CN110397820B - 一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人，包括头部螺旋单元、支撑单元和尾部螺旋单元，支撑单元与头部螺旋单元和尾部螺旋单元相连，支撑单元内设置驱动电机，分别驱动头部螺旋单元和尾部螺旋单元，头部螺旋单元、支撑单元和尾部螺旋单元均包括变径机构。本发明的管道机器人，采用多节轮式运行，具备国标90度弯道、45度弯管、直管、坡道、垂直管道的通过性；采用头尾双驱动运行，驱动力强，运行效率高、管道通过性好；具有刚柔混合变径功能，既能适应于较大管径的变化，同时能够应对管道内存在的非结构性障碍。

Description

一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人

技术领域

本发明涉及管道机器人，具体为一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人。

背景技术

管道运输是目前主流的运输方式之一，与其他几种运输方式相比，管道运输有着运输量大、占地少、不受气候影响、安全性较高、成本低、环境效益好等一系列独特的优势。然而在享受着管道运输便捷的同时，管道运输的背后却隐藏着越来越大的安全隐患，一旦发生任何纰漏，比如管道破裂等等，极易引起火灾、爆炸等恶性后果。随着时间的推移，这些隐患将会逐渐地暴露出来。在巨大的安全隐患下，全球开始加强对管道运输安全的监管。传统的管道检测是由工作人员亲自完成，存在一定的危险性，并且检测效率较低。尤其对于内部比较狭窄的管道或者输送有毒气体的管道，检测人员根本不能进行任何检测，为了管道能够安全作业，而管道检测机器人应运而生。根据不同的行走方式，管道机器人可以分为履带式、轮式、足式和蠕动式等。螺旋驱动的管道机器人为一类轮式驱动结构，因其结构简单、控制方便、运行效率高受到了广泛关注。

目前，已有的螺旋驱动机器人多为单体式结构，且运行的管径小于200mm。如中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室的李鹏提出了一种具有轴向和周向探查功能的螺旋驱动管内机器人；中北大学陈伶提出的六轮螺旋驱动机器人；西安理工大学刘敏提出了一种适用于小管径的多节式螺旋驱动管道机器人；以及在专利CN201210481893、CN201210540543、CN201310691308、CN201710590249、CN201811586121中提出的基于螺旋驱动原理的管道机器人，但是驱动力不强，运行效率低、管道通过性一般，不能适应于较大管径的变化，以及应对管道内存在的非结构性障碍。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够实现对管道周向的自动探查和检测、大幅节省人力、提高管道检测效率、维护管道安全的多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人。

技术方案：本发明所述的一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人，包括头部螺旋单元、支撑单元和尾部螺旋单元，支撑单元与头部螺旋单元和尾部螺旋单元相连，支撑单元内设置驱动电机，电机轴和十字联轴器固连来传递扭矩，分别驱动头部螺旋单元和尾部螺旋单元，头部螺旋单元、支撑单元和尾部螺旋单元均包括变径机构、传动装置。

变径机构包括第一支撑轮、第一轴承座、电机支架、同步带、第一光杠、第一丝杠、第一同步带轮、变径电机、第二支撑轮、第二轴承座、第二光杠、第二丝杠和第二同步带轮，变径电机和电机支架固连，大锥齿设置在变径电机的电机轴上，大锥齿与小锥齿啮合，大锥齿可以同时带动均布的小锥齿旋转，小锥齿和第一丝杠固连，第一光杠、第一丝杠与第一支撑轮、第一轴承座相连，第二光杠、第二丝杠与第二支撑轮、第二轴承座相连，第一丝杠上设置第一同步带轮，第二丝上设置第二同步带轮，第一同步带轮、第二同步带轮通过同步带相连，实现同步运动。第一支撑轮和第二支撑轮相同，可以实现被动柔性变径。第一支撑轮包括行走轮、推杆、压缩弹簧、丝杠螺母和限位销钉，可以自由旋转的行走轮与推杆相连，推杆通过压缩弹簧与丝杠螺母相连，推杆通过压缩弹簧实现支撑，限位销钉安装在丝杠螺母的限位槽内，用于限制压缩弹簧的压缩行程。变径机构的数量为三个。

头部螺旋单元和尾部螺旋单元还包括互相平行的第一端部盖板、第二端部盖板、支撑板，所述第一端部盖板、第二端部盖板和第一防尘盖板围合成封闭空间，第一端部盖板和支撑板通过第一支撑杆相连，第二端部盖板和支撑板通过第二支撑杆相连，第二端部盖板、支撑板之间设置头部支撑座和电池。第一端部盖板上设置检视口，检视口由透明有机玻璃板密封。

