CN108548046A - 一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构，包括机器人本体，所述机器人本体上安装有滑移架，所述滑移架上套装有导向杆，所述滑移架上轴向安装有丝杠，所述丝杠通过丝杠螺母连接有推杆，所述推杆末端连接在机器人本体上，所述滑移架底部连接有压杆，所述机器人本体的外壁上连接有摆杆，且所述摆杆和机器人本体连接处位于推杆和机器人本体连接处的外侧，所述压杆的杆身上套装有弹簧，所述弹簧的末端连接在摆杆的杆身上，所述摆杆的末端连接有驱动轮，从而提高了管道机器人对变径管道和障碍物的通过性，以及提高了机器人本体在通过障碍时的整体稳定性。

Description

一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构及其实现方法
技术领域
本发明涉及轮式管道机器人领域，具体为一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构及其实现方法。
背景技术
轮式管道机器人是管道机器人中最常见的一类，广泛应用于圆形管道内检测、维护等，为更好适应复杂管道环境，管道机器人必须能够适应变内径管道、具备大角度(甚至是竖直)管道爬壁功能，现有轮式管道机器人大都采用多轮驱动结构，多组驱动轮与管壁接触，靠刚性张紧机构在接触点处产生正压力，保证机器人运动方向与管道中心线P平行，使机器人能够连续运行，当遇到直径变化的管道时，其固定式的结构就不能很好的适应了。
现有的利用轮式管道机器人提供的技术方法存在以下缺陷：
(1)由于管道内径大小不一、管壁不规则、弯道或T型管道等，导致轮式管道机器人不能在管道内长时间保持正确运行姿态，严重时出现卡死、侧翻情况；
(2)爬行大角度管道时，一个或多个驱动轮脱离管壁，造成管道机器人牵引力不足，无法正常完成作业任务。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构及其实现方法，提高了管道机器人对变径管道和障碍物的通过性，以及提高了机器人本体在通过障碍时的整体稳定性，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构，包括机器人本体，所述机器人本体上安装有滑移架，所述滑移架上套装有导向杆，所述滑移架上轴向安装有丝杠，所述丝杠通过丝杠螺母连接有推杆，所述推杆末端连接在机器人本体上，所述滑移架的外壁上连接有压杆，所述机器人本体的外壁上连接有摆杆，且所述摆杆和机器人本体连接处位于推杆和机器人本体连接处的外侧，所述压杆的杆身上套装有弹簧，所述弹簧的末端连接在摆杆的杆身上，所述摆杆的末端连接有驱动轮。
优选的，所述丝杠螺母活动安装在推杆上，且所述丝杠螺母通过直齿齿轮啮合有驱动轮电机，所述丝杠和推杆的连接整体保持和导向杆平行状态；所述滑移架上设置有若干个滑移孔，且所述滑移孔均匀分布在滑移架上，所述滑移孔的数量大于等于三个，所述导向杆穿过滑移孔固定安装在机器人本体上；所述压杆和摆杆在初始工作状态时，压杆与机器人本体的夹角和摆杆与机器人本体的夹角互余。
优选的，所述滑移架上滑移孔的数量对应固定安装在机器人本体上的导向杆的数量；所述弹簧通过铰接座连接在摆杆上，且所述铰接座中间设置有贯穿槽，所述贯穿槽中间设置有定位杆，所述压杆表面设置有条形轨槽，且所述条形轨槽贯穿压杆，所述压杆延伸至贯穿槽中，且所述定位杆穿过条形轨槽。
另外本发明还设计了一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧实现方法，包括如下步骤：
步骤100、设定管道机器人的驱动轮组数，且使得驱动轮组均匀分布在管道同一圆周内壁上；
步骤200、设定摆杆的物理参数；
步骤300、选装驱动轮电机；
步骤400、设计并安装拉紧装置；
步骤500、设计并安装滑移装置；
步骤600、设计并安装弹性装置。
优选的，所述步骤100包括：所述驱动轮的电机之间相互独立，并且所述驱动轮组数m不小于2。
优选的，所述步骤200还包括：
先设定摆杆的摆角β，取值范围为30°～60°；
然后设定摆杆的长度L，摆杆的长度L取决于管道内径d和摆杆的摆角β，按以下公式估算：
