适用于管道内部的自探索机器人

摘要

本发明公开了一种适用于管道内部的自探索机器人，包括控压仓、柔性轨道、检测机构，所述控压仓的壁上开设有用于供所述柔性轨道贯穿的开口，所述柔性轨道包括收卷部和展开部，所述收卷部位于所述控压仓内，所述展开部位于所述控压仓外，所述控压仓用于控制所述收卷部由所述控压仓内向所述控压仓外延伸并形成所述展开部。本发明的适用于管道内部的自探索机器人，通过控压仓控制压力，使得控压仓内收卷的柔性轨道通过开口不断向外延伸、展开形成展开部，通过这种轨道内壁外翻形式的展开状态，使得轨道在展开时匹配管道内部的情况，使得轨道沿着管道能够自行向前延伸，实现自探索。

说明书

技术领域

本发明属于管道检测技术领域，具体涉及一种适用于管道内部的自探索机器人。

背景技术

随着国民经济的发展，尤其是工业的发展，在各行各业中进入受限空间的检查工作逐年增多。同时随着安全生产监督管理的加强，直接使用人员进入受限空间的检查工作，除受到物理性不可达的限制以外，可达的区域同样受到越发严格的安全生产相关法规的规管和限制。在这样的大前提之下，各类受限空间检查装置的市场获得了充分快速的发展。目前的受限空间的检查装置按其驱动方式不同分为内窥镜和机器人两个大类。

其中内窥镜主要是通过人力推动其后的刚性/半刚性的杆状构件，使其进入受限空间内部工位实现检查功能的。对于内窥镜的推杆机构而言，只能直进直出或简单地转向，很难将内窥镜的镜头推入具有复杂空间结构的指定工位上；同时对于拥有复杂截面的受限空间，内窥镜的导轮机构不能自适应，往往不能应用。

管道机器人根据运动机构分为轮式、履带式、多足式运动机构。轮式或履带式运动机构能通过人工操作实现转向和适应某种截面，利用吸附或摩擦具有一定的爬高能力，但吸附能力(需要贴合表面)与越障能力(需要离开表面)不可兼具，实际运行严重依赖与其接触表面的磁性、摩擦系数、平缓结构来维持机器人的行进要求，因而不能应对变径、大曲率弯管、垂直爬高、阀门、限流孔板等组合工况。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和达到上述目的，本发明的目的是提供一种适用于管道内部的自探索机器人，能够适用于各种情况的复杂管道，实现自行前进和探索。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种适用于管道内部的自探索机器人，包括控压仓、柔性轨道、检测机构，所述控压仓的壁上开设有用于供所述柔性轨道贯穿的开口，所述柔性轨道包括收卷部和展开部，所述收卷部位于所述控压仓内，所述展开部位于所述控压仓外，所述控压仓用于控制所述收卷部由所述控压仓内向所述控压仓外延伸并形成所述展开部。

根据本发明的一些优选实施方面，所述柔性轨道的截面为封闭图形，所述柔性轨道的一端将内壁向外翻折后固定在所述开口上，所述柔性轨道的外壁与所述控压仓之间形成密闭空间。轨道的截面为矩形、椭圆形、圆形等各种形式，优选为圆形，圆形的柔性轨道的端部外翻后固定在开口上，外壁与控压仓形成密闭空间，以方便通过控制控压仓内的压力使得流体介质充满该密闭空间，进而使得收卷部不断通过开口向外运动形成展开部。柔性轨道的材质采用如树脂、橡胶、乳胶材料、编织材料等或其构成的复合材料。

