一种单环式管道外壁扫查装置及扫查方法

1.本发明涉及管道检测技术领域，特别涉及一种单环式管道外壁扫查装置及扫查方法。


背景技术：

2.管道在长期使用中会发生腐蚀、老化、破损等问题。为了避免安全隐患的出现，必须对管道进行定期的维护和检测。然而，目前的管道检测装置主要依赖于人工作业，存在许多问题，如检验效率低下和人力成本过高等。因此，提出了一种结构简洁、自由度高的管道外壁单环可行走扫查装置，旨在实现自动高效率的扫查工作。该装置可以轻松地贴合在管道外壁并进行自由移动，以便准确检测管道的问题。其自由度高，能够进行多方向运动和扫查，使得检测精度更高，同时操作也更加方便。这样就能大大提高管道检测的效率，并降低人力成本。该装置是一种非常实用的管道检测装置，可以在管道维护和检测中发挥重要的作用。
3.近年来，运输在各行各业都扮演着至关重要的角色。人们越来越关注运输方式的高效、节能与环保，因此管道运输成为了一个很好的选择，具有诸多优势。首先，相对于其他运输方式，铺设管道所需资金较少，且见效较快；其次，管道运输能够减少换装环节，提高物品传输效率；最后，由于在一个完全封闭的环境中进行，管道运输损耗较小。因此，在液体、气体等物品输送方面，管道运输具有明显的优势。然而，早期铺设的管道已经进入老化期，存在着多起事故。为了减少事故发生率，我国需要投入更多费用来对管道进行检测，并对发现的问题及时进行更换或加固，以维护管道的正常使用。
4.目前，管道检测主要依赖于人工作业，但人工作业方法也存在一些问题：1)存在检测盲区，复杂的管道环境可能会存在许多人所不能及的死角，导致无法有效检测；2)检测精度低，目前的技术手段主要是靠人工目检和手持检测仪，精度依赖于技术人员的经验，直接影响检测准确率和精度；3)检测周期长、危险性高，常常会对检测人员的健康安全造成伤害；4)检测成本高。每次检修都需要耗费大量时间、人力、物力、财力。因此，需要研制设计一种管道外壁装置结构，实现在管道上的紧密贴合运动，并实现多自由度运动，从而实现对管道管壁无死角、全方位、高效率的检测，使得检测人员可以远离危险场所，有利于保护检测人员身体健康和安全。
5.随着技术的进步和研究的深入，现在的管道爬壁机器人种类繁多，适用于各个领域，常见的类型包括仿生式、机械抱紧式、轮式和履带式等。当前，在针对管道检测方面，已公开专利cn217123190u公开了一种新型管外行走机器人，其通过麦克纳姆轮的相互配合实现对管道周向和轴向的运动；已公开专利cn102700643a公开了一种管外行走机器人机械结构及其工作方法，其通过改变支撑滚轮和行走滚轮来实现在径向行走；已公开专利cn208239365u公开了一种基于相控阵双探头的管道扫查装置，其通过两个半圆环齿轮对管道进行扫查，并能够实现径向行走；已公开专利cn109668964a公开了的一种管道扫查架，其可以完成对管道的圆周式扫查；已公开专利cn108407909a公开了一种管道外探伤行走机器
人，其可以对管道进行直线扫查。然而，上述这些技术方案均存在自由度受限，无法达到实现全方位扫查管道的目的，从而影响检测效果和效率；因而需要进一步研发更高自由度的管道爬壁机器人，以适应不同场景下的检测需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种具有轻量化结构设计并能够实现无盲点、多自由度检测的单环式管道外壁扫查装置。
7.本发明的另一目的是提供一种采用上述单环式管道外壁扫查装置实现的无盲点、多自由度的扫查方法。
8.为此，本发明技术方案如下：
9.一种单环式管道外壁扫查装置，由环形夹爪和在沿圆周方向均布设置在环形夹爪内环处的四个行走机构构成；其中，
