CN112524392A - 一种管道机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道机器人行走机构，包括动力输入组件、摆动摇臂组件、变角度传动组件和行走轮组件。动力输入组件将原动机的动力传递至变角度传动组件；摆动摇臂组件实现管道机器人本体支撑和管道口径动态自适应；变角度传动组件将动力转换到行走轮上；行走轮组件安装在摆动摇臂组件末端，通过拉簧作用紧贴管道内壁提供管道机器人前进的牵引力。实现了管道机器人在管道内可靠行走，可动态适应管道口径变化，所有行走轮都能提供行走牵引力且仅需一个动力源，提高了管道机器人的工作可靠性。

Description

一种管道机器人行走机构

技术领域

本发明涉及管道机器人领域，特别是涉及一种管道机器人行走机构，用于轮式驱动的管道机器人。

背景技术

管道在各行各业都有广泛的应用，但由于时间、使用环境等因素，往往会发生破裂等问题，且管道往往具有相当的长度，有的管道还埋入地下，给故障排除带来了相当的难度，因此在管道检修与故障排除时管道机器人被广泛采用。

现有的管道机器人多针对大口径管道结构，采用基于自重的轮式驱动，且往往多个行走机构对应多个动力源头，成本较高且需要考虑驱动的一致性；对于小口径的管道机器人一方面较少，另一方面现有的适合小口径的管道机器人往往存在牵引力不足甚至没有驱动力，需要线缆等装置辅助驱动，限制了管道机器人在管道内的有效爬行深度。

有鉴于在以往管道机器人技术领域存在的问题及有待提高的地方，本发明提出了一种具有较高可靠性和管道口径、管道壁面起伏程度适应能力的管道机器人行走机构。基于该结构的管道机器人在管道通过性方面相比现有的管道机器人会有较大的提升；通过合理传动结构，实现管道机器人所有的行走轮都可以成为驱动轮，且可将动力源压缩至一个，解决了驱动一致性问题；本管道机器人行走机构采用轮式驱动，采用弹簧辅助张紧提供足够的摩擦力，摆脱了重力的限制，能适应各种口径管道且具有垂直爬升的能力。

因此本领域人员致力于研究一种具有高可靠性，高通过性的管道机器人行走机构。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种管道机器人行走机构，解决目前管道机器人难以适应小口径管道、管道物理环境变化适应性差、提供牵引力有限、受制于重力等问题。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种管道机器人行走机构，包括动力输入组件1、摆动摇臂组件2、变角度传动组件3以及行走轮组件4；所述动力输入组件1通过一组动力输入齿轮5实现动力输入；动力输入组件1嵌入摆动摇臂组件2的凹形摇臂6中；变角度传动组件3中的锥齿轴7与动力输入组件1的轴接头8连接，锥齿轴7上的锥齿与变角度传动组件3的锥齿轮20啮合；行走轮组件4包含左右对称的行走轮结构。

进一步地，所述动力输入组件1由动力输入齿轮5、轴接头8、十字轴9、第一传动轴10和第二传动轴11组成；管道机器人原动机的旋转动力通过齿轮与动力输入齿轮5啮合实现动力输入；动力输入齿轮5的轴端与轴接头8固定连接，轴接头8上开有销孔，与十字轴9旋转连接；所述第一传动轴10左端也开有销孔，与十字轴9旋转连接，另一端是中空的轴段，内部为非圆形截面，与第二传动轴11外形适配，轴向可动连接；所述第二传动轴11末端也连接有十字轴9及轴接头8。

进一步地，所述摆动摇臂组件2由凹形摇臂6、管道机器人本体12、滑销13、拉杆14、拉簧15、Y形顶杆16、销板17组成；凹形摇臂6左端有铰链孔，与管道机器人本体12的端部连接，在管道机器人本体12的中间适当位置处设有滑槽，通过滑销13将拉杆14、Y形顶杆16连接，拉杆14在拉簧15拉力作用下向右张紧，带动Y形顶杆16向上举升；所述Y形顶杆16与凹形摇臂6在两端通过销板17连接，所述销板17通过一组螺栓安装在凹形摇臂6上，销板17上设有销轴，与Y形顶杆16与凹形摇臂6上的销孔配合。

