用于油气管道的管道机器人及管道缺陷检测修复方法

摘要

本发明公开了用于油气管道的管道机器人及管道缺陷检测修复方法，包括行走组件、连接在行走组件上的工作组件，工作组件包括转动件、固定连接在转动件上的缺陷检测装置、用于驱动转动件转动的第一驱动装置、滑动连接在转动件上的打磨头、喷头；转动件上还设置吸尘装置、第一感应装置、第二感应装置；缺陷检测装置包括红外检测装置、图像获取装置；还包括控制系统。本发明解决的技术问题之一是现有的管道机器人探伤方式难以适用于油气输送管道的问题，实现降低管壁油污干扰、提高对管道内壁缺陷的检测准确性，并能够在打磨后直接对打磨部位进行喷涂上漆的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及石油管道缺陷检测及修复领域，具体涉及用于油气管道的管道机器人及管道缺陷检测修复方法。

背景技术

随着长距离油气输送管道的大量铺设，定期对这些油气输送管道进行检测和维护变得尤为重要，管道机器人是进行这类作业的重要手段之一。然而现有的管道机器人在用于大直径油气管道的缺陷检测和修复时至少具有如下弊端：（1）现有的管道机器人探伤方式大都采用摄像头直接获取管壁图像，再由图像识别或人工判断方式发现管道内壁的缺陷，然而对于油气输送管道而言，管壁容易有油污残留，严重影响图像识别或人工判断对管壁缺陷的检测精度；特别是有油污进入缝隙等缺陷内部导致视觉上难以直接识别；（2）现有技术中虽然出现了带有打磨抛光功能的管道机器人，但是只适用于对未使用的新管道的加工使用，对于已经投产的油气输送管道而言，若使用现有的打磨机器人对管道内壁进行修复处理，会导致打磨过程中产生的大量废屑残留在管道内部，对后续恢复工作后的油气输送带来污染；现有的处理方式只能够在使用一个管道机器人进行打磨处理后，更换清管器等专用设备对管道内部进行一次清洁作业，严重拉长工期，效率十分低下；（3）油气输送管道内壁需要使用专用油漆进行上漆以改变管壁的亲油性，进而优化原油在输送过程中的流态、以此减少压降；现有技术中的管道机器人均无法实现在管道内部打磨后对其上漆的功能，这会干扰后续恢复投产后的原油输送效果；（4）现有技术中具有履带式或轮式的管道机器人，这类管道机器人的居中性较差，大都用于探索检查类工作，难以用于修复处理；特别是对于大直径（一般指直径≥1m）的油气管道而言，由于曲率相对较小，现有的履带式或轮式管道机器人在管底行走过程中十分容易走歪，还容易在管道转弯处容易发生卡涩现象；（5）现有技术中保证管道机器人居中行走的方式大都通过三组或更多组行走机构构成直接与管壁接触的三角形、十字形等行走机构，通过三点定圆的原理来保证机器人居中行走；但是对于大直径（一般指直径≥1m）的输油管道而言，若采用现有技术实现居中，则容易导致机器人体积过于庞大且结构复杂，无论是使用操作还是搬运移动均十分不便。

发明内容

本发明提供用于油气管道的管道机器人及管道缺陷检测修复方法，解决的技术问题之一是现有的管道机器人探伤方式难以适用于油气输送管道的问题，实现降低管壁油污干扰、提高对管道内壁缺陷的检测准确性，并能够在打磨后直接对打磨部位进行喷涂上漆的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

用于油气管道的管道机器人，包括行走组件，还包括连接在所述行走组件上的工作组件，所述工作组件包括转动件、连接在所述转动件上的缺陷检测装置、用于驱动所述转动件转动的第一驱动装置、滑动连接在所述转动件上的打磨头、喷头；所述转动件上还设置吸尘装置、第一感应装置、第二感应装置，所述吸尘装置朝向所述打磨头所在方向，所述第一感应装置用于感应打磨头与管壁的距离，所述第二感应装置用于感应喷头与管壁的距离；所述缺陷检测装置包括红外检测装置、图像获取装置，所述红外检测装置由第五驱动装置驱动进行转动，所述图像获取装置安装在云台上；还包括控制系统，所述红外检测装置、图像获取装置、第一驱动装置、打磨头、喷头、第一感应装置、第二感应装置均与所述控制系统信号连接。