10.环形夹爪为由一个上臂、两个中臂和两个下臂构成的底部设有开口且内径可调的环形体；上臂呈水平设置，其包括设置上臂本体以及两个对称设置在上臂本体两端的上臂电机，两个上臂电机以其输出轴平行于环形夹爪的轴线方向设置(也即管道的轴线方向)；
11.两个中臂呈竖直设置、并对称设置在上臂的下方，每个中臂包括中臂本体和设置在中臂本体底端的中臂电机，中臂电机以其输出轴平行于环形夹爪的轴线方向设置；两个中臂本体的顶端分别通过两个上臂电机的输出轴铰接连接在上臂本体的两端，使两个中臂能够在两个上臂电机的驱动下相对于上臂同步向外打开或向内收缩；
12.两个下臂以二者的底端间距小于顶端间距的方式斜向设置、并对称设置在两个中臂下方；两个下臂的下臂本体顶端分别通过两个中臂电机铰接连接在两个中臂本体的底端，使两个中臂能够在两个中臂电机的驱动下相对于两个中臂同步向外打开或向内收缩；
13.行走机构包括转向电机、驱动轮架、驱动电机、驱动轮和缓冲机构；转向电机的输出轴和驱动轮架顶端分别居中固定在缓冲机构两侧，且二者的轴线方向与缓冲机构的缓冲方向相同，使转向电机带动驱动轮架自由转动；驱动电机固定在驱动轮架一侧，其输出轴穿设并固定在位于驱动轮架内的驱动轮中心孔中，以通过驱动电机调节驱动轮的轴线方向能够自与管道轴线方向平行状态转动至与管道轴线方向垂直的状态；四个行走机构的转向电机分别固定在上臂的两侧、以及两个中臂的下侧，并以其上驱动轮能够以垂直接触管道外壁的方式设置。
14.进一步地，上臂本体包括两块上臂连接板和两块l形连接板，两块上臂连接板为呈竖直且平行设置的两块类弧形板体，两块l形连接板对称固定在两块上臂连接板之间；在每块上臂连接板的板面两端相同位置处均对称开设有两个安装有转动轴承的第一轴承安装孔；两个上臂电机对称固定在两块l形连接板上，二者的输出轴轴端穿设并固定在邻侧上臂连接板上的转动轴承中心孔内；
15.中臂本体包括两块中臂连接板和多根中臂连接杆，两块中臂连接板为呈竖直且平行设置的两块类弧形板体，多根中臂连接杆间隔固定在两块中臂连接板之间；在两块中臂连接板的板面顶端相同位置处开设有第一固定轴安装孔，在两块中臂连接板的板面底端相同位置处开设有安装转动轴承的第二轴承安装孔；中臂电机通过中臂电机连接板固定在中臂本体上，其输出轴穿设并固定在邻侧中臂连接板上的转动轴承中心孔内；两块中臂连接
板的顶端插装在位于同侧的两块上臂连接板之间，且一块中臂连接板的顶端通过第一固定轴安装孔套装并固定在上臂电机的输出轴上，另一块中臂连接板的顶端通过第一固定轴安装孔套装并固定在一根连接轴的一端，连接轴的另一端插装并固定邻侧上臂连接板的转动轴承中心孔内；
16.下臂本体包括两块下臂连接板、至少一根下臂连接杆和牛眼轮，两块下臂连接板为两块呈斜向且平行的弧形板，下臂连接杆固定在两块下臂连接板之间；在两块下臂连接板的板面顶端相同位置处开设有第二固定轴安装孔；牛眼轮设置在下臂本体上，以与管道外壁接触；两块下臂连接板的顶端插装在位于同侧的两块中臂连接板之间，且一块下臂连接板的顶端通过第二固定轴安装孔套装并固定在中臂电机的输出轴上，另一块下臂连接板的顶端通过第二固定轴安装孔套装并固定在一根连接轴的一端，连接轴的另一端插装并固定邻侧中臂连接板的转动轴承中心孔内。
17.进一步地，下臂还包括预紧机构，其斜向设置在牛眼轮与下臂本体之间；预紧机构由设置在底座上的多根压紧弹簧和多根第一螺栓构成；底座斜向固定在两块下臂连接板之间，且顶面上均布开设有与第一螺栓数量相同的螺孔，多根第一螺栓均布穿设在牛眼轮安装板上的通孔内，且尾端分别插装固定在底座上的各螺孔内；多根压紧弹簧分别以不完全压缩状态套装在各第一螺栓外侧，每根压紧弹簧的两端分别抵在牛眼轮的安装板和底座上。
