CN103672290B - 全驱蠕动式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的全驱蠕动式管道机器人包括单元节和连接单元节的万向节，单元节包括安装架、轮腿组件、锁止组件和传动组件，轮腿组件、锁止组件和传动组件安装于安装架上，其中轮腿组件用于支撑机器人在管道内壁行走，锁止组件用于锁定单元节，传动组件用于根据电机驱动带动锁止组件动作和单元节相对运动。有益效果在于：单元节中采用的具有内外螺纹的螺管和传动丝杆与锁紧架配合，通过电机驱动其正反转，实现了前后单元节交替锁止。并使机器人产生伸缩前进或后退运动。本发明采用单电机驱动方式，有效的减少了动力源，缩小了机器人体积，减小了能耗，使之更适用于小直径，远距离管道内使用，在管道检测、管道维护等方面有广阔的应用前景。

Description

全驱蠕动式管道机器人

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，涉及一种管道行走装置，特别涉及一种管道用全驱动的蠕动式管道机器人。

背景技术

随着社会经济的快速发展，管道作为一种重要的输送方式在石油、天然气、排水给水工程以及通风系统中发挥着重要作用。随着管道使用年限的增加，管道将不可避免的出现老化、裂缝、腐蚀以及淤积等问题。如不及时预防处理而导致事故发生将势必带来一定的经济损失，也将对环境造成严重污染。因此，为了保障管道的安全与畅通无阻的工作，定期的对现有管道进行勘查与维护，就显得非常必要了。而一般管道所处位置是人手所不能及的，管道机器人的出现就恰好解决了这个问题。

目前，管道机器人按驱动方式的不同主要分为介质压差驱动、轮式驱动、爬行式驱动、腹壁式驱动、行走式驱动、蠕动式驱动和螺旋式驱动七种。而应用最为广泛主要驱动方式是轮式、蠕动式和螺旋式三种。其中，蠕动式管道机器人是通过模拟蚯蚓、毛毛虫等尺蠖类动物的伸缩运动而实现移动的，其研究也最为引人注目。目前，其实现形式有多种，主要有气压伸缩驱动、形状记忆合金伸缩驱动、电磁吸合驱动等。已研制的蠕动式管道机器人大多是由多单元节组成，每个单元节由若干保持轮架和一个锁止机构构成，运动过程中机器人需要完成运动锁止与伸缩移动两个动作，故至少需要两个动力源。而增加一个动力源将势必增大机器人的体积，若要求机器人能够适用于小直径管道，那如何解决多动力源要求与小体积要求之间的矛盾，成为实施过程中的关键点。

发明内容

本发明为了解决上述现有的蠕动式管道机器人的运动和锁止需要单独提供动力的问题，提出了一种由单一动力驱动的全驱蠕动式管道机器人。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：全驱蠕动式管道机器人，包括单元节和连接单元节的万向节，其特征在于，单元节包括安装架、轮腿组件、锁止组件和传动组件，轮腿组件、锁止组件和传动组件安装于安装架上，其中轮腿组件用于支撑机器人在管道内壁行走，锁止组件用于锁定单元节，传动组件用于根据电机驱动带动锁止组件动作和单元节相对运动。

进一步的，相邻单元节的传动组件之间通过钢丝软轴连接，用于根据单个动力源实现单元节全驱动。

进一步的，传动组件包括螺纹管、丝杆和传动齿轮，螺纹管具有管内螺纹和位于螺纹管两端旋向相反的两组管外螺纹，管内螺纹与丝杆螺纹匹配，用于根据电机驱动螺纹管转动的传动齿轮与螺纹管固定连接，丝杆一端与万向节相连接；锁止组件包括由两直杆在一端铰接组成的V型伸缩杠杆，其中铰接端包括锁紧橡胶块，两直杆的另一端分别与一内螺纹滑块铰接，内螺纹滑块分别与螺纹管两端的管外螺纹螺纹连接。

