CN102975783B - 单轮式管外爬管机器人 - Google Patents

Abstract

本发明创造公开了一种单轮式管外爬管机器人，可以通过直管、弯管和十字架弯道并且可以围绕管道旋转的爬管机器人，可以用于管道探伤等工作，其特征是：它包含驱动装置、抱臂装置和平行调节装置，驱动装置在中间，两侧均对称布置抱臂装置和平行调节装置。驱动装置包含一个内置电机的运动轮、转向机构和用于放置控制装置和探伤仪器的基体平板，转向机构使得本爬管机器人可以围绕管道360度运动；抱臂装置可根据管道直径调节其抱臂的长度，使得爬管机器人牢靠地在管道上运行；平行调节装置使得基体平板始终与机器人所爬行的管道平行，方便放置探伤仪器进行探伤工作等。

Description

单轮式管外爬管机器人

技术领域

本发明涉及管道检测领域和机器人领域，尤其是能够通过直管、弯管和十字形管道，并能够围绕管道旋转360度的管外爬行机器人。

背景技术

目前，管道机器人以管内的居多，管外的比较少，而且管外爬行机器人在通过弯道尤其是十字架弯道时非常困难。当人们在对管外探伤，尤其是对小直径管道和高度比较高的管道探测时需要人工架梯子进行检测，费时费力，而且有些地方管道比较密集，人很难过得去，所以非常不方便。

发明内容

本发明创造要解决的问题是：爬管机器人很难通过直管、弯管和十字形管道，并围绕管道旋转360度。

其技术解决方案：

一种单轮式管外爬管机器人，包含驱动装置、平行调节装置和抱臂装置，驱动装置的运动轮与管道外壁接触，平行调节装置和抱臂装置均分别对称安装在驱动装置两侧。

所述的驱动装置包含基体支板、基体平板、转向电机、转向电机齿轮、轨道圆环、运动轮、下轮壳、上轮壳、电机夹具上壳、运动轮电机、电机夹具下壳和运动轮支撑，运动轮电机装入由电机夹具上壳和电机夹具下壳构成的电机夹具中，电机夹具安装在由上轮壳和下轮壳构成的运动轮壳中，电机夹具与运动轮壳之间可以相对旋转，运动轮电机上安装有齿轮与上轮壳内壁的轮齿进行内啮合，运动轮电机旋转时将带动运动轮壳转动；电机夹具两侧均有凸台与运动轮支撑联接，运动轮支撑联接在轨道圆环内壁的轨道上，安装在基体平板上的转向电机主轴上的齿轮与运动轮支撑上部的齿轮内啮合，当转向电机工作时将使得运动轮转向；基体支板安装在基体平板两侧，基体支板与平行调节装置连接。

所述的平行调节装置包含其包含连接体、小型筒式电磁铁和背帽，连接体右侧通过螺钉与抱臂装置连接，背帽的螺纹旋入基体支板的圆柱凸台中，小型筒式伸缩电磁铁得电可收缩。

所述的抱臂装置(左侧抱臂装置仅比右侧抱臂装置少支架电机)包含抱臂提升电机、支架电机、抱臂托板、抱臂基体、抱臂支架和抱臂提升齿轮，抱臂提升电机主轴上有齿轮与抱臂提升齿轮的大齿轮形成外啮合齿轮传动，抱臂支架侧边有齿条与抱臂提升齿轮的小齿轮形成外啮合齿轮传动，抱臂提升齿轮的大小齿轮固定为一体；抱臂托板安装在抱臂支架的方形孔中，抱臂托板上侧有齿条与支架电机啮合，支架电机运转则推动抱臂托板运动并插入另一侧抱臂装置的抱臂支架方形孔中；抱臂托板中间设有双列v形板用以很好的支托管道，且v形板嵌入滚珠(v形板分两层，上面一层钻有很多直径略小于滚珠直径的孔，滚珠置于两层板中间)，使得抱臂抱紧管道时管道与滚珠接触，摩擦力非常小。

