CN108582093A - 一种基于齿轮齿条变径的管道探测机器人 - Google Patents

一种基于齿轮齿条变径的管道探测机器人 Download PDF

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王圣杰
李昌
麻孟超
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Abstract

本发明公开了一种基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，包括：车轮组，包括左半球式车轮(1)、右半球式车轮(10)；车轮驱动装置，能够驱动所述车轮组，使得所述左半球式车轮(1)和右半球式车轮(2)分别转动；变径装置，包括齿轮齿条减速箱(3)，其与所述车轮组连接，带动左半球式车轮(1)和右半球式车轮(10)径向移动实现变径；以及支撑板(8)，将所述车轮驱动装置与所述变径装置连接在一起。本发明旨在解决时下狭小管道的探测难问题，实现当下大部分管道作业，提供了一款可灵活变径的球式探测机器人及其控制方法。

Description

一种基于齿轮齿条变径的管道探测机器人
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种基于齿轮齿条变径的管道探测机器人。
背景技术
管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。
在非专利文献1中(“油气管道机器人技术现状及发展趋势”，刘清友等，西华大学学报，2016(1).32)，作者系统阐述国内外管道机器人技术的研究现状；对当前油气管道机器人亟待解决的运动控制和定位控制2大技术难点进行分析；指出未来油气管道机器人的研究重点应集中在构造灵活可靠的机械结构、构建实时稳定的控制系统、提出新的能量供给技术等方面。文中提到管道机器人的机械机构应向未来的油气管道机器人应具备针对井下作业和具有弯道等特殊形式的油气管道中的良好通过性。
文中提到未来的油气管道机器人应具备针对井下作业和具有弯道等特殊形式的油气管道中的良好通过性，由此我们设计了这种灵巧变径、可通过弯道的管道机器人。
发明内容
本发明的目的是：为了解决为满足不同工业环境的管道探测要求，解决了时下狭小管道的探测难问题，实现当下大部分管道作业的问题，提出一种可灵活变径的新颖的球式机器人。
本发明的技术方案如下。
一种基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，包括：
车轮组，包括左半球式车轮、右半球式车轮；
车轮驱动装置，能够驱动所述车轮组，使得所述左半球式车轮和右半球式车轮分别转动；
变径装置，包括齿轮齿条减速箱，其与所述车轮组连接，带动左半球式车轮和右半球式车轮径向移动；
支撑板，将所述车轮驱动装置与所述变径装置连接在一起。
优选地，所述车轮驱动装置包括电机支架I、电机支架II、电机I、电机II、小齿轮I、小齿轮II、左内齿轮、右内齿轮；
所述电机支架I、电机支架II上分别安装电机I、电机II；所述小齿轮I固定在所述电机I的输出轴上,所述小齿轮II固定在所述电机II的输出轴。
优选地，电机I的输出轴和小齿轮I过盈配合；电机II的输出轴和小齿轮II过盈配合。
优选地，所述的左内齿轮和右内齿轮分别与左半球式车轮和右半球式车轮固定；小齿轮I和左内齿轮相互啮合传动，小齿轮II和右内齿轮相互啮合传动；在所述电机I和电机II的驱动下，分别带动左内齿轮和右内齿轮转动；
优选地，所述齿轮齿条减速箱包括：齿轮轴、左车轮-齿条连接轴、齿条I、右车轮-齿条连接轴、齿条II、齿轮齿条减速箱体、前轴承盖、后轴承盖，所述齿条I和齿条II分别与所述右车轮-齿条连接轴和左车轮-齿条连接轴固定，所述齿轮轴设置在所述右车轮-齿条连接轴和左车轮-齿条连接轴中间；所述右车轮-齿条连接轴和左车轮-齿条连接轴分别和右半球式车轮和左半球式车轮固定相连；所述齿轮齿条减速箱体螺纹连接固定在支撑板上。
优选地，所述变径装置还包括电机III、电机支架III；所述电机III安装在所述电机支架III上，所述齿轮轴连接在所述电机III的输出轴。
优选地，在所述电机III的驱动下，齿轮轴带动齿条I、齿条II的横向运动，带动左车轮-齿条连接轴和右车轮-齿条连接轴左右移动，带动左半球式车轮和右半球式车轮横向移动。
优选地，右车轮-齿条连接轴通过第一法兰滑动轴承和齿轮齿条减速箱体上的孔间隙配合，所述第一法兰滑动轴承与和齿轮齿条减速箱体之间的配合是过盈配合；左车轮-齿条连接轴与右车轮-齿条连接轴安装方式相同；
