CN110043752B - 一种柔性管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种柔性管道机器人，包括转弯机构，所述转弯机构的两端对称设有行走机构，所述行走机构包括旋转轴、行走轮组、伸缩变径机构，所述旋转轴的一端与所述转弯机构连接，所述行走轮组设于所述旋转轴的另一端，所述伸缩变径机构套接在所述旋转轴上对所述行走轮组进行伸缩变径。本发明设计了该款可伸缩的柔性管道机器人，在保证机器人体积小巧的情况下，可以很好的通过水平、倾斜还是垂直的Y型管、四通管等管道，该机器可在管道中实现灵活的变向，具有很强的普适性。

Description

一种柔性管道机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种柔性管道机器人。

背景技术

管道运输作为一种高效的运输方式，因其运输量大、运输平稳、投资少、占地少等优点被运用于运输石油、煤气和化学产品等。在自然的环境中，管道会随着时间的增长而发生不同程度的腐蚀。为了提高管道的使用寿命和防止管道泄露，管道的定时监测和维修是必不可少的。管道机器人的出现便为管道的监测和维护提供了一种有效的途径。

市面上的管道机器人虽然种类不少，但仍存在管道类型单一，不可经过垂直的四通管等问题。例如中国专利号CN205938338U，该装置属于一种螺旋式管道内壁机器人，存在单一运动方向变向、行进方式单一等问题。

发明内容

本发明主要是为了解决管道机器人可通过管道类型单一、普适性不强、转向不灵活等问题。故本发明设计了该款可伸缩的柔性管道机器人，在保证机器人体积小巧的情况下，可以很好的通过水平、倾斜还是垂直的Y型管、四通管等管道，该机器可在管道中实现灵活的变向，具有很强的普适性。

本发明的技术方案是：

一种柔性管道机器人，包括转弯机构，所述转弯机构的两端对称设有行走机构，所述行走机构包括旋转轴、行走轮组、伸缩变径机构，所述旋转轴的一端与所述转弯机构连接，所述行走轮组设于所述旋转轴的另一端，所述伸缩变径机构套接在所述旋转轴上对所述行走轮组进行伸缩变径。

通过伸缩变径机构可调整行走轮组的张开程度可适应不同管径的管道，同时行走轮组可使该机器在管道中实现自由的变向前进或后退，克服了通过管道类型单一、不可自由变向等问题；通过转弯机构使机器人两端的行走机构折叠一定角度，无论在倾斜还是垂直的Y型管、四通管等管道都能进行转向，满足了管道机器人在管道内灵活运动的要求。

进一步，所述转弯机构包括第一轴套和第二轴套，所述第一轴套与所述第二轴套铰接，所述第一轴套和所述第二轴套相互远离的一端均与所述旋转轴连接。

进一步，所述第二轴套上固定有转弯电机，所述转弯电机的输出轴与所述第一轴套和所述第二轴套进行铰接的转轴连接。

第一轴套的底部两侧固定有转轴与第二轴套的安装座进行铰接，转弯电机的输出轴与第一轴套的转轴连接，在需要进行转弯时，驱动转弯电机转动，因为转弯电机固定在第二轴套上，所以转弯电机带动第一轴套相对第二轴套进行转动一定角度，使整个机器人进行一定角度的折叠，再驱动行走轮组前进，以便机器人顺利进行转弯，在转弯过程中，逐渐使其转弯电机反转，使机器人逐步恢复之前的不折叠状态，直到转弯完毕后，恢复到之前的不折叠状态继续前进。

进一步，所述旋转轴设有螺纹端，所述第一轴套和所述第二轴套均设有螺纹孔，所述旋转轴与所述第一轴套和所述第二轴套均为螺纹连接，所述行走轮组设于所述旋转轴的非螺纹端末端，所述伸缩变径机构套接在所述旋转轴的非螺纹端上。旋转轴与轴套之间采用螺纹连接的方式，便于拆卸安装。

进一步，所述行走轮组包括支撑杆、主动轮组、从动轮组、副杆、固定环，所述旋转轴的末端设有圆台，所述支撑杆对称设于所述旋转轴的两侧，两个所述支撑杆的一端均与所述固定环连接，所述固定环套接在所述旋转轴与所述伸缩变径机构固定连接，一个所述支撑杆的另一端与所述从动轮组连接，另一个所述支撑杆的另一端与所述主动轮组连接，所述副杆对称设于所述圆台的两侧，两个所述副杆的一端均与所述圆台铰接，两个所述副杆的另一端均与所述支撑杆铰接。

进一步，所述主动轮组设有第一固定架，所述第一固定架的底部与所述支撑杆固定连接，所述第一固定架的底部设有旋转电机，所述旋转电机的转动轴穿出所述第一固定架与所述主动轮组连接，并驱动所述主动轮组进行旋转，所述主动轮组设有行走电机和主动轮，所述行走电机的转动轴通过齿轮啮合驱动所述主动轮行走。

