CN104565674A - 液动蠕动式管道机器人牵引装置 - Google Patents

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张义
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Abstract

本发明涉及一种液压驱动蠕动式管道机器人牵引装置，可为油气管道、污水管道等管道作业机器人提供强大的牵引力。本装置主要由伸出仓、推进仓和推进油缸组成，其中：伸出仓主要由伸出仓仓体，伸出仓前仓盖、伸出仓支腿、伸出仓支架、伸出仓支撑杆、伸出仓支腿油缸、同步盘、同步盘滑动轴、伸出仓后仓盖组成；推进仓主要由推进仓仓体、推进仓前仓盖、推进仓支腿、推进仓支架、推进仓支撑杆、推进仓支腿油缸、同步盘、同步盘滑动轴、推进仓后仓盖组成。本发明采用液压作为动力源，能够为管道作业机器人提供充足的牵引力，保证管道机器人在管道中顺利行走。本发明具有结构简单、带载能力强、可靠性高、环境适应能力强等优点。

Description

液动蠕动式管道机器人牵引装置
技术领域
本发明涉及一种牵引装置，尤其是可用于油气管道、污水管道等特殊工作环境下，为管道机器人在管道内行走提供充足的动力，保证机器人在管道中顺利行走并完成管道作业的液动蠕动式管道机器人牵引装置。
背景技术
在现代社会和工程实践中，管道作为一种重要的物质物料传输手段，在石油、天然气、化工原料及生活污水等各个方面发挥着重要的作用。在管道铺设过程中管道对接、补口，焊缝检测等越加依赖管道机器人来完成。在管道运行维护过程中管道缺陷检测、修复，管道清理等管道工程问题随之增加，其对管道机器人的依赖程度更加不容忽视。
管道机器人作为一种高智能、高自动化的管内爬行设备伴随管道在工程上的广泛应用而迅速发展起来。管道机器人是工作在管道内特定空间的智能移动设备，它可以携带一种或多种设备和装置完成对管道缺陷检测、防腐层涂覆、异物清理、管内加工、管道对接补口等任务。其中主动管道机器人是应用最为广泛的一种管道机器人，分为轮式、蠕动式、履带式、脚式与步进式等形式。
主动管道机器人在管道内行走过程中需要牵引装置为机器人本体提供牵引力，保证机器人在管道内顺利行走。轮式管道机器人移动速度快、控制方便，但轮子与管道壁面接触面积小、越障能力差、容易发生打滑现象。履带式管道机器人承载能力大、对管道壁面的适应能力强、然而履带易于磨损、且结构复杂。腿式管道机器人越障能力较强、机动性好、管道适应能力也很强，但其足数和关节数多、控制过程复杂、移动速度也相对较慢，不易于工程实际应用。蠕动式管道机器人因带载能力强、运动平稳、控制简便、对管道适应能力强，广泛应用于对速度要求不高的管道实践领域。
发明内容
本发明解决的技术问题是：采用液压动力系统驱动支撑腿压紧管壁方式提供管道机器人在管道内运动所需的反力和反力矩，克服现有机器人牵引装置带载能力弱，结构复杂、环境适应性差等不足，提供了一种强带载能力、结构简单、安全可靠的蠕动式管道机器人牵引装置。