18.进一步地，缓冲机构由第一连接板、第二连接板、多根第二螺栓和多根缓冲弹簧构成；第二连接板与第一连接板呈平行设置，多根第二螺栓以垂直于第二连接板的方式呈均布设置、并穿装在开设于第二连接板上的通孔内，且各第二螺栓的尾端固定在第一连接板上；多根缓冲弹簧分别套装在各第二螺栓外侧，每根缓冲弹簧的两端分别抵在第一连接板和第二连接板上。
19.一种采用上述单环式管道外壁扫查装置实现装置沿管道轴线方向直线行走的扫查方法，步骤为：1)通过控制上臂电机和中臂电机转动，使两个中臂和两个下臂夹设在管道外壁上，并使两个中臂上行走机构的驱动轮、以及两个下臂上的牛眼轮与管道外壁紧密贴合；2)通过四个行走机构的转向电机，控制四个驱动轮均旋转至其轴线方向与管道轴线方向之间的夹角为90
°
，而后通过四个行走机构的驱动电机，控制四个驱动轮以相对于管道的运动速度相同且旋转方向相同的方式持续转动，使扫查装置沿管道轴线方向直线行走，并进行扫查。
20.一种采用上述单环式管道外壁扫查装置实现沿管道周向旋转的扫查方法，步骤为：1)通过控制上臂电机和中臂电机转动，使两个中臂和两个下臂夹设在管道外壁上，并使两个中臂上行走机构的驱动轮、以及两个下臂上的牛眼轮与管道外壁紧密贴合；2)通过四个行走机构的转向电机，控制四个驱动轮均旋转至其轴线方向与管道轴线方向平行；而后通过四个行走机构的驱动电机，控制四个驱动轮以相对于管道的运动速度相同且旋转方向相同的方式持续转动，使扫查装置在管道指定位置上沿管道周向360
°
转动，并进行扫查；
21.一种采用上述单环式管道外壁扫查装置实现装置沿管道轴线方向呈螺旋线行走的扫查方法，步骤为：1)通过控制上臂电机和中臂电机转动，使两个中臂和两个下臂夹设在管道外壁上，并使两个中臂上行走机构的驱动轮、以及两个下臂上的牛眼轮与管道外壁紧密贴合；2)通过四个行走机构的转向电机，控制四个驱动轮均同向旋转至其轴线方向与管
道轴线方向之间的夹角为相同的锐角；而后通过四个行走机构的驱动电机，控制四个驱动轮以相对于管道的运动速度相同且旋转方向相同的方式持续转动，使扫查装置沿管道轴线方向呈螺旋线行走，并进行扫查。
22.与现有技术相比，该单环式管道外壁扫查装置由可控开合的环形夹爪和沿圆周方向均布设置在环形夹爪内环处的四个行走机构构成，其不仅可以实现该装置抓牢在管道外壁上，并可实现紧密贴合管道外壁上实现沿管道周向360
°
行走、沿管道轴线方向行走、以及沿管道呈螺旋线方式行走，以完成扫查，不仅具有高效、扫查范围广、准确完成管道扫查等特点，且装置操作简便，适用范围广；与此同时，设置在下臂上的预紧机构以及设置在行走机构中的缓冲机构共同构成缓冲体系，以确保装置在管道上行走时不受管道外壁不平的影响，保证了整个运动过程的稳定性。
附图说明
23.图1为本发明的单环式管道外壁扫查装置的结构示意图；
24.图2为本发明的单环式管道外壁扫查装置的上臂的结构示意图；
25.图3为本发明的单环式管道外壁扫查装置的中臂的结构示意图；
26.图4为本发明的单环式管道外壁扫查装置的下臂的结构示意图；
27.图5为本发明的单环式管道外壁扫查装置的行走机构的结构示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
29.参见图1，该单环式管道外壁扫查装置由环形夹爪和四个行走机构4构成；其中，环形夹爪为一由一个上臂1、两个中臂2和两个下臂3构成的底部设有开口且内径可调的环形体；在环形夹爪中，上臂1呈水平设置；两个中臂2呈竖直设置、并对称设置在上臂1的下方，且二者的顶端铰接连接在上臂1的两端，使两个中臂2能够同步向外打开或向内收缩；两个下臂3以二者的底端间距小于顶端间距的方式呈斜向设置、并对称设置在两个中臂2下方，且二者的顶端分别铰接连接在两个中臂2的底端，使两个中臂2能够同步向外打开或向内收缩，进而使环形夹爪能够根据待扫查管体的外径调节其内径；四个行走机构4沿圆周方向均布设置在环形夹爪内环处，驱动环形夹爪在管道外壁上沿管道轴线方向移动。
