CN109985867B - 一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明属于特种机器人技术领域，具体涉及一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂。本发明中，驱动舵机位于第一级套管的底端，驱动舵机上设有卷筒，第一级套管内部嵌套有二级套管，第一级套管为方形，二级套管设计为圆形，并在其外表面周向加工出4个平面，用于和方形的一级套管的内壁贴合，起到导向作用，并防止第一级套管和二级套管之间的相对转动。本发明有助于核电、石油、化工、天然气等领域中较大管道内径和内径大小变化的管道内壁的自动化清洗作业。

Description

一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂
技术领域
本发明属于特种机器人技术领域，具体涉及一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂。
背景技术
物料运输的管道需要定期进行清洗，以保持内壁的光洁，提高物料运输的效率和物料本身的清洁度。传统的管道机器人大多针对检修应用，采用轮式、履带式或蠕动式。对于小内径的管道，可以采用轮式、履带式或蠕动式的机器人配合多关节机械臂进行工作。然而，在核电领域，往往存在超大直径的管道，例如冷却水三级回路的管道，达到3m左右，常规的多关节式机械臂难以平衡大行程要求和自身结构简洁性之间的矛盾。本专利主要研究一种具有大行程的，驱动方式相对轻便的多级伸缩式机械臂，配合机械臂末端的毛刷进行大型管道的清洗作业。
如图1所示，文献1“非等径、变截面管道清洗机器人控制系统研究”(期刊，《电力传动》，2006，金松，毛立民等)提出了一种针对中央空调通风管道的管道清洗机器人，该机器人可以自主检测管径，进行越障，自适应管径，全方位转向，适用于各种矩形或圆形通风管道的检测，清洗，消毒等。对于清洗作业，设计了专用的摆臂装置，可以调节机器人毛刷的高度。摆臂的末端设计有快速更换的接头，兼具圆形毛刷和矩形毛刷的快速更换。该机构对于管道截面构型完全依靠毛刷自身的形状，因此，难以适应较大内径的管道。同时，毛刷在管道内的高度依靠摆臂来保证，因此，其最大高度受限于摆臂的长度。
如图2所示，文献2“圆型管道清洗机器人”(专利，专利号201320301130.X)提出了一种圆型管道清洗机器人。包括筒体、第一夹头组件和第二夹头组件。清扫头采用一个圆形毛刷，可以随第二夹头组件转动。该专利可以实现对圆形管道内部的清扫，但其不足之处在于：不能对管道内径的变化作出适应，同时，机器人在管道内的运动及姿态调整缺乏相应的解决方案，毛刷也无法再管道内径变化或管道转弯部位，保证良好的清洗效果。该专利同样由于毛刷的结构限制，难以达到大型管道的内壁，不能适应较大的管道内径清洗作业。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提供一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂，有助于核电、石油、化工、天然气等领域中较大管道内径和内径大小变化的管道内壁的自动化清洗作业。
本发明采用的技术方案：
一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂，驱动舵机位于第一级套管的底端，驱动舵机上设有卷筒，第一级套管内部嵌套有二级套管，第一级套管为方形，二级套管设计为圆形，并在其外表面周向加工出4个平面，用于和方形的一级套管的内壁贴合，起到导向作用，并防止第一级套管和二级套管之间的相对转动。
所述二级套管的上端部连接三通形状管道，管道其左右两个端口设有转动铰链，转动铰链上连接有毛刷，下侧端口上嵌套有滑环；管道下侧端口和二级套管的上端面固连，并依靠两者的直径不同，对滑环的移动形成机械限位。
所述二级套管的底部设有半圆形的钢丝绳导管，依次连接两段钢丝绳。
所述一级套管的上端同样设计有钢丝绳导管，依次连接两段钢丝绳，钢丝绳与卷筒连接。