支撑单元还包括第二防尘盖板、第三端部盖板、第四端部盖板、底板、第一驱动电机安装板和第二驱动电机安装板，第二防尘盖板、第三端部盖板、第四端部盖板围合成封闭空间，第一驱动电机安装板和第二驱动电机安装板之间设置双电机驱动机构和支撑单元电池管理系统，支撑单元电池管理系统与底板相连。中部的底板主要用来承重，安装驱动电机的电池，由于中部承载重量较大电机、电池等，底板可以增加结构强度，提升承载力。双电机驱动机构的电机输出轴和小齿轮固连，小齿轮和大齿轮啮合，所述大齿轮与第三端部盖板相连。

头部螺旋单元的行走轮和尾部螺旋单元的行走轮与机器人的中心轴线存在一个螺旋升角，所述头部螺旋单元的行走轮与尾部螺旋单元的行走轮的螺旋升角方向相反。

工作原理：中间的支撑单元内安装有两台驱动电机，电机轴和十字联轴器固连来传递扭矩，分别驱动头部螺旋单元和尾部螺旋单元。头部螺旋单元和尾部螺旋单元的行走轮在安装时和机器人中心轴线存在一个螺旋升角，二者的螺旋升角方向相反，有利于抵消驱动头部螺旋单元和尾部螺旋单元旋转时电机的反向力矩。中间支撑单元的行走轮在安装时和机器人中心轴线平行，只起到支撑作用。机器人在管道内运行，轮子和管壁接触并压紧，压紧力由支撑轮内部的弹簧预紧力提供。整个机器人利用螺旋单元旋转时产生的轴向力运动。机器人采用多节式双驱动结构，每个单元相对独立，通过十字联轴器连接，能够在弯道中实现旋转驱动。机器人设计有变径机构，通过电机驱动锥齿轮和皮带轮实现同步刚性变径，设计具有压缩弹簧的支撑轮结构，实现柔性变径，使机器人既能适应于较大管径的变化，同时能够应对管道内存在的非结构性障碍。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、管道机器人，采用多节轮式运行，具备国标90度弯道、45度弯管、直管、坡道、垂直管道的通过性，能适应于较大管径的变化以及应对管道内存在的非结构性障碍；

2、采用头尾双驱动运行，驱动力强，运行效率高、管道通过性好；

3、具有刚柔混合变径功能，既能适应于较大管径的变化，同时能够应对管道内存在的非结构性障碍；

4、在旋转的头部或尾部驱动单元安装无线网络摄像头等装置，能够实现对管道周向的自动探查和检测，大幅节省人力，提高管道检测效率，维护管道安全。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明头部螺旋单元1的结构示意图；

图3是本发明头部螺旋单元1的透视图；

图4是本发明头部螺旋单元1内的变径机构4的爆炸图；

图5是本发明第一支撑轮401的结构示意图；

图6是本发明支撑单元2的结构示意图；

图7是本发明支撑单元2的透视图；

图8是本发明双电机驱动机构207的结构示意图；

图9是本发明尾部螺旋单元3的结构示意图。

具体实施方式

以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。

如图1，多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人机械结构由头部螺旋单元1、支撑单元2、尾部螺旋单元3组成。中间的支撑单元2可以加长中间支撑单元内安装有两台驱动电机，电机轴和十字联轴器6固连来传递扭矩，分别驱动头部螺旋单元1和尾部螺旋单元3。

如图2～3，头部螺旋单元1安装在机器人前端，为机器人运动提供驱动力。第一端部盖板101、第二端部盖板102、支撑板103、第一支撑杆106、第二支撑杆107、头部支撑座105共同构成头部螺旋单元1的框架结构，第一端部盖板101通过6根第一支撑杆106和中间的支撑板103固连，第二端部盖板102通过1根第二支撑杆107和头部支撑座105与中间的支撑板103固连。第一端部盖板101、第二端部盖板102上设有检视口108，检视口108由透明有机玻璃板密封，可以观测到机器人内部机构的运行情况。第一防尘盖板104沿机器人周向均布，分别和第一端部盖板101、第二端部盖板102、头部支撑座105固连。连接轴109和第二端部盖板102固连，连接轴109和十字联轴器6固连，将带动整个头部螺旋单元旋转。头部螺旋单元1的变径机构4安装在头部螺旋单元1的框架内，分别和支撑板103、头部支撑座105固连。电池110安装在头部螺旋单元1的框架内，和支撑板103固连。

