CN102644831B

CN102644831B - 一种蠕动式管道机器人驱动行走机构

Info

Publication number: CN102644831B
Application number: CN201210128494.2A
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: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: CN102644831A

Abstract

一种蠕动式管道机器人驱动行走机构。主要解决现有的管道内驱动行走机构托动力较小，难以驱动机器人在管道内较远距离行走的问题。其特征在于：所述机构由曲柄摇块机构和蜗轮蜗杆机构串联组合而成，皆以机器人机体为机架，在曲柄摇块机构中的连杆为弹性连杆结构，弹性连杆穿过绕机体摆动的摇快，与绕机体转动的蜗轮相连，构成曲柄摇块机构。前后有2组完全相同的该曲柄摇块机构。当电机带动蜗杆驱动蜗轮旋转时，连接在前后2组曲柄摇块机构上的行走足做平动。上述前后2组驱动行走部件沿蜗杆径向120°均匀分布，由一个蜗杆驱动。该驱动行走机构能够使行走足与管壁接触充分，产生较大的拖动力，使机器人可以在管道内进行较远距离的行走。

Description

一种蠕动式管道机器人驱动行走机构

技术领域

本发明涉及一种用于管道机器人领域中的驱动行走机构。

背景技术

管道作为一种重要的物料输送手段，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。伴随着使用年限增加，管道会出现各种问题如腐蚀、裂缝、淤积等，影响管道的使用。为了提高管道的使用效率和寿命，需要对管道进行定期的检测或其它作业。比较理想的管道检测的方法是进入到管道内部，运用各种无损检测方法对管道进行检测。由于管道的直径通常较小，一般为人工无法进入的场所，所以管道机器人的发展应运而生。管道机器人作为一种管道内移动的智能载体，通常可携带有各种检测设备或作业工具。近三十年来，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，管道机器人的发展十分迅速。基于驱动行走机构构型的不同，开发设计了各种的管道机器人，这些机器人有着不同的行走方式，如轮式、履带式、蠕动式、螺旋式等，虽然在结构和技术上都有着自己的特点和优势，但总体来说还不足以在工业上成熟应用。主要的问题有能源供给问题、弯道通过性问题、拖动力问题、极限空间结构设计等问题。尤其是在中小直径（≤Φ300mm）情况下，现有的管道机器人由于驱动行走机构的拖动力较小，难以实现驱动机器人在管道内较远距离行走。

发明内容

为解决背景技术中的现有技术问题，本发明提出了一种管道机器人驱动行走机构，该机构是由曲柄摇块机构和蜗轮蜗杆机构组合而成，行走足交替地与管内壁接触，实现蠕动式行走，具有较大的拖动力，能够使机器人可以在管道内进行较远距离的行走。

本发明的技术方案是：该种蠕动式管道机器人驱动行走机构，具有机体，机体上开有纵向3条长条形槽，呈120度间隔均匀地分布，在机体中安装有蜗杆轴左、右支撑部件，以及行走驱动单元；所述驱动行走机构还包括有位于机体外的辅助行走轮单元，以及行走足，以及弹性连杆结构。

其中，所述辅助行走轮单元由辅助行走轮、辅助行走轮连接轴、辅助行走轮支架杆、辅助行走轮支架杆连接轴，以及辅助行走轮弹簧连接长、短销，以及辅助行走轮弹簧、辅助行走轮支架和辅助行走轮支架连接螺钉连接后构成；所述辅助行走轮通过辅助行走轮连接轴铰接到辅助行走轮支架杆上，所述辅助行走轮弹簧分别通过辅助行走轮弹簧连接长、短销铰接到辅助行走轮支架杆和辅助行走轮支架上；所述辅助行走轮支架杆通过辅助行走轮支架杆连接轴铰接到辅助行走轮支架上；所述辅助行走轮支架由辅助行走轮支架连接螺钉固接到机体外表面上；所述的辅助行走轮单元前后有2组，沿机体外呈120度间隔，均匀分布在机体外表面上；

所述弹性连杆结构由弹簧下筒体、压板、压板连接螺钉、弹性连杆弹簧、弹簧上筒体、行走足连接销以及连杆连接后构成；其中，所述连杆穿过弹簧下筒体，由压板通过压板连接螺钉端部固接；所述弹性连杆弹簧安装在弹簧下筒体和弹簧上筒体的空间内，弹簧下筒体和弹簧上筒体螺纹连接；

