CN104989914B - 一种高适应多功能管道机器人 - Google Patents

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Abstract

一种高适应多功能管道机器人设计属于机器人结构设计领域。管道所处的环境往往是人们不易直接达到或不允许人们直接进入的，检修及清洗难度很大。针对上述问题，我们利用曲柄滑块机构以及齿轮‑球销机构实现了一种高适应多功能管道机器人。曲柄滑块机构使得机器人的直径变化,齿轮‑球销机构能调整机器人的速度,在机器人轮角度不同时，可以完成前进、后退以及停留的动作，同时机器人能转弯。另外，机器人自身的机械爪和摄像头可以配合其他工具完成多种工作。机器人功能多，工作效率高，无污染。系统设计可靠、操作方便、便于维护、成本低，适合实际生产需要，有广阔的应用前景。

Description

一种高适应多功能管道机器人
技术领域
本发明是一种在管道内能完成多种动作和多项功能的机器人设计，属于机器人结构设计领域。
背景技术
在工农业生产及日常生活中，管道作为一种重要的物料输送手段，其应用范围日益广泛，数量也不断增多。管道工程在国民经济许多行业中如石化、天然气、核工业、给排水、管道输送等行业起着极其重要的作用。管道在使用过程中，由于各种外界因素的影响，会形成各种各样的管道故障与管道损伤。如果不及时对管道检测、维修及清洗就可能会产生事故，形成不必要的损失和浪费。然而，管道所处的环境往往是人们不易直接达到或不允许人们直接进入的，检修及清洗难度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道机器人来实现管道内的在线检测、维修和清洗。
针对上述问题，我们利用曲柄滑块以及齿轮-球销机构实现了一种高适应多功能管道机器人。
发明内容
本发明是利用曲柄滑块机构变直径，利用齿轮-球销机构变速度配合自身机械爪及其他工具，高适应多功能管道机器人设计。
本发明对机器人的要求，是既能适应变化管径也能调整速度，更能完成多种工作。对于上述要求，设计中利用曲柄滑块机构的可调性实现了直径变化，利用丝杠电机推动曲柄滑块机构，使两杆连接处的轮压向壁面，轮与壁面的摩擦力加上四缸电机的自锁，保证机器人贴附管道并且可以调节；利用锥齿轮的啮合将电机的转矩传递到三个曲柄滑块上，曲柄滑块的旋转提供了机器人上升力；利用齿轮-球销机构调整机器人轮的角度从而调节速度的变化，首先是利用齿轮啮合将电机的转矩传递到三个齿轮轴上，三个齿轮轴的转动通过球销控制轮角度的变化，从而达到电机功率不变时改变机器人的速度；利用伺服电机驱动机械爪，配合工具可以完成多种工作。
一种高适应多功能的机器人，其特征在于包括：头部1、机械爪2、共同旋转结3、固定滑块台4、上支撑杆5、主轴6、轮调整机构7、下支撑杆8、滑动滑块台9和推动块10；其中最上方是头部1，与头部1相连的是机械爪2,机械爪2用共同旋转结3与尾部相连，即尾部的固定滑块台4与共同旋转结3相连；同时根据各部分功能分别变直径、推动力以及变速度，可以将尾部分为直径变化装置、调节直径推动和旋转运动推动装置和轮调节装置；
机器人尾部的直径变化装置是曲柄滑块机构，其中包括上支撑杆5和下支撑杆8，一个固定滑块台4，一个滑动滑块台9，主轴6以及两支撑杆中间的轮瓦杆11；第一滑动副12在滑动滑块9与主轴6之间，第一转动副13在下支撑杆8与滑动滑块9之间，第二转动副14在下支撑杆8与轮瓦杆11之间，第三转动副15是在轮瓦杆11与上支撑杆5之间；第四转动副16是上支撑杆5与固定滑块4之间；
机器人尾部调节直径推动和旋转运动推动装置包括丝杠电机20，步进电机21，大锥齿轮17和小锥齿轮18，滑动箱19以及主轴6；丝杠电机20与主轴6固定，丝杠电机20与滑动箱19用第二滑动副39连接；步进电机21，大锥齿轮17和小锥齿轮18与滑动箱19轴向上固定；
