CN110566753B - 一种自适应自主转向的轮式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应自主转向的轮式管道机器人，包括箱体、弹性伸缩臂、第一驱动机构、连接机构、行星轮系机构、蜗轮蜗杆机构、皮带传动机构、第二驱动机构、第一制动器和第二制动器。通过弹性伸缩臂绕竖直轴的旋转和蜗轮蜗杆机构将动力通过涡轮传递至皮带传动机构的滚轮b，使滚轮b沿管壁向前运动，实现机器人的转弯，有效地解决了管道机器人自主转向的问题。通过弹性伸缩臂和皮带传动机构的协同作用以适应管径的变化，通过万向节叉实现箱体与行星轮系机构的柔性连接，增强了机器人的自适应性。

Description

一种自适应自主转向的轮式管道机器人

技术领域

本发明涉及管道机器人领域，具体是一种自适应自主转向的轮式管道机器人。

背景技术

现如今，管道输送作为一种重要的物料运输方式，广泛的应用于城市排水、石油输送、天然气输送等领域，随着管道使用时间的增加，在化学腐蚀、老化等因素的影响下容易造成管道的裂纹和破坏，然而大部分管道埋设于地下或难以操作的环境中，人工的检测与维护十分的困难。

申请号为201721561809.7的文献公开了一种自适应不同管径螺旋式行进的多功能管道机器人，该管道机器人可以在管道内前进与后退，但是不能实现自主转向，只能在变径直管内行进，无法在弯管等复杂管道内使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种自适应自主转向的轮式管道机器人。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种自适应自主转向的轮式管道机器人，其特征在于该管道机器人包括箱体、弹性伸缩臂、第一驱动机构、连接机构、行星轮系机构、蜗轮蜗杆机构、皮带传动机构、第二驱动机构、第一制动器和第二制动器；

所述第二驱动机构包括主轴、第二电机、电机支撑座、弹簧b和连接柱；所述第二电机固定在电机支撑座上，其输出轴与主轴的一端连接；连接柱的一端固定于电机支撑座上，另一端固定于蜗轮蜗杆机构的支撑架的一端面上；连接柱上套装有弹簧b，弹簧b的一端固定于连接柱上；

所述皮带传动机构包括连杆支撑座和至少三个皮带传动组；所述连杆支撑座嵌套于连接柱上，与连接柱构成移动副；弹簧b的另一端与连杆支撑座固定连接；每个皮带传动组均包括第一带轮、同步带、第二带轮、轴b、长连杆、短连杆、滚轮b和轴a；两个长连杆通过轴a和轴b平行连接；轴a可转动地安装于两个长连杆上，轴a铰接在蜗轮蜗杆机构的支撑架上，轴a的一端固定有第一带轮；轴b可转动地安装于两个长连杆上，轴b与第一带轮同侧的一端安装有第二带轮；第二带轮内轴面为棘轮，轴b上安装有棘爪，两者组成棘轮机构；第一带轮和第二带轮通过同步带连接；滚轮b固定在轴b上，位于两个长连杆之间；短连杆的一端铰接于连杆支撑座上，另一端铰接于长连杆上；

所述蜗轮蜗杆机构包括蜗杆、涡轮、长套筒和支撑架；所述蜗杆可转动地安装在主轴外侧；蜗杆可转动地安装在支撑架内部；至少三个涡轮呈周向均布且均与蜗杆啮合，每个涡轮分别固定在各自的轴a上，位于两个长连杆之间；

所述行星轮系机构包括行星架、行星轮、内齿圈、太阳轮支架、太阳轮、输出轴、轴承c、弹性挡圈b、短柱、轴承d、轴承e、轴承f、弹性挡圈c和端盖；所述端盖与蜗轮蜗杆机构的支撑架固定连接；太阳轮支架可转动地安装于主轴外侧，可转动地安装于蜗轮蜗杆机构的支撑架内部；太阳轮支架的一端与蜗杆固定连接，另一端内侧固定有内齿圈；主轴的另一端依次穿过皮带传动机构的连杆支撑座、蜗轮蜗杆机构的蜗杆和行星轮系机构的太阳轮支架，与行星轮系机构的太阳轮固定连接；若干个行星轮均与太阳轮和内齿圈啮合；若干个短柱固定于行星架上；每个行星轮均可转动地安装于各自的短柱上；输出轴穿过端盖与端盖可转动连接，一端与行星架固定连接；所述第一制动器固定在输出轴上；第二制动器固定在太阳轮支架上；

