CN113048323B - 一种轮腿式变径管道内壁爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮腿式变径管道内壁爬行机器人，包括载具车身、驱动机构和行走机构，驱动机构用于驱动行走机构，行走机构远离驱动机构的一端紧贴外部管道内壁，并能绕驱动机构的中心线实现周向转动。行走机构包括变径组件和行走轮组件，变径组件的一端与从动组件固定连接，变径组件另一端与行走轮组件固定连接，变径组件用于使其自身能够自由转动从而使行走轮组件紧贴于外部管道内壁。本发明的行走机构采用轮腿结合式，提高其驱动能力、越障性、弯道通过性、运动可靠性、管径适应能力，并且可根据管道口径不同，调整与连接件与舵机角度改变行走机构伸张长度，实现变径管道内通行问题，利用动力车身与载具车身活动连接的连接杆可实现灵活转弯。

Description

一种轮腿式变径管道内壁爬行机器人

技术领域

本发明属于管道机器人领域，尤其涉及一种轮腿式变径管道内壁爬行机器人。

背景技术

管道机器人是一种可沿细小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。能在平稳安全高效实现管内通行情况下，能通过搭载无损检测等装置，以保障管道安全畅通。管道机器人移动机构，目前根据机械结构形式的差异分为流体驱动式、轮式、履带式、支撑式、行走式、蠕动式、螺旋驱动式七大类。

流体驱动式机器人，这类机器人没有驱动装置，只是随着管内流体流动，属于不需要消耗能源的被动型机器人，但是其运动模式相当有限。轮式机器人，这一类机器人广泛运用于管道检查工作，许多的商业机器人就是这一类型。履带式机器人，即用履带代替轮子。支撑式机器人，这类机器人通过可以伸张的机械臂紧贴管道内壁，推动机器人前进。行走式机器人，这类机器人通过机械足运动，但是这类机器人需要大量驱动器，并且难以控制。蠕动式机器人，这类机器人像蚯蚓一样通过身体的伸缩前进。螺旋驱动式机器人，即驱动机构做旋转运动，螺旋前进。

然而现有的管道机器人移动机构功能单一，机构老套，结构复杂，不能满足大多数情况下的使用。因此，现需要针对小口径管道设计一款结构简单在变径管道环境下大弯道管道内通过性优良的爬行机器人。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种轮腿式变径管道内壁爬行机器人，以获得一种具有广泛应用能力的管道机器人的技术效果。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种轮腿式变径管道内壁爬行机器人包括载具车身，以及设于载具车身两侧的第一动力车身和第二动力车身，第一动力车身和第二动力车身用于提供动力，并带动载具车身实现移动；

第一动力车身和第二动力车身均包括驱动机构，以及与驱动机构固定连接的若干行走机构，驱动机构用于驱动行走机构，行走机构远离驱动机构的一端紧贴外部管道内壁用于提供前进动力，并绕驱动机构的中心线实现周向转动以躲避障碍，若干行走机构呈径向均匀分布用以保持稳定性；

驱动机构包括动力组件、从动组件和转动连接件，转动连接件分别与动力组件和从动组件连接，从动组件套设于动力组件，动力组件用于提供周向转动力，从动组件经转动连接件受控于动力组件实现周向转动，从而驱动行走机构转动；

行走机构包括变径组件和行走轮组件，变径组件的一端与从动组件固定连接，变径组件另一端与行走轮组件固定连接，变径组件用于使其能自由转动从而使行走轮组件紧贴于外部管道内壁，行走轮组件用于带动轮腿式变径管道内壁爬行机器人行进。

其中，动力组件包括步进电机和内滚筒；内滚筒为环形结构，步进电机设于内滚筒的环形内侧，步进电机用于驱动转动连接件沿内滚筒的中心线进行轴向转动。

其中，从动组件包括外滚筒、保持架以及嵌设于保持架中空部内的若干滚珠；

外滚筒为环形结构，外滚筒套设于内滚筒，且与内滚筒相同中心线设置，外滚筒与转动连接件固定连接，外滚筒受控于转动连接件以实现周向转动；

其中，转动连接件为驱动盘，驱动盘为均匀分布的六孔圆盘；

保持架设于外滚筒的内壁和内滚筒的外壁所形成的环形空间内，保持架受控于外滚筒沿内滚筒的中心线实现轴向转动，若干滚珠紧贴于外滚筒内壁和内滚筒外壁，并随保持架共同运动。

