CN114776932B - 一种高空管道检测用涵道动力机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高空管道检测用涵道动力机器人，包括第一双轴动力模组、第二双轴动力模组构成的涵道动力系统、供控模组以及安装于第一双轴动力模组、供控模组和第二双轴动力模组之间的自变径辅助支撑机构，还包括作业单元和防护罩，可以实现管道机器人的垂直起飞和自主进入指定管道执行任务，避免了人工托举机器人进入管道带来的危险性，适用于多管径和材质管道，采用涵道动力作为管道机器人运动的动力源可以不受油污、淤积物对轮足、履带机构的影响，实现高效率检修。

Description

一种高空管道检测用涵道动力机器人

技术领域

发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种高空管道检测用涵道动力机器人。

背景技术

高空管道穿梭于高层楼宇、高架和山体之间，在使用过程中，长期暴露在室外环境中，由于雨水、降雪、大气条件等原因，管道很容易发生污染、腐蚀或破损，进而影响运送物质，造成巨大的经济损失或者威胁人类健康安全。为定期对管道健康状态进行检测，专家学者研发了各式各样的管道机器人，能进入复杂多变的非结构化管道环境中，通过携带的无损检测和作业装置，轻松地完成管道的检测、清扫和维护等任务，降低人工作业的危险性。

但是，目前得到应用的管道机器人多为支撑式的轮足机构和履带机构，使用过程中很容易因为管道淤积的油污和灰尘作用而发生失效、打滑等现象，蠕动式、蛇形式以及行走式为代表的新型仿生管道机器人又存在检修效率低下的问题，此外，上述两款在高空管道检测应用时，仍需要人工托举进入管道，具有危险性，因此亟需一款能够适应多种管道环境的高效率、高可靠性管道机器人。

发明内容

针对传统管道机器人进入高空管道需要人工托举的危险性，轮足和履带机构的管道机器人在使用过程中很容易因为管道淤积的油污和灰尘作用而发生失效、打滑等现象，以及蠕动式、蛇形式和行走式为代表的新型仿生管道机器人又存在检修效率低下的问题，本发明提供了一种高空管道检测用涵道动力机器人，能够实现多种类型高空管道的自适应、高效率检修。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高空管道检测用涵道动力机器人，其特征在于：包括第一双轴动力模组、第二双轴动力模组组成的涵道动力系统、用于连接各个模块的安装杆架以及安装于第一双轴动力模组、供控模组和第二双轴动力模组之间的自变径辅助支撑机构；

所述第一双轴动力模组与第二双轴动力模组结构相同，分别安装于供控模组前后两侧，均包括双轴动力环体、随动轴固定板、减震安装塞、双轴动力环体固定板、自变径辅助支撑机构、双轴可动涵道动力组件以及旋转关节固定板；

所述双轴动力环体上开有安装槽和安装孔，通过螺丝螺母与双轴动力环体固定板固定连接，所述随动轴固定板和双轴动力环体固定板通过减震安装塞的弹性力进行固定，所述自变径辅助支撑机构仅用于不同管径下自适应变形支撑，不对机器人起直接的驱动作用，通过螺纹连接的方式安装在双轴动力环体上；

