CN105927820B - 一种可主动转向的管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可主动转向的管道机器人，属于管道机器人技术领域，包括多个驱动节和多个转向节，相邻两个驱动节通过转向节连接，位于最前端的驱动节的前端设置有前端盖，前端盖的中心位置上设置有用于探测管道机器人前方管网管道路径分布情况的传感器，位于最末端的驱动节的后端设置有万向球铰，所述驱动节包括主机架、驱动机构和伸缩机构，多个驱动机构间隔均匀的安装在主机架的外侧壁上，伸缩机构安装在主机架内，伸缩机构与驱动机构连接，且伸缩机构能够使驱动机构收缩至主机架内，相邻的两个驱动节能够通过转向节实现相对360°转动和主动转向。本发明的优点在于：相邻两个驱动节可实现相对360°转动和主动转向，从而满足复杂分支管网检测要求。

Description

一种可主动转向的管道机器人

技术领域

本发明涉及管道机器人技术领域，特别是一种可主动转向的管道机器人。

背景技术

管道是国家生命线工程的重要组成部分，是国家能源的大动脉，它的安全运营对国家经济发展的影响重大。为保证管道安全，在管道运行一段时间后，需要对其进行检测，以及时发现安全隐患。

管道机器人实现管道检测的主要驱动装置，通过其携带检测设备沿管道爬行，完成管道的检测工作。随着我国油气、供水管道规模的不断发展，管网结构越来越复杂，特别是城市燃气、供水管网存在大量的分支管道，因此，为实现管网的全面检测，管道机器人必须能够主动、自由灵活转向，按照设定的管道线路进行检测。专利2007100500568、2012104818937机体采用整体设计，过弯能力差，只能沿转弯半径较大的单管道路径爬行；专利2015107317708运动短节之间采用万向节连接、专利2015108488450主支架与驱动电机支架之间采用柔性连接，能够沿管道被动转向，提高了过弯能力，但依然只能沿单管道路径爬行，无法实现多分支管网内的主动转向。通过调研分析发现，现有管道机器人大多属于被动转向，在遇到分支管道时，无法主动转向，只能沿单管道路径行进，无法满足复杂分支管网的检测要求。

因此，针对现有管道机器人存在的不足，设计发明一种可主动转向的管道机器人，对于实现复杂分支管网的检测，具有积极意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可主动转向的管道机器人，可实现主动转向，从而满足复杂分支管网检测要求。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种可主动转向的管道机器人，包括多个驱动节和多个转向节，相邻两个驱动节通过转向节连接，位于最前端的驱动节的前端设置有前端盖，前端盖的中心位置上设置有用于探测管道机器人前方管网管道路径分布情况的传感器，位于最末端的驱动节的后端中心位置设置有万向球铰，

所述驱动节包括主机架、驱动机构和伸缩机构，多个驱动机构间隔均匀的安装在主机架的外侧壁上，伸缩机构安装在主机架内，伸缩机构与驱动机构连接，且伸缩机构能够使驱动机构收缩至主机架内，相邻的两个驱动节能够通过转向节实现转向和相对360°转动。

所述的主机架的侧壁上设置有与驱动机构数量相同的轮架槽，轮架槽的两个相对的槽壁上对称开有转轴孔，轮架槽的底部开有伸缩轴孔，转轴孔的两侧分别设置有轴承安装座，轮架槽的外侧设置有驱动电机安装支架，主机架的下端设置有半圆形结构的内齿圈安装板，内齿圈安装板开有内齿圈安装孔。

所述的驱动机构包括驱动电机、轮架、驱动轴、转轴、驱动轮和传动组件，驱动电机安装在驱动电机安装支架上，驱动电机的输出端与驱动轴的一端传动连接，驱动轴的另一端与传动组件的输入端连接，传动组件的输出端与驱动轮轴传动连接，驱动轮安装于驱动轮轴的端部上，所述传动组件装于轮架内，轮架上还固定有转轴，转轴与驱动轴对齐，转轴和驱动轴分别穿过转轴孔，并通过轴承安装在轴承安装座上，轮架的外侧壁中部还设置有旋转槽。

