CN110388535A - 一种张拉整体管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种张拉整体管道机器人，包括成对设置的平台，平台包括上平台和下平台，上平台与下平台之间支撑设有若干柔性支链和若干刚性支链，上平台的上侧面和下平台的下侧面上分别安装有张紧收缩装置，上平台与下平台的外周面上则分别均匀分布有辅助滑轮装置。本发明结构设计合理，具备在竖直管道内攀爬、悬停的能力，能够承受较大的载荷；结构质量轻盈、可以折叠，上下平台的尺寸可以随着管道尺寸而改变，运动构件惯性力低、适应管道能力强。

Description

一种张拉整体管道机器人

技术领域

本发明涉及管道机器人技术领域，尤其涉及一种应用于大拖动力条件、狭小细长的工作环境下能够精确顺滑地通过弯道的管道机器人。

背景技术

随着机器人技术的应用与发展，管道机器人的研制也成为国内外机器人技术发展的一个重要方向。在石油、化工、冶炼、印染等行业领域内，存在直径大小不同的金属管道，经过长期使用过后，管道内会出现腐蚀、沉淀、损伤、堵塞等问题，对管道的输送效率产生不良影响。传统履带式和轮式的管道机器人不具备竖直管道中的爬升性能，并且自身结构尺寸无法适应不同直径的管道，较大的自身重量限制了驱动和载荷性能。柔性蠕动式管道机器人具有结构稳定性不足，运动效率低，攀爬能力弱等特点。

针对上述管道机器人的不足之处，近年来，以张拉整体结构为基础的管道机器人成为研究的一个重要方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了针对传统轮式和履带式管道机器人在实际应用过程中不具备在竖直管道内攀爬能力且自身结构质量大等问题，本发明提供一种质量轻盈、运动构件惯性力低、适应管道能力强，可在竖直管道内攀爬的一种张拉整体管道机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种张拉整体管道机器人，包括成对设置的平台，所述平台包括上平台和下平台，所述上平台与下平台之间支撑设有若干柔性支链和若干刚性支链，所述的上平台的上侧面和下平台的下侧面上分别安装有张紧收缩装置，所述的上平台与下平台的外周面上则分别均匀分布有辅助滑轮装置。

进一步的，所述的张紧收缩支撑装置包括螺纹杆、设置在螺纹杆上的支撑收缩装置和固定在平台侧面的步进电机，所述螺纹杆贯穿固定在平台上，对应步进电机侧的平台侧面的螺纹杆端部固定有锥齿轮，所述步进电机输出端则具有与螺纹杆端部锥齿轮相啮合并驱动螺纹杆转动的锥齿轮；所述的支撑收缩装置则相对于步进电机设置在从平台另一侧伸出的螺纹杆上，所述的支撑收缩装置包括上轴套体、上支撑杆、下轴套体和下支撑杆，所述的上支撑杆与下支撑杆之间通过第二转动副连接，上支撑杆另一端通过第一转动副与上轴套体连接，下支撑杆另一端通过第三转动副与下轴套体连接，所述的下轴套体外套在螺纹杆上且下轴套体端面与平台对应的侧面固定，所述的上轴套体则螺纹连接在螺纹杆上。

进一步的，所述的刚性支链为液压驱动器，所述的液压驱动器包括液压缸和伸出液压缸上端的活塞杆，所述的活塞杆上端与上平台的下侧面之间通过第一球铰连接，液压缸下端与下平台的上侧面之间通过第二球铰连接。所述的柔性直连包括拉伸弹簧和绳索，上平台的下侧面上固定有圆环，拉伸弹簧上端与圆环连接、下端与绳索连接，所述的下平台的上侧面上固定有卷轴电机，所述卷轴电机输出端固定有卷轴，所述绳索下端则卷绕在卷轴上。

