CN105840950A - 步进式管道机器人 - Google Patents

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Abstract

一种步进式管道机器人，属于机器人技术领域。包括两组对称连接的模块组，即模块Ⅰ和模块Ⅱ；每组模块组由单元Ⅰ和单元Ⅱ构成，单元Ⅰ沿圆周设置伸缩腿，单元Ⅱ沿圆周设置支撑腿，所述伸缩腿和支撑腿至少三个，沿相同角度和方向对应设置，伸缩腿连接伸缩机构，伸缩机构置于单元Ⅰ内，通过伸缩机构控制伸缩长度，两组模块的伸缩腿实现交替夹紧和放松，使两组模块交替步进运动。本发明整机结构紧凑实用，较小的轴向尺寸便于在管道中转弯；伸缩腿的夹紧方式，可以避免管道壁的湿滑带来的行走困难；驱动装置均位于封闭的外壳中，可以防止外界环境的影响；支撑轮长度可调，可以适应管径在一定范围内的变化。

Description

步进式管道机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种步进式管道机器人，是一种能够实现在管道内主动地步进式行走的装置。可用于各种管径管道系统的检测、维修和清淤任务。
背景技术
管道机器人综合了移动载体技术和管道作业技术，主要用于输油气管道检测喷涂、接口焊接，地下排水管道系统的异物清理和疏通。移动载体的运动方式是管道机器人的技术核心，包括主动运动和被动运动两大类型。目前国内外研究的主动运动管道机器人主要有履带式、仿生式、螺旋驱动式、支撑轮式和平底车轮式，被动运动式有PIG管道机器人。目前国内外管道机器人均处于发展阶段，主动式的管道机器人处于研究阶段。管道机器人的应用中大多具有一些常见问题，弯道通过性能、功能方式、负载能力和发射回收问题等需要进一步提高。因此主动式管道机器人具有很广的研究范围和好的应用前景。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种步进式管道机器人，它采用多齿轮啮合机构和丝杆、导杆机构结合，能够实现在管道内主动地步进式行走。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种步进式管道机器人，包括两组对称连接的模块组:模块Ⅰ和模块Ⅱ，每组模块组由单元Ⅰ和单元Ⅱ构成，单元Ⅰ沿圆周设置伸缩腿，单元Ⅱ沿圆周设置支撑腿，所述伸缩腿和支撑腿至少三个，沿相同角度和方向对应设置，伸缩腿连接伸缩机构，伸缩机构置于单元Ⅰ内，通过伸缩机构控制伸缩长度，两组模块的伸缩腿实现交替夹紧和放松，使模块Ⅰ和模块Ⅱ交替步进运动。
进一步地，所述两模块组间的连接结构包括步进丝杆、导向螺母、电机Ⅰ和三个导向杆，两连接模块分别在单元Ⅱ上分设置导向螺母和电机Ⅰ，步进丝杆一端连接电机Ⅰ，另一端连接导向螺母，在安装电机的单元Ⅱ上均布三个导向杆，在安装导向螺母的单元Ⅱ上设置导向杆套，通过电机Ⅰ驱动步进丝杆转动，通过三个导向杆导向，调整两模块间的距离。
进一步地，所述电机Ⅰ固定在钣金壳体上靠近步进丝杆的一侧安装限位传感器，限位传感器和电机Ⅰ保持信号传递，当步进丝杆运动到达极限位置时，限位传感器发出信号,触发电机Ⅰ停转,电机Ⅰ停顿4秒后反向旋转，电机Ⅰ停顿时，模块Ⅰ和模块Ⅱ处于交换夹紧和放松状态。
