CN111152241B - 一种用于综合管道巡检机器人的攀爬机构 - Google Patents
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Abstract
一种用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，包括主行走机构和辅助行走机构；所述主行走机构包括从上到下依次固定连接的主平台、连接架和环形结构的行走架，所述行走架的上方为半圆形的弧形架Ⅰ、下方为四分之一圆弧形的弧形架Ⅱ，所弧形架Ⅰ的内侧安装有电机驱动的行走轮，所述弧形架Ⅱ的内侧安装有两个并列的辅助轮，所述辅助行走机构包括两个卡管机构，本发明的攀爬机构能够脱离轨道依托管道自主行走，为综合管道巡检机器人提供结构支撑。
Description
技术领域
本发明涉及管道巡检机器人的技术领域，特别涉及一种用于综合管道巡检机器人的攀爬机构。
背景技术
随着城市地下空间的建设发展，地下空间的管理以及城市的基础设施的发展，城市管道是解决上述问题的一种十分有效的方法。伴随着时间的推移，管道的寿命会逐渐变短，因此必然会出现管道老化、腐蚀破损、变形的现象，必然会对城市排水系统造成很大的影响。随着地下管廊内部环境的建设，管内环境越来越复杂，让工人下去检测维修，不仅工作效率低，管廊内的复杂环境也会给工人带来危险。因此需要设计出一种用于检测管道的内部情况的机器人，面对复杂的综合管道，机器人必须具有合理的移动结构以实现在管道上顺利移动、避障、变向以及更换管道。
国内已申请管道巡检机器人专利的很多，对于申请号为201810771047.6的专利中，管道巡检机器人的行走结构紧紧配合T字形钢轨来保持行走的稳定性。而在另一个已申请专利号为201820684058.6机器人本体下方埋设有导轨，机器人沿着既定导轨进行温度、湿度、以及有害气体的检测。这两项专利里机器人都需要沿着导轨才能完成作业，但导轨的铺设势必会增加费用，也会对日后导轨的维修产生一定的影响。
公开号为CN108216519A的发明专利公开了一种面向海上油田井口平台导管架轮式移动机构，该机构能够脱离轨道自主移动，但该机构仅限于在同一连续管道及连接处的移动和变向，但对于复杂的综合管道（平行、悬空交叉、断口），该移动机构不能自由的变换管道行走。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于综合管道巡检机器人的攀爬机构。
本发明的技术方案是：一种用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，包括主行走机构和辅助行走机构；
所述主行走机构包括从上到下依次固定连接的主平台、连接架和环形结构的行走架，所述行走架的上方为半圆形的弧形架Ⅰ、下方为四分之一圆弧形的弧形架Ⅱ，所述主平台的下方连接拱形结构的连接架，所述连接架的下方为内凹的弧面且与弧形架Ⅰ固定连接，所述连接架的两侧分别通过电缸与两个弧形架Ⅱ连接；
两个所述弧形架Ⅱ分别通过合页与弧形架Ⅰ铰接，所述电缸的缸体与连接架铰接、伸缩杆与弧形架Ⅱ铰接，所述弧形架Ⅰ的内侧安装有电机驱动的行走轮，所述弧形架Ⅱ的内侧安装有两个并列的辅助轮；
所述辅助行走机构包括两个卡管机构，两个所述卡管机构分别通过摆动臂连接在主平台的两侧，所述卡管机构包括卡管平台、悬臂和卡爪，所述卡管平台上设置两个沿长度方向并列的滚珠丝杠结构，所述卡管平台上的两个滚珠丝杠结构共线，所述悬臂的一端与滚珠丝杠结构的滚珠螺母固定连接、另一端连接卡爪，所述卡管平台上的两个卡爪相对设置。
