CN106499912A - 便携式大变径全驱式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种便携式大变径全驱式管道机器人，包括：前端板、后端板、前摇臂、后摇臂、剪刀式变径机构以及定位全驱机构；所述定位全驱机构设置在所述前端板上；所述剪刀式变径机构设置在所述后端板上；所述前摇臂的一端与所述前端板铰接；所述后摇臂与所述后端板铰接；所述前摇臂与所述后摇臂铰接形成剪叉结构；所述剪刀式变径机构连接所述定位全驱机构；所述剪刀式变径机构能够相对所述定位全驱机构滑动，进而带动所述前摇臂与所述后摇臂之间形成剪叉运动。本发明中当变径电机转动时，螺母拉动前端板沿导向柱拉近或者推远，同步地固定在前端板、后端板上的剪刀式摇臂开合，从而能够使机器人支撑半径变化。

Description

便携式大变径全驱式管道机器人

技术领域

本发明涉及管道探测的自动化行走装置，属于机器人领域，具体地，涉及一种可以实现较大范围变径，周向三轮可以完全驱动的管道内行走的自动化装置。

背景技术

随着工业的快速发展和人们日程生活的需要，用来进行物料传输的管道系统在城市和工厂中越来越被广泛使用着。管道系统主要有自来水供应管道系统，天然气输送管道系统，污水排放管道系统等等。然而随着管道使用年限的增长、管道腐蚀以及外力作用等因素，管道破裂、堵塞、物料泄露等问题会越来越多，因而管道的检测和维修十分重要。由于大量管道系统受到工作空间和环境的限制，导致工作人员无法直接检测或者接触管道，而传统的全面拆卸更换或者随机拆卸检测又不够精确和经济，所以管道机器人应运而生，受到了广泛的研究和关注。

美国为了解决天然气管道泄漏的问题实施了研制名为MOUSE的管道机器人的全面技术调查，并在此基础上研究了样机。日本冈田德次研制了三轮支撑结构、适用于管径φ132mm～218mm的MOGRER管道机器人，福田敏男、细贝英夫研制了可通过L型弯道的管内检测机器人。日本东京工业大学航空机械系成功研制了不同型号的机器人，有适用于管径为φ50mm的Thes一代和Thes二代管道机器人，还有适用于管径为φ150mm的Thes三代管道机器人。由美国纽约煤气集团和卡内基梅隆大学机器人技术学院合作，设计开发了长距离、无缆方式管道机器人系统EXLOPER，专门用于检测地下煤气管道的情况。

我国哈尔滨工业大学与大庆油建公司合作研制了φ660mm野外大口径管线对接焊缝工业X射线检测机器人系统。上海交通大学提出了一种平行四边形管径自适应调整机构，并进行了样机开发和试验研究

从各种资料来看，管道机器人对管道直径变化的适应性与便携性目前仍然是研究的热点，适应更大的直径变化使得管道机器人具有更多的管道检测能力，便携性使得在施工现场更易于使用，管道直径适应性与便携性往往也具有对抗性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种便携式大变径全驱式的管道机器人。

根据本发明提供的便携式大变径全驱式管道机器人，包括：前端板、后端板、前摇臂、后摇臂、剪刀式变径机构以及定位全驱机构；

所述定位全驱机构设置在所述前端板上；所述剪刀式变径机构设置在所述后端板上；所述前摇臂的一端与所述前端板铰接；所述后摇臂与所述后端板铰接；所述前摇臂与所述后摇臂铰接形成剪叉结构；

所述剪刀式变径机构连接所述定位全驱机构；所述剪刀式变径机构能够相对所述定位全驱机构滑动，进而带动所述前摇臂与所述后摇臂之间形成剪叉运动；所述定位全驱机构用于驱动所述前摇臂的另一端设置的主动轮转动。

优选地，所述前摇臂、后摇臂的数量为多个；

所述前摇臂沿所述前端板的周向均匀分布；所述后摇臂沿所述后端板的周向均匀分布；

所述前摇臂与所述后摇臂一一对应。

优选地，所述前摇臂和后摇臂的中点采用销柱组成剪刀式机构，后摇臂的另一端设置有被动轮；

前摇臂和后摇臂等长。

优选地，所述剪刀式变径机构的导向柱设置在所述定位全驱机构的导向桶中，能够在导向桶中自由滑动；

所述导向桶设置在所述前端板上，所述导向柱设置在所述后端板上。

优选地，所述剪刀式变径机构包括丝杆、丝杠支撑杯、螺母以及螺母固定板；

其中，所述丝杠支撑杯设置在所述后端板的内侧面上；所述丝杆的一端固定支撑在丝杠支撑杯和后端板上，螺母固定在螺母固定板，丝杆与螺母旋合；

所述导向桶固定在所述螺母固定板上，当丝杆转动时，在导向柱、导向桶的支撑和止转作用下，螺母前后移动，驱动所述导向柱在导向桶中滑动，进而推动所述后摇臂与前摇臂的一端相对或相背运动，从而控制剪叉开合，实现变径。

