CN105570609A - 六轮支撑式管道内自适应爬行装置 - Google Patents

六轮支撑式管道内自适应爬行装置 Download PDF

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Abstract

本发明的六轮支撑式管道内自适应爬行装置属于通用管内爬行机器人领域，解决现有技术存在的问题，旨在提供一种六轮支撑式管道内自适应爬行装置，该六轮支撑式管道内自适应爬行装置通用性强、稳定性好，能够自适应管径变化，操作简单，便于制造，采用的技术方案：包括圆筒，圆筒内安装有动力机构和减速机构，动力机构通过减速机构连接有丝杠螺母有源调节机构，动力机构的另一端连接有弹簧预紧支撑机构，丝杠螺母有源调节机构和弹簧预紧支撑机构上均安装有多个曲柄连杆支撑机构，曲柄连杆支撑机构包括短曲柄，短曲柄上连接有长曲柄，长曲柄的另外一端连接有小曲柄，小曲柄的尾端通过轴承安装有车轮，车轮上设置有压力传感器。

Description

六轮支撑式管道内自适应爬行装置
技术领域
本发明属于通用管内爬行机器人领域，特别是涉及一种六轮支撑式管道内自适应爬行装置。
背景技术
机器人技术是一门综合性技术，涉及到机械工程、自动控制、计算机、人工智能、传感器和电子技术等多种学科，极大程度地增强了人类认识世界、改造世界的能力，提高了人们的劳动生产率和生活质量。历经半个多世纪的发展，机器人技术在工业生产、海洋探测、航天和太空探索、国防、医疗护理、家庭服务等多个领域，特别是在一些特殊的环境，如深海、狭窄的管道内部、有核辐射的工作环境等，取得了长足发展，具有广泛的应用前景和社会需求。
现代工业发展中，管道已经成为一种不可或缺的运输工具。管道机器人可以在恶劣环境下对管道内部进行检测和维修，针对管道机器人进行更深一步的研究迫在眉睫。目前研制的管内机器人多是针对水平的直管以及倾斜30°以内的上升管道，但在变径管道、弯管上的研究才刚刚起步，通用性较差。因此设计能够稳定通过管道内部的爬行机器人具有重要的实际意义。管道机器人能够平稳的通过弯管处，关键在于尺寸几何约束和设计机构合理。目前针对管道内部的具有自适应性能的机器人预紧支撑机构主要分如下几类：
1、弹簧预紧支撑机构
弹簧预紧变径方式属于被动调节法，通过弹簧尺寸随管径变化而变化来调节支撑轮的径向距离，达到适应不同管径的目的。这种方法最大的优点是不需要外加动力源，在小范围内具有自适应能力，缺点是变化范围小，且随着弹簧尺寸变化预紧力也发生变化。
2、蜗轮蜗杆预紧支撑机构
蜗杆预紧变径方式属于主动调节法，其工作原理是电机驱动与之相连接的蜗杆，蜗杆驱动蜗轮转动，由于连杆一端和蜗轮刚性固定铰接在一起，另一端和驱动轮轴铰接，从而蜗轮的转动带动驱动轮撑开或者紧缩以达到适应不同管径的目的。该方法可以实现较大范围变径，但所需驱动力较大，一般较少使用。
3、升降机预紧支撑机构
升降机预紧变径方式的工作原理是在连杆一端作用一定大小和方向的力使升降机机构升起或者回落，从而使驱动轮也跟着升起或者回落以达到适应不同管径的目的。采用升降机预紧支撑机构最大的优点是在轴向和径向结构比较紧凑，使机器人的空间尺寸大大缩小，其缺点是当管道直径较大时所需的推动力较大，对机构的强度的要求较高。
4、丝杠螺母预紧支撑机构
丝杠螺母副预紧变径方式属有源调节方式，其工作原理是预紧力调节电机驱动丝杠转动，丝杠螺母和预紧力传感器以及轴套用螺栓固定在一起，连杆AB的一端和驱动轮轴铰接在一起，另一端铰接在固定支点A处，推杆CD与连杆AB铰接在D点，另一端铰接在轴套上C点，轴套在圆周方向相对固定，因此滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆运动，进而推动连杆AB绕支点A转动，使驱动轮撑开或者紧缩以达到适应不同管径的目的。该方法空间布置结构简单，所需驱动力较小，但缺点是在轴线方向上不是很紧凑。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，解决现有技术存在的问题，旨在提供一种六轮支撑式管道内自适应爬行装置，该六轮支撑式管道内自适应爬行装置通用性强、稳定性好，能够自适应管径变化，操作简单，便于制造。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：六轮支撑式管道内自适应爬行装置，包括圆筒，圆筒内安装有动力机构和减速机构，动力机构通过减速机构连接有丝杠螺母有源调节机构，动力机构的另一端连接有弹簧预紧支撑机构，丝杠螺母有源调节机构和弹簧预紧支撑机构上均安装有多个曲柄连杆支撑机构；
