本发明涉及机器人，特别是可主动变径及差速转弯的管道检测机器人及其工作方法。
背景技术：
1、在工业领域，细小管道在生产前和使用后常出现多种缺陷，这可能导致重大的生产和生活安全问题。由于检修和维护这些细小管道极具挑战性，因此市场对专门进行检测和维修的管道机器人的需求持续上升。
2、管道在油气、净水、污水等传输的过程中起到至关重要的作用，管道的使用量也随之增长迅速。但随之而来的问题是，受其使用年限、使用环境和传输介质的影响，管道不可避免的会发生老化或者损伤，不仅可能会造成资源的浪费或对环境的损伤，甚至可能会产生严重的安全事故，需要进行定期检测和维护，防止严重事故，以确保其安全性和运行效率。管道的完整性对于其安全运行至关重要，需要利用管道机器人进入管道内部进行检查或排除潜在问题，所以使用管道机器人完成作业可以显著提升作业的安全性以及运行效率。
3、现有的传统管道检测机器人在使用时，由于管道空间限制，且大多埋藏在地下或水下，以挤压的方式在管道中进行检测作业，在运动过程中稳定性较差，容易出现卡死的现象，这样的方法存在效率低、安全性差问题。在过弯的过程中以挤压实现，直径固定不变，轮组速度统一，进入弯管后容易出现侧翻或者卡管的情况。如在管道进行传输时，通常管道弯曲角度大于90°，此时由于管道的弯曲角度会对机器人的长度和直径产生限制，需要根据管道尺寸范围确定管道机器人的尺寸，考虑到管道机器人的结构形状，可以将其分为两类，即细长型和粗壮型。细长型管道机器人的机体长度较大，通常在过弯时由于长度过长而导致其两端与管道卡死。而粗壮型管道机器人其机体直径较大，整机显得粗壮在过弯时可能由于直径过大而无法通过弯曲。现有的传统管道机器人大多数为四轮单节机体式，整体结构稳定性较差，灵活度不高。由于管道内环境错综复杂，现有的传统管道机器人多数都是在水平圆形管道内进行作业，难以实现适应管道内的环境，工作范围受到限制，自适应能力有限。
4、因此，研制开发可主动变径及差速转弯的管道检测机器人及其工作方法很有必要。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供可主动变径及差速转弯的管道检测机器人及其工作方法，通过对管道进行完整性检查，设计第一机体、第二机体和连接组件的软连接结构，配合撑脚机构对机器人进行支撑定位，调节部和变径组件配合，实现机器人的主动变径和差速过弯，以解决背景技术提出的管道机器人运动时稳定性不高、自适应能力不高及过弯时的一些风险的问题。
2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
3、可主动变径及差速转弯的管道检测机器人，包括第一机体、第二机体和连接组件，所述第一机体和第二机体分别安装于连接组件的首尾两端，所述第一机体和第二机体上均安装有撑脚机构，且撑脚机构包括调节部和三个变径组件，三个变径组件均匀分布于调节部外侧，将第一机体和第二机体支撑于管道轴心部位；
4、所述变径组件包括水平设置的连杆，所述连杆两端均铰接有摆动杆，两个摆动杆平行并同步移动，调节部的移动件外侧铰接有与三个变径组件一一对应的支撑杆，且支撑杆顶端与其中一个摆动杆的中部铰接，支撑杆底端与调节部的移动件铰接，位于第一机体和第二机体上同截面的两个所述支撑杆平行分布；
5、所述连杆两端外侧面分别转动连接有主动轮和从动轮，连杆上固定连接有伺服电机，且伺服电机输出轴传动连接主动轮轴心部位，在第一机体和第二机体外侧形成多个类履带式行进结构；
6、所述第一机体和第二机体内分别安装有主控芯片和电机驱动器，主控芯片用于控制调节部的驱动单元对撑脚机构主动变径，使管道检测机器人在伸展状态与压缩状态之间调整，所述电机驱动器与主控芯片电性连接，用于驱动多个伺服电机的集成电路，能够独立控制各个伺服电机，所述伺服电机的输出轴上安装有旋转编码器，用于测量对应安装在伺服电机上的主动轮转速，每个伺服电机控制电路上均配合安装有变频器，在管道检测机器人转弯时实现差速驱动；
7、所述第一机体前端搭载有检测和摄像组件，用于对管道环境进行检测和监控，获取管道内径尺寸信息、障碍物或者内壁缺陷信号以及管道弯道情况传输至主控芯片处理，根据检测到的管道环境，控制第一机体与第二机体进行变向转弯以及撑脚机构收缩避障；
