CN111207265A - 一种自动调节多功能轮式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调节多功能轮式管道机器人，它由驱动单元、能源单元和工作单元组成。以上各单元可以根据实际工况的需求串联组合使用。传动链是每个驱动单元的核心，根据动力传输方向，依次由电动机、联轴器、蜗杆蜗轮传动组件、齿轮同步带组件、同步滚轮组件组成。驱动单元的辅助系统由盘状支撑组件、滚轮‑张紧轮调节自适应组件组成。本发明可以用于管径100mm及以上的石油管道、天然气管道等各类管道内的穿缆、缺陷检查、修补、疏通等工作，具有单元模块化、运动连续平稳、通过能力强、可实现管道存液工作的特点。

Description

一种自动调节多功能轮式管道机器人

技术领域

本发明涉及一种管道内运动装置，属于机械传动领域。

背景技术

管道作为主要输送液体和气体物资的运输方式，已经成为与铁路、公路、水运、航运并列的运输行业之一，在现代物流体系中起着至关重要的作用。因而管道的健康状况需要定期检测、维护，但由于管道内部空间有限且铺设距离长，检测、维护比较困难。管道机器人是工作于管道内特定空间的智能装备，目前常见的管道机器人结构多为一体式，使结构设计复杂、零件多，导致管道径向或管道轴向尺寸大，面对管道直径小或有弯头的管道无法正常作业；由于获取能源的限制，检测距离通常是几十米；当管道内有障碍物或出现缺陷时，其表现的越障能力差；适合在干燥环境下进行作业，面对复杂的液体环境，缺少两栖环境作业能力。现有管道机器人都存在上面所述的一些能力缺陷。

发明内容

本发明自动调节多功能轮式管道机器人可以实现在管径100mm及以上的石油、天然气等管道内使用，注重改善管道机器人的通行性能，使其能适应管道内的各种复杂环境和工况，实现在管道内平稳地连续运动。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种轮式管道机器人，它可以由多个单元组成。单元分为驱动单元、能源单元和工作单元三类，各个单元可以根据实际工况，通过串联组合来完成石油、天然气等管道的检测、防腐和清洁等工作。

驱动单元包括：盘状支撑组件，电动机驱动组件，蜗杆蜗轮传动组件，齿轮同步带组件，同步滚轮组件，滚轮-张紧轮调节自适应组件组成。盘状支撑组件由带孔盘状支撑主体、拓展联接环、滚珠、滚珠挡圈、阻力调节板、阻力调节板控制器、弹簧、结构凸台组成。电动机通过联轴器驱动蜗杆轴，在蜗杆蜗轮组件中，蜗轮固联齿轮同步带组件中的大同步轮，将动力通过齿轮同步带传至同步滚轮组件，滚轮与管道内壁接触，从而实现在管道内的连续运动。滚轮之间通过连杆组成平行四边形机构，从而达到一对滚轮的同步运动，进而防止侧翻、降低打滑概率及增加系统稳定性。整个同步滚轮组件通过滚轮-张紧轮调节自适应组件实现对滚轮的管道径向方向调节。

本发明还有这样一些结构特征：1、所述的蜗杆蜗轮组件是由一个蜗杆与三个空间120°均布的蜗轮组成，所述的蜗杆的一端与盘状支承组件相连，另一端通过联轴器与电机相连，所述的蜗轮通过结构凸台固定在盘状支撑组件上，每个蜗轮通过齿轮同步带组件与同步滚轮组件相连接。2、所述的同步滚轮组件是由三组成对滚轮构成，三组滚轮在盘状支撑架的周向方向上成120°均匀分布，且每组由两个尺寸相同滚轮组成，分别为主动轮和从动轮，主动轮通过齿轮同步带组件与对应蜗轮相连，从动轮与主动轮之间通过连杆组成平行四边形机构。3、所述的滚轮-张紧轮调节自适应组件是由左旋螺纹轴、长螺母、右旋螺纹轴、3个连杆、张紧轮组成，其中长螺母两端为旋向不同的螺纹，右旋螺纹轴与同步滚轮组件相连，左旋螺纹轴与盘状支撑组件上的结构凸台相连，通过长螺母的转动改变左旋螺纹轴和右旋螺纹轴管道径向的相对位置，从而实现对轮式管道机器人同步滚轮装置的管道径向方向调节。同时，通过三个连杆的作用，使张紧轮同步运动，保持齿轮同步带张紧。4、所述的蜗杆轴一端通过联轴器与电动机连接，另一端通过调心球轴承支撑在盘状支撑组件上。此外，在蜗杆轴两端的联接处分别设置O型密封圈。5、在带孔盘状支撑主体的外侧各均匀分布三个拓展联接环。每个单元体两侧的联接环共有六个，单元体与单元体之间通过三根一定刚度的弹簧链与盘状支撑组件上的联接环相连，实现单元体之间的柔性联接。6、所述滚轮外圈涂有防腐材料，且轮子外圈径向截面形状为一圆弧，通过圆弧状滚轮与管内壁面的挤压摩擦，实现管道内的连续运动。

