CN114165678B - 用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构 - Google Patents

Abstract

用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构，包括与变径机构转动连接的行走机构，行走机构能带动变径机构产生角位移进而实现变径，变径机构，包括多个转动连接在行走机构径向外侧的变径单元，变径单元与管壁抵触并能沿着管壁移动；变径机构可通过其由连杆驱动的主动变径方式，实现在一个作业区对不同管径的适应。同时，由于第一变径机构组件和第二变径机构组件在各自的圆周平面内呈均布状态，再结合其由弹簧驱动的被动变径方式，可以使得该管道机器人工作和行走时，其自身稳定性更好，对于管形的适应性也更好。同时，基于上述结构设计和工作方式，可以使得该机器人在工作时，始终保持自我的动态平衡。

Description

用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构

技术领域

本发明属于管道清理设备技术领域，具体涉及一种用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构。

背景技术

随着人类社会的发展，地下管线越来越复杂。其对人类维持日常生活起着至关重要的作用，对于城市尤其如此。不同区域的地下管线，其管径和管形差异较大；同一区域的地下管线，由于长期使用，污垢在管道内壁的沉积附着以及对管道的腐蚀破坏，均会使得管道内环境复杂化。

对于目前的地下管道清理机器人，就其在管道内的行走方式而言，轮式管道机器人结构简单可靠、操作简单、行走速度调节范围广、机体稳定性好，转弯功能相对更容易实现。其中支撑轮式管道机器人通过调节其自身呈环向等距分布的支撑位移机构，实现在不同直径的管道内行走，同时其支撑位移机构压在管道内壁上，使得管道机器人沿管道中心轴线位移，稳定性好。但是轮式管道机器人对管壁的附着性能较差，而履带式管道机器人对管壁的附着性能好，越过障碍物的能力强，能够很好的适应管道的变化，有良好的机动性能。但其缺点是结构复杂、体积大、转向性能差、容易失稳侧翻等。因此，传统管道机器人功能相对来说比较单一，在管内行走方式和变径方式方面均存在一定的局限性，只能针对某一类地下管道进行清理，普适性较差。面对日益复杂的地下管道清理工作，急需在管道机器人管内行走方式和变径方式方面有所创新。

为解决上述问题，设计一种用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构。旨在实现管道内稳定行走，管道内可变径的功能，同时具备结构简单可靠，行走速度可调、机动性好、体积小等特点。

发明内容

本发明提出了用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构。旨在实现管道内稳定行走，管道内可变径的功能，同时具备结构简单可靠，行走速度可调、机动性好、体积小等特点，其具体结构形式和连接方式如下所述：

用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构，包括行走机构和变径机构；

行走机构，与变径机构转动连接，行走机构能带动变径机构产生角位移进而实现变径；

变径机构，包括多个转动连接在行走机构径向外侧的变径单元，变径单元与管壁抵触并能沿着管壁移动；

所述的变径单元包括变径单元第一被动连杆，变径单元第一被动连杆与变径单元主动连杆铰接；变径单元第一被动连杆与行走轮底板铰接，变径单元第二被动连杆与行走轮底板通过铰接，行走轮底板与行走轮系外壳固连，行走轮系外壳顶部设置有支撑自锁橡胶，伸缩弹簧底座与行走轮底板固连，弹簧、伸缩弹簧上底座、行走轮支撑板均运动套合在伸缩弹簧底座上，弹簧置于伸缩弹簧底座与伸缩弹簧上底座之间，伸缩弹簧上底座与行走轮支撑板固定连接，伸缩弹簧底座顶部连接有用于对行走轮支撑板限位的圆形螺母，车轮驱动电机固连在行走轮支撑板上，多个行走轮通过轮子联轴器与轮轴固连，轮轴通过轴承转动连接于行走轮支撑板，车轮驱动电机带动轮轴转动。

更进一步而言，在正常行走时，行走轮的外缘顶部高于支撑自锁橡胶的外缘顶部，当处于工作状态时，管壁作用于行走轮正压力会导致行走轮被压缩，进而导致支撑自锁橡胶的外缘顶部高于行走轮的外缘顶部，管壁与支撑自锁橡胶贴紧，产生能够平衡障碍物给予的反力。

本发明的有益效果：

变径机构可通过其由连杆驱动的主动变径方式，实现在一个作业区对不同管径的适应。同时，由于第一变径机构组件和第二变径机构组件在各自的圆周平面内呈均布状态，再结合其由弹簧驱动的被动变径方式，可以使得该管道机器人工作和行走时，其自身稳定性更好，对于管形的适应性也更好。同时，基于上述结构设计和工作方式，可以使得该机器人在工作时，始终保持自我的动态平衡。