进一步的，所述的辅助滑轮装置包括与平台外周面固定的支撑杆，所述支撑杆外端滑动连接有滑块，所述滑块上贯穿连接有辅助轮轴，所述辅助轮轴两端分别通过轴承连接有辅助轮，所述的滑块与平台外周面之间连接有环绕支撑杆设置的压缩弹簧。

进一步的，所述的上平台、下平台的平台上下两侧面均为圆形，且上平台的圆形侧面与下平台的圆形侧面面积相同。

在上述方案中，通过驱动液压驱动器和柔性支链，实现了机器人上下平台交替作为动静平台，机器人可在管道中完成前进和转弯操作。

本发明的有益效果是，本发明提供的一种张拉整体管道机器人，结构设计合理，具备在竖直管道内攀爬、悬停的能力，能够承受较大的载荷；结构质量轻盈、可以折叠，上下平台的尺寸可以随着管道尺寸而改变，运动构件惯性力低、适应管道能力强。

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是本发明结构示意图。

图2是柔性支链结构示意图。

图3是刚性支链结构示意图。

图4是张紧收缩支撑装置结构示意图。

图5是辅助轮装置结构示意图。

图中Ⅰ、柔性支链 Ⅱ、刚性支链 Ⅲ、张紧收缩支撑装置 Ⅳ、辅助轮装置 1、上平台2、下平台 3、螺纹杆 4、上轴套体 5、第一转动副 6、上支撑杆 7、第二转动副 8、下支撑杆9、下轴套体 10、第三转动副 11、锥齿轮 12、步进电机 13、机架一 14、圆环 15、拉伸弹簧16、绳索 17、机架二 18、卷轴电机 19、卷轴 20、第一球铰 21、活塞杆 22、液压缸 23、第二球铰 24、支撑杆 25、压缩弹簧 26、轴承 27、辅助轮轴 28、辅助轮。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示一种张拉整体管道机器人，是本发明最优实施例，包括成对设置的平台。所述平台包括上平台1和下平台2。所述的上平台1、下平台2的平台上下两侧面均为圆形，且上平台1的圆形侧面与下平台2的圆形侧面面积相同。所述上平台1位于所述下平台2的正上方，并沿着所述下平台2水平竖直旋转一定的角度。

所述上平台1与下平台2之间支撑设有三条柔性支链Ⅰ和三条刚性支链Ⅱ。所述的上平台1的上侧面和下平台2的下侧面上分别安装有张紧收缩装置，所述的上平台1与下平台2的外周面上则分别均匀分布有三组辅助滑轮装置Ⅳ。

如图2所示，所述的柔性直连包括拉伸弹簧15和绳索16，上平台1的下侧面上固定有圆环14，拉伸弹簧15上端与圆环14连接、下端与绳索16连接，所述的下平台2的上侧面上固定有卷轴19电机18，所述卷轴19电机18输出端固定有卷轴19，所述绳索16下端则卷绕在卷轴19上。柔性支链Ⅰ为簧绳索16混合体，所述弹簧绳索16混合体则由可伸缩的拉伸弹簧15和不可伸缩的绳索16串联组成，所述可伸缩的拉伸弹簧15的上端与上平台1通过球铰链固定，下端与不可伸缩的绳索16串联，所述不可伸缩的绳索16的下端缠绕在固定于下平台2的卷轴19电机18的卷轴19上。在下平台2上安装固定有机架二17，卷轴19电机18则与机架二17固定实现卷轴19电机18与下平台2的安装固定。在柔性支链Ⅰ中，每根拉伸弹簧15的刚度系数和长度都相同，每条绳索16的规格参数也都相同，并且拉伸弹簧15在整个机器人运动过程中始终处于拉紧状态，一是为整个机构提供初始的应力，二是起到防震、缓冲的作用。