所述双轴可动涵道动力组件通过螺丝螺母固定在两侧的随动轴固定板和旋转关节固定板上，双轴可动涵道动力组件包括外随动轴、外机架、内动力关节、外动力关节、内机架、无刷电机及扇叶和内随动轴，所述外随动轴用于配合外动力关节实现外机架的绕轴自由转动，包括随动轴上夹板、随动轴下夹板、转轮、轴承、转轮轴、随动轴下安装片和随动轴上安装片，所述随动轴上夹板、随动轴下夹板通过螺丝螺母固定在随动轴固定板两侧，所述转轮安装在随动轴上夹板、随动轴下夹板的空隙中，所述轴承安装在转轮中间，所述转轮轴与轴承通过紧固套和螺母进行安装，所述随动轴下安装片、随动轴上安装片通过螺栓螺母夹紧在转轮轴两侧并与外机架相连，所述外动力关节用于驱动外机架转动，包括关节上安装片、关节下安装片、法兰延长架、一字臂法兰、舵机、垫片、关节下夹板、铜柱和关节上夹板，所述关节上安装片、关节下安装片通过螺丝螺母夹紧法兰延长架与外机架两侧并紧固连接，所述法兰延长架中心开有一通孔，所述一字臂法兰通过该通孔和螺栓安装在法兰延长架上，一字臂法兰右侧通过旋紧螺栓夹在舵机出轴上，所述关节下夹板、关节上夹板通过螺丝、铜柱夹紧在舵机和旋转关节固定板上下两侧，所述舵机两侧的安装孔前后贴有垫片，用于防止松动，所述外随动轴、外动力关节的中心轴线与内随动轴、内动力关节的中心轴线相互垂直，所述无刷电机及扇叶通过底座的螺丝螺母固定在内机架的顶层圆板上，内机架的四根钩杆通过两侧的顶层圆板、底层圆板和螺丝螺母压紧固定，钩杆通过交叉半榫连接的方式固定在内机架的板体上；

所述供控模组用于给机器人供能，并且控制第一双轴动力模组、第二双轴动力模组动作，实现各种复杂功能。

进一步地，还包括作业单元和防护罩，所述作业单元通过连接杆架安装在第一双轴动力模组之前，用于清刷管道内壁的黏着物，防止卡住滑轮、降低管道机器人行进速度，同时回传管道情况，所述防护罩共两截，分别安装在第一双轴动力模组、供控模组和第二双轴动力模组上，用于机器人防护。

进一步地，所述一种高空管道检测用涵道动力机器人可以在地面起飞，进入状态①，此时，管道机器人的第一双轴动力模组和第二双轴动力模组为垂直状态，双轴的结构形式可以让管道机器人拥有无人机一般的空中自稳定能力，并平稳升到高空管道入口前，并进入状态②，此时高空管道检测用涵道动力机器人的第一双轴动力模组翻转90度与管道径向平行，第二双轴动力模组仍然保持垂直方向，用于维持机器人稳定，当高空管道机器人完全进入管道时，进行状态③，此时管道机器人的第一双轴动力模组、第二双轴动力模组均与管道径向平行，为管道机器人在管道中的前进提供动力。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)管道机器人采用双轴涵道动力结构可以实现垂直起飞和自主进入指定高空管道执行任务，避免了人工托举进入管道带来的危险性；

(2)将涵道动力作为管道机器人的动力源，可以免受轮足/履带机构下被黏着物填满从而无法运动，进而产生失滑现象的困扰；

(3)高空管道检测用涵道动力机器人搭载的自变径辅助支撑机构可以有效帮助机器人适应多种大小管径的管道，即使遇到滑轮卡住的情况，仍然不会影响其前进的动力。

附图说明

图1是高空管道检测用涵道动力机器人整体装置的侧视图。

图2是第一双轴动力模组安装后的侧视图。

图3是自变径辅助支撑机构的侧视图和受力变形示意图。

图4是双轴可动涵道动力组件的侧视图。

图5是供控模组的侧视图。

图6是外随动轴的三维爆炸侧视图。

图7是外动力关节的三维爆炸侧视图。

图8是作业单元的侧视图。

图9是高空管道检测用涵道动力机器人安装防护罩的示意图。

图10是高空管道检测用涵道动力机器人起飞、进入管道、执行作业任务三种状态的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

如图1所示，本实施例的一种高空管道检测用涵道动力机器人，包括第一双轴动力模组2、第二双轴动力模组4组成的涵道动力系统、用于连接各个模块的安装杆架5以及安装于第一双轴动力模组2、供控模组3和第二双轴动力模组4之间的自变径辅助支撑机构25。