针对现有技术中受管壁油污影响、管道机器人难以适用于油气输送管道缺陷的准确检测，并且在打磨修复后无法上漆，会干扰后续原油输送稳定性的问题，本发明首先提出一种用于油气管道的管道机器人，其中行走组件用于在管道内行走，此处不对行走组件的结构和行走方式进行限位，采用任意现有行走方式均可，工作组件连接在行走组件上，随行走组件共同在管道内移动。本方案主要对工作组件进行改进优化，其中的转动件由第一驱动装置驱动进行转动，第一驱动装置的安装位置不做限定。转动件转动过程中，其上的所有部件同步转动。为了适应不同内径的管道使用，本申请设置打磨头和喷头滑动连接在转动件上，其具体滑动配合方式及对应驱动方式采用现有滑动配合技术即可；打磨头和喷头的滑动距离，分别以第一感应装置、第二感应装置来判断，具体的第一感应装置、第二感应装置分别用于感应打磨头、喷头与管壁的距离，此处的感应方式可以通过现有任意测距传感器直接检测距离来实现，也可通过如触碰传感器、压力传感器等方式感应打磨头、喷头是否与管壁接触、接触压力有多大等方式来实现。通过第一感应装置、第二感应装置，以此控制打磨头、喷头向外伸出的距离，进而在合适位置进行打磨和喷涂作业。本方案中控制系统接收红外检测装置、图像获取装置、第一感应装置、第二感应装置等的信号并控制第一驱动装置、打磨头、喷头等的动作。本申请中的缺陷检测装置用于对管道内壁进行缺陷检测：针对现有技术中油气管道管壁容易有油污残留，严重影响图像识别或人工判断对管壁缺陷的检测精度的问题，本申请的缺陷检测装置包括红外检测装置和图像获取装置，红外检测装置在第五驱动装置的驱动下对管壁进行旋转扫描，通过红外扫描能够更为可靠的得到管壁缺陷，若油污没有完全填充缺陷内部或只是改变了缺陷内部颜色导致难以依靠视觉观察，那么能够通过接收反射波时间差异来进行识别；即使有油污完全进入缝隙等缺陷内部，由于反射介质的不同，也能够通过反射波的强度差异将这类视觉不易察觉的缺陷识别出来。本申请中的图像获取装置能够为工作人员提供视频图像，以此在人工操作模式下实现对行走组件的行走进行控制，此外本申请的图像获取装置还有一个重要作用是在于对红外检测装置识别出的疑似缺陷部位进行二次判定，二次判定过程可以通过既有的图像识别技术实现，也可传回图像由工作人员人工进行判定，以此显著提高对管壁缺陷识别的准确性和可靠性。本申请还具有用于喷涂上漆的喷头，在对缺陷打磨完成后，对打磨部位进行喷涂上漆，以此克服现有技术中管道机器人因不具有喷涂功能而不适用于石油输送管道的问题。此外，本申请具有朝向打磨头所在方向的吸尘装置，用于在打磨过程中将废屑吸走，以此克服现有技术中废屑会残留在管道内的问题，无需进行二次清管作业，显著减少了作业周期，提高了作业效率，避免了长时间截止油气管道对下游生产工作所带来的影响。此外，本申请中与图像获取装置配套的云台为现有技术，在此不做赘述。

本方案具体使用时，行走组件带动工作组件在输油管道内行走，行走过程中第一驱动装置不启动，转动件相对行走组件保持静止，由第五驱动装置驱动红外检测装置独立旋转实时扫描管壁，同时图像获取装置实时传回图像；当红外检测装置检测到有疑似缺陷部位时，行走组件停止行走，控制系统控制云台带动图像获取装置转动至正对疑似缺陷部位，获取静态图像，通过图像识别或人工判断的方式判定该部位是否的确存在缺陷，若是，则将该部位定义为标定缺陷部位，开始进行修复处理：转动件将打磨头转动至正对疑似缺陷部位的方向，打磨头滑动伸长，直至第一感应装置感应到打磨头接触管壁，开始进行打磨，打磨过程中吸尘装置同时运行，将打磨过程中产生的废屑吸走暂存；在打磨完成后，收回打磨头，转动件将喷头转动至正对被打磨部位，喷头滑动伸长至距离管壁合适位置（具体位置由第二感应装置进行感应控制），开始进行喷涂作业。当然，本申请在打磨和喷涂过程中，根据具体的打磨和喷涂方式，转动件可进行适应性的转动，此时的转动可由程序预设，也可由工作人员人工操作，这由本领域技术人员根据具体情况进行适应性的选择和设置即可。

进一步的，第二驱动装置用于驱动所述打磨头在转动件表面做直线运动，第三驱动装置用于驱动所述喷头在转动件表面做直线运动；所述第二驱动装置、第三驱动装置的驱动方向均沿转动件径向方向，且所述打磨头和喷头的朝向相反；所述第二驱动装置、第三驱动装置也与所述控制系统信号连接。第二驱动装置可通过任意现有驱动方式驱动打磨头在转动件上沿径向做直线运动，同理第三驱动装置可通过任意现有驱动方式驱动喷头在转动件上沿径向做直线运动。打磨头和喷头的朝向相反，是为了避免打磨头和喷头相互干扰，更是能够防止打磨过程中产生的废屑堵塞喷头等情况出现。

进一步的，所述打磨头安装在第一盖体外部，且打磨头由安装在第一盖体内的第四驱动装置驱动进行旋转，所述第二驱动装置用于驱动第一盖体整体做直线运动；还包括与所述第一盖体相对固定的定位架，所述定位架包括用于容纳打磨头的缺口、位于所述缺口一侧或两侧的吸尘插孔，所述吸尘插孔用于装配所述吸尘装置的吸尘口；

所述第三驱动装置穿过第二盖体；

所述第一盖体、第二盖体均固定在转动件远离行走组件所在方向的一侧；所述图像获取装置安装在云台上，所述云台安装在第一盖体或第二盖体远离行走组件所在方向的一侧，所述第五驱动装置安装在第一盖体或第二盖体远离行走组件所在方向的一侧；