优选地，所述剪刀式变径机构还包括变径电机、变径电机从齿轮以及变径电机主齿轮；

其中，变径电机从齿轮固定安装在丝杆的一端光轴上，与变径电机的输出轴上固定安装的变径电机主齿轮啮合；

所述变径电机通过变径电机主齿轮、变径电机从齿轮驱动丝杆转动。

优选地，所述定位全驱机构包括电机主齿轮、行走电机、电机从齿轮、摇臂主齿轮、从锥齿轮、从锥齿轮轴、锥齿轮、摇臂轴、主动轮轴、主带轮、摇臂从齿轮、从带轮、同步带以及主动行走轮；

其中，行走电机安装在前端板上，电机主齿轮安装在行走电机的输出轴上，电机从齿轮与锥齿轮安装在主锥齿轮轴上，电机主齿轮与多个电机从齿轮啮合，摇臂主齿轮与从锥齿轮安装在从锥齿轮轴上，锥齿轮与从锥齿轮啮合；

所述摇臂轴设置在所述前摇臂的一端，主动轮轴设置在所述前摇臂的另一端；所述主带轮与摇臂从齿轮安装在摇臂轴上，摇臂主齿轮与摇臂从齿轮啮合，从带轮、主动行走轮安装在主动轮轴上，主带轮与从带轮之间通过同步带啮合。

优选地，所述前摇臂的一端通过所述前摇臂支撑板铰接所述前端板；

所述后摇臂的一端通过所述后摇臂支撑板连接所述后端板。

优选地，所述丝杆数量为两个，分别为第一丝杆、第二丝杆；

第一丝杆、第二丝杆沿变径电机轴线对称。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中行走电机安装在前端板上，电机输出轴通过安装在前端板上的一级直齿轮、二级锥齿轮、三级直齿轮啮合传动，将电机转动传递到前摇臂的同步带轮上，通过同步带将运动传递到前摇臂末端的主动轮上，实现主动轮的驱动，以上传动机构沿前端板周向120°均匀分布，呈伞状，一级直齿轮传动由一个电机输出轴上的齿轮与其他三个直齿轮同时啮合，能够实现一个行走电机对三个主动爬行轮的同时驱动；

2、本发明中变径电机安装在后端板上，电机输出轴通过安装在后端板上的一级直齿轮将运动传递到安装在后端板上的两个平行对称分布的丝杆，后端板周向120°均匀分布三个后摇臂，呈伞状，后摇臂末端上安装被动轮，后摇臂中部与对应前摇臂中部通过销柱连接，后端板上的三个导向柱插入到前端板上的三个导桶中，提供导向、止转和支撑，丝杆与前端板上固定的螺母旋合，当变径电机转动时，螺母拉动前端板沿导向柱拉近或者推远，同步地固定在前端板、后端板上的剪刀式摇臂开合，从而能够使机器人支撑半径变化；

3、本发明三组摇臂支撑在管道内壁，三点定位可以使得机器人自动定位于管道中心，利于对中；

4、本发明中机器人前摇臂和后摇壁形成剪刀叉式结构形式，前摇臂末端安装主动驱动轮，后摇壁末端安装被动轮，两臂等长，可以使得主动轮、被动轮共同支承于管道内壁，当变径时，前后轮的支撑中点始终位于机器人的周向中点，利于前后平衡；

5、本发明中机器人后端板上的导向柱插入前端板上的导向桶形成导向支撑结构，此导向支撑结构有三个，可以实现稳定的支撑和精确的定心；

6、变径机构中的丝杆进行螺母推拉，此结构具有两个，由于丝杆螺母的偏心安装，两个对称安装可以避免倾覆力矩而导致的卡死现象；

7、本发明具有结构紧凑，简便易行，变径大等特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的驱动和变径机构的传动原理图；