所述齿轮轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承与齿轮齿条减速箱体过盈配合；所述第一深沟球轴承和第二深沟球轴承和齿轮齿条减速箱体中的孔过盈配合；
所述电机III的输出轴和齿轮轴内孔间隙配合，所述齿轮轴和齿条I和齿条II相互啮合；
所述的左半球式车轮和右半球式车轮分别和左内齿轮和右内齿轮固定；所述左车轮-齿条连接轴和右车轮-齿条连接轴分别通过头对头放置的法兰轴承组I和法兰轴承组II与所述左半球式车轮和右半球式车轮间隙配合；所述法兰轴承组I和法兰轴承组II和左半球式车轮和右半球式车轮过盈配合。
在另一方面，本发明还提供了根据以上技术方案中任一项所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人的控制方法，包括：
设置左半球式车轮与右半球式车轮的间距；
通过控制电机III驱动变径装置实现整个机器人车轮间距的变化，实现变径的功能。
优选地，该控制方法还包括：
设置左半球式车轮(1)与右半球式车轮(10)的转向和转速；
通过控制电机I(18)、电机II(22)利用车轮驱动装置驱动左半球式车轮(1)与右半球式车轮(10)；
当两个内齿轮转向相同且转速相同时，实现管道机器人前进或后退的功能；
当两个内齿轮转向相同转速不同时，实现管道机器人的偏航运动的功能；
当两个内齿轮转向不同时，实现管道机器人原地的自旋功能。
本发明的有益效果是：
(1)整体的机械机构整体小巧，可对大部分小口径管道探测，在机械结构上解决了现在狭小管道难探测的问题。
(2)机械结构可靠，可以在具有弯道的路径里依然有较好的通过性，且在具有多通路的管道中择径行走。
(3)在实现变径的动作所采取的是齿轮齿条啮合传动的方法，对比传统的伞式支撑连杆，机械结构更为稳定，传递运动更加准确，能够精准控制变径的范围。
附图说明
图1为本发明的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人结构示意图。
图2为本发明的齿轮齿条减速箱局部结构示意图。
其中，1-左半球式车轮、2-左内齿轮、3-齿轮齿条减速箱、4-左车轮-齿条连接轴、5-小齿轮I、6-电机III、7-电机支架III、8-支撑板、9-右车轮-齿条连接轴、10-右半球式车轮、11-后轴承盖、12-齿条I、13-第一法兰滑动轴承、14-法兰轴承组I、15-前轴承盖、16-齿轮轴、17-电机支架I、18-电机I、19-第一深沟球轴承、20-齿条II、21-第二法兰滑动轴承、22-电机II、23-电机支架II、24-小齿轮II、25-法兰轴承组II、26-右内齿轮、27-第二深沟球轴承。
具体实施方式
参见附图1，基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，包括：支撑板8、电机支架I17、齿轮齿条减速箱3、左半球式车轮1、左内齿轮2、右半球式车轮10、右内齿轮26、电机支架II23、电机支架III6、小齿轮I5、小齿轮II24；支撑板8通过螺钉把电机支架I17、电机支架II23和电机支架III7与其连接在一起，齿轮齿条减速箱3与支撑板8通过螺钉固定在一起，左半球式车轮1和右半球式车轮10分别通过螺钉和左内齿轮2和右内齿轮26相连接，电机I18通过顶丝与小齿轮I5固定，电机II22通过顶丝与小齿轮II24相固定；在电机I18和电机II22的驱动下，小齿轮I5和小齿轮II24带动左内齿轮2和右内齿轮26，当两个内齿轮转向相同且转速相同时，可以实现管道机器人前进与后退的功能，当两个内齿轮转向相同转速不同时，可以实现管道机器人的偏航运动的功能，当两个内齿轮转向不同时，可以实现管道机器人原地的自旋功能。
在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，所述左半球式车轮1和右半球式车轮10可以采用现有技术中的任何适用的车轮，诸如充气轮胎、实心轮胎等。在一优选的实施方式中，所述左半球式车轮1和右半球式车轮10采用由具有高弹性材料制成的实心轮胎。
在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，所述电机I和电机II可以采用现有技术中的任何适用的电机，诸如交流电机、直流电机、减速电机。在一优选的实施方式中，所述电机I和电机II可以采用能够实现精确控制的步进电机或伺服电机。
