CN114593309A - 一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，包括带轮轴的滚轮，还包括与所述轮轴转动配合的连接件、与所述连接件固定连接的转盘、用于驱动所述轮轴绕自身轴线转动的第一传动组件、用于驱动所述转盘绕自身轴线转动的第二传动组件；所述轮轴的轴线与转盘的轴线共面且垂直。本发明提供一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，解决的技术问题之一是现有技术中管道机器人的上述过弯难题，使管道机器人具有稳定通过直角弯道和T形弯道的能力。

Description

一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人

技术领域

本发明涉及油气管道领域，具体涉及一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人。

背景技术

随着油气输送管道的大量铺设，定期对这些油气输送管道进行检测和维护变得尤为重要，管道机器人是进行这类工作的重要手段之一，其可携带各类工作设备进入管道内部进行探伤、检修、维护等作业。由于油气管道不可能始终保持平直，其可能具有各种类型的弯管段，如弧形弯道、S形弯道、直角弯道、T形弯道等，因此管道机器人在管道内行走时的过弯能力是影响其工作能力的重要指标。特别是对于油气管道而言，普通的弧形和S形弯道采用较少，工程现场大量采用直角弯道和T形弯道，这无疑为管道机器人在油气管道领域的应用增添了难度。

现有技术中，管道机器人的过弯方式主要分为被动和主动两种：（1）被动转向一般为车轮赋予一定的自适应性，由管壁对车轮的反作用力强行改变机器人方向，这种转向方式对于弧形或S形弯道具有良好的适应能力，但是难以通过直角弯道和T形弯道；（2）主动转向一般采用差速原理，即为沿弯道内外径的车轮分别赋予不同转速，利用内外径行走速率不同以实现转向效果，这种转向方式依然对管壁的反作用力具有一定依赖性，且其虽然有可能设法通过直角弯道，但对于T形弯道的通过难度仍然较大；并且采用内外径差速原理必然需要对内外侧的车轮采用不同动力驱动，导致动力设备数量较多、增加了设备故障隐患，而管道机器人一旦在工作过程中出现行走故障将非常难以取出。

此外，现有技术中的管道机器人，如若想要实现在管道内稳定的换向行走，其动力结构均十分复杂，导致机器人设备臃肿、体积庞大、自重较大而载荷较小，不利于管道机器人携带更多的工作设备，严重制约了管道机器人的功能性。

发明内容

本发明提供一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，解决的技术问题之一是现有技术中管道机器人的上述过弯难题，使管道机器人具有稳定通过直角弯道和T形弯道的能力。

本发明通过下述技术方案实现：

一种行走转向结构，包括带轮轴的滚轮，还包括与所述轮轴转动配合的连接件、与所述连接件固定连接的转盘、用于驱动所述轮轴绕自身轴线转动的第一传动组件、用于驱动所述转盘绕自身轴线转动的第二传动组件；所述轮轴的轴线与转盘的轴线共面且垂直。

针对现有技术中管道机器人在面对直角弯、T形弯时的过弯难题，本发明首先提出一种行走转向结构，该行走转向结构同时用于管道机器人的正常行走与转向。具体的，该结构使用常见的带轮轴的滚轮作为带动整个结构前进与后退的部件，在轮轴上转动配合连接件，使得轮轴单独转动时可不带动连接件进行转动，连接件与转盘固定连接，由于转盘轴线与轮轴轴线共面且垂直，因此当转盘转动时，带动连接件绕转盘轴线同步转动，此时连接件必然与轮轴发生干涉，进而带动轮轴和位于轮轴上的滚轮同步绕转盘轴线进行转动。

其中，第一传动组件、第二传动组件作为本结构的动力与传动部件，本领域技术人员能够实现的任何能够驱动轮轴绕自身轴线转动的结构，均可作为第一传动组件；同理本领域技术人员能够实现的任何能够驱动转盘绕自身轴线转动的结构，均可作为第二传动组件。第一传动组件、第二传动组件的动力可来自于与本结构相适配的管道机器人，也可为本结构独立配置动力装置。

本行走转向结构的具体使用方法包括：

将两个本行走转向结构安装在管道机器人的对侧，使管道机器人进入对应管道；

在正常的直管段行走时，滚轮位于管道内壁的侧面方向、且滚轮的滚动方向沿管道轴向，此时通过第一传动组件驱动轮轴绕自身轴线转动，带动滚轮进行正常的滚动，即可带动整个管道机器人做前进或后退的直线运动；

当需要通过直角弯或T形弯时，首先通过第二传动组件驱动转盘绕自身轴线转动、带动轮轴和滚轮同步转动，使滚轮的滚动方向变为沿管道内壁周向方向；此时再由第一传动组件驱动轮轴绕自身轴线转动，使滚轮滚动带动整个管道机器人整体旋转，直至两个滚轮分别抵达管道内壁的顶部和底部；

此时再由第二驱动组件驱动转盘转动一定角度（该角度根据管道内径等参数进行计算或预设），使滚轮的滚动方向为朝向即将通过的直角弯或T形弯的斜向状态；

此时再由第一传动组件驱动轮轴绕自身轴线转动，即驱动滚轮开始前进，滚轮即可以倾斜于管道轴向的状态逐渐进入弯道部分；

当两个滚轮均完全进入直角弯或T形弯的弯角内时，再由第二驱动组件驱动转盘转动，使两个滚轮的滚动方向调整为与弯角下游的直管段轴线平行的方向，之后再由第一传动组件驱动轮轴绕自身轴线转动，即可驱动整个管道机器人顺利通过直角弯或T形弯。