所述第四驱动装置、第五驱动装置均与所述控制系统信号连接。

本方案中，第四驱动装置用于对打磨头提供自旋动力。第一盖体能够为打磨头提供安装工位，同时第二驱动装置驱动第一盖体整体做直线运动，以此实现驱动打磨头做直线运动的效果。本方案的定位架与第一盖体相对固定，其相对固定方式可通过任意现有方式实现，在此不做赘述。定位架的设计专用于本申请中打磨头与吸尘装置的配套使用，定位架上设置一个缺口供打磨头装入并局部凸出，而缺口的一侧或两侧设置吸尘插孔，便于将吸尘装置的吸尘口直接插入其中完成定位与装配，此种装配状态下，能够保证吸尘装置对打磨过程中产生的废屑的充分回收，显著降低废屑残留量，避免进行二次清管作业。

第二盖体除了起到保护内部部件的功能外，还能够为图像获取装置和/或第五驱动装置提供安装工位，图像获取装置的云台使用现有技术即可。云台和第五驱动装置安装在第一盖体或第二盖体远离行走组件所在方向的一侧，避免第一盖体和第二盖体对图像获取装置、红外检测装置的检测判断带来干扰。

进一步的，还包括用于为吸尘装置提供动力的吸尘电机、用于为喷头提供涂料的高压泵；所述吸尘电机的排出端与集尘箱相连，所述高压泵的上料端与储料容器相连；所述吸尘电机、高压泵、集尘箱、储料容器均设置在行走组件内。集尘箱用于暂存打磨过程中产生的、被吸尘装置吸收的废屑，便于在作业完成后统一回收处理。储料容器用于为高压泵提供油气管道专用漆料。

进一步的，所述行走组件包括车体、用于车体行走的四个呈方形分布的车轮，每个车轮各由一个第六驱动装置驱动进行转动；所述车体的左右两侧均设置支臂，两个支臂为同步动作的电动伸缩装置；还包括第三感应装置，所述第三感应装置用于感应管壁对支臂施加的压力和/或支臂距管壁的距离；所述第三感应装置、以及各第六驱动装置均与所述控制系统信号连接。针对现有技术中的管道机器人的行走方式，均不适用于大管径的油气管道检修使用的问题，本方案对行走组件进行改进，其中行走组件的车体为轮式结构，四个车轮呈方形分布，即对于车体而言，以前进方向为前、后退方向为后，左侧设置两个车轮、右侧设置两个车轮，并且与传统车体的相对车轮采用联动方式不同，本方案中各车轮是独立驱动的，每个车轮通过一个第六驱动装置进行驱动，控制系统可以对四个第六驱动装置进行独立控制。车体的左右两侧均设置支臂，即两个支臂分别向左右两侧延伸，支臂为电动伸缩装置，能够通过调整两侧支臂的长度来适应不同管径的输油管道使用。其中两个支臂同步动作，是指两个支臂同时伸长、同时缩短，且两支臂伸出至车体两侧的长度始终是一致的。每个支臂均具有对应的第三感应装置，第三感应装置可以是感应管壁对该支臂所施加的压力大小的压力传感器，和/或测量第三传感器自身与管壁距离的测距传感器；对于压力传感器而言，当支臂与管壁接触时产生压力信号，若两侧的压力值相等或接近，则认为车体相对居中；若左侧支臂的第三感应装置感应到的压力明显大于右侧支臂的第三感应装置感应到的压力，则表明车体距离左侧管壁更近，此时应控制车体向右侧适当转向以调整居中度；反之同理。对于测距传感器而言，由于两侧的测距传感器在两侧支臂上的相对位置是一样的，因此测量其自身距管壁的距离，同样能够判断出两侧支臂分别距两侧管壁的位置，若两侧的距离相等或相近，则认为车体相对居中；若检测到左侧的距离明显大于右侧的距离，则表情车体距离右侧管壁更近，此时应控制车体向左侧适当转向以调整居中度；反之同理。本方案中，当需要向左转向时，控制系统控制各第六驱动装置，使得左侧两个车轮反转、右侧两个车轮正转，即可将车体调整为车头朝向左前方进行转向；需要向右转向时同理。

本方案对行走组件的驱动方式，相较于现有技术而言具有如下优点：（1）通过两侧的支臂以及第三感应装置来判断横向居中度，解决了现有技术中轮式管道机器人居中性较差的问题，在大直径管道内走歪后能够及时进行自动调整，保证了管道机器人在横向上的居中程度；（2）本申请中管道机器人只需通过保证横向居中，即可完成对管壁的缺陷检测与修复，无需像现有技术一样需要使得工作组件的轴线与管道轴线重合才能够工作，因此显著降低了结构的复杂程度，有利于通过小体积设备实现对大管径的检测与修复，克服了现有技术中用于大直径管道的管道机器人结构复杂、体积庞大的缺陷；（3）两侧支臂具有伸缩功能，能够适用于不同管径的管道检测修复工况；并且本申请的支臂虽与管壁接触，但其与现有技术中的行走组件功能不同，并非是用于周向定位确定圆形边界，而是用于调整横向居中度，用于感应管道机器人两侧距管壁的距离和/或压力，这与现有技术具有明显区别；（4）本方案在遭遇弯道需要转向时，正向前进的车体两侧的第三感应装置会自动产生信号差，以此实现对管道曲率的自适应、自调整、自转向，无需人为设定行走路径与轨迹；此外本方案的转向是由四个车轮各自调整其正反转来实现的，转向过程中车体不前进，直至将车头调整至向左前方或右前方后再直线运动，这与现有技术中常见的通过驱动轮扭转实现换向的方式完全不同，本方案的转向方式相较于现有技术而言，由于所有车轮都独立起到驱动作用，因此卡阻概率极低，能够显著提高在管道内的过弯能力。

