CN112013202B - 一种多功能仿生尺蠖管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能仿生尺蠖管道机器人，该机器人包括三部分：前主体、中心关节体、后主体。前主体与后主体具有相同的结构，装有可收缩式履带，以适应不同的管径，并且通过压紧管壁起到固定机器人的作用。中心关节体采用坡角15°的四个小关节体构成，兼具刚性和可变性，可以在0°与90°之间任意变换。本发明结构设计巧妙，区别于已有传统管道机器人，能够适应各种管径和复杂路径，如T型、U型、L型和六通等。功能强大，适应性与功能性兼备。速度快、操作难度小、可靠性高，大大提高工作效率，减少成本，具有其他管道机器人无法比拟的竞争优势，具有广阔的商业前景，社会效益、经济效益巨大。

Description

一种多功能仿生尺蠖管道机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体来说涉及一种多功能仿生尺蠖管道机器人。

背景技术

管道广泛应用各工业领域，是重要的输送工具之一。工业上的管道一般长期处在工况恶劣的环境，容易产生堵塞、破裂、变形等状况，严重影响正常的生产运行甚至会导致安全事故的发生，为保证管道的正常运作，可以使用管道机器人定期对管道进行探查、维护和定点施工作业。然而大多数管道结构复杂、环境恶劣，这对管道机器人运动性能尤其越障性能要求较高。

目前，常用的管道机器人还停留在依靠自身重力压在管壁上，借助车轮或履带驱动前进，在复杂管道上缺乏应对措施，大多数只适用于小坡度且平直管道，致使其应用场合有限，且往往一种机器人只能实现一种功能，适用范围有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多功能仿生尺蠖管道机器人。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多功能仿生尺蠖管道机器人，包括前主体、中心关节体和后主体，所述前主体与后主体具有相同结构，所述中心关节体首尾分别与前主体和后主体可转动地连接；

所述前主体(后主体)包括主体机架、端盖、变位电机、变位电机齿轮、张紧机构和驱动机构；所述主体机架由相互对称的主体机架A和主体机架B构成，所述主体机架A与主体机架B在一端通过机架螺钉连接，另一端通过端盖形闭合固定；所述端盖通过端盖螺钉固定于主体机架上；所述变位电机通过变位电机螺钉固定于主体机架B上；所述变位电机的转动轴与变位电机齿轮之间键连接；所述张紧机构包括张紧调节电机、定位环、大齿轮、丝杠小齿轮、丝杠、移动环、转动支架、滑动支架；所述张紧调节电机与定位环之间通过定位螺钉固定；所述定位环与主体机架、之间胶接；所述大齿轮与张紧调节电机的转动轴之间键连接；所述大齿轮与丝杠小齿轮相啮合；所述丝杠小齿轮与丝杠之间键连接；所述丝杠可转动地安装在主体机架上，且三条丝杠在主体机架、外围呈正三角形分布；所述移动环与丝杠之间螺纹配合；所述转动支架一端与主体机架、铰接，另一端与履带驱动铰接；所述滑动支架一端与移动环铰接，另一端与履带驱动铰接；所述驱动机构为履带驱动，其内部设有电机。

所述中心关节体包括第一关节体、第二关节体、第三关节体、第四关节体；

所述第一关节体包括第一关节体主体A、第一关节体主体B、变位齿轮、变位电机、变位电机齿轮；所述第一关节体主体A和第一关节体主体B通过关节螺钉连接；所述变位齿轮通过变位齿轮螺钉固定；所述变位电机通过变位电机螺钉固定于第一关节体主体B上；所述变位电机的转动轴与变位电机齿轮之间键连接；

所述第二关节体包括第二关节体主体A、第二关节体主体B、变位齿轮、变位电机、变位电机齿轮。所述第二关节体主体A和第二关节体主体B通过关节螺钉连接；所述变位齿轮通过变位齿轮螺钉固定，所述变位电机通过变位电机螺钉固定于第二关节体主体A上；所述变位电机的转动轴与变位电机齿轮之间键连接；

所述第三关节体与第二关节体具有相同结构；

所述第四关节体包括第四关节体主体A、第四关节体主体B和两个变位齿轮。所述第四关节体主体A和第四关节体主体B通过关节螺钉连接；所述两个变位齿轮分布于该关结体两端，通过变位齿轮螺钉固定；