30.参见图2，上臂1包括两块上臂连接板1a、两块l形连接板1b、两个上臂电机1c和两块上臂电机连接板1d；具体地，
31.两块上臂连接板1a呈竖直且平行设置；其中，上臂连接板1a由第一斜板、横板和第二斜板依次连接并一体成型构成的类弧形板体，且第一斜板和第二斜板分别以与横板呈相同钝角的方式对称设置横板左、右两侧；优选地，第一斜板与横板之间的夹角、以及第二斜板与横板之间的夹角均为120
°
～150
°
，具体设置角度可根据上臂连接板的尺寸进行适应性调节；在每块上臂连接板1a的板面两端相同位置处均对称开设有两个第一轴承安装孔，每个第一轴承安装孔内安装有一个转动轴承；
32.l形连接板1b为由相连接的顶板和立板构成的l形板体；两块l形连接板1b以其顶板与上臂连接板1a的顶面齐平、立板朝向上臂连接板1a邻侧端部的方式对称设置在两块上
臂连接板1a之间，使两块上臂连接板1a通过将二者固定在两块l形连接板1b的两侧而连接固定为一体；
33.两个上臂电机1c分别以其输出轴垂直于两块上臂连接板1a的方式对称设置在两块上臂连接板1a之间并位于上臂连接板1a的两端处，使两个上臂电机1c的输出轴以平行于环形夹爪的轴线方向设置；上臂电机连接板1由相连接的两块立板构成的l形板体，其一块立板的外侧板面固定在l形连接板1b的立板外侧壁面上，其另一块立板的外侧板面固定在一块上臂连接板1a上；每个上臂电机1c通过将其后端端面和一侧侧壁固定在上臂电机连接板1d的两块立板的内侧板面上，而固定在两块上臂连接板1a之间；每个上臂电机1c的以其输出轴轴端穿设并固定在邻侧上臂连接板1a端的转动轴承中心孔内。
34.参见图3，中臂2包括两块中臂连接板2a、两根中臂连接杆2b、一块中臂电机连接板2c和一个中臂电机2d；具体地，
35.两块中臂连接板2a呈竖直且平行设置；其中，中臂连接板2a由第一斜板、竖板和第二斜板依次连接并一体成型构成的类弧形板体，且第一斜板和第二斜板分别以与竖板呈相同钝角的方式对称设置在竖板的上、下两侧；优选地，第一斜板与竖板之间的夹角、以及第二斜板与竖板之间的夹角均为120
°
～150
°
，具体设置角度可根据上臂连接板的尺寸进行适应性调节；在两块中臂连接板2a的板面顶端相同位置处居中开设有第一固定轴安装孔，在两块中臂连接板2a的板面底端相同位置处居中开设有第二轴承安装孔；每个第二轴承安装孔内安装有一个转动轴承；
36.两根中臂连接杆2b呈水平且平行间隔设置在两块中臂连接板2a之间，每根中臂连接杆2b的两端分别固定在两块中臂连接板2a上，使两根中臂连接杆2b连接固定为一体；
37.中臂电机连接板2c设置在两块中臂连接板2a底侧之间，其板面两侧固定在两块中臂连接板2a上；
38.中臂电机2d以其输出轴垂直于中臂连接板2a的方式设置在两块中臂连接板2a之间并固定在中臂电机连接板2c的一侧板面上；中臂电机2d的输出轴轴端穿设并固定在邻侧上臂连接板1a端的转动轴承中心孔内。
39.两个中臂2的顶端铰接连接在上臂1的两端；具体地，对于任一中臂2来说，两块中臂连接板2a的顶端插装在位于同侧的两块上臂连接板1a之间，且一块中臂连接板2a的顶端通过第一固定轴安装孔套装并固定在上臂电机1c的输出轴上，另一块中臂连接板2a的顶端通过第一固定轴安装孔套装并固定在一根连接轴的一端，连接轴的另一端插装并固定邻侧上臂连接板1a的转动轴承中心孔内；进而，两个中臂2分别与上臂1的两端铰接连接，二者在相应侧上臂电机1c的驱动下相对于上臂1同步向外侧转动或向内侧收回，实现远离待扫查管道外壁或靠近待扫查管道外壁的开合动作。