本发明相对现有技术有如下有益技术效果：①采用模块化的单元体结构，通过串联的方式将驱动单元、能源单元和工作单元灵活组合，形成管道机器人，实现在液体中连续运动；②驱动单元采用电动机驱动蜗杆，通过一根蜗杆同时带动三个空间120°角均匀分布的蜗轮，进而带动与蜗轮固联的大同步轮，通过齿轮同步带驱动与同步滚轮相连的小同步轮，两个同步滚轮通过连杆组成平行四边形机构，同步带轮带动两个相同大小的滚轮做等速转动，实现机器人在管道中连续运动；③在盘状支撑装置内设置6个均匀分布的小孔，在孔内放置弹簧和滚珠并用滚珠挡圈限位，通过弹簧的弹力和滚珠挡圈的限制使滚珠可以紧贴管道内壁，并能适应管径的变化，使管道机器人具有越障功能；通过阻力调节板控制器，控制阻力调节板，实现带孔盘状支撑主体中孔的开合，进而使机器人在管道存液行走时，逆流减小运动阻力，顺流时利用液体流动产生的推力；④同步滚轮装置设置两个大小相同的同步轮，它们与连杆组成平行四边形机构，实现两个滚轮之间的运动同步，此外，在滚轮外圈涂抹防腐的弹性材料，使机器人能在具有一定腐蚀性的液体中行走；⑤采用左旋螺纹轴、长螺母、右旋螺纹轴、3个连杆、张紧轮组成滚轮-张紧轮调节自适应组件，该组件中左旋螺纹轴、长螺母、右旋螺纹轴组成的调节装置两端分别连接同步滚轮和结构凸台，形成结构凸台-左旋螺纹轴-螺母-右旋螺纹轴-同步滚轮的结构，通过旋动螺母可以调整同步滚轮组件在管道径向方向的位置。从而与弹簧滚珠一起实现管道机器人主动适应管径的变化，同时，通过三个连杆的作用，使张紧轮同步运动，保持齿轮同步带张紧；⑥相邻单元体之间通过弹簧形成柔性连接，三根均布弹簧两端分别连接盘状支撑组件外侧的半圆形拓展联接环，实现单元体之间的动能传递，完成在管道中的平稳运动及转弯功能。

本发明机器人采用轴线中心对称式的结构分布，采用轮式驱动，可以实现在腐蚀性管道内的连续运动及方向调整，同时能够主动适应管径的变化。

附图说明

图1是本发明管道机器人的驱动单元结构示意图

图2是本发明管道机器人盘状支撑组件示意图

图3是本发明管道机器人盘状支撑组件剖视图

图4是本发明管道机器人阻力调节板示意图

图5是本发明管道机器人电动机驱动组件示意图

图6是本发明管道机器人蜗杆蜗轮传动组件示意图

图7是本发明管道机器人齿轮同步带组件示意图

图8是本发明管道机器人同步滚轮组件示意图

图9是本发明管道机器人滚轮-张紧轮调节自适应组件示意图

图10是本发明管道机器人在管道内单元体组合示意图。

具体实施方式

现结合附图，详细说明本发明轮式管道机器人的实施方式。

图1是本发明轮式管道机器人驱动单元的结构示意图，驱动单元主要包括盘状支撑组件1，电动机驱动组件2，同步滚轮组件3，蜗杆蜗轮组件4，齿轮同步带组件5和滚轮-张紧轮调节自适应组件6构成。盘状支撑组件1成对平行布置，形成管道机器人的机架，用以支撑整个管道机器人，其内部具体结构由图2给出。当通电以后，电动机2-1通过联轴器2-2带动蜗杆4-2旋转，蜗杆4-2将电动机产生的动能传递给与之相啮合的三个蜗轮4-1，三个蜗轮4-1再通过齿轮同步带组件4将动能传递给同步滚轮组件5，使滚轮转动，实现该机器人在管道内的行走。

