用于管道内孔质量检测的微型移动机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，属于自动化装备领域。包括同轴安装的旋转扫描模块、定心导向模块、驱动行走模块、测量控制模块。旋转扫描模块通过直径方向上对称安装的一对测距传感器检测内孔几何参数，通过中心上安装的视觉传感器检测内孔表面质量。定心导向模块通过均匀调节圆周方向上对称布置的三个导向轮的径向位置，同步消除机器人与内孔间的间隙。驱动行走模块在驱动机器人移动时，通过一测距传感器检测位置并进行定位控制。本发明专利技术还公开了上述微型移动机器人在管道内孔进行质量检测的控制方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种管道内孔检测装置，具体讲是一种用于管道内孔质量检测的微型移动机器人及其控制方法，属于自动化测量领域。
技术介绍
管道作为运输气体、液体和带固体颗粒物的流体的装置，广泛应用于工业生产和社会生活的多个方面，如矿山行业的尾矿排放、矿浆输送，又如石油化工行业的原油运输、化工原料和废气废水的输送等。为了提高管道的使用寿命，防止泄露事故的发生，或防止堵塞问题的出现，使用过程中必须对管道进行定期的检测和维护，及时发现存在故障或隐患，并加以修复和排除。目前大部分管道，采用人工方式进行检测和维修，其存在不安全、不方便、成本高等诸多缺点。因此，管道机器人作为一种管道检测和维修的高效装置，正开始逐步应用于各种类型的管道。根据管道机器人的作业功能，可分为管道检测机器人和管道维护机器人，前者主要进行管道故障定位和管道探伤作业，后者主要进行管道的清扫、补口、焊接等作业。两者的主要区别在于管道检测机器人不具有清扫、补口等作业装置，但配备了诸如摄像机、激光传感器等多种检测传感器。2013年11月20日，中国专利技术专利申请ZL2013102876415，公开了一种用于管道内径测量的管道机器人。它包括支撑机构、驱动机构和激光测量机构。在支撑机构中，步进电机驱动滚珠丝杠上的螺母前后移动，带动与后支架座连接的三个推杆进行张合运动，从而控制三个后轮支架及后轮的开合角度。在驱动机构中，步进电机通过蜗杆驱动三个蜗轮，再通过与蜗轮连接的带轮驱动前轮支架上前轮的转动。前轮支架与后轮支架之间通过连杆进行连接，保证前轮支架随后轮支架一起进行张合运动。在测量机构中，步进电机带动传感器支座转动，从而间接带动传感器测头转动，进行管道内径的非接触测量。该管道内径测量机器人可通过后轮支架的张合运动，可适用于内径变化范围较大的管道，但该机器人在管道检测方面还存在以下不足：(1)、由于滚珠丝杠机构、蜗轮蜗杆机构、前后轮支架机构的尺寸较大，仅能用于内孔直径较大的管道，无法用于大长径比(长度与直径之比大于10)的细直(直径小于100mm)管道；(2)、由于前后轮支架机构的定心精度较低，且滚珠丝杠机构和测头转动机构的同轴度难以保证，该管道机器人对管道内孔直径的检测精度较低，受定心误差和回转误差的影响较大；(3)、该管道机器人的结构仅能用于管道内孔直径检测，无法用于管道内孔圆度、圆柱度和表面质量的检测，功能单一，检测效率低，不具备大量测量数据的智能处理能力。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种可在大长径比(长度与直径之比大于10)的细直(直径小于100mm)管道内孔中自动定心并沿轴线方向自驱动行走，可高精度检测管道内孔的直径、圆度、圆柱度等几何参数和表面质量的微型移动机器人。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，包括依次同轴安装连接的旋转扫描模块、前定心导向模块、驱动行走模块、后定心导向模块和测量控制模块，所述各个模块具有相同的公共轴心线；所述旋转扫描模块包括驱动旋转机构和传感检测机构，驱动旋转机构驱动传感检测机构绕其轴心线旋转；所述传感检测机构包括旋转套筒，所述旋转套筒在直径方向上对称安装一对用于检测管道内孔几何参数的第一测距传感器，所述一对第一测距传感器的安装间距与第一测距传感器的两倍测量量程之和不小于管道内孔的直径；所述旋转套筒在另一直径方向上偏心安装用于检测管道内孔表面质量的视觉传感器和检测微型移动机器人位置的第二测距传感器；所述驱动旋转机构上设有转角传感器；所述视觉传感器、第一测距传感器、第二测距传感器和转角传感器与测量控制模块电连接；所述前定心导向模块和后定心导向模块结构相同，包括导向轮调节机构和3个沿导向轮调节机构圆周方向上均匀分布的导向轮，导向轮调节机构均匀同步调节导向轮的径向移动，控制导向轮与管道内孔内壁保持接触或分离；所述导向轮调节机构与测量控制模块电连接；所述驱动行走模块驱动旋转扫描模块、前定心导向模块、后定心导向模块和测量控制模块沿内孔轴向移动，所述驱动行走模块与测量控制模块电连接。