所述的传动组件包括主动齿轮、从动齿轮和齿条，主动齿轮安装于驱动轴上，从动齿轮安装于驱动轮轴上，主动齿轮和从动齿轮通过齿条传动连接。

所述的伸缩机构包括安装架、伸缩驱动电机、主动锥齿轮、从动锥齿轮、伸缩轴和伸缩杆，安装架固定在主机架内，伸缩驱动电机安装于安装架内，伸缩驱动电机的输出端与主动锥齿轮连接，从动锥齿轮的数量与驱动机构的数量一致，且每个从动锥齿轮分别与主动锥齿轮啮合，伸缩轴的数量与驱动机构的数量一致，伸缩轴的一端固定在从动锥齿轮的中心位置，另一端开设有内螺纹，伸缩杆的一端设有外螺纹，伸缩杆与伸缩轴通过螺纹配合连接，伸缩杆的另一端与旋转槽铰接。

所述的伸缩杆上还套装有弹簧，弹簧的一端与伸缩杆连接，另一端与伸缩轴连接。

所述的转向节包括行星轮支架、转向节壳体、行星齿轮传动机构和转向机构，行星轮支架固定在主机架的上端，行星齿轮传动机构安装在行星轮支架上，转向节壳体与行星齿轮传动机构的输出端连接，转向节壳体能够相对于主机架转动，转向节壳体沿径向开设有转向槽，转向机构安装于转向槽内，转向机构能够使相邻两个驱动节绕转向机构旋转。

所述的行星齿轮传动机构包括旋转电机、齿圈、太阳轮和行星轮，旋转电机安装在行星轮支架上，齿圈位于行星轮支架上方，太阳轮与旋转电机的输出端传动连接，且太阳轮位于齿圈的中心位置处，太阳轮与齿圈之间装有多个行星轮，且每个行星轮分别与太阳轮和齿圈啮合，转向节壳体固定在齿圈上。

所述的转向机构包括内齿圈、转向齿轮和转向电机，内齿圈安装于内齿圈安装孔内，转向齿轮安装于转向槽内，转向槽的一侧设置于转向电机支架，转向电机安装在转向电机支架上，转向电机与转向齿轮传动连接，转向齿轮配合安装在内齿圈内。

本发明具有以下优点：

1、采用转向节，能够使管道机器人主动、自由转向，相邻两个驱动节可实现相对转动360°，使管道机器人满足复杂分支管网的检测要求。

2、采用伸缩机构，使驱动轮架在管道机器人转弯时收放，减小了转弯时需要的转弯空间，扩大了管道机器人的转弯范围，同时能够使管道机器人满足不同管径管道检测需求。

3、本发明采用驱动节、转向节采用模块化设计，可根据实际情况连接若干数量的驱动节和转向节，增加管道机器人的整机长度，增大管道机器人的运载能力。

附图说明

图1为本发明一种可主动转向的管道机器人整机示意图；

图2为本发明驱动节剖视图；

图3为本发明主机架剖面图；

图4为本发明驱动机构剖面图；

图5为本发明转向节剖面图；

图中：1、传感器，2、前端盖，3、驱动节，3-1、主机架，3-1-1、轮架槽，3-1-2、转轴孔，3-1-3、伸缩轴孔，3-1-4、轴承安装座，3-1-5、驱动电机安装支架，3-1-6、内齿圈安装板，3-2、驱动机构，3-2-1、驱动电机，3-2-2、轮架，3-2-3、驱动轴，3-2-4、主动齿轮，3-2-5、转轴，3-2-6、齿条，3-2-7、驱动轮轴，3-2-8、从动齿轮，3-2-9、驱动轮，3-2-10、旋转槽，3-3、伸缩机构，3-3-1、安装架，3-3-2、伸缩驱动电机，3-3-3、主动锥齿轮，3-3-4、从动锥齿轮，3-3-5、伸缩轴，3-3-6、伸缩杆，3-3-7、弹簧，4、转向节，4-1、行星轮支架，4-2、内齿圈，4-3、转向节壳体，4-4、齿圈，4-5、旋转电机，4-6、太阳轮，4-7、行星轮，4-8、转向槽，4-9、转向电机支架，4-10、转向电机，4-11、转向齿轮，5、万向球铰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种可主动转向的管道机器人，包括多个驱动节3和多个转向节4，相邻两个驱动节3通过转向节4连接，位于最前端的驱动节3的前端设置有前端盖2，前端盖2的中心位置上设置有用于探测管道机器人前方管网管道路径分布情况的传感器1，位于最末端的驱动节3的后端中心位置设置有万向球铰5，万向球铰5的连杆上加工有螺纹，用于与其他管道检测设备连接。

