CN114719123B - 一种变径管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变径管道机器人，属于工业机械技术领域。本发明将转盘的转动通过轴承与凹槽的作用转变为伸缩支架的直动。本发明去掉丝杠、摆臂、云台等占用轴向空间较大的机构，采用转动变直动的机构使得管道机器人进行变径，提高了空间利用率，减轻了变径机构的质量，且提高了在管道中的转向性能；本发明采用一个舵机作为变径机构的动力源，相比于仿生足式变径机构，控制变得简单可靠，且伸缩支架受到来自管壁的反作用力交于一点，提高了管道机器人的稳定性。

Description

一种变径管道机器人

技术领域

本发明涉及一种变径管道机器人，属于工业机械技术领域。

背景技术

能适应不同管道的变径管道机器人结构复杂，包括机身主体、变径机构、驱动装置。现有变径机构大多占用整个机器人轴向空间较大，限制了控制电路以及电源的布置并降低了管道机器人在管道中转向性能等问题。因此，研究如何减小管道机器人变径机构的轴向尺寸尤为重要，这也为提高管道机器人转向能力和适应不同尺寸管道的管道机器人提供了技术支撑。现有的管道机器人变径机构多采用丝杠螺母或连杆带动云台升降进行变径，丝杠螺母变径方法由于丝杠尺寸较长，占用轴向距离较大，导致空间利用率降低，极大限制了管道机器人在管道中的通过能力。连杆或机械臂方案同样存在轴向尺寸较大的问题，同时，采用电机或舵机连接机械臂的结构进行变径的方法对控制技术及精度要求较高，且结构较为复杂。

在专利CN113374986A一种管道机器人的可变径伸缩机构中采用了丝杠、滑块、连杆以及摇杆组成的变径装置，当电机驱动同步带转动，从而带动丝杠旋转，丝杠的旋转带动滑块在机器人轴向平移，滑块带动连杆发生位移使得驱动轮产生径向的伸张与收缩，从而实现管道机器人的变径。但是，由于丝杠较长，且布置在管道机器人的轴向位置上，用此变径方式将增加管道机器人的轴向尺寸，不宜于小型化，降低管道机器人在管道中的过弯性能，同时导致机身的空间利用率降低，由于变径需要丝杠，且每个驱动装置均需要丝杠，将导致制造成本的提高。

在专利CN107859809A一种管道机器人中采用了仿生足式的变径机构，每条仿生足由三个舵机与摆臂组成，通过控制每个舵机转过的角度控制摆臂的位置从而控制管道机器人在管道中的变径大小。此方法虽然解决了管道机器人变径机构轴向尺寸过大的问题，但此方法对控制技术及精度要求较高，导致线路复杂，同时，将舵机安装在机械臂上导致机械臂重量加大，变径过程需要驱动装置一直紧贴管臂，但该变径装置变径过程中需要仿生足弯曲，从而导致来自管壁的四个方向的反作用力的作用方向不在一个点上导致机器人受力不平衡。

在专利CN205824485U一种管道机器人中采用齿轮啮合的方式进行变径，变径机构由电机、蜗杆、涡轮、以及齿轮和与齿轮固连的摆臂组成，电机驱动蜗杆转动，蜗杆带动涡轮转动，涡轮带动从动轮转动，由于从动轮是与摆臂固连，所以摆臂也发生转动，从而实现管道机器人的变径。但此变径方式存在摆臂占用轴向空间大，降低空间利用率以及过弯性能，且结构复杂，齿轮体积及质量大。

在专利CN210566982U一种多关节全向运动管道机器人中将整个管道机器人做成关节式，取消主体，通过各关节间角度的变化以适应不同管径的管道，变径过程中，由电机转动改变两机械臂之间角度，将其中一轮升起从而改变上下轮在管道内的径向距离，从而改变适应的半径。但该结构不仅需要的电机较多，且在将其中一轮举起过程中机械臂也有一定的举起，从而使得能量消耗较大，同时其结构不便携带大功率电源，导致其只能短时间和短距离工作。

