一种水下巡管机器人

1.本发明涉及水下机器人技术领域，特别的涉及一种水下巡管机器人。


背景技术：

2.水下管道是敷设在江、河、湖、海的水下用来输送液体、气体或松散固体的管道。水下管道不受水深、地形等条件限制，输送效率高、耗能少。为了保证维护管道，需要对管道进行巡检。目前，对于管道的巡检方式，根据管道的直径分为两类，一类是针对内径较大的管道进行内部巡检，另一类是针对内径较小的管道进行外部巡检。对管道进行内部巡检，只需要将机器人放入管道内，并将机器人沿管道行进即可。而对于管道的外部巡检，需要借助水下机器人利用视觉识别技术识别管道，并沿管道行进。在水下机器人沿管道行进过程中，一旦出现偏航的情况，需要及时调整水下机器人的左右位置和下潜深度，否则就需要重新搜寻管道位置，大大影响巡检效率。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种结构设计巧妙，能够方便快捷调整巡检姿态，避免偏航，有利于提高巡检效率的水下巡管机器人。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种水下巡管机器人，包括机架和封装有控制系统的密封舱，所述密封舱沿所述机架的长度方向设置，并位于所述机架的中部，所述机架的前端安装有图像采集装置；其特征在于，所述机架上安装有至少两个升降螺旋桨和四个推进螺旋桨，四个所述推进螺旋桨分别位于所述机架的四角，并在所述机架的长度方向和宽度方向上均呈对称设置；每个所述推进螺旋桨的轴心线与所述机架的中心线之间的夹角为均30～60
°
；所述升降螺旋桨沿宽度方向对称地设置在所述机架上，并位于同侧的两个所述推进螺旋桨之间；所述升降螺旋桨的轴心线垂直于四个所述推进螺旋桨轴心线的共同平面。
5.采用上述结构，通过两个升降螺旋桨就可以实现机器人在水中的上升和下潜，而通过四个推进螺旋桨，就可以实现机器人在水下的前进、后退和转向。一旦水下机器人在巡管过程中，行进方向出现左右偏航的情况，就可以启动偏航侧的两个推进螺旋桨，将水下机器人推回到管道的正上方，以方便继续巡检。一旦遇到管道转弯处，也可以通过对角线位置上的两个推进螺旋桨朝向相反方向推进，实现水下机器人的原地转向，以保证机器人能够始终保持在管道的上方，方便巡检，提高巡检效率。
6.进一步的，所述推进螺旋桨包括固定设置在所述机架上的第一导流罩和安装在所述第一导流罩内的螺旋桨总成。
7.进一步的，所述机架上具有沿宽度方向延伸设置的支撑架，所述支撑架通过沿机架长度方向设置的铰轴可上下转动地安装在所述机架上；所述机架上还具有用于驱动所述支撑架上下转动的驱动机构；所述升降螺旋桨安装在所述支撑架背离所述机架的一端。
8.这样，水下在进行巡管时，就可以将两侧的支撑架向下转动，并位于巡检的管道两
侧，利用两个支撑架形成限位结构，就可以尽量减少水下机器人的左右偏航。
9.进一步的，所述支撑架包括两根平行设置的支撑杆，所述支撑杆的一端铰接在所述机架上，另一端铰接在所述升降螺旋桨上。
10.这样，两根支撑杆、机架和升降螺旋桨构成平行四边形结构，支撑架上下转动过程中，升降螺旋桨的轴心线始终保持与四个推进螺旋桨轴心线的共同平面垂直，从而有利于保证水下机器人的姿态平衡。
11.进一步的，所述升降螺旋桨包括第二导流罩和安装在所述第二导流罩内的螺旋桨总成；所述第二导流罩上具有沿径向设置的筋板，两根所述支撑杆铰接在所述筋板靠近轴心的位置。