其中，变径组件包括第一数字双轴舵机、第二数字双轴舵机和第一舵机连接件；

第一数字双轴舵机未设有双轴的一端与从动组件固定连接，第一数字双轴舵机受控于从动组件以实现绕从动组件的中心线转动；

第一数字双轴舵机的另一端与第一舵机连接件的一端螺栓连接，第一数字双轴舵机用于控制第一舵机连接件以实现绕第一数字双轴舵机的双轴的周向方向实现转动；

第一舵机连接件的另一端分别与第二数字双轴舵机的主轴舵盘和副轴舵盘螺栓连接，第二数字双轴舵机以第一舵机连接件为支撑件，绕主轴舵盘或副轴舵盘的周向方向转动。

其中，行走轮组件包括第二舵机连接件、第三数字双轴舵机和行走轮；第二数字双轴舵机远离第一数字双轴舵机的一端与第二舵机连接件的一端固定连接，第二舵机连接件的另一端与第三数字双轴舵机未设有双轴的一端固定连接；

第三数字双轴舵机的另一端设有双轴，行走轮分别对称地套设于双轴的延伸杆上，第三数字双轴舵机用于驱动行走轮紧压外部管道内壁。

进一步优选地，驱动机构还包括后盖板，后盖板设于从动组件外部并与转动连接件对向固定连接。

其中，载具车身为半圆柱体，其内部为中空结构并设有为轮腿式变径管道内壁爬行机器人移动装置提供电力支持的内置电池；

载具车身底部贯穿设有车轴，车轴的两端分别设有与载具车身前进方向相同的随动轮。

进一步优选地，载具车身的上端面还设有挡板，挡板用于保护载具车身，挡板两侧分别设有护轮组，护轮组内贴近载具车身弧形侧壁设有若干护轮，若干护轮滚动方向与载具车身前进方向相垂直，用于保护载具车身。

其中，第一动力车身设有与之活动连接的第一连接杆，第二动力车身设有与之活动连接的第二连接杆，第一动力车身经第一连接杆与载具车身连接，第二动力车身经第二连接杆与载具车身连接。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本发明的行走机构采用轮腿结合式，同时利用现行成熟的数字双轴舵机构成多舵机驱动型腿足，在驱动能力、越障性、弯道通过性、运动可靠性、管径适应能力方面优于单一机械结构，并且可根据管道口径不同，调整与连接件相连的舵机角度完成轮腿式变径机构的伸张长度，实现变径管道内通行问题；

2)本发明的驱动机构采用内-外滚筒型车身设计，内滚筒车身装载电机及其他任务装置，外滚筒车身连接三个行走机构，三个行走机构的轮腿结构呈径向均匀分布，基于三点确定一个平面，且三点始终在同一个圆柱面上，在实现自定心的同时满足力封闭条件，能保持稳定性；

3)本发明在大弯道管道内通行时，利用动力车身与载具车身活动连接的连接杆可实现灵活转弯。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的一种实施例的轮腿式变径管道内壁爬行机器人的整体结构示意图；

图2为本发明的一种实施例的动力车身的前视示意图；

图3为本发明的一种实施例的动力车身的侧视示意图；

图4为本发明的一种实施例的载具车身的俯视示意图；

图5为本发明的一种实施例的载具车身的轴测示意图；

图6为本发明的一种实施例的驱动机构的剖面示意图；

图7为本发明的一种实施例的驱动机构的侧视示意图；

图8为本发明的一种实施例的行走机构的结构示意图。

附图标记说明

1：第一动力车身；101：第二动力车身；2：载具车身；3：行走机构；4：驱动机构；5：挡板；6：护轮；7：车轴；8：随动轮；9：护轮；10：连接杆；11：滚珠；12：内滚筒；13：后盖板；14：步进电机；15：保持架；16：驱动盘；17：外滚筒；18：ST2.2十字槽半沉头自攻螺钉；1801：ST3.5十字槽半沉头自攻螺钉；19：主轴舵盘；1901：副轴舵盘；20：第一数字双轴舵机；2001：第二数字双轴舵机；2002：第三数字双轴舵机；21：第一舵机连接件；2101：第二舵机连接件。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种轮腿式变径管道内壁爬行机器人作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例