此外，在管道机器人整体完全通过弯道后，还可通过第一驱动组件和第二驱动组件的动作，将其复位至初始状态，即前述在正常的直管段行走时的状态。

可以看出，本申请的行走转向结构，相较于现有的管道机器人转向方式而言：

（1）摒弃了被动转向的技术思路，更加适用于普遍采用直角弯道和T形弯道的油气管道，克服了管道机器人在油气管道领域内推广应用的难题；

（2）相较于现有的主动转向技术而言，摒弃了采用内外径差速原理进行转向的技术思路，可同时满足直角弯道和T形弯道的过弯需求；在同时使用多个本结构中行走转向结构时，可采用相同动力进行驱动，避免了差速过弯时因对不同车轮采用不同动力驱动而导致动力设备数量较多的缺陷；

（3）在通过直角弯、T形弯的过程中，使滚轮在管道内壁的顶部或底部进行滚动，即，使得管道机器人以纵向方式通过弯道，充分利用了直角弯角与T形弯角的结构特点，保证为管道机器人提供摩擦动力的滚轮始终能够与管壁的接触，避免了采用传统横向方式通过直角弯或T形弯时，侧面滚轮极易脱离与管壁的接触、导致其悬空失去着力点、进而丢失与管壁之间的滚动摩擦力，甚至导致管道机器人行走失效的问题。

进一步的，所述第一传动组件包括第一转轴、固定套设在第一转轴上的第一锥齿轮、与所述第一锥齿轮啮合且固定套设在第二转轴上的第二锥齿轮、固定套设在第二转轴上的第一齿轮、与所述第一齿轮啮合且固定套设在所述轮轴上的第二齿轮；所述第二转轴的轴线与轮轴的轴线相互平行。

本方案中第一转轴转动，带动第一锥齿轮转动、驱动第二锥齿轮及第二转轴转动，使得第一齿轮随第二转轴同步转动，从而驱动第二齿轮及轮轴转动，即可驱动滚轮进行滚动。其中第一转轴作为第一传动组件的动力输入部件，通过锥齿轮与第二转轴配合传动以实现换向，使得第一转轴可采用不与轮轴等轴的排布方式，可避免本行走转向结构在靠近管道内壁边缘处体积过大而导致与管壁之间发生干涉或行走不便等问题。其中第二转轴的轴线与轮轴的轴线相互平行、且两者之间通过相互配合的第一齿轮和第二齿轮实现传动，必然的，第二转轴必然位于轮轴靠近管道中心方向的一侧，以避免干涉滚轮在管壁的滚动。此外，本方案采用齿轮传动方式实现对滚轮的控制，可有效变速、实现对行走转向组件的行走速度更加灵活且稳定的控制。

进一步的，所述轮轴两端均设置连接件，两个连接件均穿过转盘与第二转轴转动配合；所述转盘上设置用于固定连接件的限位装置；所述连接件与轮轴、第二转轴均通过轴承连接。

本方案中两个连接件分别位于轮轴沿轴向方向的两端，轮轴与第二转轴位于转盘的两侧，由于连接件与第二转轴转动配合，因此在正常行走（即滚轮滚动时），第二转轴的转动不会带动连接件转动，使得滚轮的滚动方向保持稳定。连接件与转盘的相对固定通过限位装置实现，当第二传动组件驱动转盘转动时，即可带动连接件随之进行转动，由两个连接件从两端共同驱动轮轴同步转动，以实现对滚轮滚动方向的调整，便于稳定的将滚轮的滚动方向从沿管道轴向调整为沿管道周向。

进一步的，所述第二传动组件包括与所述转盘同轴且固定的第三齿轮、固定套设在第三转轴上且与所述第三齿轮相啮合的第四齿轮。

本方案中第三转轴转动，带动第三齿轮同步转动，进而驱动第四齿轮转动，由第四齿轮带动转盘绕轴线进行转动。其中第三转轴作为第二传动组件的动力输入部件，齿轮传动方式实现对转盘的控制，从而实现对滚轮滚动方向的调整。第二传动组件的齿轮传动方式可有效变速与控制、实现对滚轮朝向更加精确可靠的控制。

进一步的，所述第二转轴上固定套设两个第二锥齿轮，分别定义为第二锥齿轮a、第二锥齿轮b；所述第一锥齿轮位于第二锥齿轮a、第二锥齿轮b之间，且当第一锥齿轮与第二锥齿轮a啮合时、与第二锥齿轮b脱离；还包括用于驱动第一锥齿轮与第二锥齿轮a或第二锥齿轮b啮合的切换机构。

考虑到本申请的行走转向结构在用于管道机器人上时需要对侧安装两个，若两侧的行走转向结构共用一根第一转轴、且两侧的行走转向结构中的第二锥齿轮位于该第一转轴轴线的同侧（即位于第一锥齿轮的同侧），那么两侧的行走转向结构中滚轮的滚动方向则会始终一致，这种状态在需要滚轮的滚动方向为沿管道内壁周向时恰好能够满足需求，但是对于需要滚轮的滚动方向沿管道轴向时，由于两侧侧壁分别位于两个滚轮的外侧，会导致出现两侧滚轮一前一后的滚动，导致管道机器人难以正常前进或后退。为此，本方案继续对行走转向结构进行改进，在第二转轴上固定套设两个第二锥齿轮，并使第一锥齿轮位于两个第二锥齿轮之间、且第一锥齿轮在任意时刻均只能够与其中一个第二锥齿轮啮合；至于第一锥齿轮与哪个第二锥齿轮啮合，则由切换机构进行控制切换。通过本方案的设置，可保证当需要滚轮沿管道内壁周向方向滚动时，使两侧行走转向结构中被驱动的第二锥齿轮位于第一转轴轴线的同侧；当需要滚轮沿管道轴向方向滚动时，使两侧行走转向结构中被驱动的第二锥齿轮分别位于第一转轴轴线的两侧，以此保证本申请中的行走转向结构在运用至管道机器人上时，具有极强的灵活性和可操作性。