附图说明

图1为本发明连接在机器人上的结构示意图。

图2为本发明立体示意图。

图3为本发明的行走机构的立体示意图。

图4为齿轮盒端盖与行走机构外壳未连接在行走机构上的立体示意图。

图5为图4中A处局部放大示意图。

图6为本发明变径单元的立体示意图。

图7为行走轮系外壳未连接在变径单元上的立体示意图。

图8为图7中B处局部放大示意图。

图9为行走轮系外壳未连接在变径单元上的立体示意图。

图10为图9中C处局部放大示意图。

图11为本发明的变径机构与行走机构连接关系示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图11，用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构，包括行走机构1和变径机构；

行走机构1包括齿轮盒端盖101、齿轮放置座102、丝杠驱动电机103、第一齿轮104、两根第一丝杠105、第一丝杠滑块106、两个行走机构外壳107、连杆中间支座108、行走机构端侧连接座109、旋转驱动电机110、电机驱动轴111、凸台112和第二丝杠滑块113；

齿轮放置座102、连杆中间支座108、行走机构端侧连接座109上均设置有可供第一丝杠105穿过的圆孔，且圆孔内均安装有与第一丝杠105直径相适应的轴承，

连杆中间支座108两侧分别通过行走机构外壳107同轴连接有行走机构端侧连接座109和齿轮放置座102，齿轮放置座102下端连接有齿轮盒端盖101，丝杠驱动电机103和第一齿轮104设置于由齿轮盒端盖101和齿轮放置座102形成的空腔内，第一丝杠105首端与第一齿轮104固定连接，第一丝杠105末端贯穿齿轮放置座102和连杆中间支座108后与行走机构端侧连接座109转动连接，第一丝杠滑块106和第二丝杠滑块113分别连接在连杆中间支座108两侧的第一丝杠105上，并可在第一丝杠105的驱动下进行相对或者相向的往复运动，两个行走机构外壳107分别位于连杆中间支座108的两侧，每个行走机构外壳107上均匀设有3处矩形开口，共6处矩形开口，两个行走机构外壳107上的矩形开口在圆周面上呈相邻两个开口之间为60度状态分布；齿轮放置座102上均匀设有3处凸台112，连杆中间支座108上均匀设有6处凸台112，行走机构端侧连接座109上均匀设有3处凸台112，第一丝杠滑块106上均匀设有3处凸台112，第二丝杠滑块113上均匀设有3处凸台112，上述部件凸台112按照对应关系可分为两组，第一组为：齿轮放置座102、第一丝杠滑块106和连杆中间支座108三者上的凸台112两两对应；第二组为：连杆中间支座108、第二丝杠滑块113和行走机构端侧连接座109三者上的凸台112两两对应；两组部件凸台两两相间60°，第一丝杠滑块106和第二丝杠滑块113上的凸台112与行走机构外壳107上的矩形开口对应，行走机构端侧连接座109上固定连接有旋转驱动电机110，电机驱动轴111与旋转驱动电机110固连并延伸至行走机构端侧连接座109外侧；

第一丝杠105的螺纹旋转方向以连杆中间支座108为分界反向设置，即连杆中间支座108左侧的螺纹旋向向左，连杆中间支座108右侧的螺纹旋向向右；

变径机构包括变径单元2，

变径单元2包括行走轮系外壳201、行走轮202、轮子联轴器203、行走轮支撑板204、轮轴205、锥形齿轮207、车轮驱动电机208、圆形螺母209、伸缩弹簧底座210、伸缩弹簧上底座211、弹簧212、行走轮底板213、变径单元第一被动连杆214、变径单元第二被动连杆215、变径单元主动连杆216和支撑自锁橡胶217；

变径单元第一被动连杆214与变径单元主动连杆216通过螺栓铰接；变径单元第一被动连杆214与行走轮底板213铰接，变径单元第二被动连杆215与行走轮底板213通过螺栓铰接，行走轮底板213与行走轮系外壳201通过螺栓紧固连接，行走轮系外壳201顶部设置有高摩擦系数的支撑自锁橡胶217，伸缩弹簧底座210与行走轮底板213通过螺栓紧固连接，弹簧212、伸缩弹簧上底座211、行走轮支撑板204均运动套合在伸缩弹簧底座210上，同时，弹簧212置于伸缩弹簧底座210与伸缩弹簧上底座211之间，伸缩弹簧上底座211与行走轮支撑板204固定连接，伸缩弹簧底座210顶部连接有圆形螺母209，圆形螺母209对行走轮支撑板204起限位作用，车轮驱动电机208固定连接在行走轮支撑板204上，多个行走轮202通过轮子联轴器203与轮轴205固连，轮轴205通过轴承转动连接于行走轮支撑板204，车轮驱动电机208通过一组正交的锥形齿轮207带动旋转转动；

