CN113932089A - 一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人 - Google Patents

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张志义
管朝鹏
陈姝
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Abstract

本发明属于机械领域，具体涉及一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人。面对直径小、距离远、走向复杂的管道，常规的工具难以完成检修任务，现有的爬行机器人在携带工具后，长度较长，难以应对通过细小管道90°弯头的情况。本装置包括驱动单元，从动单元和作业单元；驱动单元，作业单元和从动单元之间通过万向铰链串联；驱动单元中，驱动罩与驱动壳体铰接，驱动罩内部包含驱动电机，通过驱动箱体驱动驱动轮旋转。通过模块化的设计及串联式的布置，使得机器人可根据工作需求进行多种组合，并增强了机器人在管道弯头处的几何通过性。

Description

一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人
技术领域
本发明属于机械领域，具体涉及一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人。
背景技术
在一些工业厂房设施中存在一些细小直径的管道，用于流体输送或者仪表监控，这些管道距离长，走向复杂，有的存在90°弯头以及竖直管，有的甚至被包裹在其它结构中，一旦出现问题，往往存在问题查找困难，修复困难等情况。特别是在核设施中，一些管道内部还存在放射性液体或粉尘，不能轻易打开、切除。
面对直径小、距离远、走向复杂的管道，常规的工具难以完成检修任务，需要通过新的技术、新的设备来更好的解决这一需求；利用管道爬行机器人来检修管道是目前管道检修领域的新手段，但单体式的机器人沿管道轴线方向上的长度通常较大，特别是当携带检测或检修工具后，长度会更长，使得机器人在细小管道内运动时，特别是通过细小管道的90°弯头时无法适应，因此需要对机器人本体的结构进行创新。
发明内容
1.目的：
本发明的目的在于提供一种管道爬行机器人，能够适应细小直径管道的空间尺寸以及复杂走向，能在管道内长距离爬行，能携带监控系统、检测探头、维修工具实现对细小管道的检查、维修。
2.技术方案：
一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，包括驱动单元，从动单元和作业单元；驱动单元，作业单元和从动单元之间通过万向铰链串联；驱动单元中，驱动罩与驱动壳体铰接，驱动罩内部包含驱动电机，通过驱动箱体驱动驱动轮旋转，滑套A套在驱动罩上，3个滑套A同时与1个调节杆铰接；调节杆在芯轴A上滑动，拉簧一端与驱动壳体拉簧安装座连接，一端与调节杆连接。
所述的每一个滑套A内侧均有一个拉簧，驱动罩、滑套A、调节杆和芯轴A 形成连杆机构。
所述的从动单元包括：滑套B可在芯轴B上滑动；3个伸展连杆A同时与一个端盖铰接；端盖与压簧A连接且压簧A可相对端盖做圆周运动，端盖侧面上安装有探头和摄像头B；端盖固定连接在连接筒A两端。
所述的连接筒A更换为连接筒B，连接筒B内部安装有打磨头，打磨头可从连接筒B侧面伸出并与细小管道内壁接触。
所述的滑套C可在芯轴C上滑动，在压簧B的驱动下，滑套C沿芯轴C向外滑动，驱动伸展连杆B扩张，使得从动轮B始终与细小管道内壁接触，3个伸展连杆B同时从动壳体的一端，另外3个伸展连杆B同时与从动壳体的另一端铰接。
所述的爬行机器人前端和末尾均布置一个驱动单元，前端和末尾均安装有摄像头A，通过万向铰链，相邻的两个单元之间可形成任意角度。
所述的驱动单元布置有6个驱动轮，每个驱动轮均由一个电机独立驱动，驱动单元前端的3个驱动轮为一组，后端的3个驱动轮为一组。
所述的从动单元布置有6个从动轮A，前端的3个从动轮A为一组，后端的3个从动轮A为一组。
所述的从动单元和作业单元两端均设置有弹性伸展结构。
3.效果
本发明的效果在于：通过模块化的设计及串联式的布置，使得机器人可根据工作需求进行多种组合，并增强了机器人在管道弯头处的几何通过性，使机器人可在细小管道内移动并顺利通过细小管道的管道弯头，实现对细小管道内部人工不可达区域的探测、维修。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是驱动单元的结构示意图；
图3是作业单元的结构示意图(携带检测工具时)
图4是作业单元的结构示意图(携带打磨工具时)；
图5是从动单元的结构示意图；
图6是本发明通过90°弯头及立管的初始状态示意图；
图7是本发明通过90°弯头及立管的中间状态示意图；
图8是本发明通过90°弯头及立管的另一中间状态示意图；
图9是本发明已通过90°弯头处于立管状态的示意图。
图中：1.驱动单元，2.作业单元，3.从动单元，4.摄像头A，5.万向铰链，6.细小管道，1001.驱动壳体，1002.驱动罩，1003.驱动箱体，1004.驱动轮， 1005.滑套A，1006.调节杆，1007.拉簧，1008.芯轴A，1001001.拉簧安装座， 2001.从动轮A，2002.伸展连杆A，2003.芯轴B，2004.滑套B，2005.压簧A， 2006.端盖，2007.连接筒A，2008.探头，2009.摄像头B，2010.连接筒B,2011. 打磨头，3001.从动轮B，3002.伸展连杆B，3003.芯轴C，3004.滑套C，3005. 压簧B，3006.从动壳体6001.管道水平直段，6002.90°弯头，6003.管道竖直段。