所述连接机构用于实现箱体与行星轮系机构的柔性连接；所述第一驱动机构用于驱动弹性伸缩臂绕竖直轴做旋转运动；

所述弹性伸缩臂包括内滑柱、弹性臂轴、弹簧a、外滑柱和滚轮a；两个外滑柱固定在旋转轴的两端；内滑柱嵌套在外滑柱内，两者构成移动副；弹簧a的一端与内滑柱固定连接，另一端与外滑柱固定连接，弹簧a的弹力实现内滑柱在外滑柱内上下浮动；滚轮a通过弹性臂轴可转动地安装在内滑柱上，与管道接触。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、通过弹性伸缩臂绕竖直轴的旋转和蜗轮蜗杆机构将动力通过涡轮传递至皮带传动机构的滚轮b，使滚轮b沿管壁向前运动，实现机器人的转弯，有效地解决了管道机器人自主转向的问题，使机器人能在弯管等复杂管道内进行。

2、通过弹性伸缩臂和皮带传动机构的协同作用以适应管径的变化；当管径发生变化时，弹性伸缩臂受到管壁在竖直方向上的挤压能在管道内上下浮动，与此同时皮带传动机构的长连杆受到管壁挤压在弹簧b的作用下绕轴a来回转动使长连杆展开与收缩从而适应管径变化，增强了机器人的自适应性。

3、通过两个制动器的配合使用，将第二驱动机构的动力切换至蜗轮蜗杆机构的相应部件上，以适应机器人在直管与弯管中的行进。

4、通过万向节叉实现箱体与行星轮系机构的柔性连接，使机器人在复杂管道环境中能自主调节箱体的位置，进一步增强了机器人的自适应性。

附图说明

图1为本发明的整体结构主视示意图；

图2为本发明的箱体内部结构立体示意图；

图3为本发明的弹性伸缩臂的左视剖视示意图；

图4为本发明的第一万向节叉安装示意图；

图5为本发明的行星轮系机构、蜗轮蜗杆机构、皮带传动机构和第二驱动机构的安装剖视图；

图6为本发明的行星轮系机构的结构示意图；

图7为本发明的蜗轮蜗杆机构与皮带传动机构的配合示意图；

图8为本发明的皮带传动机构与第二驱动机构的配合示意图；

图9为本发明的行星轮系机构部分零件的爆炸示意图；

图中，1、箱体；2、弹性伸缩臂；3、第一驱动机构；4、连接机构；5、行星轮系机构；6、蜗轮蜗杆机构；7、皮带传动机构；8、第二驱动机构；9、第一制动器；

21、内滑柱；22、弹性挡圈a；23、弹性臂轴；24、短销；25、弹簧a；26、外滑柱；27、轴承a；28、滚轮a；29、连接销；

31、旋转轴；32、轴承b；33、大齿轮；34、小齿轮；35、电机支架；36、第一电机；

41、第一万向节叉；42、十字轴；43、第二万向节叉；

51、行星架；52、行星轮；53、内齿圈；54、太阳轮支架；55、太阳轮；56、输出轴；57、轴承c；58、弹性挡圈b；59、短柱；510、轴承d；511、轴承e；512、轴承f；513、弹性挡圈c；514、端盖；

61、蜗杆；62、涡轮；63、轴承g；64、长套筒；65、轴承h；66、轴承i；67、支撑架；

71、第一带轮；72、同步带；73、第二带轮；74、轴b；75、长连杆；76、短连杆；77、连杆支撑座；78、滚轮b；79、套筒a；710、轴a；

81、主轴；82、第二电机；83、第二联轴器；84、电机支撑座；85、弹簧b；86、连接柱。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种自适应自主转向的轮式管道机器人(简称管道机器人，参见图1-9)，其特征在于该管道机器人包括箱体1、弹性伸缩臂2、第一驱动机构3、连接机构4、行星轮系机构5、蜗轮蜗杆机构6、皮带传动机构7、第二驱动机构8、第一制动器9和第二制动器(图中未画出)；

