CN110425377B - 一种双向运动的惯性管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双向运动的惯性管道机器人，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双向工作。本发明主要包括壳体，惯性激振机构，惯性激振机构包括旋转动力源、三个串联的非圆齿轮和两个相同的偏心机构，惯性激振机构置于机器人壳体内部。两个偏心机构之间通过一对同步圆柱齿轮传动，两个非圆齿轮的回转轴通过两个超越离合器分别与两个同步圆柱齿轮回转轴连接，两个超越离合器的工作方向相反。惯性机器人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动力源与主动驱动足之间必须要动密封的缺陷，适合狭小、高压、腐蚀、易燃、高温等极端恶劣的管道作业环境。

Description

一种双向运动的惯性管道机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种双向运动的惯性管道机器人。

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双向运行。然而惯性驱动机器人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将驱动构件置于密闭的壳体内，不与外界环境接触，不需要主动驱动足，避免传统驱动方式的动力源与主动驱动足之间必须要密封的缺陷，即可防止管道中的腐蚀流体对动力原件的侵蚀，保证驱动系统的可靠性，又能避免动力系统漏电，引发管道内可燃物质的爆炸，即从原理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；使用非圆齿轮实现非对称惯性驱动的形式具有更高的可靠性；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；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，且在小型化方面具有很大的潜力。

发明内容

为了实现管道机器人在恶劣管道环境中双向运动，本发明提出一种双向运动的惯性管道机器人驱动系统。该系统不需要例如腿、轮子、螺旋桨等推进构件，只需要依靠内部构件的惯性力，便可以在各种阻尼环境下高效率运行；当管道直径发生变化时机器人的弹性支承足可以使得机器人顺利通过管道。该机器人可以在腐蚀性高压等恶劣环境下高效率双向运行。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

具体地，本发明提供一种双向运动的惯性管道机器人，其包括机器人壳体和惯性激振机构，所述机器人壳体与管道内壁弹性接触，所述惯性激振机构设置于机器人壳体内部；

所述惯性激振机构包括旋转动力源、三个串联的非圆齿轮和两个相同的偏心机构，所述偏心机构包括第一偏心机构和第二偏心机构，第一偏心机构和第二偏心机构之间通过一对同步圆柱齿轮传动连接，每一个偏心机构产生的惯性力的合力在管道轴线的垂线方向为0；

三个串联的非圆齿轮包括设置在中间位置的主动非圆齿轮以及设置在所述主动非圆齿轮两侧的第一从动非圆齿轮和第二从动非圆齿轮，旋转动力源的输出轴与主动非圆齿轮的回转轴固定连接，第一从动非圆齿轮和第二从动非圆齿轮的回转轴分别通过一个超越离合器与两个同步圆柱齿轮的回转轴连接；两个超越离合器的工作方向相反。

优选地，旋转动力源的输出轴与主动非圆齿轮通过弹性联轴器连接，将旋转动力源的恒速旋转动力传递给啮合的齿轮组，主动非圆齿轮同时驱动两个从动非圆齿轮，将旋转动力源输出的恒速旋转动力转化为变速旋转动力，两个从动非圆齿轮分别与方向相反的超越离合器的输入轴连接，方向相反的两个超越离合器的输出轴分别与两同步圆柱齿轮连接，同步圆柱齿轮随着从动非圆齿轮变速运动，两个同步圆柱齿轮模数和齿数均相同。

优选地，第一偏心机构包括绕转轴转动的第一偏心质量块，第二偏心机构包括绕转轴转动的第二偏心质量块。

优选地，所述机器人壳体上固定有多个弹性支承足，所述弹性支承足为滑靴式弹性支承足、纤维式弹性支承足或轮式弹性支承足。

优选地，所述滑靴式弹性支承足包括弹簧和滑靴，所述滑靴上设置有固定的套筒，所述机器人壳体表面设置有导向杆，滑靴的套筒与导向杆间隙配合，弹簧设置于滑靴和机器人壳体之间。

优选地，所述纤维式弹性支承足由纤维组成，所述纤维的方向与前进方向垂直或与前进方向成一定夹角，所述机器人壳体与管道内壁仅依靠纤维接触。

优选地，所述轮式弹性支承足包括弹簧、轮子、单向轴承和回转轴，所述轮子通过单向轴承安装在回转轴上，所述回转轴上设置有一个固定的套筒，所述机器人壳体表面设置有导向杆，套筒与导向杆间隙配合，所述弹簧设置于轮子和机器人壳体之间。

