CN109352624A - 一种螺旋行进式可变径管外机器人 - Google Patents

Abstract

一种螺旋行进式可变径管外机器人，包括升降支撑机构、变径驱动机构、行进驱动机构和行走机构，行进驱动机构包括外齿圈、筒形机体、外齿轮b和电机b，行进驱动机构带动机器人做螺旋行进运动；在筒形机体内部布置一组变径驱动机构和至少三组升降支撑机构，每组升降支撑机构上安装一组行走机构；变径驱动机构主要由电机a、内齿圈和驱动齿轮组成；升降支撑机构包括依次连接的外齿轮a、螺杆和曲柄滑块机构，外齿轮a驱动螺杆传动机构运动，带动曲柄滑块机构的滑块联动，使行走机构贴紧管道外壁。本发明解决了管外机器人移动问题，且具有管径适应性强，结构简单等优点，可用于各种管道的管外质量检测维护、修复加工等作业。

Description

一种螺旋行进式可变径管外机器人

技术领域

本发明涉及一种管外机器人，尤其是一种螺旋行进式可变径管外机器人，属于特种机器人领域。

背景技术

管道在工业生产和城市生活中发挥着重要作用，而传统的人工检修管道的方法已不能满足新时代生产生活需要，管道机器人的研制与应用则为管道业的持续繁荣发展注入了新的活力。由于受到输送介质的腐蚀、自然灾害的破坏以及自身工艺缺陷的影响，管道不可避免地会出现裂纹、破损、漏孔等状况，因而将引发如环境污染、易燃物爆炸、能源浪费等生产安全事故，因此对管道外部进行定期的检修、维护和清洁保养，就显得尤为必要。

在国外，西班牙学者基于Stewart-Gough并联机构的机器人，实现在水平和垂直管道行走；美国Envision公司采用磁性轮行走，带动车体沿金属软带轨道运动，从而驱动机构作旋转运动；日本东京大学的关节式行走机器人，可以沿直管爬行，并翻越障碍。在国内，上海交通大学的斜拉桥索缆索涂装维护机器人它能在任意斜度的缆索上爬行，完成缆索的检测和维护。

上述现有的管外机器人，在使用过程中存在一些缺点，主要表现在：

1、只能实现管道内部的作业任务，且不能变径适应不同直径的管道；

2、不能提供机器人与管道间足够的附着力，不能实现水平、倾斜、垂直管道作业；

3、不能灵活的转向绕过弯管，即只能适应直管，不能实现弯管作业或容易卡死；

4、结构复杂，适应性弱，通用性不强，且多为刚性部件，越障能力不足；

5、如采用摄像采集设备，管道机器人采用移动式，相较于本方案螺旋行进式，不能进行管道全面检测。

参见图1，还已知的CN200910180084一种管道外行走机器人，由动力驱动装置、行走导向装置及其连接弹性元件组合体11组成，动力驱动装置由筒形体1和筒形驱动主体4通过滚动轴承3构成一个回转体，而筒形体1的内壁上固定安装有一个以上的电机2，电机轴与筒形体1的轴线平行并安装有齿轮6；而筒形驱动主体4内壁的一端固定安装有一个内齿圈5并与齿轮6相啮合，在其内壁上安装一组驱动轮8，且其转动轴线与筒形驱动主体4的转动轴线呈一锐角；而行走导向装置的筒形导向主体12的内壁上安装有至少二组以上的导向轮14，其转动轴线与筒形导向主体12的轴线相互垂直。安装架7和导向轮架13均为浮动体，且用弹性元件15来产生一定的径向涨缩量，使驱动轮8和导向轮14始终贴紧于管道10的外壁。电机驱动后能使机器人沿管道轴线方向前进或后退，可用于各种管道、大桥斜拉索的管外质量检测、维护修复等作业。

