CN112413285B - 一种管道清障机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道清障机器人，包括清障机构、两个支撑机构、伸缩驱动机构和控制器，所述清障机构与一个支撑机构的一端连接，一个所述支撑机构的另一端通过第一弹性连接件与伸缩驱动机构连接，所述伸缩弹性机构通过第二弹性连接件与另一个支撑机构连接，所述清障机构、第一支撑机构、伸缩驱动机构和第二支撑机构与控制器连接。本发明能够提供足够大的驱动力和夹紧力，可以保证管道机器人工作过程更加平稳可靠，可以适应一定角度的弯曲管道，通用性强。

Description

一种管道清障机器人

技术领域

本发明涉及微型机器人领域，尤其涉及一种管道清障机器人。

背景技术

现代社会，在金属3D打印、军事装备、工业、生活等领域中，各种微小管道遍布在工业和生活的各个方面，管道问题包括生锈、堵塞、老化以及金属3D打印管道会在内壁生成凸刺支撑等，微型管道机器人正是为了解决上述管道存在的问题而产生。由于很多管道都是复杂的弯曲管道，并且内部环境复杂，对管道机器人的设计要求整体的结构相对简单、尺寸足够小，且能够在弯曲管道中灵活运动，以满足在微小弯曲管道爬行和清障的要求。微型管道机器人是微机器人研究领域的一个重要方向，它具有体积小，能耗低，并且能够处理一些人们难以解决的微小管道内的一些清障作业。

目前，在国内外对管道机器人做了大量的研究，但设计的管道机器人的尺寸很难做到足够小和足够的灵活，以适应微小的弯曲管道，对于直径在25mm以下的微型弯曲管道遇到的问题很难得到有效的解决。例如江苏科技大学提出的一种蠕动式微型管道机器人驱动行走机构，由于支撑结构采用了尺寸占比较大的支撑腿张紧机构，结构相对复杂，很难把管道机器人做到微型化。浙江大学提出的一种蠕动式气动微型管道机器人，驱动和支撑结构都采用气压驱动，管路系统相对复杂，也不易做到微型化。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的结构复杂和不灵活，提供了一种管道清障机器人。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种管道清障机器人，包括清障机构、两个支撑机构、伸缩驱动机构和控制器，所述清障机构与一个支撑机构的一端连接，一个所述支撑机构的另一端通过第一弹性连接件与伸缩驱动机构连接，所述伸缩弹性机构通过第二弹性连接件与另一个支撑机构连接，所述清障机构、第一支撑机构、伸缩驱动机构和第二支撑机构与控制器连接。

更优的选择,所述支撑机构包括第一滑动模块、支撑驱动模块和张合模块,所述支撑驱动模块包括支撑驱动电机和第一丝杆,所述支撑驱动电机安装于第一滑动结构，所述第一滑动结构通过第一导向杆与张合模块连接，所述支撑驱动电机通过第一丝杆与张合模块连接，所述支撑驱动电机与控制器连接，一个所述支撑机构的支撑驱动电机通过第一弹性连接件与伸缩驱动机构连接，一个所述支撑机构的张合模块与清障结构连接，另一个所述支撑机构的支撑驱动电机与伸缩驱动机构连接。

更优的选择,所述第一滑动模块包括第一直线滑套和第一滑套定位块，所述支撑驱动电机安装于第一滑套定位块的内腔，所述第一直线滑套与第一滑套定位块过盈连接，所述第一滑套定位块通过第一导向杆与张合模块连接。

更优的选择,所述张合模块包括螺母推进块、第一限位片和弹性卡位块，所述第一限位片通过第一导向杆与第一滑动模块连接，所述螺母推进块安装于第一导向杆，所述螺母推进块通过第一丝杆与支撑驱动电机连接，所述弹性卡位块与第一限位片靠近螺母推进块的一面连接，一个所述支撑机构的第一限位片与清障机构连接，另一个所述支撑机构的第一限位片与伸缩驱动机构连接。

