CN114962853A - 换挡调节式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了换挡调节式管道机器人，包括机体、滚轮、导轮、动力装置，滚轮连接在轮轴上，动力装置用于驱动传动轴转动；还包括与传动轴间隙配合的第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮，以及换挡机构；当换挡机构与第五齿轮啮合时，第五齿轮随传动轴同步转动；当换挡机构与第七齿轮啮合时，第七齿轮随传动轴同步转动；当换挡机构与第三锥齿轮啮合时，第三锥齿轮随传动轴同步转动。本发明用以解决现有技术中能够通过直角弯道或T形弯道的管道机器人需要多个电机进行驱动、体积庞大、载荷较小、故障率较高等问题，实现基于单个电机实现多种不同类型的输出，以满足管道机器人在通过直角弯道或T形弯道时的换向需求。

Description

换挡调节式管道机器人

技术领域

本发明涉及油气管道领域，具体涉及换挡调节式管道机器人。

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。

因此，现有技术中的管道机器人，如若想要实现在直角弯道和T形弯道内稳定的换向行走，其动力结构均十分复杂，需要采用多个电机为不同运动部件提供动力，导致其动力结构十分复杂，使得设备臃肿、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，并且由于电机数量较多，还具有较大的故障隐患。

发明内容

本发明提供换挡调节式管道机器人，以解决现有技术中能够通过直角弯道或T形弯道的管道机器人需要多个电机进行驱动、体积庞大、载荷较小、故障率较高等问题，实现基于单个电机实现多种不同类型的输出，以满足管道机器人在通过直角弯道或T形弯道时的换向需求。

本发明通过下述技术方案实现：

换挡调节式管道机器人，包括机体，还包括连接在机体外部的两个相对分布的滚轮、两个相对分布的导轮、位于机体内部的动力装置，所述滚轮连接在轮轴上，所述动力装置用于驱动传动轴转动；

还包括与所述传动轴间隙配合的第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮，以及与所述传动轴相连的换挡机构、用于驱动所述换挡机构换挡的第一直线驱动装置，所述第一直线驱动装置能够驱动换挡机构分别与第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮啮合；

当换挡机构与第五齿轮啮合时，所述第五齿轮随传动轴同步转动；

当换挡机构与第七齿轮啮合时，所述第七齿轮随传动轴同步转动；

当换挡机构与第三锥齿轮啮合时，所述第三锥齿轮随传动轴同步转动。

针对现有技术中能够通过直角弯道或T形弯道的管道机器人需要多个电机进行驱动，存在体积庞大、载荷较小、故障率较高等缺陷的问题，本发明提出一种换挡调节式管道机器人，其中机体外部有两个滚轮和两个导轮，两个滚轮作为主动轮以实现机体在管道内的行走和转向，两个导轮用于起辅助和导向作用。

机体内部的动力装置作为本申请中驱动管道机器人行走的唯一动力部件，其输出端驱动传动轴转动。第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮均与传动轴间隙配合，即第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮均与传动轴之间具有间隙，使得在其中任一齿轮没有与传动轴发生配合/连接关系时，该齿轮是不会随传动轴转动的。传动轴通过换挡机构与第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮啮合，至于换挡机构到底与哪一个齿轮啮合，由第一直线驱动装置进行控制。可以看出，本申请中第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮均可独立且唯一的受传动轴驱动进行转动，因此对于有通过直角弯和T型弯的油气领域的管道机器人而言，可通过第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮分别为不同的运动部件提供动力，从而克服了现有技术中需要使用多个电机分别驱动的缺陷，可显著减小管道机器人的体积、增大其荷载、使得管道机器人可携带更多的工作设备进入管道内部、从而提高其功能性、拓宽其适用范围；此外，由于只有动力装置作为唯一动力部件，因此还可显著的降低故障率，提高使用的安全性和稳定性。

进一步的，所述换挡机构包括与传动轴滑动配合的滑块，所述滑块由所述第一直线驱动装置驱动进行滑动；

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；所述滑块在传动轴内部滑动、且局部伸出至滑槽外；

所述第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮均连接有能够与所述滑块相啮合的限位结构。

本方案中由第一直线驱动装置驱动滑块在传动轴内部、沿滑槽做直线往复运动，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，当滑块滑动至与某齿轮(第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮之一)所对应的限位结构啮合时，即可带动该齿轮进行转动。