基于本申请中行走转向结构的管道机器人，包括机体，所述机体的相对两侧均设置所述行走转向结构；所述机体内部设置电机、与电机的输出端相连的传动轴、与所述传动轴相配合的换挡机构；还包括与换挡机构相匹配的第三传动组件、第四传动组件，所述第三传动组件与第一传动组件相配合，所述第四传动组与第二传动组件相配合；

当所述换挡机构与第三传动组件配合时，所述第三传动组件受传动轴驱动、带动第一传动组件动作、驱动所述轮轴绕自身轴线转动；

当所述换挡机构与第四传动组件配合时，所述第四传动组件受传动轴驱动、带动第二传动组件动作、驱动所述转盘绕自身轴线转动。

其中，两个行走转向结构分布在管道机器人的机体两侧，机体内部的电机作为本申请的统一动力部件，电机输出端驱动传动轴转动。本申请中通过换挡机构以实现对第一传动组件和第二传动组件的分别控制。

即是，当换挡机构与第三传动组件配合时，传动轴的动力只能够通过第三传动组件传递至第一传递组件，从而驱动轮轴绕自身轴线转动，此过程中传动轴的转动不会传递至第四传动组件；同理，当换挡机构与第四传动组件配合时，传动轴的动力只能够通过第四传动组件传递至第二传递组件，从而驱动转盘绕自身轴线转动，此过程中传动轴的转动不会传递至第三传动组件。

当然，本领域技术人员在根据本申请记载内容的前提下，可采用根据现有技术能够实现的各种换挡技术对本申请中的换挡机构进行实现。

本申请的管道机器人具体使用方法包括：

管道机器人横向进入管道，即两侧的滚轮分别位于管道内壁左右方向，且滚轮的滚动方向沿管道轴向，此时使得换挡机构与第三传动组件配合，启动电机，传动轴驱动第三传动组件工作、带动第一传动组件动作、通过第一传动组件驱动轮轴绕自身轴线转动，带动滚轮进行正常的滚动，即可带动整个管道机器人做前进或后退的直线运动；

当需要通过直角弯或T形弯时，切换换挡机构、使其与第四传动组件配合，启动电机，传动轴驱动第四传动组件动作、带动第二传动组件动作，驱动转盘绕自身轴线转动、带动轮轴和滚轮同步转动，使滚轮的滚动方向变为沿管道内壁周向方向；

再次切换换挡机构、使其与第三传动组件配合，启动电机，传动轴驱动第三传动组件工作、带动第一传动组件动作、驱动轮轴绕自身轴线转动，使滚轮滚动带动整个管道机器人整体旋转，直至两个滚轮分别抵达管道内壁的顶部和底部；

再次切换换挡机构、使其与第四传动组件配合，启动电机，传动轴驱动第四传动组件动作、带动第二传动组件动作，由第二驱动组件驱动转盘转动一定角度（该角度根据管道内径等参数进行计算或预设），使滚轮的滚动方向为朝向即将通过的直角弯或T形弯的斜向状态；

再次切换换挡机构、使其与第三传动组件配合，启动电机，传动轴驱动第三传动组件工作、带动第一传动组件动作、驱动轮轴绕自身轴线转动，即驱动滚轮开始前进，滚轮即可以倾斜于管道轴向的状态逐渐进入弯道部分；

当两个滚轮均完全进入直角弯或T形弯的弯角内时，再次切换换挡机构、使其与第四传动组件配合，由第二驱动组件驱动转盘转动，使两个滚轮的滚动方向调整为与弯角下游的直管段轴线平行的方向；

之后再次切换换挡机构、使其与第三传动组件配合，再由第一传动组件驱动轮轴绕自身轴线转动，即可驱动整个管道机器人顺利通过直角弯或T形弯。

此外，在管道机器人整体完全通过直角或T形弯道后，还可通过切换换挡机构，将管道机器人复位至初始状态，即前述在正常的直管段行走时的横向状态。

可以看出，本申请的管道机器人，通过换挡机构、第三传动组件、第四传动组件的相互配合，解决了现有技术中采用差速转向方式而导致的动力设备数量较多、设备故障隐患大等问题，只需要通过一个电机作为动力设备，即可根据具体需要实现驱动滚轮滚动或驱动滚动调整方向的功能，无需采用多个动力设备分别驱动，也无需使用不同的变速机构进行差速调节，显著降低了设备故障风险、提高了管道机器人在管道内部工作过程中的稳定性和安全性，使得管道机器人更加适用于长输油气管道的作业环境。此外，由于本申请的管道机器人采用唯一电机作为动力设备，可保证机器人结构紧缩、体积较小、自重较轻，有利于增大管道机器人的载荷、有利于管道机器人携带体积更大、数量更多的工作部件，从而为扩宽管道机器人的功能性提供了充分条件。

进一步的，所述传动轴为中空结构，传动轴表面开设若干沿周向分布的滑槽，所述滑槽的长度方向平行于传动轴轴线；

所述换挡机构包括滑动配合在传动轴内部的滑块、用于驱动所述滑块滑动的第一直线驱动装置，所述滑块局部伸出至滑槽外；

所述第三传动组件、第四传动组件均包括能够与所述滑块相啮合的限位结构。

本方案提供了一种优选适用于本申请管道机器人的换挡机构，其中由第一直线驱动装置驱动滑块在滑槽内做直线往复运动，滑块位于空中的传动轴内部、沿传动轴的轴线进行滑动，且滑块局部位于滑槽外，由于若干滑槽周向分布，因此滑块的外露部分也对应的与各滑槽一一匹配；此外，由于滑块局部位于滑槽外，因此当传动轴在电机驱动下转动时，滑块必然随之进行同步转动。