进一步地，所述伸缩腿由伸缩支杆和端部的支撑块构成，支撑块用于支撑管道内壁，伸缩支杆连接伸缩机构。
进一步地，所述伸缩机构包括伸缩丝杆、伸缩螺母、轴承座、主锥齿轮、 副锥齿轮、大传动齿轮、小传动齿轮和电机Ⅱ，电机Ⅱ置于单元Ⅰ内的钣金支架上，电机Ⅱ的输出端连接小传动齿轮，小传动齿轮与大传动齿轮啮合，主锥齿轮与大传动齿轮同轴，副锥齿轮与伸缩腿个数相同，沿圆周均布，分别与主锥齿轮啮合，副锥齿轮上设置有轴承座，伸缩丝杆一端连接在轴承座上，另一端与伸缩腿上设置的伸缩螺母配合连接。
进一步地，所述单元Ⅰ为钣金壳体结构，其上开有伸缩腿通过的开孔，在开孔处设置伸缩腿导向套，导向套上设置扭矩传感器，扭矩传感器与电机Ⅱ保持信号传递，当伸缩丝杆所受扭矩超过限定值，扭矩传感器发出信号，电机Ⅱ停转，在保护电机不损坏的同时，防止螺旋副运动超出伸缩腿伸缩极限。
进一步地，所述支撑腿包括支撑轮、支杆和弹簧减震器，弹簧减震器一端连接在单元Ⅱ钣金护板上，另一端连接支杆，支杆端部安装支撑轮。
本发明的有益效果为：
本发明能够以主动运动方式在管道内步进前行。由模块之间的丝杆机构实现两模块之间接近和远离；由锥齿轮三角啮合与螺旋副组合方式实现支撑腿的夹紧和放松；由具有减震功能、且长度可调的支撑轮实现机器人支撑作用。本发明可以应用于管道内部的检测、维修、喷涂、焊接和异物清理等。整机结构紧凑实用，较小的轴向尺寸便于在管道中转弯；支撑腿的夹紧方式，可以避免管道壁的湿滑带来的行走困难；驱动装置均位于封闭的外壳中，可以防止外界环境的影响；支撑轮长度可调，可以适应管径在一定范围内的变化。因此，具有较高的使用性能和推广价值。
附图说明
图1为本发明的平面结构示意图。
图2为本发明的立体结构示意图。
图3为图2中两模块单元Ⅱ联接立体图。
图4为图3的平面图。
图5为图2中单个模块单元Ⅰ内部构造示意图。
图6为伸缩腿结构安装示意图。
图7为伸缩机构传动齿轮组安装示意图。
图8为支撑腿安装结构示意图。
图9为图8中支撑轮剖视图。
图中：1.模块Ⅰ，2.模块Ⅱ，3.单元Ⅰ，4.单元Ⅱ，5.支撑腿，6.伸缩 腿，7.导向杆，8.限位传感器，9.导向螺母，10.步进丝杆，11.导向杆套，12.步进电机，13.支撑块，14.伸缩支杆，15.钣金壳体，16.钣金支架，17.伸缩丝杆，18.电机Ⅱ，19.伸缩螺母，20.扭矩传感器，21.导向套，22.轴承座，23.副锥齿轮，24.主锥齿轮，25.大传动齿轮，26.小传动齿轮，27.支撑轮，28.支杆，29.钣金护板，30.弹簧减震器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：如图1-图4所示，本发明包括一种步进式管道机器人，包括两组对称连接的模块组，即模块Ⅰ1和模块Ⅱ2，每组模块组由单元Ⅰ3和单元Ⅱ4构成，单元Ⅰ沿圆周设置伸缩腿6，单元Ⅱ4沿圆周设置支撑腿5，所述伸缩腿6和支撑腿5至少三个，沿相同角度和方向对应设置，伸缩腿6连接伸缩机构，伸缩机构置于单元Ⅰ3内，通过伸缩机构控制伸缩长度，两组模块的伸缩腿6实现交替夹紧和放松，使模块Ⅰ1和模块Ⅱ2交替步进运动。
如图4、图5所示，所述两模块组间的连接结构包括步进丝杆10、导向螺母9、电机Ⅰ12和三个导向杆7，两连接模块上分别设导向螺母9和电机Ⅰ12，步进丝杆10一端连接步进电机12，另一端连接导向螺母9，在安装电机Ⅰ12的模块上均布三个导向杆7，在安装导向螺母9的模块上设置导向杆套11，通过电机Ⅰ12驱动步进丝杆10转动，通过三个导向杆7导向，调整两模块间的距离。
