CN101749520B - 一种螺旋式管道移动机构 - Google Patents

Abstract

一种螺旋式管道移动机构，属于管道机器人工程技术领域。包括前进驱动机构、后退驱动机构、支撑机构、传动机构、联动机构及锁紧机构，前进驱动机构通过第一传动机构与后退驱动机构连接，并通过第二传动机构与支撑机构内的电动机相连接，在前进驱动机构与第一传动机构间安装有联动机构及锁紧机构，在所述后退驱动机构上连接有摩擦力调节机构。本发明适应性强。依靠机械部分自动调整移动方向，以防止被障碍物卡死在管道中。通过联动机构实现驱动臂同步运动，由于其带有锁紧机构，当前进驱动臂遇到障碍向管道中心收缩时，锁紧机构限制了前进驱动臂的转动，此时动力输出转换路径，后退驱动臂旋转并产生向后的驱动力，这时机器人向相反的方向移动。

Description

一种螺旋式管道移动机构

技术领域

本发明属于管道机器人工程技术领域，特别是涉及一种在管道内探查作业的螺旋式管道移动机构。

背景技术

随着经济和社会的发展，管道作为主要的流体(天然气、石油、水等)输送工具因其便捷性和经济性得到了广泛的应用。但是随着使用年限的增加，管道不可避免的会出现老化，腐蚀或者受到外来施工的破坏。如果不及时处理，一旦发生事故不但给国家带来巨大的经济损失，对环境也会造成严重的污染。因此对管道进行经常性的勘察和维护就显得非常必要。管道探查机器人就是一种检查管道的有效设备。目前，用于管道探查机器人的管内行走机构的运动形式主要有轮式、履带式、弹力支撑式、腿式、尺蠖式、螺旋式等等，主要靠电控系统来实现管道环境的适应，移动机构的管道环境适应性不足。在文献M.Horodinca，L.Doroftei，E.Mignon，A.Preumont.“A simplearchitecture for in-pipe inspection robots”中提到的基于螺旋驱动原理的管道内移动机器人由定子、转子、支撑臂、驱动臂和螺旋轮组成。定子上装有电机，电机输出轴与转子相连，电机带动转子旋转。转子上的螺旋轮能够绕着自身的轴线旋转，转子旋转时螺旋轮也旋转，机器人就可以向前运动。该机构虽然可以实现管道内的前后运动，但当管内有异物或有障碍时，机器人往往不能越过障碍。如果没有特殊的保护很容易就卡死在管道中间；又由于该种移动机构自带电源，与外界无物理上的联接，当机器人卡在管道中间时，给救援工作带来了困难。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种螺旋式管道移动机构。它是靠机械机构本身来调节机器人本体的前进方向和后退方向，不需要其它的电控操作。

本发明的技术方案是：

本发明包括前进驱动机构、后退驱动机构、支撑机构、传动机构、联动机构及锁紧机构，前进驱动机构通过第一传动机构与后退驱动机构连接，并通过第二传动机构与支撑机构内的电动机相连接，在前进驱动机构与第一传动机构间安装有联动机构及锁紧机构，在所述后退驱动机构上连接有摩擦力调节机构。

所述的联动机构包括安装于前进驱动机构前进驱动臂的导向套筒、连接杆、安装于第一传动机构传动轴端部的上转盘、下转盘及第一弹簧，上、下转盘沿圆周相同位置均开有V型槽，且上、下转盘的V型槽开口方向相反，连接杆为T型结构，中间端通过导向套筒、第一弹簧与前进驱动臂连接，另两端分别安装于上、下转盘的V型槽中，并可沿V型槽的侧壁滑动。

所述的导向套筒为带有圆管的圆盘，圆管中心孔为锁销孔。所述的锁销孔截面为方形。所述的连接杆中间端为与导向套筒的圆管锁销孔相配合的形状。

所述的锁紧机构为滑盘、连接杆及第二弹簧，上、下转盘间安装有第二弹簧，滑盘置于上转盘的上方，固定在第一传动机构传动轴上，沿滑盘圆周对应上、下转盘的V型槽及连接杆的位置开有与连接杆相配合的卡槽。