在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，对所述电机I和电机II的控制可以采用现有技术中任何适用的控制装置，诸如通用型中央处理器、微控制器MCU、现场可编程器件FPGA、可编程逻辑控制器PLC，以及专用的集成电路ASIC等。
参见附图2,所述齿轮齿条减速箱3包括：齿轮轴16、左车轮-齿条连接轴4、齿条I12、右车轮-齿条连接轴9、齿条II20、减速箱体3、前轴承盖15、后轴承盖11；左车轮-齿条连接轴4和右车轮-齿条连接轴9分别通过第一法兰滑动轴承13和第二法兰滑动轴承21固定在减速箱体3上，其中第一法兰滑动轴承13和第二法兰滑动轴承21与减速箱体3内孔之间的配合是过盈配合，齿条I12和齿条II20分别和左车轮-齿条连接轴4和右车轮-齿条连接轴9用螺钉固定，齿轮轴16分别通过第一深沟球轴承19和第二深沟球轴承27固定在减速箱体3上，第一深沟球轴承19和第二深沟球轴承27与减速箱体3内孔的配合为过盈配合，前轴承盖15和后轴承盖11分别通过螺钉固定在减速箱体3上，左车轮-齿条连接轴4和右车轮-齿条连接轴9分别通过头对头放置的法兰轴承组I14和法兰轴承组II25与左半球式车轮1和右半球式车轮10间隙配合，法兰轴承组I14和法兰轴承组II25和左半球式车轮1和右半球式车轮10过盈配合，电机III6的轴与齿轮轴19内孔间隙配合；在电机III6的驱动下，齿轮轴19的旋转带动齿条I12和齿条II20的直线运动，左车轮-齿条连接轴4和右车轮-齿条连接轴9带动左半球式车轮1和右半球式车轮10径向移动，可以实现管道机器人的变径功能。
本领域技术人员能够理解，齿轮轴16、齿条I12和齿条II20的模数是通过齿面接触疲劳强度校核选择的。根据管道探测的齿面接触疲劳强度，计算得到模数不低于0.54，取整并符合标准模数，即可设置为0.6。所述齿条I和齿条II齿数考虑具体体积要求和工作管径要求，设计19齿的齿条。在一优选的实施方式中，由于当齿轮轴低于18齿时齿轮加工会出现根切现象，将齿轮轴16设置为24齿。同时，在一优选的实施方式中，将所述齿轮轴16的模数设置为0.6，齿数设置为24，由于所述齿条I12和齿条II20与齿轮轴19啮合，模数也设置为0.6，两齿条上齿数均设置为19个齿，最终变径距离为120mm-164mm。
在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，所述齿轮齿条减速箱可以采用现有技术中的任何适用的齿轮齿条机构，诸如直齿轮齿条机构、斜齿轮齿条机构。
通过以上实施方式，本发明的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人整体的机械机构整体小巧，可对大部分小口径管道探测，在机械结构上解决了现在狭小管道难探测的问题。
同时，本发明的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人机械结构可靠，可以在具有弯道的路径里依然有较好的通过性，且在具有多通路的管道中择径行走。
另外，本发明的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人在实现变径的动作所采取的是齿轮齿条啮合传动的方法，对比传统的伞式支撑连杆，机械结构更为稳定，传递运动更加准确，能够精准控制变径的范围。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，包括：
车轮组，包括左半球式车轮(1)、右半球式车轮(10)；
车轮驱动装置，能够驱动所述车轮组，使得所述左半球式车轮(1)和右半球式车轮(2)分别转动；
变径装置，包括齿轮齿条减速箱(3)，其与所述车轮组连接，带动左半球式车轮(1)和右半球式车轮(10)径向移动；
支撑板(8)，将所述车轮驱动装置与所述变径装置连接在一起。
2.根据权利要求1所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，其特征在于，所述车轮驱动装置包括电机支架I(17)、电机支架II(23)、电机I(18)、电机II(22)、小齿轮I(5)、小齿轮II(24)、左内齿轮(2)、右内齿轮(26)；
所述电机支架I(17)、电机支架II(23)上分别安装电机I(18)、电机II(22)；所述小齿轮I(5)固定在所述电机I(18)的输出轴上,所述小齿轮II(24)固定在所述电机II(22)的输出轴。