优选地，主动非圆齿轮、第一从动非圆齿轮和第二从动非圆齿轮的节曲线阶数均为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垂直。

优选地，主动非圆齿轮与第一从动非圆齿轮以及第二从动非圆齿轮的回转中心在同一条直线上，且该直线与水平方向平行并且与惯性管道机器人的运动方向垂直。

优选地，第一从动非圆齿轮、第二从动非圆齿轮和同步圆柱齿轮分别通过花键或者过盈配合与其各自的回转轴连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用模块化设计，能够通过简单的连接进行组合，易于扩充；与变速伺服电机直接驱动反向旋偏心质量块实现非对称惯性驱动相比，使用非圆齿轮实现非对称惯性驱动的形式具有更高的可靠性；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。

本发明采用的驱动方式可以将驱动构件置于密闭的壳体内，不与外界环境接触，不需要主动驱动足，避免传统驱动方式的动力源与主动驱动足之间必须要密封的缺陷，即可防止管道中的腐蚀流体对动力原件的侵蚀，保证驱动系统的可靠性，又能避免动力系统漏电，引发管道内可燃物质的爆炸，即从原理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；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是惯性管道机器人机构原理简图。

图2是滑靴式惯性管道机器人机构简图。

图3是纤维式惯性管道机器人机构简图。

图4是轮式惯性管道机器人机构简图。

图5a是惯性管道机器人前进驱动原理示意图之一。

图5b是惯性管道机器人前进驱动原理示意图之二。

图6a是惯性管道机器人后退驱动原理示意图之一。

图6b是惯性管道机器人后退驱动原理示意图之一。

图7是增加非圆齿轮的惯性力合成图。

附图标号：

1-第二从动非圆齿轮；2-弹性支承足；3-第四轴；4-顺时针旋转的超越离合器；5-第二同步圆柱齿轮；6-第二偏心质量块；7-封闭壳体；8-第三轴；9-第二轴；10-管道；11-第一偏心质量块；12-第一同步圆柱齿轮；13-逆时针旋转的超越离合器；14-第一轴；15-第一从动非圆齿轮；16-主动非圆齿轮；17-电机；18-滑靴式弹性支承足弹簧；19-滑靴；20-纤维；21-回转轴；22-单向轴承；23-轮子；24-轮式弹性支承足弹簧。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本实施例旋转动力源为电机。

具体而言，一种双向运动的惯性管道机器人采用模块化设计，能够通过简单的连接进行组合，易于扩充结构如图1所示。惯性管道机器人主要包括机器人电机17、惯性力激发机构、封闭壳体7以及若干组弹性支承足2等组成。

惯性力激发机构主要由主动非圆齿轮16、第一从动非圆齿轮15、第二从动非圆齿轮1、顺时针旋转的超越离合器4、逆时针旋转的超越离合器13、第一同步圆柱齿轮12、第二同步圆柱齿轮5、第一偏心质量块11以及第二偏心质量块6组成。

封闭壳体7为全密封箱体，无需密封件，可以在高压、腐蚀、有毒液体或气体等恶劣环境中保护壳体内的构件。电机17与封闭壳体7固定连接。电机输出轴与主动非圆齿轮16通过弹性联轴器连接；

第一从动非圆齿轮15通过花键或者过盈配合与第一轴14连接。第二从动非圆齿轮1通过花键或者过盈配合与第四轴3连接。

主动非圆齿轮16与第一从动非圆齿轮15以及第二从动非圆齿轮1的回转中心在同一条直线上，且该直线与水平方向平行与惯性管道机器人运动方向垂直。

主动非圆齿轮16同时驱动第一从动非圆齿轮15和第二从动非圆齿轮1，第一从动非圆齿轮15与逆时针旋转的超越离合器13输入轴连接，第二从动非圆齿轮1与顺时针旋转的超越离合器4输入轴连接；第一同步圆柱齿轮12与逆时针旋转的超越离合器13输出轴连接，第二同步圆柱齿轮5与顺时针旋转的超越离合器4输出轴连接；第一同步圆柱齿轮12以及第二同步圆柱齿轮5的模数和齿数相同。

