CN1281889C

CN1281889C - 蠕动式管道爬行器

Info

Publication number: CN1281889C
Application number: CN 200310120880
Authority: CN
Inventors: 梁延德; 于亮
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2023-12-29
Also published as: CN1635296A

Abstract

一种蠕动式管道爬行器属微小型机器人领域，这种蠕动式管道爬行器由驱动元件、控制部件、支撑腿组成，采用单电机驱动，控制部件由三个端面凸轮组、滚子组件和杆系组成，支撑腿由后支撑腿组件与前支撑腿组件构成，在爬行器前部、后部各有一个滚轮组。驱动电动机由三组螺钉、螺母固定在后安装盘上，电动机输出轴与行星减速器连接，行星减速器的输出轴上装有中、后端面凸轮体。采用由单一电动机同轴驱动，通过端面凸轮组和杆系等机械传动方式，实现在小管道内蠕动行进过程中的顺序动作及其控制；通过搭载相应的探头和应用工具，可以替代人对管道内的一些情况进行检查、检测及对出现的故障进行相应的维修。

Description

蠕动式管道爬行器

技术领域本发明蠕动式管道爬行器属于微小型机器人领域，用于在管道内进行爬行、检测。

背景技术管道是当代重要的物质输送工具之一，在现代工业、农业及民用设施中都有大量的使用。石油管道、煤气管道、电厂管道、水暖管道等纵横交错、四通八达。管道在使用过程中，由于各种因素的影响，经常会在管道内部造成各种各样的故障与损伤。如果不及时对管道内部进行检测、维护，管道就可能发生事故，造成不必要的浪费和损失。但是由于管道内部空间窄小、管线复杂，加上管内输送的物质可能具有腐蚀性、易燃易爆性等危险情况，所以对管道内部进行人工的检测和维修是具有一定的难度的，在有些情况下是完全不可能的。

发明内容本发明目的是发明一种蠕动式管道爬行器，它能在小管径的任意倾斜角度的管道内自由的作前进、后退动作，尤其在竖直的管道内可克服自身重量作竖直爬行；通过在前端搭载相应功能的工具或探头，实现所需要的管内作业任务。通过搭载相应的应用工具可以对管道内的一些情况进行检查、检测以及对出现的故障进行相应的维修，替代人工检测、维修。

本发明的技术方案是：一种蠕动式管道爬行器由驱动元件、控制部件、支撑腿组成，其特征是采用单电机驱动，控制部件由三个端面凸轮组、滚子组件和杆系组成；支撑腿由后支撑腿组件I与前支撑腿组件II构成，在爬行器前部、后部各有一个滚轮组，见附图1、2。

驱动元件中的驱动电动机32由三组螺钉30、螺母31固定在后安装盘34上，电动机的输出轴与行星减速器33连接，行星减速器33的输出轴7上装有中、后端面凸轮体6，由圆柱销8固定；后安装盘34的右端面上有三个互成120°均布的凸起，三个凸起外表面上套装三个滚轮支架41，凸起的内孔中装有滑杆28；滑杆28的另一端插在滑杆套管27中，弹簧29与可顺滑杆28往复滑动的后滑动圆环5套在滑杆28上；后安装盘34的右端面上还有三个与三个凸起互成30°均布的铰支座，铰支座上安装了后支撑腿组件I中的连杆24；三个端面凸轮上分别含有前端面轮廓曲线A，中端面轮廓曲线B，后端面轮廓曲线C；见附图4。

