CN101430037B - 凸轮式管道机器人运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮式管道机器人运动机构，包括圆筒支架，所述圆筒支架上安装有沿圆周方向等间距布置的三组平行四边形四杆机构和驱动三组平行四边形四杆机构展开或收拢的驱动机构，各平行四边形四杆机构包括两件摇杆和连接于两件摇杆之间的连接杆，两件摇杆分别与圆筒支架铰接，其中一摇杆与驱动机构相连，各连接杆中部均装设有凸轮机构，所述凸轮机构包括凸轮、销轴和套设于销轴上的扭簧，凸轮通过销轴铰接于连接杆中部，扭簧一端与连接杆固定连接，另一端与凸轮固定连接，所述凸轮在扭簧的预紧力作用下，保持伸出连接杆以外。该装置利用凸轮的自锁提高牵引能力、利用平行四边形四杆机构的变形提高对管径变化的适应能力。

Description

凸轮式管道机器人运动机构

技术领域

本发明涉及蠕动式管道机器人，尤其涉及凸轮式管道机器人运动机构。

背景技术

在微管道内作业存在着很大的困难和危险，微小型管道机器人为之提供了一种有效的技术途径。目前，微小型管道机器人主要应用于核电站、热电站、化工、制冷等行业存在的众多细小管道以及各种复杂动力系统管道的检测。众多国家对微小型管道机器人的发展都非常重视，纷纷投入资金和时间对该类机器人技术展开了研究，并且已取得了一定研究成果。日本DENSO CORP公司的研究实验室开发了一种叠层压电执行器微机器人，该机器人由四部分组成：60um厚的薄板金属基体、两个涡流传感器检测管壁缺陷、运动机构(运动机构包括三个U形弹簧夹紧单元弹性贴紧管壁、一个叠层压电执行器和一个质量块)和散热片，机器人直径仅为5.5mm，适用于8mm管径的直管或弯管，移动速度10mm/s。上海大学精密机械研究所对两种压电执行器机器人进行了研究，其中叠层压电执行器机器人可适于10mm管径水平或竖直管道管内作业，前进速度2.19mm/s，后退速度2.48mm/s，尺寸为9.8×22mm，具有0～90度的爬坡能力；双压电晶片执行器机器人，适于20mm管径水平、竖直或弯曲管道内检测，竖直管内上下速度分别为4～6mm/s，17～22mm/s。

管道机器人行走装置是应用于管道机器人中的行走动力部分，目前管道机器人的行进方式主要有轮式直进、轮式螺旋推进和蠕动式，无论采用其中任何一种方式，管道机器人的牵引力都是由行走机构与管道壁之间的摩擦力提供的，于是欲提高牵引力必须相应地增大摩擦力，但是在实际应用中却希望能获得较大的牵引力的同时拥有较小的摩擦力，这是微小型管道机器人领域需要解决的一个矛盾。另外一个矛盾是管道机器人自身直径大小与其所能适应的管径变化范围的大小之间的矛盾，现有的具有较好管径变化适应性的管道机器人其自身直径都在50mm以上，很难适应较小的管径和曲率较大的弯管。同时，微小型管道机器人(直径小于20mm)的管径变化适应性却很差，在自身外径附近只能有一很小的变化范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种利用凸轮的自锁提高牵引能力、利用平行四边形四杆机构的变形提高对大范围管径变化管道的适应能力的凸轮式管道机器人运动机构。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种凸轮式管道机器人运动机构，包括圆筒支架，所述圆筒支架上安装有沿圆周方向等间距布置的三组平行四边形四杆机构和驱动三组平行四边形四杆机构展开或收拢的驱动机构，各平行四边形四杆机构包括两件摇杆和连接于两件摇杆之间的连接杆，两件摇杆分别与圆筒支架铰接，其中一摇杆与驱动机构相连，各连接杆中部均装设有凸轮机构，所述凸轮机构包括凸轮、销轴和套设于销轴上的扭簧，凸轮通过销轴铰接于连接杆中部，扭簧一端与连接杆固定连接，另一端与凸轮固定连接，所述凸轮在扭簧的预紧力作用下，保持伸出连接杆以外。

所述驱动机构包括驱动电机、丝杠螺母、滚珠丝杠和三件驱动连杆，所述驱动电机固定于圆筒支架上，所述滚珠丝杠与圆筒支架同轴心设置，且其一端与驱动电机的输出端相连，所述丝杠螺母套装于滚珠丝杠上，各驱动连杆一端与平行四边形四杆机构中的一件摇杆铰接，另一端与丝杠螺母铰接。