3.根据权利要求2所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，其特征在于，电机I(18)的输出轴和小齿轮I(5)过盈配合；电机II(22)的输出轴和小齿轮II(24)过盈配合。
4.根据权利要求2所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，其特征在于，所述的左内齿轮(2)和右内齿轮(26)分别与左半球式车轮(1)和右半球式车轮(10)固定；小齿轮I(5)和左内齿轮(2)相互啮合传动，小齿轮II(24)和右内齿轮(26)相互啮合传动；在所述电机I(18)和电机II(22)的驱动下，分别带动左内齿轮(2)和右内齿轮(26)转动。
5.根据权利要求2-4之一所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，其特征在于，所述齿轮齿条减速箱(3)包括：齿轮轴(16)、左车轮-齿条连接轴(4)、齿条I(12)、右车轮-齿条连接轴(9)、齿条II(20)、齿轮齿条减速箱体(8)、前轴承盖(15)、后轴承盖(11)，所述齿条I(12)和齿条II(20)分别与所述右车轮-齿条连接轴(9)和左车轮-齿条连接轴(4)固定，所述齿轮轴(16)设置在所述右车轮-齿条连接轴(9)和左车轮-齿条连接轴(4)中间；所述右车轮-齿条连接轴(9)和左车轮-齿条连接轴(4)分别和右半球式车轮(10)和左半球式车轮(1)固定相连；所述齿轮齿条减速箱体(8)螺纹连接固定在支撑板(8)上。
6.根据权利要求5所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，其特征在于，所述变径装置还包括电机III(6)、电机支架III(6)；所述电机III(6)安装在所述电机支架III(6)上，所述齿轮轴(16)连接在所述电机III(6)的输出轴。
7.根据权利要求6所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，其特征在于，在所述电机III(6)的驱动下，齿轮轴(19)带动齿条I(12)、齿条II(20)的横向运动，带动左车轮-齿条连接轴(4)和右车轮-齿条连接轴(9)左右移动，带动左半球式车轮(1)和右半球式车轮(10)横向移动。
8.根据权利要求5所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人，其特征在于，右车轮-齿条连接轴(9)通过第一法兰滑动轴承(13)和齿轮齿条减速箱体(8)上的孔间隙配合，所述第一法兰滑动轴承(13)与和齿轮齿条减速箱体(8)之间的配合是过盈配合；左车轮-齿条连接轴(4)与右车轮-齿条连接轴(9)安装方式相同；
所述齿轮轴(16)通过第一深沟球轴承(19)和第二深沟球轴承(27)与齿轮齿条减速箱体(8)过盈配合；所述第一深沟球轴承(19)和第二深沟球轴承(27)和齿轮齿条减速箱体(8)中的孔过盈配合；
所述电机III(6)的输出轴和齿轮轴(16)内孔间隙配合，所述齿轮轴(16)和齿条I(12)和齿条II(20)相互啮合；
所述的左半球式车轮(1)和右半球式车轮(10)分别和左内齿轮(2)和右内齿轮(26)固定；所述左车轮-齿条连接轴(4)和右车轮-齿条连接轴(9)分别通过头对头放置的法兰轴承组I(14)和法兰轴承组II(25)与所述左半球式车轮(1)和右半球式车轮(10)间隙配合；所述法兰轴承组I(14)和法兰轴承组II(25)和左半球式车轮(1)和右半球式车轮(10)过盈配合。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人的控制方法，包括：
设置左半球式车轮(1)与右半球式车轮(10)的间距；
通过控制电机III(6)驱动变径装置实现整个机器人车轮间距的变化，实现变径的功能。
10.根据权利要求9所述的基于齿轮齿条变径的管道探测机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
设置左半球式车轮(1)与右半球式车轮(10)的转向和转速；
通过控制电机I(18)、电机II(22)利用车轮驱动装置驱动左半球式车轮(1)与右半球式车轮(10)；
当两个内齿轮转向相同且转速相同时，实现管道机器人前进或后退的功能；
当两个内齿轮转向相同转速不同时，实现管道机器人的偏航运动的功能；
当两个内齿轮转向不同时，实现管道机器人原地的自旋功能。
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