CN111350902B - 一种驱动轮带转向的管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种驱动轮带转向的管道机器人，包括第一中心块、与第一中心块连接的第二中心块、与第二中心块连接的第三中心块、安装在第二中心块和第三中心块之间的滑动块、安装在滑动块的主动滑动机构和从动滑动机构；主动滑动机构包括第一连杆、与第二中心块铰接的第二连杆、与第一连杆和第二连杆铰接的主动水平杆、与滑动块和第二连杆铰接的主动弹力杆、安装在主动水平杆上的转向组件、与转向组件连接的主动轮组件；从动滑动机构包括第三连杆、与第二中心块铰接的第四连杆、与第三连杆和第四连杆铰接的从动水平杆、与滑动块和第四连杆铰接的从动弹力杆、安装在从动水平杆上的从动轮组件。本机器人可在3D立体型管道内运行，属于机器人的技术领域。

Description

一种驱动轮带转向的管道机器人

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，尤其涉及一种驱动轮带转向的管道机器人。

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、携带一种或多种传感器及操作机械，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。管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛的应用，为了提高管道寿命、防止泄露等事故的发生，必须对管道进行有效的检测维护。在人工检测方式存在诸多缺点的情况下，管道检测机器人作为一种有效的管道检测设备，得到了越来越多的应用。

现有的管道机器人大多考虑的是通过平面类型管道的L型和T型弯管，鲜有考虑通过3D立体型管道的情况。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种驱动轮带转向的管道机器人，使其能够根据3D立体型管道的走向主动在管道内调整姿态，改变驱动轮的转弯方向，顺利通过3D立体型管道的L型和T型等复杂弯管。本驱动轮带转向的管道机器人结构较简单、易于控制。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种驱动轮带转向的管道机器人，包括第一中心块、与第一中心块固定连接的第二中心块、与第二中心块固定连接的第三中心块、滑动式安装在第二中心块和第三中心块之间的滑动块、均安装在滑动块的主动滑动机构和从动滑动机构；主动滑动机构包括与第一中心块铰接的第一连杆、与第二中心块铰接的第二连杆、两端分别与第一连杆和第二连杆铰接的主动水平杆、两端分别与滑动块和第二连杆铰接的主动弹力杆、安装在主动水平杆上的转向组件、与转向组件输出端连接的主动轮组件；从动滑动机构包括与第一中心块铰接的第三连杆、与第二中心块铰接的第四连杆、两端分别与第三连杆和第四连杆铰接的从动水平杆、两端分别与滑动块和第四连杆铰接的从动弹力杆、安装在从动水平杆上的从动轮组件。

进一步的是：第一中心块和第二中心块之间设有第一连接轴，第一连接轴的两端分别固定在第一中心块和第二中心块上，第二中心块和第三中心块之间设有丝杠和第二连接轴，丝杠的两端分别转动式安装在第二中心块和第三中心块上，第二连接轴的两端分别固定在第二中心块和第三中心块上，滑动块上设有导向孔和螺纹孔，滑动块通过螺纹孔套在丝杠上，滑动块通过导向孔套在第二连接轴上。通过控制滑动块移动实现管道机器人变径，能够适用于不同大小的管道。

进一步的是：驱动轮带转向的管道机器人还包括安装在第一连接轴上的变径驱动电机；变径驱动电机的输出端与丝杠固定连接。变径驱动电机控制丝杠转动，从而间接控制管道人实现变径。

进一步的是：转向组件包括安装在主动水平杆上的转向电机、与电机输出端固定连接的第一齿轮、与第一齿轮啮合的第二齿轮；第二齿轮的输出端与主动轮组件固定连接。转向电机通过转向电机控制主动轮组件转向，管道机器人可以根据管道方向的变化实现变向。

进一步的是：主动轮组件包括与第二齿轮的输出端固定连接的轮架、安装在轮架上的主动电机、与主动电机输出端固定连接的第一链轮、转动式安装在轮架上的主动轮、与主动轮的轮轴固定连接的第二链轮、套在第一链轮和第二链轮上的链条。主动轮组件提供动力，带动整个管道机器人滑行。

