CN107191736A - 四驱动管道柔性爬行机器人 - Google Patents

Abstract

一种四驱动管道柔性爬行机器人，它包括伸缩机构、转向机构、三根绳和弹簧；伸缩机构包括机座、主、辅电机，主、辅丝杠副，三个足机构，三个导柱，主电机驱动主丝杠副压缩弹簧，实现轴向伸缩，辅电机通过辅丝杠副驱动三个足机构径向支撑或脱离管道内壁；转向机构与伸缩机构类似，不同处在于三个凸轮摆杆副代替主丝杠副，导柱连接大支撑板和机座，主电机通过凸轮摆杆副推拉绳，实现转向。绳和弹簧一端与伸缩机构主丝杠副的丝母连接，绳穿过大支撑板和摆杆通孔，绳和弹簧另一端分别与转向机构的机座和大支撑板连接。本发明结构简单，通过伸缩机构和转向机构和足机构的协调运动，该机器人能沿管道内壁柔性伸缩爬行和转弯。

Description

四驱动管道柔性爬行机器人

技术领域

本发明涉及一种特种机器人领域，特别是涉及一种四驱动管道柔性爬行机器人。

背景技术

管道机器人是基于一般机器人技术发展起来的一类特种机器人。它们用于做人不能做的事，在人无法进入的管道狭小空间进行作业，在人无法适应的环境下进行危险作业。管道机器人是一种可沿管道内壁行走的机械，它可以携带一种或多种传感器及操作装置，在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。多年来世界各国对管道机器人的研究十分重视，对其研究逐步从试验研究转入到实际应用。目前，多种技术融合、多智能体网络是管道机器人研究的发展方向，在国民经济中起着重要作用并具有重大的战略意义。至今人们已研制出多种管道机器人。德国Kuntze研制出四轮独立驱动管道检测机器人系统。西班牙Jorge Momleda研制出利用水流喷射驱动的管道机器人系统；日本东京工业大学研制出螺旋推动螺旋轮的管道机器人系统；东京油气有限公司曾开发出世界上第一台无缆管道爬行机器人。中国哈尔滨工业大学研制六独立轮驱动管内检测牵引机器人。

迄今为止，目前一些管道机器人能进行一些探测及信号传送和有限的清淤和除障作业，但在垂直上升管道内爬行能力、在变直径和拐陡弯管道内运行灵活性、在长距离密封管道内牵引电缆能力等能力仍很差。在变内径、弯曲、交叉管道清淤和除障作业的管道机器人未见报道。

发明内容

为了克服现有管道机器人在垂直管道内爬行能力差、在变内径、弯曲、交叉管道内运行不灵活以及牵引能力不足问题，本发明提供一种四驱动管道柔性爬行机器人。

本发明包括伸缩机构、转向机构、三根绳和弹簧，伸缩机构和转向机构之间通过三根绳和弹簧连接；

所述伸缩机构包括第一机座、小支撑板、第一主电机、第一辅电机、第一丝杠套、第一丝母板、丝杠轴、丝母套、三个结构相同的第一足机构、三个第一导柱，其中第一机座设有相互平行的中心通孔和三个小圆周均布通孔，第一机座大圆周均布设有相切圆周的三对平行孔；第一丝杠套设有相互同心的小通孔、小圆柱、大外圆柱螺纹和中心开孔；第一丝母板设有与第一机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔，该第一丝母板大圆周均布设有三个相切圆周的孔；小支撑板设有与第一机座对应的中心通孔和三个小圆周均布通孔；丝母套上设有与第一机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔；丝杠轴设有相互同心的圆柱、圆柱外螺纹、圆柱端开孔；第一主电机设在第一丝杠套中心开孔内，并与小支撑板固接，丝杠轴的圆柱与小支撑板中心通孔转动联接，第一主电机驱动轴与丝杠轴的圆柱端开孔同轴键连接，丝杠轴的圆柱外螺纹与丝母套螺纹联接；第一丝杠套的小圆柱与第一机座中心通孔转动联接，第一丝杠套的大外圆柱螺纹与第一丝母板螺纹联接；三个第一导柱一端和中部分别与第一机座和小支撑板的三个小圆周均布通孔固连，另一端与丝母套的三个小圆周均布通孔滑动联接；第一辅电机与第一机座连接，第一辅电机驱动轴与第一丝杠套的小通孔键连接；