机器人尾部轮调节装置是齿轮-球销复合联动机构，包括伺服电机25，小齿轮26，大齿轮22，三个小齿轮柱24，球销23，轮28，轮瓦杆11，以及滑块27；伺服电机25，小齿轮26，大齿轮22，三个小齿轮柱24固定在滑动滑块台9上；小齿轮柱24与球销23用第一球销副40连接；球销23与滑块27用第二球销副41连接；滑块27与轮瓦杆11之间是第三滑动副42。
进一步，机器人机械爪2包括固定滑块平台43，连杆一44，连杆二45，大伺服电机46，螺杆47，小伺服电机29以及曲柄滑块机构30；曲柄滑块机构30中螺母32统一控制三个爪31，利用螺杆47和螺母32间的第四滑动副51；连杆二45与大伺服电机46用第七转动副50连接，第七转动副50处装小伺服电机29；连杆一44和连杆二45之间是第六转动副49，滑块平台43和连杆一44之间是第五转动副48；
共同旋转结3,包括滑块33，球铰34，万向节35；滑块33与球铰34用第五滑动副52连接，滑块33和球铰34为一组，三组绕万向节35均匀分布；
机器人尾部支撑弹簧36微调机构是由轮瓦杆11，弹簧36，轮28和杆套53组成；弹簧36在轮瓦杆11与杆套53中间；
机器人头部导向气压减震器37微调机构是由头部的上支撑杆38，气压减震器37组成；气压减震器37与上支撑杆38之间是第六滑动副54。
本发明提供的高适应多功能的机器人至少包括以下几个部分：
1.一种高适应多功能的机器人其主要特征包括：头部1、机械爪2、共同旋转结3、固定滑块台4、上支撑杆5、主轴6、轮调整机构7、下支撑杆8、滑动滑块台9、推动块10。
2.机器人的直径变化是由曲柄滑块机构实现，其中包括上支撑杆5和下支撑杆8，一个固定滑块台4，一个滑动滑块台9，主轴6以及两支撑杆中间的轮瓦杆11。滑动副12在滑动滑块9与主轴6之间，第一转动副13在下支撑杆8与滑动滑块9之间，第二转动副14在下支撑杆5与轮瓦杆11之间，第三转动副15是在轮瓦杆11与上支撑杆5之间。第四转动副16是上支撑杆8与固定滑块之间。首先是滑动副12的滑动滑块9运动，带动第一转动副13，使下支撑杆运动带动第二转动副14，将机器人的轮压向壁面，又因为机器人是在圆管内且轮接触壁面，所以轮瓦杆上的第二14和第三转动副15的连线始终与管的轴线平行，第三转动副15带动上支撑杆，完成直径调整的动作。
3.机器人的推动力方面是分为调节直径推动和旋转运动推动两方面，包括丝杠电机20，步进电机21，大锥齿轮17和小锥齿轮18，滑动箱19以及主轴6。丝杠电机20固定在主轴6上，其运作时推动滑块箱19移动，滑块箱19与滑动滑块9在主轴方向上相对静止，即推动曲柄滑块机构的滑动滑块9。在滑块箱19与滑动滑块9之间的锥齿轮17、18将电机的转矩传递到曲柄滑块机构上使其旋转。
4.机器人速度的变化是由轮的角度来调节，轮角度的变化的控制是由齿轮-球销复合联动机构来实现。首先是伺服电机25的旋转通过小齿轮26带动大齿轮22的旋转，进而带动三个小齿轮柱24的旋转，齿轮柱的旋转通过球销23，使轮28在轮瓦杆11内旋转调整角度，其中滑块27的设计保证了长度的变化。
5.机器人机械爪2能装夹不同工具完成动作是由伺服电机29以及曲柄滑块机构30来实现。在机械爪的关节处是伺服电机进行驱动，爪的张合是由伺服电机驱动带动曲柄滑块机构上的螺母32来统一控制三个爪31的开合。
6.机器人的机械爪与尾部既能同步旋转也能转弯是由共同旋转结3,即滑块33-球铰34机构结合万向节实现。滑块33-球铰34机构一共安置了三组，在万向节35周围均匀分布，转弯的长度变化由滑块33来补偿，球铰34保证滑块的滑动顺利。
