一种管内自变径高速除锈抛光机器人论文和设计-武廷课

全文摘要

本实用新型公开一种管内自变径高速除锈抛光机器人。现有的管内除锈机器人难以满足管内变径。设计的红外测距传感器及高清摄像头协同定位并将数据传输到控制系统并进行位置反馈。利用固定的太阳轮步进电机输出扭矩，行星轮通过齿轮啮合增速传动完成管道内壁的高速除锈，同时除锈器中的活动连杆可根据管径尺寸进行自适应调整。高强度弹簧可使除锈器紧附管道内壁，有效提高除锈抛光能力，除锈器并可根据粗磨精磨需要更换完成管内除锈抛光等过程。所述滚轮通过支撑杆连接，支撑杆与连杆之间采用铰接连接。本实用新型提高了机器人对不同管径的自适应能力及管内除锈抛光效率。

主设计要求

1.一种管内自变径高速除锈抛光机器人，其特征在于：包括红外测距传感器（14）、外齿圈（11）、太阳轮（10）、行星轮（12）、滚轮（15）、滑杆（34）、支撑杆（32）、滑杆弹簧（5）、滑块（31）、外轮廓定位架（20）、除锈器步进电机（22）、制动圆盘（4）、除锈器（18）、联轴器（24）、除锈器支撑架（8），所述太阳轮（10）通过平键与太阳轮步进电机（26）连接，太阳轮步进电机（26）与电机控制模块（25）连接，行星轮（12）与太阳轮（10）啮合，行星轮（12）与除锈器支撑架（8）连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的管内自变径高速除锈抛光机器人，其特征在于：所述除锈器（18）与除锈器步进电机（22）连接，弹簧（36）与活动连杆（21）接触，除锈器支撑架（8）与行星轮（12）通过平键连接。

3.根据权利要求1所述的管内自变径高速除锈抛光机器人，其特征在于：所述行星轮（12）与太阳轮（10）啮合传动，太阳轮（10）与行星轮（12）传动比大于1增速传动，太阳轮步进电机（26）固定于电机控制模块（25）上。

4.根据权利要求1所述的管内自变径高速除锈抛光机器人，其特征在于：所述外齿圈（11）通过定位杆（17）与定位座（33）连接，定位座（33）与机器人主结构连接固定，电机控制模块（25）与机器人的主控板相连。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于管道机器人领域，具体涉及一种管内自变径高速除锈抛光机器人。

背景技术

面向国家海洋勘探，深井科考，管道防腐除锈工序是保证长输管道结构完整性的重要一环,目前,输送油、气、水等介质主要采用钢质管道。于管道中流体长期的冲刷腐蚀会导致管内出现杂质，对于一些对管内流体质量要求严格的管线需要在对管内进行除锈。管道在加工到使用的时间段，大多管道由于直径较大、长度较长，多直接裸露在室外，长时间的存放之后导致管内产生锈蚀。

由于现场防腐除锈作业环境与防腐生产工厂环境差异较大,现场除锈成为管道防腐的薄弱环节。我国每年因管道腐蚀穿孔而造成巨大的经济损失,甚至发生各种事故。因此,在管道工程建设中,切实提高防腐除锈,对于管道保护具有重要意义。采用自行设计的自适应支撑结构，可有效提高机器人不同管径的适应能力，并通过协同反馈极大程度上提供了机器人的机械灵活性及工作效率。

发明内容

本实用新型包括红外测距传感器、外齿圈、太阳轮、行星轮、滚轮、滑杆、支撑杆、滑杆弹簧、滑块、外轮廓定位架、除锈器步进电机、驱动系统和控制系统。所述滚轮通过支撑杆连接，支撑杆与连杆之间采用铰接连接。连杆另一端与滑块连接，滑块通过滑杆弹簧的张力伸缩可实现在滑杆的水平移动，初始状态滚轮未受到管道内壁挤压时，滑杆弹簧张力作用滑块使其达到最大路径位置。

