本發(fā)明涉及管道機器人的，更具體地，涉及一種可主動變徑的旋進式管道機器人。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)階段，管道在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用，包括油氣管道、化工管道、排水管道等。為提高管道的使用壽命，需要定期對管道內(nèi)壁進行有效的檢測與清理，但由于管道內(nèi)部的狹小結(jié)構(gòu)與特殊使用環(huán)境，人工檢測清理的難度與成本較高，因此管道機器人在近年來發(fā)展迅速。

2、目前國內(nèi)外已經(jīng)有多種管道機器人面市，在結(jié)構(gòu)方面，現(xiàn)有的管道清潔機器人多采用履帶式、支撐輪、多足式或蠕動式結(jié)構(gòu)。多足式的機器人雖然有較高的靈活性但抗干擾性較弱，一旦處在復(fù)雜管道環(huán)境中，管道形狀、大小和材質(zhì)的多樣性會影響行走性能和靈活性；履帶式的機器人因其特殊的設(shè)計，在運動效率與平穩(wěn)性方面的表現(xiàn)出色，這使得它能在特殊環(huán)境內(nèi)進行工作，但是對于非支撐型的履帶型機器人，在小管徑管道內(nèi)過彎時，履帶與管道可能會出現(xiàn)貼合不緊密的情況而降低機器人的穩(wěn)定性；采用支撐型履帶型機器人的情況下，受其復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)影響，牽引力會相應(yīng)降低；蠕動型的機器人彎道通過性較好，但設(shè)計與制造過程復(fù)雜，且由于蠕動式驅(qū)動的特點，機器人的行走速度也相對較慢，限制其應(yīng)用場景。而現(xiàn)有技術(shù)中，管道機器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu)多為支撐輪或履帶，均以剛性結(jié)構(gòu)為主，其靈活性較差，難以實現(xiàn)靈活自主變徑和過彎功能，不能適應(yīng)現(xiàn)如今復(fù)雜多樣的管道類型。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中驅(qū)動結(jié)構(gòu)靈活性較差，難以實現(xiàn)靈活自主變徑，不能適應(yīng)復(fù)雜管道類型的不足，提供一種可主動變徑的旋進式管道機器人，實現(xiàn)了管道機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)的主動變徑，從而提高機器人靈活性與彎道通過性能。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、提供一種可主動變徑的旋進式管道機器人，包括第一運動模塊以及多功能模塊，所述多功能模塊與所述第一運動模塊可拆卸連接，所述第一運動模塊包括外殼、中管、旋進輪、前進輪、第一電機以及輪徑控制機構(gòu)，所述中管套設(shè)于所述外殼內(nèi)部且與所述外殼轉(zhuǎn)動連接，所述前進輪與所述中管連接，所述旋進輪與所述外殼連接且所述旋進輪與管道之間的摩擦力方向與管道軸線存在夾角，所述第一電機驅(qū)動所述外殼圍繞所述中管進行相對轉(zhuǎn)動，所述輪徑控制機構(gòu)包括調(diào)整組件以及用于檢測所述管道內(nèi)徑的檢測組件，所述檢測組件設(shè)置在所述外殼上、且與所述調(diào)整組件信號連接，所述旋進輪與所述外殼之間、所述前進輪與所述中管之間均設(shè)有所述調(diào)整組件。

4、本發(fā)明的可主動變徑的旋進式管道機器人，通過第一運動模塊驅(qū)動機器人整體在管道中進行穩(wěn)定運動，可拆卸連接的多功能模塊可根據(jù)用戶需求進行選擇，從而完成管道污物清理、管道檢測等多樣化工作。機器人運動過程中，第一電機控制外殼發(fā)生轉(zhuǎn)動，帶動連接在外殼上的旋進輪沿著管壁進行旋轉(zhuǎn)，機器人前進過程中，旋進輪與管道之間的摩擦力可分解為平行于管道方向的力，這部分分力用于驅(qū)動機器人運動，而前進輪并不沿著管道內(nèi)壁進行旋轉(zhuǎn)，而是在旋進輪的作用下沿著管道延伸方向滾動，為中管提供支撐，令機器人整體能夠在管道內(nèi)保持穩(wěn)定。當(dāng)機器人運動到管道內(nèi)徑發(fā)生變化處，輪徑控制機構(gòu)上的檢測組件能夠檢測管道內(nèi)徑的變化情況，并根據(jù)內(nèi)徑變化情況控制調(diào)整組件，從而令旋進輪與外殼之間的距離以及前進輪與中管之間的距離進行同步變化，始終與管道內(nèi)壁保持貼合，實現(xiàn)了管道機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)的主動變徑，從而提高機器人靈活性與彎道通過性能，適用于多種管道環(huán)境較為復(fù)雜的場合。