首先，在本实施例中，以本实施例前进方向为前后方向，以重力方向区分上下方向。

参看图1，本实施例提供一种轮腿式变径管道内壁爬行机器人，包括载具车身2，以及设于载具车身2两侧的第一动力车身1和第二动力车身101。第一动力车身1和第二动力车身101用于提供动力，并带动载具车身2实现移动。

具体地，参看图1，第一动力车身1设有与之通过双头螺栓活动连接的第一连接杆，第二动力车身101设有与之通过双头螺栓活动连接的第二连接杆，第一动力车身1经第一连接杆与载具车身2连接，第二动力车身101经第二连接杆与载具车身2连接。上述第一连接杆和第二连接杆仅用于撰写区分，其可以为两根独立连接杆10，也可以为贯穿该载具车身2的一根长连接杆10的两端。在大弯道管道内通行时，利用第一、第二动力车身101与载具车身2活动连接的连接杆10以实现灵活转弯，举例说明：第一动力车身1先进行转向，载具车身2通过活动连接的连接杆10实现被动转向，在护轮9组6与外部管壁接触的助力下，完成转向，最后第二动力车身101紧跟载具车身2完成主动转向，上述转向仅为举例说明，具体转向会随着具体应用场景选择最优解，而不是以此为限定。

参看图4和图5，对载具车身2进行说明，载具车身2为半圆柱体，其前后端面为半圆柱形，其下端面为弧面，上端面为矩形。载具车身2的内部为中空结构并设有为本实施例提供电力支持的内置电池。载具车身2的下方设有贯穿载具车身2的车轴7，车轴7的两端分别设有与本实施例前进方向相同的随动轮8，在动力车身的带动下依靠随动轮8使载具车身2随之滑动。

较优地，载具车身2的上端面的中间安装有挡板5，挡板5用于保护载具车身2的上端面，挡板5两侧分别安装有护轮组6，护轮组6贴近载具车身2下端面处设有若干护轮9，且护轮9滚动方向与载具车身2前进方向相垂直，用于保护载具车身2的弧形下端面。具体地，在本实施中共有12个护轮9，前后两侧的护轮组6各自安装6个护轮9，且左右对称安装即一组护轮组6在下端面的一侧安装3个护轮9，依靠上述两组护轮组6化解与外部管壁碰撞所受的冲击力，并转化为沿管壁移动的助力。

参看图1、图2和图3，在本实施例中，第一动力车身1和第二动力车身101均包括驱动机构4，以及与驱动机构4固定连接的若干行走机构3，驱动机构4用于驱动行走机构3，行走机构3远离驱动机构4的一端紧贴外部管道内壁用于提供前进动力。在驱动机构4地带动下行走机构3绕驱动机构4的中心线实现周向转动，若干行走机构3呈径向均匀分布用以保持稳定性。

参看图6和图7，现对本实施例的驱动机构4进行详细说明，驱动机构4包括动力组件、从动组件和转动连接件，转动连接件分别与动力组件和从动组件连接，从动组件套设于动力组件，动力组件用于提供周向转动力，从动组件用于经转动连接件受控于动力组件实现周向转动，从而带动行走机构3转动。

具体地，动力组件包括步进电机14和内滚筒12；内滚筒12为环形结构，步进电机14固定于内滚筒12的环形内侧，通过驱动转动连接件带动从动组件以实现周向运动。其中，转动连接件为驱动盘16，具体为均匀分布的六孔圆盘。

具体地，从动组件包括外滚筒17、保持架15以及嵌设于保持架15中空部内的若干滚珠11。外滚筒17同样为环形结构，外滚筒17套设于内滚筒12，且从前、后方向看去，外滚筒17与内滚筒12具有相同圆心，外滚筒17与驱动盘16轴向固定连接，外滚筒17跟随驱动盘16转动从而实现周向转动。此外，外滚筒17与内滚筒12之间留有环形空间，其内部设有保持架15，并且保持架15可沿内滚筒12中心线轴向转动。保持架15中空部分设置若干滚珠11，若干滚珠11紧贴于外滚筒17内壁和内滚筒12外壁并随着保持架15共同运动。