进一步的，还包括与所述第五齿轮相连的第一传动组件、与所述第七齿轮相连的第二传动组件、与所述第三锥齿轮相连的第三传动组件；

当换挡机构与第五齿轮啮合时，传动轴带动第一传动组件动作、驱动所述轮轴绕自身轴线转动；

当换挡机构与第七齿轮啮合时，传动轴带动第二传动组件动作、驱动所述轮轴绕其中垂线转动；

当换挡机构与第三锥齿轮啮合时，传动轴带动第三传动组件动作、驱动所述滚轮和导轮同步做径向伸缩。

第一传动组件、第二传动组件、第三传动组件分别作为与第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮连接的传动装置，起到各自的传动功能，从而将传动轴的转动，根据需要转换为机体不同的动作，以此实现管道机器人通过直角弯或T形弯的效果。具体的：

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，此时换挡机构与第五齿轮啮合，传动轴带动第一传动组件动作、驱动所述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，调整换挡机构使其与第七齿轮啮合，此时传动轴带动第二传动组件动作、驱动所述轮轴绕其中垂线转动，使滚轮的滚动方向变为沿管道内壁周向方向；此时再调整换挡机构使其与第五齿轮啮合，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；

此时再调整换挡机构使其与第七齿轮啮合，驱动轮轴绕其中垂线转动一定角度(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；

再调整换挡机构使其与第五齿轮啮合，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，再调整换挡机构使其与第七齿轮啮合，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，之后再调整换挡机构使其与第五齿轮啮合，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，还可通过换挡机构动作，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。

并且，本方案还有第三锥齿轮和第三传动组件，当需要调整管道机器人的适应管径时，由第一直线驱动装置驱动换挡机构与第三锥齿轮啮合，传动轴带动第三传动组件动作、驱动所述滚轮和导轮同步做径向伸缩，即可调整滚轮和导轮距离机体的径向距离，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，并且本申请对管道机器人外径的调整也依然是通过动力装置提供动力，借由换挡机构所实现，无需额外设置调整用动力部件，且具有极强的自动调整的功能，可使得本申请的管道机器人能够适应变径管道的作业需求。

可以看出，本申请通过换挡调节的方式实现管道机器人在直角弯和T形弯内的转向，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，避免了差速过弯时因对不同车轮采用不同动力源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固定在第五齿轮内部且与传动轴间隙配合的限位结构、固定套设在第一转轴上且与第五齿轮啮合的第六齿轮、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。

本方案对第一传动组件的具体结构进行限定，此结构可有效利用空间、有利于更加缩小管道机器人的体积。具体的，当换挡机构与第五齿轮啮合时，由第五齿轮驱动第六齿轮转动，再由第六齿轮驱动第一转轴转动，带动第一锥齿轮转动，通过第二锥齿轮的换向带动第二转轴转动，使得第一齿轮转动，通过第二齿轮的啮合最终驱动轮转转动，带动滚轮滚动。

进一步的，所述第二传动组件包括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、分别与两个第九齿轮啮合的两个第十齿轮，所述第十齿轮固定套设在第三转轴上；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、与所述转盘同轴且固定的第三齿轮、固定套设在所述第三转轴上且与所述第三齿轮相啮合的第四齿轮。

本方案对第二传动组件的具体结构进行限定，此结构可有效利用空间、有利于更加缩小管道机器人的体积。具体的，当换挡机构与第七齿轮啮合时，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，驱动两侧的第十齿轮分别转动，带动两侧的第三转轴转动，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。其中转盘的轴线即是一条过轮轴中点的中垂线。

进一步的，所述第三传动组件包括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、固定套设在第五转轴上的第五锥齿轮、与第五锥齿轮啮合且固定套设在第六转轴上的第六锥齿轮；

还包括固定在第六转轴上的第一凸轮、第二凸轮，所述第一凸轮和第二凸轮均呈轴对称形状，且第一凸轮和第二凸轮的轴线相互垂直；

两个滚轮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。

本方案对第三传动组件的具体结构进行限定，此结构可有效利用空间、有利于更加缩小管道机器人的体积。其中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且轴线相互垂直，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。