根据本发明的一些优选实施方面，所述展开部包括第一展开部和第二展开部，所述第一展开部围绕在所述第二展开部的外侧，且所述第一展开部与所述第二展开部的延伸方向相同；所述控压仓用于向所述第一展开部和第二展开部之间形成的空间内输送流体介质以控制所述第二展开部向远离所述控压仓的方向延伸并向外翻折后形成所述第一展开部。控压仓的作用在于维持密闭空间内压力的稳定，使得流体介质不断充入第一展开部和第二展开部之间形成的空间内，使得第二展开部不断向前外翻后形成第一展开部。即收卷部和第二展开部的内壁在远离控压仓的端部外翻后形成第一展开部。

通过端部外翻的形式，已经外翻形成的第一展开部作为外部的支撑点，端部外翻出来又形成新的支撑点，能够很好地匹配管道内的复杂情况，且已经外翻形成的第一展开部不会受到影响，即使第一展开部局部被刺破，只要压力足够，轨道的延伸不会受到影响，自探索机器人同样可以进行工作。

根据本发明的一些优选实施方面，包括设置在所述柔性轨道内的牵引绳以及用于对所述牵引绳和柔性轨道的收卷部进行释放和回收的驱动机构，所述牵引绳的一端与所述检测机构连接。检测机构设置在第二展开部变为第一展开部的端部，在轨道外翻向前延伸的时候能够推动检测机构向前运动，但是如果没有牵引绳的牵引，一是检测机构无法回收，一是有可能会掉落，而掉落之后同样无法回收。通过驱动机构对牵引绳和柔性轨道进行释放和回收，通过牵引绳对检测机构进行牵引，使得检测机构始终位于柔性轨道的端部；且牵引绳提供使得检测机构具有向控压仓运动的趋势。

根据本发明的一些优选实施方面，所述检测机构包括壳体以及位于所述壳体上的检测仪，所述壳体包括靠近所述控压仓一端的筒体以及设置在所述筒体上的载体，所述检测仪设置在所述载体上。

根据本发明的一些优选实施方面，所述筒体套设在所述第一展开部远离所述控压仓的一端，所述筒体的直径与所述第一展开部的直径相匹配。筒体的直径略大于(1-10mm)第一展开部的直径。筒体套设在轨道的端部，一方面能够对端部形成保护，同时能够限制检测机构的移动，防止检测机构的脱落。所述载体为球冠状，弧形表面的设置方便检测机构在管道内的移动。

根据本发明的一些优选实施方面，所述牵引绳具有电力和信号传输功能，所述牵引绳的一端与检测仪连接，所述牵引绳的另一端与驱动机构连接。检测仪可以为现有管道检测中常用的检测设备，如摄像头、无损检测的相关仪器等，由于检测设备检测的时候需要电力和信号传输，通过电力线和信号线集成在牵引绳中以实现相关功能。

根据本发明的一些优选实施方面，包括多根所述牵引绳，每根所述牵引绳的端部连接在所述检测机构上的不同位置。电力线和信号线与检测仪连接以分别传输电力和信号，牵引绳的其他部件可以直接连接在载体或筒体上的不同部位，以通过控制不同的牵引绳控制检测机构的朝向，进而控制轨道延伸的方向。

根据本发明的一些优选实施方面，包括控制系统以及设置在所述控压仓内的压力传感器和/或温度传感器。压力传感器用于监测控压仓与轨道形成的密闭空间内的压力，以保证有足够的压力(流体介质)能够推动轨道不断向前延伸。温度传感器用于监测控压仓内(流体介质)的温度，因为流体介质会热胀冷缩，通过压力传感器和温度传感器保证控压仓内压力的稳定。

根据本发明的一些优选实施方面，所述控压仓上设置有控压机构和稳压机构，所述控压机构用于向所述控压仓内输送流体介质，所述稳压机构用于从所述控压仓内释放流体介质。所述稳压机构包括泄压阀和/或排气阀；所述控压机构包括风机/空压机以及电磁阀和管道。控制系统与压力传感器、温度传感器、稳压机构和控压机构连接，通过监测压力传感器和温度传感器并根据监测的结果控制稳压机构和控压机构，如在轨道延伸的过程中，监测到压力过低，控制机构控制控压机构工作，电磁阀打开，风机/空压机启动，向控压仓内输送流体；如监测到压力过高，控制机构控制稳压机构工作，泄压阀或排气阀打开进行泄压；以保持压力恒定。