本发明创造具有以下有益技术效果：

本爬管机器人可以通过直管、弯管、十字形弯道以及围绕管道外壁旋转运动，从而使得人们对比较复杂、高度较高以及布置比较密集的管道进行方便的探测，原理简单，使用方便。

仅仅使用一个内置电机的运动轮作为运动的装置，运动自如，利于机器人非常方便的过弯道；抱臂装置可以根据不同的管道直径自动调整长度，确保本机器人能够牢靠地在管道上运行；平行调节装置可以使得人们在基体平板上放置探测仪、控制装置等。

附图说明

图1：本发明创造的布局图，为了清晰表达和说明，图中省去了管道和3个303抱臂托板。

图2：图1所示的1.驱动装置：图2(a).驱动装置布局图，图2(b).驱动装置布局视图，图2(c).转向示意图，图2(d).运动轮布局图，图2(e).运动轮结构布局视图。

图3：图1所示的2.平行调节装置，图3(f).平行调节装置布局图，图3(g).平行调节示意图。

图4：图1所示的3.右侧抱臂装置，图4(h).右侧抱臂装置布局图，图4(i)去抱臂基体的右侧抱臂装置布局图，图4(j).去抱臂支架的抱臂基体内部示意图，图4(k).抱臂支架下部放大图。

图5：爬管机器人运动简易示图。

上述附图中，1.驱动装置，2.平行调节装置，3.抱臂装置；

101.基体支板，102.基体平板，103.转向电机，1031.转向电机齿轮(与电机主轴联接)，104.轨道圆环，105.运动轮，1051.下轮壳，1052.上轮壳，1053.电机夹具上壳，1054.运动轮电机，1055.电机夹具下壳，106.运动轮支撑架；

201.连接体，202.小型筒式伸缩电磁铁，203.背帽；

301.抱臂提升电机，302.支架电机，303.抱臂托板，304.抱臂基体，305.抱臂支架，306.抱臂提升齿轮，501和502均代表抱臂中间圆圈代表运动轮，A、B、C、代表三根管道，q、r、s、t代表爬管机器人的四个位置。

具体实施方式

一种管外爬管机器人，包含驱动装置、平行调节装置和抱臂装置，驱动装置的运动轮与管道外壁接触，平行调节装置和抱臂装置分别对称安装在驱动装置两侧，其中抱臂装置的抱臂托板设有v形板，抱臂装置抱紧管道使得运动轮与管道之间产生合适的摩擦力；另外探伤工作要求机器人在焊接处可以围绕管道顺着焊接处进行旋转运动，当本机器人沿着管道平直运动到达焊接处停止后，驱动装置的转向机构将使得运动轮转向90度，然后运动轮的驱动电机运转，从而使本机器人整体沿着焊接处围绕管道旋转。

下面结合附图对本发明具体说明如下：

图2所示的驱动装置，其包含101.基体支板、102.基体平板、103.转向电机、1031.转向电机齿轮(与电机主轴联接)、104.轨道圆环、105.运动轮、1051.下轮壳、1052.上轮壳、1053.电机夹具上壳、1054.运动轮电机、1055.电机夹具下壳和106.运动轮支撑架。

其中，机器人转向运动功能的实现：参照图2(a).驱动装置布局图、图2(b).驱动装置爆炸视图和图2(c).转向示意图，101.基体支板、102.基体平板和104.轨道圆环由螺钉固定连接在一起，106.运动轮支撑架上部的齿轮与1031转向电机齿轮形成内啮合传动，104.轨道圆环内壁有一圆轨道，06运动轮支撑架安装在这轨道中，当103转向电机动作时，便可由内啮合齿轮传动带动106运动轮支撑架以此轨道运动，带动105运动轮转向，此后105运动轮自转，机器人便可围绕管道作旋转运动。