进一步的，所述支臂远离车体的端部铰接Y型件，所述Y型件的两分叉端均转动连接有导轮，且Y型件的两分叉端与支臂之间均通过拉伸复位弹簧连接。每个Y型件上的两个导轮沿车体前后方向分布，能够在行走组件前进与后退时提供优良的导向效果，使得支臂与管壁之间滚动接触；并且由于Y型件与支臂端部铰接，因此在遭遇管壁障碍时能够通过Y型件的自动扭转确保顺利通过。对于一个Y型件而言，其两侧的拉伸复位弹簧始终同时对两分叉端施加拉力，保证导轮相对Y型件的居中度；当Y型件向一侧发生扭转后，在另一侧的拉伸复位弹簧的作用下能够自动复位；此外，两侧的拉伸复位弹簧还能够保证Y型件的整体转动在一定范围内进行，提高Y型件和导轮的工作稳定性。

进一步的，所述控制系统包括：

行走驱动模块：用于根据人工控制信号或预设的自动驱动模式驱动行走组件在管道内行走和转向；当行走驱动模块为自动驱动模式时，需要接收第三感应装置的感应信号并以此为依据控制转向；

缺陷检测模块：用于在行走组件行走过程中，由红外检测装置对管道内壁旋转扫描，并由图像获取装置获取实时图像；红外检测装置检测出疑似缺陷部位，再由图像获取装置对疑似缺陷部位进行二次判断，定位标定缺陷部位，并判断该缺陷类型；

打磨模块：用于接收缺陷检测模块得到的标定缺陷部位和缺陷类型，根据缺陷类型选择打磨参数，通过打磨头对缺陷部位进行打磨；其中可以预设多种缺陷类型用于图像识别自动分类，也可由人工通过实时传回的图像进行分类；其中的打磨参数可包括打磨方式、打磨深度、打磨时间、打磨压力等中的一种或多种参数，打磨参数可以根据不同缺陷类型进行预设，打磨模块根据所获取的缺陷类型自动执行相应打磨参数即可；当然，打磨参数也可由人工根据具体缺陷情况在现场进行针对性的控制。

喷涂模块：用于在打磨完成后，通过喷头对打磨区域进行喷涂上漆。

一种管道缺陷检测修复方法，包括：

S1、由行走组件带动管道机器人在油气管道内行走；行走过程中第五驱动装置驱动红外检测装置匀速旋转，由红外检测装置对管道内壁进行旋转扫描，同时图像获取装置实时传输图像；

S2、、当红外检测装置扫描到管道内壁具有疑似缺陷部位时，控制系统控制行走组件停止行走，并由云台驱动图像获取装置转动至正对疑似缺陷部位，图像获取装置在静止状态下获取疑似缺陷部位的图像，由图像识别或人工识别方式对疑似缺陷部位进行二次判断：若判断结果为非缺陷，则回到步骤S1；若判断结果为缺陷，则得到标定缺陷部位；

S3、由第一驱动装置驱动转动件、将打磨头转动至正对标定缺陷部位的方向，第四驱动装置驱动打磨头开始自旋，同时由第二驱动装置驱动打磨头径向向外运动进行打磨，直至完成打磨；打磨过程中启动吸尘电机、通过吸尘装置回收打磨产生的废屑，同时由第一感应装置感应打磨头与管壁之间的距离，以此控制打磨深度和/或打磨压力；

S4、打磨完成后，再次由云台驱动图像获取装置转动至正对标定缺陷部位的方向，图像获取装置获取打磨后的图像，由图像识别或人工识别方式判断打磨是否合格：若不合格，则回到步骤S3；若合格，则结束打磨作业，进入下一步；

S5、由第一驱动装置驱动转动件、将喷头转动至正对标定缺陷部位的方向，第三驱动装置驱动喷头径向向外运动至靠近管壁，启动高压泵对打磨后的管壁喷涂上漆；

S6、喷涂完成后，再次由云台驱动图像获取装置转动至正对标定缺陷部位的方向，图像获取装置获取喷涂后的图像，由图像识别或人工识别方式判断喷涂是否合格：若不合格，则回到步骤S5；若合格，则结束喷涂作业，回到步骤S1。

进一步的，所述行走组件包括分别用于驱动四个车轮转动的四个第六驱动装置，行走组件由行走驱动模块控制，行走驱动模块包括前进单元、后退单元、左转单元、右转单元；其中，

前进单元：所有第六驱动装置均驱动对应的车轮正转；

后退单元：所有第六驱动装置均驱动对应的车轮反转；

左转单元：位于左侧的两个车轮在各自对应的第六驱动装置驱动下反转，位于右侧的两个车轮在各自对应的第六驱动装置驱动下正转；

右转单元：位于右侧的两个车轮在各自对应的第六驱动装置驱动下反转，位于左侧的两个车轮在各自对应的第六驱动装置驱动下正转；

需要说明的是，其中“正转”是指车轮朝前进方向转动，“反转”是指车轮朝后退方向转动；

所述行走驱动模块具有人工驱动模式、自动驱动模式；

所述人工驱动模式的驱动方法包括：人为向行走驱动模块输入前进、后退、左转或右转信号，行走驱动模块分别执行前进单元、后退单元、左转单元、右转单元；

所述自动驱动模式的驱动方法包括：行走组件在行走过程中，左右两侧的支臂向外伸展，使管壁始终对两个支臂施加作用力、并由两个第三感应装置分别感应两侧支臂所受压力和/或两侧支臂距管壁的距离：当两个第三感应装置感应到两侧的压力差和/或距离差小于或等于预设值时，执行所述前进单元；当两个第三感应装置感应到两侧的压力差和/或距离差大于预设值时：