进一步的是：主动滑动机构还包括固定在主动水平杆上的辅助滑动组件；辅助滑动组件包括固定安装在主动水平杆上的第一外柱、滑动式安装在第一外柱上的滑杆、固定在滑杆上的第二外柱、安装在第二外柱上的第一万向球轮、套在滑杆上的第一弹簧；第一外柱的内部设有第一滑孔和第二滑孔，滑杆的一端依次穿过第二滑孔和第一滑孔，滑杆一端的末端通过限位螺母滑动式安装在第一滑孔内，滑杆上固套有限位块，滑杆通过限位块滑动式安装在第二滑孔内，第一弹簧的两端分别固定在第一外柱和第二外柱的外端面上。辅助滑动组件提高管道机器人快速滑行时候的稳定性，第一弹簧可以适应管道在一定范围内的大小的变化。

进一步的是：从动轮组件包括固定在从动水平杆上的直杆、安装在直杆上的第二万向球轮。从动轮组件使得管道机器人可以在管道内平稳滑行，减少阻力。

进一步的是：从动水平杆上还设有辅助滑动组件，辅助滑动组件的第一外柱固定在从动水平杆上。从动水平杆上也有辅助滑动组件，进一步提高管道机器人滑行时候的稳定性。

进一步的是：主动弹力杆和从动弹力杆均包括与滑动块铰接的第一柱体、与第一柱体固定连接直轴、与直轴固定连接的第二柱体、套在直轴和第二柱体上的第二弹簧；第二柱体的一端设有外螺纹和调节螺母，第二柱体的另一端与第二连杆或第四连杆铰接，第二弹簧的两端分别与第一柱体的端面和调节螺母的端面接触。可以根据实际情况调节第二弹簧的伸缩能力，使机器人能自适应管径的微小变化。

进一步的是：主动滑动机构和从动滑动机构均有若干个，若干个主动滑动机构和若干个从动滑动机构均沿着滑动块的圆周方向均匀分布。若干个主动滑动机构和若干个从动滑动机构均匀贴合在管道的内壁，使得管道机器人能够快速滑行。

总的说来，本发明具有如下优点：

一种驱动轮带转向的管道机器人，本发明不仅可以实现通过变径驱动电机驱动丝杠，通过滑动块来驱动主动滑动机构和从动滑动机构实现变径，使其能在竖直或者水平管道内紧压管壁产生一定的压力而工作；转向组件由转向电机间接驱动，使主动轮组件转向，进而使整个机器人绕管道轴线旋转调整其在管道内的姿态；每个主动轮组件采用单独的电机控制每个主动轮的转速。本发明专利能够顺利通过3D立体型管道的L型、T型弯道，本发明结构较简单，运行稳定，适应性强，这对于管道作业的自动化具有现实意义。