本发明采用的技术方案为：液动蠕动式管道机器人牵引装置，由伸出仓系统、推进仓系统和推进油缸组成，其中：伸出仓系统包括伸出仓前仓盖（1）、伸出仓支架（2）、伸出仓支腿（3）、伸出仓支撑杆（4）、伸出仓仓体（5）、伸出仓同步盘（6）、伸出仓后仓盖（7）、伸出仓支腿油缸固定座（8）、伸出仓支腿油缸（9）和伸出仓同步盘滑轴（10）；推进仓系统包括推进仓前仓盖（12）、推进仓支架（13）、推进仓支腿（14）、推进仓支撑杆（15）、推进仓仓体（16）、推进仓后仓盖（17）、同步盘滑轴（18）、推进仓同步盘（19）、推进仓支腿油缸（20）和推进仓支腿油缸固定座（21）；伸出仓前仓盖（1）和伸出仓后仓盖（7）通过螺栓和螺母固定在伸出仓仓体（5）的前、后两端，伸出仓支腿油缸固定座（8）通过内六角螺钉固定在伸出仓前仓盖（1）内侧面，同步盘滑轴（10）依靠伸出仓后仓盖（7）中心孔定位后通过螺钉固定在伸出仓后仓盖（7）的外侧面，伸出仓支腿油缸（9）一端通过销钉与固连在伸出仓支腿油缸固定座（8）上形成铰接转动副，另一端活塞杆端部阶梯螺纹部分穿过同步盘（6）后通过螺母固定拧紧，同步盘（6）与同步盘滑轴（10）构成滑动副约束，在伸出仓支腿油缸驱动下可沿同步盘滑轴（10）前后滑动，伸出仓支架（2）两端分别通过销轴与伸出仓支腿（3）和伸出仓仓体（5）构成活动铰接转动副和固定铰接转动副，伸出仓支撑杆（4）两端则分别与伸出仓支腿（3）和同步盘（6）构成活动铰接转动副，中间铰孔与伸出仓仓体（5）构成固定铰接转动副，系统以液压缸作为系统动力源。
所述的伸出仓支架（2）、伸出仓支腿（3）、伸出仓支撑杆（4）和伸出仓仓体（5）构成一组平行四边形机构，沿伸出仓仓体（5）周向间隔120 o均布三组所述平行四边形机构。
所述的同步盘（6）与同步盘滑轴（10）构成滑动副，同步盘（6）沿同步盘滑轴（10）前后滑动，并带动与同步盘（6）铰接的伸出仓支撑杆（4）运动，驱动平行四边形机构运动，伸出仓支腿（3）接触压紧管道内壁或离开管道内壁。
所述的伸出仓支腿油缸固定座（8）、推进仓支腿油缸固定座（21）通过油缸固定座定位止口（22）分别与伸出仓前仓盖（1）、推进仓前仓盖（12）可靠定位，并通过内六角螺栓穿过螺钉过孔（23）拧紧固定在伸出仓前仓盖（1）及推进仓前仓盖（12）上，销钉孔（24）用来实现伸出仓油缸固定座（8）与伸出仓支腿油缸（9）及推进仓油缸固定座（21）与推进仓支腿油缸（20）组成铰接转动副。
所述伸出仓支腿油缸（9）及推进仓支腿油缸（20）的活塞杆端部螺纹段分别通过伸出仓同步盘（6）和推进仓同步盘（19）的同步盘螺纹过孔（25）后用螺母拧紧，油缸与同步盘间固定，伸出仓同步盘滑轴（10）和推进仓同步盘滑轴（18）通过同步盘滑轴孔（26）分别与伸出仓同步盘（6）和推进仓同步盘（19）组成滑动副，伸出仓同步盘（6）和推进仓同步盘（19）分别沿同步盘滑轴（10）和（18）滑动，同步盘上三个铰接架（27）分别与伸出仓及推进仓周向均布的三组平行四杆机构连接，实现同步盘对平行四杆机构的驱动。
推进仓结构组成及其工作原理同伸出仓相同，不再叙述。
当推进仓支腿伸出压紧管壁、伸出仓支腿缩回后，推进油缸活塞杆伸出，推动伸出仓沿管道向前移动一段工作距离；接下来在伸出仓液压油缸和推进仓液压油缸作用下伸出仓支腿伸出压紧管壁、推进仓支腿缩回；待两仓支腿动作完成后，推进油缸活塞杆缩回拉动推进仓向前移动相同的工作距离，至此机器人牵引装置完成一个工作循环。如此往复循环，液动蠕动式管道机器人牵引装置可带动管道机器人其他部分完成其沿管道内的蠕动行走。