主动非圆齿轮16、第一从动非圆齿轮15以及第二从动非圆齿轮1的节曲线相同，形状相同。其可以是椭圆形、星形、心形或其他非圆形状。

第一同步圆柱齿轮12通过花键或者过盈配合与第二轴9连接。第二同步圆柱齿轮5通过花键或者过盈配合与第三轴8连接。

第一同步圆柱齿轮12和第二同步圆柱齿轮5关于其回转中心连线与水平方向平行与惯性管道机器人运动方向垂直。

第一偏心质量块11和第二偏心质量块6通过缩紧螺母与第二轴9和第三轴8连接。

第一轴14、第二轴9、第三轴8以及第四轴3的轴向和径向与封闭壳体7间隙配合连接，可以相对于封闭壳体7轻松旋转。

电机17、惯性力激发机构安装在封闭壳体7中，不与外界环境接触。

在封闭壳体7外侧圆周均布若干弹性支承足2，机器人壳体与管道内壁仅依靠弹性支撑足接触，通过调整弹性支承足变形量可以控制驱动系统与管道内壁间的摩擦力。弹性支承足可以为滑靴式弹性支承足、纤维式弹性支承足以及轮式弹性支承足。

在一个实施例中，如图2所示，滑靴式弹性支承足由弹簧18和滑靴19组成，滑靴19上有固定的套筒。

滑靴式惯性管道机器人封闭壳体7外侧布置滑靴式弹性支承足，滑靴式弹性支承足沿管道圆周方向均布。

在本实施例中，滑靴式惯性管道机器人封闭壳体7外侧均布6只滑靴式弹性支承足。

滑靴式惯性管道机器人在封闭壳体7外表面设置有导向杆。滑靴式惯性管道机器人的导向杆与滑靴的套筒间隙配合。

另外，在滑靴19和封闭壳体7之间设置有弹簧18。

在另一个实施例中，如图3所示，纤维式弹性支承足由纤维20组成。

纤维式惯性管道机器人封闭壳体7外侧均布多组纤维式弹性支承足。

所有纤维的直径相同，因此固有振动频率相同。纤维20的方向可以与前进方向垂直，也可以与前进方向成一定夹角。

在另一个实施例中，如图4所示，轮式弹性支承足由回转轴21、单向轴承22、轮子23以及弹簧24组成，回转轴21上有一个固定的套筒。

在本实施例中，轮式惯性管道机器人封闭壳体7外侧布置轮式弹性支承足，轮式弹性支承足沿管道圆周方向均布。

轮式惯性管道机器人壳体2外侧均布6只轮式弹性支承足。

轮式惯性管道机器人封闭壳体7外表面有导向杆。轮子23通过单向轴承22安装在回转轴21上。轮式惯性管道机器人的导向杆与轮式弹性支承足的套筒间隙配合。轮子23和封闭壳体7之间设置有弹簧24。

当电机直接驱动第一同步圆柱齿轮12与第二同步圆柱齿轮5时，产生的惯性力与传统激振器惯性力产生原理类似：即节圆半径相等的第一同步圆柱齿轮12与第二同步圆柱齿轮5带动质量和形状相同的第一偏心质量块11以及第二偏心质量块6，第一偏心质量块11以及第二偏心质量块6对称分布。由于第一同步圆柱齿轮12与第二同步圆柱齿轮5的模数和齿数相同。相同的齿数和模数能够确保第一同步圆柱齿轮12与第二同步圆柱齿轮5的传动比始终为1，使得第一偏心质量块11与第二偏心质量块6对心旋转且速度大小始终相等，产生的惯性力可以分解为惯性管道机器人运动方向的分力和垂直于运动方向的分力。惯性力在垂直于运动方向的分力相互抵消，运动方向的分力相叠加，合力始终沿着管道方向按余弦曲线变化。因此对心旋转的第一偏心质量块11与第二偏心质量块6以恒定角速度运动时，第一偏心质量块11与第二偏心质量块6产生的惯性力为对称惯性力，机器人将始终沿着平衡点附近振荡，即驱动效率为0。

考虑到管道机器人弹性支承足与管道内壁之间为各向同性摩擦，为了振动驱动系统在一个周期内获得最大的位移，对心旋转的第一偏心质量块11与第二偏心质量块6必须以变角速度旋转，此时对心旋转的第一偏心质量块11与第二偏心质量块6产生的惯性力为非对称惯性力，振动驱动系统为非对称惯性驱动。为了实现这样的运动形式，需要在电机与同步圆柱齿轮之间添加非圆齿轮。

当电机与同步圆柱齿轮之间添加非圆齿轮后。由于非圆齿轮的非匀速传动特性，当主动非圆齿轮16输入匀速转动，第一从动非圆齿轮15与第二从动非圆齿轮1输出变速转动，且由于第一从动非圆齿轮15与第二从动非圆齿轮1外形相同，所以第一从动非圆齿轮15相对于主动非圆齿轮16与第二从动非圆齿轮1相对于主动非圆齿轮16的传递比函数相同，相位不同。

