CN111376227A - 一种管廊巡检机器人移动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械自动化工程技术领域，具体地说是一种管廊巡检机器人移动机构。包括电机驱动单元及四组履带行走模块，四组履带行走模块环绕连接成方形结构、且依次传动连接，电机驱动单元设置于任意一履带行走模块上、用于驱动四组履带行走模块行走，四组履带行走模块的行走方向相同。本发明在上下左右四个端面均安装有同向运动的履带，有效的避免了机器人在城市管廊中由于地面环境造成的侧翻卡死现象发生，任意面着地后均可以前进或后退。

Description

一种管廊巡检机器人移动机构
技术领域
本发明属于机械自动化工程技术领域，具体地说是一种管廊巡检机器人移动机构。
背景技术
城市综合管廊建设可有效改变“天空蜘蛛网之困、马路拉链之苦”，促进城市空间集约化利用。截止到2015年底，我国已建和在建综合管廊长度达1600公里；2016年，完成综合管廊开工建设2005公里，2017年，完成综合管廊开工建设2006公里；按照当时的发展规划，一直到“十三五”末每年将以近2000公里的规模发展，最终，我国城市综合管廊长度将超过10000公里的规模，成为名副其实的城市综合管廊超级大国。
城市综合管廊日常巡检仍以目测为主、仪器测量为辅，巡检过程存在危险性高、精度低等问题。随着综合管廊建设规模快速增长，运维管理人员的极度缺口给综合管廊运维管理工作带来巨大困难。因此，针对城市综合管廊运维状况，亟需提出一种综合管廊新型运维模式，重点解决综合管廊运行状态未能完全可控的迫切问题。
目前，国内外已经有一些科研单位和产业公司提出利用机器人代替人工开展综合管廊巡检作业，构建综合管廊机器人巡检系统，在综合管廊运维方面起到了一定作用。但是，该类系统目前仍存在问题：一、机器人体积大，占用了综合管廊宝贵的截面空间；二、机器人环境适应性差、难以跨越地面障碍和克服侧翻风险。因此必须设计适应城市管廊环境的模块化移动机构，兼具小型化与高环境适应性特点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种管廊巡检机器人移动机构，该移动机构结构简单，设计小巧、环境适应能力强。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，包括电机驱动单元及四组履带行走模块，四组履带行走模块环绕连接成方形结构、且依次传动连接，所述电机驱动单元设置于四组履带行走模块前端的前侧板上、且与其中一履带行走模块连接，用于驱动四组履带行走模块沿相同方向行走。
四组所述履带行走模块结构相同，均包括主传动链单元、次级传动链单元及运动履带单元，其中主传动链单元通过次级传动链单元与运动履带单元连接，所述电机驱动单元与其中一所述履带行走模块中的主传动链单元连接，其余三个所述履带行走模块中的主传动链单元依次传动连接，四组所述履带行走模块中的运动履带单元依次铰接，形成方形体结构。
所述运动履带单元包括第一履带轮轴、运动履带、第二履带轮轴及两个连接板，其中两个连接板平行设置、且一端通过第一履带轮轴连接，另一端通过第二履带轮轴连接，所述第一履带轮轴和第二履带轮轴相互平行、且均可转动，所述第一履带轮轴和第二履带轮轴通过分别位于所述次级传动链单元两侧的两组运动履带传动连接。
所述第一履带轮轴的两端分别设有两个第一履带轮，所述第二履带轮轴的两端分别设有两个第二履带轮，两组所述运动履带分别与相对应的第一履带轮和第二履带轮传动连接。
相邻两个所述履带行走模块通过两个连接板铰接。
所述主传动链单元包括齿轮轴、锥齿轮及带轮架，其中带轮架与所述第一履带轮轴可转动地连接，所述齿轮轴可转动地安装在带轮架上、且与所述第一履带轮轴平行，所述齿轮轴的两端分别设有锥齿轮，两个锥齿轮与两侧的所述履带行走模块传动连接或其中一锥齿轮与所述电机驱动单元连接，所述次级传动链单元连接在所述齿轮轴和第一履带轮轴之间。
所述次级传动链单元包括主动皮带轮、第一被动带轮、传动皮带及第二被动带轮，其中主动皮带轮套设于所述齿轮轴上，所述第一被动带轮可转动地设置于所述带轮架上、且轴线与所述齿轮轴平行，所述第二被动带轮套设于所述第一履带轮轴上，所述传动皮带依次与所述主动皮带轮、第一被动带轮和第二被动带轮传动连接。
