CN110735995A - 一种管道机器人的行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道机器人的行走装置，包括：前支撑结构、驱动结构、后支撑结构、滚轮结构、万向节和控制系统；所述前支撑结构与万向节连接，所述万向节与滚轮结构连接，所述滚轮结构与驱动结构连接；所述后支撑结构与前支撑结构相同，依次与万向节和滚轮结构连接后与驱动结构连接，所述前支撑结构、驱动结构和后支撑结构通过信号传输单元与控制系统连接；本发明支撑结构、驱动结构和后支撑结构均采用电机驱动丝杠螺母机构来实现机器人在管内的行走和支撑，其具有足够大的驱动牵引力、管径适应性和行走能力，在管道的两端设置不同清洁部件，能够满足各种微小管道的不同作业需求。

Description

一种管道机器人的行走装置

技术领域

本发明涉及机器设备技术领域，尤其涉及一种管道机器人的行走装置。

背景技术

管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种功能模块，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统；目前国内外对管道机器人的行走装置的报导和成果很多，而研制成功的管道机器人的行走装置，普遍存在性能指标偏低的问题，如：牵引力不足、运动速度慢或单次作业行走距离短等；另外，对管道进行各种作业的管道机器人，一般都需要具有自主位置控制能力，因此真正意义上的管道机器人必须具有自主行走的能力；按移动方式可把管道机器人分成履带式、蠕动式、多足爬行式和轮式等类型；履带式管道机器人适用于在油污、泥泞、障碍物等恶劣条件下行走，驱动履带与管壁间的接触面积大，附着力较大，具有优越的越障性能，在管内状况较复杂时应用较多，但由于结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体，两轮结构稳定性差，容易发生倾覆等原因，限制了其应用范围；蠕动式管道机器人是模拟蚯蚓等腔肠类动物，通过身体的伸缩来实现运动，但该机器人牵引能力有限，不能运行于竖直管道；多足爬行式管道机器人控制太复杂且移动速度较慢、驱动效率低；轮式管内移动机器人具有结构简单、行走连续平稳、速度快、效率高、易于控制等优点，目前已开发的管内机器人大多为轮式移动，轮式管内移动机器人也是大中型管道机器人中实用化程度较高、数量较多的一种，但其具有管道适应性差、结构复杂、不利于微小化；现有的管道机器人的行走装置很多只能工作在单一直径的管道内，有些虽然考虑了对管径微小变化的适应，但多采用被动的弹簧压缩方式，虽然结构简单，但易受弹簧刚度和变形量的限制，管径适应范围小；为使所设计的管道机器人的行走装置具有更好的管道通过性，同时满足管道机器人 “形封闭、力封闭”的要求，必须要考虑机器人与管壁的支撑问题，传统的支撑机构多采用被动的弹簧压缩方式，其优点是结构简单，但易受弹簧刚度的限制，当机器人在竖直管内运动且负载较大时，这样的支撑方式一般很难满足要求，致使机器人不能正常工作，另外，支撑机构与管壁间的正压力过大，不但浪费能源，而且容易造成机构损伤甚至使机构“自锁”，反之，封闭力不够，机器人不能正常运动。

发明内容

根据上述现有技术的不足，针对现有机器人的管径适应性、弯管通过能力及行走能力等问题，本发明的目的是提供一种管道机器人的行走装置，其具有足够大的驱动牵引力、管径适应性、弯管通过能力和行走能力，在管道的两端设置不同清洁部件，能够满足各种微小管道的不同作业需求。

本发明是通过以下技术方案予以实现的。

一种管道机器人的行走装置，包括：前支撑结构1、驱动结构2、后支撑结构3、滚轮结构4和控制系统，所述前支撑结构1与万向节18连接，所述万向节18与滚轮结构4连接，所述滚轮结构4与驱动结构2连接；所述后支撑结构3与前支撑结构1相同，依次与万向节18和滚轮结构4连接后再与驱动结构2连接，所述前支撑结构1、驱动结构2和后支撑结构3通过信号传输单元与控制系统连接。

进一步的，所述：前支撑结构1包括支撑电机5、外壳固定套筒6、连接轴套7、支撑丝杠11、推顶螺母8、推顶连杆9、转动销12、凸轮10、转轴13和扭转弹簧14；所述支撑电机5安装在外壳固定套筒6内，所述支撑丝杠11和支撑电机5之间有轴套连接，支撑丝杠11上安装有移动推顶螺母8，并且与推顶连杆9连接，推顶连杆9通过转动销12安装在外壳固定套筒6上；外壳固定套筒6上周向均布有三个推顶连杆9，每个推顶连杆9上安装有凸轮10，所述凸轮10和扭转弹簧14通过转轴13安装在推顶连杆9上。