如图2-图3所示，所述第一双轴动力模组2与第二双轴动力模组4结构相同，分别安装于供控模组3前后两侧，均包括双轴动力环体21、随动轴固定板22、减震安装塞23、双轴动力环体固定板24、自变径辅助支撑机构25、双轴可动涵道动力组件26以及旋转关节固定板27，所述双轴动力环体21上开有安装槽和安装孔，通过螺丝螺母与双轴动力环体固定板24固定连接，所述随动轴固定板22和双轴动力环体固定板24通过减震安装塞23的弹性力进行固定，所述自变径辅助支撑机构25仅用于不同管径下自适应变形支撑，不对机器人起直接的驱动作用，通过螺纹连接的方式安装在双轴动力环体21上，自变径辅助支撑机构25包括摆杆安装架251、滑轮连接杆252、滑轮253、滑块连接杆254、滑块255、伸缩弹簧256、限位连接架257和滑杆258，当机器人进入直径更小的管道时，滑块255会受力向内滑移压紧伸缩弹簧256，改变机器人外径，从而实现被动的自适应变形。

如图4所示，所述双轴可动涵道动力组件26通过螺丝螺母固定在两侧的随动轴固定板22和旋转关节固定板27上，双轴可动涵道动力组件26包括外随动轴261、外机架262、内动力关节263、外动力关节264、内机架265、无刷电机及扇叶266和内随动轴267，所述外随动轴261、外动力关节264、内随动轴267、内动力关节263均通过螺丝螺母安装在外机架262上，所述外机架262可绕外随动轴261和外动力关节264的中心轴线自由转动，所述内随动轴267、内动力关节263内侧与内机架265紧固连接，内机架265可绕内随动轴267、内动力关节263的中心轴线自由转动，外随动轴261、外动力关节264的中心轴线与内随动轴267、内动力关节263的中心轴线相互垂直，所述无刷电机及扇叶266通过底座的螺丝螺母固定在内机架265的顶层圆板上，所述内机架265的四根钩杆通过两侧的顶层圆板、底层圆板和螺丝螺母压紧固定，钩杆通过交叉半榫连接的方式固定在内机架265的板体上。

如图5所示，所述供控模组3用于给机器人供能，并且控制第一双轴动力模组2、第二双轴动力模组4动作，实现各种复杂功能，供控模组3包括供控模组环体31、安装板32、状态提示灯33、功率模块34、多层控制板35、角码36、连接杆安装架37、电池38、扎带39，所述安装板32、角码36通过螺丝螺母安装在供控模组环体31上，状态提示灯33通过螺纹旋紧在安装板32上，所述功率模块34、多层控制板35通过螺丝螺母以及铜柱安装在安装板32上，所述电池38通过扎带39勒紧固定在安装板32下面。

如图6所示，所述外随动轴261用于配合外动力关节264实现外机架262的绕轴自由转动，包括随动轴上夹板2611、随动轴下夹板2612、转轮2613、轴承2614、转轮轴2615、随动轴下安装片2616和随动轴上安装片2617，所述随动轴上夹板2611、随动轴下夹板2612通过螺丝螺母固定在随动轴固定板22两侧，所述转轮2613安装在随动轴上夹板2611、随动轴下夹板2612的空隙中，所述轴承2614安装在转轮2613中间，转轮轴2615与轴承2614通过紧固套和螺母进行安装，所述随动轴下安装片2616、随动轴上安装片2617通过螺栓螺母夹紧在转轮轴2615两侧并与外机架262相连。

如图7所示，所述外动力关节264用于驱动外机架262转动，包括关节上安装片2641、关节下安装片2642、法兰延长架2643、一字臂法兰2644、舵机2645、垫片2646、关节下夹板2647、铜柱2648和关节上夹板2649，所述关节上安装片2641、关节下安装片2642通过螺丝螺母夹紧法兰延长架2643与外机架262两侧并紧固连接，所述法兰延长架2643中心开有一通孔，一字臂法兰2644通过该通孔和螺栓安装在法兰延长架2643上，一字臂法兰2644右侧通过旋紧螺栓夹在舵机2645出轴上，所述关节下夹板2647、关节上夹板2649通过螺丝、铜柱2648夹紧在舵机2645和旋转关节固定板27上下两侧，舵机2645两侧的安装孔前后贴有垫片2646，用于防止松动。