现有技术存在如下不足：

使用丝杠加摆臂或云台方法轴向空间占比较大，导致空间利用率降低，且对于有过弯需求的管道机器人将会降低其过弯性能，不利于管道机器人的小型化。

使用连杆、机械臂或仿生足的方法进行变径虽然可以解决轴向空间占比较大的问题，但其控制较为复杂，且要求精度较高，同时受到来自管壁各方向的反作用力可能不相交于一点导致机器人运行不平稳。

使用齿轮加摆臂的方法始终会导致摆臂占用轴向空间较大的问题，同时其质量、体积以及制造成本均较大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种变径管道机器人。

本发明的技术解决方案是：

一种变径管道机器人，该变径管道机器人包括底盘、若干个伸缩支架、驱动轮、从动轮、转盘、舵机支架、第一螺钉、第二螺钉、舵机、第一轴承、第二轴承；

所述的底盘为一圆盘，圆盘的端面上带有第四凸块，圆盘的上表面带有第一凸块，第一凸块为方块；

所述的伸缩支架包括一横梁和位于横梁顶端左右对称分布的安装架，即左安装架和右安装架，左安装架用于安装驱动轮，右安装架用于安装从动轮，横梁的上表面带有第二凹槽，横梁的下表面带有第二凸块，第二凸块套装第二轴承的内表面，第二凸块为圆柱形；

所述的转盘上表面带有若干个第一凹槽，转盘上表面还带有第三凸块，第三凸块为圆柱形，第一轴承安装在第三凸块上，转盘的下表面带有第三凹槽；第二轴承的外表面套在转盘上表面的第一凹槽内；第一凹槽在转盘上的轨迹为弧形或直形；

伸缩支架的个数与转盘上表面的第一凹槽的个数一致；

所述的舵机支架为两个十字交叉的横梁，两个横梁的交叉处开有通孔，两个横梁的端部下方均带有与横梁垂直的安装板，安装板上带有安装孔，底盘端面上的第四凸块与舵机支架上的安装孔相匹配，使得舵机支架与底盘固定连接，舵机支架与底盘之间安装转盘，舵机安装在舵机支架上方，舵机底端的凸块穿过舵机支架的两个横梁的交叉处的通孔后与转盘下表面的第三凹槽相匹配，使得舵机与转盘连接且转盘相对于舵机能够转动；

所述的底盘上表面的第一凸块位于横梁上表面的第二凹槽内，由于第一凸块为方块使得第一凸块限制伸缩支架只能发生径向位移；

由于第二轴承内侧设置在伸缩支架上的第二凸块上，进而使得第二轴承绕第二凸块转动，第二轴承外侧设置在转盘的第一凹槽内，进而使得第二轴承在第一凹槽内发生转动和移动，第一轴承外环设置在底盘上，第一轴承内环套在转盘上，进而使得转盘相对底盘进行转动，舵机通过螺钉固定在舵机支架上，舵机一端通过自带的花键与转盘相连，舵机支架通过螺钉固定在底盘上，从而舵机的转动可以带动转盘的转动；

伸缩支架只发生径向位移的原理如下：

安装方式：将槽套在方块上，轴承内环安装在圆柱凸块上，轴承外环安装在槽内，轴承外环与槽之间留有间隙，转盘通过轴承安装在底盘上；

底盘固定不动，伸缩支架上的槽由于套在底盘上的方块上，槽侧壁与方块为面接触，使得伸缩支架不能发生相对方块的转动，即伸缩支架不能在底盘上转动，再由于转盘与底盘轴向距离固定，将伸缩支架夹在中间，使得伸缩支架不能产生轴向位移，而伸缩支架上的槽可以相对底盘上的方块发生径向位移。几何上，转盘的转动导致轴承相对与转盘中心点的距离发生改变，轴承只能在槽内运动，而伸缩支架只能作径向运动，即伸缩支架相对底盘只能发生径向位移。

