本发明涉及一种用于管道清理的激光清理机器人。

背景技术：

随着世界工业化进程的不断发展，动力能源地域利用合理化越来越重要，如何将能源有效的运输到资源需求地是近年来科研工作者不断探求的方向。当前国内外采用的资源运输方式大多为金属管道运输，如何有效、便捷的对管道进行使用前的清管、运行中的不定期除垢、改输前的清理是当前科研工作者攻坚难题之一。其中在城市、乡镇之间的运输过程中，金属管道会受各种不确定性因素的影响而锈蚀，甚至一些淤泥会导致管道内壁腐蚀，产生有毒气体，这不仅对人体有害，还会引发爆炸。金属管道内壁锈蚀的清理对于资源地域利用合理化发展、生态环境保护具有重要意义。

国外已有众多专家和技术人员进行管道清理技术的研究以及管道清理机器人的设计。杜伦大学ernestappleton和zhenghu研制的管道清理装置利用毛刷和管壁之间的摩擦力带动清理装置行走，具有运动速度低、清理效果差的缺点。挪威石油公司、管道清理技术公司等联合研制的具有自适应管径的双向运行流体驱动管道清理装置，采用两组支撑轮，能够很好的防止装置的偏心和侧倾，密封组件对称分布在装置的两端，可以实现双向运行，其具有良好的管道自适应能力但不能对行进速度进行控制。综上大多数国外研究者最先利用水射流作为管道清理的主要方式，对于金属管道内壁清理的效果较差。

钟映春等人在《机床与液压》一书中发表设计的管内移动机器人采用叶轮发电的原理，叶轮布置在迎流方向，流体的流动推动管内移动装置的行走和叶轮的转动，利用发电机将流体的流能转化为电能，储存的电能主要用于速度的控制和转向的调节，该设计解决了行进过程中所需驱动源的问题，避免了拖缆所造成的一系列困扰，但同时也限制了其应用环境，不能很好地适应管道口径大小的变化。

目前国内外管道清理根据实际情况会采用化学清理、高压水清理、喷砂清理或者plg清理等方式，但多存在环境污染、清理过程较为复杂、依赖人工操作、投入成本高等问题。近几年逐渐出现了针对金属管道内壁的激光清理技术，该技术与前述几种清理方式相比，具有无污染、操作简单、智能化等显著优点。

国内现有的管道清理机器人主要是实现单方向、同尺寸管道的管道清理，其清理模式主要为激光清理式、轮式水清理式，虽然能实现在管道内行走并清理，但是不能很好的将行进结构与清理结构相配合，导致清理的不完善性、不全面性。

中国专利文献cn1817549a公开了一种便携式激光清理系统，属于早期的用于清理的激光清理系统，其采用光纤激光器，然后配接把持式清洗工作头，这种配置使激光清洗工业化成为可能，只不过其基本配置缺少驱动部分，还不能用于管道的清洗。

中国专利文献cn104941961a公开了一种采用激光清理金属管道的机器人，其配有一个轮式小车，轮式小车上设有一个支架，激光清洗装置安装在支架上。轮式小车属于平板轮式底盘，在管道中运行时，车轮与管道内壁的接触方式受自身重心的影响比较大，尤其是在激光清洗时，激光头旋转，会导致轮式小车重心变动较大，整体的运行稳定性无法保证。

中国专利文献cn209287876u公开了一种适用于金属管道的便携式手持激光清洁设备，其具有一个中心轴，在中心轴上装有两组车轮，每组车轮有三个，三个车轮通过车轮连接杆和连接支撑杆连接到中心轴上，三个车轮连接杆在中心轴的周向均布。连接方式是，车轮安装在车轮连接杆的末端，连接支撑杆的一端铰接于车轮连接杆的中部，而车轮连接杆铰接于中心轴上，连接支撑杆的另一端铰接于一滑动筒上，滑动筒则套装在中心轴上，滑动筒则被压缩弹簧支撑，从而能够提供缓冲。这种缓冲方式属于全向响应性，尽管以较少的缓冲部件提供了全向缓冲，但响应性相对较差，容易使中心轴偏位，从而影响清洗效果。尤其是单纯使用不能调整的压缩弹簧提供管径适应性，适应性相对较小。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种对所清理管道的管径适应性相对较好的自适应激光清理机器人。