较优地，驱动机构4还包括后盖板13，后盖板13设于外滚筒17外部并与驱动盘16对向固定连接。

参看图2、图3和图8，在本实施例中，各个动力车身设有3组行走机构3，均布且固定连接在外滚筒17上，是可随外滚筒17实现周向转动的轮腿式变径机构，从而躲避管内障碍。3组行走机构3呈径向均匀分布，3组行走机构3的末端三点确定一个平面，且三点始终在同一个圆柱面上，在实现自定心的同时满足力封闭条件，保持本实施例的稳定性。

每个行走机构3包括变径组件和行走轮组件，变径组件的一端与外滚筒17固定连接，变径组件另一端与行走轮组件固定连接，变径组件用于使其自身能够自由转动从而使行走轮组件紧贴于外部管道内壁。

具体地，参看图8，变径组件包括第一数字双轴舵机20、第二数字双轴舵机2001和第一舵机连接件21。第一数字双轴舵机20未设有双轴的一端通过ST3.5十字槽半沉头自攻螺钉1801与外滚筒17固定连接，第一数字双轴舵机20会随着外滚筒17转动实现绕外部管道轴心线轴向转动，以此可以使行走机构3躲避行走过程中管道内的障碍。第一数字双轴舵机20的另一端同样通过ST3.5十字槽半沉头自攻螺钉1801与第一舵机连接件21的一端螺栓连接，其中，第一舵机连接件21为十字型舵机连接件，具体工作时，第一数字双轴舵机20的双轴发生转动从而带动第一舵机连接件21发生转动，以此调整行走轮组件的行走轮的位置。另外，第一舵机连接件21的另一端分别与第二数字双轴舵机2001一端的主轴舵盘19和副轴舵盘1901通过ST3.5十字槽半沉头自攻螺钉1801螺栓连接，第二数字双轴舵机2001以第一舵机连接件21为支撑件，绕双轴进行转动，从而在与第一数字双轴舵机20转动垂直的方向上实现转动，以此调整行走轮组件的行走轮的位置。上述第一数字双轴舵机20、第二数字双轴舵机2001的相互垂直方向转动，从而实现行走机构3自由转动，通过调整角度，实现伸张变径，以使得行走轮实时紧贴管道，从而适应不同管径的管道。具体参数如下，本实施例整体长度为350mm，能在直径为260mm～320mm管道内通行，在900mm以上弯道管道内通行时不会发生搁浅，负载15N，速度可达120mm/s。

具体地，行走轮组件包括第二舵机连接件2101、第三数字双轴舵机2002和行走轮。第二数字双轴舵机2001远离第一数字双轴舵机20的一端与第二舵机连接件2101的一端通过ST2.2十字槽半沉头自攻螺钉18螺栓连接，其中，第二舵机连接件2101为一字型舵机连接件，第二舵机连接件2101的另一端与第三数字双轴舵机2002未设有双轴的一端同样采用ST2.2十字槽半沉头自攻螺钉18固定连接；第三数字双轴舵机2002双轴的一端，行走轮分别对称地套设于上述双轴的延伸杆上，第三数字双轴舵机2002用于驱动行走轮紧压外部管道内壁，在行走轮转动时与外部管壁之间产生纯滚动，依靠管壁对车轮的摩擦力作用从而实现行走。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种轮腿式变径管道内壁爬行机器人，其特征在于，包括载具车身，以及设于所述载具车身两侧的第一动力车身和第二动力车身，所述第一动力车身和所述第二动力车身用于提供动力，并带动所述载具车身实现移动；

所述第一动力车身和所述第二动力车身均包括驱动机构，以及与所述驱动机构固定连接的若干行走机构，所述驱动机构用于驱动所述行走机构，所述行走机构远离所述驱动机构的一端紧贴外部管道内壁用于提供前进动力，并绕所述驱动机构的中心线实现周向转动以躲避障碍，若干所述行走机构呈径向均匀分布用以保持稳定性；

所述驱动机构包括动力组件、从动组件和转动连接件，所述转动连接件分别与所述动力组件和所述从动组件连接，所述从动组件套设于所述动力组件，所述动力组件用于提供周向转动力，所述从动组件经转动连接件受控于所述动力组件实现周向转动，从而驱动所述行走机构转动；