进一步地，所述变角度传动机构3由锥齿轴7、轮轴18、第一支撑轴承19、锥齿轮20、第二支撑轴承21和齿轮箱外罩30组成；锥齿轴7与轴接头8固定连接，将动力输入组件1的动力输入，锥齿轴7上的锥齿与锥齿轮20啮合，锥齿轮20与轮轴18固定连接，轴段外圆与第一支撑轴承19内孔配合；第二支撑轴承21内圆与轮轴18配合；轮轴18两端设有螺纹段，在螺纹段根部设有一定长度的扁轴段。

进一步地，所述行走轮组件4由左右完全一致的两组限扭矩轮组组成，包括轮轴18、传动销22、限滑承载板23、摩擦片24、轮胎25、轮毂26、一组对置的鼓形垫片27或其他弹性元件、槽口垫片28和锁紧螺母29组成；所述槽口垫片28中间开有槽形孔，与轮轴18上的扁轴段配合，可在轴向调整浮动，周向相对锁死；鼓形垫片27在锁紧螺母29压紧作用下紧贴轮毂26右端面，轮毂26左侧开有凹槽，嵌有摩擦片24、摩擦片24另一端又压紧在限滑承载板23上，所述限滑承载板23与轮轴18是固定连接；调节锁紧螺母29松紧控制轮毂26在不同负载扭矩下相对轮轴18发生打滑。

进一步地，所述动力输入齿轮5的轴端两侧分别都套有轴承，再安装在管道机器人本体上；所述拉簧15一端连接在拉杆14上，另一端固定在管道机器人本体上，在滑销13滑动行程范围内，拉簧15保持张紧状态。

进一步地，所述凹形摇臂6上的与Y形顶杆16配合的销孔在长度方向有一组或多组，Y形顶杆16销孔可通过销板17安装在凹形摇臂6的不同位置处，根据几何关系，凹形摇臂6的摆角度范围可因此变化，以适应不同口径的管道。

进一步地，所述摆动摇臂组件2在圆周上可等角度间隔布置多组，且前后方向可互换，进而构成前后周向多组行走轮布局，支撑起管道机器人本体；每组摆动摇臂组件2分别对应与管道机器人本体12上的一组滑槽配合。

本发明原理在于：一种管道机器人行走机构，包括动力输入组件、摆动摇臂组件、变角度传动组件和行走轮组件。

动力输入组件的作用是将来自管道机器人本体的动力输出至变角度传动组件，且不受机构本身动态变化的影响，由动力输入齿轮、轴接头、十字轴、第一传动轴、第二传动轴组成。管道机器人本体动力源输出的回转运动通过齿轮与多组动力输入齿轮啮合，每组动力输入齿轮都通过轴接头、十字轴、第一传动轴、第二传动轴将动力输出至变角度传动组件。

摆动摇臂组件由凹形摇臂、管道机器人本体、滑销、拉杆、拉簧、Y形顶杆和销板组成。在拉簧作用下，凹形摇臂向外扩张，当管道机器人在管道中经过崎岖不平的壁面路况时，该结构能保证行走轮始终紧贴管道内壁面，保证提供足够牵引力。使Y形顶杆与凹形摇臂上的不同安装孔位配合，实现凹形摇臂不同摆角变化，进而适用不同口径管道。

变角度传动组件由锥齿轴、轮轴、第一支撑轴承、锥齿轮、第二支撑轴承和齿轮箱外罩组成。其作用是将动力输入组件的旋转运动变角度输出到轮轴上，带动两侧的轮组旋转，牵引管道机器人车体前进。

