CN107588174B

CN107588174B - 管道机器人三轴差动机构

Info

Publication number: CN107588174B
Application number: CN201710861061.0A
Authority: CN
Inventors: 蒋强; 郑超; 尹风
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: CN107588174A

Abstract

本发明涉及一种管道机器人三轴差动机构，包括输入轴，轴上固装有输入轴齿轮，还包括第一、二、三转轴及主差速轴，四个轴上均包括前、后差速轴，且前、后差速轴均通过双蜗杆差速器联接；第一、二、三后差速轴上均固装有传动齿轮且分别与输入轴齿轮啮合，传动比1:1；第四前差速轴上固装的第四前联动齿轮与第一前差速轴上固装的第一联动齿轮啮合,传动比1:1；第四后差速轴上固装的第四后联动齿轮与第二双蜗杆差速器上固装的第二联动齿轮啮合,传动比2:1；第四双蜗杆差速器上固装的第四联动齿轮与第三前差速轴上固装的第三联动齿轮啮合,传动比1:2。本发明各轮速能差速调节，具备较好的越障、转弯能力，驱动效率高，体积小，制造成本低。

Description

管道机器人三轴差动机构

技术领域

本发明属于机械工程中为产生和保持机器或设备的有效运行的一般措施技术领域，具体涉及一种管道机器人三轴差动机构。

背景技术

管道作为一种重要的物料运输装置被广泛应用于给水、排水、供热、供煤气、长距离运输石油和天然气、农业灌溉、水利工程等领域。但由于管道本身存在缺陷或使用过程中受到振动、热循环、腐蚀等作用，管道会发生泄露或损坏，为延长管道使用寿命，防止泄露等事故的发生，必须定期对管道进行有效的检测与维护，由于管道多在地下，管道内环境复杂且管径较小，人工检修很难进行，检修探测管道机器人应运而生。

管道机器人是针对管道的内孔精加工作业、检测、喷涂、接口焊接、异物清理等维护检修作业所研制的一种特种机器人。

现阶段常见的轮式管道机器人的各个驱动轮由各自的电机独立驱动，各驱动电机的转速也由伺服控制器根据机载传感器所获取的管况和机器人作业姿态等信息经过计算后进行调节。其不足之处在于结构与控制方法复杂、成本高，遇到不规则管壁或转弯时由于驱动轮转速调节不具备实时性而欠缺柔性，从而导致功率消耗增加，有效牵引力下降，越障能力差，驱动装置磨损加剧等问题，并且由于多个电机会占据大量空间使得这样的机器人不适于在中小管径的管道中使用。还有极少数管道机器人采用了齿轮式差速器来解决部分问题，但未能实现三轴差动调节，且每个齿轮式差速器需要对应使用四个锥齿轮，导致体积较大，结构较复杂，制造成本高，其仍然存在有效驱动力较低，越障能力差的问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种管道机器人三轴差动机构，避免各个驱动轮由各自的电机独立驱动造成体积大，各轮速调节不具备实时性而欠缺柔性的问题，达到各轮速能差速调节，具备较好的越障、转弯和管径适应能力，提升驱动效率，体积小，制造成本低的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