该现有管道外行走机器人依然存在以下的不足：

1、该管道机器人仅依靠弹簧提供机器人涨紧在管道上的附着力，不可以调节至合适的范围，特别对于倾斜(或垂直管道)极易因附着力不足而导致行进困难：

2、该管道机器人不能进行不同管径管道作业，调节范围很小，管径适应能力不足；

3、在翻越障碍时没有反馈调节装置，机械的依靠弹簧形变，不便于调节，或者障碍物稍大时，极易被卡住；

4、不能适用于非等径管道(如管道直径逐渐变大)，对于工况环境通用性和适用性不足。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种螺旋行进式可变径管外机器人，其管径适应性好，越障与爬坡能力强，结构简单。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括升降支撑机构、变径驱动机构、行进驱动机构和行走机构，所述的行进驱动机构包括外齿圈、筒形机体、外齿轮b和电机b，外齿圈和筒形机体同径设置，外齿圈与筒形机体之间安装有轴承b，外齿圈、筒形机体及轴承b构成一个可相对转动的齿轮组回转体，电机b固定在筒形机体外壁上，外齿轮b与外齿圈相啮合；行进驱动机构带动机器人做螺旋行进运动；在筒形机体内部布置一组变径驱动机构和至少三组升降支撑机构，每组升降支撑机构上安装一组行走机构；所述的变径驱动机构主要由电机a、内齿圈和驱动齿轮组成，驱动齿轮与内齿圈相啮合，外齿圈与内齿圈之间安装轴承a，外齿圈、内齿圈和轴承a构成一个可相对转动的齿轮组回转体；所述的升降支撑机构包括依次连接的外齿轮a、螺杆和曲柄滑块机构，行走机构安装在曲柄滑块机构的中间节点处，外齿轮a与变径驱动机构的内齿圈相啮合，外齿轮a驱动螺杆传动机构运动，带动曲柄滑块机构的滑块联动，使行走机构贴紧管道外壁。

相比现有技术，本发明的一种螺旋行进式可变径管外机器人，其升降支撑机构包括依次传动连接的外齿轮a、螺杆和曲柄滑块机构，行走机构安装在曲柄滑块机构的中间节点处，外齿轮a与变径驱动机构的内齿圈相啮合，变径驱动机构提供动力驱动升降支撑机构，通过升降支撑机构将行走机构支撑在管道外壁，同时在行进驱动机构作用下，机器人做螺旋行进运动。该升降支撑机构不仅实现了适应不同直径管道的管外作业，管径适应能力强，可调范围大，结构简单；还提供了机器人与管道间足够的附着力，爬坡能力强，可实现水平、倾斜和垂直管道的行走。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为现有技术的结构示意图。

图2为本发明一个实施例的主视图。

图3为图2的俯视图。

图4为图3的局部剖视图，其中省略了行走机构。

图5为本发明实施例中弹性推杆与行走机构的轴测图。

图中：1、升降支撑机构；2、变径驱动机构；3、行进驱动机构；4、行走机构；5、连接弹簧；101、轴承座a；102、外齿轮a；103、轴承座b；104、螺杆；105、导向杆；106、滑块；107、销钉a；108、轴承座c；109、销钉b；110、下推杆；111、压力传感器；112、压缩弹簧；113、上推杆；114、销钉c；115、连杆；116、螺栓；201、电机a；202、联轴器a；203、内齿圈；204、驱动齿轮；205、轴承a；206、轴承座d；301、外齿圈；302、筒形机体；303、轴承b；304、外齿轮b；305、轴承座f；306、联轴器b；307、电机b；401、轮座；402、行走轮；403、销钉d。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明的保护范围。

图2至图5示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图2中的一种螺旋行进式可变径管外机器人为两组，前后两组通过连接弹簧5柔性连接，两组机器人为六点支撑，增强了运行的平稳性，且柔性连接弹簧5柔性连接，在通过弯管时，在管道约束下，连接弹簧5产生一定的压缩(或拉伸)量，实现了机器人灵活转向绕过弯管，且避免了转向过程中的卡顿问题。显然，机器人的组数不受本实施例限制，在实际应用的过程中，可以根据需要选择一组或通过连接弹簧5相连的更多组。