所述的摩擦力调节机构包括摩擦片、弹簧及调整螺钉，弹簧安装在摩擦片带有至少两个支杆，第三弹簧安装在摩擦片的支杆上并与调整螺钉接触，第三弹簧及调整螺钉均置于后退驱动机构的后轮框内内，摩擦片的另一表面与支撑机构相接触。

本发明的优点是适应性强。由于其结构由前进驱动机构、后退驱动机构、支撑机构组成，当管道中的障碍物超过机器人越障能力时，该移动机构可以依靠机械部分自动调整移动方向，以防止被障碍物卡死在管道中，这个过程不需要外界控制。由于其带有联动机构，当其中一个前进驱动臂遇到障碍物而向中心收缩时，通过联动机构联动，其余的前进驱动臂也将向中心收缩，实现驱动臂同步运动。由于其带有锁紧机构，当前进驱动臂遇到障碍向管道中心收缩时，锁紧机构限制了前进驱动臂的转动，此时动力输出转换路径，后退驱动臂旋转并产生向后的驱动力，这时机器人向相反的方向移动。

附图说明

图1为本发明外形平面结构示意图。

图2为本发明结构外形示意图。

图3为图2的内部结构示意图。

图4为图3的平面结构示意图。

图5为本发明第一传动机构示意图。

图6为本发明的联动机构示意图。

图7为图6中连接杆和套筒配合结构示意图。

图8为本发明摩擦力调节机构局部剖视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：如图1～图4、图8所示，本发明包括前进驱动机构1、后退驱动机构2、支撑机构3、传动机构、联动机构及锁紧机构，前进驱动机构1通过第一传动机构与后退驱动机构2连接，并通过第二传动机构与支撑机构3内的电动机4连接，在前进驱动机构1与第一传动机构间还安装有锁紧机构及联动机构，在所述后退驱动机构2上连接有摩擦力调节机构。

如图1、图3所示，其中所述的前进驱动机构1包括前轮框8、沿其圆周均布的三个前进驱动臂7，每个前进驱动臂上安装1个被动滚轮35、所述被动滚轮35的滚动轴线与管道截面成0～45度角度。所述的后退驱动机构2包括后轮框9、沿其圆周均布的三个后退驱动臂6、每个后退驱动臂6端部安装1个被动滚轮35，所述被动滚轮35的滚动轴线与管道截面成0～45度角度。所述的支撑机构3包括沿其外壳上均布的三个支撑臂5，每个支撑臂5上安装1个支撑轮36，所述支撑轮36的滚动方向与管道轴线方向平行。