7.机器人的行进稳定是由微调机构来保证，两处微调分别为尾部支撑弹簧36微调和头部导向气压减震器37微调。尾部是在轮瓦杆11处安装弹簧，弹簧一端接触轮28，另一端接触轮瓦杆11的轴肩，在管道内壁直径有轻微变化时，弹簧36长度变化保证机器人支撑可靠。头部的气压减震器37是安装在了头部的上支撑杆39处，在管道内壁直径有轻微变化时，气压减震器37工作，保证头部1导向稳定。
高适应多功能的机器人设计有如下几个特点：
1.行进采用轮式，速度不但快，而且能进行调整。
2.机器人在管内能完成前进、后退、停留以及转弯的功能。
3.机器人能变直径，还能微调节，能适应管径变化的管道。
附图说明
图1为高适应多功能管道机器人的结构示意图—正视图
图2为高适应多功能管道机器人的结构示意图—轴测图
图3为高适应多功能管道机器人尾部直径调整示意图，图3-1为结构图，图3-2为结构简图
图4为高适应多功能管道机器人推动机构结构图
图5为高适应多功能管道机器人速度调整机构示意图，图5-1为结构图，图5-2为结构简图
图6为高适应多功能管道机器人机械爪示意图，图6-1为结构图，图6-2为结构简图
图7为高适应多功能管道机器人头中部连接示意图，图7-1为结构图，图7-2为结构简图
图8为高适应多功能管道机器人尾部直径微调示意图，图8-1为结构图，图8-2为结构简图
图9为高适应多功能管道机器人头部结构示意图，图9-1为结构图，图9-2为结构简图
具体实施方法
一种高适应多功能的机器人其主要特征包括：头部1、机械爪2、共同旋转结3、固定滑块台4、上支撑杆5、主轴6、轮调整机构7、下支撑杆8、滑动滑块台9、推动块10。
机器人的直径变化是由曲柄滑块机构实现，其中包括上支撑杆5和下支撑杆8，一个固定滑块台4，一个滑动滑块台9，主轴6以及两支撑杆中间的轮瓦杆11。滑动副12在滑动滑块与主轴之间，第一转动副13在下支撑杆与滑动滑块之间，第二转动副14在下支撑杆与轮瓦杆之间，第三转动副15是在轮瓦杆与上支撑杆之间。第四转动副16是上支撑杆与固定滑块之间。首先是滑动副12的滑动滑块9运动，带动第一转动副13，使下支撑杆运动带动第二转动副14，将机器人的轮压向壁面，又因为机器人是在圆管内且轮接触壁面，所以轮瓦杆上的第二14和第三转动副15的连线始终与管的轴线平行，第三转动副15带动上支撑杆，完成直径调整的动作。
机器人的推动力方面是分为调节直径推动和旋转运动推动两方面，其中包括丝杠电机20，步进电机21，大锥齿轮17和小锥齿轮18，滑动箱19以及主轴6。丝杠电机20固定在主轴6上，其运作时推动滑块箱19移动，滑块箱19与滑动滑块9在主轴方向上相对静止，即推动曲柄滑块机构的滑动滑块9。在滑块箱19与滑动滑块9之间的锥齿轮17、18将电机的转矩传递到曲柄滑块机构上使其旋转。
机器人速度的变化是由轮的角度来调节，轮角度的变化的控制是由齿轮-球销复合联动机构来实现。首先是伺服电机25的旋转通过小齿轮26带动大齿轮22的旋转，进而带动三个小齿轮柱24的旋转，齿轮柱的旋转通过球销23，使轮28在轮瓦杆11内旋转调整角度，其中滑块27的设计保证了长度的变化。
机器人机械爪2能装夹不同工具完成动作是由伺服电机29以及曲柄滑块机构30来实现。在机械爪的关节处是伺服电机进行驱动，爪的张合是由伺服电机驱动带动曲柄滑块机构上的螺母32来统一控制三个爪31的开合。
机器人的机械爪与尾部既能同步旋转也能转弯是由共同旋转结3,即滑块33-球铰34机构结合万向节实现。滑块33-球铰34机构一共安置了三组，在万向节35周围均匀分布，转弯的长度变化由滑块33来补偿，球铰34保证滑块的滑动顺利。
机器人的行进稳定是由微调机构来保证，两处微调分别为尾部支撑弹簧36微调和头部导向气压减震器37微调。尾部是在轮瓦杆11处安装弹簧，弹簧一端接触轮28，另一端接触轮瓦杆11的轴肩，在管道内壁直径有轻微变化时，弹簧36长度变化保证机器人支撑可靠。头部的气压减震器37是安装在了头部的上支撑杆39处，在管道内壁直径有轻微变化时，气压减震器37工作，保证头部1导向稳定。