更优的选择,所述伸缩驱动机构包括伸缩驱动模块、第二滑动模块和伸缩模块，伸缩驱动模块包括伸缩驱动电机和第二丝杆,所述伸缩驱动电机安装于第二滑动模块，所述第二滑动模块通过第二导向杆与伸缩模块连接，所述伸缩驱动电机通过第二丝杆与伸缩模块连接，所述伸缩模块通过第一弹性连接件与一个支撑机构连接，所述伸缩驱动电机通过第二弹性连接件与另一个支撑机构连接，所述伸缩驱动电机与控制器连接。

更优的选择,所述第二滑动模块包括第二滑套定位块和第二直线滑套，所述伸缩驱动电机安装于滑套定位块的内腔，所述第二直线滑套与第二滑套定位块过盈连接，所述第二滑套定位块通过第二导向杆与伸缩模块连接。

更优的选择，所述伸缩模块包括伸缩前进块、支撑杆、挡板和第二限位片，所述第二限位片通过第二导向杆与第二滑动模块连接，所述伸缩前进块通过第二丝杆与伸缩驱动电机连接，所述支撑杆的一端与伸缩前进块连接，所述支撑杆的另一端穿过第二限位片与挡板连接，所述挡板通过第一弹性连接件与一个支撑机构连接。

更优的选择,所述清障机构包括磨削砂轮和清障电机，所述磨削砂轮与清障电机的输出轴连接，所述清障电机与一个支撑结构连接，所述清障电机与控制器连接。

更优的选择,所述弹性连接件代替为万向节。

本发明相对现有技术具有以下优点及有益效果：

1、本发明通过清障机构、两个支撑机构、伸缩驱动机构和控制器，能够提供足够大的驱动力和夹紧力，可以保证管道机器人工作过程更加平稳可靠，可以适应一定角度的弯曲管道，通用性强。

2、本发明通过第一滑动模块、支撑驱动模块和张合模块，采用支撑驱动电机驱动张合模块与管道内壁挤压夹紧定位，结构简单。

3、本发明通过第一直线滑套和第一滑套定位块，采用了第一直线滑套来代替支撑轮，结构简单，有效地减小管道机器人的尺寸。

4、本发明通过伸缩驱动模块、第二滑动模块和伸缩模块来实现控制管道清障机器人的伸长与缩短，从而实现管道清障机器人的前进后退运动，同时可以实现对清障作用的磨削进给量的调节。

附图说明

图1是本发明的一种管道清障机器人的示意图；

图2是本发明的一种管道清障机器人的清障机构示意图；

图3是本发明的一种管道清障机器人的伸缩驱动机构示意图；

图4是本发明的一种管道清障机器人的支撑机构示意图；

图5是本发明的一种管道清障机器人的支撑机构左视图；

图6是本发明的一种管道清障机器人的支撑机构俯视图；

图7是本发明的一种管道清障机器人的支撑机构的张合示意图；

图8是本发明的一种管道清障机器人的直线运动示意图；

图9是本发明的一种管道清障机器人的曲线运动示意图；

附图中各部件的标记：1、清障机构；10、磨削砂轮；11、清障电机；2、支撑机构；20、支撑驱动电机；21、第一直线滑套；22、螺母推进块；23、第一导向杆；24、弹性卡位块；25、第一限位片；26、第一丝杆；27、第一滑套定位块；3、伸缩驱动机构；30、挡板；31、支撑杆；32、第二限位片；33、第二导向杆；34、伸缩前进块；35、第二丝杆；36、第二滑套定位块；37、第二直线滑套；38、伸缩驱动电机；4、第一弹性连接件；5、第二弹性连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述,但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1所示，一种管道清障机器人，包括清障机构1、两个支撑机构2、伸缩驱动机构3和控制器，清障机构1与一个支撑机构2连接，一个支撑机构2通过第一弹性连接件4与伸缩驱动机构3连接，伸缩弹性机构通过第二弹性连接件5与另一个支撑机构2连接，清障机构1、第一支撑机构2、伸缩驱动机构3和第二支撑机构2与控制器连接。能够实现在一定角度的微型管道内爬行，并满足微小管道内清障作业的要求。清障机构1用于消除管内的障碍物，支撑机构2可以实现管道清障机器人与管道内壁临时固定；伸缩驱动机构3可以使管道清障机器人伸长或者缩短，进而实现管道清障机器人的前进或后退；控制器为PLC控制器，用于控制清障机构1、支撑机构2和伸缩驱动机构3；第一弹性连接件4和第二弹性连接件5均采用硅胶或者橡胶制成，具有弹性可变形的性能。

