CN110030461A - 一种管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明是一种管道机器人，属于机器人技术领域。本发明包括设置在机器人壳体内的惯性激振机构；所述惯性激振机构包括旋转动力源、非圆齿轮传动机构和至少2个相同的偏心机构，所有偏心机构圆周均布在一平面；所述偏心机构包括绕转轴转动的偏心质量块；旋转动力源通过非圆齿轮传动机构驱动偏心质量绕转轴转动；每个偏心质量块的转速大小一致，所有偏心质量块产生的偏心力的合力在平面上的分力为0；本发明是通过内部惯性力和环境摩擦力共同作用实现移动，采用这样的驱动方式可以从根本上避免传统驱动方式的驱动装置与执行装置之间必须要密封的缺陷，适合狭小、腐蚀、易燃、高温等极端恶劣的管道作业环境，且在小型化方面具有很大的潜力。

Description

一种管道机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种惯性驱动的管道机器人。

背景技术

随着国际社会工业化水平的快速发展，管道作为流体的主要输送设施，由于其经济性和便捷性而广泛应用于市政、化工、石油及核电等行业，但是随着使用时间的不断延长，使得管道容易发生腐蚀、疲劳破坏、破损等。如果不及时对管道进行检修就有可能造成经济损失，环境也有可能造成破坏，然而管道所处的环境往往是人不容易到达或者不可以直接对其进行检修的，所以就需要一种新的管道管理方式，智慧管理是管网系统的必然趋势和发展方向。

作为智慧管网中重要的组成部分,管道机器人能够在遥控操纵或计算机控制下,完成一系列的管道检测维修作业,作为管网卫士的管道机器人是实现管网智慧管理必不可少的智能设备。管道机器人可以携带不同的传感器和检测工具，到达管道指定位置进行检测，极大的解放了人类的劳动力，降低了维护管道的费用，延长管道使用寿命同时降低安全事故风险。由管道机器人代替人工检测的技术极大的提升了检测的精度、准确度，对改善劳动条件、降低作业成本、提高工作效率有着十分重要的意义。

对于惯性驱动管道机器人目前多数形式为压电式。例如：基于压电惯性冲击驱动的支撑机构可调式微管道机器人研究[D].华东理工大学,2016.(作者李钊)以以下管径的管道机器人为研究对象，基于惯性冲击驱动原理的压电驱动作为微小管道机器人的驱动方式，设计压电惯性冲击驱动式管道机器人的主动调节式支撑机构。通过实验得出：当输入电压为80V，周期T＝0.001s，电压波形对称性为0.8时，所设计的管道机器人能在管径为的管道内以6.59mm/s的最大速度移动。但是压电式惯性驱动系统移动速度缓慢，运行效率低，负载能力低。

公开号为CN108799693A的发明型专利，公开了一种管道机器人。包括两个驱动模组、两个气囊、气泵组件和至少两根软轴。改变气囊的状态，可改变管道机器人的状态及运动模式，可以使管道机器人能够更好地适应管道内复杂的环境。该发明为气囊蠕动式管道机器人，气囊式机器人气流由外界提供通过管道输送，由于管道的限制，大大降低了管道机器人的工作距离。另外如公开号为CN108758166A的发明型专利，公开了一种单驱动蠕动式管道机器人。包括前支撑机构和后支承机构以及推进机构，其中后支承机构包括多个后伸缩足、后固定支架以及后滑槽旋转盘。前支撑机构与后支承机构依次接触管道内壁，推进机构的作用是推动前支撑机构相对于后支撑机构运动。该单驱动蠕动式管道机器人仅通过一个电机实现前支撑机构和后支撑机构的交替伸缩和相对运动，结构简单，可靠性高，自适应转向能力良好，但推进机构裸露外管道环境中，不可以在高压、易燃、腐蚀性等恶劣环境下运行。

