CN101319747A - 一种自适应管道机器人 - Google Patents
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一种自适应管道机器人，涉及机器人的技术领域，尤其涉及对管道检测、清理、维护的机器人的技术领域。本发明包括机身；机身的外周沿圆周方向均布至少三组驱动装置，滑动轴设置在机身的外周，滑动轴的两端分别与机身连接，固定件焊接在滑动轴的中部，两个滑块分别套置在固定件两侧的滑动轴上；两根压力弹簧分别套置在固定件与滑块之间的滑动轴的外周，两根复位弹簧分别套置在固定件外侧的滑动轴的外周；每根第一连杆的两端分别连接滑块、滚轮，每根第二连杆的两端分别与滑动轴端部、第一连杆连接；每组机身上设置动力控制装置。本发明实现了承载能力好，能够适用于多种工作环境下的管道作业，实用价值高，拆装方便的目的。
Description
技术领域
本发明涉及机器人的技术领域，尤其涉及对管道检测、清理、维护的机器人的技术领域。
背景技术
机器人技术是集自动控制技术、机械设计制造、人工智能、测试技术、信息技术、计算技术于一体的综合技术，代表着一个国家上述技术的发展水平和集成应用水平，也在一定程度上反映了一个国家的工业化水平。
在管道得到广泛使用的今天，管道的检测、清理、维护，成了一个亟待解决的问题。但是，管道的封闭性以及工作环境决定了这项工作的艰难。时至今日，经过各国学者的努力，虽然也已经出现了各种类别的管道机器人，但是都或多或少地存在一些不足，而且功能不够强大。
随着当代科技的迅猛发展，特别是信息技术、计算技术、智能技术的发展，使得管道机器人在理论上已经没有任何技术障碍。但是管道机器人并没有像我们预期的那样得到迅猛发展，究其原因，是根本的机械结构没有得到大的突破，也就是说，机器人在复杂管道内运行的技术实现仍然很困难。即使有个别研究机构利用复杂的智能技术和信息技术实现了这一功能，但高昂的价格使得其只能停留在实验室阶段。
对于管道的清理、修补、检测、探伤等作业，目前在技术上已经比较成熟，国内外已开发出多种功能强大、外形轻巧的装置，但由于缺少搭载这些装置的良好载体从而影响了它们的推广应用。
发明内容
本发明目的是提供一种具有良好的承载能力，适用于多种工作环境下的管道作业，实用价值高，拆装方便的自适应管道机器人。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明包括机身；机身的外周沿圆周方向均布至少三组驱动装置，每组驱动装置由四根第一连杆、四根第二连杆、一根滑动轴、两个滑块、一个固定件、两根压力弹簧、两根复位弹簧、四个滚轮所组成，滑动轴设置在机身的外周，滑动轴的两端分别与机身连接，固定件焊接在滑动轴的中部，两个滑块分别套置在固定件两侧的滑动轴上；两根压力弹簧分别套置在固定件与滑块之间的滑动轴的外周，两根复位弹簧分别套置在固定件外侧的滑动轴的外周；每根第一连杆的两端分别连接滑块、滚轮，每根第二连杆的两端分别与滑动轴端部、第一连杆连接；每组机身上设置动力控制装置。
比较好的是：本发明包括两组机身，两组机身之间通过连接软轴相互连接。
本发明将上述设置在滑动轴同一端的相邻两个滚轮之间通过轮轴连接，轮轴上设置从动锥齿轮，两个第一连杆相对的一侧设置电机固定座，电机固定座上设置电机，电机的一端设置与从动锥齿轮相啮合的主动锥齿轮。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
1、管道机器人在管内完成一系列工作，主要是依靠自身的承载能力，搭载相关工作单元。工程上对管道的检测、探伤技术已经比较成熟，唯一缺少的就是搭载这些装置的良好载体。本发明的管道机器人，可以以它作为载体，添加或搭载具有相关功能的附加工具组件，来完成所需要的管道内部工作。如可以安装摄像头以拍摄管内图像，可以在机身上安装探测工具，探测管道内部的状况，可以安装清洁工具用以清扫管壁，还可以作为管道内部的运输工具。本发明的管道机器人为搭载附加作业单元提供了良好的载体，具有良好的承载能力。