优选的，所述摆动臂包括平台连接板、一级摆动板、二级摆动板、T形架、第一舵机和第二舵机，所述平台连接板的一端与主平台连接、另一端安装第一舵机，所述一级摆动板的一端与第一舵机的动力轴连接、另一端安装第二舵机，所述二级摆动板的一端与第二舵机的动力轴连接、另一端连接T型架的竖板，所述T形架的横板与卡管平台连接。
优选的，所述辅助行走机构还包括至少一个掉转机构，所述掉转机构包括掉转电机、主动带轮、掉转轴、从动带轮和传动带，所述掉转电机固定在主平台上，所述掉转电机的动力轴穿过主平台且与主动带轮连接，所述掉转轴也穿过主平台且通过轴承支撑，所述掉转轴的一端与平台连接板固定连接、另一端与从动带轮连接，所述主动带轮和所述从动带轮之间连接传动带，所述传动带分别用螺钉固定在主动带轮和从动带轮的周面上。
优选的，至少一个所述卡管机构还包括扭转机构，所述扭转机构包括Z形架、扭转电机、驱动齿轮、半体齿轮、转动盘和导向块，所述Z形架包括通过竖向连板连接的下层板和上层板，所述下层板的下方与T型架的横板固定连接、上方与导向块固定连接，所述上层板的下方连接扭转电机，所述扭转电机的动力轴向上穿过上层板且端部连接驱动齿轮，所述下层板的上方还设有与导向块配合的转动盘，所述转动盘的上方固定有与驱动齿轮啮合的半体齿轮，所述半体齿轮的上方连接卡管平台。
优选的，所述卡爪包括异形安装座和叉指卡板，所述异形安装座包括一体连接的座主体和卡板连接板，所述座主体的一侧与悬臂固定连接、另一侧为两个向外倾斜的卡板连接板，所述卡板连接板与所述叉指卡板固定连接。
优选的，所述行走轮的轮轴支撑在两侧的行走支撑板上，所述行走支撑板固定在弧形架Ⅰ上且外侧与固定在弧形架Ⅰ的楔形块一体连接，其中一个所述楔形块下表面固定有行走电机，所述行走电机的动力轴与所述行走轮的轮轴通过齿轮副连接。
优选的，所述辅助轮安装在门形结构的辅助支撑架上，所述辅助支撑架的顶部设有连接轴，所述弧形架Ⅱ设有螺纹通孔，所述连接轴的端部设有旋入螺纹通孔的螺纹杆，所述螺纹杆上连接有两个紧贴弧形架Ⅱ内侧面的紧固螺母。
优选的，所述行走轮位于弧形架Ⅰ的中心线上，所述辅助轮位于所述弧形架Ⅱ的中心线上，一个所述弧形架Ⅱ的端部设有弧形定位杆，另一个所述弧形架Ⅱ的端部设有与弧形定位杆匹配的定位插槽。
优选的，所述转动盘的上端设有向外伸出的安装边沿、下端设有向下凸出的弧形凸沿，所述转动盘的侧面设有锥形沟槽，所述安装边沿与半体齿轮固定连接，所述导向块包括一体连接且相互垂直平板和弧形板，所述平板与Z形架的下层板固定连接，所述弧形板的内侧设有与锥形沟槽匹配的锥形凸起，所述弧形板与所述平板的连接处设有与弧形凸沿匹配的弧形沟槽。
优选的，所述转动盘与所述半体齿轮均为半圆形结构，所述转动盘和所述半体齿轮的中心均设有空腔。
本发明的有益效果是：
本发明的攀爬机构能够脱离轨道依托管道自主行走，为综合管道巡检机器人提供结构支撑。
本发明的攀爬机构不但能够通过主行走机构还通过辅助行走机构进行避障、变向、更换管道，能够很好的应用于地下综合管道巡检。
本发明中的扭转机构和和掉转结构能够改变主行走机构的方向，摆动臂能够使两个卡管机构及主行走机构之间相互配合，扭转机构中转动盘和导向块之间相互配合能够相对转动，而且弧形凸沿和弧形沟槽之间的配合又能限制转动盘脱离导向块。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图之一；
图2为本发明的主视结构示意图之二；
图3为图1的俯视图之一；
