CN102700643B - 管外行走机器人机械结构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管外行走机器人机械结构及其工作方法，它由前后两节车体组成，两节车体通过一个平面铰链机构铰连接在一起，在在车体架的底面两侧安装有抱管行走机构。通过前后两节车体和抱管行走机构实现管外行走机器人可在各种姿态的管道或圆柱体外表面上行走，来满足对管道及各种圆柱型体工件的外部连续检测、维护或修复等需要。通过更换不同的支撑滚轮与行走滚轮的直径，一套机器人机构可以满足不同管径管道场合的应用。

Description

管外行走机器人机械结构及其工作方法

技术领域

本发明涉及机器人，尤其涉及一种在管道或圆柱体外表面上行走的机器人；主要用于各种工业管道、民用管道、大桥斜拉索、电缆等圆柱型体的质量检测、维护修复等作业。

背景技术

对工业管道、大桥斜拉索、电缆等进行定期的检测、保养和维修是必不可少的。若使用人工方法，不仅耗费大量的人力和物力，效率低，安全性差，而且许多场合根本无法允许人工作业。

目前，也有一些管外行走机器人研究的报道或专利。在管道外表面上作业的机器人一般采用蠕动式、螺旋式、滚动式、交替攀爬式等多种移动方式，但是它们往往都有一些应用的局限性，如，它们多数都只能沿着管线方向行走而不具备绕管子转圈的功能，有的不能跨越管道上的障碍，有的有的只适合爬立杆或水平杆的一种管道状态，有的甚至不能连续、均匀地经过管道各处外表面，这样，它们就不能满足一些需对各种姿态的管道外表面进行连续检测或维护的要求。

为此，迫切需要一种在各种姿态的管道或圆柱体外表面上行走的机器人，来满足对管道及各种圆柱型体工件的外部连续检测、维护或修复等需要。

发明内容

本发明的目的是，为满足管道及各种圆柱型体工件的外部连续检测、维护等需要，发明一种在管道或圆柱体外表面上行走的机器人的机械结构，该机器人在竖管道、平管道和斜管道上均可前后行走，以下简称管外行走机器人。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种管外行走机器人机械结构，它由前后两节车体组成，两节车体通过一个平面铰链机构铰连接在一起；

所述的平面铰链机构是在一个舵机的驱动轴两端安装上摆动架，摆动架与前节车体铰接，舵机与后节车体固定，在舵机的驱动下实现前后两节车体间的上下相对摆动；

所述的前后两节车体的构造相同，具体构造是，在车体架的底面中心轴线上安装有前、后支撑轮，在车体架的底面两侧安装有抱管行走机构；

所述的抱管行走机构的构造是，在车体架上固定安装一个直线电机体，直线电机体的芯部是一根螺杆轴，螺杆轴与车体架垂直关系，螺杆轴的底端固定安装有驱动盘，驱动盘顶部套上连杆架，连杆架上左右对称铰接量个连杆，两个连杆的外端分别铰接上滚轮支架，每个滚轮支架的顶端各自铰接在车体架上；滚轮支架上安装有旋转电机带动的行走滚轮；前后两节车体的行走滚轮的安装轴线对称呈八字形布置，每节车体的左右行走滚轮的安装轴线呈八字形布置，在直线电机体螺杆轴向下运动时，连杆架推动两个连杆向外张开，进而推动左右行走滚轮支架向外张开，使滚轮脱开管道，反之，左右行走滚轮支架向内合拢，使滚轮抱住钢管，并在旋转电机带动下抱管行走，以实现车体的前后运行。

本发明管外行走机器人工作方法如下：

本发明管外行走机器人工作方法有以下四种情况：

第一种情况：在直管道上前行或后行

操作前后车体的4个行走滚轮同速度向前滚动或向后滚动，实现前行或后行；

第二种情况：绕管道左右转圈

操作前车体左行走滚轮和后车体右行走滚轮同速度向前滚动，同时，操作前车体右行走滚轮和后车体左行走滚轮同速度向后滚动，实现向右转圈运行；反之，实现向左转圈运行；

第三种情况：跨越十字型管道节

第一步：在十字型管道节处，将机器人车体的上平面转到与十字型管道所处平面平行的平面内，打开前车体的抱管行走机构，通过舵机的驱动，将前车体抬起脱离原来的管道，再驱动后车体向前运行，使前车体跨越十字型管道节；

第二步：通过舵机的驱动，将前车体落下，操作前车体抱管行走机构抱住管道，打开后车体的抱管行走机构，并抬起后车体，再驱动前车体向前运行，使后车体跨越十字型管道节，将后车体落下，操作后车体抱管行走机构抱住管道；继续向前行走；

第四种情况：L型弯管道换道

第一步：走到L型弯管道拐弯处，将机器人整体正直转到与L型弯管处于同一平面内，打开前车体的抱管机构，通过舵机的驱动将前车体抬起90°，并使前车体的底面对着弯管另一段，再驱动后车体向前运行；