进一步，所述从动轮组设有第二固定架、万向轮，所述第二固定架的底部与所述支撑杆固定连接，所述万向轮设置在所述第二固定架上。

当本机器人在行进的过程中，通过行走电机可驱动主动轮前进或后退，从动轮组中的万向轮跟随运动，可通过驱动旋转电机来使整个主动轮组进行旋转，使主动轮组从沿管道方向运动变为绕管壁行走，通过改变旋转电机的转动方向便可改变机器人的行走方式，包括沿管道直线行走和沿管道圆周螺旋行走，其中与水平管道平行行走，可以让机器几乎与水管道轴线在同一直线上，可以沿着水平管道轴线运动，该状态在水平管道中具有较强的越障性；螺旋行走，可沿垂直管道轴线运动，该状态在垂直管道中具有较强的越障性。

进一步，所述伸缩变径机构由变径电机、电机固定架、旋转内筒、旋转外筒、滚针轴承组成，所述旋转内筒通过所述滚针轴承套接在所述旋转轴上，所述旋转内筒设有外螺纹，所述旋转外筒设有内螺纹，所述旋转外筒通过内螺纹与所述旋转内筒的外螺纹连接，所述电机固定架固定在所述旋转轴上并设于所述旋转内筒的底部，所述旋转内筒的底部设有齿轮，所述变径电机固定在所述电机固定架，所述变径电机的转动轴通过齿轮与所述旋转内筒底部的齿轮进行啮合，所述固定环固定在所述旋转外筒的顶部。

进一步，所述固定环的两侧均与所述支撑杆进行铰接，便于支撑杆进行张开收缩，使行走轮组实现变径。

进一步，所述固定环设有圆孔，所述圆孔的半径比所述旋转轴的半径大。避免在进行变径时，固定环由旋转外筒带动进行伸缩时与旋转轴产生干涉，影响行走轮组进行变径。

当要进行变径的时候，变径电机转动通过齿轮传动使旋转内筒进行旋转，通过旋转内筒的外螺纹将运动传递到旋转外筒的内螺纹，旋转外筒接受旋转内筒传递过来的运动便可以沿旋转轴方向运动，从而使固定环沿旋转轴方向运动，使固定环通过两侧的支撑杆对行走轮组进行张开或收缩实现变径，其中副杆对支撑杆起支撑作用，通过调节变径电机的转向便可控制行走轮组的张开或收缩。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种柔性管道机器人，包括转弯机构、行走轮组、伸缩变径机构；通过伸缩变径机构可调整行走轮组的张开程度可适应不同管径的管道，同时行走轮组中的主动轮组可使该机器在管道中实现自由的变向前进，克服了通过管道类型单一、不可自由变向等问题；通过转弯机构使机器人可折叠一定角度，无论在倾斜还是垂直的Y型管、四通管等管道都能进行转向，满足了管道机器人在管道内灵活运动的要求；本发明通用性强、监测维护效率相对较高、体积小巧、结构简单可应用于各类管道监测或维护作业。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是转弯机构的结构示意图；

图3是行走轮组与旋转轴的连接结构示意图；

图4是主动轮组的结构示意图；

图5是变径伸缩机构套接在旋转轴上的结构示意图；

图6是进行水平管道之间转弯的原理示意图；

图7是进行水平管道进入垂直管道转弯的原理示意图；

图中：1-第一轴套、2-第二轴套、3-转弯电机、4-旋转轴、5-支撑杆、6-主动轮组、61-第一固定架、62-旋转电机、63-行走电机、64-主动轮、7-从动轮组、71-第二固定架、72-万向轮、8-副杆、9-固定环、10-圆台、11-变径电机、12-电机固定架、13-旋转外筒。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1：