惯性管道机器人运动过程中仅需要对心旋转的偏心质量块为惯性管道机器人提供运动方向的惯性力即一维惯性力，为了提高惯性管道机器人运行效率，需要抵消垂直于惯性管道机器人运动方向的惯性力。因此，设定第一偏心质量块11和第二偏心质量块6形状大小相同，沿着回转中心连续的垂直平分线对称分布，以实现第一偏心质量块11和第二偏心质量块6在对心旋转的过程中产生的惯性力大小相等，在垂直于惯性管道机器人运动方向的分力相互抵消，运动方向的分力相叠加，使得惯性管道机器人产生的惯性力为一维惯性力，从而提高惯性管道机器人运行效率。

具体而言，第一从动非圆齿轮15与第二从动非圆齿轮1相对于主动非圆齿轮16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，管道机器人产生的惯性力为同性。当非圆齿轮阶数为奇数时，管道机器人产生的惯性力为异性。当非圆齿轮阶数大于1时，管道机器人产生的惯性力在正、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，但在第一偏心质量块11和第二偏心质量块6旋转的一个周期内，系统会多次出现前进和后退的交替，降低了管道机器人驱动效率。

主动非圆齿轮16、第一从动非圆齿轮15以及第二从动非圆齿轮1的阶数取1。避免了系统多次出现前进和后退的交替现象，可以提高惯性管道机器人的驱动效率。主动非圆齿轮16、第一从动非圆齿轮15以及第二从动非圆齿轮1均为非圆齿轮。

在运行的过程中第一偏心质量块11和第二偏心质量块6产生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，由于第一偏心质量块11和第二偏心质量块6的非对称惯性力作用，惯性管道机器人出现静止、后退和前进三种状态，后退状态降低了惯性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，此时惯性管道机器人受到较大的阻尼，惯性管道机器人无法实现运动。

由于管道内壁与惯性管道机器人弹性支承足之间的摩擦系数不易改变，通过调节预紧力，能够有效提高惯性管道机器人的驱动效率。

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，消除了惯性管道机器人后退现象，提高驱动效率。

滑靴式惯性管道机器人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第一偏心质量块11与第二偏心质量块6产生的非对称惯性力，当惯性力大于摩擦力时机器人发生移动。

滑靴式惯性管道机器人在经过变径管道时，安装在机器人封闭壳体7周边的滑靴式弹性支承足可以自由伸缩，从而使滑靴式惯性管道机器人在小范围内适应管径变化。具体而言，当管径由小变大时，由于滑靴式弹性支承足弹簧18存在预紧力，可以将滑靴19顶起，将滑靴19被压紧在管道内壁上；当管径由大变小时，滑靴式弹性支承足弹簧18可以收缩，滑靴19依然被压紧在管道内壁上。

纤维式惯性管道机器人由于纤维20的形变所以纤维弹性支承足与管道内壁之间存在预紧力，所有的纤维式弹性支承足都被压在管道内壁上，为运动的机器人提供摩擦力。纤维式惯性管道机器人同时受到地面的摩擦力和第一偏心质量块11与第二偏心质量块6产生的非对称惯性力，当惯性力大于摩擦力时机器人发生移动。

轮式惯性管道机器人所有的轮式弹性支承足与管道内壁之间始终存在预紧力，所有的轮式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。轮式惯性管道机器人同时受到地面的摩擦力和第一偏心质量块11与第二偏心质量块6产生的非对称惯性力，当惯性力大于摩擦力时机器人发生移动。

轮式惯性管道机器人在经过变径管道时，安装在机器人封闭壳体7周边的轮式弹性支承足可以自由伸缩，从而使轮式惯性管道机器人在小范围内适应管径变化。具体而言，当管径由小变大时，轮式弹性支承足的弹簧24可以将回转轴21顶起，将轮子23压紧在管道内壁上，当管径由大变小时，轮式弹性支承足的弹簧24可以收缩，轮子23依然被压紧在管道内壁上。轮式惯性管道机器人在运行的过程中，由于单向轴承的作用，轮式惯性管道机器人只能在管道内做单向运动。

