CN107061924B - 一种自变径管道清理机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自变径管道清理机器人，包括机体，机体上设置有行走装置和清扫装置；所述行走装置包括结构相同的前置行走装置和后置行走装置，前、后置行走装置均包括三根沿圆周方向均布的支撑腿和三根第一弹性件，各第一弹性件的一端与机体相连、另一端对应连接其中一根支撑腿，各支撑腿的末端均设置有行走轮，前、后置行走装置均包括用于驱动行走轮滚动的传动机构；所述清扫装置包括弹性伸缩式清扫架，清扫架上设置有若干个刷头。本发明中的机器人行走稳定，动力足，可实现对不同管径管道的清理，清理效率高。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种自变径管道清理机器人。
背景技术
管道作为一种重要的物料输送手段，在石油、天然气、化工原料等各个方面发挥着重要的作用。伴随着使用年限的增加，管道内会积累大量的灰尘、淤积等，影响管道的使用。为了提高管道的使用效率和寿命，需要对管道进行定期清理。由于管道作业要求高、作业环境复杂多变，导致了人工清理难度大，所以管道清理机器人应用而生。
然而传统的管道机器人采用四轮式，其行走不稳，容易倾覆，且驱动力不足，清理效率低。此外，现有技术中的管道机器人，或者体积较大、结构繁琐、由多段组成，或者应用于某一种管径的管道的检测，或者应用于直管的管道中，对于单段，且能适应不同管径的管道检测的，相关的产品比较少。
申请号为201310651593.3的专利公开了一种自适应直径管道机器人行走装置，其包括基体、基于基体设置的变径机构和基于变径机构设置的行走机构，所述基体为与管道轴向一致的桶体；所述变径机构包括由变径电机驱动的丝杆、十字形移动架、变径弹性支撑杆(由一个套筒和一段带有台阶的轴组成，套筒中安装有弹簧对带有台阶的轴进行支撑)和平行四边形连杆组件，所述丝杆通过保持架于桶体轴线上定位安装，所述十字形移动架于桶体内通过固定在中心的螺母与丝杆旋合，十字形移动架的端头通过桶体上对应开设的轴向槽伸出桶体，所述平行四边形连杆组件于桶体外对应于十字形移动架的各端头设置，平行四边形连杆组件的一端与桶体铰连，所述变径弹性支撑杆于平行四边形连杆组件与十字形移动架的端头之间设置并分别与两者铰连；所述行走机构包括轮子保持架、行走轮架和行走轮组件，所述轮子保持架对应于各平行四边形连杆组件设置并与平行四边形连杆组件另一端铰连，若干前、后轴向设置的行走轮组件对应于从轮子保持架径向弹性伸出的行走轮架上安装，所述行走轮组件为行走轮与行走轮驱动电机的组合体，所述行走轮上安装有感应管道压力变化并控制变径电机工作进而使变径机构适应管道直径变化的行走压力传感器。上述自适应直径管道机器人行走装置虽然能够实现行走机构的变径，但是其结构复杂，且变径依赖于压力传感器的有效性，制作成本高，此外，其主要改进点在于行走机构的变径上，如果该机器人用于其他用途，比如清扫，则机器人实现清扫功能的部分如果不能根据管道内径作出适应性变化的话，同样不能满足实际工作的需要。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。
发明内容
本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种结构简单、制作成本低且稳定性好的自变径管道清理机器人。
本发明所采用的技术方案为：
一种自变径管道清理机器人，包括机体，机体上设置有行走装置和清扫装置；所述行走装置包括结构相同的前置行走装置和后置行走装置，前、后置行走装置均包括三根沿圆周方向均布的支撑腿和三根第一弹性件，各第一弹性件的一端与机体相连、另一端对应连接其中一根支撑腿，各支撑腿的一端均设置有行走轮、另一端均与机体相铰接，前、后置行走装置均包括用于驱动行走轮滚动的传动机构；所述清扫装置包括弹性伸缩式清扫架，弹性伸缩式清扫架上设置有若干个刷头。
