CN102267500B - 驱动单元以及具有这样的驱动单元的推进装置 - Google Patents

Abstract

一种用于能以自动机械的方式用在管道系统、腔孔等中的推进装置的驱动单元，其包括至少一个环状外轮(11)以及至少一个旁轴的受驱磁性轮(12)，它们彼此之间偏心地布置并彼此接合，从而使得当磁性轮(12)相对于外轮(11)旋转时，磁性轮(12)利用其轮轴线描绘出位于外轮(11)内的同心圆。通过这样的驱动单元尤其允许更强的磁性附着，其中，外轮(11)和磁性轮(12)在轴向方向上接连布置，并且，外轮(11)与磁性轮(12)之间的接合通过圆形的同心的盘(13)实现，该盘(13)抗扭地连接在磁性轮(12)上，并利用其外圆周面(14)在外轮(11)的内圆周面(16)上滚动。

Description

驱动单元以及具有这样的驱动单元的推进装置

技术领域

本发明涉及自动机械技术(Robotertechnik)的领域。其涉及根据权利要求1的前序部分的驱动单元。本发明还涉及具有这样的驱动单元的推进装置(Fahrzeug)。

背景技术

过去，关于怎样可能在推进装置中使用简单的被动式机构以确保该推进装置可自动地越过拐角(或者一般而言，凹形结构的障碍物)构造了很多方案，该推进装置被用作用于在管道系统或其它腔孔中检查或维修的自动机械。这些方案的其中一种是从出版物JP7246931A已知的，该方案可被指定为“轮中的轮”。这种已知方案的原理可借助于图1来说明：已知的驱动单元36包括环状的外轮37作为基本元件，具有小得多的外径的磁性轮38可在该外轮37的内圆周面上滚动。在这种情况下，滚动操作通过啮合装置(未示出)而设置，从而使其不打滑地行进。磁性轮38通过未在该图中示出的一装置驱动。当推进装置移动时，外轮37在下垫面上(推进装置在该下垫面上运动)滚动。

如图1中所示，当形式为边缘或台阶39的障碍物位于安装有驱动单元36的推进装置的运动路径中时，外轮37的滚动运动停止-如图1b中所示的那样。静止的外轮37在边缘39的区域中形成一种弯曲的斜坡，受驱磁性轮38可在其上向上滚动(图1c)。在这样的方式下，磁性轮38越来越远离位于边缘39之前的磁性吸引区，并冲到位于边缘39之后的磁性吸引区。这具有外轮37可越过边缘39而滚得更远这样的效果。在这样的方式下，通过“轮中的轮”机构容易越过障碍物。

然而，这种已知的方案具有各种各样的缺点：如可在图1a中图解地看出的那样，对于磁性轮38与下垫面之间的磁通密度而言，存在两个线性接触LC1和LC2，其大大减弱常规滚动运动期间的磁力。

在出版物JP7246931A中所阐明的构造中，一对彼此分开较远放置的磁性轮38通过布置在它们之间的长磁体而被供有磁力。一方面，这减小了磁性轮38上的磁力。另一方面，通过布置在这两个磁性轮38之间的磁体形成的刚性联接，就防止可通过这两个磁性轮38的旋转速率上的差别而操控推进装置的可能性。

如果要将一对磁性轮一起移动得更靠近以形成带有更高磁力的紧凑的驱动轮，必须将外轮设计得在两个磁性轮之间的区域中无磁性，从而防止这两个磁性轮之间的磁短路。然而，这在生产技术方面是要求非常高的，尤其是当所涉及的轮必须小时。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于，为能以自动机械的方式用在管道系统、腔孔等中的推进装置提供磁性作用的驱动单元，其避免了已知驱动单元的缺点，并且特别地，设计简单并能灵活地使用，本发明还涉及指定具有这样的驱动单元的推进装置。

该目的通过权利要求1和权利要求11的全部特征实现。

对于该创新的驱动单元重要的是，外轮和磁性轮在轴向方向上接连布置，并且外轮与磁性轮之间的接合通过圆形的同心的盘实现，该盘抗扭地连接在磁性轮上，并且利用其外圆周面在外轮的内圆周面上滚动。外轮和磁性轮在轴向方向上彼此拉开带来一些优点。一个特别的优点在于，磁性轮与下垫面处于直接接触并在下垫面上滚动，从而使磁性吸引力在磁性轮的区域中最大。