所述电机Ⅰ12固定钣金壳体15上靠近步进丝杆8的一侧安装限位传感器8，限位传感器8和电机Ⅰ12保持信号传递，当步进丝杆10运动到达极限位置，触发电机Ⅰ12停转,电机Ⅰ12停顿4秒(模块Ⅰ和模块2交换夹紧和放松状态)后反向旋转。所述电机Ⅰ12为步进电机。
如图5所示，所述伸缩腿由伸缩支杆14和端部的支撑块13构成，支撑块13用于支撑管道内壁，伸缩支杆14连接伸缩机构。
如图7所示，所述伸缩机构包括伸缩丝杆17、伸缩螺母19、轴承座22、主锥齿轮24、副锥齿轮23、大传动齿轮25、小传动齿轮26和电机Ⅱ18，电机Ⅱ18置于单元Ⅰ内的钣金支架16上，电机Ⅱ18的输出端连接小传动齿轮26，小传动齿轮26与大传动齿轮25啮合，主锥齿轮24与大传动齿轮25同轴，副锥齿轮23与伸缩腿6个数相同，沿圆周均布，分别与主锥齿轮24啮合，副锥齿轮23上设置有轴承座23，伸缩丝杆17一端连接在轴承座22上，另一端与伸缩腿6上设置的伸缩螺母19配合连接。
如图6所示，所述单元Ⅰ3为钣金壳体15结构，其上开有伸缩腿6通过的开孔，在开孔处设置伸缩腿导向套21，导向套21上设置扭矩传感器20，扭矩传感器20与电机Ⅱ18保持信号传递，当伸缩丝杆17所受扭矩超过限定值，扭矩传感器20发出信号，电机Ⅱ18停转，在保护电机Ⅱ18不损坏的同时，防止螺旋副运动超出伸缩腿伸缩极限。
如图8、图9所示，所述支撑腿5包括支撑轮27、支杆28和弹簧减震器29，弹簧减震器29一端连接在模块Ⅱ2的钣金护板29上，另一端连接支杆28，支杆28端部安装支撑轮27。
本发明的工作过程：
本发明步进式机器人的平移行走的实现：步进丝杆10和导向螺母9的螺旋运动将旋转运动转为平移运动；步进丝杆10由双向工作的电机12驱动，可以实现正向和反向旋转，在导向螺母9的带动下，实现两个模块组的拉近与推远动作；两模块组间通过导向杆7连接和定位，导向杆7还起导向和支撑作用。在电机12与步进丝杆10一侧安装限位传感器8，当步进丝杆10运动到达极限位置，触发电机12反向旋转。
夹紧和放松动作的实现：单元Ⅰ中，在径向平面内均布3组伸缩腿6；通过锥齿轮三角啮合的方式和丝杆螺母副连接，实现伸缩腿6的运动。主锥齿轮24与三个副锥齿轮23相啮合，将主轴的转动分别传递给分布夹角为120°三个方向的伸缩腿6；主锥齿轮24由双向工作的电机Ⅱ18驱动，主锥齿轮24的正反两个方向旋转，使相啮合的三组副锥齿轮23也能改变转向；副锥齿轮23中心轴分别与伸缩丝杆17连接，与固定在伸缩腿上的伸缩螺母19组成螺旋副，副锥齿轮23的转动则转变为沿伸缩腿6轴向移动，副锥齿轮23改变方向时，实现伸缩腿6伸长与缩短的动作，从而实现夹紧和放松。其中副锥齿轮23与伸缩丝杆17连接，导向套21上设置的扭矩传感器20，当伸缩丝杆17所受扭矩超过限定值时，扭矩传感器20发出信号，电机Ⅱ18停转，使伸缩腿在夹紧后停止伸长。
支撑轮27支撑和减震功能的实现：为防止机器人整机倾翻，在单元Ⅱ4上装有均布的三组支撑腿5，用于支撑整机与管道轴心对心站立并行走。在单元Ⅱ4的钣金护板29和支杆28间安装了弹簧减震机构，在弹簧弹力作用下，支撑轮27保持与管道内壁接触，并保持一定的夹紧力，保证模块前进时，轮子的滚动状态，同时也支撑起模块。在弹簧的作用下，支撑轮的轴向长度可调，可以适应管径在一定范围内的变化。