所述第一足机构包括第一长连杆、第一短连杆、第一拉杆、第一曲柄，其中第一长、短连杆和第一曲柄两端分别设有相互平行的通孔，第一拉杆设有三个相互平行的通孔，第一短连杆的孔距与第一机座大圆周的一对平行孔距相同，第一长杆的孔距与第一拉杆的一对远孔距相同；第一长杆的一端的通孔与第一机座转动连接，其另一端的通孔与第一短杆一端的通孔转动连接，第一短杆另一端的通孔与第一拉杆一端的通孔转动连接，第一拉杆另一端的通孔与第一机座转动连接，第一机座、第一长连杆、第一短连杆、第一拉杆相互转动联接构成第一平行四杆机构；第一曲柄两端分别与第一丝母板的大圆周孔和第一拉杆的余下通孔转动联接；

所述转向机构与伸缩机构相对设置，转向机构包括第二机座、第二主电机、第二辅电机、第二丝杠套、第二丝母板、三个结构相同的第二足机构、第二丝母板、三个第二导柱、大支撑板、凸轮和三个摆杆，其中第二机座上设有相互平行的中心通孔和三个小圆周均布通孔，第二机座大圆周均布设有相切圆周的三对平行孔；大支撑板设有相互平行的中心通孔、三个大、小圆周均布通孔；所述摆杆设有相互平行的中心通孔和偏心通孔；第二丝杠套设有相互同心的小通孔、小圆柱、大外圆柱螺纹和中心开孔；第二丝母板设有与第二机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔，第二丝母板大圆周均布设有三个相切圆周的孔；第二丝母板设有与第二机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔，第二丝母板大圆周均布设有三个相切圆周的孔；第二辅助电机设在第二丝杠套的大径开孔内，第二辅助电机与第二机座中心通孔固连，第二辅助电机驱动轴与第二丝杠套的小径通孔键连接；第二导柱一端和中部与大支撑板和第二机座的小圆周通孔固连，第二导柱另一端与第二丝母板的小圆周通孔滑动联接；第二主电机与大支撑板固连，第二主电机轴穿过大支撑板中心通孔与凸轮垂直固连，凸轮和摆杆设在大支撑板和第二机座之间同一面内，每个摆杆中心孔与每个第二导柱转动联接，凸轮分别与三个摆杆间隔接触；第二丝母板与第二丝杠套的大外圆柱螺纹联接；

所述第二足机构包括第二长连杆、第二短连杆、第二拉杆、第二曲柄；所述第二长连杆、第二短连杆和第二曲柄两端分别设有相互平行的通孔，所述第二拉杆设有三个相互平行的通孔，第二短连杆的孔距与第二机座大圆周的一对平行孔距相同，第二长杆的孔距与第二拉杆的一对远孔距相同；第二长杆的一端的通孔与第二机座转动连接，其另一端的通孔与第二短杆一端的通孔转动连接，第二短杆另一端的通孔与第二拉杆一端的通孔转动连接，第一拉杆另一端的通孔与第二机座转动连接，第二机座、第二长连杆、第二短连杆、第二拉杆相互转动联接构成第二平行四杆机构；第二曲柄两端分别与第二丝母板的大圆周孔和第二拉杆的余下通孔转动联接；

所述弹簧两端分别抵在伸缩机构的第一丝母套和转向机构的支撑盘上，绳穿过支撑盘的大圆周通孔和摆杆的偏心孔，该绳两端分别与伸缩机构的丝母套和转向机构的机座连接。第二主电机通过凸轮分别拨动三个摆杆摆动，改变相应绳长，实现转向运动。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

结构简单、轻质、牵引力大、易控制、清淤和除障能力强，适合在变内径、弯曲或交叉工业管道内爬行与检修。

附图说明

图1是本发明的剖视示意简图。

图2是本发明凸轮和摆杆的结构示意图。

图中：1-管道、2-第一机座、3-第一主电机、4-第一辅电机、5-第一丝杠套、6-第一导柱、7-丝杠轴、8-第一丝母板、9-小支撑板、10-丝母套、11-弹簧、12-绳、13-第一长连杆、14-第一拉杆、15-第一短连杆、16-第一曲柄、17-大支撑板、18-凸轮、19-摆杆、20-第二机座、21-第二导柱、22-第二丝杠套、23-第二辅电机、24-第二丝母板、25-第二主电机、26-第二长连杆、27-第二拉杆、28-第二短连杆、29-第二曲柄。