40.参见图4，下臂3包括两块下臂连接板3a、一根下臂连接杆3b、一个牛眼轮3c和一个预紧机构；具体地，
41.两块下臂连接板3a为两块弧形板，二者呈斜向且相互平行设置；下臂连接杆3b设置在两块下臂连接板3a之间，其两端分别固定在两块下臂连接板3a上；在两块下臂连接板3a的板面顶端相同位置处居中开设有第二固定轴安装孔，
42.预紧机构由设置在一个底座3f上的两根压紧弹簧3e和两根第一螺栓3d构成；底座3f斜向设置在两块下臂连接板3a之间并位于两块下臂连接板3a底侧，使其顶面与下臂连接
板3a内弧面齐平或略低于内弧面；底座3f的顶面中心处并排开设有两个螺孔，两根第一螺栓3d对称穿设在牛眼轮3c两侧安装板上开设的通孔内，且二者的尾端插装固定在底座3f上的两个螺孔内；两根压紧弹簧3e分别以不完全压缩状态套装在两根第一螺栓3d外侧，每根压紧弹簧3e的两端分别抵在牛眼轮3c的安装板底面上和底座3f的顶面上；
43.预紧机构利用两根压紧弹簧3e实现牛眼轮3c与管道外壁之间的预紧接触，以保证下臂2抱紧在管道外壁上，而牛眼轮3c的设置则为了使下臂2与管道外壁之间形成滑动摩擦，以使环形夹爪紧密贴合管道外壁行走；另外，在实际使用过程中，预紧机构对管道外壁的预紧程度可以通过调节两根第一螺栓3d尾端插入至两个螺孔内的深度，实现两根压紧弹簧3e的不完全压缩程度的调节。
44.两个下臂3的顶端分别铰接连接在两个中臂2的底端；具体地，对于任一下臂3来说，两块下臂连接板3a的顶端插装在位于同侧的两块中臂连接板2a之间，且一块下臂连接板3a的顶端通过第二固定轴安装孔套装并固定在中臂电机2d的输出轴上，另一块下臂连接板3a的顶端通过第二固定轴安装孔套装并固定在一根连接轴的一端，连接轴的另一端插装并固定邻侧中臂连接板2a的转动轴承中心孔内；进而，两个下臂3分别与中臂2形成两端铰接连接，二者在相应侧中臂电机2d的驱动下相对于中臂2同步向外侧转动或向内侧收回，实现远离待扫查管道外壁或靠近待扫查管道外壁的开合动作。
45.四个行走机构4沿环形夹爪内环侧的圆周方向分别设置在上臂1的l形连接板1b顶板处、以及两个中臂2的电机连接板2c上方；具体地，参见图5，行走机构4包括一个转向电机4a、驱动轮架4c、驱动电机4d、驱动轮4e、缓冲机构和电机固定板4j；
46.缓冲机构由第一连接板4h、第二连接板4i、四根第二螺栓4f和四根缓冲弹簧4g构成；第二连接板4i与第一连接板4h呈平行设置，四根第二螺栓4f分别以垂直于第二连接板4i的方式穿装在开设于第二连接板4i四个顶角处的通孔内，且四者的尾端固定在第一连接板4h四个顶角处；四根缓冲弹簧4g分别套装在四根第二螺栓4f外侧，每根缓冲弹簧4g的两端分别抵在第一连接板4h和第二连接板4i上；初始状态下，四根缓冲弹簧4g呈自由态或不完全压缩态设置在第二连接板4i与第一连接板4h之间；
47.转向电机4a的输出轴和驱动轮架4c顶端分别居中固定在缓冲机构两侧，且二者的轴线方向与缓冲机构的缓冲方向相同；具体地，转向电机4a以其输出轴4b垂直于第一连接板4h的方式将其轴端插装并固定在第一连接板4h的中心处；驱动轮架4c由倒u形架体和固定在倒u形架体顶板中心处的连接轴构成，且连接轴的轴端垂直固定在第二连接板4i上；
48.驱动电机4d以其输出轴垂直于倒u形架体侧板的方式设置，并通过电机法兰固定在倒u形架体的一侧侧板上，其输出轴穿设在倒u形架体的两块侧板的中心孔内并能够自由转动；