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。

本实施例具体工作原理如下：

本实施例利用电机以匀速驱动主动非圆齿轮。

当电机17正向旋转驱动主动非圆齿轮16时，第一从动非圆齿轮15与第二从动非圆齿轮1随着主动非圆齿轮16逆向旋转。逆向旋转的第一从动非圆齿轮15驱动逆时针旋转的超越离合器13，此时逆时针旋转的超越离合器13输入轴与输出轴刚性连接，驱动同步圆柱齿轮12逆向旋转；同时逆向旋转的第二从动非圆齿轮1驱动顺时针旋转的超越离合器4，此时顺时针旋转的超越离合器输入轴与输出轴脱离连接。因此，当电机17驱动主动非圆齿轮16正向旋转时，第一同步圆柱齿轮12逆向旋转为主动轮，第二同步圆柱齿轮5正向旋转为从动轮。第一偏心质量块11与第二偏心质量块6随着同步圆柱齿轮旋转，产生的惯性力在运动方向的分力等大同向相互叠加，在垂直于运动方向的分力等大反向相互抵消，故第一偏心质量块11与第二偏心质量块6产生的惯性力沿着运动方向。

非圆齿轮的变传动比特性使得电机17输出的恒速转动经过非圆齿轮传动后变成变速转动，此时第一同步圆柱齿轮12与第二同步圆柱齿轮5随着第一从动非圆齿轮15做变速运动，与其刚性连接的第一偏心质量块11与第二偏心质量块6也作变速运动，如图5a和图5b所示。当第一偏心质量块11与第二偏心质量块6位于正前方时，此时第一从动非圆齿轮15的角速度达到最大值，第一偏心质量块11与第二偏心质量块6产生的惯性力正向最大。

当电机17反向旋转驱动主动非圆齿轮16时，第一从动非圆齿轮15与第二从动非圆齿轮1随着主动非圆齿轮16正向旋转。正向旋转的第二从动非圆齿轮1驱动顺时针旋转的超越离合器，此时顺时针旋转的超越离合器输入轴与输出轴刚性连接，驱动第二同步圆柱齿轮5正向旋转；同时正向旋转的第一从动非圆齿轮15驱动逆时针旋转的超越离合器，此时逆时针旋转的超越离合器输入轴与输出轴脱离连接；因此，当电机17驱动主动非圆齿轮16反向旋转时，第二同步圆柱齿轮5正向旋转为主动轮，第一同步圆柱齿轮12逆向旋转为从动轮。第一偏心质量块11与第二偏心质量块6随着同步圆柱齿轮旋转，产生的惯性力在运动方向的分力等大同向相互叠加，在垂直于运动方向的分力等大反向相互抵消，故第一偏心质量块11与第二偏心质量块6产生的惯性力沿着运动方向。

非圆齿轮的变传动比特性使得电机17输出的恒速转动经过非圆齿轮传动后变成变速转动，此时第一同步圆柱齿轮12与第二同步圆柱齿轮5随着第二从动非圆齿轮1做变速运动，与其刚性连接的第一偏心质量块11与第二偏心质量块6也作变速运动，如图5所示。此时主动非圆齿轮16与第二从动非圆齿轮1之间的传动比达到最小，当主动非圆齿轮16随着电机反向旋转半周时，第一从动非圆齿轮15、第二从动非圆齿轮1以及第二偏心质量块6同时正向旋转半周，第一偏心质量块11反向旋转半周，此时非圆齿轮如图6a和图6b所示。第一偏心质量块11与第二偏心质量块6位于正后方，第二从动非圆齿轮1的角速度达到最大值，第一偏心质量块11与第二偏心质量块6产生的惯性力反向最大。

在机器人壳体2外侧布置弹性支承足，弹性支承足沿管道圆周方向均布。弹性支承足固定在外壳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7与偏心质量块5的非对称惯性力，当惯性力大于摩擦力时机器人发生移动。

由上述分析可知，采用非圆齿轮变速传动后，管道机器人在行进方向上产生周期变化的非对称惯性力，且管道机器人受到弹性支承足与管道内壁之间的摩擦力和偏心质量块产生的惯性力，当惯性力大于摩擦力时机器人发生移动。如图7中上方的曲线，机器人所受到的外部摩擦力为Ff，在0时刻，惯性力绝对值小于Ff，系统处于静止状态，速度v为0，如图7中下方的曲线所示；当惯性力绝对值在t1处超过Ff时，系统开始加速移动，到达时刻t2后系统减速移动，直到时刻t3，在惯性力和摩擦力的作用下，系统停止移动，完成一个运动周期。在惯性力的下一个周期中，系统重复上述运动，从而在非对称惯性力下实现单方向的移动。