具体实施方式

在图1所示的四驱动管道柔性爬行机器人示意图中，伸缩机构和转向机构之间通过三根绳12和弹簧11连接，第一机座2设有相互平行的中心通孔和三个小圆周均布通孔，第一机座大圆周均布设有相切圆周的三对平行孔；第一丝杠套5设有相互同心的小通孔、小圆柱、大外圆柱螺纹和中心开孔；第一丝母板8设有与第一机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔，该第一丝母板大圆周均布设有三个相切圆周的孔；小支撑板9设有与第一机座对应的中心通孔和三个小圆周均布通孔；丝母套10上设有与第一机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔；丝杠轴7设有相互同心的圆柱、圆柱外螺纹、圆柱端开孔；第一主电机3设在第一丝杠套中心开孔内，第一主电机与小支撑板固接，丝杠轴的圆柱与小支撑板中心通孔转动联接，第一主电机驱动轴与丝杠轴的圆柱端开孔同轴键连接，丝杠轴的圆柱外螺纹与丝母套螺纹联接；第一丝杠套的小圆柱与第一机座中心通孔转动联接，第一丝杠套的大外圆柱螺纹与第一丝母板螺纹联接；三个第一导柱6一端和中部分别与第一机座和小支撑板的三个小圆周均布通孔固连，另一端与丝母套的三个小圆周均布通孔滑动联接；第一辅电机4与第一机座连接，第一辅电机驱动轴与第一丝杠套的小通孔键连接；

第一足机构中的第一长连杆13、第一短连杆15和第一曲柄16两端分别设有相互平行的通孔，第一拉杆14设有三个相互平行的通孔，第一短连杆的孔距与第一机座大圆周的一对平行孔距相同，第一长杆的孔距与第一拉杆的一对远孔距相同；第一长杆的一端的通孔与第一机座转动连接，其另一端的通孔与第一短杆一端的通孔转动连接，第一短杆另一端的通孔与第一拉杆一端的通孔转动连接，第一拉杆另一端的通孔与第一机座转动连接，第一机座、第一长连杆、第一短连杆、第一拉杆相互转动联接构成第一平行四杆机构；第一曲柄两端分别与第一丝母板的大圆周孔和第一拉杆的余下通孔转动联接；

转向机构与伸缩机构相对设置，转向机构中的第二机座20上设有相互平行的中心通孔和三个小圆周均布通孔，第二机座大圆周均布设有相切圆周的三对平行孔；大支撑板17设有相互平行的中心通孔、三个大、小圆周均布通孔；摆杆19设有相互平行的中心通孔和偏心通孔；第二丝杠套22设有相互同心的小通孔、小圆柱、大外圆柱螺纹和中心开孔；第二丝母板24设有与第二机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔，第二丝母板大圆周均布设有三个相切圆周的孔；第二辅助电机23设在第二丝杠套的大径开孔内，第二辅助电机与第二机座中心通孔固连，第二辅助电机驱动轴与第二丝杠套的小径通孔键连接；第二导柱21一端和中部与大支撑板和第二机座的小圆周通孔固连，第二导柱另一端与第二丝母板的小圆周通孔滑动联接；第二主电机25与大支撑板固连，第二主电机轴穿过大支撑板中心通孔与凸轮垂直固连，凸轮18和摆杆设在大支撑板和第二机座之间同一面内，每个摆杆中心孔与每个第二导柱转动联接，凸轮分别与三个摆杆间隔接触，如图2所示；第二丝母板与第二丝杠套的大外圆柱螺纹联接；

第二足机构中的第二长连杆26、第二短连杆28和第二曲柄29两端分别设有相互平行的通孔，第二拉杆27设有三个相互平行的通孔，第二短连杆的孔距与第二机座大圆周的一对平行孔距相同，第二长杆的孔距与第二拉杆的一对远孔距相同；第二长杆的一端的通孔与第二机座转动连接，其另一端的通孔与第二短杆一端的通孔转动连接，第二短杆另一端的通孔与第二拉杆一端的通孔转动连接，第一拉杆另一端的通孔与第二机座转动连接，第二机座、第二长连杆、第二短连杆、第二拉杆相互转动联接构成第二平行四杆机构；第二曲柄两端分别与第二丝母板的大圆周孔和第二拉杆的余下通孔转动联接；辅电机驱动丝母板轴向移动，带动曲柄和平行四连杆机构径向摆动，实现三个足机构同步径向支撑或脱离管道1内壁；

所述弹簧两端分别抵在伸缩机构的第一丝母套和转向机构的支撑盘上，绳穿过支撑盘的大圆周通孔和摆杆的偏心孔，该绳两端分别与伸缩机构的丝母套和转向机构的机座连接。

Claims (1)