当第一直线驱动装置驱动滑块移动至与第三传动组件的限位结构啮合时，传动轴转动、带动滑块转动、从而带动第三传动组件动作，此状态下第四传动组件不会因传动轴而发生动作；

同理，当第一直线驱动装置驱动滑块移动至与第四传动组件的限位结构啮合时，传动轴转动、带动滑块转动、从而带动第四传动组件动作，此状态下第三传动组件不会因传动轴而发生动作。

本方案的换挡机构结构巧妙、体积较小，充分利用了传动轴内部空间作为换挡操作的位移通道，有利于更加降低管道机器人的体积和重量，更加有利于拓宽管道机器人的功能性。

进一步的，所述第三传动组件包括套设在传动轴外的第五齿轮、固定在第五齿轮内部且与传动轴间隙配合的限位结构、与第五齿轮啮合的第六齿轮，所述第六齿轮用于驱动所述轮轴绕自身轴线转动。

第三传动组件的限位结构位于第五齿轮内部，由于该限位结构与传动轴间隙配合，因此在没有与滑块啮合时，第五齿轮不会受传动轴的驱动，所以整个第三传动组件不进行工作，此时轮轴无法转动，即滚轮无法滚动。当需要滚轮进行滚动（即需要管道机器人做前进或后退运动）时，由第一直线驱动装置驱动滑块移动至与第三传动组件的限位结构啮合，此时传动轴的转动即会带动第五齿轮同步转动，由第五齿轮驱动第六齿轮转动，再由第六齿轮驱动第一传动组件，实现驱动轮轴绕自身轴线转动的效果。

进一步的，所述第四传动组件包括套设在传动轴外的第七齿轮、固定在第七齿轮内部且与传动轴间隙配合的限位结构、与所述第七齿轮啮合且固定套设在第四转轴上的第八齿轮、固定套设在第四转轴上的两个第九齿轮；两个第九齿轮分别用于驱动两个行走转向结构中的转盘绕自身轴线转动。

第四传动组件的限位结构位于第七齿轮内部，由于该限位结构与传动轴间隙配合，因此在没有与滑块啮合时，第七齿轮不会受传动轴的驱动，所以整个第四传动组件不进行工作，此时转盘无法转动，即滚轮无法调整朝向，只能够沿当前朝向进行前后滚动。当需要调整滚轮朝向时，由第一直线驱动装置驱动滑块移动至与第四传动组件的限位结构啮合，此时传动轴的转动即会带动第七齿轮同步转动，第七齿轮驱动第八齿轮转动、使得第四转轴转动，此时位于第四转轴上的两个第九齿轮随之转动，即可驱动两侧的行走转向结构中的转盘绕自身轴线转动。

进一步的，所述机体内部设置同时固定在第六转轴上的第一凸轮和第二凸轮，所述第一凸轮和第二凸轮均呈轴对称形状；

所述机体上设置两个相互正对的导轮；

两个行走转向结构通过第一弹性件分别抵接在第一凸轮的相对两侧，两个导轮通过第二弹性件分别抵接在第二凸轮两侧；

还包括与所述换挡机构相匹配的第五传动组件，所述第五传动组件包括套设在传动轴外的第三锥齿轮、固定在第三锥齿轮内部且与传动轴间隙配合的限位结构、与所述第三锥齿轮啮合且固定套设在第五转轴外的第四锥齿轮；

当所述换挡机构与第五传动组件配合时，所述第五传动组件受传动轴驱动、带动第五转轴转动，驱动所述第六转轴转动。

为了解决管道机器人对不同管径的管道的适应能力，本方案设置第一凸轮与第二凸轮，且两者均固定套设在第六转轴上，随第六转轴的转动进行同步转动。两个导轮相对分布在机体两侧，当然导轮与滚轮之间需不发生干涉，导轮作为从动轮用于对管道机器人的行走起稳定和引导作用。通过第一弹性件使得两个行走转向结构在与两侧管壁接触时，还分别抵接在第一凸轮的两侧；同理通过第二弹性件使得两个导轮在与两侧管壁接触时，还分别抵接在第二凸轮的两侧。由于第一凸轮和第二凸轮均呈轴对称状，因此当第一凸轮与第二凸轮随第六转轴转动时，两个行走转向结构能够同步向外伸出或向内收缩，两个导轮同理，从而使得本申请的管道机器人能够灵活调整其适宜的行走范围，以满足不同管径的管道作业需求。

此外，如若为了调整管道机器人的适用管径而为第六转轴专门设置独立的动力装置，又会导致结构复杂、故障隐患增大、成本高、荷载小等问题；而如若采用手动调节方式，会导致管道机器人无法适应变径管道的作业需求。基于此，本方案还设置了与前述换挡机构相匹配的第五传动组件，通过第五传动来驱动第六转轴转动。

具体的，当管道机器人在管道内部需要自动调整其外径时，将换挡机构移动至与第五传动组件内的限位结构啮合，电机驱动传动轴转动、带动第三锥齿轮转动，驱动第四锥齿轮以及第五转轴转动，由第五转轴驱动第六转轴进行转动，从而使得第一凸轮和第二凸轮进行转动。

可以看出，本申请对管道机器人适配管径的调整，也同样通过作为唯一动力设备的电机即可完成，本申请通过换挡机构还可实现管道机器人在管道内部可自动调整其径向尺寸，满足变径管道的作业需求的效果。