根据本发明的驱动单元的一种设置的特征在于，盘与外轮之间的接合通过强制联锁(尤其是通过啮合)实现。

根据另一设置，盘与外轮之间的接合通过摩擦锁紧实现。为了增加外轮与盘之间的摩擦，可能为所涉及的表面中的一个或两个提供增强摩擦的涂层。

该创新的驱动单元的另一设置的特征在于，外轮的外径大于磁性轮的外径。在这种情况下，外轮的外径只需要略微大一点点。

另一设置的区别在于，外轮的外径与内径之间的差小于或等于磁性轮的外径与盘的外径之间的差。因此，就确保了磁性轮在常规滚动过程期间总是与下垫面处于接触。

另一设置的区别在于，外轮的外径与内径之间的差除以2的平方根大于磁性轮的外径与盘的内径之间的差除以2的平方根。因此，就确保了即使在经过凹进90°的拐角时在外轮与周围环境之间仍然具有足够的摩擦锁紧，从而在磁性轮与旧的表面之间通过杠杆作用得到意想不到的力。

驱动单元的另一设置的特征在于，两个平行的同样大的受驱磁性轮设置成在轴向方向上彼此间隔开，并以抗扭的方式连接在盘上，并且在这两个磁性轮之间布置有磁体，其与这两个磁性轮一起形成磁路的一部分。

这里，盘可布置在两个磁性轮之外。从而更好地给围绕着该盘的外轮提供轴向引导。

然而，还可构思为，磁体同时作为盘而作用，并且外轮被支撑在两个磁性轮之间。

该创新的推进装置包括推进装置主体，至少一个驱动单元布置在推进装置主体上以用于运动，该驱动单元是根据本发明的驱动单元。

该创新的推进装置的一种设置的特征在于，多个驱动单元成对地布置在推进装置主体的相反两侧上。

特别地，可在推进装置主体上在沿行进方向的前部和后部各设置一对驱动单元。

根据另一设置，当所有驱动单元彼此独立地被驱动时，该推进装置是特别容易操作的。

此外，当推进装置主体在行进方向上被细分成两个以铰接方式相互连接的子单元时，并且每个子单元分配有一对驱动单元时，该推进装置具有高度的灵活性。

此外，可提供在行进方向上向前和向后突出的枢转臂，其通过驱动装置而可枢转，并且当推进装置在凸边周围行进时，枢转臂可被用来有意地将推进装置支撑在壁上。不考虑所使用的驱动单元的类型，这样的枢转臂还可有利地与其它自动推进装置一起使用。

然而，除了推进装置主体上沿行进方向设置在前部的驱动单元之外，还可能在推进装置主体上设置后轮和/或辅助轮。

附图说明

下面将结合附图借助于示例性实施例更详细地说明本发明，其中：

图1在若干子图1(a)到1(c)中显示了通过根据现有技术的驱动单元越过台阶时的不同阶段；

图2显示了根据本发明的一个示例性实施例的驱动单元的基本设计在轴向方向上的视图；

图3显示了根据本发明的另一示例性实施例的驱动单元的设计的横向于轴向方向的视图；

图4在若干子图4(a)到4(e)中显示了通过根据图2的驱动单元越过凹角时的不同阶段；

图5对于根据子图4(a)的驱动单元的操作模式显示了四个最重要的尺寸(图5(a))，以及在图5(b)和图5(c)中，显示了有效性的限制以及附着物的干扰；

图6根据本发明的一个示例性实施例显示了配备有根据图2的驱动单元的推进装置的侧视图；

图7在若干子图7a到7c中显示了通过根据图6的推进装置越过上方的凹角时的多个阶段；

图8在类似于图3的图示中显示了创新的驱动单元的另一示例性实施例；

图9显示了根据本发明的推进装置的另一示例性实施例的侧视图，该推进装置具有两对创新的驱动单元，并带有另外的枢转臂，该枢转臂可在越过凸边时起支撑作用；

图10在若干子图10a到10c中显示了通过根据图9的推进装置越过上方的凸边时的多个阶段；以及

图11显示了从根据图9的推进装置上方看的平面图，其中，推进装置主体被细分成两个以铰接方式互相连接的子单元。

项目清单

10，40，50            驱动单元

10a，10a’，10b，10b’驱动单元

11                    外轮

12                    磁性轮

12a，12b              磁性轮盘

13                    盘

14                    圆周面(盘)