所述行走足通过行走足连接销铰接在弹簧上筒体端部；所述弹性连杆结构有3组，每组2个，与机体上开有的呈120^o均匀分布的3条纵向长条形槽同方位分布；

所述行走驱动单元由连杆，左、右摇块固定块连接螺钉，以及摇块左、右固定块，以及连杆连接轴，以及蜗轮轴端压板内、外连接螺钉，以及蜗轮轴端左、右压板，以及摇块、蜗轮、蜗轮轴和蜗杆连接后构成；所述摇块通过自身结构销轴与摇块左、右固定块上的结构孔配合铰接；所述摇块左、右固定块通过左、右摇块固定块连接螺钉固接到机体外表面上，所述连杆穿过摇块，通过连杆连接轴铰接到蜗轮上，连杆和摇块组成移动副；所述蜗轮与蜗轮轴铰接；所述蜗轮轴端压板通过蜗轮轴端压板连接螺钉固接在蜗轮轴的一个端面上；所述蜗轮轴螺纹连接到蜗杆轴左支撑部件上，所述蜗轮轴端压板通过蜗轮轴端压板连接螺钉固接在蜗轮轴另一端面上；

所述的蜗杆左端通过平键与蜗杆轴左支撑部件中的驱动电机相连接，右端通过蜗杆轴压板连接螺钉和蜗杆轴压板与蜗杆轴右支撑部件相连接；所述的蜗杆轴左、右支撑部件通过前、后法兰连接螺栓与机体上的法兰连接；

所述的蜗杆同时驱动6个蜗轮；所述蜗杆轴左支撑部件通过定位销定位于机体上；所述的行走驱动单元共有3组，每组2个，与机体上开有的呈120^o均匀分布的3条纵向长条形槽同方位分布。

本发明具有如下有益效果：本发明所提出的蠕动式管道机器人驱动行走机构采用模块化组成，概括的说由辅助行走轮单元、弹性连杆结构、行走驱动单元、行走足以及机体五部分组成，该种管道机器人驱动行走机构能够产生较大的拖动力，应用于中小直径的管道中。

下面进行详细说明：首先，本驱动行走机构在机构构型上具有创新性，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，行走足面积较大，且行走足铰接在弹簧上筒体端部，与两个弹性连杆结构、摇快和机体构成了平行四边形机构，使行走足始终做平动，从而保证行走足与管内壁具有良好的接触状态，而实现大拖动力。再次，采用了一个蜗杆同时驱动六个蜗轮，结构紧凑，解决了极限空间条件下的结构设计难题。蜗杆既可以由一个电机驱动，也可以采用双电机驱动，而保证实现极限空间条件下大拖动力。此后，由于采用了弹性连杆结构和平行四边形机构，该结构保证3组行走足始终以相同的附着力与管内壁接触，因而保证每个行走足的负荷相同，从而避免了传动系统内封闭功率流的产生，提高了传动效率。而弹性连杆结构使行走足与管内壁的接触不是刚性的，而是弹性的，从而使管道机器人在管内行走遇有凸起或凹陷时，不至于 “卡死”，或使行走轮“丧失”较大的附着力，而使拖动力极大的下降。这一结构特点也同时使其具有一定的跨越障碍的性能。随后，蜗杆轴左支承部件与机体间采用了定位销定位，保证所述机构安装和使用精度。最后，采用了辅助行走轮单元，使管道机器人在管内行走时，始终处于管内轴对称状态，以保证3组行走足负载均匀。

综上所述，本发明所提出的管道机器人驱动行走机构的技术方案采用了一种新的驱动行走机构，实现了一种新的运动方式。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、拖动力大特点，为管道机器人的发展注入了新的活力。非常适于工业化应用。

