CN102644830A

CN102644830A - 一种基于并联机构的管内爬行器

Info

Publication number: CN102644830A
Application number: CN2012101285254A
Authority: CN
Inventors: 许冯平; 耿岱; 耿超; 赵琦; 夏友山
Original assignee: Northeast Petroleum University
Current assignee: Northeast Petroleum University
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明公开了一种采用并联机构作为驱动行走机构的管内爬行器。其特征在于：包括上平台单元、下平台单元以及直线驱动器单元；上平台单元和下平台单元的结构相同，6组直线驱动器单元通过球铰连接于相向对称布置的上平台单元和下平台单元之间，形成6自由度并联机构，所述并联机构外套有波纹管。本发明将并联机构应用于管道机器人的驱动行走机构中，通过支撑腿足交替地支撑在管道内壁上，从而使上、下平台交替地为动静平台，配合直线驱动器交替地伸缩运动，使爬行器蠕动式地前进，具有较好的灵活度和大拖动力。

Description

一种基于并联机构的管内爬行器

技术领域

本发明涉及一种管道机器人领域中应用到基于并联机构的管内爬行器。

背景技术

管道机器人作为一种管内移动的智能载体，通常可携带各种检测仪器或作业工具完成管内的检测或其它作业任务。近几十年来，由于科研人员的不断努力创新，并伴随机电技术、计算机技术的进步，管道机器人的发展应用十分迅速，在石油、天然气、化工原料及市政给排水工程等各个方面发挥着重要的作用。特别是在石油生产特殊工艺以及井下工艺技术，对管道机器人技术提出了更多、更苛刻的技术要求，主要表现在能源供给问题、弯道通过性问题、拖动力问题、极限空间结构设计等问题，其核心技术问题就是管道机器人的构型。现有的管道机器人，在用于石油生产特殊工艺以及井下工艺技术中时，往往不能满足灵活度和大拖动力的要求。

发明内容

为了解决背景技术给出的现有技术问题，本发明提出了一种基于并联机构的管内爬行器，该种爬行器采用蠕动式前进，应用于管道中时，具有较好的灵活度和大拖动力。

本发明的技术方案为：

该种基于并联机构的管内爬行器，包括上平台单元、下平台单元以及直线驱动器单元；上平台单元和下平台单元的结构相同， 6组直线驱动器单元通过球铰连接于相向对称布置的上平台单元和下平台单元之间，形成6自由度并联机构，所述并联机构外套有波纹管；

其中，所述上平台单元和下平台单元的主体为平台零件，其上开有120°间隔分布的3个径向槽孔和3个径向盲孔，平台零件一面安装有液动马达，另一面安装有凸轮，其中，所述的液动马达通过平台零件中心孔处的止口法兰结构由内六角螺栓连接于平台零件上，所述的凸轮与平台零件中心处的内孔间隙配合，构成转动副，并由紧定螺钉连接于液动马达的输出轴上；所述的凸轮由液动马达往复驱动回转；

在平台零件的侧面上连接有3组呈120°均匀间隔分布的支撑腿足单元和3组呈120°均匀间隔分布的辅助弹性支撑轮单元；

所述的支撑腿足单元由垂向螺钉、压板、滚子、滚子轴、腿、水平向螺钉、足、拉簧以及拉簧螺钉构成；其中，所述腿安装于平台零件的槽孔中，间隙配合；所述足由水平向螺钉连接于腿的端部；所述拉簧由拉簧螺钉一端连接于平台零件上，另一端连接于腿上；所述滚子轴螺纹连接于腿侧面螺纹孔内；所述滚子的孔与滚子轴间隙配合，构成转动副，所述滚子轴肩定位于滚子轴上，轴端由压板和垂向螺钉固定；所述的凸轮与滚子构成凸轮副，经拉簧的弹簧力锁合；

所述的辅助弹性支撑轮单元由压簧、支撑轴、端盖、紧固螺钉，以及内、外卡簧，以及内、外滚轮和轮轴构成；所述压簧和支撑轴安装于平台零件的盲孔中，所述支撑轴与平台零件的盲孔自由公差配合；所述支撑轴为铣扁轴，穿过端盖的条形槽，并由端盖和紧固螺钉封装于平台零件的盲孔中；所述轮轴安装于支撑轴的孔中，间隙配合，构成转动副；所述内、外滚轮安装于轮轴的两端，轴间定位，并由内、外卡簧固定；

所述的直线驱动器单元由六角螺钉、球铰座、球杆、球铰盖、球铰盖螺钉、小接头、液缸以及大接头构成；所述球铰座安装于平台零件的沉孔中，并由六角螺钉连接于平台零件上；所述球杆与球铰座和球铰盖的球表面间隙配合，构成球铰，并由球铰盖螺钉连接；所述小接头和大接头的一端与球杆螺纹连接，另一端与液缸螺纹连接。