所述第二驱动机构8包括主轴81、第二电机82、电机支撑座84、弹簧b85和连接柱86；所述第二电机82固定在电机支撑座84上，其输出轴通过第二联轴器83与主轴81的一端连接；至少三个连接柱86沿电机支撑座84的周向均布，每个连接柱86的一端均固定于电机支撑座84上，另一端均固定于蜗轮蜗杆机构6的支撑架67的一端面上；连接柱86上均套装有弹簧b85，弹簧b85的一端固定于连接柱86上；

所述皮带传动机构7包括连杆支撑座77和至少三个皮带传动组；所述连杆支撑座77嵌套于连接柱86上，与连接柱86构成移动副；弹簧b85的另一端与连杆支撑座77固定连接，弹簧b85伸缩使每个皮带传动组能够上下浮动以适应管道管径的变化；每个皮带传动组均包括第一带轮71、同步带72、第二带轮73、轴b74、长连杆75、短连杆76、滚轮b78、套筒a79和轴a710；两个长连杆75通过轴a710和轴b74平行连接；轴a710通过轴承可转动地安装于两个长连杆75上，轴a710铰接在蜗轮蜗杆机构6的支撑架67上，轴a710的一端固定有第一带轮71；轴b74通过轴承可转动地安装于两个长连杆75上，轴b74与第一带轮71同侧的一端安装有第二带轮73；第二带轮73内轴面为棘轮，轴b74上安装有棘爪，两者组成棘轮机构；第一带轮71和第二带轮73通过同步带72连接；滚轮b78固定在轴b74上，位于两个长连杆75之间；滚轮b78的两侧均设置有套筒a79，对滚轮b78进行限位；短连杆76的一端铰接于连杆支撑座77上，另一端铰接于长连杆75的中部上；

另一替代方案是：两个长连杆75通过轴a710和轴b74平行连接；轴a710通过轴承可转动地安装于两个长连杆75上，轴a710铰接在蜗轮蜗杆机构6的支撑架67上，轴a710的一端固定有第一带轮71；轴b74通过轴承可转动地安装于两个长连杆75上，轴b74与第一带轮71同侧的一端固定有第二带轮73；第一带轮71和第二带轮73通过同步带72连接；滚轮b78通过单向轴承安装于轴b74上，位于两个长连杆75之间；滚轮b78的两侧均设置有套筒a79，对滚轮b78进行限位；短连杆76的一端铰接于连杆支撑座77上，另一端铰接于长连杆75的中部上；

所述蜗轮蜗杆机构6包括蜗杆61、涡轮62、轴承g63、长套筒64、轴承h65、轴承i66和支撑架67；所述蜗杆61通过轴承g63和轴承h65可转动地安装在主轴81外侧；长套筒64位于蜗杆61内且套装在主轴81上，长套筒64的一端与轴承g63的端面接触，另一端与轴承h65的端面接触，对轴承g63和轴承h65进行定位；蜗杆61通过轴承i66可转动地安装在支撑架67内部，蜗杆61可在支撑架67内做旋转运动；至少三个涡轮62呈周向均布且均与蜗杆61啮合，每个涡轮62分别固定在各自的轴a710上，位于两个长连杆75之间；涡轮62的数量与皮带传动组的数量匹配；