进一步的，两内螺纹滑块之间设置有用于使内螺纹滑块与螺纹管管外螺纹接触的弹簧。

进一步的，轮腿组件包括与安装架连接的套筒，套筒内的调压弹簧和轮子，所述调压弹簧用于将轮腿抵紧在管道内壁。

进一步的，锁紧组件采用可调锁紧橡胶组件替代锁紧橡胶块，可调节锁紧橡胶组件包括与V型伸缩杠杆铰接端铰接的两个橡胶块和连接两橡胶块中部的弹簧。

进一步的，驱动电机与传动组件之间通过钢丝软轴连接。

进一步的，上述单元节包括三组轮腿组件和锁止组件，以120°间隔安装在安装架周围。

进一步的，上述内螺纹滑块之间的弹簧在滑块距离取较小值时被压缩，取较大值时被拉伸。

本发明的有益效果：本发明的机器人采用单电机驱动，利用钢丝软轴的传动距可变性将电机的输出力矩传递到各个移动单元节，保证了各单元节的驱动同步性。另外，单元节中采用了具有内外螺纹的螺管和传动丝杆与锁紧架配合，通过电机驱动其正反转，实现了前后单元节交替锁止。并使机器人产生伸缩前进或后退运动。本发明采用单电机驱动方式，有效的减少了动力源，缩小了机器人体积，减小了能耗，使之更适用于小直径，远距离管道内使用，在管道检测、管道维护等方面有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的全驱蠕动式管道机器人结构示意图；

图2是图1所示机器人的轴向视图；

图3是本发明的全驱蠕动式管道机器人单元节的结构示意图；

图4是本发明优选实施例的全驱蠕动式管道机器人单元节的剖视图；

图5是本发明优选实施例的全驱蠕动式管道机器人锁止组件安装原理图；

图6是本发明的机器人的工位示意图，其中A和B为机器人工作的两个不同工位。

附图标记说明：单元节1，安装架11，轮腿组件12，轮子121，弹簧122，锁止组件13，直杆131，橡胶块132，弹簧133，弹簧134，万向节2，驱动电机3，钢丝软轴4，传动组件5，齿轮51，螺纹管52，丝杆53。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述，附图及实施例为与本发明原理相同的优选实施方式。

如图1至图5所示，本实施例的全驱蠕动式管道机器人，包括单元节1和连接单元节的万向节2。单元节具体包括安装架11、轮腿组件12、锁止组件13和传动组件5。轮腿组件、锁止组件和传动组件安装于安装架上，其中轮腿组件用于支撑机器人在管道内壁行走，锁止组件用于锁定单元节，传动组件用于根据驱动电机3带动锁止组件动作和单元节相对运动，即实现蠕动式运动。相邻单元节的传动组件之间通过钢丝软轴4连接，用于根据单个动力源实现单元节全驱动。所述钢丝软轴采用双向传动钢丝软轴，可实现正反力矩的传递。

本实施例的锁止组件的具体实现方案是，传动组件包括螺纹管52、丝杆53和传动齿轮51，螺纹管52具有管内螺纹和位于螺纹管两端旋向相反的两组管外螺纹，管内螺纹与丝杆螺纹匹配，用于根据电机驱动螺纹管转动的传动齿轮与螺纹管固定连接，丝杆与万向节相连接；锁止组件包括由两直杆131在一端铰接组成的V型伸缩杠杆，其中铰接端包括锁紧橡胶块，两直杆的另一端分别与一内螺纹滑块铰接，内螺纹滑块分别与螺纹管两端的管外螺纹螺纹连接。优选的，两内螺纹滑块之间设置有用于使内螺纹滑块与螺纹管管外螺纹始终保持接触的弹簧133。轮腿组件包括与安装架连接的套筒，套筒内的调压用弹簧122和轮子121，所述弹簧用于使轮子压迫管道内壁。

锁紧组件采用可调锁紧橡胶组件替代锁紧橡胶块，可调节锁紧橡胶组件包括与V型伸缩杠杆铰接端铰接的两个橡胶块132和连接两橡胶块中部的弹簧134。驱动电机与传动组件之间通过钢丝软轴连接。在通常管道环境下，上述单元节以设置三组轮腿组件和锁止组件并以120°间隔安装在安装架周围为最佳。