所述行走机构包括变径组件和行走轮组件，所述变径组件的一端与所述从动组件固定连接，所述变径组件另一端与所述行走轮组件固定连接，所述变径组件用于使其能自由转动从而使所述行走轮组件紧贴于外部管道内壁，所述行走轮组件用于带动所述轮腿式变径管道内壁爬行机器人行进。

2.根据权利要求1所述的轮腿式变径管道内壁爬行机器人，其特征在于，所述动力组件包括步进电机和内滚筒；所述内滚筒为环形结构，所述步进电机设于所述内滚筒的环形内侧，所述步进电机用于驱动所述转动连接件沿所述内滚筒的中心线进行轴向转动。

3.根据权利要求2所述的轮腿式变径管道内壁爬行机器人，其特征在于，所述从动组件包括外滚筒、保持架以及嵌设于所述保持架中空部内的若干滚珠；

所述外滚筒为环形结构，所述外滚筒套设于所述内滚筒，且与所述内滚筒相同中心线设置，所述外滚筒与所述转动连接件固定连接，所述外滚筒受控于所述转动连接件以实现周向转动；

其中，所述转动连接件为驱动盘，所述驱动盘为均匀分布的六孔圆盘；

所述保持架设于所述外滚筒的内壁和所述内滚筒的外壁所形成的环形空间内，所述保持架受控于所述外滚筒沿所述内滚筒的中心线实现轴向转动，若干所述滚珠紧贴于所述外滚筒内壁和所述内滚筒外壁，并随所述保持架共同运动。

4.根据权利要求1所述的轮腿式变径管道内壁爬行机器人，其特征在于，所述变径组件包括第一数字双轴舵机、第二数字双轴舵机和第一舵机连接件；

所述第一数字双轴舵机未设有双轴的一端与所述从动组件固定连接，所述第一数字双轴舵机受控于所述从动组件以实现绕所述从动组件的中心线转动；

所述第一数字双轴舵机的另一端与所述第一舵机连接件的一端螺栓连接，所述第一数字双轴舵机用于控制所述第一舵机连接件以实现绕所述第一数字双轴舵机的双轴的周向方向实现转动；

所述第一舵机连接件的另一端分别与所述第二数字双轴舵机的主轴舵盘和副轴舵盘螺栓连接，所述第二数字双轴舵机以所述第一舵机连接件为支撑件，绕所述主轴舵盘或所述副轴舵盘的周向方向转动。

5.根据权利要求4所述的轮腿式变径管道内壁爬行机器人，其特征在于，所述行走轮组件包括第二舵机连接件、第三数字双轴舵机和行走轮；所述第二数字双轴舵机远离所述第一数字双轴舵机的一端与所述第二舵机连接件的一端固定连接，所述第二舵机连接件的另一端与所述第三数字双轴舵机未设有双轴的一端固定连接；

所述第三数字双轴舵机的另一端设有双轴，所述行走轮分别对称地套设于所述双轴的延伸杆上，所述第三数字双轴舵机用于驱动所述行走轮紧压外部管道内壁。

6.根据权利要求1所述的轮腿式变径管道内壁爬行机器人，其特征在于，所述驱动机构还包括后盖板，所述后盖板设于所述从动组件外部并与所述转动连接件对向固定连接。

7.根据权利要求1所述的轮腿式变径管道内壁爬行机器人，其特征在于，所述载具车身为半圆柱体，其内部为中空结构并设有为所述轮腿式变径管道内壁爬行机器人移动装置提供电力支持的内置电池；

所述载具车身底部贯穿设有车轴，所述车轴的两端分别设有与所述载具车身前进方向相同的随动轮。

8.根据权利要求7所述的轮腿式变径管道内壁爬行机器人，其特征在于，所述载具车身的上端面还设有挡板，所述挡板用于保护所述载具车身，所述挡板两侧分别设有护轮组，所述护轮组内贴近所述载具车身弧形侧壁设有若干护轮，若干所述护轮滚动方向与所述载具车身前进方向相垂直，用于保护所述载具车身。

9.根据权利要求1所述的轮腿式变径管道内壁爬行机器人，其特征在于，所述第一动力车身设有与之活动连接的第一连接杆，所述第二动力车身设有与之活动连接的第二连接杆，所述第一动力车身经所述第一连接杆与所述载具车身连接，所述第二动力车身经所述第二连接杆与所述载具车身连接。

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