5、進一步地，所述調(diào)整組件包括上底座、下底座、中桿、第一彈性件、伸縮組件以及柔索，所述上底座與所述下底座分別套設(shè)在所述中桿兩端、且與所述中桿滑動連接，所述第一彈性件套設(shè)于所述中桿的外周且所述第一彈性件的兩端分別固定在所述上底座以及所述下底座，所述柔索兩端分別連接所述上底座以及所述電機，所述前進輪以及所述旋進輪均與所述上底座連接。管道機器人工作過程中，第一彈性件始終保持壓縮狀態(tài)，管道內(nèi)徑減小時，伸縮組件控制柔索收縮，帶動上底座沿著中桿向下底座靠近，進一步壓縮第一彈性件，減小旋進輪與外殼之間的距離；而當(dāng)管道內(nèi)徑增加時，伸縮組件放松柔索，第一彈性件壓縮量減小，上底座與下底座沿著中桿運動，二者間距增加，從而實現(xiàn)主動變徑適應(yīng)管道內(nèi)徑變化情況。

6、進一步地，所述輪徑控制機構(gòu)還包括用于對所述旋進輪以及所述前進輪位置進行微調(diào)的微調(diào)組件，所述微調(diào)組件連接在所述上底座與所述旋進輪之間，和/或，所述微調(diào)組件連接在所述上底座與所述前進輪之間。微調(diào)組件令旋進輪、前進輪在管道內(nèi)壁遇到較小凸起或障礙時能夠自主微調(diào)，無需電機驅(qū)動伸縮，降低了能量消耗。

7、進一步地，所述旋進輪與所述前進輪均包括輪體、輪架，所述輪體通過所述輪架與所述上底座連接，所述微調(diào)組件為設(shè)置在所述輪架與所述上底座之間的第二彈性件，所述第二彈性件的彈性模量小于所述第一彈性件的彈性模量。當(dāng)遇到微小障礙時，由于第二彈性件彈性模量小于第一彈性件彈性模量，此時第二彈性件的伸縮量較大，而第一彈性件伸縮量較小，此時主要通過第二彈性件的伸縮來改變上底座與輪架之間的距離，實現(xiàn)輪徑的微小變化，便于越過管內(nèi)的微小障礙，且在跨越障礙后能夠?qū)崿F(xiàn)自動復(fù)位，無需電機驅(qū)動控制。

8、進一步地，所述輪體內(nèi)設(shè)有輪軸，所述旋進輪的輪軸方向與所述中管的軸線方向之間的夾角為20-45°。輪軸與中管軸線之間的角度會影響機器人的運動速率與穩(wěn)定性，角度太大則易導(dǎo)致沿管道方向上的前進動力降低，角度太小又會降低運動穩(wěn)定性，為有效平衡該裝置的推進效率、穩(wěn)定性，輪軸與中管軸線之間的角度保持在20-45°間，可針對管道管徑及內(nèi)表面實際情況進行調(diào)整，以提高機器人對不同管道的適應(yīng)性。

9、進一步地，所述外殼內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)動連接部，所述中管與所述轉(zhuǎn)動連接部之間設(shè)有滾動軸承，所述中管上設(shè)有用于固定所述第一電機的電機支架，所述電機支架上設(shè)有與所述第一電機連接的第一齒輪，所述外殼內(nèi)部設(shè)有與所述第一齒輪嚙合的內(nèi)齒輪。電機通過電機支架安裝在中管上，驅(qū)動第一齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動內(nèi)齒輪旋轉(zhuǎn)，與滾動軸承配合實現(xiàn)外殼與中管之間穩(wěn)定的相對轉(zhuǎn)動，為機器人的旋進式驅(qū)動結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的動力支持。