若左侧的第三感应装置感应到的压力更大和/或距离更近，则执行右转单元；

若右侧的第三感应装置感应到的压力更大和/或距离更近，则执行左转单元。

进一步的，步骤S2中，得到标定缺陷部位后，通过图像识别或人工识别的方式判断所述标定缺陷部位的缺陷类型，根据该缺陷类型确定打磨参数。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明用于油气管道的管道机器人及管道缺陷检测修复方法，红外检测装置对管壁进行旋转扫描，通过红外扫描能够更为有效的得到管壁疑似缺陷部位，克服了现有技术中油气管道管壁容易有油污残留，严重影响图像识别或人工判断对管壁缺陷的检测精度的问题；还通过图像获取装置对红外检测装置识别出的疑似缺陷部位进行二次判定，显著提高了对管壁缺陷识别的准确性和可靠性。

2、本发明用于油气管道的管道机器人及管道缺陷检测修复方法，克服了现有技术中打磨废屑会残留在管道内的问题，无需进行二次清管作业，显著减少了作业周期，提高了作业效率，降低了长时间截止油气管道对下游生产生活所带来的影响。

3、本发明用于油气管道的管道机器人及管道缺陷检测修复方法，具有用于喷涂上漆的喷头，在对缺陷打磨完成后，对打磨部位进行喷涂上漆，以此克服现有技术中管道机器人因不具有喷涂功能而不适用于油气输送管道的问题。

4、本发明用于油气管道的管道机器人及管道缺陷检测修复方法，通过车体两侧的支臂以及第三感应装置来判断横向居中度，解决了现有技术中轮式管道机器人居中性较差的问题，在大直径管道内走歪后能够及时进行自动调整，保证了在管道机器人在横向上的居中程度；并且本申请中管道机器人只需通过保证横向居中，即可完成对管壁的缺陷检测与修复，无需必须使工作组件的轴线与管道轴线重合才能够工作，因此显著降低了结构的复杂程度，有利于通过小体积设备实现对大管径的检测与修复，克服了现有技术中用于大直径管道的管道机器人结构复杂、体积庞大的缺陷。

5、本发明用于油气管道的管道机器人及管道缺陷检测修复方法，在遭遇弯道需要转向时，正向前进的车体两侧的第三感应装置会自动产生信号差，以此实现对管道曲率的自适应、自调整、自转向，无需人为设定行走路径与轨迹；并且本申请的转向方式相较于现有技术而言，由于所有车轮都独立起到驱动作用，因此卡阻概率极低，能够显著提高在管道内的过弯能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的侧视图；

图2为本发明具体实施例的结构示意图；

图3为本发明具体实施例的内部结构示意图；

图4为本发明具体实施例的内部结构示意图；

图5为本发明具体实施例中支臂的结构示意图；

图6为本发明具体实施例中工作组件的局部结构示意图；

图7为本发明具体实施例中定位架和防尘罩的装配示意图；

图8为本发明具体实施例的控制流程总图；

图9为本发明具体实施例中行走驱动模块的控制流程图；

图10为本发明具体实施例中PID调节子单元的控制流程图；

图11为本发明具体实施例中缺陷检测模块的控制流程图；

图12为本发明具体实施例中打磨模块的控制流程图；

图13为本发明具体实施例中喷涂模块的控制流程图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-转动件，2-第一驱动装置，3-打磨头，4-喷头，5-吸尘装置，6-第二驱动装置，7-第三驱动装置，8-红外检测装置，9-图像获取装置，901-云台，10-第一盖体，11-第四驱动装置，12-定位架，121-缺口，122-吸尘插孔，13-第五驱动装置，14-第二盖体，15-防尘罩，16-吸尘电机，17-高压泵，18-集尘箱，19-储料容器，20-车体，21-车轮，22-第六驱动装置，23-支臂，24-Y型件，25-导轮，26-拉伸复位弹簧，27-蓄压过滤器，28-车架盖，29-电机支座，30-滑动轴承，31-照明灯。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

实施例1：

如图1至图4所示的用于油气管道的管道机器人，包括行走组件，还包括连接在行走组件上的工作组件，工作组件包括转动件1、连接在转动件1上的缺陷检测装置、用于驱动转动件1转动的第一驱动装置2、滑动连接在转动件1上的打磨头3、喷头4；转动件1上还设置吸尘装置5、第一感应装置、第二感应装置，吸尘装置5朝向打磨头3所在方向，第一感应装置用于感应打磨头3与管壁的距离，第二感应装置用于感应喷头4与管壁的距离；缺陷检测装置包括红外检测装置8、图像获取装置9，红外检测装置8由第五驱动装置13驱动进行转动，图像获取装置9安装在云台901上；还包括控制系统，红外检测装置8、图像获取装置9、第一驱动装置2、打磨头3、喷头4、第一感应装置、第二感应装置均与控制系统信号连接。