管道机器人三轴差动机构，包括输入轴，所述输入轴由电机驱动，所述输入轴上固定安装有输入轴齿轮，还包括第一转轴、第二转轴、第三转轴、主差速轴；

所述第一转轴包括第一前差速轴和第一后差速轴，所述第一前差速轴和第一后差速轴通过第一双蜗杆差速器联接；

所述第二转轴包括第二前差速轴和第二后差速轴，所述第二前差速轴和第二后差速轴通过第二双蜗杆差速器联接；

所述第三转轴包括第三前差速轴和第三后差速轴，所述第三前差速轴和第三后差速轴通过第三双蜗杆差速器联接；

所述主差速轴包括第四前差速轴和第四后差速轴，所述第四前差速轴和第四后差速轴通过第四双蜗杆差速器联接；

所述第一后差速轴、第二后差速轴、第三后差速轴上均固定安装有传动齿轮，三个传动齿轮均分别与所述输入轴齿轮啮合，传动比为1:1；

所述第四前差速轴上固定安装有第四前联动齿轮，所述第四前联动齿轮与第一前差速轴上固定安装的第一联动齿轮啮合,传动比为1:1；所述第四后差速轴上固定安装有第四后联动齿轮，所述第四后联动齿轮与第二双蜗杆差速器上固定安装的第二联动齿轮啮合,传动比为2:1；所述第四双蜗杆差速器上固定安装有第四联动齿轮，所述第四联动齿轮与第三前差速轴上固定安装的第三联动齿轮啮合,传动比为1:2。

本发明的三轴差动机构应用到三足支撑轮式管道机器人上时，只需要一个电机驱动，减小了整体的体积，使管道机器人可用于直径较小的管道；在所述第一前差速轴、第二前差速轴、第三前差速轴远离差速器的一端分别通过齿轮传动机构连接驱动轮，管道对驱动轮有约束力，由于本发明的三轴差动机构的结构特性，三轴差动机构总会在保持所受总约束力最小的工作状态下工作以满足“最小能耗原理”，即当三个驱动轮的转速不能满足直行时的转速比时，轮速过快的那个轮会受到管道的约束而被制动，此时另外两轮通过三轴差动机构的调节则会相应增速，以达到差动调节的效果；由于各轮速的调节由纯机械结构的三轴差动机构来实现，所以具备实时性和柔性，提升了转弯或不规则管况的适应能力，提升了驱动效率，减少了驱动轮的磨损，降低了燃料消耗；由于双蜗杆差速器的结构特性，提升了越障能力、降低了加速机件的磨损；双蜗杆差速器使用两个蜗杆和对应的万向节，相对四个锥齿轮的齿轮式差速器降低了制造成本。

进一步完善上述技术方案，所述输入轴、第一转轴、第二转轴、第三转轴、主差速轴均平行设置；第一转轴、第二转轴、第三转轴的轴线在以输入轴的轴线为圆心的圆上等分均布；主差速轴的轴线与输入轴的轴线位于同一直线上。

这样，便于三轴差动机构的布置，结构紧凑，使空间体积更小，同时与管道内孔配合良好。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明只需要一个电机驱动各轴，简化了结构，减小了整体的体积，使应用本发明的管道机器人可用于更小直径的管道。

2、本发明使各前差速轴上联接的驱动轮在通过不规则管况或转弯时，各轮速可差动调节而具备实时性和柔性。

3、本发明因实现了各轮速差动调节而提升了驱动效率，避免了驱动轮的滑拖滑转现象，减少了驱动轮的磨损，降低了燃料消耗，提升了转向性能和制动性能，降低了使用成本。

4、本发明相比齿轮式差动器，使用双蜗杆差速器，避免了转矩的平均分配的问题，提升了越障能力，避免加速机件的磨损，进一步节省燃料；蜗杆和万向节的结构比四个锥齿轮的结构制造成本更低。

附图说明

图1-本发明具体实施例三轴差动机构平面联接示意图；

图2-三轴差动机构各转轴投影位置关系示意图；

图3-联接本发明三轴差动机构的三个驱动轮的转速分析示意图；

图4-图3的A-A剖视图；

其中，1-输入轴齿轮，2-第二后差速轴传动齿轮，3-第二联动齿轮，4-第二前差速轴，5-第四后联动齿轮，6-第四联动齿轮，7-第四前联动齿轮，8-第三联动齿轮，9-第三双蜗杆差速器，10-第三后差速轴传动齿轮，11-第一后差速轴传动齿轮，12-第一双蜗杆差速器，13-第一联动齿轮啮合，14-第四双蜗杆差速器，15-第二双蜗杆差速器，16-电机，20-输入轴，30-第一转轴，31-第一前差速轴，32-第一后差速轴，33-驱动轮Ⅰ，40-第二转轴，42-第二后差速轴，43-驱动轮Ⅱ，50-第三转轴，51-第三前差速轴，52-第三后差速轴，53-驱动轮Ⅲ，60-主差速轴，61-第四前差速轴，62-第四后差速轴，70-壳体，71-支架，80-管道，81-直行段，82-转弯段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