舵机的转动带动转盘的转动，转盘的槽转动带动轴承发生运动，由于轴承套在圆柱凸块上，且由于方块的限制，伸缩支架只能发生径向位移，从而轴承的运动使得伸缩支架发生径向位移；

综上方块限制伸缩支架不能旋转，转盘与底盘限制伸缩支架不能发生轴向位移，方块未限制伸缩支架径向位移，当舵机有角度输出时，转盘与底盘对伸缩支架的合力方向为指向或者背向转盘的旋转轴，指向旋转轴时为收缩状态，背向旋转轴时为伸张状态，即可实现变径的功能要求。

有益效果

(1)本发明将转盘的转动通过轴承与凹槽的作用转变为伸缩支架的直动。

(2)本发明去掉丝杠、摆臂、云台等占用轴向空间较大的机构，采用转动变直动的机构使得管道机器人进行变径，提高了空间利用率，减轻了变径机构的质量，且提高了在管道中的转向性能；

(3)本发明采用一个舵机作为变径机构的动力源，相比于仿生足式变径机构，控制变得简单可靠，且伸缩支架受到来自管壁的反作用力交于一点，提高了管道机器人的稳定性。

(4)本发明的底盘另一侧可布置控制电路，使得整体紧凑，即此管道机器人易于小型化制造。

(5)本发明的转盘和伸缩支架之间不一定是轴承来传递力，也可以不用轴承或用套筒实现力的传递进而实现管道机器人的变径。

(6)本发明底盘上的方块不一定采用方块，可以采用其他能限制伸缩支架只发生径向位移的限位装置。

附图说明

图1为本发明的变径管道机器人的爆炸图；

图2为伸缩支架只发生径向位移示意图；

图3为变径机构示意图；

图4为管道机器人最小半径与最大半径状态对比平面图；

图5为管道机器人最小半径与最大半径状态对比立体图；

图6为零件装配后位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

如图1-图6所示，一种变径管道机器人，该变径管道机器人包括底盘1、若干个伸缩支架2、驱动轮3、从动轮5、转盘6、舵机支架7、第一螺钉8、第二螺钉9、舵机10、第一轴承11、第二轴承12；

所述的底盘1为一圆盘，圆盘的端面上带有第四凸块，圆盘的上表面带有第一凸块14，第一凸块14为方块；

所述的伸缩支架2包括一横梁15和位于横梁15顶端左右对称分布的安装架，即左安装架和右安装架，左安装架用于安装驱动轮3，右安装架用于安装从动轮5，横梁15的上表面带有第二凹槽，横梁15的下表面带有第二凸块13，第二凸块13套装第二轴承12的内表面，第二凸块13为圆柱形；

所述的转盘6上表面带有若干个第一凹槽4，转盘6上表面还带有第三凸块，第三凸块为圆柱形，第一轴承11安装在第三凸块上，转盘6的下表面带有第三凹槽；第二轴承12的外表面套在转盘6上表面的第一凹槽4内；第一凹槽4在转盘6上的轨迹为弧形或直形；

伸缩支架2的个数与转盘6上表面的第一凹槽4的个数一致；

所述的舵机支架7为两个十字交叉的横梁，两个横梁的交叉处开有通孔，两个横梁的端部下方均带有与横梁垂直的安装板，安装板上带有安装孔，底盘1端面上的第四凸块与舵机支架7上的安装孔相匹配，使得舵机支架7与底盘1固定连接，舵机支架7与底盘1之间安装转盘6，舵机10安装在舵机支架7上方，舵机10底端的凸块穿过舵机支架7的两个横梁的交叉处的通孔后与转盘6下表面的第三凹槽相匹配，使得舵机10与转盘6连接且转盘6相对于舵机10能够转动；

