CN110758594A - 一种水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置 - Google Patents

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张东东
陆宇
余文辉
汤裕
芮光超
李翔
吴明晨
贾海杰
郑英
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Abstract

本发明公开了一种水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，包括驱动装置、导向装置和摄像机，导向装置具有两组且分别通过万向节连接在驱动装置的两侧，摄像机安装在其中一侧的导向装置上；驱动装置包括动力机构、半径调整机构以及支撑架，动力机构设置在支撑架的外侧并带动支撑架在管内移动，半径调整机构包括连杆、浮动套、压紧弹簧和调整拉伸弹簧，连杆一端与动力机构相连，另一端与浮动套铰连，调整拉伸弹簧套装在支撑架中间的支撑轴上，浮动套套装在调整拉伸弹簧两侧的支撑轴上，压紧弹簧一端与动力机构相连，另一端与支撑架中间的支撑轴相连。本发明结构简单、可靠性高，还可适应管道直径与管道路径的复杂变化，应用广泛。

Description

一种水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置
技术领域
本发明涉及一种水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置。
背景技术
在当前的工业应用中，主要利用人工操作对管道机器人的机械结构进行控制，从而进行一系列的状态检测和管道检修和维护任务；根据管道机器人在管道中进行运动时提供动力来源和运动控制方式的不同，将其分为蠕动式、轮式、介质压差驱动式三种；运动方式主要有轮式、履带式、足式、螺旋式等。由于狭窄管道空间有限，不能满足管道机器人复杂和庞大的机械结构，而机械结构较为简单的又无法适应管道直径变化，在管道直径发生改变时或者是弯道处，往往就会发生运动不平稳的现象。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，结构简单、可靠性高，还可适应管道直径与管道路径的复杂变化，应用广泛。
为达上述目的，本发明提供一种水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，包括驱动装置、导向装置和摄像机，导向装置具有两组且分别通过万向节连接在驱动装置的两侧，摄像机安装在其中一侧的导向装置上；所述驱动装置包括动力机构、半径调整机构以及支撑架，动力机构设置在支撑架的外侧并带动支撑架在管内移动，半径调整机构包括连杆、浮动套、压紧弹簧和调整拉伸弹簧，所述连杆一端与动力机构相连，另一端与浮动套铰连，调整拉伸弹簧套装在支撑架中间的支撑轴上，浮动套具有两组，且均套装在调整拉伸弹簧两侧的支撑轴上并与调整拉伸弹簧相连，所述压紧弹簧一端与动力机构相连，另一端与支撑架中间的支撑轴相连。
进一步的，动力机构包括行走电机、传动机构以及动力轮，行走电机通过传动机构与动力轮相连。
进一步的，导向装置包括导向轮、支腿、预紧弹簧和支撑座，支撑座由两个支撑圆盘和若干支撑柱组成，支腿一端铰接在一个支撑圆盘上，另一端延伸至另一个支撑圆盘处并与导向轮相连，预紧弹簧分别套装在支撑柱上，预紧弹簧的一端固定在支撑圆盘上，另一端为自由端并与滑动套相连，支腿的中部位置均铰接一个限位连杆，限位连杆的另一端与滑动套铰接。
进一步的，动力机构设置了六组，每两组沿着支撑架支撑轴方向对称布置成一个动力组，三个动力组围绕支撑架支撑轴的轴线方向成呈120°夹角均匀布置；对称安装的动力结构的各项力学特征均一致。
进一步的，传动机构采用蜗轮蜗杆结构，行走电机的输出端与蜗杆相连，蜗轮与动力轮相连，行走电机的动力轴方向与动力轮的轮轴方向垂直。
进一步的，所述连杆为V型结构，包括一个铰座和两根连接杆，铰座分别固定在每个动力组的两个动力机构之间，两根连接杆的一端均与铰座固定连接，另一端分别与两个浮动套铰接；浮动套为环形，且浮动套的外壁上均匀布置有三个支杆，支杆即用于与连杆上的连接杆相铰接。
进一步的，所述支撑架两侧设有三角形连接板，两个三角形连接板之间通过若干固定在其边缘位置的支撑柱相连，中间支撑轴的长度小于各支撑柱，且支撑轴的两端分别固定有一个环形轴套，轴套的外壁上均匀固定有三个导向套，导向套的轴线方向分别与轴套的轴线方向垂直，且三个导向套轴线方向之间的夹角为120°，所述导向套分别用于连接各压紧弹簧。
进一步的，行走电机为直流无刷行星减速电机，在行星齿轮内孔配置了滚针轴承,导向轮和动力轮的材质为合成橡胶，压紧弹簧、调整拉伸弹簧、预紧弹簧的材质均为碳素弹簧钢。