公开号为CN108916533A的发明型专利，公开了一种非对称变径轮式防水管道机器人。包括防水行走机构、变径机构、摄像检测装置和防卡死装置。该发明属于轮式管道机器人，四轮的行走机构组成单个防水行走机构，运行效率高，负载能力大，虽然该发明设置了防水行走机构，但是驱动系统与管道环境之间为动密封，在高压、易燃、腐蚀性等恶劣环境下存在极大的动力隐患。

公开号为CN108758167A的发明型专利，公开了一种管道机器人。包括机器人控制主体、动力伸缩机构以及第一支撑机构和第二支撑机构。该发明属于支承式管道机器人，可以在复杂的地下管道中作业，运行灵活性高，但动力伸缩机构为动密封，面对高压、易燃、腐蚀性等恶劣环境时动力系统存在极大隐患。

公开号为CN108843892A的发明型专利，公开了一种多方向管道检测及自适应管径的螺旋驱动管道机器人。包括前车体和后车体。该发明属于螺旋驱动式管道机器人，通过螺旋驱动头的转动，主动轮在管道内表面沿着螺旋轨迹线行走，使得机器人产生轴向运动，同样的螺旋驱动头与后车体之间为动密封，面对高压、易燃、腐蚀性等恶劣环境时动力系统存在极大隐患。

目前多数管道机器人由于结构的原因不可以在高压、易燃易爆、腐蚀性等恶劣环境下工作。

发明内容

为了实现管道机器人在恶劣环境中高效运动，本发明提出一种管道机器人。该系统通过内部惯性力和环境摩擦力共同作用实现移动，采用这样的方式驱动可以从根本上避免传统驱动方式的驱动装置与执行装置之间必须要密封的缺陷，简化管道机器人结构降低了机器人的制造成本。惯性驱动机器人具有动力系统完全封闭、移动原理简单、结构可靠性高等特点，适合狭小、腐蚀、易燃、高温等极端恶劣的管道作业环境且在小型化方面具有很大的潜力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种管道机器人，位于管道内，其包括机器人壳体，所述机器人壳体与管道内壁弹性接触；其特征在于：还包括设置在机器人壳体内的惯性激振机构；所述惯性激振机构包括旋转动力源、非圆齿轮传动机构和至少2个相同的偏心机构，所有偏心机构圆周均布在一平面；所述偏心机构包括绕转轴转动的偏心质量块；旋转动力源通过非圆齿轮传动机构驱动偏心质量块绕转轴转动；每个偏心质量块的转速大小一致，所有偏心质量块产生的偏心力的合力在平面上的分力为0；所述非圆齿轮传动机构中包括被旋转动力源直接或间接驱动的主动非圆齿轮，以及与直接与偏心质量块同轴安装并驱动偏心质量块转动的从动非圆齿轮；此平面与与机器人移动方向成a角，0°<a<90°。

进一步技术方案在于，所述偏心机构为2个，2个所述偏心机构之间同步圆柱齿轮传动，所述旋转动力源驱动一个偏心机构转动。

进一步技术方案在于，所述非圆齿轮传动机构包括一对或多对非圆齿轮，相接触的两个非圆齿轮之间轮齿相互啮合。

进一步技术方案在于，所述非圆齿轮传动机构中包括被旋转动力源直接或间接驱动的主动非圆齿轮，以及与偏心质量块同轴转动的从动非圆齿轮；主动非圆齿轮与从动非圆齿轮轮齿相啮合；从动非圆齿轮节曲线的阶数为1，从动非圆齿轮的长轴与偏心质量块回转中心和其质心的连线平行或垂直。

进一步技术方案在于，所述非圆齿轮传动机构中包括被旋转动力源直接或间接驱动的主动非圆齿轮，以及与偏心质量块同轴转动的从动非圆齿轮；所述非圆齿轮传动机构中从动非圆齿轮节曲线的阶数>1。