参见图3，每组机器人都包括升降支撑机构1、变径驱动机构2、行进驱动机构3和行走机构4，再结合图4，所述的行进驱动机构3包括外齿圈301、筒形机体302、外齿轮b304和电机b307，外齿圈301和筒形机体302同径设置，外齿圈301与筒形机体302之间安装有轴承b303，外齿圈301、筒形机体302及轴承b303构成一个可相对转动的齿轮组回转体，外齿轮b304为一根齿轮轴，由轴承座f305支承，通过联轴器b306与电机b307的电机轴固连，外齿轮b304与外齿圈301相啮合，电机b307固定在筒形机体302外壁上并驱动外齿轮b304；行进驱动机构3提供螺旋行进运动的动力，即行进驱动机构3带动机器人做螺旋行进运动。在筒形机体302内部布置一组变径驱动机构2和三组升降支撑机构1，三组升降支撑机构1绕筒形机体302中轴线呈120°等分布置以产生一定的径向涨缩量，每组升降支撑机构1上安装一组行走机构4，升降支撑机构1的组数不限于本实施例中的三组，大于等于三组均可，多组升降支撑机构1绕筒形机体302中轴线等分排布。所述的变径驱动机构2主要由电机a201、内齿圈203和驱动齿轮204组成，驱动齿轮204为一根齿轮轴，由一组轴承座d206支承，通过联轴器a202与电机a201固连，即电机a带动驱动齿轮204转动，驱动齿轮204与内齿圈203相啮合，外齿圈301与内齿圈203之间安装轴承a205，外齿圈301、内齿圈203和轴承a205构成一个可相对转动的齿轮组回转体。所述的升降支撑机构1包括依次连接的外齿轮a102、螺杆104和曲柄滑块机构，其中，螺杆104由一对轴承座a101和一个轴承座b103通过轴承支承，螺杆104可绕其轴线方向旋转；螺杆104的两个轴承座a101之间段为螺纹，螺杆104的另一轴端为阶梯轴，通过阶梯轴的轴肩和套筒对外齿轮a102轴向限定，通过阶梯轴侧壁上开设的键槽对外齿轮a102周向固定，外齿轮a102与螺杆104同步转动；曲柄滑块机构由滑块106、连杆115、弹性推杆和轴承座c108依次转动连接构成，滑块106位于两个轴承座a101之间且其中部与螺杆104螺纹配合，滑块106的两侧穿过两根导向杆105，导向杆105的两端与两个轴承座a101固定连接；通过螺杆104将旋转运动转化成直线运动，螺杆104作为主动体，滑块106由两根导向杆105限制其转动自由度，因而滑块106随螺杆104的转动角度按对应规格的导程转化成直线运动，曲柄滑块机构又由滑块106沿螺杆104轴线的移动实现驱动，即通过曲柄连杆机构运动实现行走机构4升降支撑于管道外壁。参见图5，弹性推杆为一个可主动适应的柔性杆组，弹性推杆实现翻越障碍物时的柔性弹性调节，并通过压力传感器111反馈行走机构4与管壁间的作用力，实现管外平稳行走，弹性推杆具体由销钉b109、下推杆110、压力传感器111、压缩弹簧112、上推杆113和螺栓116组成；压力传感器111与下推杆110之间通过销钉b109连接，中间装有压缩弹簧112，当机器人遇到障碍而受到突变的空间约束时，升降支撑机构1受到一定的机械冲击，而弹性推杆上的压缩弹簧112受力压缩，改变了机器人的径向尺寸，起到缓冲作用，进一步的，压力传感器111检测到的力也不会有突变，为控制系统的减轻了负担，同时压力传感器111反馈的信息有效的反映了前进过程中障碍物以及管道直径变化等情况，对优化变径控制起到了很好的效果；下推杆110具有的小直径长段分别穿过压力传感器111和压缩弹簧112，进入上推杆113内部盲孔，通过上推杆113的侧壁槽将螺栓116拧入下推杆110，下推杆110上的螺栓116起到预紧和导向的作用。外齿轮a102与变径驱动机构2的内齿圈203相啮合，变径驱动机构2提供动动力驱动升降支撑机构1实现机器人涨紧在管道外壁，具体是，内齿圈203由变径驱动机构2驱动，实现内齿圈203绕管道中轴线旋转，带动外齿轮a102定轴转动，进而外齿轮a102驱动螺杆104传动机构运动，带动曲柄滑块机构的滑块106联动，使行走机构4贴紧管道外壁。

如图5所示，所述的行走机构4由轮座401、行走轮402和销钉d403组成，轮座401与上推杆113通过销钉c114固定连接，轮座401在上推杆113绕销钉c114呈弧线运动时，可以始终保持轮座401与管道外壁不存在空间干涉，即适应不同直径管道时，行走轮402始终与管道中轴线呈锐角，轮缘与管道外壁接触，轮座401和行走轮402通过销钉d403转动连接，即行走轮402可涨紧在管道外壁螺旋行进。

本发明通过升降支撑机构1实现机器人涨紧在管道外壁后，升降支撑机构1和变径驱动机构2相对于外齿圈301相对静止，再通过行进驱动机构3提供螺旋行进运动的动力。升降支撑机构1可以实现机器人平稳的通过非等径管道与倾斜(或竖直)管道，增强了机器人的适应性与通用性。变径驱动机构2的方案适应不同直径的管道外壁作业，结构简单，适应性强，能够稳定地翻越障碍。本发明解决了管外机器人移动问题，且具有管径适应性强，结构简单等优点，可用于各种管道的管外质量检测维护、修复加工等作业。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种螺旋行进式可变径管外机器人，其特征是：包括升降支撑机构(1)、变径驱动机构(2)、行进驱动机构(3)和行走机构(4)，