其中，H是摆杆10的铰接端点C距离管道中心线P的距离，rd是驱动轮的半径，β是摆杆的摆角；
基于估算值，可向上或向下圆整确定摆杆的长度。
优选的，所述步骤300中驱动轮电机的选装方法包括：
步骤301、估算驱动轮电机功率，单个驱动轮电机的实际输出功率P为：
其中，m是驱动轮组数，且m≥2，G是机器人本体重力，FR是管道机器人滚动阻力，包括驱动轮与轴承间阻力以及驱动轮与管壁间滚动摩擦阻力，vmax是机器人的最大运行速度，η0为各驱动轮负载存在不均衡时的系数，η1是驱动轮运行效率，η2是电机输出轴到驱动轮的传动效率。
选定的驱动轮电机额定功率PN应满足PN≥P；
步骤302、估算驱动轮电机转矩，单个驱动轮电机的转矩T为：
其中，rd是驱动轮的驱动半径，i是电机减速机的减速比，η是减速机的传动效率；
步骤303、估算驱动轮电机转速，估算驱动轮电机的最高转速n为：
步骤304、基于驱动轮电机功率、驱动轮电机转矩以及驱动轮电机转速三项估算值，完成驱动轮电机选型。
优选的，所述步骤400中拉紧装置采用滚珠丝杠式推杆装置，由丝杠、丝杠螺母及推杆组成，丝杠置于推杆壳内，由相应的电机通过圆柱直齿齿轮传动形式驱动。
优选的，所述步骤500中滑移装置由滑移架和滑移杆组成，并且在滑移架和滑移杆之间安装滑动轴承，在拉紧装置的驱动下，滑移架可沿滑移杆双向直线前后移动；
所述步骤500还包括：设定各驱动轮张紧机构间的连接方式；
连接方式一：各张紧机构对应的滑移架相互独立，即确定了管道机器人采用m组驱动轮时，会采用m个弹性爬壁张紧机构，则对应的使用m个滑移架；
连接方式二：各张紧机构对应的滑移架相互固连，即确定了管道机器人采用m组驱动轮时，会采用m个弹性爬壁张紧机构，但分布在同一管壁圆周上的所有驱动轮对应的只使用1个滑移架。
优选的，所述步骤600中弹性装置由压杆和弹簧组成，所述弹簧采用压缩弹簧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的轮式管道机器人运行于变化的管道直径环境时，可根据管径的变化进行机器人本体的运行直径的变化，在拉紧装置的驱动下，滑移架在导向杆上轴向移动，并且压缩或者释放弹性装置，从而增加或减小驱动轮与管壁正压力，进而增加或者减少轮式管道机器人本体的输出牵引力，保证了稳定的牵引输出，避免发生打滑情况；
(2)本发明的滑移架和摆杆之间增加压杆和弹簧的组合弹性装置，使得各个驱动轮能够在通过不同的障碍物时产生相对的弹性移动，从而保持整体结构的稳定性，驱动轮能够时刻的压紧在管壁上，提高了机器人本体的通过能力。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中弹性爬壁张紧机构的一种结构示意图；
图2为本发明三个驱动轮情况下的滑移架纵剖面结构示意图；
图3为本发明的铰接座结构示意图；
图4为本发明的弹性装置的结构示意图。
图中标号：
1-机器人本体；2-滑移架；3-丝杠；4-压杆；5-弹簧；6-驱动轮；7-导向杆；8-推杆；9-丝杠螺母；10-摆杆；11-管壁；12-滑移孔；13-铰接座；14-贯穿槽；15-定位杆；16-条形轨槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示，本发明提供了一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构，包括机器人本体1，所述机器人本体1上安装有滑移架2，所述滑移架2上套装有导向杆7，所述滑移架2上轴向安装有丝杠3，所述丝杠3通过丝杠螺母9连接有推杆8，所述推杆8末端连接在机器人本体1上，所述滑移架2的外壁上连接有压杆4，所述机器人本体1的外壁上连接有摆杆10，且所述摆杆10和机器人本体1连接处位于推杆8和机器人本体1连接处的外侧，所述压杆4的杆身上套装有弹簧5，所述弹簧5的末端连接在摆杆10的杆身上，所述摆杆10的末端连接有驱动轮6。