本发明提供的管道机器人行走装置，采用模块化设计，结构简单，拆卸方便，具有很高的互换性和维修性以及环境适应性，且提供了自我导向功能，在机械结构简单和运动平稳性之间取得了一个较好的平衡，可以应用于狭窄且路径较为复杂的变径管道的检测和维护。
附图说明
图1为本发明中整体结构示意图；
图2为本发明中导向装置立体结构示意图；
图3为本发明中驱动装置立体结构示意图；
图4为本发明中驱动装置另一方向立体结构示意图；
图中：1、摄像机；2、导向轮；3、支腿；4、预紧弹簧；5、万向节；6、压紧弹簧；7、连杆；8、调整拉伸弹簧；9、动力轮；10、浮动套；11、行走电机；12、支撑架；13、导向装置；14、驱动装置；15、动力机构；16、半径调整机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明中的技术方案作详细的阐述。
如图1至图4所示，一种水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，包括驱动装置14、导向装置13和摄像机1，导向装置13具有两组且分别通过万向节5连接在驱动装置14的两侧，摄像机1安装在其中一侧的导向装置13上；所述驱动装置14包括动力机构15、半径调整机构16以及支撑架12，动力机构15设置在支撑架12的外侧并带动支撑架12在管内移动，半径调整机构16包括连杆7、浮动套10、压紧弹簧6和调整拉伸弹簧8，所述连杆7一端与动力机构15相连，另一端与浮动套10铰连，调整拉伸弹簧8套装在支撑架12中间的支撑轴上，浮动套10具有两组，且均套装在调整拉伸弹簧8两侧的支撑轴上并与调整拉伸弹簧8相连，所述压紧弹簧6一端与动力机构15相连，另一端与支撑架12中间的支撑轴相连。
如图3所示，具体到本实施例中，动力机构15设置了六组，每两组沿着支撑架12支撑轴方向对称布置成一个动力组，三个动力组围绕支撑架12支撑轴的轴线方向成呈120°夹角均匀布置；
所述连杆7为V型结构，包括一个铰座和两根连接杆，铰座分别固定在每个动力组的两个动力机构15之间，两根连接杆的一端均与铰座固定连接，另一端分别与两个浮动套10铰接；浮动套10为环形，且浮动套的外壁上均匀布置有三个支杆，支杆即用于与连杆7上的连接杆相铰接。
动力机构15包括行走电机11、传动机构以及动力轮9，行走电机11通过传动机构与动力轮9相连，并驱动动力轮9沿管壁运动。本实施例中，所述的传动机构采用蜗轮蜗杆结构，行走电机11的输出端与蜗杆相连，蜗轮与动力轮9相连，行走电机11的动力轴方向与动力轮9的轮轴方向垂直，从而有效节约管内径向空间，布置更为合理。
所述支撑架12两侧设有三角形连接板，两个三角形连接板之间通过若干固定在其边缘位置的支撑柱相连，中间支撑轴的长度小于各支撑柱，且支撑轴的两端分别固定有一个环形轴套，轴套的外壁上均匀固定有三个导向套，导向套的轴线方向分别与轴套的轴线方向垂直，且三个导向套轴线方向之间的夹角为120°，所述导向套分别用于连接各压紧弹簧。
如图2所示，导向装置13包括导向轮2、支腿3、预紧弹簧4和支撑座，支撑座由两个支撑圆盘和若干支撑柱组成，支腿3一端铰接在一个支撑圆盘上，另一端延伸至另一个支撑圆盘处并与导向轮2相连，预紧弹簧4分别套装在支撑柱上，预紧弹簧4的一端固定在支撑圆盘上，另一端为自由端并与滑动套相连，支腿3的中部位置均铰接一个限位连杆，限位连杆的另一端与滑动套铰接。
本实施例中，行走电机11选用直流无刷行星减速电机，在行星齿轮内孔配置了滚针轴承, 所述导向轮2和动力轮9的材料选择摩擦系数较高且具有一定弹性的合成橡胶，各弹簧材质选用碳素弹簧钢，其余主体结构选择高强度轻质量的镁铝合金。
工作开始阶段之前，调整拉伸弹簧8处于压缩状态，压紧弹簧6处于松开状态，半径调整机构16处于最大适应半径位置；当行走装置行进至管径收缩部位，因为动力轮9紧贴管壁运动，从而使驱动装置14向管径中心方向收缩移动，同时挤压压紧弹簧6，动力机构15同时通过连杆7带动两侧浮动套10相对向外移动，浮动套10与调整拉伸弹簧8相连，从而将调整拉伸弹簧8拉开，调整拉伸弹簧8和压紧弹簧6的共同作用下，可以时刻保证动力轮9与管壁贴紧，实现了行走装置半径方向上的动态调整，提高了行走装置的通用性。
在预紧弹簧4的作用下，导向装置13中的支腿3支撑着导向轮2始终压紧在管路内壁上，同时由于导向轮2滚动摩擦力较小，在保证行走装置稳定性的前提下并不会给其行走过程带来较大阻力。当管内直径变化时，限位连杆、支腿配合预紧弹簧协同作用可以带动支腿3收紧或舒张，从而保证导向轮2可以紧贴管壁运动。
导向装置13通过精密的万向节5与驱动装置14连接，可保证行走装置整机能平稳度过管道转向区。
本行走装置各个部分结构紧凑、尺寸较小，可以在进行驱动的同时兼顾转向运动，完成自导向任务，能够完全适应转弯需求，两组导向装置对称布置于行走装置两端，可为行走装置双向运动提供导向。

