CN106364588B - 一种蠕动式管道行走机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蠕动式管道行走机器人，包括前机体、后机体、中间机体、第一传动轴、第二传动轴、套筒、传动齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、曲柄滑杆机构、支撑轮机构、电机等组成部分，电机轴与第一传动轴相连，将动力传输到第一传动轴上，第一传动轴与第二传动轴通过套筒半分对接，实现整个机构的动力传输；通过齿轮传动控制凸轮的旋转，再通过凸轮与弹簧配合，可实现在半周期支撑足伸出并锁定，在另一半周期支撑足缩回；第一传动轴通过蜗杆带动涡轮旋转，涡轮与大齿轮固连，小齿轮、连接盘、连杆与滑杆构成曲柄滑杆机构，滑杆的另一端与后机体固连，可实现后机体的往复运动。本发明可实现机器人在管道中的前进运动。反之可实现机器人周期性的后退运动。

Description

一种蠕动式管道行走机器人

技术领域

本发明涉及一种蠕动式管道行走机器人，特别是能够实现管道内运行的管道机器行走装置。

背景技术

管道作为现今重要的运输工具之一，在石油、天然气、化工原料及市政给排水工程等各个方面发挥着重要的作用。在线运行管道随着使用时间的增长，会出现各种问题如腐蚀、裂缝、淤积等，对管道的正常使用会产生严重的影响。为了提高管道的使用效率和延长管道的寿命，需要经常对在线运行管道进行定期的检测或其它作业。

检测装置自身没用动力，现有的技术中，最常用的是通过机器人进入到管道内部，运用各种无损检测方法对管道进行检测。管道机器人作为一种管道内移动的智能载体，通常可携带有各种检测设备或作业工具，近年来，随着研究的不断深入，管道机器人领域进入崭新的阶段。管道机械人主要应用在石油、化工、天然气及核工业等领域中，以完成检测探伤、清理和维护管道的工作。现有的管道机器人有轮式、履带式、蠕动式、螺旋式等等。

在进行作业过程中，机器人运行会遇到很多障碍。一般蠕动式管道机器人中间蠕动部分采用丝杠结构，在一个周期中需电机正反转交替使得运动缓慢，并且运动过程中振动大，如专利号CN 202708464U所述，该专利需要在一个周期内电机正反转交替，机构由电机驱动丝杠正反转，使前后两组撑壁交替支撑在管壁导致机器人蠕动前行，该机构运动缓慢行程小，运行中振动大，并且需要较复杂的控制系统，机构的频繁换向导致精度降低。为保证机器人管内的正常运行，需要提供一种易于驱动、柔性化、移动平稳、运行速度快、行程较远的管道内行走装置。管道内部运行装置的研究在实际应用中具有重要的价值和意义。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种蠕动式管道行走机器人，具有速度可调、结构简单、体积较小、行程远、使用范围广、寿命长的特点。

本发明的目的是这样实现的：包括前机体、后机体、位于前机体和后机体之间的中间机体、依次穿过前机体和中间机体以及后机体的传动轴、传动齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、曲柄滑杆机构、支撑轮机构、电机，所述传动轴包括第一传动轴、第二传动轴且第一传动轴、第二传动轴通过套筒半分对接，电机的输出端与第一传动轴的一端连接，所述蜗轮蜗杆机构包括设置在第一传动轴上的蜗杆和同时与蜗杆啮合的四个蜗轮，四个蜗轮分别安装在中间机体上且对称设置在蜗杆的四周，所述传动齿轮机构包括分别与四个蜗轮同轴安装的四个大齿轮C、分别与大齿轮C啮合的四个小齿轮D，四个小齿轮D也分别安装在中间机体上，所述曲柄滑杆机构包括分别与四个小齿轮D同轴安装的四个连接盘、四个连杆和四个滑杆，每个连杆的一端铰接在对应的连接盘上、另一端与对应的滑杆的一端铰接，滑杆的另一端穿过中间机体上设置的滑杆导轨后与后机体固连，支撑轮机构有四个且分别设置在中间机体的上下左右四个面上，所述前机体与后机体结构相同，在传动轴的两个端部分别安装有大齿轮A，前机体和后机体上分别安装有四个小齿轮B，且大齿轮A同时与四个小齿轮B啮合，每个小齿轮的齿轮轴上还安装有一凸轮，前机体和后机体上还分别设置有四个带有弹簧的支撑足，且每个支撑足的平底的一端与对应的凸轮相切、另一端设置有聚氨酯垫。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.支撑轮机构包括支撑轮主体、通过转轴与支撑轮主体端部铰接的轮、设置在轮与支撑轮主体之间的弹簧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的技术方案提出了一种新的蠕动式行走机构，本设计采用凸轮机构控制腿部支撑，垂直伸出的支撑足锁定更加牢固，大大提高了可靠性；蠕动部分采用蜗轮蜗杆、曲柄连杆机构，组成部件相对较少且简单，有效降低成本；本发明中，电机的单向转动即可实现机构的整周期行走运动，避免了频繁换向的缺点；电机的正反转可实现机构的周期性前进或后退；支撑轮弹簧机构的设置，使得机构更加柔性化，运行过程中振动较小，有利于延长机体寿命。本发明装置机械结构简单紧凑、行程较大、速度可调、运行稳定、工作效率高、安全可靠，为管道机器人的发展提供了一种新的设计思维，拥有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的中间机体结构示意图；