所述传动机构包括设置在各支撑腿上的第一传动轴，第一传动轴上套置有第一带轮，第一传动轴和行走轮分别设置在支撑腿的两端，行走轮的轮轴上设置有第二带轮，第一带轮通过同步带带动第二带轮旋转。
所述传动机构还包括带动第一传动轴旋转的驱动组件。
所述驱动组件包括第一电机、行星轮系、变向轮组及套置在第一传动轴上的第一圆柱齿轮，行星轮系包括太阳轮和三个围绕太阳轮设置且均与太阳轮相互啮合的行星轮，太阳轮由所述第一电机驱动旋转；所述驱动组件还包括三根第二传动轴和三根第三传动轴，变向轮组有三组，变向轮组的分布与支撑腿的分布相对应，且一组变向轮组对应一个行星轮；各组变向轮组均包括相互啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮，第一锥齿轮和与其位置相对的行星轮分别套置在第二传动轴的两端，第二锥齿轮套置在第三传动轴的一端，第三传动轴的另一端套置有与第一圆柱齿轮相啮合的第二圆柱齿轮。
所述弹性伸缩式清扫架包括若干个清扫杆及与清扫杆数量相同的第二弹性件，各清扫杆的一端设置有所述刷头，所述弹性伸缩式清扫架还包括固定盘，各清扫杆的另一端分别与固定盘相铰接；所述清扫装置还包括可动盘及驱动可动盘做直线运动的可动盘直线驱动机构，各第二弹性件的一端与清扫杆相连、另一端与可动盘相连。
所述自变径管道清理机器人还包括用于驱动清扫装置做旋转运动的旋转驱动机构，旋转驱动机构包括第二电机和第四传动轴，第四传动轴与第二电机的输出轴相连，所述可动盘和固定盘均套置在第四传动轴上。
所述可动盘的周圈设置有多根与清扫杆数量相同且用于支撑清扫杆的撑杆，各撑杆的一端均与可动盘固连、另一端均设置有两个限位轮，各清扫杆恰好落入与其位置相对的撑杆的两个限位轮之间，管道内径发生改变时，可动盘在可动盘直线驱动机构的带动下向靠近或背离固定盘的方向运动，第二弹性件的压缩量发生改变，各清扫杆与固定盘中心线间的夹角发生变化。
所述可动盘直线驱动机构包括导向杆、推杆及连接杆，可动盘套置在导向杆上，导向杆与第四传动轴相连；所述连接杆有三根，一根连接杆与一根后置行走装置的支撑腿相对应，所述第四传动轴上套置有直线轴承，直线轴承外侧套置有普通轴承，普通轴承外侧套置有轴套，各连接杆的一端和与其对应的支撑腿相铰接，另一端与轴套相铰接；所述固定盘位于可动盘与轴套之间，推杆有若干根，各推杆的一端与可动盘相连、另一端穿过固定盘后与轴套相连，管道内径发生改变时，支撑腿动作，带动连接杆动作，连接杆的动作带动轴套运动，轴套通过推杆带动可动盘沿导向杆做直线运动。
所述导向杆的末端设置有限位块。
所述机体上还设置有外壳。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
1、本发明解决了现有技术中机器人所存在的驱动力不足，行走不稳定，清理效率低，不能根据管径变化及时调整自身直径变化的问题，提供了一种行进稳定，清理效率高，动力足的可变径管道机器人。
2、本发明中的行走装置和清扫装置均能够根据管道直径变化来调节自身直径的变化，且清扫装置的整体直径尺寸由后行走装置的支撑腿来驱动，机械式变径，容易控制，稳定性好，适应能力强。
3、本发明中的清扫装置与行走装置及机体之间为可拆卸式连接，便于安装和维护。且清扫装置的清扫杆与固定盘之间为可拆卸式连接，有利于快速取下清扫杆和刷头，便于清洗、维护和更换。
4、本发明结构简单紧凑，自动化程度高，能够实现对不同直径管道的快速清理，清扫效率高，大大节省了人力和物力。
附图说明
图1为本发明的轴测图。