其中，机器人前后运动功能的实现：参照图2(d).运动轮布局图和图2(e).运动轮结构爆炸视图，1054.运动轮电机装入1055.电机夹具下壳中，然后加盖1053.电机夹具上壳，再装入1051.下轮壳和1052.上轮壳，其中，1055.电机夹具下壳可以容纳1054.运动轮电机和电线，电机夹具两侧的方形凸台为空心凸台，电线由此引出；1054.运动轮电机主轴上带有齿轮，1052.上轮壳内壁为齿轮，两齿轮形成内啮合，电机夹具与轮壳之间为小间隙配合，中间加入润滑油或者采取加入滚珠的形式；1055电机夹具下壳和1053电机夹具上壳构成的电机夹具两侧的方形凸台与106运动轮支撑连接，当电机夹具固定，1054.运动轮电机动作时，便可由内啮合齿轮传动带动轮壳运动，从而可以实现机器人的前后运动。

图4所示的右侧抱臂装置(左侧抱臂装置仅比它少302支架电机)，图4(i)和图4(j)中左右两个抱臂提升齿轮与中心轴没有键配合，中心轴仅起支撑作用，不能传递动力，下方的301抱臂提升电机主轴装有齿轮与右侧306抱臂提升齿轮形成外啮合齿轮传动，305抱臂支架侧边有齿条与306抱臂提升齿轮形成外啮合齿轮传动，301抱臂提升电机旋转将由306抱臂提升齿轮带动305抱臂支架提升或下落；303抱臂托板安装在305抱臂支架的方形孔中，303抱臂托板上侧有齿条与302支架电机啮合，302支架电机运转则推动303抱臂托板运动并插入另一侧抱臂装置的抱臂支架方形孔中；303抱臂托板中间设有双列v形板用以很好的支托管道，且v形板嵌入滚珠(v形板分两层，上面一层钻有很多直径略小于滚珠直径的孔，滚珠置于两层板中间)，使得抱臂抱紧管道时管道与滚珠接触，摩擦力非常小。

图5所示爬管机器人运动简易示图，机器人所在q位置，102基体平板与A管道平行，当机器人沿A管运动到B管附近时，502抱臂抱紧B管道501抱臂松开，机器人到达r位置，此时102基体平板与B垂直，当机器人运动到C管附近时，由于102基体在运动轮正上方，即102基体平板夹在运动轮与C管之间，因而机器人无法爬到C管上，这就要求需要调节102基体平板平板的方向，使其与B管平行，即s位置所示，运动到C管道上后再调节102基体平板的位置，如t位置所示，即机器人每过一弯道均要旋转102基体平板90度，使之与管道平行。

图3所示的平行调节装置，其包含201.连接体、202.小型筒式伸缩电磁铁和203。背帽，201连接体右侧与抱臂装置连接，203.背帽的螺纹旋入101基体支板中，101基体支板、201连接体和203背帽之间加入润滑油；202小型筒式电磁铁得电收缩后201连接体与101基体支板之间便具有相对旋转的自由度，由于抱臂抱紧管道，105运动轮与管道之间的摩擦力要远大于201连接体与101基体支板和203背帽之间的摩擦力，则当1054运动轮电机转动时，105运动轮的轮壳与管道保持相对静止，1054运动轮电机将和电机夹具旋转，电机夹具的方形凸台带动106运动轮支撑、104轨道圆环运动从而带动102基体平板运动，此时202小型筒式伸缩电磁铁失电伸开穿入101基体支板的孔中，从而完成了102基体平板与管道保持平行的调节。

下面结合图5说明本发明创造主要功能的实现：

沿着A管左右运动：我们把本爬管机器人放在A管q位置，501抱臂在其中一个301抱臂提升电机的作用下下落并且下落到最低处(可以由限位开关控制)，在302支架电机作用下303抱臂托板运动并插入另一侧抱臂装置的305抱臂支架的方形槽里面，接着305抱臂支架在301抱臂提升电机的作用下提升使得303抱臂托板抱紧管道(抱紧力度可以由测力传感器控制)，然后运动轮在1054运动轮电机的作用下运动，从而机器人可以沿着A管左右运动。

由A管运动到B管：本爬管机器人由A管运动到B管附近时502抱臂在另一个301抱臂提升电机的作用下前伸至最前方，302抱臂托板动作，接着305抱臂支架后缩，从而抱紧管道，此时501抱臂下落，303抱臂托板缩回，501抱臂提升，运动轮转动，则机器人由A管运动到了B管。