滚子组件包括后滚子组件和前滚子组件，后滚子组件由螺母1、滚子2、螺母3及螺栓4组成，均匀分布的三个滚子2通过螺栓4和螺母3固定在后滑动圆环5上，靠弹簧29的压力作用，使滚子2与中、后端面凸轮体6的后端面轮廓曲线C紧密接触；滚子安装环23上安装有两排滚子组，每排均布三个滚子，滚子由螺母、螺栓固定在滚子安装环23上，后排滚子组即中滚子组件11中的滚子与中、后端面凸轮体6的中端面轮廓曲线B面无间隙接触，构成中间凸轮传动副；前排滚子组14镶嵌在挡盘15与前端面凸轮16后端的沟槽中；前端面凸轮可相对滚子安装环转动，推动前滑动圆环18移动；螺钉13将挡盘15与前端面凸轮16固定在一起；前滚子组件17的滚子安在前滑动圆环18上，弹簧19的弹力通过前滑动圆环18使前滚子组件17上的滚子与前端面凸轮16的端面轮廓曲线A紧密接触；

输出轴7通过带有两根圆柱销9的联轴器10与方轴12联结，方轴12的右端拧有螺母22，弹簧21被压缩安装在方轴12右端和螺母22之间；前端面凸轮16套在方轴12上，挡盘15通过螺钉14安装在前端面凸轮16的后端面上；

三个滑杆套管27一端分别装在滚子安装环23的孔中固定，另一端插入前安装盘20的孔中固定，弹簧19与可顺滑杆套管27往复滑动的前滑动圆环18套在滑杆套管27上；

前支撑腿组件II，它是由连杆24、叉形连杆25和支撑脚26铰接在一起构成，其中连杆24的一端铰接在前滑动环18上，叉形连杆25的一端铰接在安装盘20上，支撑脚26上粘有橡皮垫42；后支撑腿组件I与前支撑腿组件II结构相同，它是由连杆24、叉形连杆25和支撑脚26铰接在一起构成，其中连杆24的一端铰接在后安装盘34的铰支座上，叉形连杆25的一端铰接在后滑动圆环5上；

后滚轮组中的滚轮支架41套装在后安装盘34上，滚轮39用铆钉40安在滚轮支架41上；前滚轮组中的滚轮支架41套装在前安装盘20上，滚轮39用铆钉40安装在滚轮支架41上。

本发明的效果是蠕动式管道爬行器能替代人在小管径的任意倾斜角度的管道内自由的爬行，完成所需的管内作业任务。该爬行器控制灵活、方便，可由手操纵控制，或者爬行器自带电源和控制器(单片机系统)，实现管内自控型或智能型作业。

附图说明附图1-管道爬行器主视图，附图2-管道爬行器左视图。其中，I-后支撑腿组件，II-前支撑腿组件，A-前端面轮廓曲线，B-中端面轮廓曲线，C-后端面轮廓曲线，1-螺母，2-滚子，3-螺母，4-螺栓，5-后滑动圆环，6-中、后端面凸轮体，7-减速器输出轴，8-圆柱销，9-圆柱销，10-联轴器，11-中滚子组件，12-方轴，13-螺钉，14-前排滚子组，15-挡盘，16-前端面凸轮，17-前滚子组件，18-前滑动圆环，19-弹簧，20-前安装盘，21-弹簧，22-螺母，23-滚子安装环，24-连杆，25-叉形连杆，26-支撑脚，27-滑杆套管，28-滑杆，29-弹簧，30-螺钉，31-螺母，32-电动机，33-行星轮减速器，34-后安装盘，35-螺母，36-螺母，37-螺栓，38-螺栓，39-滚轮，40-铆钉，41-滚轮支架，42-橡皮垫。

附图3-管道爬行机器爬行步骤图，附图4-端面凸轮设计图，其中：A-前端面轮廓曲线，B-中端面轮廓曲线，C-后端面轮廓曲线。

具体实施方式结合附图详细说明具体实施方式，蠕动式管道爬行器由单一电动机同轴驱动，通过端面凸轮组和杆系等机械传动方式，实现蠕动行进过程中的顺序动作及其控制。在该爬行器中，使用了三副端面凸轮，即前端面凸轮16实现前部分支承所需的传动；中端面凸轮和后端面凸轮设计在一个凸轮体上，即中、后端面凸轮体6。中、后端面凸轮体6的中端面轮廓曲线B，可实现中间伸缩所需的传动；中、后端面凸轮体6的后端面轮廓曲线C，可实现后部分支承所需的传动；因此，端面凸轮是主要的传动部件，它主要起到了传动和顺序控制的双重作用。由于端面凸轮上独特的轮廓曲线，当凸轮体回转时，它的端面可以推动与之无间隙接触的从动件滚轮做一定规律的往复运动。后凸轮端面与后滑块上的滚轮接触形成后凸轮高副传动，中凸轮端面与滚轮安装环9上的后排滚轮接触形成中凸轮高副传动。

