CN108343801B - 一种管道爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道爬行机器人，包括：轮系、驱动系统、转向系统及车身；轮系包括行星架车轮与行星轮，行星轮上设有卡爪机构，卡爪机构包括卡爪，驱动系统包括车轮驱动机构和卡爪驱动机构，用于卡爪转向和行星架车轮旋转。所述车身包括前车座和后车座，用于安装驱动轴和转向轴，转向系统包括伸缩杆和连杆，伸缩杆的两端分别与前车座和后车座铰接，连杆的一端与前车座铰接，另一端与后车座固定连接。本发明提供的管道爬行机器人跨障碍能力强，在跨越障碍时，通过行星架车轮与卡爪之间的配合运行，增强其跨障碍的能力。通过控制伸缩杆的伸缩，控制行星架车轮转向。卡爪向下，增大车轮对市政管网内部接触面的附着力，提高在恶劣环境下的移动性能。

Description

一种管道爬行机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种管道爬行机器人。

背景技术

随着经济和社会建设的发展，城市中出现了越来越多的各种管道，如煤气管道、污水管道、空调管道等，这些管道的正常运转对维持广大人民群众的日常生活及城市的正常运转具有重要意义。由于管道结构的特殊性，出现管道老化或损坏现象后很难检测或维修；一些重要的管道，如煤气管道，一旦出现裂缝将造成极大的安全隐患。管道爬行机器人作为一种内检测及非开挖修复技术已成为研究热点。

目前常见的管道爬行机器人包括支撑轮式爬行机构、履带式爬行机构、蠕动式爬行机构以及利用流体压差驱动四种类型。支撑轮式机构适合圆形管道；履带式爬行机构增加支撑面积，不易打滑，牵引性能好；蠕动式爬行机构是基于仿生学提出的，目前主要处于实验室研究阶段；流体压差驱动主要应用在输油、气管道清管、检测等工程应用中。

这些管道爬行机器人虽然能够较好地适应城市排水管道因铺设时间增长，腐蚀、泄漏及淤泥问题。但其越障能力及牵引能力不高。城市排水管道内部环境恶劣，其越障能力、牵引力是设备实现检测、清淤、除障及维修等操作的技术支撑。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种管道爬行机器人，解决现有技术中的管道爬行机器人越障能力及牵引能力不高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种管道爬行机器人，其特征在于，包括：轮系、驱动系统、转向系统及车身；

所述轮系包括行星架车轮，所述行星架车轮外侧与所述行星架车轮同轴设有太阳轮，所述太阳轮的四周设置有多个行星轮，每个所述行星轮与所述太阳轮啮合，所述行星轮的外表面同轴设有卡爪机构，所述卡爪机构包括与所述行星轮的外表面相匹配的卡爪本体以及沿所述卡爪本体的周向向外延伸的卡爪，由所述行星轮转动带动所述卡爪转动，用于在行驶过程中跨越障碍物；

所述驱动系统包括车轮驱动机构和卡爪驱动机构，所述车轮驱动机构包括驱动轴，所述驱动轴的两端分别与对应的所述行星架车轮连接，所述卡爪驱动机构包括转向轴，所述转向轴与所述驱动轴并排设置，所述转向轴的两端分别与对应的所述行星架车轮上的所述太阳轮连接；

所述车身包括前车座和后车座，所述前车座上用于安装一组所述驱动轴和其并排设置的转向轴，所述后车座上用于安装另一组所述驱动轴和其并排设置的转向轴；

所述转向系统包括伸缩杆和连杆，所述伸缩杆的两端分别与所述前车座和后车座铰接，所述连杆的一端与所述前车座铰接，另一端与所述后车座固定连接，通过控制所述伸缩杆的伸缩，来控制所述行星架车轮的转向。