进一步技术方案在于，所述非圆齿轮传动机构中从动非圆齿轮节曲线的阶数为偶数。

进一步技术方案在于，所述机器人壳体与管道内壁仅依靠弹性支撑足接触，所述弹性支承足包括弹簧和滑靴；所述滑靴上有固定的套筒，所述机器人壳体表面有导向杆，滑靴的套筒与导向杆间隙配合，弹簧置于滑靴和机器人壳体之间。

进一步技术方案在于，所述机器人壳体与管道内壁仅依靠纤维接触。

进一步技术方案在于，所述机器人壳体与管道内壁仅依靠弹性支撑足接触，所述弹性支承足包括弹簧、轮子、单向轴承和回转轴；轮子通过单向轴承安装在回转轴上，回转轴上有一个固定的套筒，机器人壳体表面有导向杆，套筒与导向杆间隙配合，弹簧置于轮子和机器人壳体之间。

进一步技术方案在于，纤维的方向可与机器人前进方向垂直，也可以与前进方向成一定夹角。

进一步技术方案在于，主动圆齿轮与从动圆齿轮的模数和齿数相同，两相同形状偏心质量块分别固定在主、从动圆齿轮的回转轴上，偏心质量块产生异向惯性力。

进一步技术方案在于，弹性支承足固定在机器人壳体上，由于弹性支承足的弹性作用，所有的弹性支承足与管道内壁之间始终存在预紧力，为运动的机器人提供了摩擦力。机器人同时受到地面的摩擦力和偏心质量块的异向惯性力，当惯性力大于摩擦力时机器人发生移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

机器人的弹性支承足可以使得机器人在管道直径发生变化时顺利通过管道，且采用这样的驱动方式可以将驱动构件置于密闭的空间内，不需要伸出构件作为驱动足，避免传统驱动方式的驱动构件与驱动足之间必须要密封的缺陷。与传统的驱动方式相比，采用非对称惯性驱动的机器人不但具有在普通管道环境下行走的能力，也具有在高压、腐蚀、有毒液体或气体等恶劣环境中高效率运行的能力。

附图说明

图1是滑靴式惯性驱动管道机器人机构简图。

图2是纤维式惯性驱动管道机器人机构简图。

图3是轮式惯性驱动管道机器人机构简图。

附图标号1-主动非圆齿轮；2-机器人壳体；3-从动圆齿轮；4-转动轴一；5-偏心质量块二；6-从动非圆齿轮；7-偏心质量块一；8-转动轴二；9-主动圆齿轮；10-弹簧；11-滑靴；12-纤维；13-回转轴；14-单向轴承；15-轮子；16-转动轴三。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

本发明阐述了一种管道机器人，位于管道内，其包括机器人壳体2，所述机器人壳体2与管道内壁弹性接触；其特征在于：还包括设置在机器人壳体2内的惯性激振机构；所述惯性激振机构包括旋转动力源、非圆齿轮传动机构和至少2个相同的偏心机构，所有偏心机构圆周均布在一平面；所述偏心机构包括绕转轴转动的偏心质量块；旋转动力源通过非圆齿轮传动机构驱动偏心质量绕转轴转动；每个偏心质量块的转速大小一致，所有偏心质量块产生的偏心力的合力在平面上的分力为0；所述非圆齿轮传动机构中包括被旋转动力源直接或间接驱动的主动非圆齿轮1，以及与直接与偏心质量块同轴安装并驱动偏心质量块转动的从动非圆齿轮6；此平面与与机器人移动方向成a角，0°<a<90°。

本发明实施例中，所述偏心机构为2个，2个所述偏心机构之间同步圆柱齿轮传动，所述旋转动力源驱动一个偏心机构转动。

本发明实施例中，所述非圆齿轮传动机构包括一对或多对非圆齿轮，相接触的两个非圆齿轮之间轮齿相互啮合。

本发明实施例中，所述非圆齿轮传动机构中包括被旋转动力源直接或间接驱动的主动非圆齿轮1，以及与偏心质量块同轴转动的从动非圆齿轮6；主动非圆齿轮1与从动非圆齿轮6轮齿相啮合；从动非圆齿轮6节曲线的阶数为1，从动非圆齿轮6的长轴与偏心质量块回转中心和其质心的连线平行或垂直。

