CN108253227A - 一种应用于水库涵管的管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道机器人。目的是提供一种结构简单可靠、姿态调整灵活、可以解决管道错位障碍的管道机器人。技术方案是：一种应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：该管道机器人包括中央机体、安装在中央机体前部的前驱动腿机构、对称安装在中央机体上下方的两个中间支撑腿机构和对称安装在中央机体左右两侧的两个后驱动腿机构；所述中央机体包括上下对称的上面板和下面板、对称固定在上下面板之间的两组后支撑板、组成每组后支撑板以支撑每个后驱动腿机构的第一后支撑板和第二后支撑板、固定在上下面板之间用于安装中间支撑腿机构和后驱动腿机构的第一中间支撑板和第二中间支撑板以及用于安装前驱动腿机构的第一前支撑板和第二前支撑板。

Description

一种应用于水库涵管的管道机器人

技术领域

本发明涉及一种管道机器人，具体是一种应用于水库涵管的管道机器人。

背景技术

现有主流的管道机器人有车辆式管道机器人、履带式管道机器人、行走式管道机器人和十字结构式管道机器人。车辆式管道机器人典型的如申请号：201010240870.8、201310118019.1，这类结构的机器人设计简单，但是适应性差，很难越过管道错位障碍，且类似结构的管道机器人不能在倾斜管道内爬行。履带式管道机器人典型有专利号：200910061704.9，这类管道机器人，地面附着力比一般车辆式管道机器人大，适应能力好，但是在倾斜、湿滑的管道越障会很困难，有翻车或卡死的危险。行走式管道机器人的典型结构如专利号：201310069842.8，行走式管道机器人适应性较前面两种适应性要好，但是结构复杂，可靠性差，对工作环境要求很高。201510129914.2，这类管道机器人，虽然有拉簧给予附着力，但是在行进的过程中会逐渐下沉，无法保证位于管道的中心平面，容易造成越障困难，大大降低勘测距离，另外在实际运行过程中也难以实现姿态调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术存的不足，提供一种结构简单可靠、姿态调整灵活、可以解决管道错位障碍的应用于水库涵管的管道机器人。

本发明提供了以下技术方案：

一种应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：该管道机器人包括中央机体、安装在中央机体前部的前驱动腿机构、对称安装在中央机体上下方的两个中间支撑腿机构和对称安装在中央机体左右两侧的两个后驱动腿机构；

所述中央机体包括上下对称的上面板和下面板、对称固定在上下面板之间的两组后支撑板、组成每组后支撑板以支撑每个后驱动腿机构的第一后支撑板和第二后支撑板、固定在上下面板之间用于安装中间支撑腿机构和后驱动腿机构的第一中间支撑板和第二中间支撑板以及固定在上面板和下面板之间以用于安装前驱动腿机构的第一前支撑板和第二前支撑板；

所述后驱动腿机构包括远离中央机体一端开设有内腔的外转筒、固定在外转筒另一端的第二转向齿轮、位于外转筒内腔中的压缩弹簧、可滑动地装套在外转筒内腔中并由压缩弹簧提供推力的内转筒、固定在外转筒的内腔出口端并用于装套内转筒的连接筒、可沿轴线滑动地地定位在内转筒内的从动轴、安装在从动轴末端的后驱动轮、连接两个外转筒的后驱动轴、固定在中央机体上且通过后驱动轴驱动两个外转筒后驱动电机、可转动地定位在中央机体上的后转向轴以及通过固定在后转向轴上且与第二转向齿轮啮合的第一转向齿轮使后驱动腿转向的后转向电机。

所述中间支承腿机构包括可转动地定位在中间支撑腿轴上的万向轮腿和通过连接板安装在万向轮腿末端的万向轮；所述万向轮腿通过拉簧分别与上下面板连接，以便实时调整中间支撑腿机构的状态。

所述前驱动腿机构包括可转动地定位在第一前支撑板和第二前支撑板上的前驱动腿轴、固定安装在前驱动腿轴上且设置有前驱动轮的前驱动腿和安装在两前支撑板上且通过齿轮带动前驱动腿轴的前转向电机。

所述后驱动腿机构中的从动轴通过键槽配合结构可沿轴线滑动地定位在内转筒内；所述后转向电机通过三个锥齿轮驱动后转向轴及后驱动腿机构实现转向。

所述键槽配合结构包括开设在内转筒上且沿轴线方向伸展的限位槽以及固定在外转筒上且插入所述限位槽以限制内转筒转动的限位螺栓。

所述后驱动电机、后转向电机、前驱动电机和前转向电机均为步进电机，以便精确控制转动角度。

所述管道机器人的运行平面基本保持在管道中心平面。

所述中央机体上安装有照明灯、摄像头和用于检测障碍的传感器。

本发明的有益效果是：本发明利用后驱动腿机构中的压缩弹簧和连接中间支撑腿机构的拉簧，能够实现实时变形，保证管道机器人可以在复杂的管道环境下机动灵活地穿越；本发明的管道机器人解决了现有管道机器人难以通过倾斜、湿滑管道的问题，并为了防止管道机器人在行进过程中下沉，给出了一种切实可行的姿态调整方式，大大提升了管道机器人的越障能力。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的主视结构示意图。