驱动电动机32经行星减速器的输出轴与中、后端面凸轮体6相连，随输出轴同步转动，输出低速旋转运动。驱动电动机32的输出轴还通过联轴器10与方轴12连结，前端面凸轮16安装在方轴上，这样前端面凸轮即可以随方轴同步转动，又可以相对方轴做轴向往复运动。滚子安装环23上安装有两排滚轮，每排均布三个滚轮，以使受力均匀；前排滚轮镶嵌在前端面凸轮体的沟槽中。这样前端面凸轮就可以相对滚轮安装环转动，从而推动前滑动圆环运动。后支撑腿组件I与前支撑腿组件II结构相同，支撑脚26上粘有橡皮垫42，是为了增加其对管壁的摩擦。

该爬行器有三种动作：前支撑动作、中间伸缩动作、后支撑动作。

1.前支撑动作：该部分主要由前端面凸轮16、前滑动圆环18及前支撑腿组件II组成，它的功能是实现前面的支撑脚支撑和收缩。参照图1、2、3、4，随着前端面凸轮16的旋转，凸轮上逐渐凸起的端面推动与之紧密接触的前滑动圆环18相对凸轮向前滑动，同时弹簧19被压缩，即可实现前面的支撑腿支起，三个支撑脚将爬行器固定在管壁上；当前端面凸轮16的端面高度保持不变时，支撑脚保持状态不变；当前端面凸轮16的端面由突起转入低谷时，由于弹簧的压力使得前滑动圆环18相对凸轮向后运动，前面的支撑脚收缩从而松开对主体的支撑。前端面凸轮16套在方轴12上，这样前端面凸轮即可以随方轴同步转动，又可以相对方轴做轴向往复运动。

2.中间伸缩动作：该部分主要由中、后端面凸轮体6的中端面轮廓曲线B、中滚子组件11组成。随着中、后端面凸轮体6的旋转，后排滚子组即中滚子组件11中的滚子与中、后端面凸轮体6的中端面轮廓曲线B面无间隙接触，构成中间凸轮传动副，凸轮上逐渐凸起的端面推动与之紧密接触的滚子运动，使它相对中间凸轮向前滑动，同时滑杆上的弹簧被压缩，即可实现前支撑部分与后支撑部分相对分开，使爬行器主体伸长；当中、后端面凸轮体6的端面轮廓曲线高度保持不变时，主体保持长度不变；当端面轮廓曲线B由突起转入低谷时，由于弹簧的压力使得滚子2相对中、后端面凸轮体6向后运动，即可实现前支撑部分与后支撑部分相对靠近，使爬行器主体缩短。

3.后支撑动作：其实现的功能与前支撑部分相同，只是在动作的顺序上有差别。将上述管道爬行器的行进动作进一步分解，可以分为六个步骤，如图3所示。

(1)、后支撑部分张开，后三个支撑脚26将爬行器固定在管壁上；主体呈缩短状态；前支撑部分收缩，从而前三个支撑脚26松开对主体的支撑。

(2)、主体伸长，带动前面的支撑部分向前运动。

(3)、后面的支撑脚状态保持不变，前面的支撑脚支起。

(4)、前面的支撑脚保持状态不变，后面的支撑脚收缩。

(5)、主体收缩，带动后支撑部分向前运动。

(6)、当主体缩到最短时，后面的支撑脚再次支起。

至此，完成一个前进爬行的循环过程。后退爬行的爬行动作与此动作顺序相反。

Claims

1.一种蠕动式管道爬行器由驱动元件、控制部件、支撑腿组成，其特征是采用单电机驱动，控制部件由三个端面凸轮组、滚子组件和杆系组成，支撑腿由后支撑腿组件[I]与前支撑腿组件[II]构成，在爬行器前部、后部各有一个滚轮组；