如图4，头部螺旋单元1的传动装置5包括小锥齿501和大锥齿502，头部螺旋单元1的变径机构4中，变径电机410和电机支架405固连，安装在头部支撑座105上，大锥齿502固连在电机轴上，可以同时带动三个均布的小锥齿501旋转；每一个小锥齿501和一个梯形第一丝杠轴固连，梯形第一丝杠408上还安装有第一同步带轮409，梯形第一丝杠408和第一光杠407安装在第一轴承座402上，第二光杠413和梯形第二丝杠403安装在第二轴承座412上。第一丝杠408和第一光杠407上安装有一个第一支撑轮401，第二光杠413和第二丝杠403上安装有一个第二支撑轮411，梯形第一丝杠408、梯形第二丝杠403通过同步带406连接，实现同步运动。当变径电机410启动之后，大锥齿502同时带动三个均布的小锥齿501旋转，小锥齿501带动梯形第一丝杠408旋转，在第一同步带轮409、第二同步带轮404和同步带406的共同作用下，三组第一支撑轮401和第二支撑轮411将沿着梯形第一丝杠408和第一光杠407实现同步直线运动。

如图5，第二支撑轮411和第一支撑轮401结构相同，第一支撑轮401包括行走轮4011、推杆4012、压缩弹簧4013、丝杠螺母4014和限位销钉4015。变径机构4可以实现刚柔混合变径，这其中通过变径电机410驱动一组大锥齿501、小锥齿502实现刚性变径，通过第一支撑轮401实现被动柔性变径。行走轮4011安装在推杆4012上，可以自由旋转；推杆4012安装在丝杠螺母4014内，通过压缩弹簧4013实现支撑，限位销钉4015安装在丝杠螺母4014的限位槽内，限制弹簧4013的压缩行程。

如图6～7，支撑单元2安装在机器人中部，为机器人提供主要支撑，并用于安装无线控制系统和驱动电机。第三端部盖板202、第四端部盖板203、第一驱动电机安装板205、第二驱动电机安装板206、第三支撑杆208、第四支撑杆209、中部支撑座210、底板204共同构成支撑单元2的框架结构。第三端部盖板202通过6根第三支撑杆208和第一驱动电机安装板205固连，第一驱动电机安装板205通过中部支撑座210和一根第四支撑杆209与第二驱动电机安装板206固连，第二驱动电机安装板206通过6根第五支撑杆211与第四端部盖板203固连。和头部螺旋单元1相类似，支撑单元2的第三端部盖板202、第四端部盖板203上设有检视口，检视口由透明有机玻璃板密封，可以观测到机器人内部机构的运行情况。第二防尘盖板201沿机器人周向均布，分别和第三端部盖板202、第四端部盖板203、第一驱动电机安装板205、第二驱动电机安装板206固连。变径机构4安装在支撑单元2的框架内，分别和第一驱动电机安装板205、第二驱动电机安装板206固连，支撑单元2内的变径机构4结构与头部螺旋单元1的变径机构4的结构相同。双电机驱动机构207安装在支撑单元2的框架内，分别和第一驱动电机安装板205、第二驱动电机安装板206固连。支撑单元2的电池管理系统212安装在支撑单元2的框架内，和底板204固连。如图8，双电机驱动机构207实现对头部螺旋单元1和尾部螺旋单元3的同步驱动，两台驱动电机的端部有安装孔，分别固定在第一驱动电机安装板205、第二驱动电机安装板206上，电机输出轴和小齿轮503固连，小齿轮503和大齿轮504啮合，大齿轮504通过法兰盘213安装在第三端部盖板202上。

如图9，尾部螺旋单元3将安装在机器人尾端，为机器人运动提供驱动力。其结构形式和头部驱动单元1相类似，运行原理和头部驱动单元1相同。只需要将行走轮4011和机器人中心轴线的螺旋升角调成与头部驱动单元1的相反即可。