图3是本发明的俯视结构示意图(去除上面板和中间支撑机构)。

图4是本发明所述中间支撑腿机构的立体结构示意图。

图5是本发明所述后驱动腿机构的爆炸示意图。

图6是本发明所述后驱动腿机构的剖面结构示意图。

图7是本发明的姿态调整示意图。

图8是本发明在管道内的状态示意图。

图9是本发明在管道内过错位障碍的状态示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1所示的一种应用于水库涵管的管道机器人，包括中央机体1、前驱动腿机构3、中间支撑腿机构4和后驱动腿机构2；前驱动腿机构安装在中央机体的前部，中间支撑腿机构对称安装在中央机体的上下方，后驱动腿机构对称安装在中央机体后部的左右两侧。

如图3所示的中央机体中，上面板102和下面板101上下对称，两组后支撑板固定在上下面板之间，每组后支撑板包括用于支撑一个后驱动腿机构的第一后支撑板111和第二后支撑板112(第一后支撑板靠近中央机体的外侧)；后驱动轴12连接两后驱动腿机构，后驱动电机15固定在第二中间支撑板162侧面并通过一对锥齿轮驱动后驱动轴。

后转向轴14可转动地定位在第二后支撑板和第一中间支撑板(第二中间支撑板)上(共两根)，第一转向齿轮13固定在后转向轴(后转向轴与后驱动轴相互平行布置)上，第一中间支撑板161和第二中间支撑板162固定在上下面板之间并用于安装中间支撑腿机构；中间支承腿轴17固定在第一中间支撑板和第二中间支撑板上，后转向电机18固定在第一中间支撑板和第二中间支撑板之间，后驱动电机15固定第二中间支撑板侧面，用于安装前驱动腿机构的第一前支撑板191和第二前支撑板192固定在上面板和下面板之间。所述中央机体上还安装有照明灯、摄像头和用于检测障碍的传感器。

所述后驱动腿机构中，外转筒22位于远离中央机体一端且开设有内腔，与第一转向齿轮相互啮合的第二转向齿轮21固定在外转筒另一端；压缩弹簧23位于外转筒内腔中，内转筒27可滑动地插嵌在外转筒内腔中并由压缩弹簧提供推力，弹簧安装片24位于压缩弹簧与内转筒之间；用于装套内转筒的连接筒25固定在外转筒的内腔出口端，从动轴28可转动地定位在内转筒内部，安装在从动轴末端并通过一对锥齿轮传动的后驱动轮29；所述内转筒上开设有沿轴线方向伸展的限位槽271，外转筒上则固定有限位螺栓26，该限位螺栓固定在外转筒上并且插入所述限位槽，使得内转筒只能滑动而无法转动。

所述中间支承腿机构是万向轮机构；其中：万向轮腿41可转动地定位在中间支撑腿轴上，万向轮43通过连接板44安装在万向轮腿末端；所述万向轮腿和上下面板上还设有环钩，万向轮腿通过固定在环钩上的拉簧42分别与上下面板连接，以便实时调整中间支撑腿机构的状态。

所述前驱动腿机构中，前驱动腿轴32可转动地定位在第一前支撑板和第二前支撑板上，前驱动腿31可转动地安装在前驱动腿轴，前转向电机33安装在两前支撑板上并且通过一对啮合直齿轮带动前驱动腿轴转动；所述前驱动腿上设置有前驱动轮34和带动前驱动轮运动的驱动电机(图中未显示)。所述后驱动电机、后转向电机、前驱动电机和前转向电机均为步进电机，以便精确控制转动角度。

本发明的工作原理是：

管道机器人的初始状态如图1所示，开始工作时，后驱动电机和前驱动腿内的前驱动电机运行，后驱动电机通过一对锥齿轮带动后驱动轴转动，由于后驱动轴通过键槽(花键)配合结构与两侧后驱动腿机构中的从动轴连接，从而带动从动轴转动，从动轴又通过末端的锥齿轮带动后驱动轮运动，同时在压缩弹簧压力的作用下(提供后驱动轮附着管壁的力)使得管道机器人获得驱动力向前运动。当管道直径变化时，在拉簧的作用下，中间支撑腿机构向后翻转，与此同时在压缩弹簧的作用下，内转筒在连接筒内滑动，后驱动腿机构长度收缩，前驱动腿在前转向电机的作用下调节角度，使其可以附着在管道底部，从而使机器人可以适应其管径。