如图2所示，所述驱动节3包括主机架3-1、驱动机构3-2和伸缩机构3-3，多个驱动机构3-2间隔均匀的安装在主机架3-1的外侧壁上，伸缩机构3-3安装在主机架3-1内，伸缩机构3-3与驱动机构3-2连接，且伸缩机构3-3能够使驱动机构3-2收缩至主机架3-1内，相邻的两个驱动节3能够通过转向节4实现转向和相对360°转动。

如图3所示，所述的主机架3-1的侧壁上设置有与驱动机构3-2数量相同的轮架槽3-1-1，轮架槽3-1-1的两个相对的槽壁上对称开有转轴孔3-1-2，轮架槽3-1-1的底部开有伸缩轴孔3-1-3，转轴孔3-1-2的两侧分别设置有轴承安装座3-1-4，轮架槽3-1-1的外侧设置有驱动电机安装支架3-1-5，如图2所示，主机架3-1的下端设置有半圆形结构的内齿圈安装板3-1-6，内齿圈安装板3-1-6开有内齿圈安装孔。

如图4所示，所述的驱动机构3-2包括驱动电机3-2-1、轮架3-2-2、驱动轴3-2-3、转轴3-2-5、驱动轮3-2-9和传动组件，驱动电机3-2-1安装在驱动电机安装支架3-1-5上，驱动电机3-2-1的输出端与驱动轴3-2-3的一端传动连接，驱动轴3-2-3的另一端与传动组件的输入端连接，传动组件的输出端与驱动轮轴3-2-7传动连接，驱动轮3-2-9安装于驱动轮轴3-2-7的端部上，所述传动组件装于轮架3-2-2内，轮架3-2-2上还固定有转轴3-2-5，转轴3-2-5与驱动轴3-2-3对齐，转轴3-2-5和驱动轴3-2-3分别穿过转轴孔3-1-2，并通过轴承安装在轴承安装座3-1-4上，轮架3-2-2的外侧壁中部还设置有旋转槽3-2-10。工作过程中，通过驱动电机3-2-1带动驱动轮3-2-9转动，使管道机器人沿管道爬行。

作为优选地，如图4所示，所述的传动组件包括主动齿轮3-2-4、从动齿轮3-2-8和齿条3-2-6，主动齿轮3-2-4安装于驱动轴3-2-3上，从动齿轮3-2-8安装于驱动轮轴3-2-7上，主动齿轮3-2-4和从动齿轮3-2-8通过齿条3-2-6传动连接。

如图2所示，所述的伸缩机构3-3包括安装架3-3-1、伸缩驱动电机3-3-2、主动锥齿轮3-3-3、从动锥齿轮3-3-4、伸缩轴3-3-5和伸缩杆3-3-6，安装架3-3-1固定在主机架3-1内，伸缩驱动电机3-3-2安装于安装架3-3-1内，伸缩驱动电机3-3-2的输出端与主动锥齿轮3-3-3连接，从动锥齿轮3-3-4的数量与驱动机构3-2的数量一致，且每个从动锥齿轮3-3-4分别与主动锥齿轮3-3-3啮合，伸缩轴3-3-5的数量与驱动机构3-2的数量一致，伸缩轴3-3-5的一端固定在从动锥齿轮3-3-4的中心位置，另一端开设有内螺纹，伸缩杆3-3-6的一端设有外螺纹，伸缩杆3-3-6与伸缩轴3-3-5通过螺纹配合连接，伸缩杆3-3-6的另一端与旋转槽3-2-10铰接，所述的伸缩杆3-3-6上还套装有弹簧3-3-7，弹簧3-3-7的一端与伸缩杆3-3-6连接，另一端与伸缩轴3-3-5连接。转弯过程中时，伸缩驱动电机3-3-2驱动伸缩轴3-3-5转动，带动伸缩杆3-3-6伸出或收回，使驱动机构3-2收回或伸出轮架槽3-1-1，减小转弯时需要的空间；此外，在不同管径管道中运行时，可根据管径调整伸缩杆3-3-6伸出长度，调节驱动机构3-2的张开开度，使管道机器人满足不同管径管道检测需求。