具体的，当换挡机构与第三锥齿轮啮合时，传动轴转动带动第三锥齿轮转动，通过第四锥齿轮换向并驱动第五转轴转动，再通过第五锥齿轮和第六锥齿轮进行换向并驱动第六转轴转动，从而使得第一凸轮和第二凸轮进行转动。

进一步的，两个滚轮所对应的第一锥齿轮共用一根第一转轴；

其中一个第一锥齿轮与其对应的第二锥齿轮始终保持啮合；

另一个第一锥齿轮所对应的第二转轴上套设两个第二锥齿轮，所述第一锥齿轮位于两个第二锥齿轮之间，且当第一锥齿轮与其中一个第二锥齿轮啮合时、与另一个第二锥齿轮脱离；还包括用于驱动该第一锥齿轮与不同第二锥齿轮啮合的第二直线驱动装置，所述第二直线驱动装置的驱动方向平行于第二转轴轴线。

考虑到本申请的对侧安装两个滚轮，两个滚轮所对应的第一锥齿轮共用一根第一转轴时，可更加减小体积并减少传动部件的数量。但是，这种状态下如果两侧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，则由第二直线驱动装置进行控制切换。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。

进一步的，所述滑块呈十字形，所述限位结构为与所述滑块相匹配的四瓣状结构，所述滑槽环形均布有四个；所述滑块插入限位结构的间隙内实现耦合。本方案中十字形的滑块其四个棱边可分别与四个滑槽一一对应，使得滑块能够稳定的滑动，且可稳定的随传动轴进行正转、反转；此外，当滑块滑动至某限位结构处时，其十字形的滑块恰好进入四瓣状结构所形成的四个间隙内，以实现滑块与限位结构之间的耦合，保证传动轴能够稳定向外输出动力。

进一步的，每个限位结构均具有自锁机构；

当某个限位结构未与滑块啮合时，由自锁机构锁定、防止该限位结构转动；

当所述滑块插入某个限位结构的间隙内时，自锁机构解除对应锁定。

由于本申请中的第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮均需要通过换挡机构来实现与传动轴的联动，当换挡机构未与某齿轮(第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮之一)配合时，该齿轮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，本申请还为第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮中的限位结构均设置了自锁机构，其中任何限位结构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；当换挡机构与任一限位结构配合时，由换挡机构解除对自锁机构的锁定，使对应的该齿轮能够进行转动。本方案显著提高了本申请管道机器人的工作稳定性和可靠性。

进一步的，所述自锁机构包括壳体、活动连接在壳体上的锁销、位于壳体内部且用于驱动所述锁销向对应的限位结构伸出的弹簧。

在常态下，弹簧推动锁销向壳体外伸出，此时锁销插入在对应的限位结构的相邻瓣体的间隙内，使得该限位结构无法转动，即使得对应的齿轮(第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮之一)无法进行传动。当滑块滑动至与该限位结构啮合时，由滑块将锁销顶回至壳体内、解除锁销对限位结构转动的自锁，即解除了对相应齿轮的锁定。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明换挡调节式管道机器人，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；还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条件。

2、本发明换挡调节式管道机器人，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；

3、本发明换挡调节式管道机器人，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；

4、本发明换挡调节式管道机器人，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。

5、本发明换挡调节式管道机器人，专用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。

6、本发明换挡调节式管道机器人，对管道机器人适配管径的调整，也同样通过唯一的动力设备完成，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、本发明换挡调节式管道机器人，在两侧第一锥齿轮共用一根第一转轴时，可灵活调整其中一侧的第二锥齿轮，使两侧与第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮、位于该第一转轴轴线的同侧或异侧，以满足管道机器人沿管道轴向和径向均可正常行走的使用需求，使得本申请具有极强的灵活性和可操作性。

8、本发明换挡调节式管道机器人，设置了自锁机构，克服了相应齿轮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的结构示意图；

图2为本发明具体实施例在一个视角下的内部结构示意图；

图3为图2中A处的局部放大图；

图4为本发明具体实施例在另一个视角下的内部结构示意图；

图5为本发明具体实施例中传动轴的结构示意图；

图6为本发明具体实施例中传动轴的连接结构示意图；

图7为本发明具体实施例中传动轴的连接结构爆炸图；

图8为本发明具体实施例中限位结构的局部示意图；

图9为本发明具体实施例中一侧滚轮的连接结构侧视图；

图10为图9的等轴测视图；

图11为图9的半剖结构示意图；

图12为本发明具体实施例中另一侧滚轮的连接结构示意图；

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，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，39-第五锥齿轮，40-第六锥齿轮。