所述前主体、第一关节体、第二关节体、第三关节体、第四关节体和后主体依次可转动地连接，形成五个关节，在每个关节连接处，对应的变位齿轮与变位电机齿轮相啮合，具体来说：所述前主体的变位电机齿轮与所述第一关节体的变位齿轮相啮合，所述第一关节体的变位电机齿轮与所述第二关节体的变位齿轮相啮合，所述第二关节体的变位电机齿轮与所述第三关节体的变位齿轮相啮合，所述第三关节体的变位电机齿轮与所述第四关节体的其中一个变位齿轮相啮合，所述后主体的变位电机齿轮与所述第四关节体的另一个变位齿轮相啮合。

本发明的优点和有益效果为：

本发明结构设计巧妙，区别于已有传统管道机器人，能够适应各种管道内径和复杂路径，如T型、U型、L型和六通等，搭载模块设备可进行探测、切割、焊接、修补、打捞、运输、清洁、图传等多种功能，运行管道的垂直度0°至90°，并且可以适应小半径弯体，适应性与功能性兼备。速度快、操作难度小、可靠性高，大大提高工作效率，减少成本，具有其他管道机器人无法比拟的竞争优势。具有广阔的商业前景，社会效益、经济效益巨大。

附图说明

图1为本发明管道机器人伸直状态结构示意图。

图2为本发明管道机器人转弯状态结构示意图。

图3为本发明中前(后)主体的正视图。

图4为本发明中前(后)主体的左视图。

图5为本发明中前(后)主体端盖内部结构示意图。

图6为本发明中前(后)主体内部结构示意图。

图7为本发明中中心关节体正视图。

图8为本发明中中心关节体剖视图。

图9为本发明中第一关节体主视图。

图10为本发明中第一关节体左视图。

图11为本发明中第一关节体结构示意图。

图12为本发明中第二关节体主视图。

图13为本发明中第二关节体左视图。

图14为本发明中第二关节体结构示意图。

图15为本发明中第四关节体主视图。

图16为本发明中第四关节体右视图。

图17为本发明中第四关节体结构示意图。

图18为本发明中中心关节体三维结构示意图。

图19为本发明管道机器人三维结构示意图。

图20为本发明管道机器人在管道中运行示意图。

图21为本发明管道机器人前履带驱动收缩示意图。

图22为本发明管道机器人第二关节变位示意图。

图23为本发明管道机器人第三关结变位示意图。

图24为本发明管道机器人第四关节变位示意图。

图25为本发明管道机器人前履带驱动张紧示意图。

图26为本发明管道机器人后履带驱动收缩示意图。

图27为本发明管道机器人第二关节变位示意图。

图28为本发明管道机器人第三关结变位示意图。

图29为本发明管道机器人第四关节变位示意图。

图30为本发明管道机器人后履带驱动张紧示意图。

其中：1、转动支架；2、端盖；3、移动环；4、机架螺钉；5、滑动支架；6、丝杠；7、履带驱动；8、端盖螺钉；9、主体机架A；10、主体机架B；11、丝杠小齿轮；12、大齿轮；13、键；14、张紧调节电机；15、定位螺钉；16、定位环；17、变位电机螺钉；18、变位电机齿轮；19、键；20、变位电机；21、第四关节体；22、第三关节体；23、第二关节体；24、第一关节体；25、关节螺钉；26、第一关节体主体A；27、第一关节体主体B；28、变位齿轮；29、变位齿轮螺钉；30、键；31、第二关节体主体A；32、第二关节体主体B；33、第四关节体主体A；34、第四关节体主体B。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

参见图1-2，本实施例提供一种多功能仿生尺蠖管道机器人，主要包括三部分：前主体、中心关节体、后主体。前主体与后主体具有相同结构，主要设有张紧机构和驱动机构，以驱动机器运动并且可适应不同的管径，还可以通过压紧管壁起到固定机器人的作用。中心关节体采用坡角15°的四个小关节体构成，兼具刚性和可变性，可以在0°与90°之间任意变换。

参见图3-6，具体的，所述前主体(后主体)包括主体机架A9、主体机架B10、端盖2、变位电机20、变位电机齿轮18、张紧机构和驱动机构。所述主体机架A9与主体机架B10在一端通过机架螺钉4连接，另一端通过端盖2闭合固定；所述端盖2通过端盖螺钉8固定于主体机架9、10上；所述变位电机20通过变位电机螺钉17固定于主体机架B10上；所述变位电机20的转动轴与变位电机齿轮18之间键30连接；所述张紧机构包括张紧调节电机14、定位环16、大齿轮12、丝杠小齿轮11、丝杠6、移动环3、转动支架1、滑动支架5。所述张紧调节电机14与定位环16之间通过定位螺钉15固定；所述定位环16与主体机架9、10之间胶接；所述大齿轮12与张紧调节电机14的转动轴之间键19连接；所述大齿轮12与丝杠小齿轮11相啮合；所述丝杠小齿轮11与丝杠6之间键13连接；所述丝杠6可转动地安装在主体机架9、10上，且三条丝杠6在主体机架9、10外围呈正三角形分布；所述移动环3与丝杠6之间螺纹配合；所述转动支架1一端与主体机架9、10铰接，另一端与履带驱动7铰接；所述滑动支架5一端与移动环3铰接，另一端与履带驱动7铰接；所述驱动机构为履带驱动7，其内部设有电机。