图3为本发明的支撑轮结构示意图；

图4为本发明的蜗轮蜗杆和曲柄滑杆结构示意图；

图5为本发明的前机体结构示意图；

图6为本发明的后机体结构示意图；

图7为本发明的传动轴对接后的示意图。；

图8为本发明的传动轴对接示意图(去除套筒后)。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的工作原理是：在前半周期中，前机体支撑足伸出并锁定(此时后机体支撑足缩回)，通过曲柄滑杆机构向前拖动后机体；在后半个周期中，前机体支撑足在弹簧力的作用下缩回，后机体支撑足伸出锁定，曲柄滑杆机构将前机体向前推动，如此交替循环，即可实现机器人在管道中的前进运动。反之可实现机器人周期性的后退运动。具体的说是本发明通过齿轮传动控制凸轮的旋转，以及与弹簧的配合，可实现在一半周期支撑足伸出并锁定，在另一半周期支撑足缩回；第一传动轴通过蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮于小齿轮同轴固连、大齿轮、连接盘、连杆与滑杆构成曲柄滑杆机构，滑杆的另一端与后机体固连，可实现后机体的前进运动。所述蜗杆与蜗轮配合，将动力从第一传动轴上传至曲柄滑杆机构。蜗轮与大齿轮同轴，两者同步转动。大齿轮与小齿轮啮合。小齿轮与连接盘同轴，两者同步转动。滑杆与连接盘连接。设置齿轮啮合传动、连接盘的目的是：蜗轮蜗杆传动比较大，通过齿轮传动增速，连接盘可以调整连杆的长度，进而可以调整滑杆与后机体的前进距离。反之可实现机器人周期性的后退运动。

结合图1，本发明是一种蠕动式管道行走机器人，能够实现管道内行走的管道机械装置。图1具体包括：前机体1、中间机体2、后机体3、支撑轮机构4、蜗轮蜗杆机构5、曲柄滑杆机构6、第一传动轴7、第二传动轴8、套筒9以及电机，所述电机安装于前机体，电机轴与第一传动轴相连，将动力输入到第一传动轴，第一传动轴与第二传动轴通过套筒半分对接，实现整个机构的动力传输。且所述电机转速可调，可以通过调节电机的转速控制整个装置的运行速度和方向。

所述中间机体2，如图2所示，中间机体设置通孔2-1，方便第一传动轴中穿过；设置大蜗轮、小齿轮的安装位置，分别为2-5、2-4；设置滑杆导轨2-2，目的是实现滑动导杆的往复运动，从而带动后机体3做与导杆的同步的前进运动；设置支撑轮4的安装位置2-3，以保证机器人整体的平稳运行。特别需要合理安排空间位置，使得整个装置结构合理。

所述支撑轮4，如图3所示，由支撑轮主体4-1、转轴4-2、轮4-3、弹簧4-4以及与中间机体连接的孔4-5组成。通过在轮4-3与支撑轮主体4-1之间设置弹簧4-4，使轮的伸长量柔性化，可以适应一定范围内不同内径的管道。支撑轮4主要起到稳定装置运行、辅助支承机体的作用，四个完全相同的支撑轮机构沿中轴线均匀分布互成90°。

所述蜗轮蜗杆机构5，如图4所示，蜗轮5-1与大齿轮C5-2同轴，两者同步转动。大齿轮C5-2与小齿轮D6-4啮合，达到增速的目的。小齿轮D6-4与连接盘6-1同轴，两者同步转动。蜗杆7-1处于第一传动轴7上，需要特别设计的是蜗杆7-1最后与小齿轮D6-4的传动比。蜗杆与小齿轮D的传动比应与前后机体上的齿轮传动传动比相同，目的是保证整个装置的同步运行。

所述曲柄滑杆机构6，如图4所示，连接盘6-1、连杆6-2、滑杆6-3以及中间机体2提供的滑道2-1构成曲柄滑杆机构。连接盘6-1与小齿轮D6-4同轴并且同步转动。连接盘6-1带动连杆6-2及滑杆6-3进行曲柄滑杆运动，滑杆6-3与后机体3固连，因此后机体3可以进行往复运动。

所述机器人通过齿轮传动控制凸轮的旋转，凸轮与弹簧力的配合，可实现行走足的半周期伸出锁定与半周期缩回；第一传动轴通过蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮同轴固连大齿轮，小齿轮、连接盘、连杆与滑杆构成曲柄滑杆机构，滑杆的另一端与后机体固连，可实现后机体的往复运动。在前半周期中，前机体支撑足伸出并锁定(此时后机体支撑足缩回)，通过曲柄滑杆机构向前拖动后机体；在后半个周期中，前机体支撑足在弹簧力的作用下缩回，后机体支撑足伸出锁定，曲柄滑杆机构将前机体向前推动，如此交替循环，即可实现机器人在管道中的前进运动。反之可实现机器人周期性的后退运动。