8、所述连接组件的主体结构由塑性材料制成，在第一机体与第二机体实现变向转弯时，连接组件的主体结构发生弹性形变。
9、优选地，所述第一机体和第二机体均包括外侧舱体和内侧舱体，所述外侧舱体由第一舱罩和第一安装板组成，且第一安装板扣合安装于第一舱罩的开口端，所述内侧舱体由第二舱罩和第二安装板组成，且第二安装板扣合安装于第二舱罩的开口端。
10、优选地，所述调节部的驱动单元和移动件分别设置为丝杆电机和轴套，丝杆电机固定连接于内侧舱体内侧且位于第二安装板的轴心处，所述丝杆电机输出轴传动连接有驱动丝杆，且驱动丝杆两端分别与第一安装板和第二安装板转动连接，所述轴套螺纹套接在驱动丝杆外侧，且轴套上贯穿有引导滑轴。
11、优选地，所述引导滑轴的数量设置为三个，三个引导滑轴分别与三个变径组件一一对应，所述驱动丝杆和引导滑轴均与连杆平行，且连杆的长度与引导滑轴的长度相等。
12、优选地，所述连接组件的主体结构设置为波纹尼龙软管，所述第一机体和第二机体的第二舱罩轴心处均开设有螺纹孔，两个螺纹孔内均螺纹连接有软管连接头，所述波纹尼龙软管两端分别通过软管连接头与两侧的第二舱罩可拆卸安装。
13、优选地，所述波纹尼龙软管、软管连接头、内侧舱体、引导滑轴以及外侧舱体内部形成连通的中空结构，用于第一机体和第二机体之间隐藏式走线。
14、优选地，所述检测和摄像组件包括摄像头和光敏传感器，摄像头附着在外侧舱体前端开设的圆形孔内，且摄像头一侧安装有光敏传感器，摄像头通过排线与主控芯片电性连接，将检测图像数据传输到主控芯片内置的主控系统。
15、优选地，所述主动轮或从动轮上安装有压力传感器，用于感测撑脚机构对管道内壁的压力信号，并将信号发送至主控芯片分析处理，在压力值超出或小于设定范围时，调节管道检测机器人的伸展状态，直至达到设定压力范围内。
16、可主动变径及差速转弯的管道检测机器人的工作方法，工作过程如下：
17、s1、调节并放置管道检测机器人：根据待检修的管道口径，调节管道检测机器人的初始伸展状态，控制调节部使变径组件伸展，直至撑脚机构的外部与管道内部贴合，随后将其放入管道检测机器人内；
18、s2、获取管道内图像数据并反馈：利用管道检测机器人前端设置的检测和摄像组件以及光敏传感器采集管道内图像数据，分析出管道内径尺寸信息、障碍物或者内壁缺陷信号以及管道弯道情况，同时将实时画面无线通讯传输至外部接收终端机；
19、s3、行进中撑脚机构主动变径越障：管道内壁对直接接触的主动轮和从动轮施加压力，压力传感器感测压力值，并反馈至主控芯片分析处理，在压力值超出设定范围时，控制丝杆电机转动，推动轴套在驱动丝杆上移动，使多个类履带式行进结构始终贴合在管道内壁，实现伺服电机配合主动轮和从动轮对管道检测机器人有效驱动的目的；
20、s4、行进中多个类履带式行进结构差速过弯：在检测到管道检测机器人前方存在障碍物或者弯道时，通过对检测数据进行分析，配合旋转编码器测量对应安装在伺服电机上的主动轮转速，电机驱动器驱动多个伺服电机的集成电路，独立控制各个伺服电机，通过变频器，使弯管位置不同侧的驱动轮存在转速差，多个类履带式行进结构进行差速驱动，在连接组件的变形作用下，管道检测机器人被稳定驱动通过弯道；
21、s5、完成检修后回收管道检测机器人：管道检测机器人的第一机体和第二机体采用双机体驱动，在完成管道内待检修段后，使管道检测机器人前进或后退从管道的任意一个端口移出，并进行收集。
22、优选地，所述伺服电机采用pwm调速，s4中管道检测机器人过弯时，位于弯管外侧端的主动轮转速大于弯管内侧端的主动轮转速。
23、本发明具有如下有益效果：
24、1、通过检测和摄像组件对管道进行完整性检查，设计第一机体、第二机体和连接组件的软连接结构，配合撑脚机构对机器人进行支撑定位，调节部和变径组件配合，实现机器人的主动变径和差速过弯，减少对管道内部的损伤和摩擦，有利于保护管道的完整性和延长使用寿命，提高了管道检修机器人穿越复杂管道系统的能力；
25、2、通过将管道检修机器人由传统的单体式前驱动方式改为双机体驱动，实现双动力驱动，避免出现卡机位的问题，避免出现机器人第一机体头部过重而失去平衡的问题，单体式前驱动方式一旦执行前进命令后就难以退回，改为双机体驱动后无论是在执行前进还是后退命令都能更稳定，实现管道机器人在管道内能更灵活、稳定运行；