进一步的，所述后支撑结构3与所述前支撑结构1的组成结构完全相同。

进一步的，所述驱动结构3包括：驱动电机16、驱动电机外壳17、挡圈19、轴承20、端盖21、驱动丝杠22、螺母套23和导向杆18；所述驱动电机16安装于驱动电机外壳17内，所述驱动电机外壳17一端与滚轮结构连接件32连接，另一端通过导向杆18与螺母套23相连，所述驱动丝杠22一端与驱动电机16的输出轴连接，另一端与螺母套23螺纹连接。

更进一步的，所述驱动电机外壳17上设置有导线窗。

更进一步的，所述驱动结构2还包括软轴，所述软轴的一端通过微型连接套与驱动电机16的输出轴连接，另一端与驱动丝杠22连接。

进一步的，所述滚轮结构4包括：滚轮结构连接件32、滚轮33、滚轮转动轴34和滚轮支撑座35，所述滚轮结构4通过滚轮结构连接件32与其他模块连接，所述滚轮结构连接件32安装在滚轮支撑座35的两端，所述滚轮33通过滚轮转动轴34安装在滚轮支撑座35上，所述滚轮结构4包括3个滚轮，呈120°角圆周分布。

进一步的，所述控制系统安装于机器人运动控制箱中，所述控制系统通过无线通信单元接收控制箱发送的控制指令，实现机器人运动控制，包括前进、后退、停止运动、行走等，并把运行速度、电源模块当前电压、配网导线倾角等检测数据发送关外控制系统接收单元。

优选的，所述前支撑结构1、后支撑结构3和驱动结构2均采用直流电机驱动。

优选的，所述凸轮10上安装有微型压力传感器。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明管道机器人的行走装置通过电机驱动丝杠螺母机构，将电机的转动转化为需要的运动形式，具有足够大的运动牵引力，头部和尾部均可根据需要安装各功能模块以满足不同的作业要求。

2.本发明的行走装置设计了软轴驱动机构，保证了其具有弯管通过的能力。

3.本发明的行走装置的支撑结构是根据凸轮自锁原理设计而成，所述机器人的牵引力是不断变化的，摩擦力的大小跟随载荷的大小变化，不受限某一固定摩擦力值，当机器人在管道内进行作业时，机器人也同样可以通过改变前后支撑结构使自身固定在管内某处，机器人可以不受外界的影响而移动，为管内作业创造稳定工作平台。

4.当本发明所述机器人准备离开管道时，可以使前端和后端的凸轮都不与管壁接触，此时只有支撑轮与管壁接触滑动，通过线缆拖拽，机器人脱离管道，能够有效防止拖拽过程中机器人对管道内壁造成损伤。

附图说明

图1为本发明一种管道机器人的行走装置的主要结构示意图；

图2为本发明一种管道机器人的行走装置中支撑结构示意图；

图3为本发明一种管道机器人的行走装置中前后支撑结构的凸轮与管壁分开时的示意图；

图4为本发明一种管道机器人的行走装置中前后支撑结构的凸轮与管壁分开时的示意图；

图5为本发明一种管道机器人的行走装置中驱动结构的示意图；

图6为本发明一种管道机器人的行走装置实施例二中驱动结构设计的力卸载结构的示意图；

图7为本发明一种管道机器人的行走装置中滚轮结构示意图。

附图标记说明：1.前支撑结构；2.驱动结构；3.后支撑机构；4.滚轮结构；5.支撑电机；6.外壳固定套筒；7.连接轴套；8.推顶螺母；9.推顶连杆；10.凸轮；11.支撑丝杠；12.转动销；13.转轴；14.扭转弹簧；15.万向节连接座；16.驱动电机；17.驱动电机外壳；18.导向杆；19.挡圈；20.轴承；21.端盖；22.驱动丝杠；23.螺母套；24.外挡圈；25.球轴承；26.导气孔；27.驱动丝杠；28.驱动电机外壳；29.驱动电机；30.内挡圈；31.电机输出轴；32.滚轮结构连接件；33.滚轮；34.滚轮转动轴；35.滚轮支撑座；36.万向节。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例一

参照图1，一种管道机器人的行走装置，包括：前支撑结构1、驱动结构2、后支撑结构3、滚轮结构4和控制系统，根据图1，所述前支撑结构1连接万向节18的一端，所述万向节18的另一端连接滚轮结构4，所述滚轮结构4连接在驱动结构2的一端；所述后支撑结构3与前支撑结构1相同，依次连接万向节18和滚轮结构4后再连接在驱动结构2的另一端，所述前支撑结构1、驱动结构2和后支撑结构3通过信号传输单元与控制系统连接，所述支撑结构和驱动结构均用直流电机驱动，支撑机构可以实现与管壁的自主锁止，驱动机构为机器人实现行走提供动力。