在一些实施例中，所述控压仓内还设置有引导轮，所述引导轮靠近所述开口设置，以对收卷部进入出口处进行引导，防止缠绕。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的适用于管道内部的自探索机器人，通过控压仓控制压力，使得控压仓内收卷的柔性轨道通过开口不断向外延伸、展开形成展开部，通过这种轨道内壁外翻形式的展开状态，使得轨道在展开时匹配管道内部的情况，使得轨道沿着管道能够自行向前延伸，实现自探索。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中自探索机器人的示意图；

附图中，管道-1，控压仓-2，开口-21，压盖-22，柔性轨道-3，收卷部-31，展开部-32，第一展开部-321，第二展开部-322，检测机构-4，筒体-41，载体-42，牵引绳-51，驱动机构-52，控制系统-6，压力传感器-71，温度传感器-72，泄压阀-81，排气阀-82，压力表-83，风机/空压机-91，电磁阀-92。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明将探测受限空间的探索检查问题分解成为两个问题：通过某种方式向受限空间内部伸入一条轨道；配套一种检测机构，能够配合轨道实现前进后退的功能。

刚性轨道无法实现自行向受限空间内部铺轨的过程，所以本发明设计了一种外翻形式向前延伸的轨道：①向轨道的外壁与控压仓形成的空间内中充/注入流体，使该空间具备压力，使得轨道外翻向前延伸，使轨道的外表面具备一定的支撑力(刚性)；②同时在充/注入流体的过程中，人员无需进入待探索区域，仅在内压的驱动下，轨道自动向待探索区域展开实现自探索。

实施例

如图1所示，本实施例中的适用于管道内部的自探索机器人，包括控压仓2、柔性轨道3、检测机构4、设置在控压仓2上的控压机构和稳压机构、设置在柔性轨道3内的牵引绳51、用于对牵引绳51和柔性轨道3进行释放和回收的驱动机构52、设置在控压仓2内的压力传感器71和温度传感器72、以及用于控制的控制系统6。驱动机构52优选为步进电机。控压机构用于向控压仓2内输送流体介质，稳压机构用于从控压仓2内释放流体介质。流体介质可为气体如空气或液体如水等。

稳压机构包括泄压阀81和排气阀82；控压机构包括风机/空压机91以及电磁阀92和管道1。控制系统6与压力传感器71、温度传感器72、稳压机构和控压机构连接，通过监测压力传感器71和温度传感器72并根据监测的结果控制稳压机构和控压机构，如在轨道3延伸的过程中，监测到压力过低，控制机构控制控压机构工作，电磁阀92打开，风机/空压机91启动，向控压仓2内输送流体；如监测到压力过高，控制机构控制稳压机构工作，泄压阀81或排气阀82打开进行泄压；以保持压力恒定，或通过压力控制轨道向前延伸的速度。本实施例中的控压仓2上设置有压力表83，控压仓2内还设置有引导轮(未示出)，引导轮靠近开口21设置，以对收卷部31进入开口处进行支撑和引导，防止缠绕。

控压仓2的壁上开设有用于供柔性轨道3贯穿的开口21，柔性轨道3包括收卷部31和展开部32，收卷部31位于控压仓2内，展开部32位于控压仓2外，控压仓2用于控制收卷部31由控压仓2内向控压仓2外延伸并形成展开部32。柔性轨道3的截面为封闭图形，柔性轨道3的一端将内壁向外翻折后固定在开口21上，柔性轨道3的外壁与控压仓2之间形成密闭空间。本实施例中通过压盖22(法兰)将外翻后的轨道3端部固定在开口21上。本实施例中轨道3的截面为圆形，圆形的柔性轨道3的端部外翻后固定在开口21上，外壁与控压仓2形成密闭空间，以方便通过控制控压仓2内的压力使得流体介质充满该密闭空间，进而使得收卷部31不断通过开口21向外运动形成展开部32。本实施例中柔性轨道3为采用高分子材料制备得到的袋膜。