所述行星轮系机构5包括行星架51、行星轮52、内齿圈53、太阳轮支架54、太阳轮55、输出轴56、轴承c57、弹性挡圈b58、短柱59、轴承d510、轴承e511、轴承f512、弹性挡圈c513和端盖514；所述端盖514通过螺栓与蜗轮蜗杆机构6的支撑架67固定连接；太阳轮支架54通过轴承e511可转动地安装于主轴81外侧，通过轴承f512可转动地安装于蜗轮蜗杆机构6的支撑架67内部，保证主轴81和太阳轮支架54的旋转运动；太阳轮支架54的一端通过螺钉与蜗杆61固定连接，另一端内侧通过螺栓固定有内齿圈53；主轴81的另一端依次穿过皮带传动机构7的连杆支撑座77、蜗轮蜗杆机构6的蜗杆61和行星轮系机构5的太阳轮支架54，与行星轮系机构5的太阳轮55通过弹性挡圈c513固定连接；弹性挡圈c513用于对太阳轮55进行轴向定位；若干个行星轮52(本实施例为三个，呈周向均布)均与太阳轮55和内齿圈53啮合；若干个短柱59通过螺栓固定于行星架51上；每个行星轮52均通过轴承d510可转动地安装于各自的空心的短柱59上；轴承d510与短柱59之间安装有弹性挡圈b58，对轴承d510进行轴向定位；输出轴56穿过端盖514通过轴承c57与端盖514可转动连接，一端与行星架51固定连接；所述第一制动器9固定在输出轴56上；第二制动器固定在太阳轮支架54上；

所述连接机构4采用万向联轴器或万向节，包括第一万向节叉41、十字轴42和第二万向节叉43；第二万向节叉43的轴端通过第一联轴器(图中未画出)与输出轴56的另一端固定连接；十字轴42的水平端与第二万向节叉43的叉端相连，竖直端与第一万向节叉41的叉端相连；第一万向节叉41的轴端固定在箱体1上，通过连接机构4实现箱体1与行星轮系机构5的柔性连接；

所述第一驱动机构3用于驱动弹性伸缩臂2绕竖直轴做旋转运动，包括旋转轴31、轴承b32、大齿轮33、小齿轮34、电机支架35和第一电机36；所述旋转轴31通过轴承b32可转动地安装于箱体1内部的两个具有通孔的L型支撑架上，L型支撑架对旋转轴31进行限位；旋转轴31上固定有大齿轮33；电机支架35固定在箱体1内部与L型支撑架相对的侧壁上；第一电机36固定在电机支架35上，其输出轴固定有与大齿轮33啮合的小齿轮34；

所述弹性伸缩臂2包括内滑柱21、弹性挡圈a22、弹性臂轴23、短销24、弹簧a25、外滑柱26、轴承a27、滚轮a28和连接销29；两个外滑柱26分别穿过箱体1通过螺钉固定在第一驱动机构3的旋转轴31的两端；内滑柱21嵌套在外滑柱26内，两者构成移动副，内滑柱21能沿着外滑柱26滑动；弹簧a25位于内滑柱21内部，一端与内滑柱21固定连接，另一端与外滑柱26固定连接，弹簧a25的弹力实现内滑柱21在外滑柱26内上下浮动，当管径变小时，弹性伸缩臂2在竖直方向受到挤压，内滑柱21向靠近外滑柱26的方向运动，压缩弹簧a25；当管径变大时，在弹簧a25的弹力作用下，弹性伸缩臂2沿竖直方向伸长，内滑柱21向远离外滑柱26的方向运动；弹性臂轴23通过连接销29固定在内滑柱21外侧端部，弹性臂轴23的两端均通过轴承a27可转动地安装有滚轮a28(另一方案是：滚轮a28通过轴承a27和弹性臂轴23可转动地安装在内滑柱21上，与管道接触)；在轴承a27的内圈与弹性臂轴23之间均安装有弹性挡圈a22，对轴承a27进行轴向限位；

所述外滑柱26为一端开口的空腔圆柱体，底部中心处具有螺纹孔，内部固定有突出的短销24；内滑柱21为具有中心孔的圆柱体，一侧开有与短销24配合的槽口，短销24可在槽口内滑动；

箱体1内安装有蓄电池，为该机器人供电。

本发明的工作原理和工作流程是：

直线前进时，首先启动第二电机82，主轴81开始转动；主轴81转动带动太阳轮55旋转从而使三个行星轮52转动。此时第一制动器9不工作且第二制动器工作，三个行星轮52转动使行星架51转动且太阳轮支架54不转动，进而带动输出轴56转动使连接机构4、箱体1、弹性伸缩臂2和第一驱动机构3一起绕水平轴做旋转运动(类似于螺旋桨)，此时滚轮b78沿管壁自由转动，从而带动机器人在管道内直线前进。