所述滚珠丝杠与丝杠螺母反向自锁配合。

所述连接杆与圆筒支架的中心轴线平行，圆筒支架上设有用于容置处于收拢状态的平行四边形四杆机构的三个容置槽，三个容置槽沿圆周方向等间距布置，各平行四边形四杆机构的摇杆铰接于容置槽内。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、凸轮机构利用单向运动机构受到正向推力时前进，受到反向拉力时锁紧管道内壁的力学特性使得管道机器人牵引力的大小可不受摩擦力的影响，可在大负载的情况下仍能保持高速前进。使管道机器人的牵引力可从原理上突破摩擦力的限制，满足管道机器人大牵引力需求。使得管道机器人在快速前进的同时可以提供较大的牵引力，解决了牵引力与摩擦力之间的矛盾。

2、平行四边形四杆机构与凸轮机构的组合使用使得管道机器人具备了在大范围变管径管道内作业的能力，通过驱动机构驱动四杆机构运动，使得管道机器人所能适应的管径变化范围达到摇杆的臂长，很大程度上改善了管道机器人对管径变化的适应性，从根本上解决了管道机器人管道适应能力差的缺陷，使得管道机器人主动适应大范围管径变化的能力大大增强。

3、丝杠螺母沿滚珠丝杠的正向运动(即远离驱动电机的方向)可使凸轮与管道内壁产生接触，但是，当凸轮与管道内壁进行接触并逐步锁紧时，管壁对管道机器人的作用力会使得丝杠螺母有向驱动电机方向沿管道轴线移动的趋势，通过将滚珠丝杠与丝杠螺母设为以反向自锁的方式配合，使丝杠螺母不能产生向电机方向的轴向移动，避免丝杠螺母带动凸轮机构沿管道径向的收缩，防止凸轮被迫与管壁脱离造成自锁失效。

4、连接杆与圆筒支架的中心轴线平行，圆筒支架上设有用于容置处于收拢状态的平行四边形四杆机构的容置槽，平行四边形四杆机构收拢时可以完全置于圆筒支架的容置槽内，此结构使行走装置可以最大限度的缩减径向占用空间，适于在微小型管道中工作。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的右视结构示意图；

图3是本发明的立体结构示意图；

图4是凸轮机构结构示意图；

图5是驱动机构拆除驱动连杆后的结构示意图；

图6是凸轮机构处于自锁状态下的受力分析图；

图7是凸轮机构处于滑动状态下的受力分析图。

图中各标号表示：

1、圆筒支架               2、驱动机构

3、平行四边形四杆机构     4、凸轮机构

5、内管壁                 11、容置槽

21、驱动电机              22、滚珠丝杠

23、丝杠螺母              24、驱动连杆

31、摇杆                  32、连接杆

41、凸轮                  42、扭簧

43、销轴

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明公开了一种凸轮式管道机器人运动机构，包括圆筒支架1，圆筒支架1上安装有沿圆周方向等间距布置的三组平行四边形四杆机构3和一组驱动平行四边形四杆机构3展开或收拢的驱动机构2，圆筒支架1上设有用于容置处于收拢状态的平行四边形四杆机构3的容置槽11，各平行四边形四杆机构3包括两件摇杆31和连接于两件摇杆31之间的连接杆32，两件摇杆31分别与圆筒支架1铰接，连接杆32与圆筒支架1的中心轴线平行，各连接杆32中部均装设有凸轮机构4，凸轮机构4包括凸轮41、销轴43和套设于销轴43上的扭簧42，凸轮41通过销轴43铰接于连接杆32中部，扭簧42一端通过螺钉与连接杆32固定连接，另一端通过螺钉与凸轮41固定连接，扭簧42给凸轮41一个预紧力，凸轮41在没有与内管壁5接触前保持伸出连接杆32以外的量最大，使凸轮41与内管壁5接触式时能够提供足够的正压力，确保自锁的发生而不至产生滑动。驱动机构2包括驱动电机21、丝杠螺母23、滚珠丝杠22和三件驱动连杆24，驱动电机21固定于圆筒支架1上，滚珠丝杠22与圆筒支架1同轴心设置，且其一端与驱动电机21的输出端相连，丝杠螺母23套装于滚珠丝杠22上，并且滚珠丝杠22与丝杠螺母23反向自锁配合，可以防止凸轮机构的自锁功能失效，各驱动连杆24一端与平行四边形四杆机构3中的一件摇杆31铰接，另一端与丝杠螺母23铰接。驱动电机21开启，丝杠螺母23在滚珠丝杠22上平动，由丝杠螺母23带着三件驱动连杆24驱动三组平行四边形四杆机构3作展开或收拢运动，并且平行四边形四杆机构3收拢时可以完全置于圆筒支架1的容置槽11内，此结构使行走装置可以最大限度的缩减径向占用空间，适于在微小型管道中工作，通过驱动机构驱动四杆机构3运动，使得管道机器人所能适应的管径变化范围达到摇杆31的臂长，使管道机器人具备了在大范围变管径管道内作业的能力，很大程度上改善了管道机器人对管径变化的适应性，从根本上解决了管道机器人管道适应能力差的缺陷，使得管道机器人主动适应大范围管径变化的能力大大增强。