如图4、图5所示，所述的第一传动机构是行星传动机构，包括传动轴19、置于前轮框8内轴承托架28上的内齿轮21、安装于传动轴19的太阳轮20及太阳轮20和内齿轮21圆周间均布的3个行星轮22、23、24。如图3所示，所述的第二传动机构是分别安装于传动轴19和电动机4上的相互啮合的第一直齿轮17和第二直齿轮18。如图5所示，所述的联动机构包括安装于前进驱动机构前进驱动臂7的导向套筒13、连接杆14、安装于第一传动机构传动轴19端部的上转盘15、下转盘16以及第一弹簧10，如图7所示，导向套筒13为带有圆筒的圆盘，圆筒中心孔为方形孔；连接杆14为T型结构，其中间端为方形，与导向套筒13的圆筒方形孔固定配合，称为水平杆31，与该水平杆31垂直的为竖直杆29，连接杆14通过导向套筒13、第一弹簧10与前进驱动臂7连接。上、下转盘沿圆周相同位置均开有V型槽38，且上、下转盘的V型槽开口方向相反，连接杆14的竖直杆29两端分别安装于上、下转盘的V型槽中，并可沿V型槽的侧壁滑动。导向套筒13的中心方形孔与连接杆14的水平杆31固定连接，使连接杆14不能够绕导向套筒13的轴心旋转，这样连接杆14的竖直杆29两端能够保持与上下转盘之间的垂直。如图3所示，所述的锁紧机构包括滑盘11、连接杆14以及第二弹簧12，上、下转盘间安装有第二弹簧12，滑盘11置于上转盘15的上方，固定在第一传动机构传动轴19上，沿滑盘11圆周对应上、下转盘的V型槽38及连接杆14的位置开有与连接杆14相配合的卡槽30。传动轴19顶端滑盘11的上方固定有挡片27，用于将传动轴19安装在前轮框8上。锁紧工作时，在第二弹簧12的作用下，由于上下转盘的V型槽38的形状完全相同，开口方向相反。这样在导向套筒13、上下转盘的作用下，连接杆14受到一个沿转盘中心的法线方向向外的力。当三个连接杆14不同步时，靠近中心的连接杆14所受外力较大使其向外运动，直到三个连接杆14上所受外力相同，三个连接杆14运动同步。当三个连接杆14克服作用在其上的外力向中心运动到一定距离上，三个连接杆14的竖直杆29端沿上、下转盘的V型槽389滑动，同时进入到滑盘11的卡槽30中，而卡槽30固定在传动轴19上不能转动，所以三个连接杆14达到同步锁定的作用。连接杆14靠近传动轴19的竖直杆29端具有锁紧、联动功能，水平杆31端穿过导向套筒13及第一弹簧10与前进驱动臂7相连接，连接杆14、导向套筒13具有导向功能。如图8、图4所示，所述的摩擦力调节机构包括摩擦片25、第三弹簧33及调整螺钉34，摩擦片25带有3个支杆32，第三弹簧33分别安装在摩擦片25的支杆32上并与调整螺钉34接触，第三弹簧33及调整螺钉34均置于后退驱动机构6后轮框9内，而摩擦片25另一表面与支撑机构3相接触。调整螺钉34通过第三弹簧33压紧或松开摩擦片25来调节第三弹簧33与支撑机构3之间的正压力从而调整摩擦力的大小。

本发明的工作过程：如图4～图8所示，驱动电机4通过减速器37带动第一直齿轮18转动，第一直齿轮18带动与之啮合的第二直齿轮17转动。第二直齿轮17与传动轴19相连，传动轴19旋转时带动太阳轮20旋转进而带动第一行星轮22、第二行星轮23、第三行星轮24旋转，行星轮转动时带动与之相连的内齿轮21旋转。前轮框8旋转时带动前进驱动臂7随之旋转，因此机器人向前运动；如果转动方向相反，机器人则向后运动。

如图3、5所示，当机器人前进过程中遇到障碍物时，前进驱动臂7的运动受到了阻碍而速度下降，又由于障碍物的作用，前进驱动臂7将向管道中心收缩，此时前进驱动臂7通过连接杆14带动上转盘15、下转盘16旋转，由于上、下旋转盘与3个前进驱动臂7通过V型槽连接，所以其它的前进驱动臂7也将向中心收缩。这样只要其中一个前进驱动臂7向中心收缩，其它的前进驱动臂7也将收缩。如图3所示，由于滑盘11与传动轴19相连并固定，当前进驱动臂7继续向中心收缩，接触到滑盘11的边缘处，此时为边界条件。前进驱动臂7继续向中心收缩则会进入到滑盘11上的卡槽30中这样前进驱动机构1就固连到了支撑机构3上，因此前进驱动臂7不再旋转。此时动力输出转换路径，具体为驱动电机4带动第一直齿轮18和第二直齿轮17转动，然后第二直齿轮17通过传动轴19带动太阳轮20和行星轮旋转，3个行星轮转轴均与后轮框9相连，行星轮旋转克服后轮框9与支撑机构3之间的摩擦片25的摩擦力带动后轮框9旋转，后轮框9带动后驱动臂6旋转，后驱动臂6旋转并产生向后的驱动力，这时机器人向相反方向移动。