进一步的，所述第三传动组件、第四传动组件、第五传动组件均具有自锁机构；当所述换挡机构与第三传动组件或第四传动组件或第五传动组件配合时，自锁机构解除对应锁定。

由于本申请中的第三传动组件、第四传动组件、第五传动组件均需要通过换挡机构来实现与传动轴的联动，当换挡机构未与某传动组件配合时，该传动组件实际上处于自由状态，存在被管壁反作用力或其余外力干扰而异动的可能性，为了彻底规避该风险，本申请还为第三传动组件、第四传动组件、第五传动组件均设置了自锁机构，其中任何传动组件在未与换挡机构配合时，均被对应的自锁机构锁定，保证其不会发生动作；当换挡机构与第三传动组件或第四传动组件或第五传动组件任一配合时，由换挡机构解除对自锁机构的锁定，使该传动组件能够进行正常工作。因此，本方案通过三个自锁机构、以及自锁机构与换挡机构的配合，显著提高了本申请管道机器人的工作稳定性和可靠性。当然，本方案中的自锁机构可采用本领域技术人员能够实现的现有技术中的任意可解锁的自锁机构，只需满足换挡机构具有与之匹配的解锁方式即可。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，摒弃了被动转向的技术思路，更加适用于普遍采用直角弯道和T形弯道的油气管道，克服了管道机器人在油气管道领域内推广应用的难题；

2、本发明一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，相较于现有的主动转向技术而言，摒弃了采用内外径差速原理进行转向的技术思路，可同时满足直角弯道和T形弯道的过弯需求；在同时使用多个行走转向结构时，可采用相同动力进行驱动，避免了差速过弯时因对不同车轮采用不同动力驱动而导致动力设备数量较多的缺陷；

3、本发明一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，在通过直角弯、T形弯的过程中，使滚轮在管道内壁的顶部或底部进行滚动，即，使得管道机器人以纵向方式通过弯道，充分利用了直角弯角与T形弯角的结构特点，保证为管道机器人提供摩擦动力的滚轮始终能够与管壁的接触，避免了采用传统横向方式通过直角弯或T形弯时，侧面滚轮极易脱离与管壁的接触、导致其悬空失去着力点、进而丢失与管壁之间的滚动摩擦力，甚至导致管道机器人行走失效的问题。

4、本发明一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，只需要通过一个电机作为驱动管道机器人行走的动力设备，即可根据具体需要实现驱动滚轮滚动或驱动滚动调整方向的功能，无需采用多个动力设备分别驱动，也无需使用不同的变速机构进行差速调节，显著降低了设备故障风险、提高了管道机器人在管道内部工作过程中的稳定性和安全性，使得管道机器人更加适用于长输油气管道的作业环境。此外，由于本申请的管道机器人采用唯一电机作为驱动管道机器人行走的动力设备，可保证机器人结构紧缩、体积较小、自重较轻，有利于增大管道机器人的载荷、有利于管道机器人携带体积更大、数量更多的工作部件，从而为扩宽管道机器人的功能性提供了充分条件。

5、本发明一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，其专用换挡机构结构巧妙、体积较小，充分利用了传动轴内部空间作为换挡操作的位移通道，有利于更加降低管道机器人的体积和重量，更加有利于拓宽管道机器人的功能性。

6、本发明一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，对管道机器人适配管径的调整，也同样通过作为唯一动力设备的电机即可完成，通过换挡机构还可实现管道机器人在管道内部可自动调整其径向尺寸，满足变径管道的作业需求的效果。

7、本发明一种行走转向结构及基于该结构的管道机器人，为第三传动组件、第四传动组件、第五传动组件均设置了自锁机构，克服了传动组件被管壁反作用力或其余外力干扰而异动的可能性，显著提高了工作稳定性和可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例中行走转向结构的侧视图；

图2为图1的等轴测视图；

图3为图1的半剖结构示意图；

图4为本发明具体实施例中另一种行走转向结构的结构示意图；

图5为本发明具体实施例中管道机器人的结构示意图；

图6为本发明具体实施例中管道机器人在一个视角下的内部结构示意图；

图7为图6中A处的局部放大图；

图8为本发明具体实施例中管道机器人在另一个视角下的内部结构示意图；

图9为本发明具体实施例中传动轴的结构示意图；

图10为本发明具体实施例中传动轴的连接结构示意图；

图11为本发明具体实施例中传动轴的连接结构爆炸图；

图12为本发明具体实施例中限位结构的局部示意图；

图13为本发明具体实施例中自锁机构的剖视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-滚轮，2-轮轴，3-连接件，4-转盘，401-限位装置，5-第一转轴，6-第一锥齿轮，7-第二转轴，8-第二锥齿轮，801-第二锥齿轮a，802-第二锥齿轮b，9-第一齿轮，10-第二齿轮，11-第三齿轮，12-第三转轴，13-第四齿轮，14-机体，15-电机，16-传动轴，17-滑槽，18-滑块，19-第一直线驱动装置，20-限位结构，21-第五齿轮，22-第六齿轮，23-第七齿轮，24-第四转轴，25-第八齿轮，26-第九齿轮，27-第一凸轮，28-第二凸轮，29-导轮，30-第一弹性件，31-第二弹性件，32-第三锥齿轮，33-第五转轴，34-第四锥齿轮，35-第六转轴，36-第十齿轮，37-自锁机构，371-壳体，372-锁销，373-弹簧，38-第二直线驱动装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

实施例1：

如图1、图2与图3所示的一种行走转向结构，包括带轮轴2的滚轮1，还包括与轮轴2转动配合的连接件3、与连接件3固定连接的转盘4、用于驱动轮轴2绕自身轴线转动的第一传动组件、用于驱动转盘4绕自身轴线转动的第二传动组件；轮轴2的轴线与转盘4的轴线共面且垂直。