附图说明：

图1是本发明所述驱动行走机构的整体结构示意图。

图2是本发明所述驱动行走机构外部可见结构的结构示意图。

图3是本发明所述驱动行走机构的三维拆分图。

图4是本发明所述驱动行走机构中行走驱动单元的结构图。

图5是本发明所述驱动行走机构中行走驱动单元的三维拆分图。

图6是本发明所述驱动行走机构行走驱动单元的部件拆分图。

图中1-机体，2-辅助行走轮单元，3-行走足，4-弹性连杆结构，5-行走驱动单元，6-辅助行走轮，7-辅助行走轮连接轴，8-辅助行走轮支架杆，9-辅助行走轮支架杆连接轴，10-辅助行走轮弹簧连接长销，12-辅助行走轮弹簧连接短销，11-辅助行走轮弹簧，13-辅助行走轮支架，14-辅助行走轮支架连接螺钉，15-弹簧下筒体，16-压板，17-压板连接螺钉，18-弹性连杆弹簧，19-弹簧上筒体，20-行走足连接销，22-连杆，23-左摇块固定块连接螺钉， 29-右摇块固定块连接螺钉，24-摇块左固定块，30-摇块右固定块，25-连杆连接轴，26-蜗轮轴端压板内连接螺钉，34-蜗轮轴端压板外连接螺钉，27-蜗轮轴端左压板，33-蜗轮轴端右压板，28-摇块，31-蜗轮，32-蜗轮轴，35-前法兰连接螺栓，43-后法兰连接螺栓，36-蜗杆轴左支撑部件，37-平键，38-蜗杆，39-定位销，40-蜗杆轴压板连接螺钉，41-蜗杆轴压板，42-蜗杆轴右支撑部件。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先，结合附图，对本发明所述的基于组合机构的蠕动式管道机器人驱动行走机构作整体描述：如图2所示，结合图4、图6，本种驱动行走机构，具有机体1，机体上开有纵向3条长条形槽，成120^o均匀地分布。在本体中放置有行走驱动单元５，以及蜗杆轴左、右支撑部件36和42。机体1的主要作用是起到连接其它各部分以及安装其它部件的作用。除此之外，该驱动行走机构还包括有位于机体外的辅助行走轮单元２、弹性连杆结构4，以及行走足3。所述行走足3是铰接在2个弹性连杆结构4上的，所述弹性连杆结构4由所述行走驱动单元5驱动组成平行四边形机构，使行走足3做平动，从而交替地与管内壁接触，依靠摩擦力使机器人蠕动式行走。下面，对这些单元以及彼此间的连接关系分别做出说明。

首先，介绍辅助行走轮单元，如图3所示。所述辅助行走轮单元2由辅助行走轮6、辅助行走轮连接轴7、辅助行走轮支架杆8、辅助行走轮支架杆连接轴9、辅助行走轮弹簧连接销10和12、辅助行走轮弹簧11、辅助行走轮支架13、辅助行走轮支架连接螺钉14等构成。前后有2组辅助行走轮单元，每组有3个行走轮单元，120度均匀分布在机体1的外表面上；所述辅助行走轮6通过辅助行走轮连接轴7铰接到辅助行走轮支架杆8上；所述辅助行走轮弹簧11分别通过辅助行走轮弹簧连接销10和12铰接到辅助行走轮支架杆8和辅助行走轮支架13上；所述辅助行走轮支架杆8通过辅助行走轮支架杆连接轴9铰接到辅助行走轮支架13上；所述辅助行走轮支架13由辅助行走轮支架连接螺钉14固接到机体1外表面上；所述辅助行走轮弹簧11的刚度由机器人的重量决定。所述辅助行走轮能单元采用弹性结构是保证机器人在管内行走遇有凸起或凹陷时，都能使机器人处于轴对称状态，而可靠地运动和工作。

其次，介绍弹性连杆结构，如图3和图5所示。所述弹性连杆结构4由弹簧下筒体15、压板16、压板连接螺钉17、弹性连杆弹簧18、弹簧上筒体19、行走足连接销20、连杆22等构成；所述连杆22穿过弹簧下筒体15，由压板16通过压板连接螺钉17端部固接；所述弹性连杆弹簧18安装在弹簧下筒体15和弹簧上筒体19的空间内，弹簧下筒体15和弹簧上筒体19螺纹连接；所述弹性连杆结构有3组，每组2个，与机体上开有的成120^o均匀分布的3条纵向长条形槽同方位分布。所述的行走足3通过行走足连接销20铰接在弹簧上筒体19端部。行走足共有3个，皆是做平动，交替地与管内壁接触。