本专利技术中，所述驱动旋转机构包括旋转基座、固定基座、旋转保持架和扫描电机，所述旋转基座与旋转套筒同轴固定连接，旋转保持架与固定基座同轴固定连接；所述旋转基座与固定基座通过第一滚动轴承同轴活动连接，所述固定基座内安装扫描电机，扫描电机通过传动机构驱动旋转基座绕公共轴心线相对于固定基座转动，扫描电机末端同轴安装有转角传感器；所述旋转基座与旋转保持架之间同轴活动连接，旋转基座相对于旋转保持架轴向固定但可周向转动。本专利技术中，所述旋转保持架包括内圈和外圈；所述内圈和外圈的后部同轴固定连接，内圈和外圈的前部之间隔空形成与其同轴的阶梯圆周槽；所述阶梯圆周槽包括第一圆周槽和第二圆周槽，第二周槽的外径大于第一圆周槽外径且内径小于第一圆周槽内径；所述旋转基座与第一圆周槽之间连接三根沿圆周均匀分布的保持螺栓，三根保持螺栓分布圆周与第一圆周槽的半径相同；所述保持螺栓的一端与旋转基座连接，另一端穿过第一圆周槽与保持螺母固定连接，保持螺母位于中段圆周槽中；所述保持螺栓和保持螺母可绕公共轴线分别沿第一圆周槽和第二圆周槽转动。本专利技术中，所述导向轮调节机构包括导向基座、导向端盖、导向电磁铁、导向圆锥轴、轴向弹簧、定位支架；所述导向基座内设有第一轴向孔和第二轴向孔，第二轴向孔的直径大于第一轴向孔，导向基座上与第二轴向孔相对应位置沿圆周方向均匀布置与导向轮数量对应的径向孔；所述导向端盖内设有第三轴向孔，导向端盖与导向基座同轴固定连接；所述导向圆锥轴包括前段、中段和后段，所述前段和后段为圆轴，中段为圆锥轴，所述导向圆锥轴中段的大端直径大于小端直径；所述导向圆锥轴的前段活动安装于第一轴向孔中，中段活动安装于第二轴向孔中，后段活动安装于第三轴向孔中，所述导向圆锥轴可沿三个轴向孔轴向移动；所述导向电磁铁固定安装于第一轴向孔/第三轴向孔中，轴向弹簧套于导向圆锥轴的前段/后段，轴向弹簧两端分别与导向基座/导向端盖和导向圆锥轴大端圆锥端面保持接触；所述导向电磁铁通过通断电控制导向圆锥轴的轴向移动；所述每个径向孔中活动安装定位支架，所述定位支架包括大径段和小径段，大径段的内端面与导向圆锥轴接触，导向轮活动安装在定位支架小径段的外端，可绕定位支架的外端沿轴向滚动；所述定位支架的小径段上套装径向弹簧，径向弹簧两端分别与大径段和导向基座保持接触；所述导向圆锥轴的轴向移动通过圆锥面和径向弹簧控制定位支架的径向移动。本专利技术中，所述驱动行走模块包括驱动底盘、驱动电机、驱动轮、第二滚动轴承和驱动轴，所述驱动轮固定安装在驱动轴上，驱动轴的两端分别安装第二滚动轴承，第二滚动轴承安装在驱动底盘上；所述驱动轮与驱动电机之间连接传动机构，所述驱动轮与管道内孔轴线平行，与管道内孔内壁接触。本专利技术中，所述传动机构为齿轮传动机构，包括驱动齿轮和传动齿轮，传动齿轮与驱动轮同轴安装于驱动轴上，且与驱动齿轮相啮合；所述驱动齿轮与驱动电机连接。本专利技术中，所述测量控制模块包括电源、电源驱动板、测量控制板和操作面板，所述电源、电源驱动板、测量控制板和操作面板之间分别通过多段支撑螺栓同轴相连，所述支撑螺栓为阶梯轴，大轴端设有中心孔并预制内螺纹，小轴端预设有与中心孔匹配的外螺纹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：包括依次同轴安装连接的旋转扫描模块、前定心导向模块、驱动行走模块、后定心导向模块和测量控制模块，所述各个模块具有相同的公共轴心线；所述旋转扫描模块包括驱动旋转机构和传感检测机构，驱动旋转机构驱动传感检测机构绕其轴心线旋转；所述传感检测机构包括旋转套筒，所述旋转套筒在直径方向上对称安装一对用于检测管道内孔几何参数的第一测距传感器，所述一对第一测距传感器的安装间距与第一测距传感器的两倍测量量程之和不小于管道内孔的直径；所述旋转套筒在另一直径方向上偏心安装用于检测管道内孔表面质量的视觉传感器和检测微型移动机器人位置的第二测距传感器；所述驱动旋转机构上设有转角传感器；所述视觉传感器、第一测距传感器、第二测距传感器和转角传感器与测量控制模块电连接；所述前定心导向模块和后定心导向模块结构相同，包括导向轮调节机构和3个沿导向轮调节机构圆周方向上均匀分布的导向轮，导向轮调节机构均匀同步调节导向轮的径向移动，控制导向轮与管道内孔内壁保持接触或分离；所述导向轮调节机构与测量控制模块电连接；所述驱动行走模块驱动旋转扫描模块、前定心导向模块、后定心导向模块和测量控制模块沿内孔轴向移动，所述驱动行走模块与测量控制模块电连接。...