驱动电动机[32]由三组螺钉[30]、螺母[31]固定在后安装盘[34]上，电动机输出轴与行星减速器[33]连接，行星减速器[33]的输出轴[7]上装有中、后端面凸轮体[6]，两者由圆柱销[8]固定；后安装盘[34]的右端面上有三个互成120°均布的凸起，三个凸起外表面上套装三个滚轮支架[41]，凸起的内孔中装有滑杆[28]；滑杆[28]的另一端插在滑杆套管[27]中，弹簧[29]与可顺滑杆[28]往复滑动的后滑动圆环[5]套在滑杆[28]上；后安装盘[34]的右端面上还有三个与三个凸起互成30°均布的铰支座，铰支座上安装了后支撑腿组件[I]中的连杆[24]；三个端面凸轮上分别含有前端面轮廓曲线[A]，中端面轮廓曲线[B]，后端面轮廓曲线[C]；

滚子组件包括前滚子组件、后滚子组件，后滚子组件由螺母[1]、滚子[2]、螺母[3]及螺栓[4]组成，均匀分布的三个滚子[2]通过螺栓[4]和螺母[3]固定在后滑动圆环[5]上，靠弹簧[29]的压力作用，使滚子[2]与中、后端面凸轮体[6]的后端面轮廓曲线[C]紧密接触；滚子安装环[23]上安装有两排滚子组，每排均布三个滚子，滚子由螺母、螺栓固定在滚子安装环[23]上；后排滚子组即中滚子组件[11]中的滚子与中、后端面凸轮体[6]的中端面轮廓曲线[B]无间隙接触，构成中间凸轮传动副；前排滚子组[14]镶嵌在挡盘[15]与前端面凸轮[16]后端的沟槽中，使前端面凸轮可相对滚子安装环转动，推动前滑动圆环[18]移动，螺钉[13]将挡盘[15]与前端面凸轮[16]固定在一起；

前滚子组件[17]的滚子安在前滑动圆环[18]上，弹簧[19]的弹力通过前滑动圆环[18]使前滚子组件[17]上的滚子与前端面凸轮[16]的端面轮廓曲线[A]紧密接触；

输出轴[7]通过带有两根圆柱销[9]的联轴器[10]与方轴[12]联结，方轴[12]的右端拧有螺母[22]，弹簧[21]被压缩安装在方轴[12]右端和螺母[22]之间；前端面凸轮[16]套在方轴[12]上，挡盘[15]通过螺钉[14]安装在前端面凸轮[16]的后端面上；

三个滑杆套管[27]一端分别装在滚子安装环[23]的孔中固定，另一端插入前安装盘[20]上的孔中固定，弹簧[19]与可以顺滑杆套管[27]往复滑动的前滑动圆环[18]套在滑杆套管[27]上；

前支撑腿组件[II]，它是由连杆[24]、叉形连杆[25]和支撑脚[26]铰接在一起构成，其中连杆[24]的一端铰接在前端滑动圆环[18]上，叉形连杆[25]的一端铰接在安装盘[20]上，支撑脚[26]上粘有橡皮垫[42]；后支撑腿组件[I]与前支撑腿组件[II]结构相同；它是由连杆[24]、叉形连杆[25]和支撑脚[26]铰接在一起构成，其中连杆[24]的一端铰接在后安装盘[34]的铰支座上，叉形连杆[25]的一端铰接在后滑动圆环[5]上；

后滚轮组中的滚轮支架[41]套装在后安装盘[34]上，滚轮[39]用铆钉[40]安装在滚轮支架[41]上；前滚轮组中的滚轮支架[41]套装在前安装盘[20]上，滚轮[39]用铆钉[40]安装在滚轮支架[41]上。