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至图8所示的换挡调节式管道机器人，包括机体14，还包括连接在机体14外部的两个相对分布的滚轮1、两个相对分布的导轮29、位于机体14内部的动力装置15，所述滚轮1连接在轮轴2上，所述动力装置15用于驱动传动轴16转动；

还包括与所述传动轴16间隙配合的第五齿轮21、第七齿轮23、第三锥齿轮32，以及与所述传动轴16相连的换挡机构、用于驱动所述换挡机构换挡的第一直线驱动装置19，所述第一直线驱动装置19能够驱动换挡机构分别与第五齿轮21、第七齿轮23、第三锥齿轮32啮合；

当换挡机构与第五齿轮21啮合时，所述第五齿轮21随传动轴16同步转动；

当换挡机构与第七齿轮23啮合时，所述第七齿轮23随传动轴16同步转动；

当换挡机构与第三锥齿轮32啮合时，所述第三锥齿轮32随传动轴16同步转动。

本实施例中的换挡机构包括与传动轴16滑动配合的滑块18，所述滑块18由所述第一直线驱动装置19驱动进行滑动；

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；所述滑块18在传动轴16内部滑动、且局部伸出至滑槽17外；

所述第五齿轮21、第七齿轮23、第三锥齿轮32均连接有能够与所述滑块18相啮合的限位结构20。

其中，动力装置15为步进电机或伺服电机；第一直线驱动装置19为电动推杆。

在更为优选的实施方式中，如图5至图8所示，所述滑块18呈十字形，所述限位结构20为与所述滑块18相匹配的四瓣状结构，所述滑槽17环形均布有四个；所述滑块18插入限位结构20的间隙内实现耦合。

在更为优选的实施方式中，第五齿轮21、第七齿轮23、第三锥齿轮32均通过套设在传动轴16外的轴承和轴承座与机体14连接。

在更为优选的实施方式中，两个滚轮1和导轮29呈十字型分布。

实施例2：

一种换挡调节式管道机器人，在实施例1的基础上，

还包括与所述第五齿轮21相连的第一传动组件、与所述第七齿轮23相连的第二传动组件、与所述第三锥齿轮32相连的第三传动组件；

当换挡机构与第五齿轮21啮合时，传动轴16带动第一传动组件动作、驱动所述轮轴2绕自身轴线转动；

当换挡机构与第七齿轮23啮合时，传动轴16带动第二传动组件动作、驱动所述轮轴2绕其中垂线转动；

当换挡机构与第三锥齿轮32啮合时，传动轴16带动第三传动组件动作、驱动所述滚轮1和导轮29同步做径向伸缩。

在更为优选的实施方式中，如图1至图11所示，第一传动组件包括固定在第五齿轮21内部且与传动轴16间隙配合的限位结构、固定套设在第一转轴5上且与第五齿轮21啮合的第六齿轮22、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。

在更为优选的实施方式中，如图1至图11所示，所述第二传动组件包括固定在第七齿轮23内部且与传动轴16间隙配合的限位结构、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、分别与两个第九齿轮26啮合的两个第十齿轮36，所述第十齿轮36固定套设在第三转轴12上；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、与所述转盘4同轴且固定的第三齿轮11、固定套设在所述第三转轴12上且与所述第三齿轮11相啮合的第四齿轮13。

在更为优选的实施方式中，如图1至图4所示，所述第三传动组件包括固定在第三锥齿轮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、固定套设在第五转轴33上的第五锥齿轮39、与第五锥齿轮39啮合且固定套设在第六转轴35上的第六锥齿轮40；

还包括固定在第六转轴35上的第一凸轮27、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，且第一凸轮27和第二凸轮28的轴线相互垂直；

两个滚轮1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。

本实施例通过如下方式通过直角弯和T形弯管：

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，此时换挡机构与第五齿轮啮合，传动轴带动第一传动组件动作、驱动所述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，调整换挡机构使其与第七齿轮啮合，此时传动轴带动第二传动组件动作、驱动所述轮轴绕其中垂线转动，使滚轮的滚动方向变为沿管道内壁周向方向；此时再调整换挡机构使其与第五齿轮啮合，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；