附图说明

图1是驱动轮带转向的管道机器人的结构示意图。

图2是第一中心块、第二中心块、第三中心块、滑动块、丝杠、主动滑动机构的连接示意图。

图3是第一中心块、第二中心块、第三中心块、滑动块、第一连杆、第二连杆、主动水平杆、主动弹力杆、丝杠、第三连杆、第四连杆、从动水平杆、从动弹力杆连接示意图。

图4是转向组件和主动轮组件的结构示意图。

图5是第一中心块、第二中心块、第三中心块、滑动块、丝杠、从动轮组件的连接示意图。

图6是辅助滑动组件的结构示意图。

图7是主动弹力杆或从动弹力杆的结构示意图。

图8和图9是管道机器人调整姿态角的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

1为第一中心块，2为第二中心块，3为第三中心块，4为滑动块，5为第一连杆，6为第二连杆，7为主动水平杆，8为主动弹力杆，9为转向组件，10为主动轮组件，11为第三连杆，12为第四连杆，13为从动水平杆，14为从动弹力杆，15为从动轮组件，16为第一连接轴，17为丝杠，18为第二连接轴，19为变径驱动电机，20为转向电机，21为第一齿轮，22为第二齿轮，23为轮架，24为主动电机，25为第一链轮，26为主动轮，27为第二链轮，28为链条，29为第一外柱，30为滑杆，31为第二外柱，32为第一万向球轮，33为第一弹簧，34为第一滑孔，35为第二滑孔，36为限位螺母，37为限位块，38为直杆，39为第二万向球轮，40为第一柱体，41为直轴，42为第二柱体，43为第二弹簧，44为调节螺母。

结合图1、图2、图3、图4所示，一种驱动轮带转向的管道机器人，包括第一中心块、与第一中心块固定连接的第二中心块、与第二中心块固定连接的第三中心块、滑动式安装在第二中心块和第三中心块之间的滑动块、均安装在滑动块的主动滑动机构和从动滑动机构；第一中心块、第二中心块、第三中心块、滑动块均呈圆块状且轴线位于同一直线上，第一中心块、第二中心块、第三中心块三者的距离相对固定，滑动块在第二中心块、第三中心块之间来回滑动。主动滑动机构包括与第一中心块铰接的第一连杆、与第二中心块铰接的第二连杆、两端分别与第一连杆和第二连杆铰接的主动水平杆、两端分别与滑动块和第二连杆铰接的主动弹力杆、安装在主动水平杆上的转向组件、与转向组件输出端连接的主动轮组件；第一中心块、第二中心块、第一连杆、第二连杆、主动水平杆相当一个平行四边形的连杆机构，第一中心块、第二中心块连成的直线相当于平行四边形的底边且与主动水平杆平行，第一连杆、第二连杆相互平行。第一连杆的两端分别与第一中心块和主动水平杆铰接，第二连杆的的两端分别于第二中心块和主动水平杆铰接，主动弹力杆的一端与滑动块铰接，主动弹力杆的一端与第二连杆铰接且铰接点位于第二连杆两端之间。滑动块可以驱动第二连杆摆动，从而使得主动水平杆与第一中心块、第二中心块、第三中心块三者连成的直线的距离发生改，从而使得转向组件和主动轮组件的位置发生改变，保证主动轮组件始终能够贴着任何管内径的管道滑动。管道机器人滑动过程中可以转向组件改变主动轮组件的前进方向，从而改变管道机器人的滑行方向。从动滑动机构包括与第一中心块铰接的第三连杆、与第二中心块铰接的第四连杆、两端分别与第三连杆和第四连杆铰接的从动水平杆、两端分别与滑动块和第四连杆铰接的从动弹力杆、安装在从动水平杆上的从动轮组件。第一中心块、第二中心块、第三连杆、第四连杆、从动水平杆也相当一个平行四边形的连杆机构，第一中心块、第二中心块连成的直线相当于平行四边形的底边且与从动水平杆平行，第三连杆、第四连杆相互平行。第三连杆的两端分别与第一中心块和从动水平杆铰接，第四连杆的两端分别于第二中心块和从动水平杆铰接，从动弹力杆的一端与滑动块铰接，从动弹力杆的一端与第四连杆铰接且铰接点位于第四连杆两端之间。滑动块可以驱动第四连杆摆动，从而使得从动水平杆与第一中心块、第二中心块、第三中心块三者连成的直线的距离发生改，从而使得从动轮组件的位置发生改变，保证从动轮组件始终能够贴着任何管内径的管道滑动。主动水平杆和从动水平杆始终与管道的轴线保持平行。第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆的同步摆动，保证了主动水平杆和从动水平杆始终与管道机器人的中心线(第一中心块、第二中心块、第三中心块三者连成的直线)的距离相同。主动轮组件、从动轮组件同步做变径运动，保证第一中心块、第二中心块、第三中心块三者连成的直线与管道的轴线重合，有利于管道机器人重心的稳定。