如图5所示，所述的转向节4包括行星轮支架4-1、转向节壳体4-3、行星齿轮传动机构和转向机构，行星轮支架4-1固定在主机架3-1的上端，行星齿轮传动机构安装在行星轮支架4-1上，转向节壳体4-3与行星齿轮传动机构的输出端连接，转向节壳体4-3能够相对于主机架3-1转动，转向节壳体4-3沿径向开设有转向槽4-8，转向机构安装于转向槽4-8内，转向机构能够使相邻两个驱动节3绕转向机构旋转。作为优选地，所述的行星齿轮传动机构包括旋转电机4-5、齿圈4-4、太阳轮4-6和行星轮4-7，旋转电机4-5安装在行星轮支架4-1上，齿圈4-4位于行星轮支架4-1上方，太阳轮4-6与旋转电机4-5的输出端传动连接，且太阳轮4-6位于齿圈4-4的中心位置处，太阳轮4-6与齿圈4-4之间装有多个行星轮4-7，且每个行星轮4-7分别与太阳轮4-6和齿圈4-4啮合，转向节壳体4-3固定在齿圈4-4上。作为优选地，所述的转向机构包括内齿圈4-2、转向齿轮4-11和转向电机4-10，内齿圈4-2安装于内齿圈安装孔内，转向齿轮4-11安装于转向槽4-8内，转向槽4-8的一侧设置于转向电机支架4-9，转向电机4-10安装在转向电机支架4-9上，转向电机4-10与转向齿轮4-11传动连接，转向齿轮4-11配合安装在内齿圈4-2内。转弯过程中，旋转电机4-5驱动行星齿轮传动机构，带动转向节4绕中心轴线转动，从而使驱动节3能够在转向电机4-10驱动下绕转向齿轮4-10的轴线转向分支管道方向。

本发明的工作过程如下：工作过程中，传感器1探测管网管道路径分布情况，并将信息实时传输到控制中心；当遇到分支管道时，判断管道机器人的行进方向，若需要转向，首先驱动电机3-2-1停止工作，管道机器人的最前端驱动节3的伸缩驱动电机3-3-2开启，驱动伸缩机构3-3动作，使驱动机构3-2收回到轮架槽3-1-1内，减小转弯所需空间；然后，与该段驱动节3连接的转向节4的旋转电机4-5驱动行星齿轮传动机构动作，带动转向节4绕中心轴线转动，从而使驱动节3能够在转向电机4-10驱动下绕转向齿轮4-11的轴线转向分支管道方向；此后，转向电机4-10动作，使驱动节3转向，转入到分支管道中；当驱动节3转入到设定分支管道内后，驱动伸缩机构3-3动作，使驱动机构3-2伸出，驱动轮3-2-9贴紧管道内壁；驱动电机3-2-1重新动作，驱动机器人前进。后续驱动节3和转向节4依次重复进行上述动作，使管道机器人逐步、完全进入到需要检测的管道中。

Claims (7)

1.一种可主动转向的管道机器人，其特征在于：包括多个驱动节（3）和多个转向节（4），相邻两个驱动节（3）通过转向节（4）连接，位于最前端的驱动节（3）的前端设置有前端盖（2），前端盖（2）的中心位置上设置有用于探测管道机器人前方管网管道路径分布情况的传感器（1），位于最末端的驱动节（3）的后端中心位置设置有万向球铰（5），所述驱动节（3）包括主机架（3-1）、驱动机构（3-2）和伸缩机构（3-3），多个驱动机构（3-2）间隔均匀的安装在主机架（3-1）的外侧壁上，伸缩机构（3-3）安装在主机架（3-1）内，伸缩机构（3-3）与驱动机构（3-2）连接，且伸缩机构（3-3）能够使驱动机构（3-2）收缩至主机架（3-1）内，相邻的两个驱动节（3）能够通过转向节（4）实现转向和相对360°转动，所述的转向节（4）包括行星轮支架（4-1）、转向节壳体（4-3）、行星齿轮传动机构和转向机构，行星轮支架（4-1）固定在主机架（3-1）的上端，行星齿轮传动机构安装在行星轮支架（4-1）上，转向节壳体（4-3）与行星齿轮传动机构的输出端连接，转向节壳体（4-3）能够相对于主机架（3-1）转动，转向节壳体（4-3）沿径向开设有转向槽（4-8），转向机构安装于转向槽（4-8）内，转向机构能够使相邻两个驱动节（3）绕转向机构旋转，所述的转向机构包括内齿圈（4-2）、转向齿轮（4-11）和转向电机（4-10），内齿圈（4-2）安装于内齿圈安装孔内，转向齿轮（4-11）安装于转向槽（4-8）内，转向槽（4-8）的一侧设置于转向电机支架（4-9），转向电机（4-10）安装在转向电机支架（4-9）上，转向电机（4-10）与转向齿轮（4-11）传动连接，转向齿轮（4-11）配合安装在内齿圈（4-2）内。