其中，所述太阳轮的齿数与所述行星轮的齿数相同。

其中，每个所述行星轮通过惰轮与所述太阳轮啮合。

其中，所述行星架车轮的内侧中心固定设有行星架驱动齿轮，所述驱动轴两端固定设有驱动齿轮，所述行星架驱动齿轮与所述驱动齿轮啮合。

其中，所述转向轴依次穿过所述行星架驱动齿轮、太阳轮，且延伸出所述太阳轮，所述行星架驱动齿轮通过轴承与所述转向轴连接，所述太阳轮通过键与所述转向轴连接。

其中，所述卡爪沿所述卡爪本体的切线方向延伸，且每个所述卡爪的指向相同。

其中，每个所述行星架车轮上的所述卡爪机构为4个，均布在所述行星架车轮上。

其中，所述车轮驱动机构还包括驱动电机，所述驱动电机的输出轴端固定连接有驱动电机齿轮，所述驱动轴的轴向固定设有驱动轴齿轮，所述驱动轴齿轮与所述驱动电机齿轮啮合；所述卡爪驱动机构还包括转向电机，所述转向电机的输出轴端固定连接有转向电机齿轮，所述转向轴的轴向固定设有转向轴齿轮，所述转向轴齿轮与所述转向电机齿轮啮合。

其中，还包括支座，所述转向轴和所述驱动轴的两端分别穿过所述支座，并通过支座轴承与所述支座连接，所述支座通过连接件固定安装在所述前车座和所述后车座上。

其中，所述转向轴的两端安装有紧固件，用于限定所述太阳轮的轴向向外运动，所述转向轴位于所述支座与所述行星架驱动齿轮之间设有挡片，所述太阳轮抵靠所述轴承的内圈，用于限定所述行星架驱动齿轮的轴向运动。

其中，所述伸缩杆包括推杆外套和推杆，所述推杆可沿所述推杆外套轴向伸缩。

(三)有益效果

本发明提供的一种管道爬行机器人，卡爪机构固定设于行星轮上，且行星轮转动相应角度，卡爪能够改变指向。在跨越障碍物时，所述卡爪向前平伸，并保持指向不变，与障碍物的接触并挤压，增加附着力，更利于攀爬斜坡等障碍物。另一种运行方式，卡爪尖部作为支撑点，转向轴转动，卡爪随之转动，更利于翻越坡度较大的障碍物。另一方面，调整卡爪方向向下，增大车轮对市政管网内部接触面的附着力，有利于提高在泥泞管网内的移动性能。

附图说明

图1为本发明一种管道爬行机器人示意图；

图2为本发明一种管道爬行机器人的轮系示意图；

图3为本发明一种管道爬行机器人的驱动系统示意图；

图4为本发明一种管道爬行机器人的转向系统示意图；

图5为本发明一种管道爬行机器人的车身示意图；

图6为本发明一种管道爬行机器人的车身A-A向剖面图；

附图标记说明

100-轮系；200-驱动系统；300-转向系统；400-车身；

101-驱动齿轮；102-内轴承；103-外轴承；104-车轮驱动齿轮；105-卡爪；106-行星轮；107-螺栓；108-行星轮销轴；109-惰轮销轴；110-惰轮；111-行星架车轮；112-太阳轮；

201-转向轴支座轴承；202-转向电机齿轮；203-转向轴齿轮；204-转向电机；205-转向轴；206-挡片；207-平键；208-螺栓；209-垫片；210-驱动轴支座轴承；211-驱动轴；212-转向电机支座；213-驱动电机；214-驱动电机支座；215-驱动电机齿轮；216-驱动轴齿轮；217-支座；218-紧定螺栓；

301-销钉1；302-垫片1；303-开口销1；304-推杆外套；305-推杆；306-开口销2；307-销钉2；308-垫片2；

401-前车座；402-前车座左连杆；403-前车座右连杆；404-销轴；405-垫片；406-开口销；407-后车座右连杆；408-后车座左连杆；409-后车座；410-紧固螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1所示，本发明的一种管道爬行机器人包括轮系100、驱动机构200、转向机构300和车身400。