图4为图1的俯视图之二；
图5为主行走机构的侧视图；
图6为图1中的局部放大视图；
图7为卡管机构的主视示意图；
图8为卡管机构的俯视示意图；
图9为异形安装座的俯视结构示意图；
图10为图9的A-A剖视图；
图11为扭转机构的主视结构示意图；
图12为转动盘和半体齿轮连接后的仰视结构示意图；
图13为图12的左视结构示意图；
图14为导向块的俯视结构示意图；
图15为导向块的主视结构示意图；
图16为转动盘、半体齿轮、导向块依次连接后的剖视图；
图中：1.主平台、1-1.掉转电机、1-2.主动带轮、1-3.掉转轴、1-4.从动带轮、1-5.传动带、2.连接架、3.弧形架Ⅰ、3-1.行走轮、3-2.行走支撑板、3-3.楔形块、3-4.行走电机、4.弧形架Ⅱ、4-1.螺纹通孔、4-2.辅助轮、4-3.辅助支撑架、4-4.连接轴、4-41.螺纹杆、4-5.紧固螺母、5.电缸、6.摆动机械臂、6-1.平台连接板、6-2.一级摆动板、6-3.二级摆动板、6-4. T形架、6-5.第一舵机、6-6.第二舵机、7.扭转机构、7-1.Z形架、7-11.下层板、7-12.上层板、7-2.扭转电机、7-3.驱动齿轮、7-4.半体齿轮、7-5.转动盘、7-51.安装边沿、7-52.锥形沟槽、7-53.弧形凸沿、7-6.导向块、7-61.平板、7-62.弧形板、7-63.锥形凸起、7-64.弧形沟槽、8.卡管机构、8-1.卡管平台、8-2.悬臂、8-3.异形安装座、8-31.座主体、8-32.卡板连接板、8-4.叉指卡板。
具体实施方式
本发明的具体实施方式参见图1-16：
一种用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，如图1-5、7-10，包括主行走机构和辅助行走机构；
主行走机构包括从上到下依次固定连接的主平台1、连接架2和环形结构的行走架，行走架的上方为半圆形的弧形架Ⅰ3、下方为四分之一圆弧形的弧形架Ⅱ4，主平台1的下方连接拱形结构的连接架2，连接架2的下方为内凹的弧面且与弧形架Ⅰ3固定连接，连接架2的两侧分别通过电缸5与两个弧形架Ⅱ4连接；
两个弧形架Ⅱ4分别通过合页与弧形架Ⅰ3铰接，电缸5的缸体与连接架2铰接、伸缩杆与弧形架Ⅱ4铰接，弧形架Ⅰ3的内侧安装有电机驱动的行走轮3-1，弧形架Ⅱ4的内侧安装有两个并列的辅助轮4-2，行走轮3-1的轮轴支撑在两侧的行走支撑板3-2上，行走支撑板3-2固定在弧形架Ⅰ3上且外侧与固定在弧形架Ⅰ3的楔形块3-3一体连接，其中一个楔形块3-3下表面固定有行走电机3-4，行走电机3-4的动力轴与行走轮3-1的轮轴通过齿轮副连接，辅助轮4-2安装在门形结构的辅助支撑架4-3上，辅助支撑架4-3的顶部设有连接轴4-4，弧形架Ⅱ4设有螺纹通孔4-1，连接轴4-4的端部设有旋入螺纹通孔4-1的螺纹杆4-41，螺纹杆4-41上连接有两个紧贴弧形架Ⅱ4内侧面的紧固螺母4-5，行走轮3-1位于弧形架Ⅰ3的中心线上，辅助轮4-2位于弧形架Ⅱ4的中心线上，一个弧形架Ⅱ4的端部设有弧形定位杆，另一个弧形架Ⅱ4的端部设有与弧形定位杆匹配的定位插槽；