上述方案的原理是：大功率的伸出仓支腿油缸和推进仓支腿油缸保证了每个支腿与管壁足够大的支撑力，在伸出仓支腿油缸和推进仓支腿油缸驱动下，伸出仓支腿和推进仓支腿可沿径向伸出并接触压紧管壁。支腿和管壁间的摩擦力为机器人蠕动行走和管道清理提供了所需的反力和反扭矩，当推进仓支腿伸出接触压紧管壁、伸出仓支腿缩回时，推进油缸活塞杆伸出，推动伸出仓向前运动一段距离。伸出仓停止运动后，伸出仓支腿伸出接触压紧管壁，推进仓支腿缩回，推进油缸活塞杆缩回并拉动机器人推进仓系统向前运动。如此往复循环，机器人实现蠕动行走。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用液压系统作为机器人动力系统，保证了机器人具有足够强的带载能力，克服了轮式机器人带载能力弱、容易打滑的缺陷。支撑机构采用三组沿仓体均布的平行四边形机构保证了机器人对不同管径管道的适应能力。在同步盘保持下三组并联平行四边形机构可以实现机器人自动定心，保证机器人轴线与管道轴线自动重合，无需额外的定心调整机构。该机器人结构原理简单，易于实现系统闭环控制，对环境适应能力强，可为清管、补口、检修等管道作业机器人提供强大牵引力。
附图说明
图1为本发明技术解决方案的液动蠕动式管道机器人牵引装置整体结构示意图；
图2a为本发明技术解决方案的伸出仓系统和推进仓系统结构所涉及的平行四边形机构主视三维结构示意图；
图2b为本发明技术解决方案的伸出仓系统和推进仓系统结构所涉及的平行四边形机构三维结构示意图；
图3a为本发明技术解决方案的伸出仓支腿油缸固定座和推进仓支腿油缸固定座主视三维结构示意图；
图3b为本发明技术解决方案的伸出仓支腿油缸固定座和推进仓支腿油缸固定座
俯视三维结构示意图；
图4a为本发明技术解决方案的伸出仓系统和推进仓系统结构所涉及的同步盘俯视三维结构示意图；
图4b为本发明技术解决方案的伸出仓系统和推进仓系统结构所涉及的同步盘仰视三维结构示意图；
图5为本发明技术解决方案的伸出仓仓体和推进仓仓体三维结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要由伸出仓系统、推进仓系统和推进油缸组成，其中：
伸出仓系统包括伸出仓前仓盖1、伸出仓支架2、伸出仓支腿3、伸出仓支撑杆4、伸出仓仓体5、伸出仓同步盘6、伸出仓后仓盖7、伸出仓支腿油缸固定座8、伸出仓支腿油缸9和伸出仓同步盘滑轴10；推进仓系统包括推进仓前仓盖12、推进仓支架13、推进仓支腿14、推进仓支撑杆15、推进仓仓体16、推进仓后仓盖17、推进仓同步盘滑轴18、推进仓同步盘19、推进仓支腿油缸20和推进仓支腿油缸固定座21。
伸出仓前仓盖1和伸出仓后仓盖7通过螺栓和螺母固定在伸出仓仓体5的前后两端，伸出仓支腿油缸固定座8通过内六角螺钉固定在伸出仓前仓盖1内侧面，同步盘滑轴10依靠伸出仓后仓盖7中心孔定位后通过螺钉固定在伸出仓后仓盖7的外侧面。伸出仓支腿油缸9一端通过销钉与伸出仓支腿油缸固定座8形成铰接转动副，另一端活塞杆端部阶梯螺纹部分穿过伸出仓同步盘6后通过螺母固定拧紧。同步盘6与同步盘滑轴10构成滑动副，在伸出仓支腿油缸9驱动下可沿伸出仓同步盘滑轴10前后滑动。伸出仓支架2、伸出仓支腿3、伸出仓支撑杆4和伸出仓仓体5一起构成三组沿伸出仓仓体周向均布的三组平行四边形机构，并随同伸出仓同步盘6的滑动接触压紧管道内壁或收回离开管道内壁。推进仓系统组成及其工作原理同伸出仓系统相同，这里不再赘述。