参见图1，本发明具体实施例的管道机器人三轴差动机构，包括输入轴20，所述输入轴20的一端固定安装有输入轴齿轮1，输入轴20的另一端与壳体70转动联接，输入轴20由位于输入轴齿轮1和壳体70之间且与壳体70固定联接的电机16驱动；还包括第一转轴30、第二转轴40、第三转轴50、主差速轴60；

所述第一转轴30包括第一前差速轴31和第一后差速轴32，所述第一前差速轴31和第一后差速轴32通过第一双蜗杆差速器12联接；第一转轴30的两端分别与壳体70转动联接；

所述第二转轴40包括第二前差速轴4和第二后差速轴42，所述第二前差速轴4和第二后差速轴42通过第二双蜗杆差速器15联接；第二转轴40的两端分别与壳体70转动联接；

所述第三转轴50包括第三前差速轴51和第三后差速轴52，所述第三前差速轴51和第三后差速轴52通过第三双蜗杆差速器9联接；第三转轴50的两端分别与壳体70转动联接；

所述主差速轴60包括第四前差速轴61和第四后差速轴62，所述第四前差速轴61和第四后差速轴62通过第四双蜗杆差速器14联接；主差速轴60的一端与壳体70转动联接，另一端与支架71转动联接；支架71固定联接在壳体70上；

各双蜗杆差速器的结构均为将两个相互啮合的蜗杆倾斜安装于转子中，两个蜗杆的外联轴端分别与两侧的轴通过万向节联接；

所述第一后差速轴32、第二后差速轴42、第三后差速轴52上分别固定安装有第一后差速轴传动齿轮11、第二后差速轴传动齿轮2、第三后差速轴传动齿轮10，三个传动齿轮均分别与所述输入轴齿轮1啮合，传动比为1:1；

所述第四前差速轴61上固定安装有第四前联动齿轮7，所述第四前联动齿轮7与第一前差速轴31上固定安装的第一联动齿轮13啮合,传动比为1:1；所述第四后差速轴62上固定安装有第四后联动齿轮5，所述第四后联动齿轮5与第二双蜗杆差速器15上固定安装的第二联动齿轮3啮合,传动比为2:1；所述第四双蜗杆差速器14上固定安装有第四联动齿轮6，所述第四联动齿轮6与第三前差速轴51上固定安装的第三联动齿轮8啮合,传动比为1:2。

参见图2，其中，所述输入轴20、第一转轴30、第二转轴40、第三转轴50、主差速轴60均平行设置；第一转轴30、第二转轴40、第三转轴50的轴线在以输入轴20的轴线为圆心的圆上等分均布；主差速60的轴线与输入轴20的轴线位于同一直线上。

本发明的工作原理：

将本发明应用到管道机器人上，在所述第一前差速轴31、第二前差速轴4、第三前差速轴51与壳体70转动联接的一端端头分别通过齿轮传动机构连接驱动轮Ⅰ33，驱动轮Ⅱ43，驱动轮Ⅲ53。

电机16提供的动力经输入轴20上的输入轴齿轮1与第一后差速轴传动齿轮11、第二后差速轴传动齿轮2、第三后差速轴传动齿轮10的啮合同步传递给第一后差速轴32、第二后差速轴42、第三后差速轴52，再通过第一双蜗杆差速器12、第二双蜗杆差速器15、第三双蜗杆差速器9将动力传动至第一前差速轴31、第二前差速轴4、第三前差速轴51，进而传递给各驱动轮；同时，第一联动齿轮13和第四前联动齿轮7啮合将动力传递到第四双蜗杆差速器14，第二联动齿轮3和第四后联动齿轮5啮合将动力传递到第四双蜗杆差速器14，第三联动齿轮8和第四联动齿轮6啮合将动力传递到第四双蜗杆差速器14，通过第四双蜗杆差速器14实现动力的分动传动。