其中第一传动组件、第二传动组件可通过任意现有方式提供动力。

实施例2：

一种行走转向结构，在实施例1的基础上，第一传动组件包括第一转轴5、固定套设在第一转轴5上的第一锥齿轮6、与第一锥齿轮6啮合且固定套设在第二转轴7上的第二锥齿轮8、固定套设在第二转轴7上的第一齿轮9、与第一齿轮9啮合且固定套设在轮轴2上的第二齿轮10；第二转轴7的轴线与轮轴2的轴线相互平行。

轮轴2两端均设置连接件3，两个连接件3均穿过转盘4与第二转轴7转动配合；转盘4上设置用于固定连接件3的限位装置401；连接件3与轮轴2、第二转轴7均通过轴承连接。

第二传动组件包括与转盘4同轴且固定的第三齿轮11、固定套设在第三转轴12上且与第三齿轮11相啮合的第四齿轮13。

本实施例在使用时可通过任意现有方式为第一转轴5、第三转轴12提供动力。

实施例3：

一种管道机器人，如图5与图6所示，包括机体14，机体14上连接两个相互正对的行走转向结构；所述行走转向结构如实施例2所记载。

机体14内部设置电机15、与电机15的输出端相连的传动轴16、与传动轴16相配合的换挡机构；还包括与换挡机构相匹配的第三传动组件、第四传动组件，第三传动组件与第一传动组件相配合，第四传动组与第二传动组件相配合；

当换挡机构与第三传动组件配合时，第三传动组件受传动轴16驱动、带动第一传动组件动作、驱动轮轴2绕自身轴线转动；

当换挡机构与第四传动组件配合时，第四传动组件受传动轴16驱动、带动第二传动组件动作、驱动转盘4绕自身轴线转动。

本实施例中换挡机构的工作原理如图7、图8、图9、图10、图11和图12所示：

传动轴16为中空结构，传动轴16表面开设若干沿周向分布的滑槽17，滑槽17的长度方向平行于传动轴16轴线；

换挡机构包括滑动配合在传动轴16内部的滑块18、用于驱动滑块18滑动的第一直线驱动装置19，滑块18局部伸出至滑槽17外；

第三传动组件、第四传动组件均包括能够与滑块18相啮合的限位结构20。

第三传动组件包括套设在传动轴16外的第五齿轮21、固定在第五齿轮21内部且与传动轴16间隙配合的限位结构20、与第五齿轮21啮合的第六齿轮22，第六齿轮22用于驱动轮轴2绕自身轴线转动。其中第六齿轮22固定套设在第一转轴5上。

第四传动组件包括套设在传动轴16外的第七齿轮23、固定在第七齿轮23内部且与传动轴16间隙配合的限位结构20、与第七齿轮23啮合且固定套设在第四转轴24上的第八齿轮25、固定套设在第四转轴24上的两个第九齿轮26；两个第九齿轮26分别用于驱动两个行走转向结构中的转盘4绕自身轴线转动。

本实施例中管道机器人的行走方法如下：

管道机器人横向进入管道，即两侧的行走转向结构横向分布、两侧滚轮分别位于管道内壁左右方向，且滚轮的滚动方向沿管道轴向，此时使得滑块与第三传动组件的限位结构配合，启动电机，传动轴驱动第五齿轮21转动、由第五齿轮驱动第六齿轮22转动，再由第六齿轮22带动第一转轴5转动，第一转轴5带动第一锥齿轮转动、驱动第二锥齿轮及第二转轴转动，使得第一齿轮随第二转轴同步转动，从而驱动第二齿轮及轮轴转动，即可驱动滚轮进行正常滚动，带动整个管道机器人做沿滚轮滚动方向前进或后退的直线运动；

当需要通过直角弯或T形弯时，第一直线驱动装置驱动滑块滑动至与第四传动组件的限位结构啮合，启动电机，传动轴的转动即会带动第七齿轮23同步转动，第七齿轮驱动第八齿轮25转动、使得第四转轴24转动，此时位于第四齿轮上的两个第九齿轮26随之转动，两个第九齿轮26分别与两个第十齿轮36啮合，两个第十齿轮36分别固定套设在两侧的行走转向结构中的第三转轴12上，第三转轴转动，带动第三齿轮同步转动，进而驱动第四齿轮转动，由第四齿轮带动转盘绕轴线进行转动，直至滚轮的滚动方向变为沿管道内壁周向方向。

再次由第一直线驱动装置驱动滑块滑动、使滑块与第三传动组件的限位结构配合，启动电机，传动轴驱动第三传动组件工作、驱动轮轴绕自身轴线转动，使滚轮滚动带动整个管道机器人整体旋转，直至两个滚轮分别抵达管道内壁的顶部和底部；

再次由第一直线驱动装置驱动滑块滑动、使滑块与第四传动组件的限位结构配合，启动电机，传动轴驱动第四传动组件动作、驱动转盘转动一定角度（小于90°），使滚轮的滚动方向为朝向即将通过的直角弯或T形弯的斜向状态；

再次切换换挡机构、使滑块与第三传动组件的限位结构配合，启动电机，传动轴驱动第三传动组件工作、驱动轮轴绕自身轴线转动，即驱动滚轮开始前进，滚轮即可以倾斜于管道轴向的状态逐渐进入弯道部分；

当两个滚轮均完全进入直角弯或T形弯的弯角内时，再次由第一直线驱动装置驱动滑块滑动、使滑块与第四传动组件的限位结构配合、驱动转盘转动，使两个滚轮的滚动方向调整为与弯角下游的直管段轴线平行的方向；