此时再调整换挡机构使其与第七齿轮啮合，驱动轮轴绕其中垂线转动一定角度(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；

再调整换挡机构使其与第五齿轮啮合，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，再调整换挡机构使其与第七齿轮啮合，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，之后再调整换挡机构使其与第五齿轮啮合，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，还可通过换挡机构动作，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，本实施例采用了与现有技术完全不同的过弯方式，特别是对于现有技术很难顺利通过的T形弯而言，具有极强的过弯能力，在进弯后不会因弯道内一侧壁无支撑而导致行走困难。

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。

当然，还可为本实施例的管道机器人装配重力传感器、加速度传感器、位姿传感器等能够自动识别自身姿态的感应装置，以使其根据当前工况对行走状态进行自修复与自适应。

并且，当需要调整管道机器人的适应管径时，由第一直线驱动装置驱动换挡机构与第三锥齿轮啮合，传动轴带动第三传动组件动作、驱动所述滚轮和导轮同步做径向伸缩，即可调整滚轮和导轮距离机体的径向距离。

在更为优选的实施方式中，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。

实施例3：

一种换挡调节式管道机器人，在上述任一实施例的基础上，如图1至图4所示，左右两侧的两个滚轮1所对应的第一锥齿轮6共用一根第一转轴5；

其中一个第一锥齿轮6如图9至图11所示，与其对应的第二锥齿轮8始终保持啮合；

另一个第一锥齿轮6如图12所示，其所对应的第二转轴7上套设两个第二锥齿轮8，所述第一锥齿轮6位于两个第二锥齿轮8之间，且当第一锥齿轮6与其中一个第二锥齿轮8啮合时、与另一个第二锥齿轮8脱离；还包括用于驱动该第一锥齿轮6与不同第二锥齿轮8啮合的第二直线驱动装置38，所述第二直线驱动装置38的驱动方向平行于第二转轴7轴线。

优选的，第二直线驱动装置38为电动推杆，其安装在转盘4和/或第三齿轮11上，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。

优选的，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：

一种换挡调节式管道机器人，在上述任一实施例的基础上，每个限位结构20均具有自锁机构37；当某个限位结构20未与滑块18啮合时，由自锁机构37锁定、防止该限位结构20转动，进而防止与该限位结构相耦合的第五齿轮21或第七齿轮23或第三锥齿轮32转动；当所述滑块18插入至某个限位结构20的间隙内时，自锁机构37解除对应锁定。

在更为优选的实施方式中，所述自锁机构37如图13所示，包括壳体371、活动连接在壳体371上的锁销372、位于壳体371内部且用于驱动所述锁销372向对应的限位结构20伸出的弹簧373。

在常态下，弹簧推动锁销向壳体外伸出，此时锁销插入在对应的限位结构的相邻瓣体的间隙内，使得该限位结构无法转动，即使得对应的齿轮(第五齿轮、第七齿轮、第三锥齿轮之一)无法进行传动。当滑块滑动至与该限位结构啮合时，由滑块将锁销顶回至壳体内、解除锁销对限位结构转动的自锁，即解除了对相应齿轮的锁定。

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.换挡调节式管道机器人，包括机体(14)，其特征在于，还包括连接在机体(14)外部的两个相对分布的滚轮(1)、两个相对分布的导轮(29)、位于机体(14)内部的动力装置(15)，所述滚轮(1)连接在轮轴(2)上，所述动力装置(15)用于驱动传动轴(16)转动；

还包括与所述传动轴(16)间隙配合的第五齿轮(21)、第七齿轮(23)、第三锥齿轮(32)，以及与所述传动轴(16)相连的换挡机构、用于驱动所述换挡机构换挡的第一直线驱动装置(19)，所述第一直线驱动装置(19)能够驱动换挡机构分别与第五齿轮(21)、第七齿轮(23)、第三锥齿轮(32)啮合；

当换挡机构与第五齿轮(21)啮合时，所述第五齿轮(21)随传动轴(16)同步转动；

当换挡机构与第七齿轮(23)啮合时，所述第七齿轮(23)随传动轴(16)同步转动；

当换挡机构与第三锥齿轮(32)啮合时，所述第三锥齿轮(32)随传动轴(16)同步转动。

2.根据权利要求1所述的换挡调节式管道机器人，其特征在于，所述换挡机构包括与传动轴(16)滑动配合的滑块(18)，所述滑块(18)由所述第一直线驱动装置(19)驱动进行滑动；