如图3所示，所述的刚性支链Ⅱ为液压驱动器，所述的液压驱动器包括液压缸22和伸出液压缸22上端的活塞杆21，所述的活塞杆21上端与上平台1的下侧面之间通过第一球铰20连接，液压缸22下端与下平台2的上侧面之间通过第二球铰23连接。所述的柔性直连包括拉伸弹簧15和绳索16，上平台1的下侧面上固定有圆环14，拉伸弹簧15上端与圆环14连接、下端与绳索16连接，所述的下平台2的上侧面上固定有卷轴19电机18，所述卷轴19电机18输出端固定有卷轴19，所述绳索16下端则卷绕在卷轴19上。

在实际设计中，三条刚性支链Ⅱ中的液压驱动器规格完全相同，三条柔性支链Ⅰ中的可伸缩的拉伸弹簧15完全相同，不可伸缩的绳索16完全相同，所述柔性支链Ⅰ中的拉伸弹簧15都处于拉紧状态。由于上平台1和下平台2旋转一定角度设置，则刚性支链Ⅱ与柔性支链Ⅰ可根据结构要求与平台并非垂直连接，可倾斜一定的角度。

如图4所示，所述的张紧收缩支撑装置Ⅲ包括螺纹杆3、设置在螺纹杆3上的支撑收缩装置和固定在平台侧面的步进电机12。步进电机12与平台的固定，也可与卷轴19电机18的安装结构相同，即在平台上设置与平台固定的机架一13，步进电机12则安装固定在机架一13上。

所述螺纹杆3贯穿固定在平台上，对应步进电机12侧的平台侧面的螺纹杆3端部固定有锥齿轮11，所述步进电机12输出端则具有与螺纹杆3端部锥齿轮11相啮合并驱动螺纹杆3转动的锥齿轮11；所述的支撑收缩装置则相对于步进电机12设置在从平台另一侧伸出的螺纹杆3上，所述的支撑收缩装置包括上轴套体4、上支撑杆6、下轴套体9和下支撑杆8，所述的上支撑杆6与下支撑杆8之间通过第二转动副7连接，上支撑杆6另一端通过第一转动副5与上轴套体4连接，下支撑杆8另一端通过第三转动副10与下轴套体9连接，所述的下轴套体9外套在螺纹杆3上且下轴套体9端面与平台对应的侧面固定，所述的上轴套体4则螺纹连接在螺纹杆3上。

如图5所示，所述的辅助滑轮装置Ⅳ包括与平台外周面固定的支撑杆24，所述支撑杆24外端滑动连接有滑块，所述滑块上贯穿连接有辅助轮轴27，所述辅助轮轴27两端分别通过轴承26连接有辅助轮28，所述的滑块与平台外周面之间连接有环绕支撑杆24设置的压缩弹簧25。在上平台1和下平台2的周围均匀分布辅助滑轮装置Ⅳ，在移动的过程中起到辅助移动的作用，在固定过程中起到辅助支撑的作用。

上述方案具有如下工作过程：

机器人在直线型管道内行进时，其上平台1、下平台2及相应螺纹杆3中的支撑收缩装置运动步骤如下：首先，套在下平台2螺纹杆3上的支撑收缩装置的支撑脚下支撑杆8撑开，给张拉整体机构施加预应力；其次，套在上平台1螺纹杆3上的支撑收缩装置的支撑脚下支撑杆8收回，施加在张拉整体机构上的预应力会使上平台1向上运动一段距离；再次，套在上平台1螺纹杆3上的支撑收缩装置的支撑脚下支撑杆8撑开，套在下平台2螺纹杆3上的支撑收缩装置的支撑脚下支撑杆8收回，下平台2运动；最后，机器人进入下一个步骤的循环，实现管道机器人沿着管道轴线直线行走。

机器人通过弯道时，机器人的运动过程分为进入段、旋转段、退出段这个三个阶段。在进入段时，机器人下平台2螺纹杆3上的支撑收缩装置会对张拉整体管道机器人本体施加预应力，上平台1会沿着管道壁在辅助滑轮的作用下自由向前移动；在旋转段时，机器人的下平台2会随着张拉整体管道机器人本体的收缩而旋转一定的角度，以适应管道的转角，进而顺利进入弯道；在退出段时，机器人的下平台2在张拉整体管道机器人本体的作用下会回到与管道轴线垂直的状态，最终结束通过弯道的状态。