曲柄连杆支撑机构包括短曲柄，短曲柄上连接有长曲柄，长曲柄的另外一端连接有小曲柄，小曲柄的尾端通过轴承安装有车轮，车轮上设置有压力传感器。
优选的是，所述动力机构包括设置在圆筒内部的步进电机，步进电机的主轴通过弹性柱销联轴器与减速机构连接并带动其工作。
优选的是，所述减速机构包括与弹性柱销联轴器连接的圆柱小齿轮轴，圆柱小齿轮轴上套装有小直齿轮，小直齿轮啮合有第一传动齿轮，第一传动齿轮中部套装有传动齿轮轴，传动齿轮轴上套装有随其转动的第二传动齿轮，第二传动齿轮啮合有大直齿轮，大直齿轮中部安装有圆柱大齿轮轴。
优选的是，所述圆柱小齿轮轴、传动齿轮轴以及圆柱大齿轮轴的两端均通过深沟球轴承安装在减速器挡圈上，减速器挡圈安装在圆筒内部。
优选的是，丝杠螺母有源调节机构包括与圆柱大齿轮轴连接随其转动的丝杠，丝杠上套装有套环螺母，套环螺母上预设有多个用于连接曲柄连杆支撑机构的安装孔。
优选的是，所述丝杠的外侧安装有丝杠挡圈。
优选的是，所述弹簧预紧支撑机构包括与动力结构连接的伸缩杆，伸缩杆的外侧套装有弹簧，弹簧外面套有套筒并安装在伸缩杆上，套筒的外侧设置有套环，套环上预设有多个用于连接曲柄连杆支撑机构的安装孔。
优选的是，所述曲柄连杆支撑机构数量为六个，所述丝杠螺母有源调节机构和弹簧预紧支撑机构上分别安装有三个。
本发明跟现有技术相比具有的有益效果为：本发明通用性强，能够自适应管径变化，工作时稳定性强，操作简单，制作方便。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为六轮支撑式管内爬行机器人的总体机构图。
图2为动力机构的结构示意图。
图3为减速机构的结构示意图。
图4为丝杠螺母有源调节机构的结构示意图。
图5为曲柄连杆支撑机构的结构示意图。
图6为弹簧预紧支撑机构的结构示意图。
图中：1为丝杠挡圈，2为丝杠，3为套环螺母，4为大直齿轮，5为小直齿轮，6为弹性柱销联轴器，7为步进电机，8为伸缩杆，9为车轮，10为轴承，11为小曲柄，12为螺母，13为长曲柄，14为螺栓，15为短曲柄，16为套环，17为套筒，18为弹簧，19为减速器挡圈，20为圆柱小齿轮轴，21为圆柱大齿轮轴，22为深沟球轴承，23为圆筒，24为第一传动齿轮，25为传动齿轮轴，26为第二传动齿轮。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1-图6所示，六轮支撑式管道内自适应爬行装置，包括圆筒23，圆筒23内安装有动力机构和减速机构，动力机构通过减速机构连接有丝杠螺母有源调节机构，动力机构的另一端连接有弹簧预紧支撑机构，丝杠螺母有源调节机构和弹簧预紧支撑机构上均安装有多个曲柄连杆支撑机构。
曲柄连杆支撑机构数量为六个，丝杠螺母有源调节机构和弹簧预紧支撑机构上分别安装有三个。曲柄连杆支撑机构包括短曲柄15，短曲柄15上连接有长曲柄13，长曲柄13的另外一端连接有小曲柄11，短曲柄15、长曲柄13以及小曲柄11之间通过螺栓14和螺母12连接，小曲柄11的尾端通过轴承10安装有车轮9，车轮9上设置有压力传感器。
动力机构包括设置在圆筒23内部的步进电机7，步进电机7的主轴通过弹性柱销联轴器6与减速机构连接并带动其工作。为了降低齿轮轴转速，使得调节更加准确和平稳，可以增加减速机构，减速机构包括与弹性柱销联轴器6连接的圆柱小齿轮轴20，圆柱小齿轮轴20上套装有小直齿轮5，小直齿轮5啮合有第一传动齿轮24，第一传动齿轮24中部套装有传动齿轮轴25，传动齿轮轴25上套装有随其转动的第二传动齿轮26，第二传动齿轮26啮合有大直齿轮4，大直齿轮4中部安装有圆柱大齿轮轴21。
为了减少摩擦力，圆柱小齿轮轴20、传动齿轮轴25以及圆柱大齿轮轴21的两端均通过深沟球轴承22安装在减速器挡圈19上，减速器挡圈19安装在圆筒23内部。