工作原理：管道机器人中的伸缩单元将对凸轮式管道机器人运动机构施加一个沿管道轴向的轴向牵引力，当凸轮机构4通过平形四边形四杆机构3的运动与内管壁5产生接触后，由于轴向牵引力的存在会使凸轮41与管道的内管壁5之间产生摩擦力。此时，根据管道机器人的进行方向不同，将会有如图6和图7所示的两种情况发生。图6和图7中，A点为凸轮41与内管壁5的接触点，B点为凸轮41与圆筒支架1的铰接点，f表示摩擦力，F表示内管壁5作用在凸轮41上的支撑力，F1、F2表示正压力，w为扭簧42对凸轮41的旋转力矩，角b为压力角，角a为旋转角，g为A点与B点之间的横向距离，h为A点与B点之间的纵向距离。当管道机器人沿图6中箭头C所示方向运动时，w+fh＞Fg，旋转角a有减小趋势，A点与B点之间的纵向距离h有增大趋势，压力角b保持不变，凸轮41实现自锁，使轴向牵引力可以达到足够大，大幅提高管道机器人牵引负载的能力。当管道机器人沿图7中箭头D所示方向运动时，w＜Fg+fh，旋转角a有增大趋势，A点与B点之间的纵向距离h有减小趋势，压力角b保持不变，凸轮41将沿内管壁5发生滑动，使得凸轮式管道机器人运动机构移动行走时的摩擦力大大减小，从而实现了快速行进。凸轮机构4利用单向运动机构受到正向推力时前进，受到反向拉力时锁紧管道内壁的力学特性，使管道机器人的牵引力可从原理上突破摩擦力的限制，可在大负载的情况下仍能保持高速前进，满足管道机器人大牵引力需求。使得管道机器人在快速前进的同时可以提供较大的牵引力，解决了牵引力与摩擦力之间的矛盾。

Claims (4)

1.一种凸轮式管道机器人运动机构，包括圆筒支架(1)，其特征在于所述圆筒支架(1)上安装有沿圆周方向等间距布置的三组平行四边形四杆机构(3)和驱动三组平行四边形四杆机构(3)展开或收拢的驱动机构(2)，各平行四边形四杆机构(3)包括两件摇杆(31)和连接于两件摇杆(31)之间的连接杆(32)，两件摇杆(31)分别与圆筒支架(1)铰接，其中一摇杆(31)与驱动机构(2)相连，各连接杆(32)中部均装设有凸轮机构(4)，所述凸轮机构(4)包括凸轮(41)、销轴(43)和套设于销轴(43)上的扭簧(42)，凸轮(41)通过销轴(43)铰接于连接杆(32)中部，扭簧(42)一端与连接杆(32)固定连接，另一端与凸轮(41)固定连接，所述凸轮(41)在扭簧(42)的预紧力作用下，保持伸出连接杆(32)以外。

2.根据权利要求1所述的凸轮式管道机器人运动机构，其特征在于：所述驱动机构(2)包括驱动电机(21)、滚珠丝杠(22)、丝杠螺母(23)和三件驱动连杆(24)，所述驱动电机

(21)固定于圆筒支架(1)上，所述滚珠丝杠(22)与圆筒支架(1)同轴设置，且其一端与驱动电机(21)的输出端相连，所述丝杠螺母(23)套装于滚珠丝杠(22)上，各驱动连杆(24)一端与平行四边形四杆机构(3)中的一件摇杆(31)铰接，另一端与丝杠螺母(23)铰接。

3.根据权利要求2所述的凸轮式管道机器人运动机构，其特征在于：所述丝杠螺母(23)沿滚珠丝杠(22)的正向运动使凸轮(41)与管道内壁产生接触，所述滚珠丝杠(22)与丝杠螺母(23)反向实现自锁配合。

4.根据权利要求1或2或3所述的凸轮式管道机器人运动机构，其特征在于：所述连接杆(32)与圆筒支架(1)的中心轴线平行，圆筒支架(1)上设有三个用于容置处于收拢状态的平行四边形四杆机构(3)的容置槽(11)，三个容置槽(11)沿圆周方向等间距布置，各平行四边形四杆机构(3)的摇杆(31)铰接于容置槽(11)内。

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