本发明实施例中，所述非圆齿轮传动机构中包括被旋转动力源直接或间接驱动的主动非圆齿轮1，以及与偏心质量块同轴转动的从动非圆齿轮6；所述非圆齿轮传动机构中从动非圆齿轮6节曲线的阶数>1。

本发明实施例中，所述非圆齿轮传动机构中从动非圆齿轮6节曲线的阶数为偶数。

本发明实施例中，所述机器人壳体2与管道内壁仅依靠弹性支撑足接触，所述弹性支承足包括弹簧10和滑靴11；所述滑靴11上有固定的套筒，所述机器人壳体2表面有导向杆，滑靴11的套筒与导向杆间隙配合，弹簧10置于滑靴11和机器人壳体2之间。

本发明实施例中，所述机器人壳体2与管道内壁仅依纤维接触。

本发明实施例中，所述机器人壳体2与管道内壁仅依靠弹性支撑足接触，所述弹性支承足包括弹簧10、轮子15、单向轴承14和回转轴13；轮子15通过单向轴承14安装在回转轴13上，回转轴13上有一个固定的套筒，机器人壳体2表面有导向杆，套筒与导向杆间隙配合，弹簧10置于轮子15和机器人壳体2之间。

本发明实施例中，旋转动力源可以用电动机，液压马达，气动马达，柴油机等。

本发明实施例中，如图1所示，惯性驱动管道机器人主要包括机器人壳体2，惯性激振机构和弹性支承足。

具体而言，惯性激振机构由电机、一对或多对非圆齿轮、一对圆形齿轮和两个偏心质量块组成；电机与机器人壳体2固定连接；电机输出轴与主动非圆齿轮1连接，主动非圆齿轮1通过锁紧螺母与转动轴三16连接；；从动非圆齿轮6通过花键或者过盈配合与转动轴二8连接；主动非圆齿轮1和从动非圆齿轮6的中心连线与惯性驱动管道机器人运动方向平行；主动圆齿轮9通过花键或者过盈配合与转动轴二8连接；从动圆齿轮3通过花键或者过盈配合与转动轴一4连接；主动圆齿轮9和从动圆齿轮3的回转转动轴连线与惯性驱动管道机器人前进方向垂直；主动圆齿轮9和从动圆齿轮3关于其回转中心连线的垂直平分线对称布置；偏心质量块一7通过锁紧螺母与转动轴二8连接；偏心质量块二5通过锁紧螺母与转动轴一4连接；偏心质量块一7与偏心质量块二5的回转转动轴连线与惯性驱动管道机器人前进方向垂直；偏心质量块一7与偏心质量块二5关于其回转中心连线的垂直平分线对称布置；转动轴一4与转动轴二8的轴线与惯性驱动管道机器人前进方向垂直；转动轴一4与转动轴二8关于其回转中心连线的垂直平分线对称布置；转动轴一4与转动轴二8的轴向和径向与机器人壳体2间隙配合连接，转动轴一4与转动轴二8可以相对于机器人壳体2轻松转动。

在此实施例中，偏心质量块二5与偏心质量块一7在旋转时产生惯性力，可以将该惯性力分解为惯性驱动管道机器人运动方向和垂直于惯性驱动管道机器人运动方向。惯性驱动管道机器人运动过程中仅需要惯性激振机构为惯性驱动机器人提供运动方向的惯性力即一维惯性力，为了提高惯性驱动管道机器人运行效率，需要抵消垂直于惯性驱动管道机器人运动方向的惯性力。则需要偏心质量块二5与偏心质量块一7速度大小相等，方向始终与惯性驱动管道机器人运动方向对称，以实现偏心质量块二5与偏心质量块一7垂直于惯性驱动管道机器人方向的惯性力相互抵消。

