CN110173607A - 一种多关节全向运动管道机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多关节全向运动管道机器人。采用的技术方案包括：中间关节，主要由第一壳体、第二壳体铰接而成，所述第一壳体、第二壳体的铰接处以及所述第一壳体、第二壳体的外端分别设有车轮总成，至少所述第一壳体、第二壳体外端上的车轮总成分别通过锥齿轮副与驱动电机联接；所述第一壳体、第二壳体之间设有扭簧或拉簧，通过所述扭簧或拉簧的施加力，使所述第一壳体、第二壳体之间呈“V”形结构。益效果在于：巧妙地利用W型的多关节构型结构、球形转向轮和万向驱动轮等组合，具有多管径适应能力和万向运动能力的管道机器人驱动机构，取代了普通管道机器人履带式和普通轮式的驱动机构，使管道机器人具有万向运动能力，为管道机器人避障和调整运动姿态提供结构优势。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种管道机器人。
背景技术
管道机器人从驱动方式看主要有车轮式、履带式、蠕动式、爬行式等几类。现将国内外现有各驱动方式的管道机器人进行分析。
车轮式管道机器人：轮式行走机构在管道机器人中应用较广泛，从结构上又可分为车轮式和支撑轮式两大类。车轮式管道机器人行走在管道内壁表面，类似车辆在地面的行走方式。具有结构简单、行走连续平稳、在管道内运动灵活等优点。然而这种管道机器人多靠自身的重量提供正压力，只能在一定角度放置的管道底部运动，很难实现较大的拖动力。支撑轮式管道机器人在结构上是对称的，机器人通过沿周向等间隔分布的多组行走机构支撑在管道内壁上，当管道直径发生变化时，机器人的中心轴线能自动与管道中心轴线保持一致，机器人运动稳定性好，能产生较大的拖动力。
履带式管道机器人：履带式移动机构适合于未加工的天然路面行走，它是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。相对于轮式机构，履带式驱动机构有着诸多优点，如支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好，越野机动性好，履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力，因此，也被广泛应用于管内机器人的研究中。
蠕动式管道机器人：通常包括三个部分：前舱、后舱和可伸缩的本体。前舱和后舱一般按顺序先后起着支撑、吸附的作用。本体部分通常可以伸缩，起着驱动的功能。当后舱吸附在管道上时，本体推动前舱前进，当前舱吸附在管道上时，本体拉动后舱前进，使整个管道机器人实现蠕动式的行走。
爬行式管道机器人：多足行走管道机器人运动的一种高级方式，有较好的动作灵活性。行走足同时具有支撑和驱动两个功能，理论上可以适应各种形状的管道，但行走足在步态规划和关节间协调运动控制等方面存在一定难度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多关节全向运动管道机器人。
本发明采用的技术方案包括：
多关节全向运动管道机器人，其特征在于，包括：
中间关节，主要由第一壳体、第二壳体铰接而成，所述第一壳体、第二壳体的铰接处以及所述第一壳体、第二壳体的外端分别设有车轮总成，至少所述第一壳体、第二壳体外端上的车轮总成分别通过锥齿轮副与驱动电机联接；所述第一壳体、第二壳体之间设有扭簧或拉簧，通过所述扭簧或拉簧的施加力，使所述第一壳体、第二壳体之间呈“V”形结构；
导向关节，主要由第三壳体、第四壳体组成，所述第三壳体、第四壳体一端部分别铰接于所述第一壳体、第二壳体的外端，所述第三壳体、第四壳体另一端部分别设有导向轮，所述导向轮通过第一联轴器与转向电机联接，所述第三壳体与第一壳体之间以及所述第四壳体与第二壳体之间均设有扭簧或拉簧，通过所述扭簧或拉簧的施加力，使所述第三壳体与第一壳体之间以及所述第四壳体与第二壳体之间呈“V”形结构。
所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述车轮总成包括驱动轮轴、第二联轴器、万向驱动轮、轴承，所述万向驱动轮包括轮毂、轴接在轮毂外圈的一组滚子，所述轮毂通过第二联轴器与所述驱动轮轴联接，所述驱动轮轴两端设在所述轴承内。