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；所述滑块(18)在传动轴(16)内部滑动、且局部伸出至滑槽(17)外；

所述第五齿轮(21)、第七齿轮(23)、第三锥齿轮(32)均连接有能够与所述滑块(18)相啮合的限位结构(20)。

3.根据权利要求1所述的换挡调节式管道机器人，其特征在于，还包括与所述第五齿轮(21)相连的第一传动组件、与所述第七齿轮(23)相连的第二传动组件、与所述第三锥齿轮(32)相连的第三传动组件；

当换挡机构与第五齿轮(21)啮合时，传动轴(16)带动第一传动组件动作、驱动所述轮轴(2)绕自身轴线转动；

当换挡机构与第七齿轮(23)啮合时，传动轴(16)带动第二传动组件动作、驱动所述轮轴(2)绕其中垂线转动；

当换挡机构与第三锥齿轮(32)啮合时，传动轴(16)带动第三传动组件动作、驱动所述滚轮(1)和导轮(29)同步做径向伸缩。

4.根据权利要求3所述的换挡调节式管道机器人，其特征在于，所述第一传动组件包括固定在第五齿轮(21)内部且与传动轴(16)间隙配合的限位结构、固定套设在第一转轴(5)上且与第五齿轮(21)啮合的第六齿轮(22)、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。

5.根据权利要求3所述的换挡调节式管道机器人，其特征在于，所述第二传动组件包括固定在第七齿轮(23)内部且与传动轴(16)间隙配合的限位结构、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)、分别与两个第九齿轮(26)啮合的两个第十齿轮(36)，所述第十齿轮(36)固定套设在第三转轴(12)上；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)、与所述转盘(4)同轴且固定的第三齿轮(11)、固定套设在所述第三转轴(12)上且与所述第三齿轮(11)相啮合的第四齿轮(13)。

6.根据权利要求3所述的换挡调节式管道机器人，其特征在于，所述第三传动组件包括固定在第三锥齿轮(32)内部且与传动轴(16)间隙配合的限位结构、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)、固定套设在第五转轴(33)上的第五锥齿轮(39)、与第五锥齿轮(39)啮合且固定套设在第六转轴(35)上的第六锥齿轮(40)；

还包括固定在第六转轴(35)上的第一凸轮(27)、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，且第一凸轮(27)和第二凸轮(28)的轴线相互垂直；

两个滚轮(1)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。

7.根据权利要求4所述的换挡调节式管道机器人，其特征在于，两个滚轮(1)所对应的第一锥齿轮(6)共用一根第一转轴(5)；

其中一个第一锥齿轮(6)与其对应的第二锥齿轮(8)始终保持啮合；

另一个第一锥齿轮(6)所对应的第二转轴(7)上套设两个第二锥齿轮(8)，所述第一锥齿轮(6)位于两个第二锥齿轮(8)之间，且当第一锥齿轮(6)与其中一个第二锥齿轮(8)啮合时、与另一个第二锥齿轮(8)脱离；还包括用于驱动该第一锥齿轮(6)与不同第二锥齿轮(8)啮合的第二直线驱动装置(38)，所述第二直线驱动装置(38)的驱动方向平行于第二转轴(7)轴线。

8.根据权利要求2所述的换挡调节式管道机器人，其特征在于，所述滑块(18)呈十字形，所述限位结构(20)为与所述滑块(18)相匹配的四瓣状结构，所述滑槽(17)环形均布有四个；所述滑块(18)插入限位结构(20)的间隙内实现耦合。

9.根据权利要求2所述的换挡调节式管道机器人，其特征在于，每个限位结构(20)均具有自锁机构(37)；

当某个限位结构(20)未与滑块(18)啮合时，由自锁机构(37)锁定、防止该限位结构(20)转动；

当所述滑块(18)插入某个限位结构(20)的间隙内时，自锁机构(37)解除对应锁定。

10.根据权利要求9所述的换挡调节式管道机器人，其特征在于，所述自锁机构(37)包括壳体(371)、活动连接在壳体(371)上的锁销(372)、位于壳体(371)内部且用于驱动所述锁销(372)向对应的限位结构(20)伸出的弹簧(373)。

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