所述舵机带动卷筒转动，使连接卷筒的钢丝绳收缩。
所述滑环分别在左右两侧连接连杆；连杆分别和毛刷的安装基座上伸出的两个接头通过铰链连接，从而使滑环得上下滑动可以控制毛刷的展开和折叠；滑环上同时固定钢丝绳的端头；滑环的上端面固连有弹簧，弹簧和滑环一起滑动，并维持两个连杆相互展开的力。
所述毛刷的转动驱动电机位于二级套管的上部，通过打开电机安装盖板放入；电机输出轴通过联轴器和转轴连接；转轴通过两个环形安装基座在三通形状管道内部固定；转轴通过一对锥齿轮将动力传递到两个万向铰上；两个万向铰的中心和铰链的轴线重合，从而保证铰链的转动不会对万向铰的传动造成干涉。
所述二级套管的中间位置放置一个保持件，并通过销钉和二级套管保持轴向固定；保持件和第一级套管的底部端盖之间设有弹簧；弹簧的综合拉力要设计大于弹簧的撑开力。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂，基于钢丝绳驱动的大行程伸缩式机械臂：机械臂的伸展和收回功能，分别依靠钢丝和弹簧装置实现。在初始条件下，机械臂在弹簧的拉力下处于最短状态；当需要针对不同的管道内径进行清洗作业时，钢丝绳在电机驱动下回收，带动机械臂伸出到合适的长度，并保持和管道内壁一定的预压力；
(2)本发明提供一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂，基于万向铰传动的毛刷作业模块：毛刷自身具有高速转动的功能，在清洗管道内壁污物的同时，依靠离心力的作用，使污物难以在毛刷内聚集；同时，毛刷还具有展开和折叠功能，在非工作状态下，可以折叠回收，从而保证系统整体结构的紧凑性；
(3)本发明提供一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂，单驱动条件下机械臂展开及毛刷展开的顺序设计：管道清洗机器人专用作业机械臂在开始工作时，首先需要将毛刷展开，然后才能将毛刷输送到管道内壁贴合处。本专利中为了结构的简单可靠，通过设计两个不同刚度的弹簧，在单电机及钢丝绳驱动条件下，依次展开毛刷作业模块中的万向铰，和伸缩式机械臂的内外套筒；
(4)本发明提供一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂，系统安全保护设计：由于本系统存在多个自由度的顺序控制，为了保证动作顺序的正确性和安全性，对于机械臂内外套筒的伸缩，以及毛刷作业模块中万向铰的转向，均设计了限位保护结构。
附图说明
图1为文献1提出的管道清洗机器人；
图2为文献2提出的管道清洗机器人；
图3为本发明提供一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂结构示意图；
图4为机械臂一级连杆半剖视图；
图5为机械臂一级、二级连杆半剖视图及其内部弹簧结构；
图6为毛刷作业模块的展开/收回方案；
图7为机械臂的整体钢丝绳驱动方案；
图中：驱动舵机1、端盖2、第一级套管3、二级套管4、连杆5和9、毛刷6和8、弹簧7、钢丝绳导管10、钢丝绳11、17、18、钢丝绳保持孔12、卷筒13、弹簧连接杆14、15、钢丝绳导管16、安装盖板19、转动铰链20、21、管道22、毛刷安装座23、24、滑环25、销钉26、弹簧底部端盖27、28、弹簧29、30、安装基座31和32、转轴33、电机34、保持件35、联轴器36、万向铰37、38。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂，驱动舵机1位于第一级套管3的底端，驱动舵机1上设有卷筒13，第一级套管3内部嵌套有二级套管4，第一级套管3为方形，二级套管4设计为圆形，并在其外表面周向加工出4个平面，用于和方形的一级套管3的内壁贴合，起到导向作用，并防止第一级套管3和二级套管4之间的相对转动。
如图5所示，二级套管4的底部设有半圆形的钢丝绳导管16，依次连接两段钢丝绳17、18。一级套管3的上端同样设计有钢丝绳导管10，依次连接两段钢丝绳11、18，钢丝绳11与卷筒13连接。舵机1带动卷筒13转动，使连接卷筒13的钢丝绳17、18、11收缩。