实施例2：本例移动机构与实施例1结构相同，不同的是：前进驱动机构1中前进驱动臂7沿前轮框8圆周均布4个，每个前进驱动臂7上的被动滚轮35为1个；后退驱动机构2中后退驱动臂6沿后轮框9圆周均布5个，每个后退驱动臂6的被动滚轮35为2个；支撑机构3中支撑臂5沿支撑机构外框圆周均布6个，每个支撑臂5的支撑轮36为2个。

实施例3：本例移动机构与实施例1结构相同，不同的是：前进驱动机构1中前进驱动臂7沿前轮框8圆周均布6个，每个前进驱动臂7上的被动滚轮35为2个；后驱动机构2中后退驱动臂6沿后轮框9圆周均布6个，每个后退驱动臂6的被动滚轮35为2个；支撑机构3中支撑臂5沿支撑机构外框圆周均布6个，每个支撑臂5的支撑轮36为4个。

实施例4：本例移动机构与实施例1结构相同，不同的是：前进驱动机构1中前进驱动臂7沿前轮框8圆周均布8个，每个前进驱动臂7上的被动滚轮35为2个；后驱动机构2中后退驱动臂6沿后轮框9圆周均布4个，每个后退驱动臂6的被动滚轮35为1个；支撑机构3中支撑臂5沿支撑机构外框圆周均布5个，每个支撑臂5的支撑轮36为4个。

本发明中的前进驱动臂7、后退驱动臂8、支撑臂5的数量至少为3个，沿圆周均布，可以根据管道直径增加其个数；其前进或后退驱动臂上的被动轮至少为1个，为保持更好的平衡，2个被动轮效果最好；每个支撑臂5上的支撑轮至少为1个，4个时支撑效果最好。其中连接杆14和导向套筒13的数量均与前进驱动臂7数量相同。前进驱动臂7数量增加时，连接杆14和导向套筒13的数量也相应的增加到相同数值。摩擦力调节机构中安装在摩擦片25的第三弹簧33至少带有两个支杆。

Claims (4)

1.一种螺旋式管道移动机构，包括前进驱动机构、后退驱动机构、支撑机构、传动机构、联动机构及锁紧机构，前进驱动机构通过第一传动机构与后退驱动机构连接，并通过第二传动机构与支撑机构内的电动机相连接，在前进驱动机构与第一传动机构间安装有联动机构及锁紧机构，其特征在于：在所述后退驱动机构上连接有摩擦力调节机构；

所述的联动机构包括安装于前进驱动机构前进驱动臂的导向套筒、连接杆、安装于第一传动机构传动轴端部的上转盘、下转盘及第一弹簧，上、下转盘沿圆周相同位置均开有V型槽，且上、下转盘的V型槽开口方向相反，连接杆为T型结构，中间端通过导向套筒、第一弹簧与前进驱动臂连接，另两端分别安装于上、下转盘的V型槽中，并可沿V型槽的侧壁滑动;

所述的锁紧机构包括滑盘、所述连接杆及第二弹簧，上、下转盘间安装有第二弹簧，滑盘置于上转盘的上方，固定在第一传动机构传动轴上，沿滑盘圆周对应上、下转盘的V型槽及连接杆的位置开有与连接杆相配合的卡槽；

所述的摩擦力调节机构包括摩擦片、第三弹簧及调整螺钉，摩擦片的一表面带有至少两个支杆，第三弹簧安装在摩擦片的支杆上并与调整螺钉接触，第三弹簧及调整螺钉均置于后退驱动机构的后轮框内，摩擦片的另一表面与支撑机构相接触。

2.按照权利要求1所述螺旋式管道移动机构，其特征在于：所述的导向套筒为带有圆管的圆盘，圆管中心孔为锁销孔。

3.按照权利要求2所述螺旋式管道移动机构，其特征在于：所述的锁销孔截面为方形。

4.按照权利要求1所述螺旋式管道移动机构，其特征在于：所述的连接杆中间端为与导向套筒的圆管锁销孔相配合的形状。 

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