一步的，第一配重块53通过第一软绳索55与检测相机组件51连接；和/或，第二配重块54通过第二软绳索56与激光测距反射板521连接，该处通过软绳索能够使第一配重块53及第二配重块54的位置更低，从而使检测主体组件2的整体质心尽量降低，使其在自重的作用下实现相对于管道轴线圆周的相对静止，进一步保证检测精度。前述的第一软绳索55以及第二软绳索56例如软钢丝绳索，保证配重块的连接可靠性与稳定性。能够理解的，前述的配重平板22、第一配重块53及第二配重块54的材质密度应该大于检测主体组件2其他结构件的材质密度，一般而言，检测主体组件2其他结构的材质一般选择铝合金，因此配重平板22、第一配重块53及第二配重块54的材质密度大于铝合金密度的材质，例如钢材制作。
32.需要特别说明的是，前述的电压转换模块8与线缆9电性连接，此时，线缆9的自重也能够施加于电压转换模块8以及其下的配重平板22，从而使检测主体组件2的整体质心进一步下移，进一步提升机械结构自身的稳定性。前述的线缆9一方面包含有与外部电源（例如体积较大的锂电池）电连接电源线，该电源线经过电压转换模块8的电压转换后供电于倾角传感器模块41、检测相机组件51等用电器件，另一方面还包含有信号线，其能够将倾角传感器模块41、检测相机组件51的检测信号通讯传输至外部的控制部件例如计算机中并传输计算机发出的相应控制指令等。
33.参见图5所示，走行筒状壳体11的外侧连接有至少三个走行支架12，每个走行支架
12上沿其长度方向皆间隔设置有至少两个能够被驱动运行的走行轮13，至少三个走行支架12环绕走行筒状壳体11的周向均匀间隔设置，以使走行组件1能够稳定地承载检测主体组件2沿着检测的预设方向前进或者后退。每个走行轮13分别被走行驱动回转电机131驱动旋转，走行动力更强劲。
34.进一步参见图5所示，走行支架12包括顺次铰接的第一支架段121、第二支架段122以及第三支架段123，其中，每个走行支架12分别具有的第一支架段121的自由端共同铰接于第一环体141，每个走行支架12分别具有的第三支架段123的自由端共同铰接于第二环体142，第一环体141以及第二环体142分别可拆卸地套装于走行筒状壳体11的两端，如此能够理解的是，对于每一个走行支架12而言，其第一支架段121、第二支架段122以及第三支架段123与走行筒状壳体11四者形成一个四连杆结构，其中的第一支架段121与第三支架段123形成平行，第二支架段122与走行筒状壳体11的圆柱母线形成平行。该技术方案中，通过控制第二支架段122与第一支架段121之间的夹角，从而能够改变前述四连杆结构在走行筒状壳体11的径向上位置，实现走行支架12与待检管道100内壁直径的适应，也即通过该四连杆结构能够使本发明的走行支架12适用于一定直径范围内（与四连杆结构形成的平行四边形的最大高度相关）的待检管道100，提高了本技术的走行组件1的通用性，降低机器人的使用成本。需要特别说明的是，该技术方案中的至少三个走行支架12通过第一环体141与第二环体142与走行筒状壳体11可拆卸地套装，例如分别在第一环体141及第二环体142上设置快拧螺钉6，从而可以更加方便地更换不同的走行支架12，从而可以根据不同的待检管道100的内径更换行程更加合适的走行支架12，可以适应不同的跨度的管径管道，增加经济效能、节约成本且拆装更加便利。前述的第二支架段122的长度与走行筒状壳体11的轴向长度相匹配也即大致相等。
35.在一个优选的实施例中，走行筒状壳体11的外周壁上还套装有直径调节结构（图中未标引），直径调节结构在走行筒状壳体11的轴向位置可以被调整，以带动至少三个第二支架段122（也即走行筒状壳体11外周壁上连接的各个走行支架12）沿着走行筒状壳体11的径向向内或者向外运动。该技术方案中，第二支架段122沿径向向内运动时能够与较小直径的待检管道100的内壁适配，沿径向向外运动时能够与较大直径的待检管道100的内壁适配，从而保证走行支架12的管道内径适应性。需要说明的是，走行轮13可旋转地连接于第二支架段122上，且至少设置两个走行轮13，它们被分别对应走行筒状壳体11的第一端与第二端设置，以保证走行姿态的稳定性。
36.在一个具体的实施例中，直径调节结构包括套装于走行筒状壳体11的外周壁上的第一套环1431、第二套环1432、螺旋弹簧1433，螺旋弹簧1433连接于第一套环1431与第二套环1432之间，第一套环1431与第二套环1432皆间隙套装于走行筒状壳体11的外周壁上，第一套环1431上具有沿其径向延伸的多个调节导杆144，每个调节导杆144分别对应第二支架段122形成连接以带动第二支架段122沿走行筒状壳体11的轴向移动，第二套环1432通过快拧螺钉6与走行筒状壳体11固定连接，能够实现第二套环1432在走行筒状壳体11的轴向上的定位。该技术方案中，第一套环1431通过调节导杆144的自由端驱动第二支架段122的位置调节，第一套环1431的位置调节则通过第二套环1432以及两者之间夹持的螺旋弹簧1433实现，也即在需要调节各个第二支架段122的径向位置也即调节走行支架12的直径大小时，仅需要调节第一套环1431的轴向位置即可，非常的简单方便，而螺旋弹簧1433的设置则能