行走轮组件由左右对称的两组限扭矩轮组组成，软质材料的轮胎与管道内壁接触，提供管道机器人前进的牵引力，在鼓形垫片、槽口垫片、摩擦片、锁紧螺母等的作用下。驱动轮达到一定的负载扭矩时，轮毂与轮轴之间可发生打滑现象，避免管道机器人在管道内遇到较大障碍发生卡死时损坏传动部件等，调节锁紧螺母可调节发生打滑的临界负载扭矩。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于本行走机构的管道机器人，所有行走轮都是驱动轮，能提供更大的有效牵引力，搭载更多更重的附件设备深入管道内部实施各种检测、修复任务，行走距离也更远。

(2)本发明的行走轮有效牵引力基本不受重力影响，依靠自身的摇臂膨胀结构，使所有行走轮都紧贴管道内壁，无论管道机器人在管道中处于何种位姿，如管道弯头、垂直管段、凹凸不平的管壁等，始终能保持行走轮压紧管道壁面，保证管道机器人顺畅行进。

(3)本发明原动机仅一个，在动力布局上相比传统多驱动的管道机器人简化了动力布局，提高了可靠性，且克服了传统多驱动的管道机器人动力输出不一致的问题，即保证了每时每刻各个行走轮的转速都是一致的，提高了管道机器人的运行稳定性。

(4)本发明为解决管道机器人在通过曲率较大的地方时，弯头内、外侧行走轮运行速度不一致的问题，在行走轮上设置了扭矩限滑结构，当管道机器人通过管道弯头时，行走轮收到的负载扭矩达到一定程度时，扭矩限滑结构将允许行走轮与轮轴之间发生相对错位滑动，允许管道内外侧的的行走轮转速差。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，其中，5为动力输入齿轮，6为凹形摇臂，7为锥齿轴，8为轴接头，9为十字轴，10为第一传动轴，11为第二传动轴，12为管道机器人本体，13为滑销，14为拉杆，15为拉簧，16为Y形顶杆，17为销板，26为轮毂，30为齿轮箱外罩；

图2是本发明的动力输入组件结构示意图，其中，1为动力输入组件，5为动力输入齿轮，8为轴接头，9为十字轴，10为第一传动轴，11为第二传动轴；

图3是本发明的摆动摇臂组件结构示意图，其中，2为摆动摇臂组件，6为凹形摇臂，12为管道机器人本体，13为滑销，14为拉杆，15为拉簧，16为Y形顶杆，17为销板；

图4是本发明的变角度传动组件结构示意图，其中，3为变角度传动组件，7为锥齿轴，18为轮轴，19为第一支撑轴承，20为锥齿轮，21为第二支撑轴承；

图5是本发明的行走轮组件结构示意图，其中，4为行走轮组件，18为轮轴，22为传动销，23为限滑承载板，24为摩擦片，25为轮胎，26为轮毂，27为鼓形垫片，28为槽口垫片，29为锁紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，需注意的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”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，不表示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作等，不可理解为对本发明的限制条件。

如图1-5所示，一种管道机器人行走机构，包括动力输入组件1、摆动摇臂组件2、变角度传动组件3、行走轮组件4。动力输入组件1中的动力输入齿轮5与管道机器人本体12的输出端相互啮合，获取动力，通过右侧的轴接头8传递至变角度传动组件3；摆动摇臂组件2中的凹形摇臂6左端开有销孔，与管道机器人本体12之间构成铰链连接；变角度传动组件3的锥齿轴7与轴接头8固定连接，第一支撑轴承19和第二支撑轴承21嵌入凹形摇臂6的右端；行走轮组件4包括左右两组限扭矩轮组，在端面的锁紧螺母作用下，轮胎25和轮毂26在负载扭矩达到一定值后，会发生打滑。