所述第一被动带轮位于所述第一履带轮轴的上方。
相邻两个所述履带行走模块中的第一履带轮轴相互垂直。
所述管廊巡检机器人移动机构为多组、且首尾依次通过连接关节连接。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明设计的管廊巡检机器人移动机构模块在上下左右四个端面均安装有同向运动的履带，有效的避免了机器人在城市管廊中由于地面环境造成的侧翻卡死现象发生，任意面着地后均可以前进或后退。
2.本发明驱动简单，采用单一电机作为运动来源，通过主次两级传动链的设计，依次带动四面履带运动，充分减少可电机的安布，从而压缩模块体积与重量。
3.本发明采用皮带作为次级传动链，皮带在模块遇到障碍时起到履带作用，可以充分提升模块的越障高度，从而提高模块的环境适应性。
4.本发明设计结构紧凑，次级传动链轮轴与履带轮轴共用，次级传动皮带作为模块越障履带，同时采用欠驱动设计有效减少了电机的数量。
5.本发明充分采用模块化设计思想，单元及模块具有很好的互换性，首先模块同构化，可任意连接更换，其次，每个端面的主传动链、次级传动链与履带采用模块化设计，可以整体替换。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明端面的传动结构示意图；
图3为本发明中履带行走模块的结构示意图；
图4为本发明克服侧翻状态的示意图；
图5为本发明中两节移动模块通过连接关节组成机器人的结构示意图；
图6为本发明两节模块机器人的越障状态示意图；
图7为本发明两节模块机器人的转弯状态示意图。
其中：1为电机驱动单元，2为第一主传动链单元，3为第一次级传动链单元，4为第一运动履带单元，5为第二运动履带单元，6为第二次级传动链单元，7为第二主传动链单元，8为第三运动履带单元，9为第三次级传动链单元，10为第三主传动链单元，11为第四主传动链单元，12为第四次级传动链单元，13为第四运动履带单元，14为齿轮轴，15为主动皮带轮，16为锥齿轮，17为带轮架，18为第一被动带轮,19为传动皮带，20为第二被动带轮，21为第一履带轮,22为第一履带轮轴，23为运动履带，24为第二履带轮，25为第二履带轮轴，26为安装架，27为连接板，100为第一移动机构，200为连接关节，300为第二移动机构，I为第一履带行走模块，Ⅱ为第二履带行走模块，Ⅲ为第三履带行走模块，Ⅳ为第四履带行走模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-2所示，本发明提供的一种管廊巡检机器人移动机构，包括电机驱动单元1及四组履带行走模块，四组履带行走模块环绕连接成方形结构、且依次传动连接，电机驱动单元1设置于四组履带行走模块前端的前侧板上、且与其中一履带行走模块连接，用于驱动四组履带行走模块沿相同方向行走。
四组履带行走模块分别为第一履带行走模块I、第二履带行走模块Ⅱ、第三履带行走模块Ⅲ及第四履带行走模块Ⅳ。
四组履带行走模块结构相同，均包括主传动链单元、次级传动链单元及运动履带单元，其中主传动链单元通过次级传动链单元与运动履带单元连接，电机驱动单元1与其中一履带行走模块中的主传动链单元连接，其余三个履带行走模块中的主传动链单元依次传动连接，四组履带行走模块中的运动履带单元依次铰接，形成方形体结构。
其中，第一履带行走模块I包括第一主传动链单元2、第一次级传动链单元3及第一运动履带单元4；第二履带行走模块Ⅱ包括第二运动履带单元5、第二次级传动链单元6及第二主传动链单元7；第三履带行走模块Ⅲ包括第三运动履带单元8、第三次级传动链单元9及第三主传动链单元10；第四履带行走模块Ⅳ包括第四主传动链单元11、第四次级传动链单元12及第四运动履带单元13。
如图3所示，第一运动履带单元4、第二运动履带单元5、第三运动履带单元8及第四运动履带单元13结构相同，均包括第一履带轮轴22、运动履带23、第二履带轮轴25及两个连接板27，其中两个连接板27平行设置、且一端通过第一履带轮轴22连接，另一端通过第二履带轮轴25连接，第一履带轮轴22和第二履带轮轴25相互平行、且均可转动，第一履带轮轴22和第二履带轮轴25通过分别位于次级传动链单元两侧的两组运动履带23传动连接。相邻两个履带行走模块通过两个连接板27铰接，如图1所示。