在本发明的实施例中，提供了一种自适应激光清理机器人，其包括：

车体，记车体顺管道方向为轴向；

行驶系，具有安装在车体前端和后端的各一组车轮总成，每组车轮总成具有三个车轮总成；每一车轮总成包括一铰接于车体并安装有车轮的连接杆和一端铰接于连接杆、另一端铰接于车体上活动铰支座的支撑杆，其中活动铰支座的活动方向为车体的轴向；全部或部分车轮构成驱动轮；

涨缩机构，用于驱动活动铰支座在车体轴向运动；

测力装置，用于检测车轮总成的承力大小；

控制器，输入连接测力装置，并输出连接所述涨缩机构，以在设定的承力范围内控制涨缩机构的涨缩；以及激光清洗装置，安装在车体上。

可选地，组内三个车轮总成在车体的周向均布或两车轮总成的支反力方向与余下的车轮总成的支反力方向相反。

可选地，车轮总成配有缓冲装置，且缓冲装置设置在连接杆上。

可选地，所述缓冲装置配置为：

连接杆包括一铰接于车体的架杆和在架杆杆向导引于该架杆的推杆；推杆的外伸端安装车轮，且车轮的车轮座与架杆的末端间设有压缩弹簧。

可选地，所述架杆的横断面为u型结构而具有u型槽；

相应地，用于对推杆导向的导向结构成形在或者安装在u型槽内；

连接杆用于与支撑杆铰接的部位位于架杆上u型槽所在侧的相对侧。

可选地，压缩弹簧与车轮座和架杆间固定连接。

可选地，活动铰支座为套装在车体上并在车体轴向被导引的推板；

涨缩机构包括电动推杆，电动推杆的驱动端连接所述推板；

相应地，支撑杆与推板间铰接。

可选地，每一组车轮总成包括两电动推杆，两电动推杆间关于车体的轴线对称；

相应地，推板为套装在车体上的圆环。

可选地，所述车体配有一空心轴电动机；

激光清洗装置的光路组件配装在电机轴内，喷嘴则安装在电机轴轴端，喷嘴在电机轴的径向设置。

可选地，车体上配有套装在电机轴外并与电机轴共轴线的套管；

相应地，推板倒装并导引于套管；

连接杆与套管间铰接。

需知，一般而言，对于六车轮总成的激光清理机器人，当管道管径发生变化时，运行在管道内的激光清理机器人的一组车轮总成的总承力会发生较大的变化。在本发明的实施例中，根据管道管径的变化所致一组车轮总成总承力所发生的较大的变化，通过涨缩机构使车轮总成的支撑距离发生变化，从而适应管道当前管径，这种通过机构的变化，适应性比较强，能够保证激光清理机器人平稳运行。

附图说明

图1为一实施例中自适应激光清理机器人主视结构示意图。

图2为一实施例中缓冲装置缓冲原理图。

图3为一实施例中自适应激光清理机器人左视结构示意图。

图4为一实施拆中激光头在自适应激光清理机器人上的装配结构示意图。

图中：1.空心轴电动机，2.图传摄像头，3.喷嘴，4.变形机构，5.轮式结构，6.套管，7.圆形推板，8.电动推杆，9.圆形推板，10.锂电池与控制单元，11.全反镜。

41.内推杆滑轨，42.u型外推杆，43.缓冲弹簧，44.内推杆。

51.l型电机，52.车轮，53.轮毂。

具体实施方式

一般而言，对于用于管道清理的机器人可用管道为基础的参考系，一般以顺管道方向来确定为管道清理机器人的轴向，由此，周向和径向也被确定。

一般而言，管道清理机器人正常行进时前进所冲的方向为前方，相应管道清理机器人冲前的一端为其头端或者说前端，与之相对的一端为其后端或者说尾端。

前后端所约束的空间为内，反之为外。

图3所示激光清理机器人所配轮系的分布方式属于较为常规的一种轮系分布，能够适应曲管，同时也不存在翻车可能性。不过在一些应用中，会对激光清理机器人的车体进行配重，使其重心向其中的两个车轮总成侧偏置，从而具有确定的车底和车顶。