本实施例中，第二驱动装置6用于驱动打磨头3在转动件1表面做直线运动，第三驱动装置7用于驱动喷头4在转动件1表面做直线运动；第二驱动装置6、第三驱动装置7的驱动方向均沿转动件1径向方向，且打磨头3和喷头4的朝向相反；第二驱动装置6、第三驱动装置7也与控制系统信号连接。

在一个或多个优选的实施方式中，转动件1为转盘；第一驱动装置2为伺服电机；第一感应装置、第二感应装置为压力传感器和/或测距传感器；红外检测装置8为红外测距仪，图像获取装置9为CCD摄像头；第二驱动装置6优选为电机丝杠机构，第三驱动装置7优选为电动推杆。

在一个或多个优选的实施方式中，第一驱动装置2安装在电机支座29上，其输出端的转轴还与滑动轴承30配合以提高转动稳定性。

实施例2：

如图1至图6所示的用于油气管道的管道机器人，在实施例1的基础上，打磨头3安装在第一盖体10外部，且打磨头3由安装在第一盖体10内的第四驱动装置11驱动进行旋转，第二驱动装置6用于驱动第一盖体10整体做直线运动；还包括与第一盖体10相对固定的定位架12，定位架12包括用于容纳打磨头3的缺口121、位于缺口121一侧或两侧的吸尘插孔122，吸尘插孔122用于装配吸尘装置5的吸尘口；第三驱动装置7穿过第二盖体14；第一盖体10、第二盖体14均固定在转动件1远离行走组件所在方向的一侧；图像获取装置9安装在云台901上，云台901安装在第一盖体10或第二盖体14远离行走组件所在方向的一侧，第五驱动装置13安装在第一盖体10或第二盖体14远离行走组件所在方向的一侧；第四驱动装置11、第五驱动装置13均与控制系统信号连接。还包括用于为吸尘装置5提供动力的吸尘电机16、用于为喷头4提供涂料的高压泵17；吸尘电机16的排出端与集尘箱18相连，高压泵17的上料端与储料容器19相连；吸尘电机16、高压泵17、集尘箱18、储料容器19均设置在行走组件内。其中吸尘电机16的具体吸尘方式根据现有技术实现即可，高压泵17优选为柱塞泵。

在一个或多个优选的实施方式中，吸尘电机16与吸尘插孔122之间通过软管连接。

在一个或多个优选的实施方式中，第四驱动装置11、第五驱动装置13均为步进电机。

在一个或多个优选的实施方式中，高压泵17的输出端还连接有蓄压过滤器27。

在一个或多个优选的实施方式中，如图6所示，第四驱动装置11与打磨头3之间通过锥齿轮传动，第四驱动装置11安装在被第二驱动装置6驱动的安装板上，该安装板可视作第一盖体10的底板。第二驱动装置6为两组联动的电机丝杆机构，在转动件1上开设有位于两组电机丝杆机构之间的凹槽，第三驱动装置7为位于该凹槽内的电动推杆。

在一个或多个优选的实施方式中，打磨头3安装在防尘罩15内。如图7所示，防尘罩15与第四驱动装置11的外壳固定连接，定位架12固定安装在防尘罩15上；防尘罩15底部开设有用于与第四驱动装置11连接的通孔，防尘罩15顶部开设用于打磨头局部凸出的开口，打磨头仅在该开口处外露，其余部分完全被防尘罩15包覆在内，此种设计还能够避免打磨过程中产生的废屑干扰打磨头的驱动部件。

在一个或多个优选的实施方式中，第一盖体10、第二盖体14均为防尘盖。

在一个或多个优选的实施方式中，吸尘电机16、高压泵17、集尘箱18、储料容器19均位于车体上，通过车架盖28进行包覆遮挡。车架盖28上还安装有照明灯31。

实施例3：

用于油气管道的管道机器人，在上述任一实施例的基础上，行走组件包括车体20、用于车体20行走的四个呈方形分布的车轮21，每个车轮21各由一个第六驱动装置22驱动进行转动；行走组件的左右两侧均设置支臂23，两个支臂23为同步动作的电动伸缩装置；还包括第三感应装置，第三感应装置用于感应管壁对支臂23施加的压力和/或支臂23距管壁的距离；第三感应装置、以及各第六驱动装置22均与控制系统信号连接。其中第六驱动装置22优选为直流电机，第三感应装置可同时使用压力传感器和测距传感器。

本实施例中每个支臂均具有对应的第三感应装置，第三感应装置可以是感应管壁对该支臂所施加的压力大小的压力传感器，和/或测量第三传感器自身与管壁距离的测距传感器；对于压力传感器而言，当支臂与管壁接触时产生压力信号，若两侧的压力值相等或接近，则认为车体相对居中；若左侧支臂的第三感应装置感应到的压力明显大于右侧支臂的第三感应装置感应到的压力，则表明车体距离左侧管壁更近，此时应控制车体向右侧适当转向以调整居中度；反之同理。对于测距传感器而言，由于两侧的测距传感器在两侧支臂上的相对位置是一样的，因此测量其自身距管壁的距离，同样能够判断出两侧支臂分别距两侧管壁的位置，若两侧的距离相等或相近，则认为车体相对居中；若检测到左侧的距离明显大于右侧的距离，则表示车体距离右侧管壁更近，此时应控制车体向左侧适当转向以调整居中度；反之同理。本方案中，当需要向左转向时，控制系统控制各第六驱动装置，使得左侧两个车轮反转、右侧两个车轮正转，即可将车体调整为车头朝向左前方进行转向；需要向右转向时同理。