由B管运动到C管：本爬管机器人运动到B、C管间的拐角处后，抱臂几乎没有动作，当B、C管直径不同时，502抱臂的伸缩将受测力传感器来控制，便可轻松地由B管运动到C管。

由A管右侧经B管运动到A管左侧：方式1，由A管右侧运动到B管上部，然后本机器人的运动轮在103转向电机的作用下转向90度，运动轮运动让本爬管机器人围绕B管旋转180度，运动轮在103转向电机的作用下反转向90度，再从B管上部运动到A管左侧；方式2，做两个相同的爬管机器人，前后各放置一个，用连杆将这两个机器人连接起来，首先两个机器人同时围绕A管旋转180度，然后向A、B交叉处运动，到达交叉处附近时前面的爬管机器人抱臂松开，并且在后面爬管机器人的推动下越过交叉处，接着前面的爬管机器人抱臂动作抱紧管道，后面的机器人松开抱臂，然后前面的机器人把后面的机器人拉过交叉处，此时后面的机器人再抱紧管道，从而实现了由A管右侧经B管运动到A管左侧。

对管道上焊缝的检测：此检测要求放置探测仪器的102基体平板与管道平行，另外探测仪器可以围绕管道焊接处旋转一周，本爬管机器人可以在驱动装置的102基体平板上安装探测仪器，有平行调节装置使得102基体平板始终与管道平行，另外转向机构可以使本爬管机器人围绕管道旋转，因而可以完成对管道焊缝等的检测。

Claims (1)

1.一种单轮式管外爬管机器人，其特征是：此爬管机器人包含驱动装置、平行调节装置和抱臂装置，驱动装置的运动轮与管道外壁接触，平行调节装置和抱臂装置均分别对称安装在驱动装置两侧；

所述的驱动装置包含基体支板、基体平板、转向电机、转向电机齿轮、轨道圆环、运动轮、下轮壳、上轮壳、电机夹具上壳、运动轮电机、电机夹具下壳和运动轮支撑；运动轮电机装入由电机夹具上壳和电机夹具下壳构成的电机夹具中，电机夹具安装在由上轮壳和下轮壳构成的运动轮壳中，电机夹具与运动轮壳之间加入润滑油；运动轮电机上安装有齿轮与上轮壳内壁的轮齿进行内啮合，运动轮电机旋转时将带动运动轮壳转动；电机夹具两侧均有凸台与运动轮支撑联接，运动轮支撑联接在轨道圆环内壁的轨道上，安装在基体平板上的转向电机主轴上的齿轮与运动轮支撑上部的齿轮内啮合，当转向电机工作时将使得运动轮转向；基体支板安装在基体平板两侧，基体支板与平行调节装置连接；

所述的平行调节装置包含连接体、小型筒式电磁铁和背帽；连接体右侧通过螺钉与抱臂装置连接，背帽的螺纹旋入基体支板的圆柱凸台中，基体支板、连接体和背帽之间加入润滑油；小型筒式电磁铁得电可收缩；

所述的抱臂装置包含抱臂提升电机、支架电机、抱臂托板、抱臂基体、抱臂支架和抱臂提升齿轮；抱臂提升电机主轴上有齿轮，并与抱臂提升齿轮的大齿轮形成外啮合齿轮传动；抱臂支架侧边有齿条，并与抱臂提升齿轮的小齿轮形成外啮合齿轮传动；抱臂提升齿轮的大、小齿轮固定为一体；抱臂托板安装在抱臂支架的方形孔中，抱臂托板上侧有齿条与支架电机啮合，支架电机运转则推动抱臂托板运动，并插入另一侧抱臂装置的抱臂支架方形孔中；抱臂托板中间设有双列v形板用以支托管道，且v形板嵌入滚珠；所述的v形板分两层，上面一层钻有很多直径略小于滚珠直径的孔，滚珠置于两层板中间，使得抱臂装置抱紧管道时管道与滚珠接触。