2、本发明的管道机器人，驱动轮部分的结构采用一种弹簧-滑块-连杆机构，轮腿具有一定的伸缩能力，各轮腿之间相互独立，互不影响。对管道变形的自适应能力较同类产品相比，有了很大的提高，机器人适应管道内径尺寸变化率的范围达±10％，可以良好地适应管道因制造误差、受载变形等原因所引起的内壁形状和尺寸的变化，具有良好的自适应性。
3、本发明从总体的结构来看，采用轴对称的结构设计，使机器人具有稳固的结构和良好的稳定性。同时由于机器人这样的对称结构，可以使机器人的所有腿轮，在直管道中都能与管道内壁接触，从而机器人可成功在竖直管道内爬行，具有较强的竖直攀爬能力。
4、本发明在结构设计上，专门针对现实管道中常用的直角弯头，通过精确的计算，设计出机器人各零部件合理的尺寸，使得机器人可以顺利地通过管道的直角弯头，实现了大曲率的转弯，可以在复杂多弯的管道内部顺利行走，对弯曲复杂管道的适应能力大大增强，具有大曲率转弯能力。
5、本发明的动力电源与控制电路均可以外置于管外控制平台，管内机器人通过电缆与管外控制平台连接，既减轻了机器人自身的重量，又增强了机器人操作的可靠性，大大提高了机器人系统的稳定性，提高了机器人的工作效率，具有良好的综合可靠性和稳定性。
6、本发明驱动轮的滚轮容易拆换，备有不同种类可适用在不同环境管道中的轮胎，使机器人可适用于不同材料和不同环境中的管道，扩大了机器人的适用范围，且拆装十分方便。
7、本发明将两节机身通过连接软轴连接在一起，位于前部的机身对后部的机身产生拉力，同时位于后部的机身对前部的机身产生推力，尤其是在过管道的转弯处时，大大增强了过弯能力。
附图说明
图1是本发明的单节机身结构示意图。
图2是本发明的整体机身结构示意图。
图3是本发明的驱动轮部分的结构示意图。
图4是滚轮部分传动示意图。
图5是控制电路的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，本发明包括机身1；机身1的外周沿圆周方向均布至少三组驱动装置2，每组驱动装置2由四根第一连杆21、四根第二连杆22、一根滑动轴23、两个滑块24、一个固定件25、两根压力弹簧26、两根复位弹簧27、四个滚轮28所组成，滑动轴23设置在机身1的外周，滑动轴23的两端分别与机身1连接，固定件25焊接在滑动轴23的中部，两个滑块24分别套置在固定件25两侧的滑动轴23上；两根压力弹簧26分别套置在固定件25与滑块24之间的滑动轴23的外周，两根复位弹簧27分别套置在固定件25外侧的滑动轴23的外周；每根第一连杆21的两端分别连接滑块24、滚轮28，每根第二连杆22的两端分别与滑动轴23端部、第一连杆21连接；每组机身1上设置动力控制装置3。
如图2所示，比较好的是：本发明包括两组机身1，两组机身1通过连接软轴4相互连接。
比较好的是：本发明将上述设置在滑动轴23同一端的相邻两个滚轮28之间通过轮轴51连接，轮轴51上设置从动锥齿轮52，两个第一连杆21相对的一侧设置电机固定座53，电机固定座53上设置电机54，电机54的一端设置与从动锥齿轮52相啮合的主动锥齿轮55。
本发明的主要技术指标是：
适用管道：主要是通风排气类的金属和非金属圆管道。
适应管道内径尺寸变化率：±10％；
爬坡能力：0°～90°；
过弯能力：管道的90°弯头；
设计速度：水平直线4m/min，竖直爬坡3.5m/min；
净载重量：1000g；
控制方式：管外控制平台人工控制；
管内工作：检测并修补管内裂纹。
本发明考虑到运动平稳性的要求，机器人整体由两节相同结构的机身连接而成，中间连接部分是可以弹性弯曲的软轴，每一节机身前后各3组驱动轮，沿圆周方向120°均布。机器人的动力电源和控制电路安放在机身的轴线上，机器人整体结构轴对称。
如图3，本发明的电机54转动通过一对相啮合的锥齿轮55、52，带动滚轮28转动，从而推动机器人移动。电机固定在腿部两长连杆21之间。机器人每个单节机身有6个这样的腿部机构，整体两节机身共有12个这样的腿部机构，即有12个电机分别驱动12组滚轮。电机为工作电压6V的直流伺服电机。