所述的弹性连杆弹簧18的刚度由机器人的拖动力确定。之所以采用弹性结构，是使机器人行走时与管内壁的接触是弹性的，不是刚性的。这有助于机器人具有良好的越障行，也保护驱动电机超载烧坏。

再之，介绍行走驱动单元，参见图4、图5和图6。所述的行走驱动单元5由连杆22、摇块固定块连接螺钉23和29、摇块固定块24和30、连杆连接轴25、蜗轮轴端压板连接螺钉26和34、蜗轮轴端压板27和33、摇块28、蜗轮31、蜗轮轴32、蜗杆38和机体1等构成；机体1上开有纵向3条长条形槽，成120^o均匀地分布；所述摇块28通过自身结构销轴与摇块固定块24和30上的结构孔配合铰接；所述摇快28与固定块24和30构成转动副。所述摇块固定块24和30通过摇块固定块连接螺钉23和29固接到机体外表面上；所述连杆22穿过摇块28，通过连杆连接轴25铰接到蜗轮31上。连杆22和摇块28组成移动副；所述蜗轮31与蜗轮轴32铰接；所述蜗轮轴端压板27通过蜗轮轴端压板连接螺钉26固接在蜗轮轴32一端面上；所述蜗轮轴32螺纹连接到蜗杆轴左支承部件35上；所述蜗轮轴端压板33通过蜗轮轴端压板连接螺钉34固接在蜗轮轴32另一端面上；所述的蜗杆38左端通过平键37与蜗杆轴左支撑部件36中的驱动电机相连接，右端通过蜗杆轴压板连接螺钉40和蜗杆轴压板41与蜗杆轴右支撑部件42相连接；所述的蜗杆轴左、右支承部件36、42通过法兰连接螺栓35和43与机体1上的法兰连接；所属的蜗杆轴左支撑部件36与机体1安装有定位销39。所述的行走驱动单元共有3组，每组2个，与机体上开有的成120^o均匀分布的3条纵向长条形槽同方位分布。所述的蜗杆38同时驱动6个蜗轮31，通过前述的3组行走驱动单元使行走足3做平动。

所述蜗轮31、连杆22、摇快28和机体1构成曲柄摇块机构。摇快28绕机体转动。

所述的定位销39是为了保证机器人的安装精度和安装工艺性而设置的。

所述的蜗杆轴左支承部件36通过右端的轴颈与所述的蜗杆轴右支承部件42左端的空相配合连接，其余为常规设计，在此不赘述。

下面，给出这种驱动行走机构的工作过程：

本种蠕动式管道机器人驱动行走机构的具体工作过程分为两个阶段，第一阶段是行走足3不与管内壁接触时，第二阶段是行走足3与管内壁接触时。当管道机器人在放置在管道内时，首先由辅助行走轮单元2支撑，且使机器人在管道内是处于轴对称状态的。这时蠕动式行走过程分析如下：

参见图2、图4和图5，安装在蜗杆轴左支撑部件36中的电机驱动蜗杆38转动，带动蜗轮31转动。当蜗轮转动时，驱动同一平面上的2组曲柄摇块机构运动，这时，通过弹性连杆结构4连接在连杆2上的行走足3做平动。当3组行走足3都做平动时，交替地与管内壁接触。

第一阶段：当行走足3与管内壁接触时，由于摩擦力的作用使机器人具有向前运动的能力，从而使机器人向前走一步；

第二阶段：当行走足3与管内壁不接触时，由于没有摩擦力的作用，所以机器人没有前进的能力，这时机器人停止不能向前运动。

当行走足3不断地、交替地与管内壁接触时，从而使机器人蠕动式前进。

本发明所提出的这种新型基于组合机构的蠕动式管道机器人驱动行走机构，可应用于Φ100-Φ300mm管道内。创造性地运用了曲柄摇块机构、弹性连杆、平行四边形机构，实现了一种新的机器人蠕动式行走方式。通过行走足交替地与管内壁接触，驱动机器人呢蠕动式运动。这种运动方式有别于现有的蠕动式管道机器人运动方式，为蠕动式管道机器人的发展带来了新的思路。