如图1-2所示，动力输入组件1由动力输入齿轮5、轴接头8、十字轴9、第一传动轴10、第二传动轴11组成。动力输入齿轮5的两端与管道机器人本体12通过轴承连接定位，右侧光轴上开有销孔，与轴接头8上的销孔通过销钉连接，轴接头8右侧为槽形结构，嵌入与之配合的十字轴9。十字轴9以相同的方式与第一传动轴10左侧连接，所述第一传动轴10右侧轴段是非圆形中空截面，并与第二传动轴11外形适配，构成轴向滑动连接。

如图2-3所示，摆动摇臂组件2由凹形摇臂6、管道机器人本体12、滑销13、拉杆14、拉簧15、Y形顶杆16、销板17组成。凹形摇臂6横截面是凹槽形的，所述第一传动轴10和第二传动轴11位于凹槽空间，销板17上包含一组安装螺栓孔及一组突出的定位销，用于连接Y形顶杆16和凹形摇臂6，构成铰链连接。凹形摇臂6上开有不同的安装销孔，分别对应不同的管道口径范围。

管道机器人本体12在轴向适当位置处设有滑槽，滑槽沿圆周方向设有多组，通过滑销13将拉杆14、Y形顶杆16连接，拉杆14右端挂有拉簧15，滑销13可在滑槽范围内滑动，推动Y形顶杆16，使凹形摇臂6处于张紧状态。

如图3-4所示，变角度传动组件3由锥齿轴7、轮轴18、第一支撑轴承19、锥齿轮20、第二支撑轴承21和齿轮箱外罩30组成。锥齿轴7的光轴端部设有销孔与轴接头8固定连接，通过锥齿轮啮合将动力传输至轮轴18上。第一支撑轴承19和第二支撑轴承21安装在凹形摇臂6右端轴承孔中。

如图4-5所示，行走轮组件4由左右完全一致的两组限扭矩轮组组成，包括轮轴18、传动销22、限滑承载板23、摩擦片24、轮胎25、轮毂26、一组对置的鼓形垫片27或其他弹性元件、槽口垫片28、锁紧螺母29组成。行走轮组件4的轮胎与管道内壁面贴紧，轮轴18上开有一系列安装定位销孔，用于固定连接锥齿轮20和两侧的限滑承载板23。锁紧螺母29旋在轮轴18两端的螺纹段，压紧槽口垫片28和鼓形垫片27或其他弹性元件，两个鼓形垫片27对置安装，具有一定弹性，使轮毂26与环形的摩擦片24压紧，超过一定的摩擦力矩时轮毂26相对轮轴18发生打滑。轮轴18上设有扁轴段，与槽口垫片28内孔适配，当轮毂26与轮轴18发生打滑时，槽口垫片28不会相对轮毂26转动，保证锁紧螺母29保持旋紧状态。

以上详细描述了本发明的具体实施例。本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出各种修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验等手段可以得到的技术方案，皆在权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种管道机器人行走机构，其特征是：包括动力输入组件(1)、摆动摇臂组件(2)、变角度传动组件(3)以及行走轮组件(4)；所述动力输入组件(1)通过一组动力输入齿轮(5)实现动力输入；动力输入组件(1)嵌入摆动摇臂组件(2)的凹形摇臂(6)中；变角度传动组件(3)中的锥齿轴(7)与动力输入组件(1)的轴接头(8)连接，锥齿轴(7)上的锥齿与变角度传动组件(3)的锥齿轮(20)啮合；行走轮组件(4)包含左右对称的行走轮结构。

2.如权利要求1所述的管道机器人行走机构，其特征是：所述动力输入组件(1)由动力输入齿轮(5)、轴接头(8)、十字轴(9)、第一传动轴(10)和第二传动轴(11)组成；管道机器人原动机的旋转动力与动力输入齿轮(5)啮合实现动力输入；动力输入齿轮(5)的轴端与轴接头(8)固定连接，轴接头(8)上开有销孔，与十字轴(9)旋转连接；所述第一传动轴(10)左端也开有销孔，与十字轴(9)旋转连接，另一端是中空的轴段，内部为非圆形截面，与第二传动轴(11)外形适配，轴向可动连接；所述第二传动轴(11)末端也连接有十字轴(9)及轴接头(8)。