49.驱动轮4e设置在倒u形架体内，并套装固定在驱动电机4d以其输出轴上，使驱动轮4e能够在驱动电机4d的驱动下正向或逆向转动；驱动轮4e的轮体局部突出至倒u形架体外侧，其在缓冲机构的配合下保证与管道外壁始终紧密接触；
50.对于设置在上臂1上的行走机构4，其转向电机4a的输出轴垂直穿设在l形连接板1b顶板上开设的通孔内，转向电机4a本体通过电机固定板4j固定在顶板上；对于设置在中臂2上的行走机构4，其转向电机4a的输出轴垂直穿设在顶板上开设的通孔内，转向电机4a本体通过电机固定板4j固定在两块中臂连接板2a之间。
51.参见图1，采用该单环式管道外壁扫查装置实现不同行走方式的管道扫查的过程如下：
52.初始状态下，通过控制上臂电机1c和中臂电机2d转动，使两个中臂2和两个下臂3呈完全打开状态，以将装置架设至管道外侧；而后，通过控制上臂电机1c和中臂电机2d反向转动，使两个中臂2和两个下臂3依次与管道之间的距离不断缩小，直至两个中臂2上行走机构的驱动轮4e、以及两个下臂3上的牛眼轮3c与管道外壁紧密贴合；在该贴合状态下，安装在两个中臂2上的行走机构4的缓冲机构以及安装在下臂3上的预紧机构起到缓冲作用，以确保整个机构运动的稳定性；扫查工作进行前，用于管道扫查的多个传感器沿环形夹爪的圆周方向均布设置，并以探测端朝向管体外壁且与管体外壁等间距的方式固定在环形夹爪的一侧侧壁上；其中，传感器可采用涡流传感器、超声波传感器等；
53.装置沿管道轴线方向直线行走扫查：通过四个行走机构4的转向电机，控制四个驱动轮4e均旋转至其轴线方向与管道轴线方向之间的夹角为90
°
，而后通过四个行走机构4的驱动电机4d，控制四个驱动轮4e以相对于管道相同的运动速度且旋转方向相同的方式持续转动，即可使该扫查装置沿管道轴线方向直线行走，并进行扫查；
54.装置沿管道周向旋转式扫查：通过四个行走机构4的转向电机，控制四个驱动轮4e均旋转至其轴线方向与管道轴线方向平行，而后通过四个行走机构4的驱动电机4d，控制四个驱动轮4e以相对于管道相同的运动速度且旋转方向相同的方式持续转动，即可使该扫查装置在管道指定位置上沿管道周向360
°
转动，并进行扫查；
55.装置沿管道轴线方向呈螺旋线行走扫查：通过四个行走机构4的转向电机，控制四个驱动轮4e均旋转至其轴线方向与管道轴线方向之间的夹角为相同的锐角，而后通过四个行走机构4的驱动电机4d，控制四个驱动轮4e以相对于管道相同的运动速度且旋转方向相同的方式持续转动，即可使该扫查装置沿管道轴线方向呈螺旋线行走，并进行扫查；其中，管道扫查点位的紧密程度可以根据需要调节四个驱动轮4e的轴线方向与管道轴线方向之间的夹角实现。

技术特征：
1.一种单环式管道外壁扫查装置，其特征在于，由环形夹爪和在沿圆周方向均布设置在环形夹爪内环处的四个行走机构(4)构成；其中，环形夹爪为由一个上臂(1)、两个中臂(2)和两个下臂(3)构成的底部设有开口且内径可调的环形体；上臂(1)呈水平设置，其包括设置上臂本体以及两个对称设置在上臂本体两端的上臂电机(1c)，两个上臂电机(1c)以其输出轴平行于环形夹爪的轴线方向设置；两个中臂(2)呈竖直设置、并对称设置在上臂(1)的下方，每个中臂(2)包括中臂本体和设置在中臂本体底端的中臂电机(2d)，中臂电机(2d)以其输出轴平行于环形夹爪的轴线方向设置；两个中臂本体的顶端分别通过两个上臂电机(1c)的输出轴铰接连接在上臂本体的两端，使两个中臂(2)能够在两个上臂电机(1c)的驱动下相对于上臂(1)同步向外打开或向内收缩；两个下臂(3)以二者的底端间距小于顶端间距的方式斜向设置、并对称设置在两个中臂(2)下方；两个下臂(3)的下臂本体顶端分别通过两个中臂电机(2d)铰接连接在两个中臂本体的底端，使两个中臂(2)能够在两个中臂电机(2d)的驱动