所述除锈器与除锈器步进电机连接，抛光机器人在进给过程中，除锈器可完成自身高速自转，所述除锈器可根据管道内壁材料及锈蚀程度进行进行选择和更换。

所述除锈器主要通过除锈器支撑架上行星轮连接键与行星轮中设置的行星轮键槽连接传递扭矩，其中因为受力较小，本设计中采用的是平键连接，若管径较大，除锈器的工作面较大，可采用花键进行连接。

所述除锈器支撑杆中设置有除锈器活动连杆及弹簧，弹簧与活动连杆接触，弹簧的设置主要是使除锈器可以根据管径大小的不同进行自适应的旋转直径调整，设置的弹簧具有较好的刚度，当在管内被下压时，同时反作用力作用于活动连杆上并经过传递使除锈器可与内壁紧密贴合，增大除锈器径向正压力，可增大除锈器的摩擦力，可有效提高清理效率。

所述的高清摄像头，主要可以监控已经清理的管内壁，并将采集到的图像信息通过无线模块传输到上位机进行图像的识别别和特征提取。机器人可反馈控制后退到指定位置，并在进行高速除锈抛光清理。

所述的管内自变径高速除锈抛光机器人，需要对一些检测到的未清理好的位置进行精确的位置定位，主要通过红外测距传感器，通过与高清摄像头协同处理，以管道初始位置为零坐标位置进行坐标的精确定位。

所述倾角传感器配合红外传感器及高清摄像头同步使用，机器人可以在管内进给，当红外传感器及高清摄像头协同识别出管内有阻碍物时，会将信息传输给控制系统，控制系统可使滚轮发生一定角度的偏转。

所述提供一种基于视觉技术的管道除锈抛光机器人系统，它采用了连杆变径轮结构机械本体设计,监控系统采用STM32单片机和上位机的联合控制方式,可根据管内锈蚀程度调整抛光速度，其中除锈器也可以自适应管径大小的不同。

所述制动圆盘，可保证机器人在前进过程中需要减速或制动使用。当除锈机器人捕捉到锈蚀较严重表面时，通过位置识别反馈将信号传输到控制系统中，可有效的完成机器人在目标位置的及时制动。

所述管内自变径高速除锈抛光机器人，主要通过行星轮完成高速旋转除锈的过程，其中外齿圈通过定位架固定在定位座上，定位座与机器人主结构固定连接，其中太阳轮步进电机固定在电机控制模块上，电机控制模块固定与机器人的主控板上，其中电机输出轴通过联轴器并通过平键进行转矩输出。

附图说明

图1为除锈抛光机器人前进侧主结构示意图。

图2为除锈抛光机器人后退侧主结构示意图。

图3为除锈抛光机器人结构的侧视图。

图4为除锈器的内部结构图。

图中：4、制动圆盘，5、滑杆弹簧，8、除锈器支撑架，9、行星轮键槽，10、太阳轮，11、外齿圈，12、行星轮，13、太阳轮键槽，14、红外测距传感器，15、滚轮，16、高清摄像头，17、定位杆，18、除锈器，19、倾角传感器，20、外轮廓定位架，21、活动连杆，22、除锈器步进电机，24、联轴器，25、电机控制模块，26、太阳轮步进电机，28、连架杆，30、连杆，31、滑块，32、支撑杆，33、定位座，34、滑杆，36、弹簧，42、行星轮连接键。

具体实施方式

本设计的目的在于提供一种基于视觉技术的管道除锈抛光机器人系统，它采用了连杆变径轮结构机械本体设计,监控系统采用STM32单片机和上位机的联合控制方式,可根据管内锈蚀程度调整抛光速度，其中除锈器也可以自适应管径大小的不同。并配有高性能的减速系统，克服了现有技术的不足,是一种操作方便的机器人系统。