15                    圆周面(磁性轮)

16                    内圆周面(外轮)

17                    磁体

18                    驱动轴

19                    轴向引导装置

20                    轴线

21，22，27            拐角(凹形的)

21a                   底面

21b                   壁

23，28，34            推进装置

24，29                推进装置主体

25            后轮

26            辅助轮

27a，27b      壁

29a，29b      子单元

30，32        枢转臂

31            接触元件

33            边缘(凸形)

33a           底面

33b           壁

35            枢转连接

36            驱动单元

37            外轮

38            磁性轮

39            台阶

41            间隙

D1，D2        直径

d1，d2        直径

具体实施方式

图2显示了根据本发明的一个示例性实施例的驱动单元的基本设计在轴向方向上的视图。图3显示了根据本发明的另一示例性实施例的驱动单元的设计的横向于轴向方向的视图。图8在类似于图3的图示中显示了创新的驱动单元的另一示例性实施例。

图2的驱动单元10包括环状外轮11，圆盘13在该环状外轮11的内圆周面16上滚动。磁性轮12抗扭地连接在盘13上，磁性轮12在轴向方向上紧挨外轮11布置，并且其外径(图5中的D1)比盘13的外径(图5中的D2)大得多。这两个外径之间的差等于或略微大于外轮11的内径(图5中的d2)与外径(图5中的d1)的差。这两项差之间的区别在图2中被夸大地显示，以用于说明的目的。

为了使盘13能利用其圆周面14在外轮11的内圆周面16上不打滑地滚动得尽可能远，或者盘13与外轮11通过啮合经强制联锁而接合，或者圆周面14、16被设计用于可靠的摩擦锁紧。为了这个目的，可能特别地为这些面设置特殊的涂层。

通过上面所述的构造，磁性轮12借助于其圆周面15与下垫面进行直接接触，从而使磁性轮12与下垫面之间的磁性附着力最佳地引入使用。磁性轮12可在其圆周面15上设有橡胶或另一种高摩擦性材料，以便增加关于下垫面的摩擦系数。为了能使驱动单元10直接越过挡道的以凹角(图4中的21)形式呈现的障碍物，外轮11的外径(图5中的d1)应当比磁性轮12的外径(图5中的D1)更大。理想地，还应当达到条件(d1-d2)/√2＞(D1-D2)/√2(参见图5(b))。

为了保持外轮11与磁性轮12之间的轴向分配，外轮11必须被轴向引导。取决于驱动单元的设计，该引导可设置得不同。对于图3的驱动单元40而言，其中磁性轮由两个在轴向方向上彼此间隔开的磁性轮盘12a和12b形成，并且，在它们之间布置有沿轴向方向定向的磁体17，盘13和外轮11位于磁性轮构造之外，该轴向引导装置的一种可能性在于采用由钢制造的外轮11，该外轮11自动地附着在相邻的磁性轮盘12a上并因此被轴向固定。另一可能性(其在图3中示出)在于，提供单独的轴向引导装置19，该轴向引导装置19限制外轮11的轴向运动。

在图8中，另一种引导装置根据其中示出的驱动单元50实现。这里，外轮11被支撑在两个磁性轮盘12a和12b之间，磁体17在这里同时承担了滚动盘13的作用。然而，磁体17受到对于盘而言有效的尺寸上的限制，并且这可导致磁力的限制。

磁性轮盘12a、12b，盘13和轴向引导装置19既与图3的驱动单元40又与图8的驱动单元50关于共同的轴线20同轴地设置。该单元可被同样同轴的驱动轴18驱动，该驱动轴18抗扭地连接在磁性轮上，并连接在未被示出的马达驱动装置上。

驱动单元10经过凹角时的运动过程在图4中示出。凹角21由水平底面21a和垂直壁21b形成。驱动单元10在底面21a上朝凹角21滚动，磁性轮12在壁上滚动。磁性轮12与壁21a之间的强磁性附着力通过宽箭头标识。