当非对称惯性驱动系统的最大惯性力小于弹性支承足和管道内壁的摩擦阻力时，管道机器人振动无法产生，从而驱动系统失效。所以保证管道机器人正常驱动作业的条件是非对称惯性驱动系统的最大惯性力必须大于弹性支承足和管道内壁的摩擦阻力。

总而言之，当电机正向旋转时，机器人向前运动，当电机反向旋转时，机器人向后运动。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种双向运动的惯性管道机器人，其特征在于：其包括机器人壳体和惯性激振机构，所述机器人壳体与管道内壁弹性接触，所述惯性激振机构设置于机器人壳体内部；

所述惯性激振机构包括旋转动力源、三个串联的非圆齿轮和两个相同的偏心机构，所述两个偏心机构包括第一偏心机构和第二偏心机构，第一偏心机构和第二偏心机构之间通过一对同步圆柱齿轮传动连接，每一个偏心机构产生的惯性力的合力在管道轴线的垂线方向为0；

三个串联的非圆齿轮包括设置在中间位置的主动非圆齿轮以及设置在所述主动非圆齿轮两侧的第一从动非圆齿轮和第二从动非圆齿轮，旋转动力源的输出轴与主动非圆齿轮的回转轴固定连接，第一从动非圆齿轮和第二从动非圆齿轮的回转轴分别通过一个超越离合器与两个同步圆柱齿轮的回转轴连接；两个超越离合器的工作方向相反；

旋转动力源的输出轴与主动非圆齿轮通过弹性联轴器连接，将旋转动力源的恒速旋转动力传递给啮合的齿轮组，主动非圆齿轮同时驱动第一从动非圆齿轮和第二从动非圆齿轮，将旋转动力源输出的恒速旋转动力转化为变速旋转动力，第一从动非圆齿轮和第二从动非圆齿轮分别与方向相反的超越离合器的输入轴连接，方向相反的两个超越离合器的输出轴分别与两个同步圆柱齿轮连接，同步圆柱齿轮随着第一从动非圆齿轮和第二从动非圆齿轮变速运动，两个同步圆柱齿轮模数和齿数均相同。

2.根据权利要求1所述的双向运动的惯性管道机器人，其特征在于：第一偏心机构包括绕转轴转动的第一偏心质量块，第二偏心机构包括绕转轴转动的第二偏心质量块。

3.根据权利要求1所述的双向运动的惯性管道机器人，其特征在于：所述机器人壳体上固定有多个弹性支承足，所述弹性支承足为滑靴式弹性支承足、纤维式弹性支承足或轮式弹性支承足。

4.根据权利要求3所述的双向运动的惯性管道机器人，其特征在于：所述滑靴式弹性支承足包括弹簧和滑靴，所述滑靴上设置有固定的套筒，所述机器人壳体表面设置有导向杆，滑靴的套筒与导向杆间隙配合，弹簧设置于滑靴和机器人壳体之间。

5.根据权利要求3所述的双向运动的惯性管道机器人，其特征在于：所述纤维式弹性支承足由纤维组成，所述纤维的方向与前进方向成一定夹角，所述机器人壳体与管道内壁仅依靠纤维接触。

6.根据权利要求3所述的双向运动的惯性管道机器人，其特征在于：所述轮式弹性支承足包括弹簧、轮子、单向轴承和回转轴，所述轮子通过单向轴承安装在所述轮式弹性支承足的回转轴上，所述轮式弹性支承足的回转轴上设置有一个固定的套筒，所述机器人壳体表面设置有导向杆，套筒与导向杆间隙配合，所述弹簧设置于轮子和机器人壳体之间。

7.根据权利要求1所述的双向运动的惯性管道机器人，其特征在于：主动非圆齿轮、第一从动非圆齿轮和第二从动非圆齿轮的节曲线阶数均为1，第一从动非圆齿轮和第二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垂直。

8.根据权利要求7所述的双向运动的惯性管道机器人，其特征在于：主动非圆齿轮与第一从动非圆齿轮以及第二从动非圆齿轮的回转中心在同一条直线上，且该直线与水平方向平行并且与惯性管道机器人的运动方向垂直。

9.根据权利要求1所述的双向运动的惯性管道机器人，其特征在于：第一从动非圆齿轮、第二从动非圆齿轮和同步圆柱齿轮分别通过花键或者过盈配合与其各自的回转轴连接。

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