12.由于两根支撑杆铰接在筋板靠近轴心的位置，一旦支撑架向下转动后，除了支撑架能够在管道的两侧形成限位结构外，第二导流罩相对支撑架向内侧突出的部分，还能够形成对管道的环抱结构，从而可以更好地保证水下机器人在巡检过程中不左右偏航，从而保证巡检效率。
13.进一步的，所述机架和/或密封舱的底部以及所述第二导流罩的外侧均铺设有缓冲垫。
14.这样，可以避免水下机器人在接近管道或出现偏航动作时与管道发生撞击而损坏管道。
15.进一步的，所述机架和/或密封舱的底部还设置有导向轮，所述导向轮通过沿所述机架宽度方向设置的轮轴可转动地设置在所述机架或密封舱上。
16.进一步的，所述导向轮沿所述机架的宽度方向设置有两排，每排至少设置有两个。
17.进一步的，所述支撑架朝向所述机架的一端具有向上突出设置的铰支座，所述驱动机构为沿所述机架的宽度方向设置的电动推杆，所述电动推杆的一端铰接在所述机架上，另一端铰接在所述铰支座上。
18.综上所述，本发明具有结构设计巧妙，能够方便快捷调整巡检姿态，避免偏航，有利于提高巡检效率等优点。
附图说明
19.图1为水下巡管机器人的俯视结构示意图。
20.图2为图1的正视剖面结构示意图。
21.图3为支撑架向下转动状态的结构示意图。
22.图4为实施例2中的升降螺旋桨的结构示意图。
实施方式
23.下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例
24.如图1～图3所示，一种水下巡管机器人，包括机架1和封装有控制系统的密封舱2，所述密封舱2沿所述机架1的长度方向设置，并位于所述机架1的中部，所述机架1的前端安装有图像采集装置和水下照明装置，所述图像采集装置和水下照明装置电连接至所述控制
系统。
25.本实施例中，所述机架1上安装有两个升降螺旋桨3和四个推进螺旋桨4，四个所述推进螺旋桨4分别位于所述机架1的四角，并在所述机架1的长度方向和宽度方向上均呈对称布置；每个所述推进螺旋桨4的轴心线与所述机架1的中心线之间的夹角为均60
°
，使得每个推进螺旋桨4所产生的推力能够更好地推动水下机器人沿长度方向行进；所述升降螺旋桨3沿宽度方向对称地设置在所述机架1上，并位于同侧的两个所述推进螺旋桨4之间；所述升降螺旋桨3的轴心线垂直于四个所述推进螺旋桨4轴心线的共同平面。
26.为了更好地提供推力，所述推进螺旋桨4包括固定设置在所述机架1上的第一导流罩和安装在所述第一导流罩内的螺旋桨总成。
27.操作时，将水下巡管机器人放入水中，利用密封舱的浮力，此时的机器人保持半漂浮状态。启动升降螺旋桨，并打开水下照明装置，在升降螺旋桨提供的向上推力作用下，机器人开始下潜。利用四个推进螺旋桨控制水下机器人转向，同时，图像采集装置实时采集水底图像，并将采集的图像传回控制系统进行目标识别，一旦识别到水底的目标管道后，通过推进螺旋桨和升降螺旋桨控制机器人靠近目标管道。
28.由于自然水域存在水流或暗流，水下机器人的姿态和位置很容易受到影响，一旦水下机器人受到水流或暗流影响而偏移，需要再次搜寻目标管道的位置。而另一方面，自然水域的可见度相对较低，影响图像采集装置的清晰度，会降低控制系统的目标识别准确率，大大影响巡管效率。
29.为此，所述机架1上具有沿宽度方向延伸设置的支撑架6，所述支撑架6通过沿机架长度方向设置的铰轴可上下转动地安装在所述机架1上；所述机架1上还具有用于驱动所述支撑架6上下转动的驱动机构5；所述升降螺旋桨3安装在所述支撑架6背离所述机架1的一端。