当管道机器人行进过程中，传感器检测到障碍需要调整姿态时，后驱动电机与前驱动腿内部的前驱动电机停止工作，然后后转向电机开始工作。后转向电机通过三个锥齿轮带动两根后转向轴转动(转动方向相反)，后转向轴上第一转向齿轮带动相互啮合的第二转向齿轮转动，由于第二转向齿轮固定在后驱动腿机构的外转筒上，从而带动整个后驱动腿机构转动90度(两条后驱动腿旋转方向相反)。此时后转向电机停止工作，前转向电机开始工作，使前驱动腿向上抬起，然后后驱动电机开始工作，由于后驱动腿转动方向相反，其驱动方向从原先的相反变为相同，使得管道机器人，在管道内进行周向翻转，由于中间支承腿机构是万向轮机构，所以在开始周向翻转时，万向轮腿上的万向轮时旋转，此时管道机器人的姿态如图7所示。当转到合适的角度时(即保证管道机器人可以绕过障碍物)，再利用后转向电机使管道机器人回到原驱动姿态向前运动，从而驱动管道机器人越过障碍。在越过障碍后可以通过上述姿态调整方式再次将管道机器人的位置调回至初始位置(如图8所示)，按照原先的运动方向前进。

当管道机器人遇到错位障碍时，前转向电机开始工作，将前驱动腿抬起，跨过错位障碍，然后继续保持向前运动。由于管道机器人的运行平面基本保持在管道的中心平面，所以遇到的错位障碍非常小，并且后驱动腿机构在压缩弹簧42的作用下长度可伸缩，可以直接驱动管道机器人通过(如图9所示)。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形，比如改变电机的安装位置等。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：该管道机器人包括中央机体(1)、安装在中央机体前部的前驱动腿机构(3)、对称安装在中央机体上下方的两个中间支撑腿机构(4)和对称安装在中央机体左右两侧的两个后驱动腿机构(2)；

所述中央机体包括上下对称的上面板(102)和下面板(101)、对称固定在上下面板之间的两组后支撑板，组成每组后支撑板以支撑每个后驱动腿机构的第一后支撑板(111)和第二后支撑板(112)、固定在上下面板之间以用于安装中间支撑腿机构的第一中间支撑板(161)和第二中间支撑板(162)以及固定在上面板和下面板之间用于安装前驱动腿机构的第一前支撑板(191)和第二前支撑板(192)；

所述后驱动腿机构包括远离中央机体一端开设有内腔的外转筒(22)、固定在外转筒另一端的第二转向齿轮(21)、位于外转筒内腔中的压缩弹簧(23)、可滑动地装套在外转筒内腔中并由压缩弹簧提供推力的内转筒(27)、固定在外转筒的内腔出口端并用于装套内转筒的连接筒(25)、可沿轴线滑动地地定位在内转筒内的从动轴(28)、安装在从动轴末端的后驱动轮(29)、连接两个外转筒的后驱动轴(12)、固定在中央机体上且通过后驱动轴驱动两个外转筒后驱动电机(15)、可转动地定位在中央机体上的后转向轴(14)以及通过固定在后转向轴上且与第二转向齿轮(13)啮合的第一转向齿轮使后驱动腿转向的后转向电机(18)。

2.根据权利要求1所述的应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：所述中间支承腿机构包括可转动地定位在中间支撑腿轴上的万向轮腿(41)和通过连接板(44)安装在万向轮腿末端的万向轮(43)；所述万向轮腿通过拉簧(42)分别与上下面板连接，以便实时调整中间支撑腿机构的状态。

3.根据权利要求2所述的应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：所述前驱动腿机构包括可转动地定位在第一前支撑板和第二前支撑板上的前驱动腿轴(32)、固定安装在前驱动腿轴上且设置有前驱动轮(34)的前驱动腿(31)和安装在两前支撑板上且通过齿轮带动前驱动腿轴的前转向电机(33)。

4.根据权利要求3所述的应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：所述后驱动腿机构中的从动轴通过键槽配合结构可沿轴线滑动地定位在内转筒内；所述后转向电机通过三个锥齿轮驱动后转向轴及后驱动腿机构实现转向。

5.根据权利要求4所述的应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：所述键槽配合结构包括开设在内转筒上且沿轴线方向伸展的限位槽(271)以及固定在外转筒上且插入所述限位槽以限制内转筒转动的限位螺栓(26)。

6.根据权利要求5所述的应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：所述后驱动电机、后转向电机、前驱动电机和前转向电机均为步进电机，以便精确控制转动角度。

7.根据权利要求6所述的应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：所述管道机器人的运行平面基本保持在管道中心平面。

8.根据权利要求7所述的应用于水库涵管的管道机器人，其特征在于：所述中央机体上安装有照明灯、摄像头和用于检测障碍的传感器。