应用实施案例：
首先在机器人的机械爪处安装工具，机器人进入管道后头部丝杠电机和尾部丝杠电机同时工作，使头部导向，尾部支撑，接下来利用机器人自身携带的摄像头传感器等采集的信息，对机器人的速度和工作进行控制。

Claims (2)

1.一种高适应多功能的机器人，其特征在于包括：头部(1)、机械爪(2)、共同旋转结(3)、固定滑块台(4)、上支撑杆(5)、主轴(6)、轮调整机构(7)、下支撑杆(8)、滑动滑块台(9)和推动块(10)；其中最上方是头部(1)，与头部(1)相连的是机械爪(2),机械爪(2)用共同旋转结(3)与尾部相连，即尾部的固定滑块台(4)与共同旋转结(3)相连；同时根据各部分功能分别变直径、推动力以及变速度，能够将尾部分为直径变化装置、调节直径推动和旋转运动的推动装置和轮调节装置；
机器人尾部的直径变化装置是曲柄滑块机构，其中包括上支撑杆(5)和下支撑杆(8)，一个固定滑块台(4)，一个滑动滑块台(9)，主轴(6)以及两支撑杆中间的轮瓦杆(11)；第一滑动副(12)在滑动滑块台(9)与主轴(6)之间，第一转动副(13)在下支撑杆(8)与滑动滑块台(9)之间，第二转动副(14)在下支撑杆(8)与轮瓦杆(11)之间，第三转动副(15)是在轮瓦杆(11)与上支撑杆(5)之间；第四转动副(16)是上支撑杆(5)与固定滑块台(4)之间；
机器人尾部用于调节直径推动和旋转运动的推动装置包括丝杠电机(20)，步进电机(21)，大锥齿轮(17)和小锥齿轮(18)，滑动箱(19)以及主轴(6)；丝杠电机(20)与主轴(6)固定，丝杠电机(20)与滑动箱(19)用第二滑动副(39)连接；步进电机(21)，大锥齿轮(17)和小锥齿轮(18)与滑动箱(19)轴向上固定；
机器人尾部轮调节装置是齿轮‐球销复合联动机构，包括伺服电机(25)，小齿轮(26)，大齿轮(22)，三个小齿轮柱(24)，球销(23)，轮(28)，轮瓦杆(11)，以及滑块(27)；伺服电机(25)，小齿轮(26)，大齿轮(22)，三个小齿轮柱(24)固定在滑动滑块台(9)上；小齿轮柱(24)与球销(23)用第一球销副(40)连接；球销(23)与滑块(27)用第二球销副(41)连接；滑块(27)与轮瓦杆(11)之间是第三滑动副(42)。
2.根据权利要求1所述的一种高适应多功能的机器人，其特征在于：机器人机械爪(2)包括固定滑块平台(43)，连杆一(44)，连杆二(45)，大伺服电机(46)，螺杆(47)，小伺服电机(29)以及曲柄滑块机构(30)；曲柄滑块机构(30)中螺母(32)统一控制三个爪(31)，利用螺杆(47)和螺母(32)之间的第四滑动副(51)进行控制；连杆二(45)与大伺服电机(46)用第七转动副(50)连接，第七转动副(50)处装小伺服电机(29)；连杆一(44)和连杆二(45)之间是第六转动副(49)，滑块平台(43)和连杆一(44)之间是第五转动副(48)；
共同旋转结(3),包括滑块(33)，球铰(34)，万向节(35)；滑块(33)与球铰(34)用第五滑动副(52)连接，滑块(33)和球铰(34)为一组，三组绕万向节(35)均匀分布；
机器人尾部支撑弹簧(36)微调机构是由轮瓦杆(11)，弹簧(36)，轮(28)和杆套(53)组成；弹簧(36)在轮瓦杆(11)与杆套(53)中间；
机器人头部导向气压减震器(37)微调机构是由头部的上支撑杆(38)，气压减震器(37)组成；气压减震器(37)与头部的上支撑杆(38)之间是第六滑动副(54)。
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