辅助行走机构包括两个卡管机构8，两个卡管机构8分别通过摆动臂6连接在主平台1的两侧，卡管机构8包括卡管平台8-1、悬臂8-2和卡爪，卡管平台8-1上设置两个沿长度方向并列的滚珠丝杠结构，卡管平台8-1上的两个滚珠丝杠结构共线，悬臂8-2的一端与滚珠丝杠结构的滚珠螺母固定连接、另一端连接卡爪，卡管平台8-1上的两个卡爪相对设置；摆动臂6包括平台连接板6-1、一级摆动板6-2、二级摆动板6-3、T形架6-4、第一舵机6-5和第二舵机6-6，平台连接板6-1的一端与主平台1连接、另一端安装第一舵机6-5，一级摆动板6-2的一端与第一舵机6-5的动力轴连接、另一端安装第二舵机6-6，二级摆动板6-3的一端与第二舵机6-6的动力轴连接、另一端连接T型架的竖板，T形架6-4的横板与卡管平台8-1连接；卡爪包括异形安装座8-3和叉指卡板8-4，异形安装座8-3包括一体连接的座主体8-31和卡板连接板8-32，座主体8-31的一侧设有螺纹盲孔和销孔，座主体8-31与悬臂8-2连接时通过螺钉旋入螺纹盲孔后再用销钉插入销孔，座主体8-31的另一侧为两个向外倾斜的卡板连接板8-32，卡板连接板8-32与叉指卡板8-4固定连接，卡管机构8的卡管平台8-1的长度可根据具体管网情况进行改变。
如图1和6，本发明的辅助行走机构还包括一个安装在主平台1上的掉转机构，掉转机构包括掉转电机1-1、主动带轮1-2、掉转轴1-3、从动带轮1-4和传动带1-5，掉转电机1-1固定在主平台1上，掉转电机1-1的动力轴穿过主平台1且与主动带轮1-2连接，掉转轴1-3也穿过主平台1且通过轴承支撑，掉转轴1-3的一端与对应摆动臂6的平台连接板6-1固定连接、另一端与从动带轮1-4连接，主动带轮1-2和从动带轮1-4之间连接传动带1-5，传动带1-5分别用螺钉固定在主动带轮1-2和从动带轮1-4的周面上，掉转机构能够在对应的卡管机构8卡住管道时将主行走机构及另一个卡管机构8掉转方向。
掉转机构也可以设为两个，两个卡管机构8均能实现主行走机构方向掉转。
如图1、11-16，本发明中与掉转机构连接的卡管机构8还包括扭转机构7，扭转机构7包括Z形架7-1、扭转电机7-2、驱动齿轮7-3、半体齿轮7-4、转动盘7-5和导向块7-6，Z形架7-1包括通过竖向连板连接的下层板7-11和上层板7-12，下层板7-11的下方与T型架的横板固定连接、上方与导向块7-6固定连接，上层板7-12的下方连接扭转电机7-2，扭转电机7-2的动力轴向上穿过上层板7-12且端部连接驱动齿轮7-3，下层板7-11的上方还设有与导向块7-6配合的转动盘7-5，转动盘7-5的上方固定有与驱动齿轮7-3啮合的半体齿轮7-4，半体齿轮7-4的上方连接卡管平台8-1，转动盘7-5的上端设有向外伸出的安装边沿7-51、下端设有向下凸出的弧形凸沿7-53，转动盘7-5的侧面设有锥形沟槽7-52，安装边沿7-51与半体齿轮7-4固定连接，导向块7-6包括一体连接且相互垂直平板7-61和弧形板7-62，平板7-61与Z形架7-1的下层板7-11固定连接，弧形板7-62的内侧设有与锥形沟槽7-52匹配的锥形凸起7-63，弧形板7-62与平板7-61的连接处设有与弧形凸沿7-53匹配的弧形沟槽7-64，转动盘7-5与半体齿轮7-4均为半圆形结构，转动盘7-5和半体齿轮7-4的中心均设有空腔。
本发明的工作原理为：
该攀爬机构在沿着一条管道行走时，通过主行走机构的弧形架Ⅰ3、弧形架Ⅱ4卡住管道，通过行走轮3-1和辅助轮4-2沿着管道行走；当遇到连接法兰、障碍物或者弯折处时，通过摆动臂6将卡管机构8向下旋转，使卡爪卡住管道，然后通过电缸5将弧形架Ⅱ4张开，两个卡管机构8利用摆动臂6交替工作进行爬行，利用两个卡管机构8使主行走机构越过障碍物或者弯折处，再复位继续行走。