本发明具有如下有益效果：

本发明的创新之处在于将并联机构应用于管道机器人的驱动行走机构中，通过支撑腿足交替地支撑在管道内壁上，从而使上、下平台交替地为动静平台，配合直线驱动器交替地伸缩运动，使爬行器蠕动式地前进，具有较好的灵活度和大拖动力。

下面进行详细说明：首先，本管内爬行器引入了并联机构，在管道机器人构型上具有创新性，丰富了管道机器人机构学的内容，具有较重要的理论意义。其次，采用了6组直线驱动器，所以可以产生较大的拖动力，实现有限空间内的大拖动力。同时，采用的是6自由度并联机构，使爬行器具有很好的灵活性，因此本管内爬行器在弯道通过性上有很好的表现。最后，在本管内爬行器的上、下平台单元上均安装有均匀分布的3组辅助弹性支撑轮单元，保证了爬行器行走时始终处于管内轴对称状态，也保证了3组支撑腿足单元受载均匀，也使爬行器行走时的姿态简单、行走平稳和顺畅。

综上所述，本发明所提出的管内爬行器技术方案采用了并联机构，实现了管内机器人的一种全新的行走运动方式，丰富了管道机器人的构型，具有较重要的理论意义。且紧密围绕中小直径管道机器人大拖动力的技术指标进行设计，具有结构紧凑、弯道通过性好等特点，为管道机器人的发展注入了新的活力，为其工业化应用打下了坚实的技术基础。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明去除波纹管后的结构示意图。

图3是本发明所述上平台单元的结构示意图。

图4是本发明所述下平台单元的结构示意图。

图5是本发明所述平台零件的结构示意图。

图6是本发明所述球铰的结构示意图。

图7是以下平台所处位置形成的平台单元拆分图。

图8是本发明所述直线驱动器的拆分图。

图中1-上平台单元，2-直线驱动器单元，3-下平台单元，4-支撑腿足单元，5-辅助弹性支撑轮单元，6-平台零件，7-球铰，8-内六角螺栓，9-液动马达，10-凸轮，11-紧定螺钉，12-垂向螺钉，13-压板，14-滚子，15-滚子轴，16-腿，17-水平向螺钉，18-足，19-拉簧螺钉，20-拉簧，21-压簧，22-支撑轴，23-端盖，24-紧固螺钉，25-内卡簧，26-内滚轮，27-轮轴，28-外滚轮，29-外卡簧， 30-螺钉，31-球铰座，32-球杆，33-球铰盖，34-球铰盖螺钉，35-小接头，36-液缸，37-大接头。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图8所示，该种基于并联机构的管内爬行器，包括上平台单元1、下平台单元3以及直线驱动器单元2；上平台单元1和下平台单元3的结构相同， 6组直线驱动器单元2通过球铰7连接于相向对称布置的上平台单元1和下平台单元3之间，形成6自由度并联机构，所述并联机构外套有波纹管。

其中，所述上平台单元1和下平台单元3的主体为平台零件6，其上开有120°间隔分布的3个径向槽孔和3个径向盲孔，平台零件6一面安装有液动马达9，另一面安装有凸轮10，其中，所述的液动马达9通过平台零件6中心孔处的止口法兰结构由内六角螺栓8连接于平台零件6上，所述的凸轮10与平台零件6中心处的内孔间隙配合，构成转动副，并由紧定螺钉11连接于液动马达9的输出轴上；所述的凸轮10由液动马达9往复驱动回转。

在平台零件6的侧面上连接有3组呈120°均匀间隔分布的支撑腿足单元4和3组呈120°均匀间隔分布的辅助弹性支撑轮单元5；所述的支撑腿足单元4由垂向螺钉12、压板13、滚子14、滚子轴15、腿16、水平向螺钉17、足18、拉簧20以及拉簧螺钉19构成。其中，所述腿16安装于平台零件6的槽孔中，间隙配合；所述足18由水平向螺钉17连接于腿16的端部；所述拉簧20由拉簧螺钉19一端连接于平台零件6上，另一端连接于腿16上；所述滚子轴15螺纹连接于腿16侧面螺纹孔内；所述滚子14的孔与滚子轴15间隙配合，构成转动副，所述滚子14轴肩定位于滚子轴15上，轴端由压板13和垂向螺钉12固定；所述的凸轮10与滚子14构成凸轮副，经拉簧20的弹簧力锁合。