本发明中摆杆10的一端与驱动轮6铰接，另一端与机器人本体1铰接，驱动轮6与圆形管道管壁11接触，导向杆7与机器人本体1固连，在丝杠3的驱动上，电机通过圆柱直齿齿轮啮合丝杠螺母副9，通过丝杠螺母副9的转动使得丝杠3拉动滑移架2在导向杆7上的移动，在移动架2的端部的外侧壁和摆杆10之间设置压杆4和弹簧5组成的弹性装置，使得滑移架2在导向杆7上移动时能够压缩(放松)弹簧5，从而增加(减小)驱动轮6与管壁11之间的正压力。
如图1和图4所示，由压杆4和弹簧5组成的弹性装置，还可以添加定位功能，防止弹簧在压缩的过程中压杆的位置不正，其中弹簧5通过铰接座13连接在摆杆10上，且所述铰接座13中间设置有贯穿槽14，所述贯穿槽14中间设置有定位杆15，所述压杆4表面设置有条形轨槽16，且所述条形轨槽16贯穿压杆4，所述压杆4延伸至贯穿槽14中，且所述定位杆15穿过条形轨槽16，使得通过定位杆15限制压杆4的轴向活动，机器人本体1在遇到较大的障碍时，压杆4径向位移过大，使得压杆4超出弹簧5内部，从而使得弹簧5和压杆4之间的弹性卡死，造成拉紧装置无法给予摆杆正确的正压力，而将压杆4限制在贯穿槽14中，同时使得定位杆15在条形轨槽16中移动，支撑弹性装置恢复性，同时不限制弹性装置的压杆4的弹性转角需求。
进一步说明的是，所述压杆4和摆杆10在初始工作状态时，压杆4与机器人本体1的夹角和摆杆10与机器人本体1的夹角互余。
在本实施方式中，该机构的实现方法包括如下步骤：
步骤100、设定管道机器人的驱动轮组数，且使得驱动轮组均匀分布在管道同一圆周内壁上；
多轮驱动的轮式管道机器人，其驱动轮电机之间相互独立，为避免机器人在复杂管道环境发内生卡死情况，驱动轮组数不能少于2，过多的驱动轮会带来复杂的多电机驱动功率平衡控制问题。因此，常见的驱动轮组数取3或4，即m＝3或4，且保证所有驱动轮均布在圆形管壁圆周上。
步骤200、设定摆杆的物理参数；
先设定摆杆的摆角β，管道机器人爬壁时，为保证稳定的牵引力输出，驱动轮与管壁之间的正压力需保持稳定。产生同一正压力时，过小的摆角β使得弹簧工作长度较小，同时增加丝杠内力；而过大的摆角β使得弹簧工作长度较大，机器人越障时易产生振动，整体运动稳定性变差，两种情况都不利于步骤5弹簧的选型，因此，摆角β取值要适中，取值范围为30°～60°；
然后设定摆杆的长度L，摆杆的长度L取决于管道内径d和摆杆的摆角β，按以下公式估算：
其中，H是摆杆10的铰接端点C距离管道中心线的距离，其值的大小由机器人本体结构确定，rd是驱动轮的半径，β是摆杆的摆角。基于估算值，可向上或向下圆整确定摆杆10的长度L。
步骤300、选装驱动轮电机；
驱动轮电机的选装方法包括：
步骤301、估算驱动轮电机功率，管道机器人爬壁需要克服本体滚动摩擦力以及自重，当爬竖直管道时，需要驱动轮电机输出功率最大，此时考虑各驱动轮负载存在不均衡现象，单个驱动轮电机的实际输出功率P为：
其中，m是驱动轮组数，一般取m≥2，G是机器人本体重力。FR是管道机器人滚动阻力，主要包括驱动轮与轴承间阻力和驱动轮与管壁间滚动摩擦阻力，其值通常较小，相比于管道机器人自重，估算输出功率时可忽略不计。vmax是机器人的最大运行速度，由管道机器人作业性能要求及作业环境决定。η0是考虑各驱动轮负载存在不均衡想象时的系数，可取1/1.2，η1是驱动轮运行效率，η2是电机输出轴到驱动轮的传动效率。
选定的驱动轮电机额定功率PN应满足PN≥P；
步骤302、估算驱动轮电机转矩，单个驱动轮电机的转矩T为：
其中，rd是驱动轮的驱动半径，i是电机减速机的减速比，η是减速机的传动效率；
步骤303、估算驱动轮电机转速，根据管道机器人的最大运行速度，估算驱动轮电机的最高转速n为：
步骤304、基于驱动轮电机功率、驱动轮电机转矩以及驱动轮电机转速三项估算值，完成驱动轮电机选型。
步骤400、设计并安装拉紧装置；拉紧装置采用滚珠丝杠式推杆装置，由丝杠3、丝杠螺母9及推杆8组成，丝杠3置于推杆壳内，由相应的电机通过圆柱直齿齿轮传动形式驱动。
步骤500、设计并安装滑移装置；滑移装置由滑移架和滑移杆组成，并且在滑移架和滑移杆之间安装滑动轴承，在拉紧装置的驱动下，滑移架可沿滑移杆双向直线前后移动；
然后设定各驱动轮张紧机构间的连接方式；弹性爬壁张紧机构需由相应的电机驱动丝杠4才可实现张紧爬壁功能，按滑移架2结构的不同，各张紧机构间连接方式分有如下两种：