如图2所示，轮系100包括行星架车轮111，所述行星架车轮111外侧与所述行星架车轮111同轴设有太阳轮112，所述太阳轮112的四周设置有4个行星轮106，每个所述行星轮106与所述太阳轮112之间设有惰轮110，惰轮110与行星轮106和太阳轮112啮合，所述行星轮106的外表面通过四个螺栓107同轴设有卡爪机构105。4个卡爪机构105、惰轮110、太阳轮112与行星架车轮111组成的轮系100构成内“十”字、外圆的结构。所述行星轮转动带动所述卡爪转动，用于在行驶过程中跨越障碍物。所述行星架车轮111内侧固定安装有车轮驱动齿轮104。其中，太阳轮112和行星轮106具有相同齿数。即太阳轮112转动一定角度时，行星轮106带动各个卡爪的转动相同的角度。

上述轮系100运行过程中，各个所述卡爪105的初始指向相同，且行星轮106随着行星架车轮111的转动，各个卡爪的指向仍与初始指向相同。即行星架车轮111转动过程中，太阳齿轮保持不动，惰轮110在行星架车轮111的作用下，绕太阳齿轮112转动，且惰轮110绕惰轮轴销逆时针旋转。因行星轮106与惰轮110啮合，惰轮110驱动行星轮106顺时针旋转。行星轮106与太阳轮112的齿数相等，所以太阳轮112相对于行星架车轮111旋转角度，与行星轮106的转动角度相同，即行星架车轮111逆时针旋转角度与行星轮106顺时针旋转角度相同，使卡爪的指向相对于地面的角度不变。

如图3所示，驱动系统200包括卡抓驱动机构和车轮驱动机构。

所述卡爪驱动机构包括转向轴，所述转向轴205为阶梯轴，其两端轴肩各配合一个转向轴支座轴承201，转向轴支座轴承201安装在两端的支座217轴承孔中，所述转向轴205依次穿过所述行星架驱动齿轮111、太阳轮112，且延伸出所述太阳轮112，所述太阳轮112利用平键207与所述转向轴205连接。所述卡爪驱动机构还包括转向电机，所述转向电机204的输出轴端固定连接有转向电机齿轮202，所述转向轴205的轴向固定设有转向轴齿轮203，所述转向轴齿轮203与所述转向电机齿轮202啮合。转向轴205获得转向电机204的动力，再通过太阳轮112将动力传递给行星轮106上的卡爪105，使卡爪105转向，调节其相对地面的角度。

所述车轮驱动机构包括驱动轴211，所述驱动轴211为阶梯轴，其两端轴肩处分别安装有驱动轴支座轴承210，并安装在两端的支座217轴承孔中，所述行星架车轮111的内侧中心固定设有行星架驱动齿轮104，所述驱动轴211两端固定设有驱动齿轮101，所述行星架驱动齿轮104与所述驱动齿轮101啮合。所述车轮驱动齿轮104通过轴承安装在转向轴205上，本实施例中的车轮驱动齿轮104的轮毂有环形凸元，轴承分为内轴承102和外轴承103，内轴承102与外轴承103外圈将轮毂内环形凸元挤在中间。所述车轮驱动机构还包括驱动电机213，所述驱动电机213的输出轴端固定连接有驱动电机齿轮215，所述驱动轴211的轴向固定设有驱动轴齿轮216，所述驱动轴齿轮216与所述驱动电机齿轮215啮合；驱动轴211获得驱动电机213的动力，再通过紧定螺栓218固定的驱动齿轮101强动力传递给行星架车轮111，使机器人行驶。

支座217通过紧固螺栓410安装于前车座与后车座的左右两侧，这样转向轴205与驱动轴211的轴向及垂直方向被固定。

所述转向轴205的两端安装有螺栓208，用于限定所述太阳轮112的轴向向外运动，所述转向轴205位于所述支座217与所述行星架驱动齿轮104之间设有挡片206，所述太阳轮112抵靠所述外轴承103的内圈，用于限定所述行星架驱动齿轮104的轴向运动。