本实施例中的微型管道的直径为8-25mm，管道清障机器人可在微型弯曲管道中使用，能够满足微型弯曲管道的清障作业的要求。

如图4-6所示，支撑机构2一共2个，分别为前支撑机构2和后支撑机构2，前支撑机构的第一限位片25与清障机构1的清障电机11连接，前支撑机构的支撑驱动电机20通过第一弹性连接件与伸缩驱动机构3的挡板30连接，后支撑机构的支撑驱动电机20通过第二弹性连接件与伸缩驱动机构3的伸缩驱动电机38连接。支撑机构2包括第一滑动模块、支撑驱动模块和张合模块，支撑驱动模块包括支撑驱动电机20和第一丝杆26，第一滑动模块包括第一直线滑套21和第一滑套定位块27，张合模块包括螺母推进块22、第一限位片25和弹性卡位块24。支撑驱动电机20安装于第一滑套定位块27的内腔，第一直线滑套21与第一滑套定位块27过盈套接，有效防止第一直线滑套21脱落。两根第一导向杆23的一端与第一滑套定位块27连接，两根第一导向杆23的另一端穿过螺母推进块22的两个通孔与第一限位片25连接，第一限位片25靠近螺母推进块22的一面与弹性卡位块24连接，螺母推进块22通过第一丝杆26与支撑驱动电机20的输出轴连接，支撑驱动电机20通过电线与控制器连接。前支撑机构2的第一限位片25与清障机构1的清障电机11连接，前支撑机构2的支撑驱动电机20通过第一弹性连接件4与伸缩驱动机构3的一端连接，伸缩驱动机构3的另一端通过第二弹性连接件5与后支撑机构2的支撑驱动电机20连接。支撑驱动电机20为步进电机，为支撑机构2提供动力；第一直线滑套21用于管道清障机器人在管道中滑行起到轮子的作用；第一滑套定位块27用于安装支撑驱动电机20和第一直线滑套21，起到支架的作用；螺母推进块22朝向弹性卡位块24的方向采用圆形直径从大到小的斜面结构，更容易更准确地将弹性卡位块24挤开；弹性卡位块24采用橡胶或者硅胶制成，具有弹性可变形，采用空心开口圆筒式结构，朝向螺母推进块的一面为4个凹槽的开口型，便于向外伸展夹紧，螺母推进块22的斜面向弹性卡位块24从内向外挤压时，弹性卡位块24与管道内壁之间产生足够大的摩擦力，实现夹紧工作；第一限位片25用于固定弹性卡位块24和连接清障机构1。