管道机器人自身可以携带电池，可以通过无线控制实现运动。检测人员将机器人放入待检测的管道中，根据管道直径，通过驱动变径电机410运动使支撑轮贴紧在管道内壁，并能够提供一定的预紧力(预紧力可以根据实际弹簧刚度和梯形丝杠导程进行计算)。启动驱动双电机驱动机构207，电机会带动头部螺旋单元1和尾部螺旋单元3同步旋转，实现螺旋驱动，机器人将会沿着惯导内壁行走，更改双电机驱动机构207的旋转方向，即可实现反向行走。通过在机器人内安装信号传输及检测装备，可以实现对机器人的检测。例如：在旋转的头部或尾部安装无线摄像头，可以实现对管道周向的检测。

Claims (6)

1.一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人，其特征在于：包括头部螺旋单元(1)、支撑单元(2)和尾部螺旋单元(3)，所述支撑单元(2)与头部螺旋单元(1)和尾部螺旋单元(3)相连，所述支撑单元(2)内设置驱动电机，分别驱动头部螺旋单元(1)和尾部螺旋单元(3)，所述头部螺旋单元(1)、支撑单元(2)和尾部螺旋单元(3)均包括变径机构(4)、传动装置(5)；所述头部螺旋单元(1)的行走轮(4011)和尾部螺旋单元(3)的行走轮(4011)与机器人的中心轴线存在一个螺旋升角，所述头部螺旋单元(1)的行走轮(4011)与尾部螺旋单元(3)的行走轮(4011)的螺旋升角方向相反；

所述变径机构(4)包括第一支撑轮(401)、第一轴承座(402)、电机支架(405)、同步带(406)、第一光杠(407)、第一丝杠(408)、第一同步带轮(409)、变径电机(410)、第二支撑轮(411)、第二轴承座(412)、第二光杠(413)、第二丝杠(403)和第二同步带轮(404)，所述变径电机(410)和电机支架(405)固连，所述传动装置(5)设置在变径电机(410)的电机轴上，和第一丝杠(408)固连，所述第一光杠(407)、第一丝杠(408)与第一支撑轮(401)、第一轴承座(402)相连，所述第二光杠(413)、第二丝杠(403)与第二支撑轮(411)、第二轴承座(412)相连，所述第一丝杠(408)上设置第一同步带轮(409)，所述第二丝杠(403)上设置第二同步带轮(404)，所述第一同步带轮(409)、第二同步带轮(404)通过同步带(406)相连；

第一支撑轮(401)和第二支撑轮(411)相同；

所述第一支撑轮(401)包括行走轮(4011)、推杆(4012)、压缩弹簧(4013)、丝杠螺母(4014)和限位销钉(4015)，所述行走轮(4011)与推杆(4012)相连，所述推杆(4012)通过压缩弹簧(4013)与丝杠螺母(4014)相连，所述限位销钉(4015)安装在丝杠螺母(4014)的限位槽内，用于限制压缩弹簧(4013)的压缩行程。

2.根据权利要求1所述的一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人，其特征在于：所述变径机构(4)的数量为三个。

3.根据权利要求1所述的一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人，其特征在于：所述头部螺旋单元(1)和尾部螺旋单元(3)还包括互相平行的第一端部盖板(101)、第二端部盖板(102)、支撑板(103)，所述第一端部盖板(101)、第二端部盖板(102)和第一防尘盖板(104)围合成封闭空间，所述第一端部盖板(101)和支撑板(103)通过第一支撑杆(106)相连，所述第二端部盖板(102)和支撑板(103)通过第二支撑杆(107)相连，所述第二端部盖板(102)、支撑板(103)之间设置头部支撑座(105)和电池(110)。

4.根据权利要求3所述的一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人，其特征在于：所述第一端部盖板(101)上设置检视口(108)。

5.根据权利要求1所述的一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人，其特征在于：所述支撑单元(2)还包括第二防尘盖板(201)、第三端部盖板(202)、第四端部盖板(203)、底板(204)、第一驱动电机安装板(205)和第二驱动电机安装板(206)，所述第二防尘盖板(201)、第三端部盖板(202)、第四端部盖板(203)围合成封闭空间，所述第一驱动电机安装板(205)和第二驱动电机安装板(206)之间设置双电机驱动机构(207)和支撑单元电池管理系统(208)，所述支撑单元电池管理系统(208)与底板(204)相连。

6.根据权利要求5所述的一种多节式螺旋双驱动可变径管道检测机器人，其特征在于：所述双电机驱动机构(207)的电机输出轴和小齿轮(503)固连，所述小齿轮(503)和大齿轮(504)啮合，所述大齿轮(504)与第三端部盖板(202)相连。

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