一旦驱动单元10用外轮11碰到垂直壁21b(图4b)后，盘13马上通过进一步沿外轮11的内圆周面滚动而被迫向上升高(图4c)。磁性轮12因而进一步接近垂直壁21b，因此，附着到该壁上的磁性附着力(箭头)增加。如果盘13进一步升高，其变得越来越脱离水平底面21a，结果，那里的磁性附着力变得越来越弱，直到其完全消失(图4e)。驱动单元10因此越过凹角21，并同时将运动方向转变90°。现在它可畅通无阻地在垂直壁21b上行进。

当经过位于“上方”的凹角(图5中的22)时，产生一种特殊的情形。有很多用来可靠地行进通过这样的拐角22的可能性。一种可能性(其在图5中显示)在于，将外轮11的外径d1选择成，使磁性轮12与拐角22之间的磁力在运动的各阶段足够大，以便抵抗重力而支持连接着驱动单元10的推进装置。为此，磁性轮12与壁之间的间隙41(所述间隙在图5(a)中示出)应当足够小以确保磁力仍然足够，但是磁力不应当完全消失，否则的话将不再确保该机构的有效性。图5(b)中显示了对于这种有效性消失的限制情形，其中，外轮11不再起作用。对于90°的凹角而言，这种有效性限制通过下面的几何条件实现：(d1-d2)/√2＞(D1-D2)/√2。

另一可能性在图6和图7中显示以及说明。图6中所示的推进装置23另外地配备有简单的马达驱动的后轮25，该推进装置23在推进装置主体24前部(图6中在左边)具有一对驱动单元10。此外，在推进装置主体24的后下角还设置有较小的辅助轮26。图7显示了通过来自图6的推进装置23经过位于上方的拐角27时的不同阶段。在图7a中，推进装置23在壁27a上沿垂直方向向上朝拐角27移动。当驱动单元10已经通过拐角27时，推进装置23斜着悬在后轮25和驱动单元10上(图7b)。在这种情况下，当驱动单元10上的磁性附着力消失时，辅助轮26被置于壁27a上，并且可通过驱动后轮25而将推进装置23向上驱动，直到驱动单元10上的附着力再次足够。然后可通过在壁27b上进一步移动驱动单元10(图7c)而继续驱动经过拐角27。

该创新的驱动单元10可有利地被用在如由图9和图11中的示例所示的推进装置中。来自图9的推进装置28具有推进装置主体29，在推进装置主体29上沿行进方向在前部和后部各设置了一对驱动单元10(图11中的10a，10a’，10b，10b’)。在推进装置主体29上沿行进方向在前部和后部另外地定向有枢转臂30和32，这些枢转臂可借助于枢转驱动装置而围绕横向于行进方向的枢转轴线进行枢转(图9中的双箭头)。接触元件31设置在枢转臂30、32的自由端上，接触元件31提供枢转臂与壁等等之间的机械接触。接触元件31可为滚轮或球状物或另外以圆形方式成形的实体。如通过图9中的虚线所表示的那样，该推进装置还可包括以铰接方式(参见图11)互相连接的子单元。

当推进装置28在特定情况下绕边缘33的壁33a和壁33b上的凸边(图10中的33)行进时(如在图10a、图10b和图10c中所示的那样)，另外的枢转臂30、32被用于支撑推进装置28。在图10a和图10b中，后枢转臂30被压靠在壁33a上，以便利用前部使推进装置28绕边缘33枢转。在图10c中使用了前枢转臂32，以便将后驱动单元10a、10a’带回到壁33b上。

在图11中所示的推进装置34中，当这些对驱动单元10a、10a’、10b、10b’彼此独立地被驱动，并且每一对形成子单元29a、29b(该子单元经由自由枢转连接35而连接在另一子单元上)时，可通过各驱动单元的不同旋转速度而控制推进装置34。如果这些对驱动单元被同步驱动或者被连续的滚轮替代，该控制也可通过马达驱动的可控枢转连接35实现。

Claims (18)