图2为本发明除去外壳后的轴测图。
图3为本发明中的前行走装置除去第一电机后的左视图。
图4为本发明中的前行走装置的右视图。
图5为本发明中清扫装置的结构示意图。
其中，
1、外壳 2、第一弹性件 3、支撑腿 4、第一电机 5、第二传动轴 6、第三传动轴 7、轴承支撑座 8、太阳轮 9、行星轮 10、同步带 11、第一锥齿轮 12、第二锥齿轮 13、第二圆柱齿轮 14、第一圆柱齿轮 15、第二带轮 16、行走轮 17、第二电机 18、连接杆 19、轴套20、普通轴承 21、直线轴承 22、固定盘 23、清扫杆 24、推杆 25、第二弹性件 26、刷头 27、可动盘 28、导向杆 29、限位块 30、第四传动轴 31、限位轮 32、撑杆
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
如图1至图5所示，一种自变径管道清理机器人，包括机体，机体上设置有行走装置和清扫装置。所述机体上还设置有用于防止灰尘进入下述第一电机4、第二电机17及齿轮传动系统的外壳1。
如图1至图4所示，所述行走装置包括结构相同的前置行走装置和后置行走装置，前、后置行走装置均包括三根沿圆周方向均布的支撑腿3和三根第一弹性件2，各第一弹性件2的一端与外壳1相连、另一端对应连接其中一根支撑腿3。所述前置行走装置的三根支撑腿3与后置行走装置的三根支撑腿3位置相对，共同配合完成对整个行走装置的支撑。前置行走装置的三根支撑腿3构成一个三角形支撑，后置行走装置的三根支撑腿3也构成一个三角形支撑，三角形结构提高了整个机器人结构的稳定性，避免了行走过程中的倾覆。
所述第一弹性件2优选弹簧结构，第一弹性件2的设置满足了在不同内径的管道或同一管道的不同内径位置处，各支撑腿3的行走轮16能够贴紧管道内壁行走。机器人支撑腿3与管道的轴向之间的夹角随管径的变化而变化，实现了机器人本体直径对管道的适应。
如图2、图3和图4所示，各所述支撑腿3的一端均设置有行走轮，各支撑腿3的另一端与机体相铰接，前、后置行走装置均包括用于驱动行走轮16滚动的传动机构。两套传动机构的设置保证了机器人行走能够拥有充足的动力。所述传动机构包括设置在各支撑腿3上的第一传动轴，第一传动轴上套置有第一带轮，第一传动轴和行走轮16分别设置在支撑腿3的两端，行走轮16的轮轴上设置有第二带轮，第一带轮通过同步带10带动第二带轮旋转，进而带动行走轮16滚动。
所述传动机构还包括带动第一传动轴旋转的驱动组件。所述驱动组件包括第一电机4、行星轮系、变向轮组及套置在第一传动轴上的第一圆柱齿轮14。行星轮系包括太阳轮8和三个围绕太阳轮8设置且均能够与太阳轮8相互啮合的行星轮9，太阳轮8由所述第一电机4驱动旋转，太阳轮8旋转带动与之啮合的行星轮9转动。
如图4所示，所述驱动组件还包括三根第二传动轴5和三根第三传动轴6，变向轮组有三组，变向轮组的分布与支撑腿3的分布相对应，且一组变向轮组对应一个行星轮9。具体地说，三根第二传动轴5设置在轴支撑座7上，各组变向轮组均包括相互啮合的第一锥齿轮11和第二锥齿轮12，第一锥齿轮11和与其位置相对的行星轮9分别套置在第二传动轴5的两端，行星轮9转动的过程中通过第二传动轴5带动第一锥齿轮11转动，第一锥齿轮11转动带动与之啮合的第二锥齿轮12转动。第二锥齿轮12套置在第三传动轴6的一端，第三传动轴6设置在支撑腿3上，且第三传动轴6的另一端套置有与第一圆柱齿轮14相啮合的第二圆柱齿轮13，第二锥齿轮12转动时通过第三转动轴6带动第二圆柱齿轮13转动，第二圆柱齿轮13转动带动与之啮合的第一圆柱齿轮14转动，第一圆柱齿轮14转动带动第一传动轴旋转，进而通过第一带轮、同步带10以及第二带轮15带动位于支撑腿3末端的行走轮16转动，实现行走功能。