第二步：当前车体接触到弯管道另一段时，操作前车体抱管行走机构抱住管道；

第三步：然后打开后车体的抱管行走机构，再驱动前车体在弯管的另一段上向前运行，当运行到前车体身后的空间满足后车体的长度时，驱动舵机将后车体落下并抱住管道，完成L型管道换道。

本发明的机器人根据工作方法要求可合理编排其运行程序，可在各种姿态的管道或圆柱体外表面上行走，来满足对管道及各种圆柱型体工件的外部连续检测、维护或修复等需要。通过更换不同的支撑滚轮与行走滚轮的直径，一套机器人机构可以满足不同管径管道场合的应用。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明在直管上运行的整体结构视图。

图2是图1视图的A向视图。

图3是图2视图打开抱管行走机构时的状态图。

图4是本发明跨越十字型管接头时的状态仰视立体图。

图5是本发明在L型管接头处换管道时的状态图。

图6是本发明模拟抱管的仰视图。

附图中：

1-前车体，2-后车体，3-直线电机体，4-螺杆轴，5-后支撑轮，6-前支撑轮，7-左行走滚轮，7’-右行走滚轮，8-左舵机，8’-右舵机，9-管道，10-左行走滚轮支架，10’-右行走滚轮支架，11-左连杆，11’-右连杆，12-驱动盘，13-连杆架，14-摆动架，15-舵机，16-车体架。

具体实施方式

参照图1-图6对本发明的一个实施例进一步说明。为叙述方便，下面以在平管道的顶面上向左行走为前进方向，描述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的管外行走机器人机械结构由前车体1和后车体2组成，前车体1和后车体2通过一个平面铰链机构铰连接在一起；所述的平面铰链机构如图1所示，它是在一个舵机15的驱动轴两端安装上摆动架14，摆动架14与前车体1固接，舵机15与后车体2固接，在舵机15的驱动下实现前后车体1、2间的上下相对摆动，如图5所示；

所述的前车体1和后车体2构造相同，均在车体架16的底面中心轴线上安装有前支撑轮6和后支撑轮5，在车体架16的底面两侧安装有抱管行走机构；

所述的抱管行走机构的构造从图2、图3更能说明，图2、图3仅显示出后车体2抱管行走机构，前车体1抱管行走机构与后车体2抱管行走机构相对称；从图2、图3看出，后车体2抱管行走机构是在车体架16上固定安装一个直线电机体3，直线电机体3的芯部是一根螺杆轴4，螺杆轴4的底端伸到车体架16下面，并在螺杆轴4下端固定安装有驱动盘12，驱动盘12套上连杆架13，连杆架13上左右对称铰接有左连杆11和右连杆11’，左连杆11和右连杆11’的外端分别铰接上左行走滚轮支架10和右行走滚轮支架10’，左行走滚轮支架10和右行走滚轮支架10’的顶端各自铰接在车体架16上；左行走滚轮支架10上安装有左舵机8和左行走滚轮7，右行走滚轮支架10’上安装有右舵机8’和右行走滚轮7’，左舵机8和右舵机8’可以输出旋转运动，分别带动左行走滚轮7和右行走滚轮7’转动；从图2和图3看出，左行走滚轮7和右行走滚轮7’呈八字形布置，向内合拢时左右行走滚轮的底部距离小于被行走管道的直径；向外张开时左右行走滚轮的底部距离大于被行走管道的直径，如图3所示。在直线电机体3驱动电机螺杆轴4向下运动时，连杆架13推动左11和右连杆11’向外张开，进而推动左行走滚轮7和右行走滚轮7’向外张开，使滚轮脱开行走管道9，反之，左右行走滚轮向内合拢，抱住管道9，并在左舵机8和右舵机8’带动下抱管行走，以实现车体的前后运行。

如图1、图2所示，车体顶部的后支撑轮5与左行走滚轮7和右行走滚轮7’形成三个支撑点；车体顶部的前支撑轮6与左行走滚轮7和右行走滚轮7’形成三个支撑点；三点在管道圆周上呈三角布置，以保证抱紧管道与行走的稳定性。

从图1、图6看出，前车体1和后车体2组装后，前后车体左行走滚轮呈八字形布置；而且前车体1的后支撑轮5和后车体2的前支撑轮6之间留有一定的距离，以保证本发明能跨越一定尺寸的管道障碍。

本发明管外行走机器人工作方法有以下四种情况：

第一种情况：在直管道上前行或后行

操作前车体1和后车体2的四个行走滚轮同速度向前滚动或向后滚动，实现前行或后行；

第二种情况：绕管道左右转圈

操作前车体的左行走滚轮7和后车体和右行走滚轮7’同速度向前滚动，同时，操作前车体的右行走滚轮7’和后车体的左行走滚轮7同速度向后滚动，实现向右转圈运行；反之，实现向左转圈运行；