如图3所示，伸缩驱动机构3包括伸缩驱动模块、第二滑动模块和伸缩模块，伸缩驱动模块包括伸缩驱动电机38和第二丝杆35，第二滑动模块包括第二滑套定位块36和第二直线滑套37，伸缩模块包括伸缩前进块34、支撑杆31、挡板30和第二限位片32，伸缩驱动电机38安装在第二滑套定位块36的内腔，第二直线滑套37与第二滑套定位块36过盈连接，从而实现第二直线滑套37的定位，第二滑套定位块36通过第二导向杆33与第二限位片32连接，伸缩驱动电机38的输出轴通过第二丝杆35与伸缩前进块34连接，支撑杆31的一端与伸缩前进块34连接，支撑杆31的另一端穿过第二限位片32与挡板30的一面连接。挡板30的另一面通过第一弹性连接件4与一个支撑机构2连接，通过伸缩驱动电机38通过第二弹性连接件5与另一个支撑机构2连接，伸缩驱动电机38通过电线与控制器连接。伸缩驱动电机38为步进电机，步进电机的正反转可以实现伸缩前进块34沿着第二导向杆33前进或者后退，从而控制管道清障机器人的伸长或缩短；第二滑套定位块36用于安装伸缩驱动电机38和第二直线滑套37；第二直线滑套37用于伸缩驱动机构3的滑行，起到轮子的作用；伸缩前进块34在伸缩驱动电机38的驱动下，可以带动挡板30前进或后退，从而实现伸缩驱动机构3的伸长或缩短；支撑杆31用于将伸缩前进块34与挡板30连接；挡板30用于连接支撑机构2；第二限位片32用于限制伸缩前进块34的移动范围。

如图2所示，清障机构1包括磨削砂轮10和清障电机11，磨削砂轮10与清障电机11的输出轴连接，清障电机11与一个支撑机构2连接，清障电机11通过电线与控制器连接。磨削砂轮10用于清除管道内的障碍物，清障电机11为直流电机11，为磨削砂轮10提供动力，可在直流电机11驱动下高速旋转，并可调转速以实现对磨削速度的调节。磨削砂轮10可随着管道清障机器人在管道中运动，对伸缩驱动机构3运动范围的调节可实现对清障作用的磨削进给量的调节。

清障机构1、两个支撑机构2、伸缩驱动机构3和控制器的布线方式：线束一共有8条电线，清障机构1的清障电机11、两个支撑机构2的支撑驱动电机20、伸缩驱动机构3的伸缩驱动电机38各与2条电线连接。线束的其中2条电线与清障电机连接，线束穿过前支撑机构2的弹性卡位块24的线孔和第一滑套定位块27的线孔。线束的其中2条电线与前支撑机构2的支撑驱动电机20连接，依次穿过伸缩驱动机构3的挡板30的线扣、伸缩前进块34的线扣和第二滑套定位块36的线孔，线束的其中2条电线与伸缩驱动机构3的伸缩驱动电机38连接。线束的最后2条电线与后支撑机构2的支撑驱动电机20连接，然后依次穿过后支撑机构2的弹性卡位块24的线孔和第一滑套定位块27的线孔，线束最后与管道外的控制器连接。

工作原理：一种管道清障机器人由三组微型步进电机驱动实现机器人在微型管道中的爬行运动和一个直流电机11驱动实现清障、清障作业，伸缩驱动机构3是步进电机通过第二丝杆35驱动伸缩前进块34，都是将步进电机的转动转化为伸缩前进块34的前进和后退运动，具有足够大的驱动力，使运动过程更加的平稳可靠。支撑机构2通过步进电机驱动螺母推进块22挤压弹性卡位块24实现支撑机构2的松开与夹紧动作。按一定顺序控制三组步进电机的正、反转动，从而实现蠕动式的前进或后退，通过控制清障电机进而完成各种角度的弯曲管道的清障、清障作业。

使用时，采用以下的四个状态来分别说明本实施例的一种管道清障机器人在图中的管道中向前的运动：

步骤一：管道清障机器人进入管道中，前支撑机构2中的步进电机驱动螺母推进块22向前运动，螺母推进块22开始挤压弹性卡位块24，使得弹性卡位块24与管道内壁接触产生足够大的摩擦力，实现前支撑机构2的夹紧动作。

步骤二：前支撑机构2处于夹紧状态，后支撑机构2处于松开状态，伸缩驱动机构3的步进电机正转推动后支撑机构2和清障机构1实现前进运动，前进运动的过程中，清障机构1的直流电机11得电，带动磨削砂轮10转动实现清障作业。