3.如权利要求1所述的管道机器人行走机构，其特征是：所述摆动摇臂组件(2)由凹形摇臂(6)、管道机器人本体(12)、滑销(13)、拉杆(14)、拉簧(15)、Y形顶杆(16)、销板(17)组成；凹形摇臂(6)左端有铰链孔，与管道机器人本体(12)的端部铰链连接，在管道机器人本体(12)的中间适当位置处设有滑槽，通过滑销(13)将拉杆(14)、Y形顶杆(16)连接，拉杆(14)在拉簧(15)拉力作用下向右张紧，带动Y形顶杆(16)向上举升；所述Y形顶杆(16)与凹形摇臂(6)在两端通过销板(17)连接，所述销板(17)通过一组螺栓安装在凹形摇臂(6)上，销板(17)上设有销轴，与Y形顶杆(16)与凹形摇臂(6)上的销孔配合。

4.如权利要求1所述的管道机器人行走机构，其特征是：所述变角度传动机构(3)由锥齿轴(7)、轮轴(18)、第一支撑轴承(19)、锥齿轮(20)、第二支撑轴承(21)和齿轮箱外罩(30)组成；锥齿轴(7)与轴接头(8)固定连接，将动力输入组件(1)的动力输入，锥齿轴(7)上的锥齿与锥齿轮(20)啮合，锥齿轮(20)与轮轴(18)固定连接，轮轴(18)外圆与锥齿轮(20)的内孔配合并通过销钉固定，锥齿轮(20)的凸台外圆与第一支撑轴承(19)的内圆配合；第二支撑轴承(21)内圆与轮轴(18)配合；轮轴(18)两端设有螺纹段，在螺纹段根部设有一定长度的扁轴段。

5.如权利要求1所述的管道机器人行走机构，其特征是：所述行走轮组件(4)由左右完全一致的两组限扭矩轮组组成，包括轮轴(18)、传动销(22)、限滑承载板(23)、摩擦片(24)、轮胎(25)、轮毂(26)、一组对置的鼓形垫片(27)或其他弹性元件、槽口垫片(28)和锁紧螺母(29)组成；所述槽口垫片(28)中间开有槽形孔，与轮轴(18)上的扁轴段配合，可在轴向浮动调整，周向相对锁死即不可相对转动；鼓形垫片(27)或其他弹性元件在锁紧螺母(29)压紧作用下紧贴轮毂(26)右端面，轮毂(26)左侧开有凹槽，嵌有摩擦片(24)、摩擦片(24)另一端又压紧在限滑承载板(23)上，所述限滑承载板(23)与轮轴(18)通过传动销(22)固定连接；调节锁紧螺母(29)松紧控制轮毂(26)在不同负载扭矩下相对轮轴(18)发生打滑。

6.如权利要求1-5任一项所述的管道机器人行走机构，其特征是：所述动力输入齿轮(5)的轴端两侧分别都套有轴承，安装在管道机器人本体上；所述拉簧(15)一端连接在拉杆(14)上，另一端固定在管道机器人本体上，在滑销(13)滑动行程范围内，拉簧(15)保持张紧状态。

7.如权利要求1-5任一项所述的管道机器人行走机构，其特征是：所述凹形摇臂(6)上的与Y形顶杆(16)配合的销孔在长度方向有一组或多组，Y形顶杆(16)销孔可通过销板(17)安装在凹形摇臂(6)的不同位置处，根据几何关系，凹形摇臂(6)的摆角度范围可因此变化，以适应不同口径的管道。

8.如权利要求3所述的管道机器人行走机构，其特征是：所述摆动摇臂组件(2)在圆周上可等角度间隔布置多组，且前后方向可互换，进而构成前后周向多组行走轮布局，支撑起管道机器人本体；每组摆动摇臂组件(2)分别对应与管道机器人本体(12)上的一组滑槽配合。

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