此外，由于本实施例的管道机器人是保证横向居中行走、其纵向是否居中不在考虑范围内，因此红外检测装置扫描得到的疑似缺陷部位会有轻微变形，但这并不影响对缺陷的初步识别，这种现象体现至红外检测装置的波形图上，对于没有缺陷的部位，波形图依然呈稳定的圆形，若有缺陷部位，则波形图上仍然会有明显的异常显示。

在一个或多个优选的实施方式中，支臂23远离车体20的端部铰接Y型件24，Y型件24的两分叉端均转动连接有导轮25，且Y型件24的两分叉端与支臂23之间均通过拉伸复位弹簧26连接。

在一个或多个优选的实施方式中，第三感应装置由压力传感器和红外测距仪共同组成：第三感应装置中的压力传感器安装在支臂23内部，其具体安装方式在此不做限定，只需满足能够感应到管壁对支臂的反作用力即可，由本领域技术人员根据具体情况进行适应性选择即可；第三感应装置中的红外测距仪安装在支臂上非伸缩段的任意位置，保证其与车架盖28位置的相对固定，这样无论支臂23如何伸缩，都能够有效检测到与两侧之间间距的相对变化情况。

在一个或多个优选的实施方式中，本申请的管道机器人通过自携电源或外接电缆的方式进行供电。其中外接电缆供电为优选方式，电缆与转动件上各用电器材之间可通过旋转导电滑环实现在旋转状态下的导通。

在一个或多个优选的实施方式中，本申请的管道机器人在现场可通过无线或有线方式实现图像信号、感应信号等各类信号的传输。

实施例4：

在上述任一实施例的基础上，控制系统的简要控制流程如图8所示，在工作过程中高频重复执行行走驱动模块、打磨模块、喷涂模块、缺陷检测模块，实现对应的判断和控制过程。具体的：

行走驱动模块：其控制程序如图9所示，根据人工控制信号或预设的自动驱动模式驱动行走组件在管道内行走和转向；行走驱动模块具有人工驱动和自动驱动两种模式。在人工驱动模式下，人为向行走驱动模块输入前进、后退、左转或右转信号，行走驱动模块分别执行前进单元、后退单元、左转单元、右转单元；在自动驱动模式下，由于本实施例的第三感应装置同时具有感应支臂所受压力的压力传感器和测量至管壁距离的测距传感器，因此由两侧的第三感应装置分别感应两侧支臂所受压力和两侧距管壁的距离：当两个第三感应装置感应到两侧的压力差和距离差均小于或等于预设值时，执行前进单元，控制所有车轮正转；当两侧压力传感器的测量值之差大于预设值，或两侧距离传感器的测量值之差大于预设值，则进行相应的转向控制：若左侧的第三感应装置感应到的压力更大和/或距离更近，则执行右转单元；若右侧的第三感应装置感应到的压力更大和/或距离更近，则执行左转单元。

缺陷检测模块：其控制程序如图11所示，在行走组件行走过程中，由红外检测装置8对管道内壁旋转扫描，并由图像获取装置9获取实时图像；红外检测装置8检测出疑似缺陷部位，再由图像获取装置9对疑似缺陷部位进行二次判断，若二次判断认定该缺陷的确存在，则定义为标定缺陷部位，定位该标定缺陷部位的位置、并判断该缺陷类型；

打磨模块：其控制程序如图12所示，接收缺陷检测模块得到的标定缺陷部位和缺陷类型，根据缺陷类型选择打磨参数，通过打磨头3对缺陷部位进行打磨；

喷涂模块：其控制程序如图13所示，在打磨完成后，通过喷头4对打磨区域进行喷涂上漆。

优选的，本实施例中如图12所示，打磨模块在开始打磨前有一个确认过程，此处的确认过程可由人工进行判断，以降低误操作可能性；在打磨完成后由图像获取装置进行视觉判断，若判断结果为打磨未完成，此时进入另一个确认过程，由人工再次进行判断是否重新打磨；喷涂模块同理。

需要说明的是，图12与图13中的“驱动电机停止”，是指确定行走驱动模块处于停止状态，保证管道机器人在管道内稳定进行缺陷修复作业；“抬高打磨头”是指由第二驱动装置6驱动打磨头更靠近管壁，“降低打磨头”是指由第二驱动装置6驱动打磨头更远离管壁。

优选的，如图9所示，行走驱动模块中的每个闭环反馈均通过PID调节子单元进行优化，使对应的闭环控制过程更加稳定、准确、快速。PID调节子单元的具体控制过程如图10所示。

实施例5：

基于上述任一实施例中管道机器人的管道缺陷检测修复方法，包括：

S1、由行走组件带动管道机器人在油气管道内行走；行走过程中第五驱动装置13驱动红外检测装置8匀速旋转，由红外检测装置8对管道内壁进行旋转扫描，同时图像获取装置9实时传输图像；

S2、当红外检测装置8扫描到管道内壁具有疑似缺陷部位时，控制系统控制行走组件停止行走，并由云台901驱动图像获取装置9转动至正对疑似缺陷部位，图像获取装置9在静止状态下获取疑似缺陷部位的图像，由图像识别或人工识别方式对疑似缺陷部位进行二次判断：若判断结果为非缺陷，则回到步骤S1；若判断结果为缺陷，则得到标定缺陷部位；