在本发明的实施例中，自适应是指激光清理机器人的支撑轮能够随管道管径的变化而产生支撑的适应性变化，这种变化不会使支撑能力产生明显降低。

图1所示的自适应激光清理机器人，其基体部分以空心轴电动机1为基础构建，或者说空心轴电动机的基座以及电机壳构成车体的基础结构，可以大幅的降低整体结构的复杂度。

图1具有典型的轴件特征，图中采用空心轴电动机1，优选具备圆机壳的空心轴电动机1，在此类结构中可以不再区分上下。

在图1所示的结构中，其主体结构包括行驶系，在一些实施例中可以含有转向系，必要时可以设置独立的制动系。

对于行驶系，其核心是车轮总成，在图1所示的结构中，行驶系具备两组车轮总成，在车体的前端和后端各配有一组。

每组车轮总成具有三个车轮总成，在图3所示的结构中，包含于一组车轮总成中的三个车轮总成在车体的周向均布，而在一些实施例中，记为第二种情况，进行配重，使激光清理机器人的中心与其轴线不重合，或者说构成偏心结构，偏心结构所偏的一侧落在一组车轮总成中两车轮总成合力方向线上，另一车轮总成所提供的支撑力与该合力方向相反。

可以理解的是，图3所示的结构同样适用于第二种情况。

车轮总成的细节可以参见说明书附图1，图中可见每一车轮总成包括一铰接于车体并安装有车轮52的连接杆和一端铰接于连接杆、另一端铰接于车体上活动铰支座的支撑杆，图中配置为四杆机构，具体是曲柄滑块机构，其中的曲柄即支撑杆，滑块即圆形推板7、圆形推板9，圆形推板7和圆形推板9与套管6配合形成移动副，另有三个铰链，形成三低一高共四个运动副的四杆机构。

活动铰支座即前述的两个圆形推板，其活动能力来自其与套管6之间的配合所形成的的移动副。

相应地，活动铰支座的活动方向为车体的轴向，即通过轴套配合所形成的的移动副。

关于车体的驱动，原则上只需要部分车轮52构成驱动轮即可，在优选的实施例中，所有的车轮52均配置成驱动轮。

图1中的轮式结构5主要由固定设置的轮毂53、安装在轮毂53上的l型电机51和安装在轮毂53上并由l型电机51驱动的车轮52构成。

l型电机51是比较常见的一种电动机，公知的，l型电机是指铝线绕组电动机，区别于t型电机。

为了满足对待清理管道的管径适应性，在本发明的实施例中，提供涨缩机构，用于驱动活动铰支座在车体轴向运动，如前所述，活动铰支座构成曲柄滑块机构的滑块，当滑块，也就是活动铰支座在车体轴向运动时，曲柄就会被驱动，进而构成摇杆的连接杆就会被驱动而绕其根部铰接点转动，从而完成涨缩作动。

涨缩在初始阶段可以人工控制，调整到适配待清洗管道的管径。在激光清理机器人进入管道后，涨缩机构的涨缩取决于管径的变化，而在进入管道时，需要适配一定的预压力，以确保运行的平稳性，表现在图2中，缓冲弹簧43都有一定的预压量，若管径变小，一组车轮52中的三个车轮52的总承压力变大，涨缩机构缩小；若管径变大，一组车轮52中的三个车轮52的总承压力变小，涨缩机构涨大。