所述的底盘1上表面的第一凸块14位于横梁15上表面的第二凹槽内，由于第一凸块14为方块使得第一凸块14限制伸缩支架2只能发生径向位移；

由于第二轴承12内侧设置在伸缩支架2上的第二凸块13上，进而使得第二轴承12绕第二凸块13转动，第二轴承12外侧设置在转盘6的第一凹槽4内，进而使得第二轴承12在第一凹槽4内发生转动和移动，第一轴承11外环设置在底盘1上，第一轴承11内环套在转盘6上，进而使得转盘6相对底盘1进行转动，舵机10通过螺钉9固定在舵机支架7上，舵机10一端通过自带的花键与转盘6相连，舵机支架7通过螺钉8固定在底盘1上，从而舵机10的转动可以带动转盘6的转动；

伸缩支架2只发生径向位移的原理如下：

安装方式如图2：将横梁15上表面的第二凹槽套在方块上，轴承12内环安装在圆柱形第二凸块13上，轴承12外环安装在第一凹槽4内，轴承12外环与第一凹槽4之间留有间隙，转盘6通过轴承11安装在底盘1上；

底盘1固定不动，伸缩支架2上的横梁15上表面的第二凹槽由于套在底盘1上的方块上，第二凹槽侧壁与方块为面接触，使得伸缩支架2不能发生相对方块的转动，即伸缩支架2不能在底盘1上转动，再由于转盘6与底盘1轴向距离固定，将伸缩支架2夹在中间，使得伸缩支架2不能产生轴向位移，而伸缩支架2上的槽可以相对底盘1上的方块发生径向位移。几何上，转盘6的转动导致轴承12相对与转盘6中心点的距离发生改变，轴承12只能在第一凹槽4内运动，而伸缩支架2只能作径向运动，即伸缩支架2相对底盘1只能发生径向位移。

舵机10的转动带动转盘6的转动，转盘6的第一凹槽4转动带动轴承12发生运动，由于轴承12套在圆柱形第二凸块13上，且由于方块的限制，伸缩支架2只能发生径向位移，从而轴承12的运动使得伸缩支架2发生径向位移；

综上方块限制伸缩支架2不能旋转，转盘6与底盘1限制伸缩支架2不能发生轴向位移，方块未限制伸缩支架2径向位移，当舵机有角度输出时，转盘6与底盘1对伸缩支架2的合力方向为指向或者背向转盘6的旋转轴，指向旋转轴时为收缩状态，背向旋转轴时为伸张状态，即可实现变径的功能要求。

Claims (2)

1.一种变径管道机器人，其特征在于：

该变径管道机器人包括底盘（1）、若干个伸缩支架（2）、驱动轮（3）、从动轮（5）、转盘（6）、舵机支架（7）、第一螺钉（8）、第二螺钉（9）、舵机（10）、第一轴承（11）、第二轴承（12）；

所述的底盘（1）为一圆盘，圆盘的端面上带有第四凸块，圆盘的下表面带有第一凸块（14），第一凸块（14）为方块；

所述的伸缩支架（2）包括一横梁（15）和位于横梁（15）外侧上下对称分布的安装架，即上安装架和下安装架，上安装架用于安装驱动轮（3），下安装架用于安装从动轮（5），横梁（15）的上表面带有第二凹槽，横梁（15）的下表面带有第二凸块（13），第二凸块（13）套装第二轴承（12）的内表面，第二凸块（13）为圆柱形；

所述的转盘（6）上表面带有若干个第一凹槽（4），转盘（6）上表面还带有第三凸块，第三凸块为圆柱形，第一轴承（11）安装在第三凸块上，转盘（6）的下表面带有第三凹槽；第二轴承（12）的外表面套在转盘（6）上表面的第一凹槽（4）内；第一凹槽（4）在转盘（6）上的轨迹为弧形或直形；