所述的行进驱动机构(3)包括外齿圈(301)、筒形机体(302)、外齿轮b(304)和电机b(307)，外齿圈(301)和筒形机体(302)同径设置，外齿圈(301)与筒形机体(302)之间安装有轴承b(303)，外齿圈(301)、筒形机体(302)及轴承b(303)构成一个可相对转动的齿轮组回转体，外齿轮b(304)与外齿圈(301)相啮合，电机b(307)固定在筒形机体(302)外壁上并驱动外齿轮b(304)；行进驱动机构(3)带动机器人做螺旋行进运动；

在筒形机体(302)内部布置一组变径驱动机构(2)和至少三组升降支撑机构(1)，每组升降支撑机构(1)上安装一组行走机构(4)；

所述的变径驱动机构(2)主要由电机a(201)、内齿圈(203)和驱动齿轮(204)组成，驱动齿轮(204)与内齿圈(203)相啮合，外齿圈(301)与内齿圈(203)之间安装轴承a(205)，外齿圈(301)、内齿圈(203)和轴承a(205)构成一个可相对转动的齿轮组回转体；

所述的升降支撑机构(1)包括依次连接的外齿轮a(102)、螺杆(104)和曲柄滑块机构，行走机构(4)安装在曲柄滑块机构的中间节点处，外齿轮a(102)与变径驱动机构(2)的内齿圈(203)相啮合，外齿轮a(102)驱动螺杆(104)传动机构运动，带动曲柄滑块机构的滑块(106)联动，使行走机构(4)贴紧管道外壁。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋行进式可变径管外机器人，其特征是：所述的机器人为两组，前后两组通过连接弹簧(5)柔性连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种螺旋行进式可变径管外机器人，其特征是：构成所述的行进驱动机构(3)的外齿轮b(304)为一根齿轮轴，由轴承座f(305)支承，通过联轴器b(306)与电机b(307)的电机轴固连。

4.根据权利要求1或2所述的一种螺旋行进式可变径管外机器人，其特征是：组成所述变径驱动机构(2)的驱动齿轮(204)为一根齿轮轴，由一组轴承座d(206)支承，通过联轴器a(202)与电机a(201)固连。

5.根据权利要求4所述的一种螺旋行进式可变径管外机器人，其特征是：多组所述升降支撑机构(1)绕筒形机体(302)中轴线等分布置。

6.根据权利要求5所述的一种螺旋行进式可变径管外机器人，其特征是：构成升降支撑机构(1)的螺杆(104)由一对轴承座a(101)和一个轴承座b(103)通过轴承支承，螺杆(104)可绕其轴线方向旋转；螺杆(104)的两个轴承座a(101)之间段为螺纹，螺杆(104)的另一轴端为阶梯轴，通过阶梯轴的轴肩和套筒对外齿轮a(102)轴向限定，通过阶梯轴侧壁上开设的键槽对外齿轮a(102)周向固定，外齿轮a(102)与螺杆(104)同步转动。

7.根据权利要求6所述的一种螺旋行进式可变径管外机器人，其特征是：构成升降支撑机构(1)的曲柄滑块机构由滑块(106)、连杆(115)、弹性推杆和轴承座c(108)依次转动连接构成，滑块(106)位于两个轴承座a(101)之间且其中部与螺杆(104)螺纹配合，滑块(106)的两侧穿过两根导向杆(105)，导向杆(105)的两端与两个轴承座a(101)固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种螺旋行进式可变径管外机器人，其特征是：所述的弹性推杆由销钉b(109)、下推杆(110)、压力传感器(111)、压缩弹簧(112)、上推杆(113)和螺栓(116)组成；压力传感器(111)与下推杆(110)之间通过销钉b(109)连接，中间装有压缩弹簧(112)；下推杆(110)的小直径长段分别穿过压力传感器(111)和压缩弹簧(112)，进入上推杆(113)内部盲孔，通过上推杆(113)的侧壁槽将螺栓(116)拧入下推杆(110)。

9.根据权利要求8所述的一种螺旋行进式可变径管外机器人，其特征是：所述的行走机构(4)由轮座(401)、行走轮(402)和销钉d(403)组成，轮座(401)与上推杆(113)固定连接，轮座(401)和行走轮(402)通过销钉d(403)转动连接，行走轮(402)与管道中轴线始终呈锐角。