如图1所示，在伸出仓支腿油缸9和推进仓支腿油缸20驱动下，伸出仓支腿3和推进仓支腿14可沿径向伸出并接触压紧管壁。支腿和管壁间的摩擦力为机器人蠕动行走和管道作业提供了所需的反力和反扭矩。当推进仓支腿14伸出接触压紧管壁、伸出仓支腿3缩回时，推进油缸11活塞杆伸出，推动伸出仓系统向前运动一段距离。伸出仓系统停止运动后，伸出仓支腿3伸出接触压紧管壁，推进仓支腿14缩回，推进油缸11活塞杆缩回并拉动机器人推进仓系统向前运动相同距离。如此往复循环、蠕动行走，为管道作业机器人提供牵引力。
图2为本发明中伸出仓系统和推进仓系统结构所涉及平行四边形机构三维结构示意图。以伸出仓系统为例，伸出仓支架2、伸出仓支腿3、伸出仓支撑杆4和伸出仓仓体5通过销钉连接共同组成沿伸出仓仓体5周向均布的三组平行四边形机构。在平行四边形机构中伸出仓支撑杆4为主动部件，伸出仓支腿3为与管道接触的工作部件。
图3a为本发明中伸出仓支腿油缸固定座8和推进仓支腿油缸固定座21的仰视三维结构示意图，图3b为本发明中伸出仓支腿油缸固定座8和推进仓支腿油缸固定座21的俯视三维结构示意图。伸出仓支腿油缸固定座8、推进仓支腿油缸固定座21通过油缸固定座定位止口22分别与伸出仓前仓盖1、推进仓前仓盖12可靠定位，并通过内六角螺栓穿过螺钉过孔23拧紧固定在伸出仓前仓盖1及推进仓前仓盖12上。销钉孔24用来实现伸出仓油缸固定座8与伸出仓支腿油缸9及推进仓油缸固定座21与推进仓支腿油缸20组成铰接转动副。
图4a为本发明中伸出仓同步盘6及推进仓同步盘19的俯视三维结构示意图；图4b为本发明中伸出仓同步盘6及推进仓同步盘19的仰视三维结构示意图。如图所示伸出仓支腿油缸9及推进仓支腿油缸20的活塞杆端部螺纹段分别通过伸出仓同步盘6和推进仓同步盘19的同步盘螺纹过孔25后用螺母拧紧，实现油缸与同步盘间的固定。而伸出仓同步盘滑轴10和推进仓同步盘滑轴18则通过同步盘滑轴孔26分别与伸出仓同步盘6和推进仓同步盘19组成滑动副，保证伸出仓同步盘6和推进仓同步盘19分别能够沿同步盘滑轴10和18可靠滑动。同步盘上三个铰接架27分别与伸出仓及推进仓周向均布的三组平行四杆机构连接，实现同步盘对平行四杆机构的驱动。
图5为本发明中伸出仓仓体5和推进仓仓体16的三维结构示意图。其上固定铰支架28为伸出仓系统和推进仓系统的平行四杆机构提供固定铰支座；端盖连接螺栓通过仓体上的螺钉过孔29并用螺母锁紧，实现仓体与前、后仓盖间的密封与连接。
总之，本发明所述的液动蠕动式管道牵引装置能够为管道作业机器人提供强大的牵引力，保证管道机器人顺利完成管道作业任务，具有带载能力强、管道适应性强、安全可靠、结构简单等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.