第一履带轮轴22的两端分别设有两个第一履带轮21，第二履带轮轴25的两端分别设有两个第二履带轮24，两个第二履带轮24之间设有用于安装履带轮轴轴承的安装架26，两组运动履带23分别与相对应的第一履带轮21和第二履带轮24传动连接。
主传动链单元包括齿轮轴14、锥齿轮16及带轮架17，其中带轮架17与第一履带轮轴22可转动地连接，齿轮轴14可转动地安装在带轮架17上、且与第一履带轮轴22平行，齿轮轴14的两端分别设有锥齿轮16，两个锥齿轮16与两侧的履带行走模块传动连接或其中一锥齿轮16与电机驱动单元1连接，次级传动链单元连接在齿轮轴14和第一履带轮轴22之间。
次级传动链单元包括主动皮带轮15、第一被动带轮18、传动皮带19及第二被动带轮20，其中主动皮带轮15套设于齿轮轴14上，第一被动带轮18可转动地设置于带轮架17上、且轴线与齿轮轴14平行，第二被动带轮20套设于第一履带轮轴22上，传动皮带19依次与主动皮带轮15、第一被动带轮18和第二被动带轮20传动连接。第一被动带轮18位于第一履带轮轴22的上方，相邻两个履带行走模块中的第一履带轮轴22相互垂直。
电机的转动运动由主传动链传送至锥齿轮16，进而带动齿轮轴14运动，齿轮轴14通过键与主动带轮15连接，从而带动主动带轮15运动，主动带轮15通过传动皮带19带动第一被动带轮18和第二被动带轮20运动，第二被动带轮20通过键与前端第一履带轮轴22连接，进而带动第一履带轮21与运动履带23运动，后端第二履带轮24则被动运动。可见当移动机构遇到障碍时，次级传动链的皮带起到履带的作用，第一被动带轮18轴心高度、传动皮带19与运动履带23的夹角共同决定了机器人的越障高度，这种设计的越障高度大大超出第一履带轮21的半径，从而大大提高了运动模块的移动越障能力。
本发明的动力通过电机驱动单元1采用串联方式传输给主传动链,主传动链上的齿轮轴传递给次级传动链,主传动链采用锥齿轮传动,四根齿轮轴依次啮合形成封闭形，次级传动链传递给机器人各端面履带,由接触地面的履带完成机器人模块的运动。通过调节电机驱动单元1的运动方向与运动速度就可以直接改变主传动链与次级传动动链的运动速度与方向，进而改变机器人模块的运动速度与方向。
由于四面履带的运动均由主传动链传输，因此运动方向与速度相同。如图4所示，当机器人模块发生侧翻时，任意与地面接触的履带将提供相同的前进动力，因此机器人模块具备克服侧翻的能力。同时，次级传动链采用皮带传动，当机器人模块移动遇到障碍时，皮带起到导向轮作用，带轮轴心高度大大高于履带轮轴心高度，因此提高了机器人模块的越障能力，综上本发明的机器人模块兼具抗侧翻能力与优良的越障能力，能够克服管廊的狭小环境。
管廊巡检机器人移动机构也可为多组、且首尾通过连接关节依次连接。机器人模块可根据实际情况进行串联连接，连接数量可根据实际需要调整，一般连接关节为两个垂直铰链，通过调节铰链角度，可以使相邻机器人模块完成俯仰或偏航运动。
如图5所示，本发明的实施例中，管廊巡检机器人移动机构包括通过连接关节20连接的第一移动机构100和第二移动机构300。
对于管廊环境内较小的砂石障碍，可以采用履带直接进行跨越；当砂石障碍超出履带轮半径时，可以利用次级传动链履带作为导向履带进行跨越；当砂石障碍较大，无法采用机器人模块直接跨越时，可以通过调节连接关节的俯仰角度，使得前端模块高于障碍物高度，进而完成跨越。如图6所示，H为前后移动模块高度，h为障碍高度，v为移动速度，θ为连接关节俯仰角度，C1为第一移动模块重心，A为第一移动模块与障碍物接触点。
如图7所示，本发明在需要转弯时，可以依次调整机器人模块间连接板的偏航角度，使模块由共线状态变为夹角状态，从而完成机器人的转向移动，当转向移动完成后，可以重新调整模块间连接板的偏航角度，使模块重新恢复共线。图7中：C1、C2为机器人移动模块重心，ω为旋转角速度，O为回转重心，r1、r2为机器人移动模块回转半径，
Figure BDA0001929620470000061
为机器人移动模块夹角，P为转向关节轴心位置，l1、l2为转向关节P到移动模块重心的距离。
模块发生倾覆时，履带接触管廊地面时,移动模块遇到管廊地面不平坦的情况时,移动模块发生侧翻,由于模块四面均有移动履带,因此侧翻后与地面接触的运动履带将代替原履带实现前进后退的移动功能.