如图1—图5所示，一种柔性管道机器人，包括转弯机构，转弯机构包括第一轴套1和第二轴套2，第一轴套1与第二轴套2铰接，第二轴套2上通过螺钉固定有转弯电机3，转弯电机3的输出轴与第一轴套1和第二轴套2进行铰接的转轴焊接连接；转弯机构的两端对称设有行走机构，行走机构包括旋转轴4、行走轮组、伸缩变径机构，第一轴套1和第二轴套2相互远离的一端均与旋转轴4连接，旋转轴4设有螺纹端，第一轴套1和第二轴套2均设有螺纹孔，旋转轴4与第一轴套1和第二轴套2均为螺纹连接；行走轮组设于旋转轴4的非螺纹端末端，行走轮组包括支撑杆5、主动轮组6、从动轮组7、副杆8、固定环9，旋转轴4的末端设有圆台10，支撑杆5对称设于旋转轴4的两侧，两个支撑杆4的一端均与固定环9铰接，固定环9套接在旋转轴4，一个支撑杆5的另一端与从动轮组7连接，另一个支撑杆5的另一端与主动轮组6连接，副杆8对称设于圆台10的两侧，两个副杆8的一端均与圆台10铰接，两个副杆8的另一端均与支撑杆5铰接；主动轮组6设有第一固定架61，第一固定架61的底部与支撑杆5通过螺钉固定连接，第一固定架61的底部通过螺钉固定有旋转电机62，旋转电机62的转动轴穿出第一固定架61与主动轮组6的支架固定连接，可驱动主动轮组6进行旋转，其中第一固定架61设有穿出孔，其孔径比旋转电机62的转动轴的直径大，不影响旋转电机62的转动，主动轮组6设有行走电机63和主动轮64，行走电机63固定在支架内，其转动轴通过齿轮啮合驱动主动轮64行走；从动轮组7设有第二固定架71、万向轮72，第二固定架71的底部与支撑杆5通过螺钉固定连接，万向轮72设置在第二固定架71上可跟随主动轮64进行自由变向；伸缩变径机构套接在旋转轴4的非螺纹端上，伸缩变径机构由变径电机11、电机固定架12、旋转内筒、旋转外筒13、滚针轴承组成，旋转内筒通过滚针轴承套接在旋转轴4上，旋转内筒设有外螺纹，旋转外筒13设有内螺纹，旋转外筒13通过内螺纹与旋转内筒的外螺纹连接，电机固定架12固定在旋转轴4上并设于旋转内筒的底部，旋转内筒的底部设有齿轮，变径电机11固定在电机固定架12上，变径电机11的转动轴通过齿轮与旋转内筒底部的齿轮进行啮合，固定环9固定焊接在旋转外筒13的顶部，固定环9设有圆孔，该圆孔的半径比旋转轴4的半径大，避免在进行变径时，固定环9由旋转外筒13带动进行伸缩时与旋转轴4产生干涉，影响行走轮组进行变径。

在需要进行水平管道之间的转弯时，例如水平放置的三通管中由其中一个水平管道转入另一个水平管道，先驱动旋转电机62，使机器人沿管道螺旋，令到机器人与管道的垂线平行，如图6所示(俯视角度)，再驱动转弯电机3转动，因为转弯电机3固定在第二轴套2上，所以转弯电机3带动第一轴套1相对第二轴套2进行转动一定角度，如90度，使整个机器人进行一定角度的折叠，再驱动行走电机63使行走轮组前进，使机器人前进的一端进入转弯后的管道，以便机器人顺利进行转入，在转弯过程中，逐渐使其转弯电机3反转，使机器人逐步由直角折叠变为钝角折叠，直到转弯完毕后，恢复到之前的不折叠状态继续前进。

在需要进行由水平管道进入垂直管道转弯时，例如四通管中的水平管道转入垂直管道，保持机器人沿管道方向运动，如图7所示(侧视角度)，再驱动转弯电机3转动，因为转弯电机3固定在第二轴套2上，所以转弯电机3带动第一轴套1相对第二轴套2进行转动一定角度，如90度，使整个机器人进行一定角度的折叠，再驱动行走电机63使行走轮组前进，使机器人前进的一端进入转弯后的垂直管道，以便机器人顺利进行转入，在转弯过程中，逐渐使其转弯电机3反转，使机器人逐步由直角折叠变为钝角折叠，直到转弯完毕后，恢复到之前的不折叠状态继续前进。

当本机器人在行进的过程中，通过行走电机63可驱动主动轮64前进或后退，从动轮组7中的万向轮72跟随运动，可通过驱动旋转电机62来使整个主动轮组6进行旋转，使主动轮组6从沿管道方向运动变为绕管壁行走，通过改变旋转电机62的转动方向便可改变机器人的行走方式，包括沿管道直线行走和沿管道圆周螺旋行走；其中与水平管道平行行走，可以让机器几乎与水管道轴线在同一直线上，可以沿着水平管道轴线运动，该状态在水平管道中具有较强的越障性；而螺旋行走，则可沿垂直管道轴线运动，该状态在垂直管道中具有较强的越障性；实现了该机器人可在管道中进行自由的变向前进或后退行走。

当要进行变径的时候，变径电机11转动通过齿轮传动使旋转内筒进行旋转，通过旋转内筒的外螺纹将运动传递到旋转外筒13的内螺纹，旋转外筒13接受旋转内筒传递过来的运动便可以沿旋转轴4方向运动，从而使固定环9沿旋转轴4方向运动，使固定环9通过两侧的支撑杆5对行走轮组进行张开或收缩实现变径，其中副杆8对支撑杆5起支撑作用，通过调节变径电机11的转向便可控制行走轮组的张开或收缩。