下相对于两个中臂(2)同步向外打开或向内收缩；行走机构(4)包括转向电机(4a)、驱动轮架(4c)、驱动电机(4d)、驱动轮(4e)和缓冲机构；转向电机(4a)的输出轴和驱动轮架(4c)顶端分别居中固定在缓冲机构两侧，且二者的轴线方向与缓冲机构的缓冲方向相同，使转向电机(4a)带动驱动轮架(4c)自由转动；驱动电机(4d)固定在驱动轮架(4c)一侧，其输出轴穿设并固定在位于驱动轮架(4c)内的驱动轮(4e)上，以通过驱动电机(4d)使驱动轮(4e)绕驱动电机(4d)输出轴旋转，以带动行走机构(4)在管道上运动；四个行走机构(4)的转向电机(4a)分别固定在上臂(1)的两侧、以及两个中臂(2)的下侧，并以其上驱动轮(4e)能够以垂直接触管道外壁的方式设置，并通过驱动电机(4a)调节驱动轮(4e)的轴线方向与管道轴线之间所成夹角在0～360
°
之间调节。2.根据权利要求1所述的单环式管道外壁扫查装置，其特征在于，上臂本体包括两块上臂连接板(1a)和两块l形连接板(1b)，两块上臂连接板(1a)为呈竖直且平行设置的两块类弧形板体，两块l形连接板(1b)对称固定在两块上臂连接板(1a)之间；在每块上臂连接板(1a)的板面两端相同位置处均对称开设有两个安装有转动轴承的第一轴承安装孔；两个上臂电机(1c)对称固定在两块l形连接板(1b)上，二者的输出轴轴端穿设并固定在邻侧上臂连接板(1a)上的转动轴承中心孔内；中臂本体包括两块中臂连接板(2a)和多根中臂连接杆(2b)，两块中臂连接板(2a)为呈竖直且平行设置的两块类弧形板体，多根中臂连接杆(2b)间隔固定在两块中臂连接板(2a)之间；在两块中臂连接板(2a)的板面顶端相同位置处开设有第一固定轴安装孔，在两块中臂连接板(2a)的板面底端相同位置处开设有安装转动轴承的第二轴承安装孔；中臂电机(2d)通过中臂电机连接板(2c)固定在中臂本体上，其输出轴穿设并固定在邻侧中臂连接板(2a)上的转动轴承中心孔内；两块中臂连接板(2a)的顶端插装在位于同侧的两块上臂连接板(1a)之间，且一块中臂连接板(2a)的顶端通过第一固定轴安装孔套装并固定在上臂电机(1c)的输出轴上，另一块中臂连接板(2a)的顶端通过第一固定轴安装孔套装并固定在一根连接轴的一端，连接轴的另一端插装并固定邻侧上臂连接板(1a)的转动轴承中心孔内；下臂本体包括两块下臂连接板(3a)、至少一根下臂连接杆(3b)和牛眼轮(3c)，两块下臂连接板(3a)为两块呈斜向且平行的弧形板，下臂连接杆(3b)固定在两块下臂连接板(3a)
之间；在两块下臂连接板(3a)的板面顶端相同位置处开设有第二固定轴安装孔；牛眼轮(3c)设置在下臂本体上，以与管道外壁接触；两块下臂连接板(3a)的顶端插装在位于同侧的两块中臂连接板(2a)之间，且一块下臂连接板(3a)的顶端通过第二固定轴安装孔套装并固定在中臂电机(2d)的输出轴上，另一块下臂连接板(3a)的顶端通过第二固定轴安装孔套装并固定在一根连接轴的一端，连接轴的另一端插装并固定邻侧中臂连接板(2a)的转动轴承中心孔内。3.根据权利要求1所述的单环式管道外壁扫查装置，其特征在于，下臂(3)还包括预紧机构，其斜向设置在牛眼轮(3c)与下臂本体之间；预紧机构由设置在底座(3f)上的多根压紧弹簧(3e)和多根第一螺栓(3d)构成；底座(3f)斜向固定在两块下臂连接板(3a)之间，且顶面上均布开设有与第一螺栓(3d)数量相同的螺孔，多根第一螺栓(3d)均布穿设在牛眼轮(3c)安装板上的通孔内，且尾端分别插装固定在底座(3f)上的各螺孔内；多根压紧弹簧(3e)分别以不完全压缩状态套装在各第一螺栓(3d)外侧，每根压紧弹簧(3e)的两端分别抵在牛眼轮(3c)的安装板和底座(3f)上。