具体实施方式
本装置采用模块化设计，将机器人分为驱动单元1，作业单元2，从动单元3，通过串联布置的方式，将这些单元进行拼接，形成机器人整体，驱动单元1 可带动机器人整体在管道内前进、后退，从动单元3内部安装有控制模块，用于对机器人各单元进行协调控制及远距离通讯；作业单元2上可携带检测单元或维修模块进行作业，检测单元可携带无损检测探头对管道内壁进行检测，维修模块可携带专用工具对管道内壁进行维修，实际使用时，可根据需要选择携带检测单元或维修模块，也可以在机器人中串联两个作业单元2，其中一个携带检测单元，另一个携带维修模块。驱动单元1上可安装摄像头，用于机器人在管道内行进过程的观测。
一个驱动单元1布置有6个驱动轮1004，每个驱动轮1004均由一个电机独立驱动，驱动单元1前端的3个驱动轮1004为一组，后端的3个驱动轮1004 为一组，两组驱动轮1004分别通过连杆支撑以及弹簧拉紧的方式张开，使得驱动单元始1终都有足够数量的驱动轮1004与管道内壁紧密接触，以驱动机器人运动；当机器人需要通过管道弯头时，在拉簧及连杆支撑的作用下，驱动轮1004 会随着机器人在通过管道弯头时的状态而自适应的收缩或张开，以保证驱动单元1始终有足够的驱动轮1004与管道内壁接触，进而保证机器人可以顺利通过管道弯头；从动单元3两端设置有弹性伸展结构，其内部不含驱动电机1，但安装有控制元器件；作业单元2两端设置有弹性伸展结构，其上中部具有通用安装接口并配有微型监控摄像头，自身可进行圆周运动，实现对管道内壁的完整覆盖；驱动单元1、从动单元2、作业单元3之间通过万向节连接，可在通过弯头时适应管道的走向，每一个单元的长度设计成较短的尺寸，以便机器人在细小直径的管道里通过顺利通过管道弯头；机器人在管道内工作时，可以有多种组合方式，最前方和最后方各布置一个驱动单元1，以保证机器人顺利的前进、后退，中间布置从动单元3，根据需要可选择是否布置检测单元及维修单元。
具体操作过程如下：
图1中，驱动单元1、作业单元2、从动单元3之间通过万向铰链5串联，前端和末尾均布置一个驱动单元1，前端和末尾均安装有摄像头A 4，以便操作人员控制机器人运动时进行观察，通过万向铰链5，相邻的两个单元之间可形成任意角度，当驱动单元1前进或后退时，通过万向铰链5可带动作业单元2和从动单元3前进、后退，作业单元2和从动单元3的顺序可以改变，也可以不安装作业单元2。
图2中，驱动罩1002与驱动壳体1001铰接，驱动罩1002内部包含驱动电机，通过驱动箱体1003驱动驱动轮1004旋转，滑套A1005套在驱动罩1002 上，且可在驱动罩1002上顺畅的滑动，3个滑套A1005同时与1个调节杆1006 铰接，调节杆1006可在芯轴A1008上顺畅滑动，拉簧1007一端与驱动壳体拉簧安装座1001001连接，一端与调节杆1006连接，每一个滑套A1005内侧均有一个拉簧1007，驱动罩1002、滑套A1005、调节杆1006、芯轴A1008形成连杆机构，在拉簧1007的作用下，6个驱动罩1002始终向外张开，直到驱动轮1004 与6的内壁接触，当细小管道6的尺寸变小时，驱动罩1002被迫向内收缩，但依然始终保持驱动轮1004与细小管道6的内壁接触，当驱动轮1004旋转时驱动单元1实现在细小管道6内部运动。
图3中，滑套B2004可在芯轴B2003上顺畅滑动，在压簧A2005的驱动下，滑套B2004沿芯轴B2003向外滑动，驱动伸展连杆A2002扩张，使得从动轮2001 始终与6内壁接触，3个伸展连杆A2002同时与一个端盖2006铰接，前后均有压簧A2005、伸展连杆A2002、从动轮2001，端盖2006，端盖2006与压簧A2005 连接且压簧A2005可相对端盖2006做圆周运动，端盖2006上安装有探头2008 和摄像头B2009，探头2008用于对细小管道6的内壁进行检测，摄像头B2009 用于对探头2008的工作情况进行观察。
图4中，相比于图3中的结构，前后两个端盖2006之间更换为连接筒B2010 进行连接，连接筒B2010同样可以相对端盖2006作圆周运动，连接筒B2010内部安装有打磨头2011，打磨头2011可从连接筒B2010内伸出并与细小管道6内壁接触，进行作业。
图5中，滑套C3004可在芯轴C3003上顺畅滑动，在压簧B3005的驱动下，滑套C3004沿芯轴C3003向外滑动，驱动伸展连杆B3002扩张，使得从动轮B3001 始终与细小管道6内壁接触，3个伸展连杆B3002同时从动壳体3006的一端，另外3个伸展连杆B3002同时与从动壳体3006的另一端铰接。
图6中，机器人整体位于管道水平直段6001处，随着驱动单元1的驱动，即将进入到90°弯头6002；
图7中，前端的驱动单元1已经沿着细小管道6内部运动到了90°弯头 6002，此时驱动单元1和作业单元2之间的万向铰链5开始偏转角度，以适应 90°弯头6002。
图8中，前端的驱动单元1已经运动到管道竖直段6003，2和3正在通过 90°弯头6002，各处的万向铰链5均开始产生相应的偏角，以适应机器人在90°弯头6002内的姿态。
图9中，机器人已经完全通过90°弯头6002，整体处于管道竖直段6003 内，此时万向铰链5不在产生偏转角。当机器人需要从管道竖直段6003运动到管道水平直段6001时，过程相反。