本实用新型包括红外测距传感器14、外齿圈11、太阳轮10、行星轮12、滚轮15、滑杆34、支撑杆32、滑杆弹簧5、滑块31、外轮廓定位架20、除锈器步进电机22、驱动系统和控制系统。所述滚轮15通过支撑杆32连接，支撑杆32与连杆30之间采用铰接连接。连杆30另一端与滑块31连接，滑块31通过滑杆弹簧5的张力伸缩可实现在滑杆18的水平移动，初始状态滚轮15未受到管道内壁挤压时，滑杆弹簧5张力作用滑块31使其达到最大路径位置。通过不同直径管道时，滚轮15受到相互作用的平衡力，滑杆弹簧5对应的压力有所差异，带动滑块31产生不同轨迹。在滚轮15进给的同时，除锈抛光器也在同时并行运行，并可根据锈蚀程度的不同，增加除锈器的清理速度。

所述除锈器18主要通过除锈器步进电机22提供旋转动力，抛光机器人在进给过程中，除锈器18可完成自身高速自转，高速自转也是对管内壁进行打磨抛光的过程。所述除锈器18可根据管道内壁材料及锈蚀程度进行进行选择和更换。

所述除锈器18主要通过除锈器支撑架8上行星轮连接键42与行星轮12中设置的行星轮键槽9连接传递扭矩，其中因为受力较小，本设计中采用的是平键连接，若管径较大，除锈器18的工作面较大，可考虑采用花键进行连接。

所述除锈器支撑杆中设置有活动连杆21及弹簧36，弹簧36的设置主要是使除锈器18可以根据管径大小的不同进行自适应的旋转直径调整，设置的弹簧36具有较好的刚度，当在管内被下压时，同时反作用力作用于活动连杆上并经过传递使除锈器18可与内壁紧密贴合，增大除锈器18径向正压力，可增大除锈器18的摩擦力，可有效提高机器人除锈抛光效率。

所述的高清摄像头16，主要可以监控已经清理的管内壁，并将采集到的图像信息通过无线模块传输到上位机进行图像的识别和特征提取。若发现有未清理干净的管壁锈蚀，机器人可反馈控制后退到指定位置，并在进行高速除锈抛光清理。

所述的管内自变径高速除锈抛光机器人，需要对一些检测到的未清理好的位置进行精确的位置定位，主要通过红外测距传感器14，通过与高清摄像头16协同处理，高清摄像头16通过图像处理发现需要清理部位，并反馈给控制系统，以管道初始位置为零坐标位置进行坐标的精确定位。

所述管内自变径高速除锈抛光机器人，反馈系统主要控制机器人的前后运动，通常在第一次清理过程中，很难将锈蚀严重的管道一次性清理干净，因此在设计之初，除锈器18便设计为粗磨细磨两种。第一次除锈时使用粗磨除锈器，目的是起初对管内壁进行高强度的磨削，之后在进行细致磨削，整个过程将较少对管内壁的原始材料造成磨损。

所述倾角传感器19配合红外测距传感器14及高清摄像头16协同使用，机器人可以在管内进给，当高清摄像头16识别出管内有阻碍物时，会将信息传输给控制系统，控制系统可使滚轮15发生一定角度的偏转，从而保证除锈机器人可以合理的避障。

所述制动圆盘4，可保证机器人在前进过程中需要减速或制动使用。当除锈机器人捕捉到锈蚀较严重表面时，通过位置识别反馈将信号传输到控制系统中，可有效的完成机器人在目标位置的及时制动。

所述管内自变径高速除锈抛光机器人，主要通过行星轮12完成高速旋转除锈的过程，其中外齿圈11通过定位杆17固定在定位座33上，定位座33与机器人主结构固定连接，其中太阳轮步进电机26固定在电机控制模块25上，电机控制模块25固定与机器人的主控板上，其中电机输出轴通过联轴器24并通过平键进行转矩输出。工作过程中，太阳轮10高速旋转，行星轮12通过齿轮啮合传递扭矩并加速旋转，设计太阳轮10的齿数大于行星轮12，传动比大于1，增速传动可提高除锈器18磨削强度及工作效率。

本实用新型采用的自行设计的自适应支撑结构，可有效提高机器人不同管径的适应能力，对管内情况实现除锈抛光，并可在运动过程中调整机器人在管内的姿态，提高了运行的可靠性，并通过协同反馈极大程度上提供了机器人的机械灵活性及工作效率。

实施例中的方案并非用以限制本专利的保护范围，凡未脱离本专利所谓的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

设计图

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