如图2和图3所示，本发明管道机器人的盘状支撑组件1由拓展联接环1-1、滚珠1-2、带孔盘状支撑主体1-3、滚珠挡圈1-4、导流孔1-5、阻力调节板1-6、阻力调节控制器1-7、弹簧1-8、结构凸台1-9构成。在带孔盘状支撑主体1-3的圆周上分别沿着半径方向开有6个小孔，孔内放置着具有一定刚度的弹簧1-8。滚珠1-2分别与弹簧1-8和滚珠挡圈1-4接触，通过小孔和滚珠挡圈1-4的限制，滚珠在轴向和周向方向不能移动，可以在径向方向上的一定范围内移动，并可以任意转动。由于弹簧1-8的存在，滚珠1-2始终与滚珠挡圈1-4和管壁保持接触，起到对整个管道机器人支撑的作用，使管道机器人可以在管道直径±3mm的破损管道中连续运动。此外，滚珠1-2与滚道内壁之间的摩擦为滚动摩擦，降低了摩擦阻力损失。

如图4所示，当该轮式管道机器人沿管道内液体流向行走时，阻力调节板控制器1-7，会根据液体流速大小调节阻力调节板1-6，使其部分封住带孔盘状支撑主体1-3的导流孔1-5，利用流动液体的推力向前行走并保持工作所需速度；当该轮式管道机器人逆着管道内液体流向行走时，阻力调节控制器1-7，会根据液体流速，调节阻力调节板1-6，使其打开带孔盘状支撑主体1-3的导流孔1-5，减小机器人行走时的阻力。

图 5为本发明管道机器人电动机驱动组件2的结构示意图。它由电动机2-1、联轴器2-2组成。当通电以后，电动机2-1的动能经由联轴器2-2输出给蜗杆4-2，为整个系统提供动能。

如图6所示，本发明管道机器人蜗杆蜗轮传动组件包括：蜗杆4-2，三个空间呈120°均布的蜗轮4-1组成。蜗杆4-2的一端通过深沟球轴承将蜗杆轴和右带孔盘状支撑主体1-3相连，蜗杆4-2的另一端与电动机驱动组件相连，从而形成转动副。3个蜗轮4-1由分别支撑在所对应的结构凸台上，蜗轮4-1的空间位置由蜗杆4-2和结构凸台的位置共同确定。此外，每个蜗轮4-1均与一个大同步轮5-1固连，实现同步转动。

如图7所示，本发明管道机器人的齿轮同步带组件由大同步轮5-1、小同步轮5-3和齿轮同步带5-2组成。大同步轮5-1与蜗轮4-1固联，同步转动。小同步轮5-3与同步滚轮组件5的滚轮3-3相连接，两带轮之间通过齿轮同步带5-2传动。上述同步带组件5配合蜗杆涡轮传动组件3设置，3个同步带组件沿周向空间120°均匀分布，位置由蜗杆蜗轮传动组件3和同步滚轮组件5共同确定。

如图8所示，本发明管道机器人的同步滚轮组件是由滚轮3-1、连杆3-2、滚轮3-3、连杆3-4组成。其中，滚轮3-1和滚轮3-3，尺寸一致、布置位置不同，滚轮3-3为主动轮，滚轮3-1为从动轮，主动轮与从动轮之间通过连杆3-2和连杆3-4连接，组成一个平行四边形连杆机构，进而使得主动滚轮3-3与从动滚轮3-1保持同步、增加系统稳定性。

如图9所示，本发明管道机器人的滚轮-张紧轮调节自适应组件6是由左旋螺纹轴6-1、长螺母6-2、右旋螺纹轴6-3、连杆6-4、连杆6-5、连杆6-6、张紧轮6-7组成。右旋螺纹轴6-3与同步滚轮组件5相连，左旋螺纹轴6-1与盘状支撑组件1上的结构凸台1-9相连，通过长螺母6-2的转动实现左旋螺纹轴6-1和右旋螺纹轴6-3的管道径向相对位置变化，从而实现对轮式管道机器人同步滚轮装置的管道径向方向调节。同时，通过连杆6-4、连杆6-5和连杆6-6的力的传递，使张紧轮6-7同步运动，保持齿轮同步带5-2张紧。