之后再次切换换挡机构、使滑块与第三传动组件的限位结构配合，驱动轮轴绕自身轴线转动，即可驱动整个管道机器人顺利通过直角弯或T形弯。

此外，在管道机器人整体完全通过直角或T形弯道后，还可通过切换换挡机构，将管道机器人复位至初始状态，即前述在正常的直管段行走时的横向状态。

本实施例中管道机器人在即将通过直角弯或T形弯时开始进行上述转向动作，管道机器人可通过在其前端配置的摄像头或测距仪等设备实现自动判断弯道情况；也可根据当次作业管道情况由工作人员提前预备管道轨迹，并以此为根据人工或自动的进行控制；这些对管道直角弯或T形弯的识别方式均是本领域成熟技术，不具有实现难度。

优选的，第一直线驱动装置19为电动推杆。

优选的，所述滑块18呈十字形，限位结构呈与十字形的滑块相匹配的四片瓣体结构。

在一个或多个更为优选的实施方式中，如图8所示，管道机器人两侧的行走转向结构共用一根第一转轴。其中一侧的行走转向结构如图1至图3所示，其上的第二转轴7上有且仅有一个第二锥齿轮8，且该第二锥齿轮8始终保持与该侧的第一锥齿轮6啮合；而另一侧的行走转向结构如图4所示，其上的第二转轴7上固定套设两个第二锥齿轮，分别定义为第二锥齿轮a801、第二锥齿轮b802；该侧的第一锥齿轮位于第二锥齿轮a801、第二锥齿轮b802之间，且当第一锥齿轮与第二锥齿轮a801啮合时、与第二锥齿轮b802脱离；反之同理；还包括用于驱动第一锥齿轮在与第二锥齿轮a801或第二锥齿轮b802啮合间切换的切换机构。

当需要滚轮沿管道内壁周向方向滚动时，使两侧行走转向结构中被驱动的第二锥齿轮位于第一转轴轴线的同侧；当需要滚轮沿管道轴向方向滚动时，使两侧行走转向结构中被驱动的第二锥齿轮分别位于第一转轴轴线的两侧。

本实施例中的切换机构如图4所示，包括安装在转盘4和/或第三齿轮11上的第二直线驱动装置38，第二直线驱动装置38随转盘4同步转动；且第二直线驱动装置38的输出轴与该侧的第二转轴7平行，由第二直线驱动装置38的推拉动作、来驱动第二转轴7做直线往复运动，从而使得固定在该侧的第二转轴7上的两个第二锥齿轮8同步运动，实现驱动不同的第二锥齿轮8与该侧的第一锥齿轮6进行啮合的目的。

更为优选的，所述第二直线驱动装置38为电动推杆；直线驱动装置38的输出轴与套设在该侧第二转轴7上的轴承的轴承座相连。

实施例4：

一种管道机器人，在实施例3的基础上，如图6、图7与图8所示，包括同时固定在第六转轴35上的第一凸轮27和第二凸轮28。

所述第一凸轮27和第二凸轮28均呈椭圆形；且第一凸轮27和第二凸轮28的长轴相互垂直。

所述机体14上设置两个相互正对的导轮29；两个导轮和两个滚轮呈十字形分布。

两个行走转向结构通过第一弹性件30分别抵接在第一凸轮27的相对两侧，两个导轮29通过第二弹性件31分别抵接在第二凸轮28两侧；

还包括与所述换挡机构相匹配的第五传动组件，所述第五传动组件包括套设在传动轴16外的第三锥齿轮32、固定在第三锥齿轮32内部且与传动轴16间隙配合的限位结构20、与所述第三锥齿轮32啮合且固定套设在第五转轴33外的第四锥齿轮34；

当所述换挡机构与第五传动组件配合时，所述第五传动组件受传动轴16驱动、带动第五转轴33转动，驱动所述第六转轴35转动。

当管道机器人在管道内部需要调整外径时，将滑块18移动至与第五传动组件内的限位结构啮合，电机驱动传动轴转动、带动第三锥齿轮32转动，驱动第四锥齿轮34以及第五转轴33转动，由第五转轴驱动第六转轴35进行转动，从而使得第一凸轮和第二凸轮进行转动；在第一弹性件30和第二弹性件31的作用下，两个滚轮始终抵接在第一凸轮27的相对两侧、两个导轮始终抵接在第二凸轮28两侧，因此随着第一凸轮和第二凸轮的转动，即可自动的调整管道机器人的适配外径。

优选的，第五齿轮21、第七齿轮23、第三锥齿轮32均通过轴承和轴承座与机体相连。

优选的，第五转轴与第六转轴之间通过锥齿轮或齿轮组进行传动。

此外，本实施例中其余的转动配合的轴孔结构都可以采用轴承和轴承座的配合方式。

在一个或多个更为优选的实施方式中，第三传动组件、第四传动组件、第五传动组件均具有自锁机构37；当所述换挡机构与第三传动组件或第四传动组件或第五传动组件配合时，自锁机构37解除对应锁定。

自锁机构37的优选结构如图12与图13所示，包括壳体371、锁销372、弹簧373；壳体371与机体相对固定连接。

在常态下，弹簧373推动锁销372向外移动，此时锁销372插入在对应的限位结构的相邻瓣体之间，使得该限位结构无法转动，即使得对应的传动组件无法进行传动。当滑块滑动至于该限位结构啮合时，由滑块将锁销372顶回至壳体371内、解除锁销372对限位结构转动的限制，即解除了对相应传动组件的自锁。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (10)