展开部32包括第一展开部321和第二展开部322，第一展开部321围绕在第二展开部322的外侧，且第一展开部321与第二展开部322的延伸方向相同；控压仓2用于向第一展开部321和第二展开部322之间形成的空间内输送流体介质以控制第二展开部322向远离控压仓2的方向延伸并向外翻折后形成第一展开部321。控压仓2的作用在于维持密闭空间内压力的稳定，使得流体介质不断充入第一展开部321和第二展开部322之间形成的空间内，使得第二展开部322不断向前外翻后形成第一展开部321。即收卷部31和第二展开部322的内壁在远离控压仓2的端部外翻后形成第一展开部321。通过端部外翻的形式，已经外翻形成的第一展开部321作为外部的支撑点，端部外翻出来又形成新的支撑点，能够很好地匹配管道1内的复杂情况，且已经外翻形成的第一展开部321不会受到影响，即使第一展开部321局部被刺破，只要压力足够，轨道3的延伸不会受到影响，自探索机器人同样可以进行工作。且由于轨道为柔性外翻形式，能够进入尺寸小于轨道自身直径的狭小空间，这是现有技术中轨道所无法实现的。

检测机构4包括壳体以及位于壳体上的检测仪，壳体包括靠近控压仓2一端的筒体41以及设置在筒体41上的载体42，检测仪设置在载体42上。筒体41套设在第一展开部321远离控压仓2的一端，筒体41的直径与第一展开部321的直径相匹配。筒体41的直径略大于第一展开部321的直径，如直径大于第一展开部直径2mm。筒体41套设在轨道3的端部，一方面能够对端部形成保护，同时能够限制检测机构4的移动，防止检测机构4的脱落。载体42为球冠状，弧形表面的设置方便检测机构4在管道1内的移动。

牵引绳51的一端与检测机构4连接。检测机构4设置在第二展开部322变为第一展开部321的端部，在轨道3外翻向前延伸的时候能够推动检测机构4向前运动，但是如果没有牵引绳51的牵引，一是检测机构4无法回收，一是有可能会掉落，而掉落之后同样无法回收。通过驱动机构52对牵引绳51和柔性轨道3进行释放和回收，通过牵引绳51对检测机构4进行牵引，使得检测机构4始终位于柔性轨道3的端部；且牵引绳51提供使得检测机构4具有向控压仓2运动的趋势，即在轨道前端的推动和牵引绳的牵引下实现检测机构的移动。

牵引绳51具有电力和信号传输功能，牵引绳51的一端与检测仪连接，牵引绳51的另一端与驱动机构52连接。检测仪可以为现有管道1检测中常用的检测设备，如摄像头、无损检测的相关仪器等，由于检测设备检测的时候需要电力和信号传输，通过电力线和信号线集成在牵引绳51中以实现相关功能。优选地，柔性轨道3内设置多根牵引绳51，每根牵引绳51的端部连接在检测机构4上的不同位置。电力线和信号线与检测仪连接以分别传输电力和信号，牵引绳51的其他部件可以直接连接在载体42或筒体41上的不同部位，以通过控制不同的牵引绳51控制检测机构4的朝向，进而控制轨道3延伸的方向。

压力传感器71用于监测控压仓2与轨道3形成的密闭空间内的压力，以保证有足够的压力(流体介质)能够推动轨道3不断向前延伸。温度传感器72用于监测控压仓2内(流体介质)的温度，因为流体介质会热胀冷缩，通过压力传感器71和温度传感器72保证控压仓2内压力的稳定。