所述的辅助弹性支撑轮单元5由压簧21、支撑轴22、端盖23、紧固螺钉24，以及内卡簧25、外卡簧29，以及内滚轮26、外滚轮28和轮轴27构成；所述压簧21和支撑轴22安装于平台零件6的盲孔中，所述支撑轴22与平台零件6的盲孔自由公差配合。所述支撑轴22为铣扁轴，穿过端盖23的条形槽，并由端盖23和紧固螺钉24封装于平台零件6的盲孔中；所述轮轴27安装于支撑轴22的孔中，间隙配合，构成转动副；所述内、外滚轮安装于轮轴27的两端，轴间定位，并由内、外卡簧固定。

所述的直线驱动器单元2由六角螺钉30、球铰座31、球杆32、球铰盖33、球铰盖螺钉34、小接头35、液缸36以及大接头37构成；所述球铰座31安装于平台零件6的沉孔中，并由六角螺钉30连接于平台零件6上；所述球杆32与球铰座31和球铰盖33的球表面间隙配合，构成球铰7，并由球铰盖螺钉34连接；所述小接头35和大接头37的一端与球杆32螺纹连接，另一端与液缸36螺纹连接。

在上述结构下，波纹管起密封防水、防尘作用。上平台单元1、下平台单元3以及直线驱动器单元2构成6自由度并联机构。所述辅助弹性支撑轮单元5始终支撑于管壁，保证爬行器始终是处于管内轴对称状态。所述凸轮10由马达9驱动往复回转，通过凸轮副使上下平台单元1、3上的支撑腿足单元4交替地支撑在管壁上，从而使上下平台单元1、3交替地为动静平台，配合直线驱动器2的伸缩运动使爬行器蠕动式前进。

下面对其中部分内容进行详细介绍：

对于支撑腿足单元，所述腿16安装于平台零件6的槽孔中，间隙配合，并可在孔中伸缩；所述足18由螺钉17连接于腿16的端部；所述拉簧19由螺钉20一端连接于平台零件6上，另一端连接于腿16上，构成凸轮副锁合力；所述滚子轴15穿过平台零件6上的条形槽螺纹连接于腿16侧面螺纹孔内；所述滚子14的孔与滚子轴15间隙配合，构成转动副。所述滚子14轴肩定位于滚子轴15，轴端由压板13和螺钉12固定。所述的凸轮10与滚子14构成凸轮副，拉簧19的弹簧力锁合，凸轮机构的推程由管径等结构尺寸决定，凸轮廓线主要取决于机构压力角。拉簧19的刚度主要由腿16与平台零件6上的槽孔的摩擦力决定。当液动马达9驱动凸轮90°往复回转时，使支撑腿足单元4作伸缩运动。当上、下平台单元1和3上的支撑腿足单元4交替地伸缩支撑于管内壁时，即当一个平台的支撑腿足单元4支撑到管内壁上时，另一个平台的支撑腿足单元4处于收回状态，从而使上、下平台单元1和3交替地为动静平台。

对于辅助弹性支撑轮单元5，所述压簧21和支撑轴22安装于平台零件6的盲孔中，所述支撑轴22与平台零件6的盲孔自由公差配合；所述支撑轴22为铣扁轴，穿过端盖23的条形槽，并由端盖23和螺钉24封装于平台零件6的盲孔中，构成弹性支撑；所述轮轴27安装于支撑轴22的孔中，间隙配合；所述滚轮26和28安装于轮轴27的两端，轴间定位，并由卡簧25和29固定。所述压簧21刚度由爬行器的重量决定，使之重心位于管道中心位置。所述的辅助弹性支撑轮单元5始终支撑在管内壁上，使爬行器沿管道轴线对称，保证其行走时居于管道中心。

所述的波纹管的两端分别连接于上、下平台单元上，起到密封、防水、防爆的功能。

本种管内爬行器的工作过程如下：

本种基于并联机构的管内爬行器是蠕动式行走的，即，上、下平台单元交替地为动静平台，配合直线驱动器单元2的伸缩运动实现蠕动式行走。完成一个行走过程共分为7步，具体过程如下：