够使走行支架12在机器人沿着待检管道100的轴向行进或者后退过程中适应管道内壁上可能出现的凸起或者凹陷导致的管径变化，使走行轮13始终能够紧密与管道内壁抵触具有做够的摩擦力，机器人的跨障能力得到提升，保证走行的稳定可靠性。能够理解的是，螺旋弹簧1433的刚度可以根据实际的需求合理配置。在一个具体的实施例中，走行筒状壳体11的外周壁上具有沿其轴向间隔的标尺数值，这些标尺数值与走行支架12使用的待检管道100的内径大小对应，将第二套环1432定位于对应的标尺数值即可实现快速的内径适应调节。能够理解的，在机器人未置于待检管道100内时，第二支架段122的外撑直径应该要大于实际的待检管道100的内径的最大值，以保证在整个的行进过程中走行组件1皆能够与管道内壁紧密抵触并具有一定的压力，保证走行的可靠性。
37.具体参见图6所示，第二支架段122上具有间隔设置的两个支撑柱1221，每个支撑柱1221皆垂直于走行筒状壳体11的轴向，且每个支撑柱1221上皆套装于滚轮1222，调节导杆144的自由端插装于两个支撑柱1221上分别套装的滚轮1222形成的间隙内。滚轮1222分别处于调节导杆144的两个相对侧面，在第二支架段122的径向位置向内或者向外变动时，调节导杆144与滚轮1222之间滚动接触，调节过程更加顺畅，同时还能够减少两个部件之间的磨损，而这一效果尤其适用于机器人行走过程中待检管道100的内壁管径一致性较差的工况下，能够极大程度地降低因为频繁的走行支架12的适用直径调整带来的调节导杆144与滚轮1222之间磨损。
38.在一些实施方式中，走行筒状壳体11的第一端的直径大于第二端的直径，检测筒状外壳21的第一端的直径大于第二端的直径，检测筒状外壳21的第二端能够经由走行筒状壳体11的第一端组装至走行筒状壳体11的第二端，且检测筒状外壳21与走行筒状壳体11之间具有轴向位移限制部件7，如图2及图3中所示出，该轴向位移限制部件7包括设置于检测筒状外壳21的外周壁上的能够弹性自复位的滚珠（亦可以称为弹珠，图中未示出），滚珠卡位于走行筒状壳体11的一端部的轴承3的内圈的端部侧壁上（具体为轴承3远离走行筒状壳体11的小直径一端的一侧），以限制走行组件1与检测主体组件2的轴向位移，检测主体组件2可以与轴承3的内圈一起相对于走行组件1转动。组装时滚珠在装配压力的压缩下退入检测筒状外壳21内，通过轴承3后弹出，达到限位的作用，拆卸时滚珠在装配压力的压缩下退入检测筒状外壳21内，检测主体组件2可顺利与走行组件1分离。该技术方案中，走行筒状壳体11与检测筒状外壳21两者之间的端部直径相互对应，在具体组装走行组件1以及检测主体组件2时，两者能够通过插装形成可靠连接，极为便捷。
39.参见图2所示，整个机器人在总体上被划为三个相对独立的模块，也即走行组件1、检测主体组件2以及由激光测距反射板521和激光器522两者组成的激光测距单元52，各个模块之间的组装非常简单快捷，在具体组装时，检测主体组件2的小直径一端插入走行组件1的大直径一端，从而进入走行筒状壳体11的中心孔内（具体例如图1所示方位下，检测主体组件2由右往左插入走行筒状壳体11内），直至检测主体组件2的小直径一端与走行组件1的小直径一端对应且将被架设于走行组件1的小直径一端的轴承3内，此时检测主体组件2的大直径一端与走行组件1的大直径一端对应且将被架设于走行组件1的大直径一端的轴承3内，在此位置，轴向位移限制部件7同时对两者的轴向位置形成限制，完成两者的快速便捷组装，之后将激光测距反射板521连接于（具体通过相应的螺纹连接件紧固连接）检测主体组件2的尾部（线缆9所在一侧），此时将组装后的机器人置于待检管道100内，并将激光器
522置于相应的位置与激光测距反射板521形成对应，机器人即可进入检测状态。机器人的拆装过程与前述的组装过程相反操作即可，此处不做赘述。也即，该技术方案中的检测机器人由走行组件1、检测主体组件2以及激光测距单元52三个相对独立的模块组装形成，其中，检测主体组件2通过检测筒状外壳21由走行筒状壳体11的一端插装并在轴承3的作用下形成可旋转地架设连接，轴向位移限制部件7同时对两者的轴向位置形成限制，检测机器人的整机装卸仅具有插装、轴向定位以及激光测距反射板521的连接几个步骤，组装过程极为简单快捷，同时由于走行筒状壳体11与检测筒状外壳21之间通过两个轴承3插装配合，同轴度得到有效保证，从而检测精度相对得到提高。更为重要的是，本发明中的检测主体组件2与走行组件1可以分别具有不同的规格，例如检测主体组件2具有的检测相机组件51功能可以不同，走行组件1的走行速度、适用管道内壁直径范围不同，从而可以通过更换不同的检测主体组件2或者走行组件1实现多功能的快换组合，可实现多参数检测、多口径检测。
40.前述的检测相机组件51可以检测管道内壁的表面瑕疵、裂痕，在一个具体的实施例中，其能够被替换，以适应不同的检测需求，如图7所示，检测相机组件51具体采用环形激光器200，可检测管道内螺旋线的相关参数，例如螺旋升角，可检测管道轴线的直线度，火炮身管的管口角，还可以形成管道内腔的3d图像。具体的，通过相机高频采集环形激光器200在管道内壁形成光圈，程序将管道内壁全时间段的扫描光圈拼接成3d图像，可以检测出立体的缺陷，并且能拟合计算出管道中心轴线的弯曲度，也可以根据轴线的弯曲度计算出火炮身管的管口角。
41.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。