如图4所示，所述转向系统包括伸缩杆和连杆，本实施例中的伸缩杆为可通过电流控制伸缩长度的电动推杆，所述电动推杆后端为固定的推杆外套304，前端为可在推杆外套304中伸缩的推杆305。推杆外套304内部为电机、螺母及丝杠，通过控制丝杠的伸缩，进而控制所述推杆的伸缩。如图5所示，所述车身包括前车座401、后车座409，前车座401设置有前车座左连杆402、前车座右连杆403，后车座409上设置有与前车座右连杆403相应的后车座右连杆407，与前车身左连杆402相应的后车座左连杆408。前车座401与后车座409通过前车座右连杆403、后车座右连杆407、销轴404、垫片405和开口销406组成铰链机构。所述推杆外套304通过销钉301、垫片302、开口销303固定在后车座409上，并与后车座左连杆408组成铰链机构。所述推杆305通过销钉307、垫片308及开口销306固定在前车座401上，并与前车座左连杆402组成铰链机构。其中，销钉301、销钉307及销轴404均为竖直设置，保证上述铰链机构在水平方向左右转动。

下面通过具体的行走过程进一步详细清楚的介绍。

本实施例中的管道爬行机器人在运行过程中，根据不同的路况调整相应的卡爪机构。

当管道路面平整时，所述驱动电机213运行，行星架车轮111随之旋转，管道爬行机器人向前行驶。其中，所述转向电机204运行，所述太阳轮112转动一定角度，调整卡爪105指向向上。使轮系100在运行过程中，所述卡爪机构与地面不接触。

当管道路面泥泞时，调整卡爪105方向向下。增大机器人在泥泞地面的附着力。

当需要进行拐弯时，电动推杆工作，其与前车座410和后车座409组成曲柄摇杆机构，使前车座401绕后车座409转动。当需向右转向时，推杆305伸长，前车座401通过前车座右连杆403、后车座右连杆407组成的铰链，绕后车座409旋转，引导机器人向右转向；当需向做转向时，推杆305收缩，前车座401通过所述推杆外套与后车座左连杆408组成铰链机构，所述推杆305与前车座左连杆402组成铰链机构，绕后车座409旋转，引导机器人向左转向。

当前方路面有障碍物时，所述转向电机204运行，所述太阳轮112转动一定的角度，使所述卡爪105的向前平伸。在临近障碍物时，伸出行星轮车架的所述卡爪105，与障碍物的接触并挤压，增加了对障碍物的附着力，更利于攀爬斜坡等障碍物。也可进行另一种运行方式，转向电机204持续运行，卡爪105的尖部作为支撑点，转向电机204运行，所述卡爪105以卡爪尖部为圆心旋转，将平台翘起，到达障碍物上方，同时驱动电机213运行，行星架车轮111旋转，使平台继续向前行驶。

本实施例中的管道爬行机器人，通过设置卡爪机构固定设于行星轮上，且行星轮转动相应角度，卡爪能够改变指向，增强了其跨越障碍物的能力。根据管道内不同的环境，翻越障碍物时，通过行星架车轮与卡爪之间的配合运行，增强其越障能力。在管道内表面泥泞的情况下，通过调整卡爪方向向下，增大车轮对市政管网内部接触面的附着力，提高平台在管网内恶劣环境下的移动性能。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

所述卡爪沿所述卡爪本体的半径方向延伸，每个所述行星架车轮上有9个所述卡爪，每个卡爪的指向与所述行星架车轮的半径方向一致。

在腐蚀严重的管道中，其管道内表面为沟壑式的起伏，其各个障碍之间的间距小，若卡爪角度间距大，两个卡爪之间行星架车轮与管道面接触，其移动性能降低。增加卡爪数量，减小卡爪之间的角度间隔，设置所述卡爪沿所述卡爪本体的半径方向延伸，且每个卡爪的指向与所述行星架车轮的半径方向一致，优化了轮系的整体结构，使管道爬行机器人能够适应腐蚀严重的管道。