30.如图2所示，所述支撑架6包括两根平行设置的支撑杆，所述支撑杆的一端铰接在所述机架1上，另一端铰接在所述升降螺旋桨3上。同时，所述支撑架6朝向所述机架1的一端具有向上突出设置的铰支座，所述驱动机构5为沿所述机架1的宽度方向设置的电动推杆，所述电动推杆的一端铰接在所述机架1上，另一端铰接在所述铰支座上。
31.在此结构中，两根支撑杆、机架和升降螺旋桨构成平行四边形结构，支撑架上下转动过程中，升降螺旋桨的轴心线始终保持与四个推进螺旋桨轴心线的共同平面垂直，使得支撑架在转动过程中，两个升降螺旋桨和四个推进螺旋桨能够六个方向上的推力，以保证水下机器人的姿态平衡。
32.具体的，所述升降螺旋桨3包括第二导流罩和安装在所述第二导流罩内的螺旋桨总成；所述第二导流罩上具有沿径向设置的筋板，两根所述支撑杆铰接在所述筋板靠近轴心的位置。
33.由于两根支撑杆铰接在筋板靠近轴心的位置，一旦支撑架向下转动后，除了支撑架能够在管道的两侧形成限位结构外，第二导流罩相对支撑架向内侧突出的部分，还能够形成对管道的环抱结构，如图3所示，从而可以更好地保证水下机器人在巡检过程中不易受到水流或暗流的影响而偏航，无需频繁寻找目标管道，从而保证巡检效率。另外，通过上述结构，可以让水下机器人与目标管道之间的距离更近，方便图像采集装置能够更加清晰地获取管道图像，从而可以获取更佳的巡检结果。
34.由于本实施例中的水下巡检机器人通过支撑架对目标管道形成环抱姿态，而水下机器人悬浮在水中，同时受到水流等多种外力作用，无法像陆地机器人那样精准移动，难免会出现与目标管道相互碰撞的情况。为此，所述机架1和密封舱2的底部以及所述第二导流罩的外侧均铺设有缓冲垫。
35.考虑到水下巡管机器人可能会在巡检过程中直接贴在管道上，所述密封舱2的底部还设置有导向轮，所述导向轮通过沿所述机架1宽度方向设置的轮轴可转动地设置在密封舱2上。本实施例中所述导向轮沿所述机架1的宽度方向设置有两排，每排至少设置有两个。
36.采用本实施例中水下巡检机器人，通过电动推杆控制支撑架相对机架向下转动，使机架、支撑架和第二导流罩形成对管道的环抱结构，此时，管道与机架、支撑架、和第二导流罩之间还存在间隙，以保证水下巡检机器人能够顺畅沿管道推进。水下机器人行进过程中，一旦遇到障碍物，电动推杆可以驱动支撑架朝向两侧打开，以方便水下巡检机器人能够顺利通过障碍物，一旦通过障碍物后，电动推杆可以控制支撑架再次形成环抱结构。另外，通过控制两个升降螺旋桨的推力，可以让水下巡管机器人绕管道转动，以对管道的下方进行拍照巡检。
实施例
37.本实施例与实施例1的主要区别在于，所述升降螺旋桨3包括电动马达31和安装在所述电动马达31的输出轴上的螺旋桨，所述螺旋桨包括多个沿周向均布设置的桨叶32，多个所述桨叶32的外端连接有轮圈33，如图4所示。同时，在所述机架1宽度方向上对称设置的两个升降螺旋桨3的桨叶旋向相反。所述支撑架6的两个支撑杆远离所述机架1的一端铰接有安装板，所述电动马达安装在所述安装板上。这样，电动马达带动桨叶和轮圈一同转动，水流通过轮圈中部向上或向下流过，形成推力实现水下巡管机器人进行上浮和下潜。一旦电动推杆驱动支撑架形成对管道的环抱姿态后，驱动升降螺旋桨提供朝下的推力，让水下巡管机器人相对远离管道，此时，轮圈必定与管道表面接触。又由于对称设置的升降螺旋桨的桨叶旋向相反，当两个升降螺旋桨提供向下的推力时，两个升降螺旋桨相对侧的线速度方向一致，这样，两个螺旋桨上的轮圈在管道表面形成滚动，以驱动水下巡管机器人沿管道向前移动。