当机器人转弯时，在保持第二电机82启动的情况下，第一制动器9和第一电机36工作，第二制动器不工作；第一制动器9使行星架51停止转动，此时连接机构4、箱体1、弹性伸缩臂2和第一驱动机构3停止绕水平轴的旋转运动；太阳轮55将动力通过三个行星轮52传递至内齿圈53，使太阳轮支架54转动，从而带动蜗杆61转动；蜗杆61将动力通过三个涡轮62传递至皮带传动机构7的三个皮带传动组使三个滚轮b78转动，从而沿管壁向前运动；与此同时第一电机36带动小齿轮34转动从而使大齿轮33转动；大齿轮33带动旋转轴31旋转，进而使弹性伸缩臂2绕竖直轴做旋转运动，推动机器人实现转弯；

当管径发生变化时，内滑柱21在竖直方向上受到管壁的挤压或放松，内滑柱21在弹簧a25的作用下在外滑柱26内上下滑动，使弹性伸缩臂2在管道内上下浮动；同时滚轮b78在竖直方向上受到管壁的挤压或放松，带动长连杆75绕轴a710转动，使短连杆76绕连杆支撑座77的铰接部旋转从而推动连杆支撑座77在连接柱86上移动，使弹簧b85伸长或缩短以适应管径变化。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种自适应自主转向的轮式管道机器人，其特征在于该管道机器人包括箱体、弹性伸缩臂、第一驱动机构、连接机构、行星轮系机构、蜗轮蜗杆机构、皮带传动机构、第二驱动机构、第一制动器和第二制动器；

所述第二驱动机构包括主轴、第二电机、电机支撑座、弹簧b和连接柱；所述第二电机固定在电机支撑座上，其输出轴与主轴的一端连接；连接柱的一端固定于电机支撑座上，另一端固定于蜗轮蜗杆机构的支撑架的一端面上；连接柱上套装有弹簧b，弹簧b的一端固定于连接柱上；

所述皮带传动机构包括连杆支撑座和至少三个皮带传动组；所述连杆支撑座嵌套于连接柱上，与连接柱构成移动副；弹簧b的另一端与连杆支撑座固定连接；每个皮带传动组均包括第一带轮、同步带、第二带轮、轴b、长连杆、短连杆、滚轮b和轴a；两个长连杆通过轴a和轴b平行连接；轴a可转动地安装于两个长连杆上，轴a铰接在蜗轮蜗杆机构的支撑架上，轴a的一端固定有第一带轮；轴b可转动地安装于两个长连杆上，轴b与第一带轮同侧的一端安装有第二带轮；第二带轮内轴面为棘轮，轴b上安装有棘爪，两者组成棘轮机构；第一带轮和第二带轮通过同步带连接；滚轮b固定在轴b上，位于两个长连杆之间；短连杆的一端铰接于连杆支撑座上，另一端铰接于长连杆上；或，每个皮带传动组均包括第一带轮、同步带、第二带轮、轴b、长连杆、短连杆、滚轮b和轴a；两个长连杆通过轴a和轴b平行连接；轴a可转动地安装于两个长连杆上，轴a铰接在蜗轮蜗杆机构的支撑架上，轴a的一端固定有第一带轮；轴b可转动地安装于两个长连杆上，轴b与第一带轮同侧的一端固定有第二带轮；第一带轮和第二带轮通过同步带连接；滚轮b通过单向轴承安装于轴b上，位于两个长连杆之间；短连杆的一端铰接于连杆支撑座上，另一端铰接于长连杆上；

所述蜗轮蜗杆机构包括蜗杆、涡轮、长套筒和支撑架；所述蜗杆可转动地安装在主轴外侧；蜗杆可转动地安装在支撑架内部；至少三个涡轮呈周向均布且均与蜗杆啮合，每个涡轮分别固定在各自的轴a上，位于两个长连杆之间；