为了使本发明的方案更加清楚，以下结合上述管道机器人的工作过程对本发明的原理做进一步说明：

本实施例的单电机驱动的全驱蠕动式管道机器人，包括前后两单元节，如图1所示。

其中设置于内螺纹滑块之间和轮腿组件内部的弹簧为压簧，设置于橡胶块之间的弹簧为拉簧。V型伸缩杠杆的两端安装在内螺纹滑块上，当两内螺纹滑块相互靠近时，V型伸缩杠杆的铰接端向外延伸，在机器人运动过程中，V型伸缩杠杆向外延伸的橡胶块可压迫管壁实现单元节锁止。机器人中，单元节的螺纹管内布置有一传动丝杠，所述传动丝杠一端固定有防松螺母，另一端与一双向万向节连接，此万向节为连接相邻单元节的万向节。双向万向节的另一端与后单元节的支撑板连接，所述支撑板为安装架的一部分，与安装架相对固定。

本实施例的机器人工作原理为：电机通过两个钢丝软轴驱动前后单元节的螺管同步转动，由于螺纹管管外的螺纹旋向相反长度相同，通过将两螺管相对布置可以使得当电机正转时，后单元节上螺纹管上的锁止组件的内螺纹滑块在管外螺纹的作用下逐渐旋合，V型伸缩杠杆开始升起，并促使橡胶块挤压管壁。由于有缓冲弹簧（橡胶块之间的弹簧）的存在，挤压力逐渐增大，直到锁止安装架旋出管外螺纹段，挤压力将保持不变，而螺纹管继续旋转，在锁止组件固定下的单元节将保持在原地不动。此时螺纹管也在同步旋转，由于此时外螺纹沿着退出旋合的方向转动，所以锁止组件将保持在原地，而螺管的内螺纹与内置丝杆在不断旋合，丝杆与后单元节固连，此时若前单元节的螺管旋向与丝杆螺纹爬升方向一致，则旋合产生的反作用力将推动前单元节前进，反之，将使前单元节后退。待电机正转达到设定时间后即前单元节可移动的有效移动距离为零时，电机反转，此时前单元节螺管上的锁止架将逐步升起，将前单元节与管壁锁止，而后单元节将通过丝杠的反作用力来实现前进或后退。

轮腿组件一方面用于支撑前后两单元节使其轴线尽可能与管道轴线重合，另一方面当两单元节发生伸缩时可以单元节更顺畅的进行前后移动，另外，采用弹性轮腿一方面是为了使机器人能适应一定直径范围内的管道，另一方面也是出于能跨越一定障碍物的考虑。

上述内螺纹滑块之间的弹簧在滑块距离取较小值时被压缩，取较大值时被拉伸。

锁止组件主要是用于使单元节与管壁之间发生运动锁止，该机构中的两个锁止连杆（直杆）分别与锁止杆安装座（内螺纹滑块）通过铰链连接。另外，橡胶块之间的弹簧刚度适中，其作用一方面是为了使机器人能适应一定范围内不同管径的管道，另一方面是为了当与管壁发生挤压时，既能提供大的锁紧力又避免了因刚体的直接接触挤压而致使某些零件或机构变形或毁坏。

后单元节与前单元节机构基本相同，其区别在于后单元节的双螺纹螺管不与丝杆铰接，且前后单元的双螺纹螺管安装方向相反，以使两单元节中的移动锁止机构交替进行移动锁止。

本机器人只含有一条驱动链，驱动电机通过电机安装板安装在安装架上，由于驱动电机与传动齿轮的轴线不同轴，故采用钢丝软轴进行连接，将电机输出的力矩输入到传动齿轮以驱动螺纹管旋转。同时，采用钢丝软轴连接后单元节传动齿轮和前单元节传动齿轮，以将电机的输出力矩输入到前单元节，驱动前单元节中的双螺纹螺管旋转。采用钢丝软轴的益处在于：既适用于非同轴传动系统，又适用于不定传动间距的传动系统。