所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述导向轮包括二个半圆形轮、导向轮轴、轴承，所述半圆形轮通过轴承相对的设在所述导向轮轴两端，所述导向轮轴与第一联轴器联接。
所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体主要由第一下壳体、第一壳盖组成，所述第一下壳体内设有第一空腔、第二空腔，所述第二壳体主要由第二下壳体、第二壳盖组成，所述第二下壳体内设有第三空腔、第四空腔。
所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第三壳体主要由第三下壳体、第三壳盖组成，所述第三下壳体内设有第五空腔，所述第四壳体主要由第四下壳体、第四壳盖组成，所述第四下壳体内设有第六空腔。
所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体与第二壳体之间、所述第三壳体与第一壳体之间、所述第四壳体与第二壳体之间分别设有薄壁轴承。
所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体与第二壳体之间、所述第三壳体与第一壳体之间、所述第四壳体与第二壳体之间均通过凸起的铰接部进行铰接。
所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体、第二壳体、所述第三壳体、所述第四壳体上均设有伸缩节。
所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体、第二壳体铰接处的车轮总成也通过锥齿轮副与驱动电机联接。
所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述滚子呈橄榄形。
本发明的多关节全向运动管道机器人有益效果在于：
1、巧妙地利用W型的多关节构型结构、球形转向轮和万向驱动轮等组合，具有多管径适应能力和万向运动能力的管道机器人驱动机构，取代了普通管道机器人履带式和普通轮式的驱动机构，使管道机器人具有万向运动能力，为管道机器人避障和调整运动姿态提供结构优势。
2、利用驱动电机通过锥齿轮传动，来驱动轮轴带动万向驱动轮转动，实现管道机器人在沿管道轴线运动，在管道机器人运动过程中，通过调节万向驱动轮的各自转速来改变轮轴轴距，实现滚子管壁附着力的改变，以适应多变的管壁环境，当轮轴轴距缩短，附着力增加；当轮轴轴距增加，附着力变小。
3、当管道机器人需要以管道轴线旋转运动时，两端的球形导向轮分别在转向电机驱动下旋转，由于球形导向轮与管壁的摩擦力作用下，管道机器人以管道轴线为中心旋转，实现管道的周向运动。
4、为适应不同尺寸的管道，伸缩节在直线电机驱动下实现管道机器人长度的改变，伸缩节伸长可以满足大管径，伸缩节缩短可以满足小管径。
5、通过拉簧或扭簧的作用，可以让球形导向轮和万向驱动轮在管道壁面有一定的附着力，可以适应管径的微小变化。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例1多关节全向运动管道机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例1多关节全向运动管道机器人的俯视图，显示其内部结构；
图3为本发明万向驱动轮的结构示意图；
图4为本发明球形导向轮的结构示意图；
图5为本发明第一壳体的结构示意图；
图6为本发明第二壳体的结构示意图；
图7为本发明第三壳体的结构示意图；
图8为本发明第四壳体的结构示意图；