一个完整的前进周期如下：当向右前进时，模块Ⅰ1中的电机Ⅱ18正转，主锥齿轮24顺转，模块Ⅰ1中单元Ⅰ3的伸缩腿6伸出撑住管壁；电机Ⅰ12正转，步进丝杆10顺转，步进丝杆10伸出，模块Ⅱ向右推进；模块Ⅱ中电机18正转，主锥齿轮24顺转，模块Ⅱ中单元Ⅰ的伸缩腿6伸出撑住管壁；模块Ⅰ1的电机Ⅱ18反转，主、副锥齿轮传动机构逆转，使模块Ⅰ1中单元Ⅰ3的伸缩腿6缩回，模块Ⅰ1放松；电机Ⅰ12反转，步进丝杆10逆转，模块Ⅰ1沿着步进丝杆10方向向模块Ⅱ2靠近，完成“收回”动作；这样就完成了一个完整的前进周期。当向左运动时，模块Ⅰ1和模块Ⅱ2的夹紧放松时序相反。

Claims (7)

1.一种步进式管道机器人，其特征在于：包括两组对称连接的模块组:模块Ⅰ和模块Ⅱ，每组模块组由单元Ⅰ和单元Ⅱ构成，单元Ⅰ沿圆周设置伸缩腿，单元Ⅱ沿圆周设置支撑腿，所述伸缩腿和支撑腿至少三个，沿相同角度和方向对应设置，伸缩腿连接伸缩机构，伸缩机构置于单元Ⅰ内，通过伸缩机构控制伸缩长度，两组模块的伸缩腿实现交替夹紧和放松，使模块Ⅰ和模块Ⅱ交替步进运动。
2.根据权利要求1所述步进式管道机器人，其特征在于：所述两模块组间的连接结构包括步进丝杆、导向螺母、电机Ⅰ和三个导向杆，两连接模块分别在单元Ⅱ上分设置导向螺母和电机Ⅰ，步进丝杆一端连接电机Ⅰ，另一端连接导向螺母，在安装电机的单元Ⅱ上均布三个导向杆，在安装导向螺母的单元Ⅱ上设置导向杆套，通过电机Ⅰ驱动步进丝杆转动，通过三个导向杆导向，调整两模块间的距离。
3.根据权利要求2所述步进式管道机器人，其特征在于：所述电机Ⅰ固定在钣金壳体上靠近步进丝杆的一侧安装限位传感器，限位传感器和电机Ⅰ保持信号传递，当步进丝杆运动到达极限位置时，限位传感器发出信号,触发电机Ⅰ停转,电机Ⅰ停顿4秒后反向旋转，电机Ⅰ停顿时，模块Ⅰ和模块Ⅱ处于交换夹紧和放松状态。
4.根据权利要求1所述步进式管道机器人，其特征在于：所述伸缩腿由伸缩支杆和端部的支撑块构成，支撑块用于支撑管道内壁，伸缩支杆连接伸缩机构。
5.根据权利要求1所述步进式管道机器人，其特征在于：所述伸缩机构包括伸缩丝杆、伸缩螺母、轴承座、主锥齿轮、副锥齿轮、大传动齿轮、小传动齿轮和电机Ⅱ，电机Ⅱ置于单元Ⅰ内的钣金支架上，电机Ⅱ的输出端连接小传动齿轮，小传动齿轮与大传动齿轮啮合，主锥齿轮与大传动齿轮同轴，副锥齿轮与伸缩腿个数相同，沿圆周均布，分别与主锥齿轮啮合，副锥齿轮上设置有轴承座，伸缩丝杆一端连接在轴承座上，另一端与伸缩腿上设置的伸缩螺母配合连接。
6.根据权利要求5所述步进式管道机器人，其特征在于：所述单元Ⅰ为钣金壳体结构，其上开有伸缩腿通过的开孔，在开孔处设置伸缩腿导向套，导向套上设置扭矩传感器，扭矩传感器与电机Ⅱ保持信号传递，当伸缩丝杆所受扭矩超过限定值，扭矩传感器发出信号，电机Ⅱ停转，在保护电机不损坏的同时，防止螺旋副运动超出伸缩腿伸缩极限。
7.根据权利要求1所述步进式管道机器人，其特征在于：所述支撑腿包括支撑轮、支杆和弹簧减震器，弹簧减震器一端连接在单元Ⅱ钣金护板上，另一端连接支杆，支杆端部安装支撑轮。
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