第一中心块和第二中心块之间设有第一连接轴，第一连接轴有两条，第一连接轴的两端分别固定在第一中心块和第二中心块上。第二中心块和第三中心块之间设有丝杠和第二连接轴，第二连接轴有两条，丝杠位于两条第二连接轴之间，丝杠的两端分别转动式安装在第二中心块的中心和第三中心块的中心。第二连接轴的两端分别固定在第二中心块和第三中心块上，滑动块上设有导向孔和螺纹孔，滑动块通过螺纹孔套在丝杠上，滑动块通过导向孔套在第二连接轴上，丝杠转动的时候滑动块可以沿着丝杠滑动。两条第一连接轴使得第一中心块和第二中心块之间的连接更加稳固。两条第二连接轴使得第二中心块和第三中心块之间的连接更加稳固，同时，两条第二连接轴对滑动块还具有导向作用，防止滑块原地转动而不滑动。

驱动轮带转向的管道机器人还包括安装在第一连接轴上的变径驱动电机；变径驱动电机的输出端与丝杠固定连接。变径驱动电机通过安装板固定在两条第一连接轴上，变径驱动电机位于两条第一连接轴之间，丝杠的一端穿过第二中心块，变径驱动电机的输出端通过联轴器与丝杠连接。通过控制变径驱动电机来控制丝杠转动，从而带动滑动块滑动。

转向组件包括安装在主动水平杆上的转向电机、与电机输出端固定连接的第一齿轮、与第一齿轮啮合的第二齿轮；转向电机通过安装板安装在主动水平杆上，第二齿轮的输出端与主动轮组件固定连接。通过第一齿轮和第二齿轮改变转向电机的转速，第一齿轮和第二齿轮将电机的转动传递给主动轮组件，使得主动轮组件的运动方向发生改变，从而使得整个管道机器人的滑动方向发生改变。

主动轮组件包括与第二齿轮的输出端固定连接的轮架、安装在轮架上的主动电机、与主动电机输出端固定连接的第一链轮、转动式安装在轮架上的主动轮、与主动轮的轮轴固定连接的第二链轮、套在第一链轮和第二链轮上的链条。主动轮的轴线和第二齿轮的轴线相互垂直，主动轮在管道内滚动且主动轮与管道的内壁接触。主动电机的机体安装在轮架上，主动电机的转动轴带动第一链轮转动，第一链轮通过链条带动第二链轮转动，最后第二链轮带动主动轮转动，实现主动轮带动整个管道机器人在管道内移动。第二齿轮的轮轴与轮架固定连接，第二齿轮带动轮架转动，从而带动主动轮的滚动方向放生改变。

主动滑动机构还包括固定在主动水平杆上的辅助滑动组件；辅助滑动组件包括固定安装在主动水平杆上的第一外柱、滑动式安装在第一外柱上的滑杆、固定在滑杆上的第二外柱、安装在第二外柱上的第一万向球轮、套在滑杆上的第一弹簧；第一外柱的内部设有第一滑孔和第二滑孔，滑杆的一端依次穿过第二滑孔和第一滑孔，滑杆一端的末端通过限位螺母滑动式安装在第一滑孔内，由于第一滑孔和第二滑孔存在内壁，限位螺母只能在第一滑孔内滑动且滑动的行程受到限制。滑杆上固套有限位块，滑杆通过限位块滑动式安装在第二滑孔内，由于第一外柱的端面和内壁的限制，限位块只能在第二滑孔内滑动且滑动的行程受到限制。第一弹簧的两端分别固定在第一外柱和第二外柱的外端面上。管道的内径发生轻微变大的时候，在第一弹簧的作用下第一外柱和第二外柱距离变大，使得第一万向球轮始终在管道内壁上滑动，管道的内径发生轻微变小的时候，在管壁的压力作用下第一外柱和第二外柱距离变小，使得第一万向球轮始终在管道内壁上滑动。管道机器人在竖直设置的管道滑动的时候，第一弹簧可以保证第一万向球轮始终有足够的压力压向管壁，防止管道机器人掉落。限位螺母和限位块起到限位作用，使得滑杆能在一定范围内滑动，辅助滑动组件在一定范围内能够适应管道内径的变化。