当然，带动第一传动轴转动的驱动组件并不仅仅局限于上述的结构形式，还可以是其它的结构组成，比如直接由微型电机带动第一传动轴转动。而且行走轮的驱动方式也不仅仅局限于上述结构形式，现有技术中带有行走轮式机器人的行走轮驱动装置均可满足要求。
如图1、图2和图5所示，所述清扫装置包括弹性伸缩式清扫架，弹性伸缩式清扫架上设置有若干个刷头26。该弹性伸缩式清扫架有别于常规的伸长或回缩结构，其伸缩功能主要体现在下述的清扫杆23与第四传动轴30的轴向之间的夹角会随管道内径的增大的增大、随管道内径的减小而减小。
具体地来说，所述弹性伸缩式清扫架包括若干个清扫杆23及与清扫杆23数量相同的第二弹性件25，各清扫杆23的一端设置有所述刷头26。所述弹性伸缩式清扫架还包括固定盘22，各清扫杆23的另一端分别与固定盘22相铰接。所述清扫装置还包括可动盘27。所述固定盘22的中心线与可动盘27的中心线位于同一条直线上。各第二弹性件25的一端与清扫杆23相连、另一端与可动盘27相连。所述可动盘27的周圈设置有多根与清扫杆23数量相同且用于支撑清扫杆23的撑杆32，各撑杆32的一端均与可动盘27固连、另一端均设置有两个限位轮31，各清扫杆23恰好落入与其位置相对的撑杆32的两个限位轮31之间，管道内径发生改变时，可动盘27在可动盘直线驱动机构的带动下向靠近或背离固定盘22的方向运动，与此同时限位轮31沿清扫杆23滑动，第二弹性件25的压缩量发生改变，从而带动各清扫杆23与固定盘22中心线间的夹角发生变化。所述第二弹性件25优选弹簧结构。
所述自变径管道清理机器人还包括用于驱动清扫装置做旋转运动的旋转驱动机构，旋转驱动机构包括第二电机17和第四传动轴30，第四传动轴30与第二电机17的输出轴相连，所述可动盘27和固定盘22均套置在第四传动轴30上。整个清扫装置在第二电机17的带动下旋转，实现对管道内壁的清理。
所述清扫装置还包括驱动可动盘27做直线运动的可动盘直线驱动机构。所述可动盘直线驱动机构包括导向杆28、推杆24，可动盘27套置在导向杆28上，导向杆28与第四传动轴30相连。所述导向杆28的末端设置有防止可动盘27窜出的限位块29。
为了保证清扫装置的外径能够与行走装置的外径相适配，或者说清扫装置的外径能够随行走装置的外径的变化及时做出相应的调整，所述可动盘直线驱动机构包括连接杆18。所述连接杆18有三根，一根连接杆18与一根后置行走装置的支撑腿3相对应，所述第四传动轴30上套置有直线轴承21，直线轴承21外侧套置有普通轴承20，普通轴承20外侧套置有轴套19，各连接杆18的一端和与其对应的支撑腿3相铰接，另一端与轴套19相铰接。所述固定盘22位于可动盘27与轴套19之间，推杆24有若干根。各推杆24的一端与可动盘27相连、另一端穿过固定盘22后与轴套19相连。管道内径发生改变时，后行走装置的支撑腿3动作，带动与之相连的连接杆18动作，连接杆18的动作带动轴套19运动，轴套19通过推杆24带动可动盘27沿导向杆28做直线运动。
具体的说，当管道内径变大时，各支撑腿3在第一弹性件2的弹力作用下动作，各支撑腿3与管道轴向之间的夹角变大，后行走装置的支撑腿3带动与其相铰接的连接杆18与管道轴向之间的夹角也变大，连接杆18带动与其相铰接的轴套19右移，轴套19通过推杆24带动可动盘27整体右移，可动盘27右移的过程中通过第二弹性件25“撑开”清扫杆23，清扫杆23与管道轴向之间的夹角也变大，与此同时，各撑杆32上的限位轮31也沿清扫杆23下移，形成对清扫杆23的支撑，使得清扫过程中清扫杆23上的刷头26能随时接触到管道内壁。