参照图2，所述：前支撑结构1包括支撑电机5、外壳固定套筒6、连接轴套7、支撑丝杠11、推顶螺母8、推顶连杆9、转动销12、凸轮10、转轴13和扭转弹簧14；根据图2所述支撑电机5安装在外壳固定套筒6内，所述支撑丝杠11和支撑电机5之间有轴套连接，支撑丝杠11上安装有移动推顶螺母8，并且与推顶连杆9连接，推顶连杆9通过转动销12安装在外壳固定套筒6上；外壳固定套筒6上周向均布有三个推顶连杆9，每个推顶连杆9上安装有凸轮10，所述凸轮10和扭转弹簧14通过转轴13安装在推顶连杆9上；所述后支撑结构3与所述前支撑结构1的组成结构完全相同；参见图3和图4，所述支撑结构工作原理为：支撑电机5通过连接轴套7带动支撑丝杠11转动，安装在支撑丝杠11上的推顶螺母8向可左右移动，当向左移动时，推顶连杆9左端升起，右端下落，带动凸轮10下降，凸轮10不与管壁接触（如图3）；当推顶螺母8向右移动时，带动推顶连杆9左端下降，右端抬起，从而使凸轮10与管道内壁接触（如图4），且相互之间存在一定的压力，当整体机构受到力时，凸轮10可实现自锁；另外，所述凸轮10上装有微型压力传感器，可以直接测量凸轮10与管壁间的压力，这不仅保证了支撑结构以恒定的压力撑紧在管壁上，同时也对支撑电机5起过载保护作用。

参照图5，所述驱动结构3包括：驱动电机16、驱动电机外壳17、挡圈19、轴承20、端盖21、驱动丝杠22、螺母套23和导向杆18；根据图5所述驱动电机16安装于驱动电机外壳17内，所述驱动电机外壳17一端与滚轮结构连接件32连接，另一端通过导向杆18与螺母套23相连，所述驱动丝杠22一端与驱动电机16的输出轴连接，另一端与螺母套23螺纹连接，为何便于各信号传输线路及电源线路的走线，所述驱动电机外壳17上设置有导线窗；另外，为了保证本发明所述的管道机器人的行走装置能够顺利通过弯管，所述驱动结构3还包括软轴，所述驱动结构中的驱动电机16通过软轴传递转矩，软轴长度为16mm左右，所述软轴的一端通过微型连接套与驱动电机16的输出轴连接，另一端与驱动丝杠22连接。

参照图7，所述滚轮结构4包括：滚轮结构连接件32、滚轮33、滚轮转动轴34和滚轮支撑座35，所述滚轮结构4通过滚轮结构连接件32与其他模块连接，所述滚轮结构连接件32安装在滚轮支撑座35的两端，所述滚轮33通过滚轮转动轴34安装在滚轮支撑座35上，所述滚轮结构4包括3个滚轮，呈120°角圆周分布；所述滚轮机构4是在所述机器人前支撑结构1和后支撑结构3中的凸轮10均不与管壁接触时，机构仍需运动时是由滚轮结构4支撑进行运动的，能够有效防止机器人脱离管道时拖拽过程中对管道内壁造成损伤。

最后，所述控制系统安装于机器人运动控制箱中，所述控制系统通过无线通信单元接收控制箱发送的控制指令，实现机器人运动控制，包括前进、后退、停止运动、行走等，并把运行速度、电源模块当前电压、配网导线倾角等检测数据发送关外控制系统接收单元。

另外，在机器人头部或者尾部的功能模块安装座12上安装功能扩展模块，如传感器、微型 CCD摄像头、微型操作手等装置就可以实现功能扩展，使机器人具有管内作业功能。

实施例二

如图1、2、3、4、5、7所示，本实施例与实施例一的结构原理类似，与实施例一的不同之处在于，为了保护驱动电机16，所述驱动电机16的输出轴上设计了力卸载结构，所述力卸载结构是将驱动电机输出轴与驱动丝杠22通过胶接配合传递扭矩，轴承20由内外挡圈轴向定位，该结构具体如图6所示；当驱动电机16输出轴承受轴向载荷时，力的传递路径为：当承受压力时，力由驱动丝杠22依次传递到轴承20、外挡圈24、驱动电机16、驱动电机外壳17；当承受拉力时，力由驱动丝杠22依次传递到轴承20、内挡圈30、驱动电机外壳17；这样，把轴向载荷传递给了驱动电机外壳17，达到了保护驱动电机16的输出轴的目的。