【技术特征摘要】
1.一种用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：包括依次同轴安装连接的旋转扫描模块、前定心导向模块、驱动行走模块、后定心导向模块和测量控制模块，所述各个模块具有相同的公共轴心线；所述旋转扫描模块包括驱动旋转机构和传感检测机构，驱动旋转机构驱动传感检测机构绕其轴心线旋转；所述传感检测机构包括旋转套筒，所述旋转套筒在直径方向上对称安装一对用于检测管道内孔几何参数的第一测距传感器，所述一对第一测距传感器的安装间距与第一测距传感器的两倍测量量程之和不小于管道内孔的直径；所述旋转套筒在另一直径方向上偏心安装用于检测管道内孔表面质量的视觉传感器和检测微型移动机器人位置的第二测距传感器；所述驱动旋转机构上设有转角传感器；所述视觉传感器、第一测距传感器、第二测距传感器和转角传感器与测量控制模块电连接；所述前定心导向模块和后定心导向模块结构相同，包括导向轮调节机构和3个沿导向轮调节机构圆周方向上均匀分布的导向轮，导向轮调节机构均匀同步调节导向轮的径向移动，控制导向轮与管道内孔内壁保持接触或分离；所述导向轮调节机构与测量控制模块电连接；所述驱动行走模块驱动旋转扫描模块、前定心导向模块、后定心导向模块和测量控制模块沿内孔轴向移动，所述驱动行走模块与测量控制模块电连接。2.根据权利要求1所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：所述驱动旋转机构包括旋转基座、固定基座、旋转保持架和扫描电机，所述旋转基座与旋转套筒同轴固定连接，旋转保持架与固定基座同轴固定连接；所述旋转基座与固定基座通过第一滚动轴承同轴活动连接，所述固定基座内安装扫描电机，扫描电机通过传动机构驱动旋转基座绕公共轴心线相对于固定基座转动，扫描电机末端同轴安装有转角传感器；所述旋转基座与旋转保持架之间同轴活动连接，旋转基座相对于旋转保持架轴向固定但可周向转动。3.根据权利要求2所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：所述旋转保持架包括内圈和外圈；所述内圈和外圈的后部同轴固定连接，内圈和外圈的前部之间隔空形成与其同轴的阶梯圆周槽；所述阶梯圆周槽包括第一圆周槽和第二圆周槽，第二周槽的外径大于第一圆周槽外径且内径小于第一圆周槽内径；所述旋转基座与第一圆周槽之间连接三根沿圆周均匀分布的保持螺栓，三根保持螺栓分布圆周与第一圆周槽的半径相同；所述保持螺栓的一端与旋转基座连接，另一端穿过第一圆周槽与保持螺母固定连接，保持螺母位于中段圆周槽中；所述保持螺栓和保持螺母可绕公共轴线分别沿第一圆周槽和第二圆周槽转动。4.根据权利要求1至3任一项所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：所述导向轮调节机构包括导向基座、导向端盖、导向电磁铁、导向圆锥轴、轴向弹簧、定位支架；所述导向基座内设有第一轴向孔和第二轴向孔，第二轴向孔的直径大于第一轴向孔，导向基座上与第二轴向孔相对应位置沿圆周方向均匀布置与导向轮数量对应的径向孔；所述导向端盖内设有第三轴向孔，导向端盖与导向基座同轴固定连接；所述导向圆锥轴包括前段、中段和后段，所述前段和后段为圆轴，中段为圆锥轴，所述导向圆锥轴中段的大端直径大于小端直径；所述导向圆锥轴的前段活动安装于第一轴向孔中，中段活动安装于第二轴向孔中，后段活动安装于第三轴向孔中，所述导向圆锥轴可沿三个轴向孔轴向移动；所述导向电磁铁固定安装于第一轴向孔/第三轴向孔中，轴向弹簧套于导向圆锥轴的前段/后段，轴向弹簧两端分别与导向基座/导向端盖和导向圆锥轴大端圆锥端面保持接触；所述导向电磁铁通过通断电控制导向圆锥轴的轴向移动；所述每个径向孔中活动安装定位支架，所述定位支架包括大径段和小径段，大径段的内端面与导向圆锥轴接触，导向轮活动安装在定位支架小径段的外端，可绕定位支架的外端沿轴向滚动；所述定位支架的小径段上套装径向弹簧，径向弹簧两端分别与大径段和导向基座保持接触；所述导向圆锥轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：武星，楼佩煌，金鹏，钱晓明，唐敦兵，赵龙，张颖，朱立群，何珍，张万雷，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32