如图4所示，本发明的腿部为一弹簧滑块连杆机构，当轮上作用有管道内壁的压力F后，滑块24在滑杆上向右滑动并压缩压力弹簧26，产生压力f，通过作用力与反作用力，腿部的滚轮紧贴管道内壁。当由外部情况的变化而引起管道内壁的压力F变小时，压力弹簧26所受压力f变小，压力弹簧26伸长，将滑块24向左顶，从而使滚轮向上抬起，并再次紧贴管道内壁。所以，滚轮可以始终紧贴管道内壁，从而保证机器人移动所需的摩擦力。
本发明的滚轮能够往复运动，机器人就可以自适应管道的少量变形，可适应的内径尺寸的变化范围达到±10％。机器人每个单节由六组腿轮组成，各组之间的运动是相互独立的，因此机器人在转弯等各轮受力不等的情况下，腿与腿之间不相互影响，机器人能保持自身整体的平稳性。两节机身之间相互牵连，大大加强了整体运动以及转弯时的平稳性。在遇到管道内壁附着的小障碍物时，机器人也能越过该障碍物继续前进，从而又具有一定的越障能力。
本发明的动力控制装置采用管外控制平台，通过电缆，将管内机器人与管外控制平台连接起来，管外控制平台既可以操作管内机器人的进、退、停，又可以根据机器人头部摄像头所拍摄并同步传输出来的图像，检测到管道内壁的裂纹，从而操作喷涂装置，对管道裂纹实施喷涂式修补。喷涂装置的微型压力储漆罐可由机器人自身携带进管道内部，大的压力储漆罐可与控制平台一同外置并通过管路连接到管内机器人，喷头由机器人携带，装在机器人头部的控制电机上。操纵控制电机，喷头可做360°旋转，即可旋转喷涂管壁圆周的任何部位。
机器人的动力电源选用直流6V电源，驱动电机选用6V直流伺服电机，每个单节机器人的电机并联在电源两极。
如图5所示，图中M为驱动电机组，S1为驱动电路开关，U1为驱动电源，Mc为喷头控制电机，S2为喷头电机控制开关，U2为喷头控制电源，A为喷头，V为电磁阀，B为液压泵，T为储液罐。左侧电路为轮腿驱动控制电路，通过开关S1不同的闭合方向实现驱动电机的正反转，进而实现机器人的前进与后退；中间电路为带动喷头转动的控制电路，通过电机的正反转改变喷头的姿态，电机正反转的原理与左侧电路相同；右侧电路为液压控制电路，液压泵B将涂料从储液罐T中抽出，高压液体到达电磁阀V，再通过控制电磁阀V的开关来控制喷头A喷出涂料，喷头A的尖喷嘴可使高压液体涂料以雾状喷出，实现对管道破损处裂纹的修补。
机器人在管道内部的工作是检测管道内部的裂纹，然后对裂纹进行喷涂式修补。机器人的头部装有三个摄像头，按120°角度均布，用来拍摄管道内部状况，并检测管道内壁有无裂纹，拍摄的图像通过电缆同步传输到管外控制平台的计算机上，人工识别到裂纹，操纵机器人到达指定位置，暂停前进，喷头控制电机带动喷头转动，喷头在裂纹区域的管壁上喷涂修补油漆，从而达到修补裂纹的效果。机器人携带光源，以适应黑暗环境作业。
Claims (3)
1、一种自适应管道机器人，其特征在于：包括机身(1)；机身(1)的外周沿圆周方向均布至少三组驱动装置，每组驱动装置包括四根第一连杆(21)、四根第二连杆(22)、一根滑动轴(23)、两个滑块(24)、一个固定件(25)、两根压力弹簧(26)、两根复位弹簧(27)、四个滚轮(28)，滑动轴(23)设置在机身(1)的外周，滑动轴(23)的两端分别与机身(1)连接，固定件(25)焊接在滑动轴(23)的中部，两个滑块(24)分别套置在固定件(25)两侧的滑动轴(23)上；两根压力弹簧(26)分别套置在固定件(25)与滑块(24)之间的滑动轴(23)的外周，两根复位弹簧(27)分别套置在固定件(25)外侧的滑动轴(23)的外周；每根第一连杆(21)的两端分别连接滑块(24)、滚轮(28)，每根第二连杆(22)的两端分别与滑动轴(23)端部、第一连杆(21)连接；机身(1)上设置动力控制装置(3)。
2、根据权利要求1所述的自适应管道机器人，其特征在于：包括两组机身(1)，两组机身(1)之间通过连接软轴(4)相互连接。
3、根据权利要求1所述的自适应管道机器人，其特征在于：上述设置在滑动轴(23)同一端的相邻两个滚轮(28)之间通过轮轴(51)连接，轮轴(51)上设置从动锥齿轮(52)，两个第一连杆(21)相对的一侧设置电机固定座(53)，电机固定座(53)上设置电机(54)，电机(54)的一端设置与从动锥齿轮(52)相啮合的主动锥齿轮(55)。
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