所述内动力关节263用于驱动内机架265转动，内随动轴267用于配合内动力关节263实现内机架265的绕轴自由转动，所述内机架(265)固定连接在内动力关节263、内随动轴267上表面，内机架265和外机架262不在同一平面。

如图8-图9所示，一种高空管道检测用涵道动力机器人还包括作业单元1和防护罩6，所述作业单元1通过连接杆架5安装在第一双轴动力模组2之前，用于清刷管道内壁的黏着物，防止卡住滑轮253、降低管道机器人行进速度，同时回传管道情况，作业单元1包括主机架11、检测单元安装架12、检测单元13、无线图传控制板14、安装架15以及遍布四周直径为D的毛刷16，所述毛刷16外径D和自变径辅助支撑机构25外径d满足关系D＞d，以保证毛刷16能有效清理管道淤积物，防护罩6共两截，分别安装在第一双轴动力模组2、供控模组3和第二双轴动力模组4上，用于机器人防护。

如图10所示，本发明的管道机器人在可以在地面起飞，进入状态①，此时，机器人的第一双轴动力模组2和第二双轴动力模组4为垂直状态，双轴的结构形式可以让高空管道检测用涵道动力机器人拥有无人机一般的空中自稳定能力，平稳升到高空管道7入口前，并进入状态②，此时高空管道检测用涵道动力机器人的第一双轴动力模组2翻转90度与管道径向平行，第二双轴动力模组4仍然保持垂直方向，用于维持机器人稳定，当高空管道检测用涵道动力机器人完全进入高空管道7时，进入状态③，此时高空管道检测用涵道动力机器人的第一双轴动力模组2、第二双轴动力模组4均与高空管道7径向平行，为机器人在高空管道7中的前进提供动力。

所述高空管道检测用涵道动力机器人可以通过180旋转第一双轴动力模组2和第二双轴动力模组4，从高空管道7中返回入口。

在前述说明书与相关附图中存在的教导的帮助下，本发明所属领域的技术人员将会想到本发明的许多修改和其它实施方案。因此，要理解的是，本发明不限于公开的具体实施方案，修改和其它实施方案被认为包括在所附权利要求的范围内。尽管本文中使用了特定术语，它们仅以一般和描述性意义使用，而不用于限制。

Claims (4)

1.一种高空管道检测用涵道动力机器人，其特征在于：包括第一双轴动力模组(2)、第二双轴动力模组(4)组成的涵道动力系统、用于连接各个模块的安装杆架(5)以及安装于第一双轴动力模组(2)、供控模组(3)和第二双轴动力模组(4)之间的自变径辅助支撑机构(25)；

所述第一双轴动力模组(2)与第二双轴动力模组(4)结构相同，分别安装于供控模组(3)前后两侧，均包括双轴动力环体(21)、随动轴固定板(22)、减震安装塞(23)、双轴动力环体固定板(24)、自变径辅助支撑机构(25)、双轴可动涵道动力组件(26)以及旋转关节固定板(27)；

所述双轴动力环体(21)上开有安装槽和安装孔，通过螺丝螺母与双轴动力环体固定板(24)固定连接，所述随动轴固定板(22)和双轴动力环体固定板(24)通过减震安装塞(23)的弹性力进行固定，所述自变径辅助支撑机构(25)仅用于不同管径下自适应变形支撑，不对机器人起直接的驱动作用，通过螺纹连接的方式安装在双轴动力环体(21)上；