从动轮组件包括固定在从动水平杆上的直杆、安装在直杆上的第二万向球轮。直杆与从动水平杆相互垂直，从动水平杆远离或靠近管道轴线的时候，直杆带动第二万向球轮远离或靠近管道的轴心。

从动水平杆上还设有辅助滑动组件，辅助滑动组件的第一外柱固定在从动水平杆上。辅助滑动组件和从动轮组件相互平行，辅助滑动组件和从动轮组件沿着管道的轴线方向依次设置，防止管道机器人倾倒。从管道的轴线方向上，从动水平杆上的辅助滑动组件和主动水平杆上的辅助滑动组件位于同一圆形截面上，从动轮组件和主动轮组件位于同一圆形截面上。

主动弹力杆和从动弹力杆均包括与滑动块铰接的第一柱体、与第一柱体固定连接直轴、与直轴固定连接的第二柱体、套在直轴和第二柱体上的第二弹簧；滑动块通过主动弹力杆驱动第二连杆摆动，滑动块通过从动弹力杆驱动第四连杆摆动。第二柱体的一端设有外螺纹和调节螺母，第二柱体的另一端与第二连杆或第四连杆铰接，第二弹簧的两端分别与第一柱体的端面和调节螺母的端面接触，使机器人能自适应管径的微小变化。调节螺母的内螺纹与第二柱体的外螺纹配合，通过转动调节螺母来改变调节螺母与第一柱体的距离，从而改变第二弹簧的压缩量，调节机器人自适应管径微小变化的能力。

主动滑动机构和从动滑动机构均有若干个，若干个主动滑动机构和若干个从动滑动机构均沿着滑动块的圆周方向均匀分布。本实例中，主动滑动机构和从动滑动机构均有两个，主动滑动机构和从动滑动机构两两一组均绕着第一中心块圆周中心呈180°分布，两个主动滑动机构起驱动及主要的定心作用，从动滑动机构起辅助定心的作用，使管道机器人的轴线尽可能与管道轴线重合。作用于两个主动滑动机构的两个第二弹簧的刚度系数K1要稍大于作用于从动滑动机构的两个第二弹簧的刚度系数K2，这样就保证了两个主动轮始终与管道管壁的接触，使管道机器人能自适应管径的微小变化。辅助滑动组件的作用是防止管道机器人的倾倒，其带有第一弹簧的也是为了使第一万向球轮能始终与管壁接触。

本驱动轮带转向的管道机器人的工作原理：

驱动轮带转向的管道机器人通过控制变径驱动电机正反转驱动丝杠转动从而驱动滑动块移动，进而使滑动块在驱动，进而使主动水平杆和从动水平杆做靠近或者远离管道的轴线的水平移动，实现整个管道机器人的变径；管道机器人在行驶过程中能够根据管内径变化做出相对应的调整。