液动蠕动式管道机器人牵引装置，由伸出仓系统、推进仓系统和推进油缸组成，其特征在于：伸出仓系统包括伸出仓前仓盖（1）、伸出仓支架（2）、伸出仓支腿（3）、伸出仓支撑杆（4）、伸出仓仓体（5）、伸出仓同步盘（6）、伸出仓后仓盖（7）、伸出仓支腿油缸固定座（8）、伸出仓支腿油缸（9）和伸出仓同步盘滑轴（10）；推进仓系统包括推进仓前仓盖（12）、推进仓支架（13）、推进仓支腿（14）、推进仓支撑杆（15）、推进仓仓体（16）、推进仓后仓盖（17）、同步盘滑轴（18）、推进仓同步盘（19）、推进仓支腿油缸（20）和推进仓支腿油缸固定座（21）；伸出仓前仓盖（1）和伸出仓后仓盖（7）通过螺栓和螺母固定在伸出仓仓体（5）的前、后两端，伸出仓支腿油缸固定座（8）通过内六角螺钉固定在伸出仓前仓盖（1）内侧面，同步盘滑轴（10）依靠伸出仓后仓盖（7）中心孔定位后通过螺钉固定在伸出仓后仓盖（7）的外侧面，伸出仓支腿油缸（9）一端通过销钉与固连在伸出仓支腿油缸固定座（8）上形成铰接转动副，另一端活塞杆端部阶梯螺纹部分穿过同步盘（6）后通过螺母固定拧紧，同步盘（6）与同步盘滑轴（10）构成滑动副约束，在伸出仓支腿油缸驱动下可沿同步盘滑轴（10）前后滑动，伸出仓支架（2）两端分别通过销轴与伸出仓支腿（3）和伸出仓仓体（5）构成活动铰接转动副和固定铰接转动副，伸出仓支撑杆（4）两端则分别与伸出仓支腿（3）和同步盘（6）构成活动铰接转动副，中间铰孔与伸出仓仓体（5）构成固定铰接转动副，系统以液压缸作为系统动力源。
2.根据权利要求1所述的液动蠕动式管道机器人牵引装置，其特征在于：所述的伸出仓支架（2）、伸出仓支腿（3）、伸出仓支撑杆（4）和伸出仓仓体（5）构成一组平行四边形机构，沿伸出仓仓体（5）周向间隔120 o均布三组所述平行四边形机构。
3.根据权利要求1所述的液动蠕动式管道机器人牵引装置，其特征在于：所述的同步盘（6）与同步盘滑轴（10）构成滑动副，同步盘（6）沿同步盘滑轴（10）前后滑动，并带动与同步盘（6）铰接的伸出仓支撑杆（4）运动，驱动平行四边形机构运动，伸出仓支腿（3）接触压紧管道内壁或离开管道内壁。
4.根据权利要求1所述的液动蠕动式管道机器人牵引装置，其特征在于：所述的伸出仓支腿油缸固定座（8）、推进仓支腿油缸固定座（21）通过油缸固定座定位止口（22）分别与伸出仓前仓盖（1）、推进仓前仓盖（12）可靠定位，并通过内六角螺栓穿过螺钉过孔（23）拧紧固定在伸出仓前仓盖（1）及推进仓前仓盖（12）上，销钉孔（24）用来实现伸出仓油缸固定座（8）与伸出仓支腿油缸（9）及推进仓油缸固定座（21）与推进仓支腿油缸（20）组成铰接转动副。
5.根据权利要求1所述的液动蠕动式管道牵引装置，其特征在于：所述的伸出仓支腿油缸（9）及推进仓支腿油缸（20）的活塞杆端部螺纹段分别通过伸出仓同步盘（6）和推进仓同步盘（19）的同步盘螺纹过孔（25）后用螺母拧紧，油缸与同步盘间固定，伸出仓同步盘滑轴（10）和推进仓同步盘滑轴（18）通过同步盘滑轴孔（26）分别与伸出仓同步盘（6）和推进仓同步盘（19）组成滑动副，伸出仓同步盘（6）和推进仓同步盘（19）分别沿同步盘滑轴（10）和（18）滑动，同步盘上三个铰接架（27）分别与伸出仓及推进仓周向均布的三组平行四杆机构连接，实现同步盘对平行四杆机构的驱动。
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