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种水下巡管机器人，包括机架（1）和封装有控制系统的密封舱（2），所述密封舱（2）沿所述机架（1）的长度方向设置，并位于所述机架（1）的中部，所述机架（1）的前端安装有图像采集装置；其特征在于，所述机架（1）上安装有至少两个升降螺旋桨（3）和四个推进螺旋桨（4），四个所述推进螺旋桨（4）分别位于所述机架（1）的四角，并在所述机架（1）的长度方向和宽度方向上均呈对称设置；每个所述推进螺旋桨（4）的轴心线与所述机架（1）的中心线之间的夹角为均30～60
°
；所述升降螺旋桨（3）沿宽度方向对称地设置在所述机架（1）上，并位于同侧的两个所述推进螺旋桨（4）之间；所述升降螺旋桨（3）的轴心线垂直于四个所述推进螺旋桨（4）轴心线的共同平面。2.如权利要求1所述的水下巡管机器人，其特征在于，所述推进螺旋桨（4）包括固定设置在所述机架（1）上的第一导流罩和安装在所述第一导流罩内的螺旋桨总成。3.如权利要求1所述的水下巡管机器人，其特征在于，所述机架（1）上具有沿宽度方向延伸设置的支撑架（6），所述支撑架（6）通过沿机架长度方向设置的铰轴可上下转动地安装在所述机架（1）上；所述机架（1）上还具有用于驱动所述支撑架（6）上下转动的驱动机构（5）；所述升降螺旋桨（3）安装在所述支撑架（6）背离所述机架（1）的一端。4.如权利要求3所述的水下巡管机器人，其特征在于，所述支撑架（6）包括两根平行设置的支撑杆，所述支撑杆的一端铰接在所述机架（1）上，另一端铰接在所述升降螺旋桨（3）上。5.如权利要求4所述的水下巡管机器人，其特征在于，所述升降螺旋桨（3）包括第二导流罩和安装在所述第二导流罩内的螺旋桨总成；所述第二导流罩上具有沿径向设置的筋板，两根所述支撑杆铰接在所述筋板靠近轴心的位置。6.如权利要求5所述的水下巡管机器人，其特征在于，所述机架（1）和/或密封舱（2）的底部以及所述第二导流罩的外侧均铺设有缓冲垫。7.如权利要求6所述的水下巡管机器人，其特征在于，所述机架（1）和/或密封舱（2）的底部还设置有导向轮，所述导向轮通过沿所述机架（1）宽度方向设置的轮轴可转动地设置在所述机架（1）或密封舱（2）上。8.如权利要求7所述的水下巡管机器人，其特征在于，所述导向轮沿所述机架（1）的宽度方向设置有两排，每排至少设置有两个。9.如权利要求3所述的水下巡管机器人，其特征在于，所述支撑架（6）朝向所述机架（1）的一端具有向上突出设置的铰支座，所述驱动机构（5）为沿所述机架（1）的宽度方向设置的电动推杆，所述电动推杆的一端铰接在所述机架（1）上，另一端铰接在所述铰支座上。

技术总结
本发明公开了一种水下巡管机器人，包括机架和密封舱，所述密封舱沿所述机架的长度方向设置，并位于所述机架的中部，所述机架的前端安装有图像采集装置；所述机架上安装有至少两个升降螺旋桨和四个推进螺旋桨，四个所述推进螺旋桨分别位于所述机架的四角，并在所述机架的长度方向和宽度方向上均呈对称设置；每个所述推进螺旋桨的轴心线与所述机架的中心线之间的夹角为均30～60


技术研发人员：魏显坤 汤荣 魏婧雯
受保护的技术使用者：重庆工商职业学院
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/6/7