当管道内径变小时，各支撑腿3在第一弹性件2的弹力作用下动作，各支撑腿3与管道轴向之间的夹角变小，后行走装置的支撑腿3带动与其相铰接的连接杆18与管道轴向之间的夹角变小，连接杆18带动与其相铰接的轴套19左移，轴套19通过推杆24带动可动盘27整体左移，可动盘27左移的过程中通过第二弹性件2“拉回”清扫杆23，清扫杆23与管道轴向之间的夹角也变小，与此同时，各撑杆32上的限位轮31沿清扫杆23上移，形成对清扫杆23的支撑。
清扫装置和行走装置的同步动作，保证了机器人运行的协调性和稳定性，且易于控制。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.一种自变径管道清理机器人，其特征在于，包括机体，机体上设置有行走装置和清扫装置；所述行走装置包括结构相同的前置行走装置和后置行走装置，前、后置行走装置均包括三根沿圆周方向均布的支撑腿和三根第一弹性件，各第一弹性件的一端与机体相连、另一端对应连接其中一根支撑腿，各支撑腿的一端均设置有行走轮、另一端均与机体相铰接，前、后置行走装置均包括用于驱动行走轮滚动的传动机构；所述清扫装置包括弹性伸缩式清扫架，弹性伸缩式清扫架上设置有若干个刷头；所述传动机构包括设置在各支撑腿上的第一传动轴，第一传动轴上套置有第一带轮，第一传动轴和行走轮分别设置在支撑腿的两端，行走轮的轮轴上设置有第二带轮，第一带轮通过同步带带动第二带轮旋转；所述传动机构还包括带动第一传动轴旋转的驱动组件；所述驱动组件包括第一电机、行星轮系、变向轮组及套置在第一传动轴上的第一圆柱齿轮，行星轮系包括太阳轮和三个围绕太阳轮设置且均与太阳轮相互啮合的行星轮，太阳轮由所述第一电机驱动旋转；所述驱动组件还包括三根第二传动轴和三根第三传动轴，变向轮组有三组，变向轮组的分布与支撑腿的分布相对应，且一组变向轮组对应一个行星轮；各组变向轮组均包括相互啮合的第一锥齿轮和第二锥齿轮，第一锥齿轮和与其位置相对的行星轮分别套置在第二传动轴的两端，第二锥齿轮套置在第三传动轴的一端，第三传动轴的另一端套置有与第一圆柱齿轮相啮合的第二圆柱齿轮；所述弹性伸缩式清扫架包括若干个清扫杆及与清扫杆数量相同的第二弹性件，各清扫杆的一端设置有所述刷头，所述弹性伸缩式清扫架还包括固定盘，各清扫杆的另一端分别与固定盘相铰接；所述清扫装置还包括可动盘及驱动可动盘做直线运动的可动盘直线驱动机构，各第二弹性件的一端与清扫杆相连、另一端与可动盘相连；所述自变径管道清理机器人还包括用于驱动清扫装置做旋转运动的旋转驱动机构，旋转驱动机构包括第二电机和第四传动轴，第四传动轴与第二电机的输出轴相连，所述可动盘和固定盘均套置在第四传动轴上；所述可动盘的周圈设置有多根与清扫杆数量相同且用于支撑清扫杆的撑杆，各撑杆的一端均与可动盘固连、另一端均设置有两个限位轮，各清扫杆恰好落入与其位置相对的撑杆的两个限位轮之间，管道内径发生改变时，可动盘在可动盘直线驱动机构的带动下向靠近或背离固定盘的方向运动，第二弹性件的压缩量发生改变，各清扫杆与固定盘中心线间的夹角发生变化；所述可动盘直线驱动机构包括导向杆、推杆及连接杆，可动盘套置在导向杆上，导向杆与第四传动轴相连；所述连接杆有三根，一根连接杆与一根后置行走装置的支撑腿相对应，所述第四传动轴上套置有直线轴承，直线轴承外侧套置有普通轴承，普通轴承外侧套置有轴套，各连接杆的一端和与其对应的支撑腿相铰接，另一端与轴套相铰接；所述固定盘位于可动盘与轴套之间，推杆有若干根，各推杆的一端与可动盘相连、另一端穿过固定盘后与轴套相连，管道内径发生改变时，支撑腿动作，带动连接杆动作，连接杆的动作带动轴套运动，轴套通过推杆带动可动盘沿导向杆做直线运动；所述导向杆的末端设置有限位块。
2.根据权利要求1所述的一种自变径管道清理机器人，其特征在于，所述机体上还设置有外壳。
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