所述双轴可动涵道动力组件(26)通过螺丝螺母固定在两侧的随动轴固定板(22)和旋转关节固定板(27)上，双轴可动涵道动力组件(26)包括外随动轴(261)、外机架(262)、内动力关节(263)、外动力关节(264)、内机架(265)、无刷电机及扇叶(266)和内随动轴(267)，所述外随动轴(261)用于配合外动力关节(264)实现外机架(262)的绕轴自由转动，包括随动轴上夹板(2611)、随动轴下夹板(2612)、转轮(2613)、轴承(2614)、转轮轴(2615)、随动轴下安装片(2616)和随动轴上安装片(2617)，所述随动轴上夹板(2611)、随动轴下夹板(2612)通过螺丝螺母固定在随动轴固定板(22)两侧，所述转轮(2613)安装在随动轴上夹板(2611)、随动轴下夹板(2612)的空隙中，所述轴承(2614)安装在转轮(2613)中间，所述转轮轴(2615)与轴承(2614)通过紧固套和螺母进行安装，所述随动轴下安装片(2616)、随动轴上安装片(2617)通过螺栓螺母夹紧在转轮轴(2615)两侧并与外机架(262)相连，所述外动力关节(264)用于驱动外机架(262)转动，包括关节上安装片(2641)、关节下安装片(2642)、法兰延长架(2643)、一字臂法兰(2644)、舵机(2645)、垫片(2646)、关节下夹板(2647)、铜柱(2648)和关节上夹板(2649)，所述关节上安装片(2641)、关节下安装片(2642)通过螺丝螺母夹紧法兰延长架(2643)与外机架(262)两侧并紧固连接，所述法兰延长架(2643)中心开有一通孔，所述一字臂法兰(2644)通过该通孔和螺栓安装在法兰延长架(2643)上，一字臂法兰(2644)右侧通过旋紧螺栓夹在舵机(2645)出轴上，所述关节下夹板(2647)、关节上夹板(2649)通过螺丝、铜柱(2648)夹紧在舵机(2645)和旋转关节固定板(27)上下两侧，所述舵机(2645)两侧的安装孔前后贴有垫片(2646)，用于防止松动，所述外随动轴(261)、外动力关节(264)的中心轴线与内随动轴(267)、内动力关节(263)的中心轴线相互垂直，所述无刷电机及扇叶(266)通过底座的螺丝螺母固定在内机架(265)的顶层圆板上，内机架(265)的四根钩杆通过两侧的顶层圆板、底层圆板和螺丝螺母压紧固定，钩杆通过交叉半榫连接的方式固定在内机架(265)的板体上；

所述供控模组(3)用于给机器人供能，并且控制第一双轴动力模组(2)、第二双轴动力模组(4)动作，实现各种复杂功能。

2.如权利要求1所述的一种高空管道检测用涵道动力机器人，其特征在于：内动力关节(263)用于驱动内机架(265)转动，内随动轴(267)用于配合内动力关节(263)实现内机架(265)的绕轴自由转动，所述内机架(265)固定连接在内动力关节(263)、内随动轴(267)上表面，内机架(265)和外机架(262)不在同一平面。

3.如权利要求1所述的一种高空管道检测用涵道动力机器人，其特征在于：管道机器人可以在地面起飞，进入状态①，此时，管道机器人的第一双轴动力模组(2)和第二双轴动力模组(4)为垂直状态，双轴的结构形式可以让管道机器人拥有无人机一般的空中自稳定能力，并平稳升到高空管道(7)入口前，进入状态②，此时管道机器人的第一双轴动力模组(2)翻转90度与管道径向平行，第二双轴动力模组(4)仍然保持垂直方向，用于维持管道机器人稳定，当管道机器人完全进入高空管道(7)时，进入状态③，此时管道机器人的第一双轴动力模组(2)、第二双轴动力模组(4)均与高空管道(7)径向平行，为管道机器人在高空管道(7)中的前进提供动力。

4.如权利要求1-3任意一项所述的一种高空管道检测用涵道动力机器人，其特征在于：还包括作业单元(1)和防护罩(6)，所述作业单元(1)通过连接杆架(5)安装在第一双轴动力模组(2)之前，用于清刷管道内壁的黏着物，防止卡住滑轮(253)、降低管道机器人行进速度，同时回传管道情况，所述防护罩(6)共两截，分别安装在第一双轴动力模组(2)、供控模组(3)和第二双轴动力模组(4)上，用于机器人防护。