参见图6的A和B，机器人进入管道后，启动驱动电机，通过两段钢丝软轴驱动前后单元节的双螺纹螺管（螺纹管）旋转，此时两螺管旋转方向相同，则必有一个螺管的旋转方向与套在其上的内螺纹滑块螺纹旋向一致，而另一螺管的旋转方向必与其对应的内螺纹滑块螺纹旋向相反。又由于存在预紧弹簧使螺管外螺纹面与内螺纹滑块螺纹面始终贴合，所以此时必有一个内螺纹滑块的螺纹开始与螺管外螺纹旋合，而另一个由于旋向相反，就只能保持在原地不动，其结果是必有一个移动锁止组件逐渐扩张并与管壁开始接触并开始与管壁发生挤压，由于螺管的外螺纹长度一定，待该段外螺纹旋合完毕，与管壁的挤压过程也结束，此时移动锁止架与管壁达到最大挤压程度，依靠其挤压力使该单元节与管壁锁止，压簧与两个内螺纹滑块之间的作用力表现为压力，螺管继续旋转，而此后该移动锁止架状态不发生变化；

若前单元节发生锁止，其后在电机驱动下螺管继续沿原方向旋转，由于前单元节螺管内部螺纹与丝杆铰接，当螺管旋转却保持不动时，螺管内螺纹必对丝杆螺纹产生作用力，驱动丝杆向前爬升前进，由于后单元节未发生锁止，故在丝杆牵引下向前移动，待丝杆可移动的有效距离结束后（即到达丝杆末端）电机停转，此时前进过程结束。

紧接着电机反转，同理，后单元节发生移动锁止，此时，前单元节的螺管反向转动，移动锁止架处于未锁止状态且保持不动，螺管反向转动必与丝杆产生作用力，而此时丝杆与后单元节固接即处于锁止状态，则螺管对丝杆产生的作用力必反作用于前单元节，驱使其向前移动，待有效移动距离结束，电机停转。此时一个完整的前移动作结束。

单电机蠕动管道机器人的前进过程就是有由无数个这种前移动作重复执行而实现的，同样，机器人后退也是采用相同的原理实现的。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权利要求书的保护范围来限定。

Claims (7)

1.全驱蠕动式管道机器人，包括单元节和连接单元节的万向节，其特征在于，单元节包括安装架、轮腿组件、锁止组件和传动组件，轮腿组件、锁止组件和传动组件安装于安装架上，其中轮腿组件用于支撑机器人在管道内壁行走，锁止组件用于锁定单元节，传动组件用于根据电机驱动带动锁止组件动作和单元节相对运动；

传动组件包括螺纹管、丝杆和传动齿轮，螺纹管具有管内螺纹和位于螺纹管两端旋向相反的两组管外螺纹，管内螺纹与丝杆螺纹匹配，用于根据电机驱动螺纹管转动的传动齿轮与螺纹管固定连接，丝杆一端与万向节相连接；锁止组件包括由两直杆在一端铰接组成的V型伸缩杠杆，其中铰接端包括锁紧橡胶块，两直杆的另一端分别与一内螺纹滑块铰接，内螺纹滑块分别与螺纹管两端的管外螺纹螺纹连接；轮腿组件包括与安装架连接的套筒，套筒内的调压弹簧和轮子，所述调压弹簧用于将轮腿抵紧在管道内壁。

2.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，相邻单元节的传动组件之间通过钢丝软轴连接，用于根据单个动力源实现单元节全驱动。

3.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，两内螺纹滑块之间设置有用于使内螺纹滑块与螺纹管管外螺纹接触的弹簧。

4.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，锁止组件采用可调锁紧橡胶组件替代锁紧橡胶块，可调节锁紧橡胶组件包括与V型伸缩杠杆铰接端铰接的两个橡胶块和连接两橡胶块中部的弹簧。

5.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，驱动电机与传动组件之间通过钢丝软轴连接。

6.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，单元节包括三组轮腿组件和锁止组件，以120°间隔安装在安装架周围。

7.根据权利要求1至6之任一项权利要求所述的管道机器人，其特征在于，内螺纹滑块之间的弹簧在滑块距离取较小值时被压缩，取较大值时被拉伸。