所述前、后机体结构基本相同，需要在后机体设置与滑动杆的连接位置，目的是实现与滑杆同步的前进运动，如图5所示，第一传动轴7与大齿轮1-5固定相连，大齿轮A1-5与小齿轮B1-4啮合，小齿轮B1-4与凸轮1-6同轴并且同步运动，凸轮1-6与行走支撑足1-3的平底相切，支撑足设置在对应机体上设置的通孔1-7内，支撑足1-3在机体上设置弹簧1-2，支撑足1-3底部设有聚氨酯垫1-1。通过凸轮1-6、弹簧1-2的相互配合，可实现支撑足1-3的伸出锁死与缩回运动。后机体3与前机体的运动规律相反，如图6所示，后机体3上也设置有通孔3-7，其他构件如聚氨酯垫3-1、弹簧3-2、大齿轮3-5、小齿轮3-6、凸轮3-4、支撑足3-3均与前机体的设置方式相同。

所述第一传动轴7与第二传动轴8的对接方式，如图7和图8所示。第一传动轴7与第二传动轴8通过端部设置的切口7-3与8-1半分对接。在机构运行的过程中，第一传动轴7与第二传动轴8转动的同时会前后错动。凸起7-2作为定位装置，可以使第一转动轴7与中间机体2保持相对位置，只能相对转动，不能沿轴向移动。当前机体处于锁死状态，后机体3前行，两个轴之间的前后距离减小；当后机体处于锁死状态，前机体前行，两个轴前后距离增大。

所述电机的转速可调，可通过调节电机的速度，控制整个机构的前进速度。在一个运行周期中，当前机体支撑足伸出锁定，与管道内壁紧密贴合时，通过蜗轮蜗杆机构、曲柄滑杆机构，提供后机体前进的动力；运行半个周期后，前机体行走足在弹簧力的作用下收回，后机体行走足伸出锁定，与管道内壁紧密贴合，为前机体提供前进的动力，如此交替循环，即可实现机器人在管道中的前进运动。反之可实现机器人周期性的后退运动。

综上所述，本发明可以实现前半周期前机体锁定，后机体在曲柄滑杆的作用下向前运动；后半周期中，后机体锁定，前机体在曲柄滑杆机构带动下向前运动，如此往复，使整个机构向前蠕动。反之可实现机器人周期性的后退运动。本设计采用凸轮机构控制腿部支撑，垂直伸出的支撑足锁定牢固；蠕动部分采用曲柄连杆机构，零件相对较少且简单，有效降低成本；本发明电机的单向转动即可完成机构的整周期运动，有利于延长机体寿命。本发明装置机械结构简单紧凑、行程较大、速度可调、运行稳定、工作效率高、安全可靠，为管道机器人的发展提供了一种新的设计思维，拥有广阔的应用前景。

Claims (2)

1.一种蠕动式管道行走机器人，其特征在于：包括前机体、后机体、位于前机体和后机体之间的中间机体、依次穿过前机体和中间机体以及后机体的传动轴、传动齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、曲柄滑杆机构、支撑轮机构、电机，所述传动轴包括第一传动轴、第二传动轴且第一传动轴、第二传动轴通过套筒半分对接，电机的输出端与第一传动轴的一端连接，所述蜗轮蜗杆机构包括设置在第一传动轴上的蜗杆和同时与蜗杆啮合的四个蜗轮，四个蜗轮分别安装在中间机体上且对称设置在蜗杆的四周，所述传动齿轮机构包括分别与四个蜗轮同轴安装的四个大齿轮C、分别与大齿轮C啮合的四个小齿轮D，四个小齿轮D也分别安装在中间机体上，所述曲柄滑杆机构包括分别与四个小齿轮D同轴安装的四个连接盘、四个连杆和四个滑杆，每个连杆的一端铰接在对应的连接盘上、另一端与对应的滑杆的一端铰接，滑杆的另一端穿过中间机体上设置的滑杆导轨后与后机体固连，支撑轮机构有四个且分别设置在中间机体的上下左右四个面上，所述前机体与后机体结构相同，在传动轴的两个端部分别安装有大齿轮A，前机体和后机体上分别安装有四个小齿轮B，且大齿轮A同时与四个小齿轮B啮合，每个小齿轮B的齿轮轴上还安装有一凸轮，前机体和后机体上还分别设置有四个带有弹簧的支撑足，且每个支撑足的平底的一端与对应的凸轮相切、另一端设置有聚氨酯垫。

2.根据权利要求1所述的一种蠕动式管道行走机器人，其特征在于：支撑轮机构包括支撑轮主体、通过转轴与支撑轮主体端部铰接的轮、设置在轮与支撑轮主体之间的弹簧。