以下简述本发明的自探索机器人的工作过程：

将轨道的端部外翻后固定在开口上，启动控压机构向控压仓内注入流体，控压仓内的压力持续上升，上升至一定程度后，轨道由开口向外延伸形成展开部，同时第一展开部和第二展开部之间的空间不断被充入流体，推动轨道端部不断向前延伸，第二展开部不断外翻形成第一展开部。

在轨道展开的同时，驱动机构启动，轨道和牵引绳不断释放，使得检测机构被轨道的前端推动向前走，同时通过牵引绳的牵引使得检测机构与轨道前端紧贴。

在通过控压机构向控压仓内充入流体的时候，可以通过控制控压仓内的压力的大小进而控制轨道延伸的速度或者是否继续延伸。

当检测完成、需要回收轨道和检测机构时，通过泄压阀或排气阀释放控压仓内的流体压力，同时驱动机构反向启动进行回收。

本发明的柔性轨道为采用高分子材料如PVC等制备得到的圆柱形袋膜，改变轨道外壁的制造材料不影响本发明的本质。且该轨道可以通过在设计和制造过程中通过不同的手段构成各种截面形状，均不影响本发明的本质。本发明的柔性袋膜由内向外展开自探索运动，在内压驱动下行进，袋膜收卷在压强控制装置内，随着流体的充注，通过已展开成型的轨道内部向尖端输送，直到尖端处由内向外展开成型，该结构具有被动型变能力，在行进过程中适应环境不同的横截面形状和尺寸，向相对无约束的空间延伸，达到自探索的目的。本发明涉及与轨道前端配合的检测机构，轨道开始充压后，尖端(前端)由内往外拓展，推动检测机构同时向前行进，而与轨道尖端位置保持同步。行进时检测机构与尖端袋膜之间保持相对运动，停止行进时，检测机构与尖端袋膜相对静止。检测机构的信号电源线(牵引绳)通过袋膜内部收卷在控压仓内，在行进方向上，检测机构同时受到袋膜提供的正向约束，以及牵引绳提供的反向约束。本发明的控压机构和稳压机构为控压仓提供可控的正压和负压条件，用于袋膜驱动控制和反向收卷：控压机构和稳压机构将流体压强传递给轨道的管状袋膜，控制袋膜的充注状态；步进电机和牵引绳控制袋膜的行进速度和进退方向。本发明需要为向轨道的第一展开部和第二展开部进行充压和放压，需给流体提供一定的压力，该压力源的动力源可以为气动、液动、电动等各种形式，其给流体提供压差的形式可以为压缩、离心、往复式活塞驱动等各种形式，并通过上述动力源与压差形成方式构成的组合提供流体流入或流出轨道内部所需的压差，动力源与压差形成方式或其组合的改变均不改变其本质。

本发明具有如下优势：1、简化运动机构：本发明的通过充压使得柔性轨道自行外翻向前延伸，可有效降低运动机构的复杂程度，将支撑、前进、后退、停止、转弯、爬高所需对抗的各种力均以轨道内部压力的形式加以抵消；2、轨道软质可折叠并能向前自探索：轨道为自展开结构，在未展开前为折叠收卷状态，体积小便于运输，其在充压过程中自动向前探索，无需人工铺设，并可进入各种受限空间，不受该受限空间内部的环境影响，展开过程可以自行完成转弯、爬升、下降等各种运动形式，对受限空间内部的轴向展开形式无要求，其可探索与展开的区域仅与轨道展开后的长度相关；3、可防止异物遗失在受限空间内：本发明所述及的机构结构简单合理，构件数量少，无复杂运动构件，无易脱落零件；进入受限空间内的机构构件轻小，可有效的降低异物遗失在受限空间内部的风险。同时如轨道发生泄压失效时，亦可通过稳压机构将内部流体排空，使轨道可轻易的被拖曳取出，同样可有效的降低异物遗失在受限空间内的风险。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。