所述行星轮系机构包括行星架、行星轮、内齿圈、太阳轮支架、太阳轮、输出轴、轴承c、弹性挡圈b、短柱、轴承d、轴承e、轴承f、弹性挡圈c和端盖；所述端盖与蜗轮蜗杆机构的支撑架固定连接；太阳轮支架可转动地安装于主轴外侧，可转动地安装于蜗轮蜗杆机构的支撑架内部；太阳轮支架的一端与蜗杆固定连接，另一端内侧固定有内齿圈；主轴的另一端依次穿过皮带传动机构的连杆支撑座、蜗轮蜗杆机构的蜗杆和行星轮系机构的太阳轮支架，与行星轮系机构的太阳轮固定连接；若干个行星轮均与太阳轮和内齿圈啮合；若干个短柱固定于行星架上；每个行星轮均可转动地安装于各自的短柱上；输出轴穿过端盖与端盖可转动连接，一端与行星架固定连接；所述第一制动器固定在输出轴上；第二制动器固定在太阳轮支架上；

所述连接机构用于实现箱体与行星轮系机构的柔性连接；所述连接机构采用万向联轴器或万向节，包括第一万向节叉、十字轴和第二万向节叉；第二万向节叉的轴端与输出轴的另一端固定连接；十字轴的水平端与第二万向节叉的叉端相连，竖直端与第一万向节叉的叉端相连；第一万向节叉的轴端固定在箱体上；

所述第一驱动机构用于驱动弹性伸缩臂绕竖直轴做旋转运动；所述第一驱动机构包括旋转轴、大齿轮、小齿轮、电机支架和第一电机；所述旋转轴可转动地安装于箱体内部；旋转轴上固定有大齿轮；电机支架固定在箱体内部；第一电机固定在电机支架上，其输出轴固定有与大齿轮啮合的小齿轮；

所述弹性伸缩臂包括内滑柱、弹性臂轴、弹簧a、外滑柱和滚轮a；两个外滑柱固定在旋转轴的两端；内滑柱嵌套在外滑柱内，两者构成移动副；弹簧a的一端与内滑柱固定连接，另一端与外滑柱固定连接，弹簧a的弹力实现内滑柱在外滑柱内上下浮动；滚轮a通过弹性臂轴可转动地安装在内滑柱上，与管道接触。

2.根据权利要求1所述的自适应自主转向的轮式管道机器人，其特征在于至少三个连接柱沿电机支撑座的周向均布。

3.根据权利要求1所述的自适应自主转向的轮式管道机器人，其特征在于皮带传动组还包括套筒a；滚轮b的两侧均设置有套筒a，对滚轮b进行限位；涡轮的数量与皮带传动组的数量匹配。

4.根据权利要求1所述的自适应自主转向的轮式管道机器人，其特征在于所述蜗轮蜗杆机构还包括长套筒；所述蜗杆通过轴承g和轴承h可转动地安装在主轴外侧；长套筒位于蜗杆内且套装在主轴上，长套筒的一端与轴承g的端面接触，另一端与轴承h的端面接触，对轴承g和轴承h进行定位。

5.根据权利要求1所述的自适应自主转向的轮式管道机器人，其特征在于所述行星轮系机构还包括弹性挡圈b和弹性挡圈c；弹性挡圈c用于对太阳轮进行轴向定位；每个行星轮均通过轴承d可转动地安装于各自的短柱上；轴承d与短柱之间安装有弹性挡圈b，对轴承d进行轴向定位。

6.根据权利要求1所述的自适应自主转向的轮式管道机器人，其特征在于所述弹性伸缩臂还包括弹性挡圈a、轴承a和连接销；弹性臂轴通过连接销固定在内滑柱上，其两端均通过轴承a可转动地安装有滚轮a；在轴承a的内圈与弹性臂轴之间安装有弹性挡圈a，对轴承a进行轴向限位。

7.根据权利要求1所述的自适应自主转向的轮式管道机器人，其特征在于所述外滑柱为一端开口的空腔圆柱体，底部中心处具有螺纹孔，内部固定有突出的短销；内滑柱为具有中心孔的圆柱体，弹簧a位于内滑柱内部，一侧开有与短销配合的槽口，短销可在槽口内滑动。