当管道的方向发生变化的时候，通过转向组件驱动主动轮组件转动，使得管道机器人的主动轮能够改变滚动的方向，实现管道机器人的变向。当主动轮组件转向是90°，此时管道机器人可绕着管道轴线旋转，实现姿态角的调整。我们把主动轮所在的平面相对于管道平面的角度定义为管道机器人的姿态角θ，当θ＝0°变为θ＝30°时，如图8和9所示，当管道机器人通过L型管道时，姿态角θ可为任意值。当管道机器人通过T型管道时，机器人首先要调整姿态角，使两个主动轮所在的平面尽可能与进入的歧管的轴线垂直，然后使驱动轮转向，进入歧管。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种驱动轮带转向的管道机器人，其特征在于：包括第一中心块、与第一中心块固定连接的第二中心块、与第二中心块固定连接的第三中心块、滑动式安装在第二中心块和第三中心块之间的滑动块、均安装在滑动块的主动滑动机构和从动滑动机构；主动滑动机构包括与第一中心块铰接的第一连杆、与第二中心块铰接的第二连杆、两端分别与第一连杆和第二连杆铰接的主动水平杆、两端分别与滑动块和第二连杆铰接的主动弹力杆、安装在主动水平杆上的转向组件、与转向组件输出端连接的主动轮组件；从动滑动机构包括与第一中心块铰接的第三连杆、与第二中心块铰接的第四连杆、两端分别与第三连杆和第四连杆铰接的从动水平杆、两端分别与滑动块和第四连杆铰接的从动弹力杆、安装在从动水平杆上的从动轮组件；

主动滑动机构还包括固定在主动水平杆上的辅助滑动组件；辅助滑动组件包括固定安装在主动水平杆上的第一外柱、滑动式安装在第一外柱上的滑杆、固定在滑杆上的第二外柱、安装在第二外柱上的第一万向球轮、套在滑杆上的第一弹簧；第一外柱的内部设有第一滑孔和第二滑孔，滑杆的一端依次穿过第二滑孔和第一滑孔，滑杆一端的末端通过限位螺母滑动式安装在第一滑孔内，滑杆上固套有限位块，滑杆通过限位块滑动式安装在第二滑孔内，第一弹簧的两端分别固定在第一外柱和第二外柱的外端面上；

从动水平杆上还设有辅助滑动组件，辅助滑动组件的第一外柱固定在从动水平杆上；

从动轮组件包括固定在从动水平杆上的直杆、安装在直杆上的第二万向球轮。

2.按照权利要求1所述的一种驱动轮带转向的管道机器人，其特征在于：第一中心块和第二中心块之间设有第一连接轴，第一连接轴的两端分别固定在第一中心块和第二中心块上，第二中心块和第三中心块之间设有丝杠和第二连接轴，丝杠的两端分别转动式安装在第二中心块和第三中心块上，第二连接轴的两端分别固定在第二中心块和第三中心块上，滑动块上设有导向孔和螺纹孔，滑动块通过螺纹孔套在丝杠上，滑动块通过导向孔套在第二连接轴上。

3.按照权利要求2所述的一种驱动轮带转向的管道机器人，其特征在于：驱动轮带转向的管道机器人还包括安装在第一连接轴上的变径驱动电机；变径驱动电机的输出端与丝杠固定连接。

4.按照权利要求1所述的一种驱动轮带转向的管道机器人，其特征在于：转向组件包括安装在主动水平杆上的转向电机、与电机输出端固定连接的第一齿轮、与第一齿轮啮合的第二齿轮；第二齿轮的输出端与主动轮组件固定连接。

5.按照权利要求4所述的一种驱动轮带转向的管道机器人，其特征在于：主动轮组件包括与第二齿轮的输出端固定连接的轮架、安装在轮架上的主动电机、与主动电机输出端固定连接的第一链轮、转动式安装在轮架上的主动轮、与主动轮的轮轴固定连接的第二链轮、套在第一链轮和第二链轮上的链条。

6.按照权利要求1所述的一种驱动轮带转向的管道机器人，其特征在于：主动弹力杆和从动弹力杆均包括与滑动块铰接的第一柱体、与第一柱体固定连接直轴、与直轴固定连接的第二柱体、套在直轴和第二柱体上的第二弹簧；第二柱体的一端设有外螺纹和调节螺母，第二柱体的另一端与第二连杆或第四连杆铰接，第二弹簧的两端分别与第一柱体的端面和调节螺母的端面接触。

7.按照权利要求1所述的一种驱动轮带转向的管道机器人，其特征在于：主动滑动机构和从动滑动机构均有若干个，若干个主动滑动机构和若干个从动滑动机构均沿着滑动块的圆周方向均匀分布。

Images