主动非圆齿轮1和从动非圆齿轮6的节曲线相同即主动非圆齿轮1和从动非圆齿轮6得形状相同，主动非圆齿轮1输入匀速转动从动非圆齿轮6输出变速转动，且由于主动非圆齿轮1和从动非圆齿轮6的外形相同，从动非圆齿轮6相对于主动非圆齿轮1的传递比呈周期变化，提高惯性驱动管道机器人驱动效率，且有利于后续进行主动控制。

偏心质量块一7与偏心质量块二5形状相同，使得偏心质量块一7与偏心质量块二5在运行的过程种产生的惯性力大小相等。

从动非圆齿轮6相对于主动非圆齿轮1的传递比的周期与非圆齿轮阶数有关。当非圆齿轮阶数为偶数时，惯性激振机构的惯性力为同性。当非圆齿轮阶数为奇数时，惯性激振机构的惯性力为异性，当非圆齿轮阶数大于1时，惯性激振机构的惯性力在正、负两个方向上的幅值接近。虽然此时系统仍然能朝着一个方向移动，但在偏心质量块二5与偏心质量块一7旋转的一个周期内，系统会多次出现前进和后退的交替，降低了惯性驱动管道机器人驱动效率。

主动非圆齿轮1和从动非圆齿轮6的阶数取1。避免了系统多次出现前进和后退的交替现象，提高了惯性驱动管道机器人驱动效率。

主动圆齿轮9和从动圆齿轮3的模数和齿数相同。相同的齿数和模数能够确保主动圆齿轮9与从动圆齿轮3的传动比为1，使得固连于同轴的偏心质量块二5与偏心质量块一7的速度大小始终相等，产生的惯性力大小始终相等，且由于主动圆齿轮9与从动圆齿轮3的旋转速度相反，使得偏心质量块二5与偏心质量块一7的速度相反，偏心质量块二5与偏心质量块一7产生的惯性力方向相对于运动方向始终对称。

如图1-3所示，机器人壳体2为全封闭箱体，材料用耐腐蚀、高强度材料制作而成；如图1所示为滑靴式惯性驱动管道机器人，机器人壳体2外表面有导向杆。如图2，纤维式弹性支承足由纤维12组成。如图3所示为轮式惯性驱动管道机器人，机器人壳体2外表面有导向杆。

在运行的过程中惯性激振机构的惯性力沿着运动方向呈正、负周期变化，同时沿着运动方向惯性驱动管道机器人还受到弹性支承足与管道内壁之间的摩擦力的作用。弹性支承足与管道内壁之间的摩擦力取决于弹性支承足与管道内壁之间的滑动系数以及弹性支承足的预紧力。当弹性支承足与管道内壁之间的摩擦力较小时，由于惯性激振机构的惯性力作用，惯性驱动管道机器人出现静止、后退和前进三种状态，降低了惯性驱动管道机器人的有效行程。当弹性支承足与管道内壁之间的摩擦力较大时，由于惯性驱动管道机器人受到较大的阻尼，惯性驱动管道机器人保持静止，惯性驱动管道机器人失效。

具体而言，由于管道内壁与惯性驱动管道机器人弹性支承足之间的摩擦系数不易改变，选择合适的预紧力，提高惯性驱动管道机器人驱动效率。

滑动摩擦力小于前进惯性力同时大于后退的惯性力，作为本实施例的预紧力参数，使得惯性驱动管道机器人处于静止和前进两种状态交替下移动，消除了惯性驱动管道机器人后退现象，提高驱动效率。