图9为本发明实施例2多关节全向运动管道机器人的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1-8所示，本发明的多关节全向运动管道机器人，包括中间关节1和导向关节9。所述中间关节1主要由第一壳体2、第二壳体3通过内端铰接而成，所述第一壳体2、第二壳体3的铰接处以及所述第一壳体2、第二壳体3的外端分别设有车轮总成4。所述第一壳体2、第二壳体3外端上的车轮总成4分别通过锥齿轮副5与驱动电机6联接。所述锥齿轮副5由相互咬合的主动锥形轮和被动锥形轮组成，所述主动锥形轮与驱动电机6固联，所述被动锥形轮与所述车轮总成4的轮轴固联。所述第一壳体2、第二壳体3之间设有扭簧7。所述扭簧7设在所述车轮总成4的轮轴上，其自由端分别与相邻壳体固联。通过所述扭簧7施加的扭力，使所述第一壳体2、第二壳体3之间呈“V”形结构。所述导向关节9主要由第三壳体10、第四壳体11组成，所述第三壳体10、第四壳体11一端分别铰接于所述第一壳体2、第二壳体3的外端，所述第三壳体10、第四壳体11另一端部分别设有导向轮12。所述导向轮12通过第一联轴器13与转向电机14联接。所述第三壳体10与第一壳体2之间以及所述第四壳体11与第二壳体3之间均设有扭簧7，通过所述扭簧7的施加的扭力，使所述第三壳体10与第一壳体2之间以及所述第四壳体11与第二壳体3之间呈“V”形结构。最终形成W型的多关节构型结构。所述的多关节全向运动管道机器人由电池或通过导线由外部电源为其供电，通过控制器控制其运动姿态。
进一步的，所述车轮总成4包括驱动轮轴15、第二联轴器16、万向驱动轮17和轴承18。所述万向驱动轮17包括轮毂19和轴接在轮毂19外圈的一组滚子20，所述轮毂19通过第二联轴器16与所述驱动轮轴15联接，所述驱动轮轴15铰接在所述第一壳体2、第二壳体3的铰接处，其两端设在所述轴承18内。所述轴承18固定在所述第一壳体2、第二壳体3内。以实现所述车轮总成4在管着内的全方位运动和附着。
进一步的，所述导向轮12包括二个半圆形轮21、导向轮轴22、轴承18，所述半圆形轮21通过轴承18相对的设在所述导向轮轴22两端，所述导向轮轴22与第一联轴器13联接。以实现所述导向轮12在管着内的全方位运动和附着。
进一步的，所述第一壳体2主要由第一下壳体201、第一壳盖202组成，所述第一下壳体201、第一壳盖202之间通过螺丝固联。所述第一下壳体201内设有第一空腔203、第二空腔204。所述第二壳体3主要由第二下壳体301、第二壳盖302组成，所述第二下壳体301、第二壳盖302之间通过螺丝固联。
所述第二下壳体301内设有第三空腔303、第四空腔304。所述驱动电机6安装在对应的空腔内，其余多出的空腔可用于安装控制电路或电池。
进一步的，所述第三壳体10主要由第三下壳体101、第三壳盖102组成，所述第三下壳体101、第三壳盖102之间通过螺丝固联。所述第三下壳体101内设有第五空腔103，所述第四壳体11主要由第四下壳体111、第四壳盖112组成，所述第四下壳体111、第四壳盖112之间通过螺丝固联。所述第四下壳体111内设有第六空腔113。所述转向电机14分别安装在第五空腔103、第六空腔113内。
进一步的，所述第一壳体2与第二壳体3之间、所述第三壳体10与第一壳体2之间、所述第四壳体11与第二壳体3之间分别设有薄壁轴承181。以提高各壳体之间旋转的灵活度。
进一步的，所述第一壳体2与第二壳体3之间、所述第三壳体10与第一壳体2之间、所述第四壳体11与第二壳体3之间均通过凸起的铰接部23进行铰接。
进一步的，所述第一壳体2、第二壳体3铰接处的车轮总成4也通过锥齿轮副5与驱动电机6联接，以提高机器人整体的运动能力。
进一步的，所述滚子20呈橄榄形，且采用橡胶制成，以提高万向驱动轮的稳定性和附着力。
实施例2：
如图9所示，本发明的多关节全向运动管道机器人，所述第一壳体2与第二壳体3之间、所述第三壳体10与第一壳体2之间、所述第四壳体11与第二壳体3之间分别拉簧8，所述拉簧8与相邻壳体固联。其余结构与实施例1所述的多关节全向运动管道机器人相同。通过所述拉簧8使机器人最终形成W型的多关节构型结构。
进一步的，所述第一壳体2、第二壳体3、所述第三壳体10、所述第四壳体11上均设有伸缩节24。所述伸缩节24在直线电机驱动下实现管道机器人长度的改变。所述伸缩节24结构为公知技术，在此不做赘述。
最后，应当指出，以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效结构，但都将落入本使用新型的权利要求可限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种多关节全向运动管道机器人，其特征在于，包括：