连接方式一：各张紧机构对应的滑移架2相互独立，没有任何固连，即确定了管道机器人采用m组驱动轮时，会采用m个弹性爬壁张紧机构，则对应的使用m个滑移架。此种方式下，各张紧机构对应的滑移架2前(后)滑移距离可以不同，由于复杂管道环境导致的各摆杆的摆角不同时，各驱动轮与管壁之间的正压力依旧能较好地保证一致。因此，机器人的管道工作环境较恶劣时，更适合采用该方式，能有效保证牵引力输出，较好地实现驱动轮的多电机功率平衡控制；
连接方式二：各张紧机构对应的滑移架2相互固连，即确定了管道机器人采用m组驱动轮时，会采用m个弹性爬壁张紧机构，但分布在同一管壁圆周上的所有驱动轮对应的只使用1个滑移架。如图2所示，是m＝3时给出的一种滑移架2结构示意图，滑移架2为中空结构，为机器人本体其他设备预留空间，同时也保证滑移架2有足够的前(后)可移动空间；3个相应的滑移杆7分别穿过对应的滑移孔14。此种方式更易于实现张紧机构相应丝杠的多电机同步控制，更适用于较简单的管道环境。
步骤600、设计并安装弹性装置，弹性装置由压杆4和弹簧5组成。弹簧采用压缩弹簧，通常选用压缩弹簧时，需要确定弹簧的中经、内径、外径、总圈数、有效圈数、节距、长度及刚度等参数。弹簧参数较多，以下给出关键参数的选择原则。如图1，机器人本体尺寸决定了滑移架2的可移动行程范围，即铰接点E到铰接点J的距离。当压缩弹簧处于工作长度，铰接点A与铰接点D的连线与摆杆垂直时，即此时机器人运行时"∠ADC≈90°"，能够在驱动轮6和管壁11之间产生最大的正压力。基于以上原则，并结合以下计算公式去完成弹簧的选型。
其中，基于该计算公式选型时，可取α＝90°-β。k是弹簧的刚度系数，l0和l1分别是弹簧的原始长度和工作长度，μ是驱动轮与管壁之间的摩擦系数，L1是铰接点D和铰接点C之间的距离。铰接点D的选取位置决定长度L1，应当在机器人本体允许情况下，尽可能使铰接点D接近驱动轮铰接点B。
本发明可在各驱动轮的弹簧处加装位移传感器，实时测量弹簧的变形量，管道机器人运行于变管径环境时，可根据管径变化，在拉紧装置驱动下，滑移装置沿其固定方向前(后)移动，压缩(放松)弹性装置，增加(减小)驱动轮与管壁正压力，从而增加(减少)管道机器人的输出牵引力，以保证稳定的牵引力输出，避免发生打滑情况；实际的管道管壁会存在不同程度的缺陷，管道机器人的一个或多个驱动轮遇到凸起或凹陷的障碍物时，通过在滑移装置和摆杆之间增加弹性装置，使得各驱动轮能时刻压紧在管壁上，提高机器人管道通过能力，避免发生卡死、侧翻情况。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构，包括机器人本体(1)，其特征在于：所述机器人本体(1)上安装有滑移架(2)，所述滑移架(2)上套装有导向杆(7)，所述滑移架(2)上轴向安装有丝杠(3)，所述丝杠(3)通过丝杠螺母(9)连接有推杆(8)，所述推杆(8)末端连接在机器人本体(1)上，所述滑移架(2)的外壁上连接有压杆(4)，所述机器人本体(1)的外壁上连接有摆杆(10)，且所述摆杆(10)和机器人本体(1)连接处位于推杆(8)和机器人本体(1)连接处的外侧，所述压杆(4)的杆身上套装有弹簧(5)，所述弹簧(5)的末端连接在摆杆(10)的杆身上，所述摆杆(10)的末端连接有驱动轮(6)。
2.根据权利要求1所述的一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构，其特征在于：所述丝杠螺母(9)活动安装在推杆(8)上，且所述丝杠螺母(9)通过直齿齿轮啮合有驱动轮电机，所述丝杠(3)和推杆(8)的连接整体保持和导向杆(7)平行状态；所述滑移架(2)上设置有若干个滑移孔(12)，且所述滑移孔(12)均匀分布在滑移架(2)上，所述滑移孔(12)的数量大于等于三个，所述导向杆(7)穿过滑移孔(12)固定安装在机器人本体(1)上；所述压杆(4)和摆杆(10)在初始状态时，压杆(4)与机器人本体(1)的夹角和摆杆(10)与机器人本体(1)的夹角互余。