图3为本发明的机器人在管道内的三点支撑方式示意图；

图4为本发明的对称剪叉式支撑结构示意图；

图5为本发明的对称双丝杆螺母推拉结构示意图。

图中：

1为行走电机；2为电机主齿轮；3为电机从齿轮；4为前端板；5为主带轮；6为摇臂从齿轮；7为同步带；8为被动行走轮；9为限位柱；10为后摇臂；11为销柱；12为从带轮；13为主动行走轮；14为前摇臂；15为后摇臂支撑板；16为变径电机主齿轮；17为变径电机从齿轮；18为后端板；19为摇臂轴；20为导向柱；21为导向桶；22为丝杠支撑杯；23为丝杆；24为螺母；25为螺母固定板；26为前摇臂支撑板；27为主锥齿轮轴；28为锥齿轮；29为从锥齿轮轴；30为从锥齿轮；31为摇臂主齿轮；32为摇臂轴；33为被动轮轴；34为主动轮轴；35为变径电机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图5。

本实施例中，如图1所示，本实施例提供的便携式大变径全驱式管道机器人，包括：行走电机1，电机主齿轮2，电机从齿轮3，前端板4，主带轮5，摇臂从齿轮6，同步带7，被动行走轮8，限位柱9，后摇臂10，销柱11，从带轮12，主动行走轮13，前摇臂14，后摇臂支撑板15，变径电机主齿轮16，变径电机从齿轮17，后端板18，摇臂轴19，导向柱20，导向桶21，丝杠支撑杯22，丝杆23，螺母24，螺母固定板25，前摇臂支撑板26。

前摇臂支撑板26与导向桶21固定安装在前端板4上，螺母固定板25固定安装在三个导向桶21上，形成前机架；后摇臂支撑板15、导向柱20、丝杠支撑杯22固定安装在后端板18上，形成后机架；后机架的三个导向柱20插入到前机架的三个导向桶21中，能够自由滑动。

前摇臂14下端支撑在前摇臂支撑板26的轴上，能够绕前摇臂支撑板26的轴转动，后摇臂10下端支撑在后摇臂支撑板15的轴上，能够绕后摇臂支撑板15的轴转动，后摇臂10与前摇臂14通过销柱11铰接形成剪叉结构。

丝杆23的一端固定支撑在丝杠支撑杯22和后端板18上，螺母24固定在螺母固定板25，丝杆23与螺母24旋合。丝杆23转动时，在在三组导向柱20、导向桶21的支撑和止转作用下，螺母24前后移动，推动后摇臂10与前摇臂14的下端，控制剪叉开合，实现变径。

行走电机1安装在前端板4上，行走电机1输出轴上的电机主齿轮2经由齿轮传动系统传递运动到摇臂从齿轮6，摇臂从齿轮6与主带轮5固定在同一个轴上，主带轮5通过同步带7传递运动到从带轮12，主动行走轮13与从带轮12同轴安装，实现行走。

如图2所示，驱动和变径的传动系统包括：行走电机1，电机主齿轮2，电机从齿轮3，主带轮5，摇臂从齿轮6，同步带7，被动行走轮8，后摇臂10，销柱11，从带轮12，主动行走轮13，前摇臂14，后摇臂支撑板15，变径电机主齿轮16，变径电机从齿轮17，丝杆23，螺母24，螺母固定板25，主锥齿轮轴27，锥齿轮28，从锥齿轮轴29，从锥齿轮30，摇臂主齿轮31，摇臂轴32，被动轮轴33，主动轮轴34，变径电机35。

电机主齿轮2安装在行走电机1的输出轴上，电机从齿轮3与锥齿轮28安装在主锥齿轮轴27上，电机主齿轮2与电机从齿轮3啮合，摇臂主齿轮31与从锥齿轮30安装在从锥齿轮轴29上，锥齿轮28与从锥齿轮30啮合，主带轮5与摇臂从齿轮6安装在摇臂轴32上，摇臂主齿轮31与摇臂从齿轮6啮合，从带轮12、主动行走轮13安装在主动轮轴34上，主带轮5与从带轮12之间通过同步带7啮合。

变径电机从齿轮17固定安装在丝杆23的一端光轴上，与变径电机35输出轴上固定安装的变径电机主齿轮16啮合，螺母24安装在螺母固定板25上，丝杆23与螺母24旋合。

如图3所示，机器人在管道内采用三点支撑：A、B、C分别为三组由后摇臂10、前摇臂14等组成的剪叉式支撑行走机构，三组机构的行走由一个行走电机1同步驱动，开合变径由一个变径电机35同步驱动，可以实现行走中变径，并且始终处于支撑管道的中心。

如图4所示，剪刀叉式支撑行走机构采用对称设计：后摇臂10支撑在后摇臂支撑板15的轴上，前摇臂14支撑在前摇臂支撑板26的轴上，后摇臂10与前摇臂14采用销柱11连接，关于销柱11完全对称，当丝杆23与螺母24旋合而前摇臂14与后摇臂10组成的剪叉开合时，主动行走轮13与被动行走轮8同步被压向管壁，而从后端板18到前端板4的距离缩短，即机器人的长度整体减少。