当遇到管道断口及管道末端时主行走机构无法通过，这时也利用两个卡管机构8通过；若断口较小，则与越过障碍物的工作过程相同，使卡爪卡住管道，然后通过电缸5将弧形架Ⅱ4张开，两个卡管机构8利用摆动臂6交替工作进行爬行，利用两个卡管机构8使主行走机构越过断口，再复位继续行走；若断口较大或者到达管道末端时两个卡管机构8的工作范围不够，则利用扭转机构7将卡管机构8扭转一定角度，使两个卡管机构8的卡爪卡住相邻但不再同一水平面的的管道，两个卡管机构8利用摆动臂6交替工作进行爬行，也可以利用滚珠丝杠结构的行程较长，使两个卡管机构8的卡爪向一侧便宜，卡爪卡住相邻且位于同一水平面的管道，然后两个卡管机构8利用摆动臂6交替工作进行爬行。
若遇到垂直相交或者以一定角度相交的管道而且需要更换管道时，将两个卡管机构8分别卡住更换前、更换后的管道，然后利用电缸5将弧形架Ⅱ4张开，两个卡管机构8利用摆动臂6交替工作进行爬行，这样能够顺利通过交汇处。
若遇到垂直但不相交、以一定角度交叉但不相交的管道，将一个卡管机构8卡住本来的管道，利用电缸5将弧形架Ⅱ4张开，然后利用掉转机构将另一个卡管机构8旋转对应的角度，然后利用摆动臂6使该卡管机构8向下或向上卡住另一个管道，然后不断调整掉转机构的旋转角度，同时两个卡管机构8利用摆动臂6交替工作进行爬行，直到完全到达另一个管道。
若遇到两个管道平行且向背的一侧具有障碍物时，此时攀爬机构的状态如图1，主行走机构无法使用，将该攀爬机构移动动两个管道之间，使两个卡管机构8分别卡住两个管道，两个卡管机构8利用摆动臂6交替工作进行爬行；当两个管道距离较小时，则利用掉转机构或扭转机构7将一个卡管机构8转动一端角度，这样两个卡管机构8的卡爪之间的距离会减小。
以上结合附图对本发明的优选实施例做了详细说明，其中各部件的连接均采用公知且常见的连接方式，焊接、铆接、螺接等；应当指出，本发明不限于上述实施例。总之，只要在领域普通技术人员所具备的知识范围内，对本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之内。
Claims (10)
1.一种用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：包括主行走机构和辅助行走机构；
所述主行走机构包括从上到下依次固定连接的主平台、连接架和环形结构的行走架，所述行走架的上方为半圆形的弧形架Ⅰ、下方为四分之一圆弧形的弧形架Ⅱ，所述主平台的下方连接拱形结构的连接架，所述连接架的下方为内凹的弧面且与弧形架Ⅰ固定连接，所述连接架的两侧分别通过电缸与两个弧形架Ⅱ连接；
两个所述弧形架Ⅱ分别通过合页与弧形架Ⅰ铰接，所述电缸的缸体与连接架铰接、伸缩杆与弧形架Ⅱ铰接，所述弧形架Ⅰ的内侧安装有电机驱动的行走轮，所述弧形架Ⅱ的内侧安装有两个并列的辅助轮；
所述辅助行走机构包括两个卡管机构，两个所述卡管机构分别通过摆动臂连接在主平台的两侧，所述卡管机构包括卡管平台、悬臂和卡爪，所述卡管平台上设置两个沿长度方向并列的滚珠丝杠结构，所述悬臂的一端与滚珠丝杠结构的滚珠螺母固定连接、另一端连接卡爪，所述卡管平台上的两个卡爪相对设置。
2.根据权利要求1所述的用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：所述摆动臂包括平台连接板、一级摆动板、二级摆动板、T形架、第一舵机和第二舵机，所述平台连接板的一端与主平台连接、另一端安装第一舵机，所述一级摆动板的一端与第一舵机的动力轴连接、另一端安装第二舵机，所述二级摆动板的一端与第二舵机的动力轴连接、另一端连接T型架的竖板，所述T形架的横板与卡管平台连接。