中间关节（1），主要由第一壳体（2）、第二壳体（3）铰接而成，所述第一壳体（2）、第二壳体（3）的铰接处以及所述第一壳体（2）、第二壳体（3）的外端分别设有车轮总成（4），至少所述第一壳体（2）、第二壳体（3）外端上的车轮总成（4）分别通过锥齿轮副（5）与驱动电机（6）联接；所述第一壳体（2）、第二壳体（3）之间设有扭簧（7）或拉簧（8），通过所述扭簧（7）或拉簧（8）的施加力，使所述第一壳体（2）、第二壳体（3）之间呈“V”形结构；
导向关节（9），主要由第三壳体（10）、第四壳体（11）组成，所述第三壳体（10）、第四壳体（11）一端部分别铰接于所述第一壳体（2）、第二壳体（3）的外端，所述第三壳体（10）、第四壳体（11）另一端部分别设有导向轮（12），所述导向轮（12）通过第一联轴器（13）与转向电机（14）联接，所述第三壳体（10）与第一壳体（2）之间以及所述第四壳体（11）与第二壳体（3）之间均设有扭簧（7）或拉簧（8），通过所述扭簧（7）或拉簧（8）的施加力，使所述第三壳体（10）与第一壳体（2）之间以及所述第四壳体（11）与第二壳体（3）之间呈“V”形结构。
2.根据权利要求1所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述车轮总成（4）包括驱动轮轴（15）、第二联轴器（16）、万向驱动轮（17）、轴承（18），所述万向驱动轮（17）包括轮毂（19）、轴接在轮毂（19）外圈的一组滚子（20），所述轮毂（19）通过第二联轴器（16）与所述驱动轮轴（15）联接，所述驱动轮轴（15）两端设在所述轴承（18）内。
3.根据权利要求1所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述导向轮（12）包括二个半圆形轮（21）、导向轮轴（22）、轴承（18），所述半圆形轮（21）通过轴承（18）相对的设在所述导向轮轴（22）两端，所述导向轮轴（22）与第一联轴器（13）联接。
4.根据权利要求1所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体（2）主要由第一下壳体（201）、第一壳盖（202）组成，所述第一下壳体（201）内设有第一空腔（203）、第二空腔（204），所述第二壳体（3）主要由第二下壳体（301）、第二壳盖（302）组成，所述第二下壳体（301）内设有第三空腔（303）、第四空腔（304）。
5.根据权利要求1所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第三壳体（10）主要由第三下壳体（101）、第三壳盖（102）组成，所述第三下壳体（101）内设有第五空腔（103），所述第四壳体（11）主要由第四下壳体（111）、第四壳盖（112）组成，所述第四下壳体（111）内设有第六空腔（113）。
6.根据权利要求1所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体（2）与第二壳体（3）之间、所述第三壳体（10）与第一壳体（2）之间、所述第四壳体（11）与第二壳体（3）之间分别设有薄壁轴承（181）。
7.根据权利要求1所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体（2）与第二壳体（3）之间、所述第三壳体（10）与第一壳体（2）之间、所述第四壳体（11）与第二壳体（3）之间均通过凸起的铰接部（23）进行铰接。
8.根据权利要求1所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体（2）、第二壳体（3）、所述第三壳体（10）、所述第四壳体（11）上均设有伸缩节（24）。
9.根据权利要求1所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述第一壳体（2）、第二壳体（3）铰接处的车轮总成（4）也通过锥齿轮副（5）与驱动电机（6）联接。
10.根据权利要求2所述的多关节全向运动管道机器人，其特征在于：所述滚子（20）呈橄榄形。
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