如图2所示，二级套管4的上端部连接三通形状管道22，管道22其左右两个端口设有转动铰链20、21，转动铰链20、21上连接有毛刷6、8，下侧端口上嵌套有滑环25；管道22下侧端口和二级套管4的上端面固连，并依靠两者的直径不同，对滑环25的移动形成机械限位。
如图1所示，滑环25分别在左右两侧连接连杆5、9。连杆5、9分别和毛刷6、8的安装基座上伸出的两个接头通过铰链连接，从而使滑环25得上下滑动可以控制毛刷6、8的展开和折叠。如图5所示，滑环25上同时固定钢丝绳17的端头。
如图2和图3所示，毛刷6、8的转动驱动电机34位于二级套管4的上部，通过打开电机安装盖板19放入。如图4所示，电机34输出轴通过联轴器36和转轴33连接。如图3所示，转轴33通过两个环形安装基座31、32在三通形状管道22内部固定。转轴33通过一对锥齿轮将动力传递到两个万向铰上。两个万向铰的中心和铰链20、21的轴线重合，从而保证铰链20、21的转动不会对万向铰的传动造成干涉。
如图1所示，滑环25的上端面固连有弹簧7，弹簧7和滑环25一起滑动，并维持两个连杆5、9相互展开的力。
如图4所示，二级套管4的中间位置放置一个保持件35，并通过销钉26和二级套管4保持轴向固定；保持件35和第一级套管3的底部端盖2之间设有弹簧29、30；弹簧29、30的综合拉力要设计大于弹簧7的撑开力。

Claims (2)

1.一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂，其特征在于：驱动舵机(1)位于第一级套管(3)的底端，驱动舵机(1)上设有卷筒(13)，第一级套管(3)内部嵌套有二级套管(4)，第一级套管(3)为方形，二级套管(4)设计为圆形，并在其外表面周向加工出4个平面，用于和方形的第一级套管(3)的内壁贴合，起到导向作用，并防止第一级套管(3)和二级套管(4)之间的相对转动；
所述二级套管(4)的上端部连接三通形状管道(22)，管道(22)其左右两个端口设有转动铰链(20、21)，转动铰链(20、21)上连接有毛刷(6、8)，下侧端口上嵌套有滑环(25)；管道(22)下侧端口和二级套管(4)的上端面固连，并依靠两者的直径不同，对滑环(25)的移动形成机械限位；
所述二级套管(4)的底部设有半圆形的钢丝绳导管(16)，依次连接两段钢丝绳(17、18)；
所述第一级套管(3)的上端同样设计有钢丝绳导管(10)，依次连接两段钢丝绳(11、18)，钢丝绳(11)与卷筒(13)连接；
所述舵机(1)带动卷筒(13)转动，使连接卷筒(13)的钢丝绳(17、18、11)收缩；
所述滑环(25)分别在左右两侧连接连杆(5、9)；连杆(5、9)分别和毛刷(6、8)的安装基座上伸出的两个接头通过铰链连接，从而使滑环(25)得上下滑动可以控制毛刷(6、8)的展开和折叠；滑环(25)上同时固定钢丝绳(17)的端头；滑环(25)的上端面固连有弹簧(7)，弹簧(7)和滑环(25)一起滑动，并维持两个连杆(5、9)相互展开的力；
所述毛刷(6、8)的转动驱动电机(34)位于二级套管(4)的上部，通过打开电机安装盖板(19)放入；电机(34)输出轴通过联轴器(36)和转轴(33)连接；转轴(33)通过两个环形安装基座(31、32)在三通形状管道(22)内部固定；转轴(33)通过一对锥齿轮将动力传递到两个万向铰上；两个万向铰的中心和铰链(20、21)的轴线重合，从而保证铰链(20、21)的转动不会对万向铰的传动造成干涉。
2.根据权利要求1所述的一种大行程管道清洗机器人专用作业机械臂，其特征在于：所述二级套管(4)的中间位置放置一个保持件(35)，并通过销钉(26)和二级套管(4)保持轴向固定；保持件(35)和第一级套管(3)的底部端盖(2)之间设有弹簧(29、30)；弹簧(29、30)的综合拉力要设计大于弹簧(7)的撑开力。
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