2.根据权利要求1所述的一种可主动转向的管道机器人，其特征在于：所述的主机架（3-1）的侧壁上设置有与驱动机构（3-2）数量相同的轮架槽（3-1-1），轮架槽（3-1-1）的两个相对的槽壁上对称开有转轴孔（3-1-2），轮架槽（3-1-1）的底部开有伸缩轴孔（3-1-3），转轴孔（3-1-2）的两侧分别设置有轴承安装座（3-1-4），轮架槽（3-1-1）的外侧设置有驱动电机安装支架（3-1-5），主机架（3-1）的下端设置有半圆形结构的内齿圈安装板（3-1-6），内齿圈安装板（3-1-6）开有内齿圈安装孔。

3.根据权利要求2所述的一种可主动转向的管道机器人，其特征在于：所述的驱动机构（3-2）包括驱动电机（3-2-1）、轮架（3-2-2）、驱动轴（3-2-3）、转轴（3-2-5）、驱动轮（3-2-9）和传动组件，驱动电机（3-2-1）安装在驱动电机安装支架（3-1-5）上，驱动电机（3-2-1）的输出端与驱动轴（3-2-3）的一端传动连接，驱动轴（3-2-3）的另一端与传动组件的输入端连接，传动组件的输出端与驱动轮轴（3-2-7）传动连接，驱动轮（3-2-9）安装于驱动轮轴（3-2-7）的端部上，所述传动组件装于轮架（3-2-2）内，轮架（3-2-2）上还固定有转轴（3-2-5），转轴（3-2-5）与驱动轴（3-2-3）对齐，转轴（3-2-5）和驱动轴（3-2-3）分别穿过转轴孔（3-1-2），并通过轴承安装在轴承安装座（3-1-4）上，轮架（3-2-2）的外侧壁中部还设置有旋转槽（3-2-10）。

4.根据权利要求3所述的一种可主动转向的管道机器人，其特征在于：所述的传动组件包括主动齿轮（3-2-4）、从动齿轮（3-2-8）和齿条（3-2-6），主动齿轮（3-2-4）安装于驱动轴（3-2-3）上，从动齿轮（3-2-8）安装于驱动轮轴（3-2-7）上，主动齿轮（3-2-4）和从动齿轮（3-2-8）通过齿条（3-2-6）传动连接。

5.根据权利要求3所述的一种可主动转向的管道机器人，其特征在于：所述的伸缩机构（3-3）包括安装架（3-3-1）、伸缩驱动电机（3-3-2）、主动锥齿轮（3-3-3）、从动锥齿轮（3-3-4）、伸缩轴（3-3-5）和伸缩杆（3-3-6），安装架（3-3-1）固定在主机架（3-1）内，伸缩驱动电机（3-3-2）安装于安装架（3-3-1）内，伸缩驱动电机（3-3-2）的输出端与主动锥齿轮（3-3-3）连接，从动锥齿轮（3-3-4）的数量与驱动机构（3-2）的数量一致，且每个从动锥齿轮（3-3-4）分别与主动锥齿轮（3-3-3）啮合，伸缩轴（3-3-5）的数量与驱动机构（3-2）的数量一致，伸缩轴（3-3-5）的一端固定在从动锥齿轮（3-3-4）的中心位置，另一端开设有内螺纹，伸缩杆（3-3-6）的一端设有外螺纹，伸缩杆（3-3-6）与伸缩轴（3-3-5）通过螺纹配合连接，伸缩杆（3-3-6）的另一端与旋转槽（3-2-10）铰接。

6.根据权利要求5所述的一种可主动转向的管道机器人，其特征在于：所述的伸缩杆（3-3-6）上还套装有弹簧（3-3-7），弹簧（3-3-7）的一端与伸缩杆（3-3-6）连接，另一端与伸缩轴（3-3-5）连接。

7.根据权利要求1所述的一种可主动转向的管道机器人，其特征在于：所述的行星齿轮传动机构包括旋转电机（4-5）、齿圈（4-4）、太阳轮（4-6）和行星轮（4-7），旋转电机（4-5）安装在行星轮支架（4-1）上，齿圈（4-4）位于行星轮支架（4-1）上方，太阳轮（4-6）与旋转电机（4-5）的输出端传动连接，且太阳轮（4-6）位于齿圈（4-4）的中心位置处，太阳轮（4-6）与齿圈（4-4）之间装有多个行星轮（4-7），且每个行星轮（4-7）分别与太阳轮（4-6）和齿圈（4-4）啮合，转向节壳体（4-3）固定在齿圈（4-4）上。