Claims

1.一种蠕动式管道机器人驱动行走机构，具有机体（1），机体（1）上开有纵向3条长条形槽，呈120度间隔均匀地分布，其特征在于：

在机体（1）中安装有蜗杆轴左、右支撑部件（36，42），以及行走驱动单元（5）；所述驱动行走机构还包括有位于机体（1）外的辅助行走轮单元（2），以及行走足（3），以及弹性连杆结构（4）；

其中，所述辅助行走轮单元（2）由辅助行走轮（6）、辅助行走轮连接轴（7）、辅助行走轮支架杆（8）、辅助行走轮支架杆连接轴（9），以及辅助行走轮弹簧连接长、短销（10，12），以及辅助行走轮弹簧（11）、辅助行走轮支架（13）和辅助行走轮支架连接螺钉（14）连接后构成；所述辅助行走轮（6）通过辅助行走轮连接轴（7）铰接到辅助行走轮支架杆（8）上，所述辅助行走轮弹簧（11）分别通过辅助行走轮弹簧连接长、短销（10，12）铰接到辅助行走轮支架杆（8）和辅助行走轮支架（13）上；所述辅助行走轮支架杆（8）通过辅助行走轮支架杆连接轴（9）铰接到辅助行走轮支架（13）上；所述辅助行走轮支架（13）由辅助行走轮支架连接螺钉（14）固接到机体（1）外表面上；所述的辅助行走轮单元前后有2组，沿机体外呈120度间隔，均匀分布在机体外表面上；

所述弹性连杆结构（4）由弹簧下筒体（15）、压板（16）、压板连接螺钉（17）、弹性连杆弹簧（18）、弹簧上筒体（19）、行走足连接销（20）以及连杆（22）连接后构成；其中，所述连杆（22）穿过弹簧下筒体（15），由压板（16）通过压板连接螺钉（17）端部固接；所述弹性连杆弹簧（18）安装在弹簧下筒体（15）和弹簧上筒体（19）的空间内，弹簧下筒体（15）和弹簧上筒体（19）螺纹连接；

所述行走足（3）通过行走足连接销（20）铰接在弹簧上筒体（19）端部；所述弹性连杆结构有3组，每组2个，与机体上开有的呈120^o均匀分布的3条纵向长条形槽同方位分布；

所述行走驱动单元（5）由连杆（22），左、右摇块固定块连接螺钉（23，29），以及摇块左、右固定块（24， 30），以及连杆连接轴（25），以及蜗轮轴端压板内、外连接螺钉（26，34），以及蜗轮轴端左、右压板（27，33），以及摇块（28）、蜗轮（31）、蜗轮轴(32)和蜗杆（38）连接后构成；所述摇块（28）通过自身结构销轴与摇块左、右固定块（24， 30）上的结构孔配合铰接；所述摇块左、右固定块（24， 30）通过左、右摇块固定块连接螺钉（23，29）固接到机体外表面上，所述连杆（22）穿过摇块（28），通过连杆连接轴（25）铰接到蜗轮（31）上，连杆（22）和摇块（28）组成移动副；所述蜗轮（31）与蜗轮轴(32)铰接；所述蜗轮轴端左压板（27）通过蜗轮轴端压板内连接螺钉（26）固接在蜗轮轴(32)的一个端面上；所述蜗轮轴(32)螺纹连接到蜗杆轴左支撑部件（36）上，所述蜗轮轴端右压板（33）通过蜗轮轴端压板外连接螺钉（34）固接在蜗轮轴(32)另一端面上；

所述的蜗杆（38）左端通过平键（37）与蜗杆轴左支撑部件（36）中的驱动电机相连接，右端通过蜗杆轴压板连接螺钉（40）和蜗杆轴压板（41）与蜗杆轴右支撑部件（42）相连接；所述的蜗杆轴左、右支撑部件（36，42）通过前、后法兰连接螺栓（35，43）与机体上的法兰连接；

所述的蜗杆（38）同时驱动6个蜗轮（31）；所述蜗杆轴左支撑部件（36）通过定位销（39）定位于机体（1）上；

所述的行走驱动单元共有3组，每组2个，与机体上开有的呈120^o均匀分布的3条纵向长条形槽同方位分布。