第1步：将爬行器放置在管道内，由辅助弹性支撑轮单元5支撑，且使爬行器在管道内是处于轴对称状态的；

第2步：上平台单元1的支撑腿足单元4在液动马达9的控制下收回，使之为动平台；

第3步：下平台单元3的支撑腿足单元4在液动马达9的控制下伸出，支撑在管内壁上，使之为静平台；

第4步：6组直线驱动器单元2在控制下伸出一个步长，从而推动平台1单元前进一个步长；

第5步：上平台单元1的支撑腿足单元4在液动马达9的控制下伸出，支撑到管壁上，使之变为静平台；

第6步：下平台单元3的支撑腿足单元4在液动马达9的控制下收回，使之变为动平台；

第7步：6组直线驱动器单元2在控制下缩回一个步长，从而拉动平台3单元前进一个步长，至此，爬行器前进了一步。

反之：

第2步：上平台单元1的支撑腿足单元4在液动马达9的控制下伸出，支撑在管内壁上，使之为静平台；

第3步：下平台单元3的支撑腿足单元4在液动马达9的控制下收回，使之为动平台；

第4步：6组直线驱动器单元2在控制下伸出一个步长，从而推动平台单元3后退一个步长；

第5步：上平台单元1的支撑腿足单元4在液动马达9的控制下收回，使之变为动平台；

第6步：下平台单元3的支撑腿足单元4在液动马达9的控制下伸出，支撑到管壁上，使之变为静平台；

第7步：6组直线驱动器单元2在控制下缩回一个步长，从而拉动平台1单元后退一个步长，至此，爬行器后退了一步。

这样爬行器完成了一个运动过程，如此反复，实现爬行器的蠕动式行走。若爬行器通过弯道，则，需要精确控制每一组直线驱动器单元2的伸出步长，即可通过弯道。

本发明所提出的这种基于并联机构的管内爬行器，可应用于Φ100-Φ300mm管道内。创造性地将并联机构引入到管内机器人构型中，由于并联机构的多自由度和灵活性，使得本种管内爬行器在运动的灵活性和弯道的通过性上有了质的提高，也丰富了管道机器人机构学的内容。为蠕动式管道机器人的发展带来了新的思路。

Claims

1.一种基于并联机构的管内爬行器，包括上平台单元（1）、下平台单元（3）以及直线驱动器单元（2）；上平台单元（1）和下平台单元（3）的结构相同， 6组直线驱动器单元（2）通过球铰（7）连接于相向对称布置的上平台单元（1）和下平台单元（3）之间，形成6自由度并联机构，所述并联机构外套有波纹管；

其中，所述上平台单元（1）和下平台单元（3）的主体为平台零件（6），其上开有120°间隔分布的3个径向槽孔和3个径向盲孔，平台零件（6）一面安装有液动马达（9），另一面安装有凸轮（10），其中，所述的液动马达（9）通过平台零件（6）中心孔处的止口法兰结构由内六角螺栓（8）连接于平台零件（6）上，所述的凸轮（10）与平台零件（6）中心处的内孔间隙配合，构成转动副，并由紧定螺钉（11）连接于液动马达（9）的输出轴上；所述的凸轮（10）由液动马达（9）往复驱动回转；

在平台零件（6）的侧面上连接有3组呈120°均匀间隔分布的支撑腿足单元（4）和3组呈120°均匀间隔分布的辅助弹性支撑轮单元（5）；

所述的支撑腿足单元（4）由垂向螺钉（12）、压板（13）、滚子（14）、滚子轴（15）、腿（16）、水平向螺钉（17）、足（18）、拉簧（20）以及拉簧螺钉（19）构成；其中，所述腿（16）安装于平台零件（6）的槽孔中，间隙配合；所述足（18）由水平向螺钉（17）连接于腿（16）的端部；所述拉簧（20）由拉簧螺钉（19）一端连接于平台零件（6）上，另一端连接于腿（16）上；所述滚子轴（15）螺纹连接于腿（16）侧面螺纹孔内；所述滚子（14）的孔与滚子轴（15）间隙配合，构成转动副，所述滚子（14）轴肩定位于滚子轴（15）上，轴端由压板（13）和垂向螺钉（12）固定；所述的凸轮（10）与滚子（14）构成凸轮副，经拉簧（20）的弹簧力锁合；

所述的辅助弹性支撑轮单元（5）由压簧（21）、支撑轴（22）、端盖（23）、紧固螺钉（24），以及内、外卡簧（25，29），以及内、外滚轮（26，28）和轮轴（27）构成；所述压簧（21）和支撑轴（22）安装于平台零件（6）的盲孔中，所述支撑轴（22）与平台零件（6）的盲孔自由公差配合；所述支撑轴（22）为铣扁轴，穿过端盖（23）的条形槽，并由端盖（23）和紧固螺钉（24）封装于平台零件（6）的盲孔中；所述轮轴（27）安装于支撑轴（22）的孔中，间隙配合，构成转动副；所述内、外滚轮（26，28）安装于轮轴（27）的两端，轴间定位，并由内、外卡簧（25，29）固定；

所述的直线驱动器单元（2）由六角螺钉（30）、球铰座（31）、球杆（32）、球铰盖（33）、球铰盖螺钉（34）、小接头（35）、液缸（36）以及大接头（37）构成；所述球铰座（31）安装于平台零件（6）的沉孔中，并由六角螺钉（30）连接于平台零件（6）；所述球杆（32）与球铰座（31）和球铰盖（33）的球表面间隙配合，构成球铰（7），并由球铰盖螺钉（34）连接；所述小接头（35）和大接头（37）的一端与球杆（32）螺纹连接，另一端与液缸（36）螺纹连接。