1.一种行走转向结构，包括带轮轴（2）的滚轮（1），其特征在于，还包括与所述轮轴（2）转动配合的连接件（3）、与所述连接件（3）固定连接的转盘（4）、用于驱动所述轮轴（2）绕自身轴线转动的第一传动组件、用于驱动所述转盘（4）绕自身轴线转动的第二传动组件；所述轮轴（2）的轴线与转盘（4）的轴线共面且垂直。

2.根据权利要求1所述的一种行走转向结构，其特征在于，所述第一传动组件包括第一转轴（5）、固定套设在第一转轴（5）上的第一锥齿轮（6）、与所述第一锥齿轮（6）啮合且固定套设在第二转轴（7）上的第二锥齿轮（8）、固定套设在第二转轴（7）上的第一齿轮（9）、与所述第一齿轮（9）啮合且固定套设在所述轮轴（2）上的第二齿轮（10）；所述第二转轴（7）的轴线与轮轴（2）的轴线相互平行。

3.根据权利要求2所述的一种行走转向结构，其特征在于，所述轮轴（2）两端均设置连接件（3），两个连接件（3）均穿过转盘（4）与第二转轴（7）转动配合；所述转盘（4）上设置用于固定连接件（3）的限位装置（401）；所述连接件（3）与轮轴（2）、第二转轴（7）均通过轴承连接。

4.根据权利要求1所述的一种行走转向结构，其特征在于，所述第二传动组件包括与所述转盘（4）同轴且固定的第三齿轮（11）、固定套设在第三转轴（12）上且与所述第三齿轮（11）相啮合的第四齿轮（13）。

5.根据权利要求2所述的一种行走转向结构，其特征在于，所述第二转轴（7）上固定套设两个第二锥齿轮（8），分别定义为第二锥齿轮a（801）、第二锥齿轮b（802）；所述第一锥齿轮（6）位于第二锥齿轮a（801）、第二锥齿轮b（802）之间，且当第一锥齿轮（6）与第二锥齿轮a（801）啮合时、与第二锥齿轮b（802）脱离；还包括用于驱动第一锥齿轮（6）与第二锥齿轮a（801）或第二锥齿轮b（802）啮合的切换机构。

6.基于权利要求1~5中任一所述行走转向结构的管道机器人，其特征在于，包括机体（14），所述机体（14）的相对两侧均设置所述行走转向结构；所述机体（14）内部设置电机（15）、与电机（15）的输出端相连的传动轴（16）、与所述传动轴（16）相配合的换挡机构；还包括与换挡机构相匹配的第三传动组件、第四传动组件，所述第三传动组件与第一传动组件相配合，所述第四传动组与第二传动组件相配合；

当所述换挡机构与第三传动组件配合时，所述第三传动组件受传动轴（16）驱动、带动第一传动组件动作、驱动所述轮轴（2）绕自身轴线转动；

当所述换挡机构与第四传动组件配合时，所述第四传动组件受传动轴（16）驱动、带动第二传动组件动作、驱动所述转盘（4）绕自身轴线转动。

7.根据权利要求6所述的管道机器人，其特征在于，所述传动轴（16）为中空结构，传动轴（16）表面开设若干沿周向分布的滑槽（17），所述滑槽（17）的长度方向平行于传动轴（16）轴线；

所述换挡机构包括滑动配合在传动轴（16）内部的滑块（18）、用于驱动所述滑块（18）滑动的第一直线驱动装置（19），所述滑块（18）局部伸出至滑槽（17）外；

所述第三传动组件、第四传动组件均包括能够与所述滑块（18）相啮合的限位结构（20）。

8.根据权利要求7所述的管道机器人，其特征在于，所述第三传动组件包括套设在传动轴（16）外的第五齿轮（21）、固定在第五齿轮（21）内部且与传动轴（16）间隙配合的限位结构（20）、与第五齿轮（21）啮合的第六齿轮（22），所述第六齿轮（22）用于驱动所述轮轴（2）绕自身轴线转动。

9.根据权利要求7所述的管道机器人，其特征在于，所述第四传动组件包括套设在传动轴（16）外的第七齿轮（23）、固定在第七齿轮（23）内部且与传动轴（16）间隙配合的限位结构（20）、与所述第七齿轮（23）啮合且固定套设在第四转轴（24）上的第八齿轮（25）、固定套设在第四转轴（24）上的两个第九齿轮（26）；两个第九齿轮（26）分别用于驱动两个行走转向结构中的转盘（4）绕自身轴线转动。

10.根据权利要求7所述的管道机器人，其特征在于，

所述机体（14）内部设置同时固定在第六转轴（35）上的第一凸轮（27）和第二凸轮（28），所述第一凸轮（27）和第二凸轮（28）均呈轴对称形状；

所述机体（14）上设置两个相互正对的导轮（29）；

两个行走转向结构通过第一弹性件（30）分别抵接在第一凸轮（27）的相对两侧，两个导轮（29）通过第二弹性件（31）分别抵接在第二凸轮（28）两侧；

还包括与所述换挡机构相匹配的第五传动组件，所述第五传动组件包括套设在传动轴（16）外的第三锥齿轮（32）、固定在第三锥齿轮（32）内部且与传动轴（16）间隙配合的限位结构（20）、与所述第三锥齿轮（32）啮合且固定套设在第五转轴（33）外的第四锥齿轮（34）；

当所述换挡机构与第五传动组件配合时，所述第五传动组件受传动轴（16）驱动、带动第五转轴（33）转动，驱动所述第六转轴（35）转动；

所述第三传动组件、第四传动组件、第五传动组件均具有自锁机构（37）；当所述换挡机构与第三传动组件或第四传动组件或第五传动组件配合时，自锁机构（37）解除对应锁定。

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