10、進一步地，所述多功能模塊包括第二運動模塊以及用于收集管內(nèi)污物的清潔模塊，所述第二運動模塊上設(shè)有與所述第一運動模塊連接的萬向節(jié)，所述清潔模塊與所述第一運動模塊可拆卸連接，所述中管上設(shè)有與所述清潔模塊連通的集料口。通過萬向節(jié)實現(xiàn)第一運動模塊與第二運動模塊之間的柔性連接，增加機器人運動穩(wěn)定性，清潔組件收集管道內(nèi)的污物并將其導(dǎo)向中管上的集料口，實現(xiàn)管內(nèi)淤積物的集中收集暫存，達到高效的清潔效果同時解決因管內(nèi)淤積影響機器人前進的問題。

11、進一步地，所述清潔模塊包括底盤、彈簧拉桿以及多組支撐桁架，所述底盤上設(shè)有固定部，所述多組支撐桁架表面覆蓋有彈性膜，所述多組支撐桁架均與固定部活動連接、且呈漏斗狀向所述固定部處傾斜，所述彈簧拉桿連接在所述支撐桁架與所述底盤之間。清潔過程中彈簧拉桿保持拉伸狀態(tài)，在拉力作用下，支撐桁架頂端與管壁接觸且被管壁限制，支撐桁架始終保持張開狀態(tài)，形成穩(wěn)定的漏斗狀，多組支撐桁架之間覆蓋有彈性膜，使清潔模塊形成完整的漏斗結(jié)構(gòu)，同時能實現(xiàn)口徑被動變化，最終將管內(nèi)淤積物導(dǎo)向底盤上的固定部處，實現(xiàn)管道內(nèi)部的全方位清潔。

12、進一步地，所述外殼內(nèi)設(shè)有密封支架，所述中管上設(shè)有密封凹槽，所述密封支架內(nèi)設(shè)有密封環(huán)，所述密封環(huán)與所述密封凹槽抵接。外殼與中管之間的密封機構(gòu)，通過密封環(huán)一端通過密封支架固定，另一端突出于外殼并與中管上的密封凹槽抵接，從而構(gòu)成仿生瓣膜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)穩(wěn)定密封，在中管與外殼相對旋轉(zhuǎn)時能發(fā)生自適應(yīng)形變，阻止外部污水滲入機器人內(nèi)部。

13、進一步地，所述第一運動模塊和/或所述第二運動模塊上設(shè)有用于安裝所述多功能模塊的安裝支架以及信號發(fā)射組件，所述多功能模塊還包括攝像組件、激光雷達組件以及紅外熱成像組件，所述攝像組件、激光雷達組件以及紅外熱成像組件均與所述信號發(fā)射組件信號連接。安裝支架令用戶可在第一運動模塊上安裝多個多功能模塊，攝像組件負(fù)責(zé)前方管道壁污漬檢測、裂縫識別以及輔助導(dǎo)航路徑規(guī)劃；部署激光雷達，通過三角測量融合數(shù)據(jù)，實時生成管道三維點云，結(jié)合視覺數(shù)據(jù)識別障礙物；紅外熱成像組件初步檢測管道內(nèi)的溫度異常情況，如泄漏點、局部腐蝕發(fā)熱。攝像組件、激光雷達組件以及紅外熱成像組件均將收集到的數(shù)據(jù)傳遞給信號發(fā)射組件，并通過信號發(fā)射組件將相關(guān)信息傳遞給管道外部的控制臺，便于使用者實時了解到管道內(nèi)部的具體情況。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

15、1、實現(xiàn)了管道機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)的主動變徑，對于復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強，提高了機器人靈活性與彎道通過性能；

16、2、機器人功能豐富，多功能模塊能夠根據(jù)用戶需要完成管道清潔、管道檢測等多樣化工作；

17、3、密封圈采用瓣膜配合結(jié)構(gòu)，密封效果更好，防止管道中的污物進入機器人內(nèi)部，延長機器人使用壽命。