本发明采用模块化设计,可以根据实际巡检需要任意进行模块组合，每个模块采用欠驱动设计,单电机串联带动模块四面的履带履带进行前进后退,整个传动链分为主次两级传动。其中，主传动为锥齿轮传动,用于传输整个运动,次级传动为带传动,可以既起到传递主传动链上的运动的作用,带动履带转动,又可以通过次级带传动本身跨越管廊内的障碍物,实现长距离巡检,移动机构内部可以安装气体传感器、温湿度传感器、视觉传感器等，实现管廊内部的多源信息采集。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，包括电机驱动单元(1)及四组履带行走模块，四组履带行走模块环绕连接成方形结构、且依次传动连接，所述电机驱动单元(1)设置于四组履带行走模块前端的前侧板上、且与其中一履带行走模块连接，用于驱动四组履带行走模块沿相同方向行走。
2.根据权利要求1所述的管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，四组所述履带行走模块结构相同，均包括主传动链单元、次级传动链单元及运动履带单元，其中主传动链单元通过次级传动链单元与运动履带单元连接，所述电机驱动单元(1)与其中一所述履带行走模块中的主传动链单元连接，其余三个所述履带行走模块中的主传动链单元依次传动连接，四组所述履带行走模块中的运动履带单元依次铰接，形成方形体结构。
3.根据权利要求2所述的管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，所述运动履带单元包括第一履带轮轴(22)、运动履带(23)、第二履带轮轴(25)及两个连接板(27)，其中两个连接板(27)平行设置、且一端通过第一履带轮轴(22)连接，另一端通过第二履带轮轴(25)连接，所述第一履带轮轴(22)和第二履带轮轴(25)相互平行、且均可转动，所述第一履带轮轴(22)和第二履带轮轴(25)通过分别位于所述次级传动链单元两侧的两组运动履带(23)传动连接。
4.根据权利要求3所述的管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，所述第一履带轮轴(22)的两端分别设有两个第一履带轮(21)，所述第二履带轮轴(25)的两端分别设有两个第二履带轮(24)，两组所述运动履带(23)分别与相对应的第一履带轮(21)和第二履带轮(24)传动连接。
5.根据权利要求3所述的管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，相邻两个所述履带行走模块通过两个连接板(27)铰接。
6.根据权利要求3所述的管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，所述主传动链单元包括齿轮轴(14)、锥齿轮(16)及带轮架(17)，其中带轮架(17)与所述第一履带轮轴(22)可转动地连接，所述齿轮轴(14)可转动地安装在带轮架(17)上、且与所述第一履带轮轴(22)平行，所述齿轮轴(14)的两端分别设有锥齿轮(16)，两个锥齿轮(16)与两侧的所述履带行走模块传动连接或其中一锥齿轮(16)与所述电机驱动单元(1)连接，所述次级传动链单元连接在所述齿轮轴(14)和第一履带轮轴(22)之间。
7.根据权利要求6所述的管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，所述次级传动链单元包括主动皮带轮(15)、第一被动带轮(18)、传动皮带(19)及第二被动带轮(20)，其中主动皮带轮(15)套设于所述齿轮轴(14)上，所述第一被动带轮(18)可转动地设置于所述带轮架(17)上、且轴线与所述齿轮轴(14)平行，所述第二被动带轮(20)套设于所述第一履带轮轴(22)上，所述传动皮带(19)依次与所述主动皮带轮(15)、第一被动带轮(18)和第二被动带轮(20)传动连接。
8.根据权利要求7所述的管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，所述第一被动带轮(18)位于所述第一履带轮轴(22)的上方。
9.根据权利要求3所述的管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，相邻两个所述履带行走模块中的第一履带轮轴(22)相互垂直。
10.根据权利要求1-9任一项所述的管廊巡检机器人移动机构，其特征在于，所述管廊巡检机器人移动机构为多组、且首尾依次通过连接关节连接。
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