进一步地，提供测力装置，用于检测车轮总成的承力大小，测力装置可以采用压力传感器，压力传感器安装在轮式结构5处。

用于管体形变所产生的总承力大小的变动往往是短时间内的变动，因此，可以设定一个时间阈值，如果总承力大小的变动仅仅在例如0.5s内，则涨缩机构不动作。

相应地，提供控制器，该控制器与测力装置连接，例如压力传感器连接至控制器的input端子（i口），进而控制器的output口（o口）连接所述涨缩机构，以在设定的承力范围内控制涨缩机构的涨缩。

o口所连接的是涨缩机构的驱动部分，例如图1中所示的电动推杆8的驱动电机。

车体及行驶系构造为载具，激光清洗装置则安装在相应载具上，在此条件下，激光清洗装置采用传统的适用于管道清洗的激光清洗装置即可，在此不再赘述。

同样地，单纯从载具本身去考虑，如果该载具具有区别于现有的管道机器人载具的结构，本领域的技术人员有动机通过简单地调整使所载例如激光清洗装置适配该种结构，这种显而易见的调整也应落入本发明的保护范围之内。

在优选的实施例中，车轮总成配有缓冲装置，缓冲装置普遍能够提供涨缩方向，或者说管道径向的缓冲，这种缓冲必然体现在于管道的径向存在缓冲行程，因此，配有缓冲装置的情况下，也利于设定车轮52与管道间的预压力。

进一步地，缓冲装置设置在连接杆上，具有响应的特定性。

在图1和图2所示的结构中，所述缓冲装置配置为：

连接杆包括一铰接于车体的架杆和在架杆杆向导引于该架杆的推杆，在图2中，u型外推杆42构成所述架杆，内推杆44构成所述推杆，内推杆导杆41固定在u型外推杆42的u型槽内，内推杆44与内推杆滑轨41配合形成滑动副。

为适配导引结构，u型外推杆42的末端设有一个座，座上开座孔，座孔构造为导引孔，在对外推杆44进行导引的同时，约束外推杆44的最大行程和约束外推杆44除导引方向上的移动自由度外的其他自由度。

相应地，内推杆44的外伸端安装车轮52，且车轮52的车轮座与u型外推杆42的末端间设有压缩弹簧，即图2中所示的缓冲弹簧43。

在前述的内容中提及，所述架杆为图2中所示的u型外推杆42，其具有u型槽，或者说其横断面为u型结构。该种结构利于内推杆44导向结构的设置。单纯使用导向孔时，所需要的配合长度相对较大，容易产生较大的阻滞，影响机器人运行的平稳性。

关于例如内推杆滑轨41，其可以采用直线导轨，该直线导轨直接安装在u型槽内，也可以在u型槽内加工出内推杆滑轨41。

相应地，连接杆用于与支撑杆铰接的部位位于架杆上u型槽所在侧的相对侧。

在优选的实施例中，压缩弹簧与车轮座和架杆间固定连接，压缩弹簧也限定了车轮座与架杆间的最大距离，避免内推杆44从导孔中脱出。

在图1所示的结构中，活动铰支座为套装在车体上并在车体轴向被导引的推板，图中有两个推板，即圆形推板7和圆形推板9，其更精确的结构描述为圆环形。在一些实施例中配置成轴套结构或者说圆管结构。

涨缩机构包括电动推杆8，电动推杆8的驱动端连接所述推板；电动推杆8固定安装在例如空心轴电动机1的壳体上。

相应地，支撑杆与推板间铰接。

每一组车轮总成包括两电动推杆8，两电动推杆8间关于车体的轴线对称，避免例如环状的推板在被推进过程中偏斜而产生卡滞。

空心轴电动机一方面比较轻便，空心轴即常说的管轴，管内空间可以用于安装例如光路。

由于光线可以通过耦合的方式传导，因此，旋转的电机轴并不影响光路的有效导通，或者说并不影响光路的布设。

相应地，在一些实施例中，所述推板套装在空心轴电动机1的电机轴上。

在图4所示的结构中，激光清洗装置的光路组件配装在电机轴内，喷嘴则安装在电机轴轴端，喷嘴在电机轴的径向设置。

在一些实施例中，车体上配有套装在电机轴外并与电机轴共轴线的套管6；

相应地，推板倒装并导引于套管6；

连接杆与套管6间铰接。