Claims (9)

1.一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，其特征在于：包括驱动单元(1)，作业单元(2)和从动单元(3)；驱动单元(1)，作业单元(2)和从动单元(3)之间通过万向铰链(5)串联；驱动单元(1)中，驱动罩(1002)与驱动壳体(1001)铰接，驱动罩(1002)内部包含驱动电机，通过驱动箱体(1003)驱动驱动轮(1004)旋转，滑套A(1005)套在驱动罩(1002)上，3个滑套A(1005)同时与一个调节杆(1006)铰接；调节杆(1006)在芯轴A(1008)上滑动，拉簧(1007)一端与驱动壳体拉簧安装座(1001001)连接，一端与调节杆(1006)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，其特征在于：所述的每一个滑套A(1005)内侧均有一个拉簧(1007)，驱动罩(1002)、滑套A(1005)、调节杆(1006)和芯轴A(1008)形成连杆机构。
3.根据权利要求1所述的一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，其特征在于：所述的从动单元(2)包括：滑套B(2004)可在芯轴B(2003)上滑动；3个伸展连杆A(2002)同时与一个端盖(2006)铰接；端盖(2006)与压簧A(2005)连接且压簧A(2005)可相对端盖(2006)做圆周运动，端盖(2006)侧面上安装有探头(2008)和摄像头B(2009)；端盖(2006)固定连接在连接筒A(2007)两端。
4.根据权利要求1所述的一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，其特征在于：所述的连接筒A(2007)更换为连接筒B(2010)，连接筒B(2010)内部安装有打磨头(2011)，打磨头(2011)可从连接筒B(2010)侧面伸出并与细小管道(6)内壁接触。
5.根据权利要求1所述的一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，其特征在于：所述的滑套C(3004)可在芯轴C(3003)上滑动，在压簧B(3005)的驱动下，滑套C(3004)沿芯轴C(3003)向外滑动，驱动伸展连杆B(3002)扩张，使得从动轮B(3001)始终与细小管道(6)内壁接触，3个伸展连杆B(3002)同时从动壳体(3006)的一端，另外3个伸展连杆B(3002)同时与从动壳体(3006)的另一端铰接。
6.根据权利要求1所述的一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，其特征在于：所述的爬行机器人前端和末尾均布置一个驱动单元(1)，前端和末尾均安装有摄像头A(4)，通过万向铰链(5)，相邻的两个单元之间可形成任意角度。
7.根据权利要求1所述的一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，其特征在于：所述的驱动单元(1)布置有6个驱动轮，每个驱动轮(1004)均由一个电机独立驱动，驱动单元(1)前端的3个驱动轮(1004)为一组，后端的3个驱动轮(1004)为一组。
8.根据权利要求3所述的一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，其特征在于：所述的从动单元(3)布置有6个从动轮A(2001)，前端的3个从动轮A(2001)为一组，后端的3个从动轮A(2001)为一组。
9.根据权利要求1所述的一种用于细小管道检修的串联式爬行机器人，其特征在于：所述的从动单元(2)和作业单元(3)两端均设置有弹性伸展结构。
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