如图5所示，变径驱动采用双丝杆螺母推拉结构：丝杆2301、丝杆2302分别旋合螺母2401、螺母2402，螺母2401、螺母2402固定安装在螺母固定板25上，丝杆2301与丝杆2302受变径电机35驱动，关于变径电机35轴线对称，在推拉式可以获得稳定均匀的推拉力，避免倾覆力矩卡死。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种便携式大变径全驱式管道机器人，其特征在于，包括：前端板、后端板、前摇臂、后摇臂、剪刀式变径机构以及定位全驱机构；

所述定位全驱机构设置在所述前端板上；所述剪刀式变径机构设置在所述后端板上；所述前摇臂的一端与所述前端板铰接；所述后摇臂与所述后端板铰接；所述前摇臂与所述后摇臂铰接形成剪叉结构；

所述剪刀式变径机构连接所述定位全驱机构；所述剪刀式变径机构能够相对所述定位全驱机构滑动，进而带动所述前摇臂与所述后摇臂之间形成剪叉运动；所述定位全驱机构用于驱动所述前摇臂的另一端设置的主动轮转动。

2.根据权利要求1所述的便携式大变径全驱式管道机器人，其特征在于，所述前摇臂、后摇臂的数量为多个；

所述前摇臂沿所述前端板的周向均匀分布；所述后摇臂沿所述后端板的周向均匀分布；

所述前摇臂与所述后摇臂一一对应。

3.根据权利要求1所述的便携式大变径全驱式管道机器人，其特征在于，所述前摇臂和后摇臂的中点采用销柱组成剪刀式机构，后摇臂的另一端设置有被动轮；

前摇臂和后摇臂等长。

4.根据权利要求1所述的便携式大变径全驱式管道机器人，其特征在于，所述剪刀式变径机构的导向柱设置在所述定位全驱机构的导向桶中，能够在导向桶中自由滑动；

所述导向桶设置在所述前端板上，所述导向柱设置在所述后端板上。

5.根据权利要求4所述的便携式大变径全驱式管道机器人，其特征在于，所述剪刀式变径机构包括丝杆、丝杠支撑杯、螺母以及螺母固定板；

其中，所述丝杠支撑杯设置在所述后端板的内侧面上；所述丝杆的一端固定支撑在丝杠支撑杯和后端板上，螺母固定在螺母固定板，丝杆与螺母旋合；

所述导向桶固定在所述螺母固定板上，当丝杆转动时，在导向柱、导向桶的支撑和止转作用下，螺母前后移动，驱动所述导向柱在导向桶中滑动，进而推动所述后摇臂与前摇臂的一端相对或相背运动，从而控制剪叉开合，实现变径。

6.根据权利要求5所述的便携式大变径全驱式管道机器人，其特征在于，所述剪刀式变径机构还包括变径电机、变径电机从齿轮以及变径电机主齿轮；

其中，变径电机从齿轮固定安装在丝杆的一端光轴上，与变径电机的输出轴上固定安装的变径电机主齿轮啮合；

所述变径电机通过变径电机主齿轮、变径电机从齿轮驱动丝杆转动。

7.根据权利要求1所述的便携式大变径全驱式管道机器人，其特征在于，所述定位全驱机构包括电机主齿轮、行走电机、电机从齿轮、摇臂主齿轮、从锥齿轮、从锥齿轮轴、锥齿轮、摇臂轴、主动轮轴、主带轮、摇臂从齿轮、从带轮、同步带以及主动行走轮；

其中，行走电机安装在前端板上，电机主齿轮安装在行走电机的输出轴上，电机从齿轮与锥齿轮安装在主锥齿轮轴上，电机主齿轮与多个电机从齿轮啮合，摇臂主齿轮与从锥齿轮安装在从锥齿轮轴上，锥齿轮与从锥齿轮啮合；

所述摇臂轴设置在所述前摇臂的一端，主动轮轴设置在所述前摇臂的另一端；所述主带轮与摇臂从齿轮安装在摇臂轴上，摇臂主齿轮与摇臂从齿轮啮合，从带轮、主动行走轮安装在主动轮轴上，主带轮与从带轮之间通过同步带啮合。

8.根据权利要求1所述的便携式大变径全驱式管道机器人，其特征在于，所述前摇臂的一端通过所述前摇臂支撑板铰接所述前端板；

所述后摇臂的一端通过所述后摇臂支撑板连接所述后端板。

9.根据权利要求5所述的便携式大变径全驱式管道机器人，其特征在于，所述丝杆数量为两个，分别为第一丝杆、第二丝杆；

第一丝杆、第二丝杆沿变径电机轴线对称。