更进一步而言，参照图3，每个行走机体外壳107上均布设置有3个矩形开口，其作用在于：一是满足整体结构设计的需要，连接变径单元；二是可以在机器人进行变径动作时，起到扶正变径单元的作用。

更进一步而言，参照图5，图6、图7和图8，两根第一丝杠105的螺纹旋向以连杆中间支座108为界左右相反，且在安装时两根第一丝杠105需要调转方向。参照图9，行走机构1中第一丝杠滑块106和第二丝杠滑块113上的两个丝杠圆孔的内螺纹螺旋方向相反。基于上述结构设计，参照图4，在机构工作时，两根第一丝杠105的转动方向将相反，可以消除由于丝杠转动而产生的扭矩，实现机构扭矩自平衡。同时，丝杠的转动将驱动第一丝杠滑块106和第二丝杠滑块113同步远离或者靠近连杆中间支座108。

更进一步而言，行走轮系外壳201为金属材料，不可压缩。在其顶部粘接有一层高摩擦系数的支撑自锁橡胶217，在正常行走时，行走轮202的外缘顶部是高于支撑自锁橡胶217的外缘顶部，当处于工作状态时，管壁作用于行走轮202正压力会导致行走轮202被压缩，进而导致支撑自锁橡胶217的外缘顶部高于行走轮202的外缘顶部，管壁与支撑自锁橡胶217贴紧，产生能够平衡障碍物给予的反力，从而实现正常清理。

更进一步而言，变径机构与行走机构1铰接，以连杆中间支座108为界，在其左右两侧，分别设有第一变径机构组件和第二变径机构组件，第一变径机构组件和第二变径机构组件均有3组结构相同的变径单元2构成，变径单元2均布在同一圆周平面上，参照图10，各凸台与连杆的对应关系如下所示：

(1)连杆中间支座108左侧的第一变径机构组件：

①凸台a、凸台d、凸台g：变径单元第一被动连杆214、变径单元主动连杆216、变径单元第二被动连杆215

②凸台b、凸台e、凸台i：变径单元第一被动连杆214、变径单元主动连杆216、变径单元第二被动连杆215

③凸台c、凸台f、凸台k：变径单元第一被动连杆214、变径单元主动连杆216、变径单元第二被动连杆215

(2)连杆中间支座108右侧的第二变径机构组件：

④凸台q、凸台m、凸台h：变径单元第一被动连杆214、变径单元主动连杆216、变径单元第二被动连杆215

⑤凸台r、凸台n、凸台j：变径单元第一被动连杆214、变径单元主动连杆216、变径单元第二被动连杆215

⑥凸台p、凸台o、凸台l：变径单元第一被动连杆214、变径单元主动连杆216、变径单元第二被动连杆215

本发明的工作原理及使用过程：

变径方式

基于上述的变径机构与行走机构1的连接方式，当第一丝杠105在丝杠驱动电机103的带动下发生转动时，对称分布于连杆中间支座108两侧的第一丝杠滑块106和第二丝杠滑块113将同时远离或者靠近连杆中间支座108，且移动速度一致，从而带动变径单元2中的第一被动连杆214、变径单元主动连杆216和变径单元第二被动连杆215展开或者收缩，进而实现变径，除上述主动变径的方式外，通过在工作时，管壁作用于行走轮202正压力会导致行走轮202被压缩，进而导致支撑自锁橡胶217的外缘顶部高于行走轮202的外缘顶部，在管壁的作用下，继续压缩支撑自锁橡胶217，使得支撑自锁橡胶217与管壁紧密贴合。同时，由于行走轮202被压缩，该压力经行走轮支撑板204传递，进而压缩弹簧212，从而实现该变径机构的被动变径方式。通过上述两种变径方式的结合，使得该管道机器人既能适应一定直径范围的管道，同时也能适应由障碍物和结垢物给管道带来的微小变动，增加机构柔性，提高机器人越障能力。

该城市地下管道清理自平衡自适应机器人在工作时，首先行走机构1带动变径机构移动至指定位置，行走机构1的旋转驱动电机110通过电机驱动轴111带动变向机构转动，进而带动给进机构、修复机体、磨削机构和切削机构进行360°的转动，此时给进机构的套筒伸出，带动修复机体、磨削机构和切削机构向前移动，修复机体、磨削机构和切削机构在工作时是旋转运动和直线位移运动同时进行的，待套筒伸出到位后，行走机构1的旋转驱动电机110不再带动变向机构转动，此时套筒收缩，套筒收缩到位后，变径单元2的车轮驱动电机208带动行走轮202在管壁内移动一定距离，再次重复上述步骤。