26、3、通过对管道检修机器人的中部软连接结构进行设计，利用中空的柔性波纹尼龙软管和软管接头将第一机体和第二机体组合，内部方便隐藏式走线，在机器人的牵引下实现被动弯转，且具有一定的支撑能力，从而保证尾部主体不致向下垂落，解决了头部和尾部机体之间不平衡而导致各机体前端下榻的问题，在使用过程中，头部机体首先通过弯管，然后利用前后机体的驱动力引导尾部机体顺利通过，在这个过程中，连接组件由于其柔软性会处于弯曲状态，形变过弯，以适应弯管的形状，防止由于机体过长无法通过的问题以及对管道内侧的摩擦而造成磨损的问题。
1.可主动变径及差速转弯的管道检测机器人，包括第一机体(1)、第二机体(2)和连接组件(3)，所述第一机体(1)和第二机体(2)分别安装于连接组件(3)的首尾两端，其特征在于：所述第一机体(1)和第二机体(2)上均安装有撑脚机构(4)，且撑脚机构(4)包括调节部(41)和三个变径组件(42)，三个变径组件(42)均匀分布于调节部(41)外侧，将第一机体(1)和第二机体(2)支撑于管道轴心部位；
2.根据权利要求1所述的可主动变径及差速转弯的管道检测机器人，其特征在于：所述第一机体(1)和第二机体(2)均包括外侧舱体(10)和内侧舱体(11)，所述外侧舱体(10)由第一舱罩(101)和第一安装板(102)组成，且第一安装板(102)扣合安装于第一舱罩(101)的开口端，所述内侧舱体(11)由第二舱罩(111)和第二安装板(112)组成，且第二安装板(112)扣合安装于第二舱罩(111)的开口端。
3.根据权利要求2所述的可主动变径及差速转弯的管道检测机器人，其特征在于：所述调节部(41)的驱动单元和移动件分别设置为丝杆电机(411)和轴套(412)，丝杆电机(411)固定连接于内侧舱体(11)内侧且位于第二安装板(112)的轴心处，所述丝杆电机(411)输出轴传动连接有驱动丝杆(413)，且驱动丝杆(413)两端分别与第一安装板(102)和第二安装板(112)转动连接，所述轴套(412)螺纹套接在驱动丝杆(413)外侧，且轴套(412)上贯穿有引导滑轴(414)。
4.根据权利要求3所述的可主动变径及差速转弯的管道检测机器人，其特征在于：所述引导滑轴(414)的数量设置为三个，三个引导滑轴(414)分别与三个变径组件(42)一一对应，所述驱动丝杆(413)和引导滑轴(414)均与连杆(421)平行，且连杆(421)的长度与引导滑轴(414)的长度相等。
5.根据权利要求3所述的可主动变径及差速转弯的管道检测机器人，其特征在于：所述连接组件(3)的主体结构设置为波纹尼龙软管(301)，所述第一机体(1)和第二机体(2)的第二舱罩(111)轴心处均开设有螺纹孔，两个螺纹孔内均螺纹连接有软管连接头(302)，所述波纹尼龙软管(301)两端分别通过软管连接头(302)与两侧的第二舱罩(111)可拆卸安装。
6.根据权利要求5所述的可主动变径及差速转弯的管道检测机器人，其特征在于：所述波纹尼龙软管(301)、软管连接头(302)、内侧舱体(11)、引导滑轴(414)以及外侧舱体(10)内部形成连通的中空结构，用于第一机体(1)和第二机体(2)之间隐藏式走线。
7.根据权利要求3所述的可主动变径及差速转弯的管道检测机器人，其特征在于：所述检测和摄像组件(9)包括摄像头(901)和光敏传感器(902)，摄像头(901)附着在外侧舱体(10)前端开设的圆形孔内，且摄像头(901)一侧安装有光敏传感器(902)，摄像头(901)通过排线与主控芯片(5)电性连接，将检测图像数据传输到主控芯片(5)内置的主控系统。
8.根据权利要求1所述的可主动变径及差速转弯的管道检测机器人，其特征在于：所述主动轮(424)或从动轮(425)上安装有压力传感器(12)，用于感测撑脚机构(4)对管道内壁的压力信号，并将信号发送至主控芯片(5)分析处理，在压力值超出或小于设定范围时，调节管道检测机器人的伸展状态，直至达到设定压力范围内。
9.如权利要求1-8任一项所述的可主动变径及差速转弯的管道检测机器人的工作方法，其特征在于：工作过程如下：
10.根据权利要求9所述的可主动变径及差速转弯的管道检测机器人的工作方法，其特征在于：所述伺服电机(426)采用pwm调速，s4中管道检测机器人过弯时，位于弯管外侧端的主动轮(424)转速大于弯管内侧端的主动轮(424)转速。