参见图7-18，进一步地，所述中心关节体包括四个小关节体，依次分别为第一关节体24、第二关节体23、第三关节体22、第四关节体21；所述第一关节体24包括第一关节体主体A26、第一关节体主体B27、变位齿轮28、变位电机20、变位电机齿轮18。所述第一关节体主体A26和第一关节体主体B27通过关节螺钉25连接；所述变位齿轮28通过变位齿轮螺钉29固定；所述变位电机20通过变位电机螺钉17固定于第一关节体主体B27上；所述变位电机20的转动轴与变位电机齿轮18之间键30连接；

所述第二关节体23包括第二关节体主体A31、第二关节体主体B32、变位齿轮28、变位电机20、变位电机齿轮18。所述第二关节体主体A31和第二关节体主体B32通过关节螺钉25连接；所述变位齿轮28通过变位齿轮螺钉29固定，所述变位电机20通过变位电机螺钉17固定于第二关节体主体A31上；所述变位电机20的转动轴与变位电机齿轮18之间键30连接；

所述第三关节体22与第二关节体23具有相同结构；

所述第四关节体21包括第四关节体主体A33、第四关节体主体B34、两个变位齿轮28。所述第四关节体主体A33和第四关节体主体B34通过关节螺钉25连接；所述两个变位齿轮28分布于该关结体两端，通过变位齿轮螺钉29固定；所述四个关节体依次首尾可转动地连接，构成中心关节体，形成三个关节。

参见图19，更进一步地，所述中心关节体首尾分别与前主体和后主体可转动地连接，构成管道机器人整体，并由此形成了五个关结；所述五个关结对应的变位齿轮28与变位电机齿轮18相啮合。具体来说：所述前主体的变位电机齿轮与所述第一关节体的变位齿轮相啮合，所述第一关节体的变位电机齿轮与所述第二关节体的变位齿轮相啮合，所述第二关节体的变位电机齿轮与所述第三关节体的变位齿轮相啮合，所述第三关节体的变位电机齿轮与所述第四关节体的其中一个变位齿轮相啮合，所述后主体的变位电机齿轮与所述第四关节体的另一个变位齿轮相啮合。

参见图4，更进一步地所述端盖2处可以搭载不同功能模块，实现不同功能。

在具体使用时，将收缩状态的管道机器人放入指定管道，张紧调节电机14在控制器控制下转动，带动大齿轮12转动，大齿轮12通过齿轮啮合带动丝杠小齿轮11转动，进而带动丝杠6转动，移动环3与丝杠6之间螺纹配合，将旋转运动转化为直线运动，移动环3轴向运动带着滑动支架5运动，滑动支架5、履带驱动7、转动支架1与管壁相互作用将履带驱动压紧管壁。前进时，履带驱动在控制器控制下驱动管道机器人前进，如图20所示。

当转弯时，前主体张紧调节电机14在控制器控制下反转，前主体的履带驱动7收缩与管壁分离，此时依靠后主体履带驱动7与管壁接触维持稳定，如图21所示。然后第二关节对应的变位电机20在控制器控制下转动，带动变位电机齿轮18转动，变位电机齿轮18与对应的变位齿轮28啮合带动第一关节体24以上部分转动至合适角度，如图22所示。然后第三关节对应的变位电机20在控制器控制下转动，带动变位电机齿轮18转动，变位电机齿轮18与对应的变位齿轮28啮合带动第二关节体23以上部分转动至合适角度，如图23所示。然后第四关节对应的变位电机20在控制器控制下转动，带动变位电机齿轮18转动，变位电机齿轮18与对应的变位齿轮28啮合带动第三关节体22以上部分转动至合适角度，如图24所示。在整个变位过程中第五关节对应的变位电机20在控制器控制下不断调整，进而带动第四关节体以上部分不断调整，保证前主体中心轴线与后主体中心轴线所确定的平面和所在管道中心轴线与目标管道中心轴线所确定的平面重合，即保证周向无碰撞。同时，在整个变位过程中后主体的履带驱动在控制器控制下不断调整，保证轴向无碰撞。

变位结束后，前主体张紧调节电机14在控制器控制下转动，重复以上履带驱动7张紧原理，将前主体履带驱动7压紧管壁，如图25所示。然后，后主体张紧调节电机14在控制器控制下反转，后主体的履带驱动7收缩与管壁分离，此时依靠前主体履带驱动7与管壁接触维持稳定，如图26所示。