Claims (2)

1.用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构，其特征在于：包括行走机构（1）和变径机构；

行走机构（1），与变径机构转动连接，行走机构（1）能带动变径机构产生角位移进而实现变径；

变径机构，包括多个转动连接在行走机构径向外侧的变径单元（2），变径单元（2）与管壁抵触并能沿着管壁移动；

所述的变径单元（2）包括变径单元第一被动连杆（214），变径单元第一被动连杆（214）与变径单元主动连杆（216）铰接；变径单元第一被动连杆（214）与行走轮底板（213）铰接，变径单元第二被动连杆（215）与行走轮底板（213）通过铰接，行走轮底板（213）与行走轮系外壳（201）固连，行走轮系外壳（201）顶部设置有支撑自锁橡胶（217），伸缩弹簧底座（210）与行走轮底板（213）固连，弹簧（212）、伸缩弹簧上底座（211）、行走轮支撑板（204）均运动套合在伸缩弹簧底座（210）上，弹簧（212）置于伸缩弹簧底座（210）与伸缩弹簧上底座（211）之间，伸缩弹簧上底座（211）与行走轮支撑板（204）固定连接，伸缩弹簧底座（210）顶部连接有用于对行走轮支撑板（204）限位的圆形螺母（209），车轮驱动电机（208）固连在行走轮支撑板（204）上，多个行走轮（202）通过轮子联轴器（203）与轮轴（205）固连，轮轴（205）通过轴承转动连接于行走轮支撑板（204），车轮驱动电机（208）带动轮轴（205）转动；

所述的变径机构包括第一变径机构组件和第二变径机构组件，第一变径机构组件分别与齿轮放置座（102）、第一丝杠滑块（106）和连杆中间支座（108）铰接，第二变径机构组件分别与连杆中间支座（108）、第二丝杠滑块（113）和行走机构端侧连接座（109）铰接；

第一变径机构组件和第二变径机构组件均包括3组结构相同的变径单元（2）；

在正常行走时，行走轮（202）的外缘顶部高于支撑自锁橡胶（217）的外缘顶部，当处于工作状态时，管壁作用于行走轮（202）正压力会导致行走轮（202）被压缩，进而导致支撑自锁橡胶（217）的外缘顶部高于行走轮（202）的外缘顶部，管壁与支撑自锁橡胶（217）贴紧，产生能够平衡障碍物给予的反力。

2.根据权利要求1所述的用于地下管道清理自平衡自适应机器人的可变径行走机构，其特征在于：所述的行走机构（1）包括齿轮放置座（102），齿轮放置座（102）、连杆中间支座（108）、行走机构端侧连接座（109）上均设置有能供第一丝杠（105）穿过的圆孔，且圆孔内均安装有与第一丝杠（105）直径相适应的轴承；

连杆中间支座（108）两侧分别通过行走机构外壳（107）同轴连接有行走机构端侧连接座（109）和齿轮放置座（102），齿轮放置座（102）下端连接有齿轮盒端盖（101），丝杠驱动电机（103）和第一齿轮（104）设置于由齿轮盒端盖（101）和齿轮放置座（102）形成的空腔内，第一丝杠（105）首端与第一齿轮（104）固定连接，第一丝杠（105）末端贯穿齿轮放置座（102）和连杆中间支座（108）后与行走机构端侧连接座（109）转动连接，第一丝杠滑块（106）和第二丝杠滑块（113）分别连接在连杆中间支座（108）两侧的第一丝杠（105）上，并能在第一丝杠（105）的驱动下进行相对或者相向的往复运动，两个行走机构外壳（107）分别位于连杆中间支座（108）的两侧，每个行走机构外壳（107）上均匀设有3处矩形开口，两个行走机构外壳（107）上的矩形开口在圆周面上呈相邻两个开口之间为60度状态分布；齿轮放置座（102）上均匀设有3处凸台（112），连杆中间支座（108）上均匀设有6处凸台（112），行走机构端侧连接座（109）上均匀设有3处凸台（112），第一丝杠滑块（106）上均匀设有3处凸台（112），第二丝杠滑块（113）上均匀设有3处凸台（112），第一丝杠滑块（106）和第二丝杠滑块（113）上的凸台（112）与行走机构外壳（107）上的矩形开口对应，行走机构端侧连接座（109）上固定连接有旋转驱动电机（110），电机驱动轴（111）与旋转驱动电机（110）固连并延伸至行走机构端侧连接座（109）外侧；

第一丝杠（105）的螺纹旋转方向以连杆中间支座（108）为分界反向设置。