如此设计的一种张拉整体管道机器人，结构设计合理，通过驱动液压驱动器和柔性支链Ⅰ，实现了机器人上下平台2交替作为动静平台，机器人可在管道中完成前进和转弯操作，机器人具备在竖直管道内攀爬、悬停的能力，能够承受较大的载荷；结构质量轻盈、可以折叠，上下平台2的尺寸可以随着管道尺寸而改变，运动构件惯性力低、适应管道能力强。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种张拉整体管道机器人，其特征在于：包括成对设置的平台，所述平台包括上平台(1)和下平台(2)，所述上平台(1)与下平台(2)之间支撑设有若干柔性支链(Ⅰ)和若干刚性支链(Ⅱ)，所述的上平台(1)的上侧面和下平台(2)的下侧面上分别安装有张紧收缩装置，所述的上平台(1)与下平台(2)的外周面上则分别均匀分布有辅助滑轮装置(Ⅳ)。

2.如权利要求1所述的一种张拉整体管道机器人，其特征在于：所述的张紧收缩支撑装置(Ⅲ)包括螺纹杆(3)、设置在螺纹杆(3)上的支撑收缩装置和固定在平台侧面的步进电机(12)，所述螺纹杆(3)贯穿固定在平台上，对应步进电机(12)侧的平台侧面的螺纹杆(3)端部固定有锥齿轮(11)，所述步进电机(12)输出端则具有与螺纹杆(3)端部锥齿轮(11)相啮合并驱动螺纹杆(3)转动的锥齿轮(11)；所述的支撑收缩装置则相对于步进电机(12)设置在从平台另一侧伸出的螺纹杆(3)上，所述的支撑收缩装置包括上轴套体(4)、上支撑杆(6)、下轴套体(9)和下支撑杆(8)，所述的上支撑杆(6)与下支撑杆(8)之间通过第二转动副(7)连接，上支撑杆(6)另一端通过第一转动副(5)与上轴套体(4)连接，下支撑杆(8)另一端通过第三转动副(10)与下轴套体(9)连接，所述的下轴套体(9)外套在螺纹杆(3)上且下轴套体(9)端面与平台对应的侧面固定，所述的上轴套体(4)则螺纹连接在螺纹杆(3)上。

3.如权利要求1所述的一种张拉整体管道机器人，其特征在于：所述的刚性支链(Ⅱ)为液压驱动器，所述的液压驱动器包括液压缸(22)和伸出液压缸(22)上端的活塞杆(21)，所述的活塞杆(21)上端与上平台(1)的下侧面之间通过第一球铰(20)连接，液压缸(22)下端与下平台(2)的上侧面之间通过第二球铰(23)连接；所述的柔性直连包括拉伸弹簧(15)和绳索(16)，上平台(1)的下侧面上固定有圆环(14)，拉伸弹簧(15)上端与圆环(14)连接、下端与绳索(16)连接，所述的下平台(2)的上侧面上固定有卷轴(19)电机(18)，所述卷轴(19)电机(18)输出端固定有卷轴(19)，所述绳索(16)下端则卷绕在卷轴(19)上。

4.如权利要求1所述的一种张拉整体管道机器人，其特征在于：所述的辅助滑轮装置(Ⅳ)包括与平台外周面固定的支撑杆(24)，所述支撑杆(24)外端滑动连接有滑块，所述滑块上贯穿连接有辅助轮轴(27)，所述辅助轮轴(27)两端分别通过轴承(26)连接有辅助轮(28)，所述的滑块与平台外周面之间连接有环绕支撑杆(24)设置的压缩弹簧(25)。

5.如权利要求1所述的一种张拉整体管道机器人，其特征在于：所述的上平台(1)、下平台(2)的平台上下两侧面均为圆形，且上平台(1)的圆形侧面与下平台(2)的圆形侧面面积相同。