第三种情况：跨越十字型管道节

第一步：在十字型管道节处，将机器人车体的上平面转到与十字型管道所处平面平行的平面内，打开前车1体的抱管行走机构，通过舵机15的驱动，将前车体1抬起脱离原来的管道，再驱动后车体2向前运行，使前车体1跨越十字型管道节；

第二步：通过舵机15的驱动，将前车体1落下，操作前车体1抱管行走机构抱住管道9，打开后车体2的抱管行走机构，并抬起后车体2，再驱动前车体1向前运行，使后车体2跨越十字型管道节，将后车体2落下，操作后车体2抱管行走机构抱住管道9；继续向前行走。如图4所示。

第四种情况：在L型弯管道换道

第一步：当走到L型弯管道拐弯处，将机器人整体正直转到与L型弯管处于同一平面内，打开前车体1的抱管行走机构，通过舵机15的驱动将前车体1抬起90°，并使前车体1的底面对着弯管另一段，再驱动后车体2向前运行；

第二步：当前车体1接触到弯管道另一段时，操作前车体1抱管行走机构抱住管道9；

第三步：然后打开后车体2的抱管行走机构，再驱动前车体1在弯管的另一段上向前运行，当运行到前车体1身后的空间满足后车体2的长度时，驱动舵机15将后车体2落下并抱住管道，完成L型管道换道。如图5所示。

Claims (2)

1.一种管外行走机器人机械结构，其特征在于，它由前后两节车体组成，两节车体通过一个平面铰链机构铰连接在一起；其中：

所述的平面铰链机构是在一个舵机的驱动轴两端安装上摆动架，摆动架与前节车体铰接，舵机与后节车体固定，在舵机的驱动下实现前后两节车体间的上下相对摆动；

所述的前后两节车体的构造相同，具体构造是，在车体架的底面中心轴线上安装有前、后支撑轮，在车体架的底面两侧安装有抱管行走机构；

所述的抱管行走机构的构造是，在车体架上固定安装一个直线电机体，直线电机体的芯部是一根螺杆轴，螺杆轴与车体架垂直关系，螺杆轴的底端固定安装有驱动盘，驱动盘顶部套上连杆架，连杆架上左右对称铰接两个连杆，两个连杆的外端分别铰接上行走滚轮支架，每个行走滚轮支架的顶端各自铰接在车体架上；行走滚轮支架上安装有旋转电机带动的行走滚轮；前后两节车体的行走滚轮的安装轴线对称呈八字形布置，每节车体的左右行走滚轮的安装轴线呈八字形布置，在直线电机体螺杆轴向下运动时，连杆架推动两个连杆向外张开，进而推动左右行走滚轮支架向外张开，使行走滚轮脱开管道，反之，左右行走滚轮支架向内合拢，使行走滚轮抱住钢管，并在旋转电机带动下抱管行走，以实现车体的前后运行。

2.如权利要求1所述的管外行走机器人机械结构的工作方法，其特征在于，它包括以下四种情况：

第一种情况：在直管道上前行或后行：

操作前后两节车体的四个行走滚轮同速度向前滚动或向后滚动，实现前行或后行；

第二种情况：绕管道左右转圈：

操作前节车体左行走滚轮和后节车体右行走滚轮同速度向前滚动，同时，操作前节车体右行走滚轮和后节车体左行走滚轮同速度向后滚动，实现向右转圈运行；反之，实现向左转圈运行；

第三种情况：跨越十字型管道节：

第一步：在十字型管道节处，将机器人车体的上平面转到与十字型管道所处平面平行的平面内，打开前节车体的抱管行走机构，通过舵机的驱动，将前节车体抬起脱离原来的管道，再驱动后节车体向前运行，使前节车体跨越十字型管道节；

第二步：通过舵机的驱动，将前节车体落下，操作前节车体抱管行走机构抱住管道，打开后节车体的抱管行走机构，并抬起后节车体，再驱动前节车体向前运行，使后节车体跨越十字型管道节，将后节车体落下，操作后节车体抱管行走机构抱住管道；继续向前行走；

第四种情况：L型弯管道换道：

第一步：当机器人从L型弯管的一段走到L型弯管道拐弯处时，将机器人整体正直转到与L型弯管处于同一平面内，打开前节车体的抱管机构，通过舵机的驱动将前节车体抬起90°，并使前节车体的底面对着弯管另一段，再驱动后节车体向前运行；

第二步：当前节车体接触到弯管道另一段时，操作前节车体抱管行走机构抱住管道；

第三步：然后打开后节车体的抱管行走机构，再驱动前节车体在弯管的另一段上向前运行，当运行到前节车体身后的空间满足后节车体的长度时，驱动舵机将后节车体落下并抱住管道，完成L型管道换道。

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