S3、由第一驱动装置2驱动转动件1、将打磨头3转动至正对标定缺陷部位的方向，第四驱动装置11驱动打磨头3开始自旋，同时由第二驱动装置6驱动打磨头3径向向外运动进行打磨，直至完成打磨；打磨过程中启动吸尘电机16、通过吸尘装置5回收打磨产生的废屑，同时由第一感应装置感应打磨头3与管壁之间的距离，以此控制打磨深度和/或打磨压力；

S4、打磨完成后，再次由云台901驱动图像获取装置9转动至正对标定缺陷部位的方向，图像获取装置9获取打磨后的图像，由图像识别或人工识别方式判断打磨是否合格：若不合格，则回到步骤S3；若合格，则结束打磨作业，进入下一步；

S5、由第一驱动装置2驱动转动件1、将喷头4转动至正对标定缺陷部位的方向，第三驱动装置7驱动喷头4径向向外运动至靠近管壁，启动高压泵17对打磨后的管壁喷涂上漆；

S6、喷涂完成后，再次由云台901驱动图像获取装置9转动至正对标定缺陷部位的方向，图像获取装置9获取喷涂后的图像，由图像识别或人工识别方式判断喷涂是否合格：若不合格，则回到步骤S5；若合格，则结束喷涂作业，回到步骤S1。

当然，步骤S6中在喷涂完成，且检测合格后，如果被喷涂位置正好在任一车轮或导轮的行走路线上，则停机等待一段时间，使得刚喷涂的漆料固化，其具体等待时长由本领域技术人员根据具体使用的漆料性能进行适应性设置即可。

本实施例中行走组件包括分别用于驱动四个车轮21转动的四个第六驱动装置22，行走组件由行走驱动模块控制，行走驱动模块包括前进单元、后退单元、左转单元、右转单元；其中，

前进单元：所有第六驱动装置22均驱动对应的车轮21正转；

后退单元：所有第六驱动装置22均驱动对应的车轮21反转；

左转单元：位于左侧的两个车轮21在各自对应的第六驱动装置22驱动下反转，位于右侧的两个车轮21在各自对应的第六驱动装置22驱动下正转；

右转单元：位于右侧的两个车轮21在各自对应的第六驱动装置22驱动下反转，位于左侧的两个车轮21在各自对应的第六驱动装置22驱动下正转；

行走驱动模块具有人工驱动模式、自动驱动模式；

人工驱动模式的驱动方法包括：人为向行走驱动模块输入前进、后退、左转或右转信号，行走驱动模块分别执行前进单元、后退单元、左转单元、右转单元；

自动驱动模式的驱动方法包括：行走组件在行走过程中，左右两侧的支臂23向外伸展，使管壁始终对两个支臂23施加作用力、并由两个第三感应装置分别感应两侧支臂23所受压力和/或两侧支臂23距管壁的距离：当两个第三感应装置感应到两侧的压力差和/或距离差小于或等于预设值时，执行前进单元；当两个第三感应装置感应到两侧的压力差和/或距离差大于预设值时：

若左侧的第三感应装置感应到的压力更大和/或距离更近，则执行右转单元；

若右侧的第三感应装置感应到的压力更大和/或距离更近，则执行左转单元。

在一个或多个优选的实施方式中，步骤S2中在得到标定缺陷部位后，通过图像识别或人工识别的方式判断标定缺陷部位的缺陷类型，根据该缺陷类型确定打磨参数。

实施例6：

在上述任一实施例的基础上，本实施例中基于图像识别技术来识别管道内壁缺陷的方法可采用现有图像识别技术实现，也可采用如下两种方法之一：

方法一：利用OpenCV开源计算机视觉库：

采用MFC（Microsoft Foundation Classes）技术并调用OpenCV开发。涉及文件处理、点的处理（包含灰度化、图像反相、直方图均衡化）、图像滤波（均值滤波、高斯滤波、中值滤波）、边缘检测（Roberts算子、Sobel算子、Laplace算子、Canny算子、Kirsch算子、Prewitt算子、动态学梯度）、交互、阈值分割（手动阈值、自适应阈值、最大熵阈值、全局阈值、迭代阈值）、裂缝识别（Hough变换）、裂缝特征参数提取（腐蚀、膨胀、细化）等。

摄像机采集到的图像是灰度图像，首先利用中值滤波法去除灰度图像中的噪声；其次使用形态学梯度算法进行边缘检测；然后通过Otsu算法自适应选取阂值对管道裂缝图像进行二值化处理；再采用Hough变换对二值图像进行直线检测，识别裂缝；最后对二值图像做形态学处理和细化操作，求出裂缝的面积和长度等特征参数。

方法二：基于RGBD图像管道缺陷自动检测识别：

首先通过图像去噪（高斯滤波去除高斯噪声，中值滤波去除椒盐噪声）、图像增强、图像缩放进行图像的预处理；之后利用神经网络对管道缺陷图像进行分类识别（AlexNet模型对管道缺陷图片的分类效果较好）；图像处理系统包含图像分割（自适应阈值分割对于图像处理有较好的优势）、轮廓检测、TensorFlow，可实现系统功能设计、管道缺陷标记、异常记录入库。

在一个或多个优选的实施方式中，采用图像识别技术判断打磨是否合格、判断喷涂是否合格的过程，采用现有图像识别技术即可实现，其判断标准基于GB/T 8923.1—2011/IOS 8501-1:2007实现。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。