伸缩支架（2）的个数与转盘（6）上表面的第一凹槽（4）的个数一致；

所述的舵机支架（7）为两个十字交叉的横梁，两个横梁的交叉处开有通孔，两个横梁的端部上方均带有与横梁垂直的安装板，安装板上带有安装孔，底盘（1）端面上的第四凸块与舵机支架（7）上的安装孔相匹配，使得舵机支架（7）与底盘（1）固定连接，舵机支架（7）与底盘（1）之间安装转盘（6），舵机（10）安装在舵机支架（7）下方，舵机（10）顶端的凸块穿过舵机支架（7）的两个横梁的交叉处的通孔后与转盘（6）下表面的第三凹槽相匹配，使得舵机（10）与转盘（6）连接且转盘（6）相对于舵机（10）能够转动；

所述的底盘（1）下表面的第一凸块（14）位于横梁（15）上表面的第二凹槽内，由于第一凸块（14）为方块，使得第一凸块（14）限制伸缩支架（2）只能发生径向位移；

由于第二轴承（12）内侧设置在伸缩支架（2）上的第二凸块（13）上，进而使得第二轴承（12）绕第二凸块（13）转动，第二轴承（12）外侧设置在转盘（6）的第一凹槽（4）内，进而使得第二轴承（12）在第一凹槽（4）内发生转动和移动，第一轴承（11）外环设置在底盘（1）上，第一轴承（11）内环套在转盘（6）上，进而使得转盘（6）相对底盘（1）进行转动，舵机（10）通过第二螺钉（9）固定在舵机支架（7）上，舵机（10）一端通过自带的花键与转盘（6）相连，舵机支架（7）通过第一螺钉（8）固定在底盘（1）上，从而舵机（10）的转动能够带动转盘（6）的转动。

2.根据权利要求1所述的一种变径管道机器人，其特征在于：

伸缩支架（2）只发生径向位移时：将横梁（15）上表面的第二凹槽套在第一凸块（14）上，第二轴承（12）内环安装在第二凸块（13）上，第二轴承（12）外环安装在第一凹槽（4）内，第二轴承（12）外环与第一凹槽（4）之间留有间隙，转盘（6）通过第一轴承（11）安装在底盘（1）上；

底盘（1）固定不动，伸缩支架（2）上的横梁（15）上表面的第二凹槽由于套在底盘（1）上的第一凸块（14）上，第二凹槽侧壁与第一凸块（14）为面接触，使得伸缩支架（2）不能发生相对第一凸块（14）的转动，即伸缩支架（2）不能在底盘（1）上转动，再由于转盘（6）与底盘（1）轴向距离固定，将伸缩支架（2）夹在中间，使得伸缩支架（2）不能产生轴向位移，而伸缩支架（2）上的第二凹槽可以相对底盘（1）上的第一凸块（14）发生径向位移；转盘（6）的转动导致第二轴承（12）相对与转盘（6）中心点的距离发生改变，第二轴承（12）只能在第一凹槽（4）内运动，而伸缩支架（2）只能作径向运动，即伸缩支架（2）相对底盘（1）只能发生径向位移；

舵机（10）的转动带动转盘（6）的转动，转盘（6）的第一凹槽（4）转动带动第二轴承（12）发生运动，由于第二轴承（12）套在第二凸块（13）上，且由于第一凸块（14）的限制，伸缩支架（2）只能发生径向位移，从而第二轴承（12）的运动使得伸缩支架（2）发生径向位移；

第一凸块（14）限制伸缩支架（2）不能旋转，转盘（6）与底盘（1）限制伸缩支架（2）不能发生轴向位移，第一凸块（14）未限制伸缩支架（2）径向位移，当舵机有角度输出时，转盘（6）与底盘（1）对伸缩支架（2）的合力方向为指向或者背向转盘（6）的旋转轴，指向旋转轴时为收缩状态，背向旋转轴时为伸张状态，即实现变径的功能要求。