4.根据权利要求1所述的单环式管道外壁扫查装置，其特征在于，缓冲机构由第一连接板(4h)、第二连接板(4i)、多根第二螺栓(4f)和多根缓冲弹簧(4g)构成；第二连接板(4i)与第一连接板(4h)呈平行设置，多根第二螺栓(4f)以垂直于第二连接板(4i)的方式呈均布设置、并穿装在开设于第二连接板(4i)上的通孔内，且各第二螺栓(4f)的尾端固定在第一连接板(4h)上；多根缓冲弹簧(4g)分别套装在各第二螺栓(4f)外侧，每根缓冲弹簧(4g)的两端分别抵在第一连接板(4h)和第二连接板(4i)上。5.一种采用如权利要求1～4中任一项所述的单环式管道外壁扫查装置实现装置沿管道轴线方向直线行走的扫查方法，其特征在于，步骤为：1)通过控制上臂电机(1c)和中臂电机(2d)转动，使两个中臂(2)和两个下臂(3)夹设在管道外壁上，并使两个中臂(2)上行走机构的驱动轮(4e)、以及两个下臂(3)上的牛眼轮(3c)与管道外壁紧密贴合；2)通过四个行走机构(4)的转向电机，控制四个驱动轮(4e)均旋转至其轴线方向与管道轴线方向之间的夹角为90
°
，而后通过四个行走机构(4)的驱动电机(4d)，控制四个驱动轮(4e)以相对于管道相同的运动速度且旋转方向相同的方式持续转动，使扫查装置沿管道轴线方向直线行走，并进行扫查。6.一种采用如权利要求1～4中任一项所述的单环式管道外壁扫查装置实现沿管道周向旋转的扫查方法，其特征在于，步骤为：1)通过控制上臂电机(1c)和中臂电机(2d)转动，使两个中臂(2)和两个下臂(3)夹设在管道外壁上，并使两个中臂(2)上行走机构的驱动轮(4e)、以及两个下臂(3)上的牛眼轮(3c)与管道外壁紧密贴合；2)通过四个行走机构(4)的转向电机，控制四个驱动轮(4e)均旋转至其轴线方向与管道轴线方向平行；而后通过四个行走机构(4)的驱动电机(4d)，控制四个驱动轮(4e)以相对于管道相同的运动速度且旋转方向相同的方式持续转动，使扫查装置在管道指定位置上沿管道周向360
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转动，并进行扫查。7.一种采用如权利要求1～4中任一项所述的单环式管道外壁扫查装置实现装置沿管道轴线方向呈螺旋线行走的扫查方法，其特征在于，步骤为：1)通过控制上臂电机(1c)和中臂电机(2d)转动，使两个中臂(2)和两个下臂(3)夹设在管道外壁上，并使两个中臂(2)上行走机构的驱动轮(4e)、以及两个下臂(3)上的牛眼轮(3c)与管道外壁紧密贴合；2)通过四个
行走机构(4)的转向电机，控制四个驱动轮(4e)均同向旋转至其轴线方向与管道轴线方向之间的夹角为相同的锐角或者钝角；而后通过四个行走机构(4)的驱动电机(4d)，控制四个驱动轮(4e)以相对于管道相同的运动速度且旋转方向相同的方式持续转动，使扫查装置沿管道轴线方向呈螺旋线行走，并进行扫查。

技术总结
本发明公开了一种单环式管道外壁扫查装置，其由环形夹爪和四个行走机构构成；环形夹爪为由一个上臂、两个中臂和两个下臂构成的底部设有开口且内径可调的环形体；上臂呈水平设置，两个中臂呈竖直且对称设置，二者顶端铰接连接在上臂两端；两个下臂斜向且对称设置，二者顶端分别铰接连接在两个中臂的底端；四个行走机构沿圆周方向均布设置在环形夹爪内环处，驱动环形夹爪在管道外壁上沿管道轴线方向移动；该装置不仅可以实现该装置抓牢在管道外壁上，并可实现紧密贴合管道外壁上实现沿管道周向360


技术研发人员：苏晓健 刘凉 聂广银 宋茏康 葛星玥
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/23