本实施例中的管道爬行机器人，增加卡爪数量，其跨障碍能力加强，不易打滑。优化了轮系的整体结构，增强了管道爬行机器人的移动性能，使管道爬行机器人能够适应腐蚀严重的管道。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种管道爬行机器人，其特征在于，包括：轮系、驱动系统、转向系统及车身；

所述轮系包括行星架车轮，所述行星架车轮外侧与所述行星架车轮同轴设有太阳轮，所述太阳轮的四周设置有多个行星轮，每个所述行星轮与所述太阳轮啮合，所述行星轮的外表面同轴设有卡爪机构，所述卡爪机构包括与所述行星轮的外表面相匹配的卡爪本体以及沿所述卡爪本体的周向向外延伸的卡爪，由所述行星轮转动带动所述卡爪转动，用于在行驶过程中跨越障碍物；

所述驱动系统包括车轮驱动机构和卡爪驱动机构，所述车轮驱动机构包括驱动轴，所述驱动轴的两端分别与对应的所述行星架车轮连接，所述卡爪驱动机构包括转向轴，所述转向轴与所述驱动轴并排设置，所述转向轴的两端分别与对应的所述行星架车轮上的所述太阳轮连接；

所述车身包括前车座和后车座，所述前车座上用于安装一组所述驱动轴和其并排设置的转向轴，所述后车座上用于安装另一组所述驱动轴和其并排设置的转向轴；

所述转向系统包括伸缩杆和连杆，所述伸缩杆的两端分别与所述前车座和后车座铰接，所述连杆的一端与所述前车座铰接，另一端与所述后车座固定连接，通过控制所述伸缩杆的伸缩，来控制所述行星架车轮的转向；

其中，所述太阳轮的齿数与所述行星轮的齿数相同；

每个所述行星轮通过惰轮与所述太阳轮啮合；

所述行星架车轮的内侧中心固定设有行星架驱动齿轮，所述驱动轴两端固定设有驱动齿轮，所述行星架驱动齿轮与所述驱动齿轮啮合；

所述转向轴依次穿过所述行星架驱动齿轮、太阳轮，且延伸出所述太阳轮，所述行星架驱动齿轮通过轴承与所述转向轴连接，所述太阳轮通过键与所述转向轴连接。

2.根据权利要求1所述的管道爬行机器人，其特征在于，所述卡爪沿所述卡爪本体的切线方向延伸，且每个所述卡爪的指向相同。

3.根据权利要求1所述的管道爬行机器人，其特征在于，每个所述行星架车轮上的所述卡爪机构为4个，均布在所述行星架车轮上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的管道爬行机器人，其特征在于，所述车轮驱动机构还包括驱动电机，所述驱动电机的输出轴端固定连接有驱动电机齿轮，所述驱动轴的轴向固定设有驱动轴齿轮，所述驱动轴齿轮与所述驱动电机齿轮啮合；所述卡爪驱动机构还包括转向电机，所述转向电机的输出轴端固定连接有转向电机齿轮，所述转向轴的轴向固定设有转向轴齿轮，所述转向轴齿轮与所述转向电机齿轮啮合。

5.根据权利要求4所述的管道爬行机器人，其特征在于，还包括支座，所述转向轴和所述驱动轴的两端分别穿过所述支座，并通过支座轴承与所述支座连接，所述支座通过连接件固定安装在所述前车座和所述后车座上。

6.根据权利要求5所述的管道爬行机器人，其特征在于，所述转向轴的两端安装有紧固件，用于限定所述太阳轮的轴向向外运动，所述转向轴位于所述支座与所述行星架驱动齿轮之间设有挡片，所述太阳轮抵靠所述轴承的内圈，用于限定所述行星架驱动齿轮的轴向运动。

7.根据权利要求1所述的管道爬行机器人，其特征在于，所述伸缩杆包括推杆外套和推杆，所述推杆可沿所述推杆外套轴向伸缩。

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