Claims (8)

1.一种水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，其特征在于，包括驱动装置、导向装置和摄像机，导向装置具有两组且分别通过万向节连接在驱动装置的两侧，摄像机安装在其中一侧的导向装置上；所述驱动装置包括动力机构、半径调整机构以及支撑架，动力机构设置在支撑架的外侧并带动支撑架在管内移动，半径调整机构包括连杆、浮动套、压紧弹簧和调整拉伸弹簧，所述连杆一端与动力机构相连，另一端与浮动套铰连，调整拉伸弹簧套装在支撑架中间的支撑轴上，浮动套具有两组，且均套装在调整拉伸弹簧两侧的支撑轴上并与调整拉伸弹簧相连，所述压紧弹簧一端与动力机构相连，另一端与支撑架中间的支撑轴相连。
2.如权利要求1所述的水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，其特征在于，动力机构包括行走电机、传动机构以及动力轮，行走电机通过传动机构与动力轮相连。
3.如权利要求2所述的水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，其特征在于，导向装置包括导向轮、支腿、预紧弹簧和支撑座，支撑座由两个支撑圆盘和若干支撑柱组成，支腿一端铰接在一个支撑圆盘上，另一端延伸至另一个支撑圆盘处并与导向轮相连，预紧弹簧分别套装在支撑柱上，预紧弹簧的一端固定在支撑圆盘上，另一端为自由端并与滑动套相连，支腿的中部位置均铰接一个限位连杆，限位连杆的另一端与滑动套铰接。
4.如权利要求2所述的水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，其特征在于，动力机构设置了六组，每两组沿着支撑架支撑轴方向对称布置成一个动力组，三个动力组围绕支撑架支撑轴的轴线方向成呈120°夹角均匀布置；对称安装的动力结构的各项力学特征均一致。
5.如权利要求2所述的水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，其特征在于，传动机构采用蜗轮蜗杆结构，行走电机的输出端与蜗杆相连，蜗轮与动力轮相连，行走电机的动力轴方向与动力轮的轮轴方向垂直。
6.如权利要求4所述的水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，其特征在于，所述连杆为V型结构，包括一个铰座和两根连接杆，铰座分别固定在每个动力组的两个动力机构之间，两根连接杆的一端均与铰座固定连接，另一端分别与两个浮动套铰接；浮动套为环形，且浮动套的外壁上均匀布置有三个支杆，支杆即用于与连杆上的连接杆相铰接。
7.如权利要求2至6任一权利要求所述的水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，其特征在于，所述支撑架两侧设有三角形连接板，两个三角形连接板之间通过若干固定在其边缘位置的支撑柱相连，中间支撑轴的长度小于各支撑柱，且支撑轴的两端分别固定有一个环形轴套，轴套的外壁上均匀固定有三个导向套，导向套的轴线方向分别与轴套的轴线方向垂直，且三个导向套轴线方向之间的夹角为120°，所述导向套分别用于连接各压紧弹簧。
8.如权利要求7所述的水下导弹发射井筒中狭小变径管道的机器人行走装置，其特征在于，行走电机为直流无刷行星减速电机，在行星齿轮内孔配置了滚针轴承, 导向轮和动力轮的材质为合成橡胶，压紧弹簧、调整拉伸弹簧、预紧弹簧的材质均为碳素弹簧钢。
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