1.一种用于推进装置(23,28,34)的驱动单元(10,40,50;10a,10a’, 10b,10b’)，所述推进装置能以自动机械的方式用在管道系统、腔孔等中，所述驱动单元(10,40,50;10a,10a’,10b,10b’)包括至少一个环状外轮(11)以及至少一个旁轴的受驱磁性轮(12,12a,12b)，所述至少一个外轮(11)和所述至少一个磁性轮(12,12a,12b)彼此之间偏心地布置并彼此接合，使得当所述磁性轮(12,12a,12b)相对于所述外轮(11)旋转时，所述磁性轮(12,12a,12b)利用其轮轴线描绘出位于所述外轮(11)内的同心圆，其特征在于，所述外轮(11)和所述磁性轮(12,12a,12b)在轴向方向上接连地布置，并且，所述外轮(11)与所述磁性轮(12,12a,12b)之间的接合通过圆形的同心的盘(13)实现，所述盘(13)抗扭地连接在所述磁性轮(12,12a,12b)上，并且所述盘(13)利用其外圆周面(14)在所述外轮(11)的内圆周面(16)上滚动。

2.根据权利要求1所述的驱动单元，其特征在于，所述盘(13)与所述外轮(11)之间的接合通过强制联锁来实现。

3.根据权利要求1所述的驱动单元，其特征在于，所述盘(13)与所述外轮(11)之间的接合通过摩擦锁紧实现。

4.根据权利要求1所述的驱动单元，其特征在于，所述外轮(11)的外径(d1)大于所述磁性轮(12,12a,12b)的外径(D1)。

5.根据权利要求4所述的驱动单元，其特征在于，所述外轮(11)的外径(d1)与内径(d2)之差小于或等于所述磁性轮(12,12a,12b)的外径(D1)与所述盘(13)的外径(D2)之差。

6.根据权利要求4所述的驱动单元，其特征在于：                                                 > 成立。

7.根据权利要求1所述的驱动单元，其特征在于，两个平行的同样大的受驱磁性轮(12a,12b)设置成在轴向方向上彼此间隔开并以抗扭的方式连接在所述盘(13)上，并且在所述两个磁性轮(12a,12b)之间布置有磁体(17)，所述磁体(17)与所述两个磁性轮(12a,12b)一起形成了磁路的一部分。

8.根据权利要求7所述的驱动单元，其特征在于，所述盘(13)布置在所述两个磁性轮(12a,12b)之外。

9.根据权利要求8所述的驱动单元，其特征在于，为围绕所述盘(13)的所述外轮(11)提供了轴向引导装置(19)。

10.根据权利要求7所述的驱动单元，其特征在于，所述磁体(17)同时还充当所述盘(13)，并且所述外轮(11)被支撑在所述两个磁性轮(12a,12b)之间。

11.一种以自动机械的方式用在管道系统、腔孔等中的推进装置(23,28)，所述推进装置(22,23)包括推进装置主体(24,29)，至少一个驱动单元布置在所述推进装置主体(24,29)上以用于运动，其特征在于，所述驱动单元根据权利要求1-9中的任一项而设计。

12.根据权利要求11所述的推进装置，其特征在于，多个驱动单元(10a,10a’;10b,10b’)成对地布置在所述推进装置主体(24,29; 29a,29b)的相反两侧。

13.根据权利要求12所述的推进装置，其特征在于，在所述推进装置主体(29;29a,29b)上沿行进方向在前部和后部各设置有一对驱动单元(10a,10a’;10b,10b’)。

14.根据权利要求12或13所述的推进装置，其特征在于，所有所述驱动单元(10a,10a’;10b,10b’)彼此独立地被驱动。

15.根据权利要求13所述的推进装置，其特征在于，所述推进装置主体在行进方向上被细分成两个以铰接方式相互连接的子单元(29a,29b)，并且，每个子单元(29a,29b)分配有一对驱动单元(10a,10a’;10b,10b’)。

16.根据权利要求13或15所述的推进装置，其特征在于，所述推进装置设置有通过驱动装置而可枢转的枢转臂(30,32)，所述枢转臂(30,32)在行进方向上向前和向后突出，并且，当所述推进装置(28)在拐角(33)周围行进时，所述枢转臂(30,32)可被用来有意地将所述推进装置(28)支撑在壁(33a,33b)上。

17.根据权利要求11所述的推进装置，其特征在于，在所述推进装置主体(24)上，除了在行进方向上布置于前部的驱动单元(10)之外，还设置有后轮(25)和/或辅助轮(26)。

18.根据权利要求2所述的驱动单元，其特征在于，所述强制联锁是啮合。