本发明一种管道机器人的行走装置的运动机理为：

步骤1：后端支撑结构的凸轮和管壁压紧，机器人后端固定不动，前端支撑结构的凸轮不与管壁接触，驱动结构的驱动电机转动带动丝杠螺母，推动前端向前移动，机器人整体伸长；

步骤2：当机器人伸长后，前端支撑结构的凸轮与管壁压紧，机器人前端固定不动，驱动电机带动丝杠螺母使机器人整体缩短，拉动机器人后端向前运动。

重复上述动作，所述机器人就能在管道内向前爬行了，反向运动时，类似于上述步骤，此处不再赘述；当机器人准备离开管道时，可以使前端和后端的凸轮都不与管壁接触，此时只有支撑轮与管壁接触滑动，通过线缆拖拽，机器人脱离管道。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种管道机器人的行走装置，其特征在于，包括：前支撑结构（1）、驱动结构（2）、后支撑结构（3）、滚轮结构（4）和控制系统，所述前支撑结构（1）与万向节（18）连接，所述万向节（18）与滚轮结构（4）连接，所述滚轮结构（4）与驱动结构（2）连接；所述后支撑结构（3）与前支撑结构（1）相同，依次与万向节（18）和滚轮结构（4）连接后再与驱动结构（2）连接，所述前支撑结构（1）、驱动结构（2）和后支撑结构（3）通过信号传输单元与控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种管道机器人的行走装置，其特征在于，所述：前支撑结构（1）包括支撑电机（5）、外壳固定套筒（6）、连接轴套（7）、支撑丝杠（11）、推顶螺母（8）、推顶连杆（9）、转动销（12）、凸轮（10）、转轴（13）和扭转弹簧（14）；所述支撑电机（5）安装在外壳固定套筒（6）内，所述支撑丝杠（11）和支撑电机（5）之间有轴套连接，支撑丝杠（11）上安装有移动推顶螺母（8），并且与推顶连杆（9）连接，推顶连杆（9）通过转动销（12）安装在外壳固定套筒（6）上；外壳固定套筒（6）上周向均布有三个推顶连杆（9），每个推顶连杆（9）上安装有凸轮（10），所述凸轮（10）和扭转弹簧（14）通过转轴（13）安装在推顶连杆（9）上。

3.根据权利要求2所述的一种管道机器人的行走装置，其特征在于，所述后支撑结构（3）与所述前支撑结构（1）的组成结构完全相同。

4.根据权利要求1所述的一种管道机器人的行走装置，其特征在于，所述驱动结构（3）包括：驱动电机（16）、驱动电机外壳（17）、挡圈（19）、轴承（20）、端盖（21）、驱动丝杠（22）、螺母套（23）和导向杆（18）；所述驱动电机（16）安装于驱动电机外壳（17）内，所述驱动电机外壳（17）一端与滚轮结构连接件（32）连接，另一端通过导向杆（18）与螺母套（23）相连，所述驱动丝杠（22）一端与驱动电机（16）的输出轴连接，另一端与螺母套（23）螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的一种管道机器人的行走装置，其特征在于，所述驱动电机外壳（17）上设置有导线窗。

6.根据权利要求4所述的一种管道机器人的行走装置，其特征在于，所述驱动结构（2）还包括软轴，所述软轴的一端通过微型连接套与驱动电机（16）的输出轴连接，另一端与驱动丝杠（22）连接。

7.根据权利要求1所述的一种管道机器人的行走装置，其特征在于，所述滚轮结构（4）包括：滚轮结构连接件（32）、滚轮（33）、滚轮转动轴（34）和滚轮支撑座（35），所述滚轮结构（4）通过滚轮结构连接件（32）与其他模块连接，所述滚轮结构连接件（32）安装在滚轮支撑座（35）的两端，所述滚轮（33）通过滚轮转动轴（34）安装在滚轮支撑座（35）上。

8.根据权利要求1所述的一种管道机器人的行走装置，其特征在于，所述控制系统安装于机器人运动控制箱中，所述控制系统通过无线通信单元接收控制箱发送的控制指令，实现机器人运动控制，包括前进、后退、停止运动、行走等，并把运行速度、电源模块当前电压、配网导线倾角等检测数据发送关外控制系统接收单元。

9.根据权利要求1所述的一种管道机器人的行走装置，其特征在于，所述前支撑结构（1）、后支撑结构（3）和驱动结构（2）均采用直流电机驱动。

10.根据权利要求2所述的一种管道机器人的行走装置，其特征在于，所述凸轮（10）上安装有微型压力传感器。

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