步骤三：后支撑机构2的步进电机驱动螺母推进块22向前运动，螺母推进块22开始挤压弹性卡位块24，实现后支撑机构2的夹紧动作。前支撑机构2的步进电机反转，带动螺母推进块22后退，使得前支撑机构2处于松开状态。

步骤四：后支撑机构2处于夹紧状态，前支撑机构2处于松开状态，伸缩驱动机构3的步进电机反转，拖动前支撑机构2向前运动。再回到步骤一，如此循环既可以实现在管道中的前进。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种管道清障机器人，其特征在于，包括清障机构、第一支撑机构、第二支撑机构、伸缩驱动机构和控制器，所述清障机构与第一支撑机构的一端连接，所述第一支撑机构的另一端通过第一弹性连接件与伸缩驱动机构连接，所述伸缩驱动机构通过第二弹性连接件与第二支撑机构连接，所述清障机构、第一支撑机构、伸缩驱动机构和第二支撑机构与控制器连接；

所述第一支撑机构和第二支撑机构包括第一滑动模块、支撑驱动模块和张合模块,所述支撑驱动模块包括支撑驱动电机和第一丝杆,所述支撑驱动电机安装于第一滑动模块，所述第一滑动模块通过第一导向杆与张合模块连接，所述支撑驱动电机通过第一丝杆与张合模块连接，所述支撑驱动电机与控制器连接，所述第一支撑机构的支撑驱动电机通过第一弹性连接件与伸缩驱动机构连接，所述第一支撑机构的张合模块与清障机构连接，所述第二支撑机构的支撑驱动电机通过第二弹性连接件与伸缩驱动机构连接；

所述第一滑动模块包括第一直线滑套和第一滑套定位块，所述支撑驱动电机安装于第一滑套定位块的内腔，所述第一直线滑套与第一滑套定位块过盈连接，所述第一滑套定位块通过第一导向杆与张合模块连接；

所述张合模块包括螺母推进块、第一限位片和弹性卡位块，所述第一限位片通过第一导向杆与第一滑动模块连接，所述螺母推进块安装于第一导向杆上，所述螺母推进块通过第一丝杆与支撑驱动电机连接，所述弹性卡位块与第一限位片靠近螺母推进块的一面连接，所述第一支撑机构的第一限位片与清障机构连接，所述第二支撑机构的第一限位片与伸缩驱动机构连接；

所述伸缩驱动机构包括伸缩驱动模块、第二滑动模块和伸缩模块，伸缩驱动模块包括伸缩驱动电机和第二丝杆,所述伸缩驱动电机安装于第二滑动模块，所述第二滑动模块通过第二导向杆与伸缩模块连接，所述伸缩驱动电机通过第二丝杆与伸缩模块连接，所述伸缩模块通过第一弹性连接件与第一支撑机构连接，所述伸缩驱动电机通过第二弹性连接件与第二支撑机构连接，所述伸缩驱动电机与控制器连接；

所述第二滑动模块包括第二滑套定位块和第二直线滑套，所述伸缩驱动电机安装于第二滑套定位块的内腔，所述第二直线滑套与第二滑套定位块过盈连接，所述第二滑套定位块通过第二导向杆与伸缩模块连接；

所述伸缩模块包括伸缩前进块、支撑杆、挡板和第二限位片，所述第二限位片通过第二导向杆与第二滑动模块连接，所述伸缩前进块通过第二丝杆与伸缩驱动电机连接，所述支撑杆的一端与伸缩前进块连接，所述支撑杆的另一端穿过第二限位片与挡板连接，所述挡板通过第一弹性连接件与第一支撑机构连接；

所述清障机构包括磨削砂轮和清障电机，所述磨削砂轮与清障电机的输出轴连接，所述清障电机与第一支撑机构连接，所述清障电机与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种管道清障机器人，其特征在于，所述第一弹性连接件代替为万向节。