丝杠螺母有源调节机构包括与圆柱大齿轮轴21连接随其转动的丝杠2，丝杠2上套装有套环螺母3，套环螺母3上预设有多个用于连接曲柄连杆支撑机构的安装孔。丝杠2的外侧安装有丝杠挡圈1。丝杠挡圈1可防止套环螺母3在丝杠2上移动时意外脱落。
弹簧预紧支撑机构包括与动力结构连接的伸缩杆8，伸缩杆8的外侧套装有弹簧18，弹簧18外面套有套筒17并安装在伸缩杆8上，套筒17的外侧设置有套环16，套环16上预设有多个用于连接曲柄连杆支撑机构的安装孔。
本发明的具体工作过程为：当直管或弯管的管道内部开始泄漏时，该管内爬行机器人携带检测和封堵设备进入管道内部。当管道内径发生变化或者管道曲率半径发生变化时，该爬行机器人车轮9上的压力传感器会传递车轮9和管道之间的压力信号，到达步进电机7，并通过弹性柱销联轴器6传递动力到圆柱小齿轮轴20，带动小直齿轮5、第一传动齿轮24、第二传动齿轮26和大直齿轮4转动，进而带动圆柱大齿轮轴21转动。从减速机构传递来的动力带动与之相连接的丝杠2转动，同时使得套环螺母3在丝杠2上前后移动，从而带动与之相连的短曲柄15，长曲柄13和小曲柄11运动，达到可以调节车轮9和管道之间的压力的目的。在套环螺母3带动与短曲柄15，长曲柄13和小曲柄11运动的同时，爬行机器人后轮腿部分（弹簧预紧支撑机构和曲柄连杆支撑机构）弹簧18会根据曲柄连杆支撑机构与管道之间的压力进行伸缩变化，以适应管道内径和曲率半径的改变。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.六轮支撑式管道内自适应爬行装置，其特征在于：包括圆筒（23），圆筒（23）内安装有动力机构和减速机构，动力机构通过减速机构连接有丝杠螺母有源调节机构，动力机构的另一端连接有弹簧预紧支撑机构，丝杠螺母有源调节机构和弹簧预紧支撑机构上均安装有多个曲柄连杆支撑机构；
曲柄连杆支撑机构包括短曲柄（15），短曲柄（15）上连接有长曲柄（13），长曲柄（13）的另外一端连接有小曲柄（11），小曲柄（11）的尾端通过轴承（10）安装有车轮（9），车轮（9）上设置有压力传感器。
2.根据权利要求1所述的六轮支撑式管道内自适应爬行装置，其特征在于：所述动力机构包括设置在圆筒（23）内部的步进电机（7），步进电机（7）的主轴通过弹性柱销联轴器（6）与减速机构连接并带动其工作。
3.根据权利要求2所述的六轮支撑式管道内自适应爬行装置，其特征在于：所述减速机构包括与弹性柱销联轴器（6）连接的圆柱小齿轮轴（20），圆柱小齿轮轴（20）上套装有小直齿轮（5），小直齿轮（5）啮合有第一传动齿轮（24），第一传动齿轮（24）中部套装有传动齿轮轴（25），传动齿轮轴（25）上套装有随其转动的第二传动齿轮（26），第二传动齿轮（26）啮合有大直齿轮（4），大直齿轮（4）中部安装有圆柱大齿轮轴（21）。
4.根据权利要求3所述的六轮支撑式管道内自适应爬行装置，其特征在于：所述圆柱小齿轮轴（20）、传动齿轮轴（25）以及圆柱大齿轮轴（21）的两端均通过深沟球轴承（22）安装在减速器挡圈（19）上，减速器挡圈（19）安装在圆筒（23）内部。
5.根据权利要求2或3所述的六轮支撑式管道内自适应爬行装置，其特征在于：丝杠螺母有源调节机构包括与圆柱大齿轮轴（21）连接随其转动的丝杠（2），丝杠（2）上套装有套环螺母（3），套环螺母（3）上预设有多个用于连接曲柄连杆支撑机构的安装孔。
6.根据权利要求5所述的六轮支撑式管道内自适应爬行装置，其特征在于：所述丝杠（2）的外侧安装有丝杠挡圈（1）。
7.根据权利要求2或3所述的六轮支撑式管道内自适应爬行装置，其特征在于：所述弹簧预紧支撑机构包括与动力结构连接的伸缩杆（8），伸缩杆（8）的外侧套装有弹簧（18），弹簧（18）外面套有套筒（17）并安装在伸缩杆（8）上，套筒（17）的外侧设置有套环（16），套环（16）上预设有多个用于连接曲柄连杆支撑机构的安装孔。
8.根据权利要求1所述的六轮支撑式管道内自适应爬行装置，其特征在于：所述曲柄连杆支撑机构数量为六个，所述丝杠螺母有源调节机构和弹簧预紧支撑机构上分别安装有三个。
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