3.根据权利要求2所述的用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：所述辅助行走机构还包括至少一个掉转机构，所述掉转机构包括掉转电机、主动带轮、掉转轴、从动带轮和传动带，所述掉转电机固定在主平台上，所述掉转电机的动力轴穿过主平台且与主动带轮连接，所述掉转轴也穿过主平台且通过轴承支撑，所述掉转轴的一端与平台连接板固定连接、另一端与从动带轮连接，所述主动带轮和所述从动带轮之间连接传动带，所述传动带分别用螺钉固定在主动带轮和从动带轮的周面上。
4.根据权利要求3所述的用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：至少一个所述卡管机构还包括扭转机构，所述扭转机构包括Z形架、扭转电机、驱动齿轮、半体齿轮、转动盘和导向块，所述Z形架包括通过竖向连板连接的下层板和上层板，所述下层板的下方与T型架的横板固定连接、上方与导向块固定连接，所述上层板的下方连接扭转电机，所述扭转电机的动力轴向上穿过上层板且端部连接驱动齿轮，所述下层板的上方还设有与导向块配合的转动盘，所述转动盘的上方固定有与驱动齿轮啮合的半体齿轮，所述半体齿轮的上方连接卡管平台。
5.根据权利要求4所述的用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：所述卡爪包括异形安装座和叉指卡板，所述异形安装座包括一体连接的座主体和卡板连接板，所述座主体的一侧与悬臂固定连接、另一侧为两个向外倾斜的卡板连接板，所述卡板连接板与所述叉指卡板固定连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：所述行走轮的轮轴支撑在两侧的行走支撑板上，所述行走支撑板固定在弧形架Ⅰ上且外侧与固定在弧形架Ⅰ的楔形块一体连接，其中一个所述楔形块下表面固定有行走电机，所述行走电机的动力轴与所述行走轮的轮轴通过齿轮副连接。
7.根据权利要求6所述的用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：所述辅助轮安装在门形结构的辅助支撑架上，所述辅助支撑架的顶部设有连接轴，所述弧形架Ⅱ设有螺纹通孔，所述连接轴的端部设有旋入螺纹通孔的螺纹杆，所述螺纹杆上连接有两个紧贴弧形架Ⅱ内侧面的紧固螺母。
8.根据权利要求7所述的用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：所述行走轮位于弧形架Ⅰ的中心线上，所述辅助轮位于所述弧形架Ⅱ的中心线上，一个所述弧形架Ⅱ的端部设有弧形定位杆，另一个所述弧形架Ⅱ的端部设有与弧形定位杆匹配的定位插槽。
9.根据权利要求4所述的用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：所述转动盘的上端设有向外伸出的安装边沿、下端设有向下凸出的弧形凸沿，所述转动盘的侧面设有锥形沟槽，所述安装边沿与半体齿轮固定连接，所述导向块包括一体连接且相互垂直平板和弧形板，所述平板与Z形架的下层板固定连接，所述弧形板的内侧设有与锥形沟槽匹配的锥形凸起，所述弧形板与所述平板的连接处设有与弧形凸沿匹配的弧形沟槽。
10.根据权利要求9所述的用于综合管道巡检机器人的攀爬机构，其特征在于：所述转动盘与所述半体齿轮均为半圆形结构，所述转动盘和所述半体齿轮的中心均设有空腔。
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