3.根据权利要求1所述的一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构，其特征在于：所述滑移架(2)上滑移孔(12)的数量对应固定安装在机器人本体(1)上的导向杆(7)的数量；所述弹簧(5)通过铰接座(13)连接在摆杆(10)上，且所述铰接座(13)中间设置有贯穿槽(14)，所述贯穿槽(14)中间设置有定位杆(15)，所述压杆(4)表面设置有条形轨槽(16)，且所述条形轨槽(16)贯穿压杆(4)，所述压杆(4)延伸至贯穿槽(14)中，且所述定位杆(15)穿过条形轨槽(16)。
4.一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧实现方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤100、设定管道机器人的驱动轮组数，且使得驱动轮组均匀分布在管道同一圆周内壁上；
步骤200、设定摆杆的物理参数；
步骤300、选装驱动轮电机；
步骤400、设计并安装拉紧装置；
步骤500、设计并安装滑移装置；
步骤600、设计并安装弹性装置。
5.根据权利要求4所述的一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构的实现方法，其特征在于：所述步骤100包括：所述驱动轮的电机之间相互独立，并且所述驱动轮组数m不小于2。
6.根据权利要求4所述的一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构的实现方法，其特征在于：所述步骤200还包括：
先设定摆杆的摆角β，取值范围为30°～60°；
然后设定摆杆的的长度L，摆杆的长度L取决于管道内径d和摆杆的摆角β，按以下公式估算：
其中，H是摆杆10的铰接端点C距离管道中心线P的距离，rd是驱动轮的半径，β是摆杆的摆角；
基于估算值，可向上或向下圆整确定摆杆的长度。
7.根据权利要求4所述的一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构的实现方法，其特征在于：所述步骤300中驱动轮电机的选装方法包括：
步骤301、估算驱动轮电机功率，单个驱动轮电机的实际输出功率P为：
其中，m是驱动轮组数，且m≥2，G是机器人本体重力，FR是管道机器人滚动阻力，包括驱动轮与轴承间阻力以及驱动轮与管壁间滚动摩擦阻力，vmax是机器人的最大运行速度，η0为各驱动轮负载存在不均衡时的系数，η1是驱动轮运行效率，η2是电机输出轴到驱动轮的传动效率。
选定的驱动轮电机额定功率PN应满足PN≥P；
步骤302、估算驱动轮电机转矩，单个驱动轮电机的转矩T为：
其中，rd是驱动轮的驱动半径，i是电机减速机的减速比，η是减速机的传动效率；
步骤303、估算驱动轮电机转速，估算驱动轮电机的最高转速n为：
步骤304、基于驱动轮电机功率、驱动轮电机转矩以及驱动轮电机转速三项估算值，完成驱动轮电机选型。
8.根据权利要求4所述的一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构的实现方法，其特征在于：所述步骤400中拉紧装置采用滚珠丝杠式推杆装置，由丝杠、丝杠螺母及推杆组成，丝杠置于推杆壳内，由相应的电机通过圆柱直齿齿轮传动形式驱动。
9.根据权利要求4所述的一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构的实现方法，其特征在于：所述步骤500中滑移装置由滑移架和滑移杆组成，并且在滑移架和滑移杆之间安装滑动轴承，在拉紧装置的驱动下，滑移架可沿滑移杆双向直线前后移动；
所述步骤500还包括：设定各驱动轮张紧机构间的连接方式；
连接方式一：各张紧机构对应的滑移架相互独立，即确定了管道机器人采用m组驱动轮时，会采用m个弹性爬壁张紧机构，则对应的使用m个滑移架；
连接方式二：各张紧机构对应的滑移架相互固连，即确定了管道机器人采用m组驱动轮时，会采用m个弹性爬壁张紧机构，但分布在同一管壁圆周上的所有驱动轮对应的只使用1个滑移架。
10.根据权利要求4所述的一种轮式管道机器人弹性爬壁张紧机构的实现方法，其特征在于：所述步骤600中弹性装置由压杆和弹簧组成，所述弹簧采用压缩弹簧。
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