1.一种四驱动管道柔性爬行机器人，其特征在于：其伸缩机构、转向机构、三根绳和弹簧，伸缩机构和转向机构之间通过三根绳和弹簧连接；

所述伸缩机构包括第一机座、小支撑板、第一主电机、第一辅电机、第一丝杠套、第一丝母板、丝杠轴、丝母套、三个结构相同的第一足机构、三个第一导柱，其中第一机座设有相互平行的中心通孔和三个小圆周均布通孔，第一机座大圆周均布设有相切圆周的三对平行孔；第一丝杠套设有相互同心的小通孔、小圆柱、大外圆柱螺纹和中心开孔；第一丝母板设有与第一机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔，该第一丝母板大圆周均布设有三个相切圆周的孔；小支撑板设有与第一机座对应的中心通孔和三个小圆周均布通孔；丝母套上设有与第一机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔；丝杠轴设有相互同心的圆柱、圆柱外螺纹、圆柱端开孔；第一主电机设在第一丝杠套中心开孔内，并与小支撑板固接，丝杠轴的圆柱与小支撑板中心通孔转动联接，第一主电机驱动轴与丝杠轴的圆柱端开孔同轴键连接，丝杠轴的圆柱外螺纹与丝母套螺纹联接；第一丝杠套的小圆柱与第一机座中心通孔转动联接，第一丝杠套的大外圆柱螺纹与第一丝母板螺纹联接；三个第一导柱一端和中部分别与第一机座和小支撑板的三个小圆周均布通孔固连，另一端与丝母套的三个小圆周均布通孔滑动联接；第一辅电机与第一机座连接，第一辅电机驱动轴与第一丝杠套的小通孔键连接；

所述第一足机构包括第一长连杆、第一短连杆、第一拉杆、第一曲柄，其中第一长、短连杆和第一曲柄两端分别设有相互平行的通孔，第一拉杆设有三个相互平行的通孔，第一短连杆的孔距与第一机座大圆周的一对平行孔距相同，第一长杆的孔距与第一拉杆的一对远孔距相同；第一长杆的一端的通孔与第一机座转动连接，其另一端的通孔与第一短杆一端的通孔转动连接，第一短杆另一端的通孔与第一拉杆一端的通孔转动连接，第一拉杆另一端的通孔与第一机座转动连接，第一机座、第一长连杆、第一短连杆、第一拉杆相互转动联接构成第一平行四杆机构；第一曲柄两端分别与第一丝母板的大圆周孔和第一拉杆的余下通孔转动联接；

所述转向机构与伸缩机构相对设置，转向机构包括第二机座、第二主电机、第二辅电机、第二丝杠套、第二丝母板、三个结构相同的第二足机构、第二丝母板、三个第二导柱、大支撑板、凸轮和三个摆杆，其中第二机座上设有相互平行的中心通孔和三个小圆周均布通孔，第二机座大圆周均布设有相切圆周的三对平行孔；大支撑板设有相互平行的中心通孔、三个大、小圆周均布通孔；所述摆杆设有相互平行的中心通孔和偏心通孔；第二丝杠套设有相互同心的小通孔、小圆柱、大外圆柱螺纹和中心开孔；第二丝母板设有与第二机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔，第二丝母板大圆周均布设有三个相切圆周的孔；第二丝母板设有与第二机座对应的中心螺纹通孔和三个小圆周均布通孔，第二丝母板大圆周均布设有三个相切圆周的孔；第二辅助电机设在第二丝杠套的大径开孔内，第二辅助电机与第二机座中心通孔固连，第二辅助电机驱动轴与第二丝杠套的小径通孔键连接；第二导柱一端和中部与大支撑板和第二机座的小圆周通孔固连，第二导柱另一端与第二丝母板的小圆周通孔滑动联接；第二主电机与大支撑板固连，第二主电机轴穿过大支撑板中心通孔与凸轮垂直固连，凸轮和摆杆设在大支撑板和第二机座之间同一面内，每个摆杆中心孔与每个第二导柱转动联接，凸轮分别与三个摆杆间隔接触；第二丝母板与第二丝杠套的大外圆柱螺纹联接；

所述第二足机构包括第二长连杆、第二短连杆、第二拉杆、第二曲柄；所述第二长连杆、第二短连杆和第二曲柄两端分别设有相互平行的通孔，所述第二拉杆设有三个相互平行的通孔，第二短连杆的孔距与第二机座大圆周的一对平行孔距相同，第二长杆的孔距与第二拉杆的一对远孔距相同；第二长杆的一端的通孔与第二机座转动连接，其另一端的通孔与第二短杆一端的通孔转动连接，第二短杆另一端的通孔与第二拉杆一端的通孔转动连接，第一拉杆另一端的通孔与第二机座转动连接，第二机座、第二长连杆、第二短连杆、第二拉杆相互转动联接构成第二平行四杆机构；第二曲柄两端分别与第二丝母板的大圆周孔和第二拉杆的余下通孔转动联接；

所述弹簧两端分别抵在伸缩机构的第一丝母套和转向机构的支撑盘上，绳穿过支撑盘的大圆周通孔和摆杆的偏心孔，该绳两端分别与伸缩机构的丝母套和转向机构的机座连接。