当复位时，第二关节对应的变位电机20在控制器控制下转动，带动变位电机齿轮18转动，变位电机齿轮18与对应的变位齿轮28啮合带动第二关节体23以下部分转动至合适角度，如图27所示。然后第三关节对应的变位电机20在控制器控制下转动，带动变位电机齿轮18转动，变位电机齿轮18与对应的变位齿轮28啮合带动第三关节体22以下部分转动至合适角度，如图28所示。然后第四关节对应的变位电机20在控制器控制下转动，带动变位电机齿轮18转动，变位电机齿轮18与对应的变位齿轮28啮合带动第四关节体21以下部分转动至合适角度，如图29所示。在整个复位过程中第一关节对应的变位电机20在控制器控制下不断调整，进而带动第一关节体24以下部分不断调整，保证前主体中心轴线与后主体中心轴线所确定的平面和所在管道中心轴线与原管道中心轴线所确定的平面重合，即保证周向无碰撞。同时，在整个变位过程中前主体的履带驱动7在控制器控制下不断调整，保证轴向无碰撞。

复位结束后，后主体张紧调节电机14在控制器控制下转动，重复以上履带驱动7张紧原理，将后主体履带驱动7压紧管壁，如图30所示。通过以上过程，管道机器人从原管道过渡到目标管道，然后履带驱动7在控制器控制下驱动管道机器人继续前进。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多功能仿生尺蠖管道机器人，其特征在于：包括前主体、中心关节体和后主体，所述前主体与后主体具有相同结构，所述中心关节体首尾分别与前主体和后主体可转动地连接；

所述前主体和后主体均包括主体机架、端盖、变位电机、变位电机齿轮、张紧机构和驱动机构；所述主体机架由相互对称的主体机架A和主体机架B构成，所述主体机架A与主体机架B在一端通过机架螺钉连接，另一端通过端盖形闭合固定；所述端盖通过端盖螺钉固定于主体机架上；所述变位电机通过变位电机螺钉固定于主体机架B上；所述变位电机的转动轴与变位电机齿轮之间键连接；所述张紧机构包括张紧调节电机、定位环、大齿轮、丝杠小齿轮、丝杠、移动环、转动支架、滑动支架；所述张紧调节电机与定位环之间通过定位螺钉固定；所述定位环与主体机架、之间胶接；所述大齿轮与张紧调节电机的转动轴之间键连接；所述大齿轮与丝杠小齿轮相啮合；所述丝杠小齿轮与丝杠之间键连接；所述丝杠可转动地安装在主体机架上，且三条丝杠在主体机架、外围呈正三角形分布；所述移动环与丝杠之间螺纹配合；所述转动支架一端与主体机架铰接，另一端与履带驱动铰接；所述滑动支架一端与移动环铰接，另一端与履带驱动铰接；所述驱动机构为履带驱动，其内部设有电机；

所述中心关节体包括第一关节体、第二关节体、第三关节体、第四关节体；所述第一关节体包括第一关节体主体A、第一关节体主体B、变位齿轮、变位电机、变位电机齿轮；所述第一关节体主体A和第一关节体主体B通过关节螺钉连接；所述变位齿轮通过变位齿轮螺钉固定；所述变位电机通过变位电机螺钉固定于第一关节体主体B上；所述变位电机的转动轴与变位电机齿轮之间键连接；所述第二关节体包括第二关节体主体A、第二关节体主体B、变位齿轮、变位电机、变位电机齿轮，所述第二关节体主体A和第二关节体主体B通过关节螺钉连接；所述变位齿轮通过变位齿轮螺钉固定，所述变位电机通过变位电机螺钉固定于第二关节体主体A上；所述变位电机的转动轴与变位电机齿轮之间键连接；所述第三关节体与第二关节体具有相同结构；所述第四关节体包括第四关节体主体A、第四关节体主体B和两个变位齿轮，所述第四关节体主体A和第四关节体主体B通过关节螺钉连接；所述两个变位齿轮分布于该关节体两端，通过变位齿轮螺钉固定；所述前主体的变位电机齿轮与所述第一关节体的变位齿轮相啮合，所述第一关节体的变位电机齿轮与所述第二关节体的变位齿轮相啮合，所述第二关节体的变位电机齿轮与所述第三关节体的变位齿轮相啮合，所述第三关节体的变位电机齿轮与所述第四关节体的其中一个变位齿轮相啮合，所述后主体的变位电机齿轮与所述第四关节体的另一个变位齿轮相啮合。

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