弹性支承足固定在机器人壳体2上，所有的弹性支承足与管道内壁之间始终存在预紧力，所有的弹性支承足都被压在管道壁上，为运动的机器人提供了摩擦力。机器人同时受到地面的摩擦力和偏心质量块一7与偏心质量块二5的异向惯性力，当惯性力大于摩擦力时机器人发生移动。

滑靴式惯性驱动管道机器人在经过变径管道时，安装在机器人壳体2周边的弹性支承足可以自由伸缩，当管径由小变大时，弹性支承足可以伸张，并压紧在管道内壁，当管径由大变小时，弹性支承足的弹簧可以收缩，依然压紧在管道内壁。

管道机器人能通过网络将所拍摄的图像信息传输给外部上位机，供图像处理识别使用；为了避免信号间相互干扰，上位机对机器人的控制信号通过蓝牙传输给机器人，机器人接收到指令后进行相应动作。

Claims (9)

1.一种管道机器人，位于管道内，其包括机器人壳体，所述机器人壳体与管道内壁弹性接触；其特征在于：还包括设置在机器人壳体内的惯性激振机构；所述惯性激振机构包括旋转动力源、非圆齿轮传动机构和至少2个相同的偏心机构，所有偏心机构圆周均布在一平面；所述偏心机构包括绕转轴转动的偏心质量块；旋转动力源通过非圆齿轮传动机构驱动偏心质量块绕转轴转动；每个偏心质量块的转速大小一致，所有偏心质量块产生的偏心力的合力在平面上的分力为0；所述非圆齿轮传动机构中包括被旋转动力源直接或间接驱动的主动非圆齿轮，以及与直接与偏心质量块同轴安装并驱动偏心质量块转动的从动非圆齿轮；此平面与与机器人移动方向成a角，0°<a<90°。

2.根据权利要求1所述一种管道机器人，其特征在于：所述偏心机构为2个，2个所述偏心机构之间同步圆柱齿轮传动，所述旋转动力源驱动一个偏心机构转动。

3.根据权利要求1所述一种管道机器人，其特征在于：所述非圆齿轮传动机构包括一对或多对非圆齿轮，相接触的两个非圆齿轮之间轮齿相互啮合。

4.根据权利要求1或3所述一种管道机器人，其特征在于：所述非圆齿轮传动机构中包括被旋转动力源直接或间接驱动的主动非圆齿轮，以及与偏心质量块同轴转动的从动非圆齿轮；主动非圆齿轮与从动非圆齿轮轮齿相啮合；从动非圆齿轮节曲线的阶数为1，从动非圆齿轮的长轴与偏心质量块回转中心和其质心的连线平行或垂直。

5.根据权利要求1或3所述一种管道机器人，其特征在于：所述非圆齿轮传动机构中包括被旋转动力源直接或间接驱动的主动非圆齿轮，以及与偏心质量块同轴转动的从动非圆齿轮；所述非圆齿轮传动机构中从动非圆齿轮节曲线的阶数>1。

6.根据权利要求5所述一种管道机器人，其特征在于：所述非圆齿轮传动机构中从动非圆齿轮节曲线的阶数为偶数。

7.根据权利要求1所述一种管道机器人，其特征在于：所述机器人壳体与管道内壁仅依靠弹性支撑足接触，所述弹性支承足包括弹簧和滑靴；所述滑靴上有固定的套筒，所述机器人壳体表面有导向杆，滑靴的套筒与导向杆间隙配合，弹簧置于滑靴和机器人壳体之间。

8.根据权利要求1所述一种管道机器人，其特征在于：所述机器人壳体与管道内壁仅依靠纤维接触。

9.根据权利要求1所述一种管道机器人，其特征在于：所述机器人壳体与管道内壁仅依靠弹性支撑足接触，所述弹性支承足包括弹簧、轮子、单向轴承和回转轴；轮子通过单向轴承安装在回转轴上，回转轴上有一个固定的套筒，机器人壳体表面有导向杆，套筒与导向杆间隙配合，弹簧置于轮子和机器人壳体之间。