第一双蜗杆差速器12、第二双蜗杆差速器15、第三双蜗杆差速器9、第四双蜗杆差速器14各自存在如下转动关系：

其中，ω为角速度，ω后的角标表示角速度对应的齿轮或差速器转子。

各相互啮合的齿轮的传动比为：

可得：

可得，三轴差动机构总是满足：ω₁＝ω₁₃+ω₄+(-ω₈)。

参见图3、图4，管道机器人以速度v移动，通过管道80的直行段81时，三个驱动轮的速度关系是：v₁＝v₂＝v₃＝v。通过转弯段82时，三个驱动轮所在的横截面对弯管曲率中心O的转弯角速度ω相同，但三个驱动轮到弯管曲率中心O的距离不同，各自的转速也就不同，三个驱动轮的速度关系是：

其中，v₁为驱动轮Ⅰ33的速度；v₂为驱动轮Ⅱ43的速度；v₃中为驱动轮Ⅲ53的速度；r为弯管曲率中心O到管道截圆圆心的距离；L为驱动轮到管道截圆圆心所在竖直线的垂直距离。

因此转弯时，三个驱动轮的转速比是一定的，即v₁:v₂:v₃＝(r-L):r:(r+L),且满足v₁+v₂+v₃＝3v。

三轴差动机构的动力输出总是满足：ω₁＝ω₁₃+ω₄+(-ω₈)，由于三轴差动机构的自由度为三，因此不会提供固定的传动比。

管道机器人在管道80内行驶时，管道80对驱动轮有约束力，只有当各驱动轮轮速满足直行时所需的转速比时，驱动轮受到的总约束力才会最小。根据最小能耗原理，当三个驱动轮的转速不能满足直行时的转速比时，轮速过快的那个轮因受到管道80的约束而被制动，另外两轮通过三轴差动机构的调节则会相应增速，。通过本三轴差动机构的特性和管道80的约束力实现了转向时各驱动轮转速的差动调节。

应用本三轴差动机构的管道机器人仅输入一个动力即可输出与驱动轮实时所需动力相匹配的三个驱动力，同时依靠管道80的约束力和三轴差动机构自身的自由度，显著地减少了管道机器人在电机16驱动时因管壁约束力带来的功率损耗，增添了整体的平稳性和柔性。

实施时，进一步地，各转轴及主差速轴上还可以在各差速器两侧的万向节外侧的转轴上增设转动联接的类似支架71的结构，这样，避免悬臂过长造成的振动，保证传动的可靠性。上述实施时本领域技术人员将工艺过程进行的完善或改进应视为落入本发明保护范围。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.管道机器人三轴差动机构，包括输入轴，所述输入轴由电机驱动，所述输入轴上固定安装有输入轴齿轮，其特征在于：还包括第一转轴、第二转轴、第三转轴、主差速轴；

所述第四前差速轴上固定安装有第四前联动齿轮，所述第四前联动齿轮与第一前差速轴上固定安装的第一联动齿轮啮合,传动比为1:1；所述第四后差速轴上固定安装有第四后联动齿轮，所述第四后联动齿轮与第二双蜗杆差速器上固定安装的第二联动齿轮啮合,传动比为2:1；所述第四双蜗杆差速器上固定安装有第四联动齿轮，所述第四联动齿轮与第三前差速轴上固定安装的第三联动齿轮啮合,传动比为1:2；

所述输入轴、第一转轴、第二转轴、第三转轴、主差速轴均平行设置；第一转轴、第二转轴、第三转轴的轴线在以输入轴的轴线为圆心的圆上等分均布；主差速轴的轴线与输入轴的轴线位于同一直线上。