如图10所示，为本发明管道机器人在管道内的组合示意图，由各单元体通过三个相同刚度的圆柱拉伸弹簧连接串联组成，示例组合体的组成包括2个驱动单元和1个能源单元。各个单元体两侧的盘状支撑组件1外侧焊有半圆形的拓展联接环1-1，三个拓展联接环1-1位于盘状支撑组件1的同心圆上，且呈120度周向分布。通过圆柱拉伸弹簧连接相邻两个单元。

Claims (4)

1.一种自动调节多功能轮式管道机器人，由驱动单元、能源单元和工作单元组成，并可以根据工况，调整单元组合及个数，增大工作能力，以上单元均由盘状支撑组件支撑；其特征在于：其中驱动单元主要由盘状支撑组件、电动机驱动组件、蜗杆蜗轮传动组件、齿轮同步带组件、同步滚轮组件和滚轮-张紧轮调节自适应组件组成；电动机产生的动能通过联轴器使蜗杆转动，再通过均布的蜗轮与蜗杆啮合，将动能传至与蜗轮固连的大同步轮，通过齿轮同步带将动能从小同步轮传至同步滚轮组件；同步滚轮组件主要由一对尺寸相同的滚轮组成，其中一个与小同步轮固连，两个滚轮之间通过连杆连接，由两个滚轮、两个连杆共同组成平行四边形机构，将动力均匀分配给滚轮；该机器人在100mm以上管径的管道内平稳连续地运动，同时具有适应管道径向尺寸的主动调节功能；当增大或缩小管道机器人的径向尺寸时，滚轮-张紧轮调节自适应组件可以使齿轮同步带保持张紧，确保动力传输；当该轮式管道机器人沿管道内液体流向行走时，阻力调节板控制器会根据液体流速，调节阻力调节板，进而控制带孔盘状支撑主体的孔，利用流动液体的推力向前行走，并保持匀速；当该轮式管道机器人逆着管道内液体流向行走时，通过阻力调节器控制阻力调节板使其完全打开带孔盘状支撑主体的孔，减小机器人行走时的阻力。

2.根据权利要求1所述的自动调节多功能轮式管道机器人，其特征在于：驱动单元的传动链是由电动机、联轴器、蜗杆、蜗轮、大同步轮、齿轮同步带、小同步轮、连杆、滚轮组成，是管道机器人实现尺寸最小化的基础；其中蜗杆与三个空间均布蜗轮啮合，可以减少管道机器人的整体管道径向尺寸；其中滚轮、连杆构成平行四边形机构，可以将动力均匀分布在两个滚轮上，以降低滚轮打滑的概率；其中滚轮外圈涂有防腐材料，且轮子外圈径向截面形状为一圆弧，以实现轮子与管壁拥有最大的接触面积。

3.根据权利要求1所述的一种自动调节多功能轮式管道机器人，其特征在于：所述的盘装支撑装置是由直径略小于管径的带孔盘状支撑主体、拓展联接环、滚珠、滚珠挡圈、阻力调节板、阻力调节板控制器、弹簧、结构凸台组成；在带孔盘状支撑主体的圆周上沿着管径方向均匀开有6个孔，孔内放置一根弹簧和一颗直径略小于孔径的滚珠，滚珠挡圈上沿周向均匀开有6个直径小于滚珠的孔；滚珠通过滚珠挡圈限制其沿管径方向的移动范围，使其不至于脱离小孔但可以露出一定高度，通过弹簧和滚珠外圈的限制，滚珠始终可以与管道内壁保持接触；由于滚珠的运动形式为滚动，所以当机器人运动时盘状支撑架与管道内壁之间的摩擦为滚动摩擦，其摩擦力相对其他结构形式要小。

4.根据权利要求1所述的一种自动调节多功能轮式管道机器人，其特征在于：所述的驱动单元、能源单元和工作单元均是模块化单元，可以拆分和组装；在实际使用过程中，可以根据工况需求，将每个单元中盘状支撑架上的三个拓展联接环用柔性弹簧连接，以实现单元体的串联，进行管道内的检测、维护工作，并可通过带有弯头的管道。

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