通过伸缩变径机构可调整行走轮组的张开程度可适应不同管径的管道，同时行走轮组可使该机器在管道中实现自由的变向前进或后退，克服了通过管道类型单一、不可自由变向等问题；通过转弯机构使机器人两端的行走机构折叠一定角度，无论在倾斜还是垂直的Y型管、四通管等管道都能进行转向，满足了管道机器人在管道内灵活运动的要求。

在本实施例中，上述的所有电机均采用伺服电机，通过控制器输送脉冲进行控制，可精准控制转动角度。

在本实施例中，旋转内筒与旋转外筒13的长度相等，旋转外筒13的长度应比固定环9到旋转轴4的圆台10底部的距离长，在对行走轮组进行变径时，能实现完全变径，同时固定环9到旋转轴4的圆台10底部的距离应保留足够长，以便适应多种管径的管道。

在本实施例中，对机器人两端的旋转电机62、行走电机63、变径电机11采用同步控制，保持两端的行走机构同步自由变向前进或后退。

在本实施例中，在进行转弯时，先通过驱动变径电机11使机器人进行变径，使其变径后比管道的直径小，再驱动转弯电机3使机器人折叠一定角度进行转弯，这样先使机器人的横向宽度变小，便于机器人更好地进行转弯。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性管道机器人，其特征在于，包括转弯机构，所述转弯机构的两端对称设有行走机构，所述行走机构包括旋转轴、行走轮组、伸缩变径机构，所述旋转轴的一端与所述转弯机构连接，所述行走轮组设于所述旋转轴的另一端，所述伸缩变径机构套接在所述旋转轴上对所述行走轮组进行伸缩变径；

所述行走轮组包括支撑杆、主动轮组、从动轮组、副杆、固定环，所述旋转轴的末端设有圆台，所述支撑杆对称设于所述旋转轴的两侧，两个所述支撑杆的一端均与所述固定环连接，所述固定环套接在所述旋转轴与所述伸缩变径机构固定连接，一个所述支撑杆的另一端与所述从动轮组连接，另一个所述支撑杆的另一端与所述主动轮组连接，所述副杆对称设于所述圆台的两侧，两个所述副杆的一端均与所述圆台铰接，两个所述副杆的另一端均与所述支撑杆铰接；

所述主动轮组设有第一固定架，所述第一固定架的底部与所述支撑杆固定连接，所述第一固定架的底部设有旋转电机，所述旋转电机的转动轴穿出所述第一固定架与所述主动轮组连接，并驱动所述主动轮组进行旋转，所述主动轮组设有行走电机和主动轮，所述行走电机的转动轴通过齿轮啮合驱动所述主动轮行走；

所述伸缩变径机构由变径电机、电机固定架、旋转内筒、旋转外筒、滚针轴承组成，所述旋转内筒通过所述滚针轴承套接在所述旋转轴上，所述旋转内筒设有外螺纹，所述旋转外筒设有内螺纹，所述旋转外筒通过内螺纹与所述旋转内筒的外螺纹连接，所述电机固定架固定在所述旋转轴上并设于所述旋转内筒的底部，所述旋转内筒的底部设有齿轮，所述变径电机固定在所述电机固定架，所述变径电机的转动轴通过齿轮与所述旋转内筒底部的齿轮进行啮合，所述固定环固定在所述旋转外筒的顶部。

2.根据权利要求1所述的一种柔性管道机器人，其特征在于，所述转弯机构包括第一轴套和第二轴套，所述第一轴套与所述第二轴套铰接，所述第一轴套和所述第二轴套相互远离的一端均与所述旋转轴连接。

3.根据权利要求2所述的一种柔性管道机器人，其特征在于，所述第二轴套上固定有转弯电机，所述转弯电机的输出轴与所述第一轴套和所述第二轴套进行铰接的转轴连接。

4.根据权利要求3所述的一种柔性管道机器人，其特征在于，所述旋转轴设有螺纹端，所述第一轴套和所述第二轴套均设有螺纹孔，所述旋转轴与所述第一轴套和所述第二轴套均为螺纹连接，所述行走轮组设于所述旋转轴的非螺纹端末端，所述伸缩变径机构套接在所述旋转轴的非螺纹端上。

5.根据权利要求1所述的一种柔性管道机器人，其特征在于，所述从动轮组设有第二固定架、万向轮，所述第二固定架的底部与所述支撑杆固定连接，所述万向轮设置在所述第二固定架上。

6.根据权利要求1所述的一种柔性管道机器人，其特征在于，所述固定环的两侧均与所述支撑杆进行铰接。

7.根据权利要求1所述的一种柔性管道机器人，其特征在于，所述固定环设有圆孔，所述圆孔的半径比所述旋转轴的半径大。

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