CN203010110U

CN203010110U - 管道机器人

Info

Publication number: CN203010110U
Application number: CN 201320006503
Authority: CN
Inventors: 梁莹林; 黄静波; 陈振宇; 黄庆伟; 孙宇豪; 杨旭; 罗欣
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2023-01-07

Abstract

本实用新型公开了一种管道机器人，包括至少两个关节，所述两个关节之间通过转弯机构连接，所述一个关节包括螺杆、前进齿轮、伸展齿轮、第一支撑块和第二支撑块，所述螺杆一端穿过第一支撑块，所述螺杆另一端与第二支撑块连接。本实用新型的管道机器人，实现支撑臂自动适应管道直径并提供恒力矩；在管内移动机器机构中采用螺旋机构及齿轮副，以较小扭矩电机实现较大的扭力；可以很好的在变直径管内的移动及转弯，以及最优化地实现对管道进行有效的检测维护、维修。

Description

管道机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种管道机器人。

背景技术

在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为一种有效的物料输送方式而得到广泛的应用。管道的工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在的缺陷发展成破损而引起泄漏等事故。因此，为了延长管道的寿命、防止泄漏等事故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护、维修，管道机器人为满足该需要而产生。

管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统，广泛地应用于管道的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。

按驱动形式可把此类管道机器人分成轮式管内移动机器人、履带式管内移动机器人、蠕动式管内移动机器人等类型。

（一）轮式管内移动机器人

在汽车等轮式交通工具的启发下，人们很自然地想到管道机器人可以采用轮式驱动方案。实际上，由于轮式行走具有结构简单、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于控制等诸多优点，使得目前已开发出的管道机器人大多数为轮式驱动方式，轮式管内移动机器人也是工程管道用机器人实用化程度最高、数量最多的一种。

由于轮式驱动管道机器人行走动力来源于驱动轮与管壁间的摩擦力，所以潜在驱动能力的大小取决于驱动轮与管壁间的正压力。为了获得较大的驱动力，一般采用弹簧力、液压或气动力、磁力、重力等将驱动轮紧压在管壁上，以获得较大的接触正压力。在科技文献上常把驱动轮与管壁间的这种压力叫做封闭力，产生封闭力的机构叫做力封闭机构。驱动轮子转动时，驱动轮与管壁间的附着力产生机器人行进的驱动力，从而实现了机器人的管内移动，这就是轮式管内作业机器人行走的基本原理。

（二）履带式管内移动机器人

为使管道机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条件下达到良好的行走状态，人们研制了履带式管道机器人，履带式载体具有附着性能好，越障能力强，并能输出较大的拖动力等优点；但由于结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体，两轮机构稳定性差，容易发生倾覆等原因，此类机器人在管道内应用较少。

（三）蠕动式管内移动机器人

参考蛆蚜、毛虫等动物的运动，人们研制了蠕动式管道机器人。机器人的运动是通过身体的伸缩(蠕动)实现的，其运动节拍是：首先，尾部支承，身体伸长带动头部向前运动，然后，头部支承，身体收缩带动尾部向前运动，如此循环实现机器人的行走。此种机器人在管道内移动速度慢且波动大，平稳性差。

目前国内外管道机器人的研究成果已经很多，可是在微小管道、特殊管道（如变径管道、带有U型管的管道）进行检测、维修还刚起步，但是由于该类管道在各个领域的广泛应用，因此研发该类机器人极具吸引力。

几种管道机器人比较：

轮式管内移动机器人结构简单,易小型化,转向容易。行走轮的布置有平面的,也有空间的,行走轮数目为4～6个。一般采用一个或全轮驱动,驱动轮数目越多,机器人机动性越好,牵引能力越强,但控制复杂。

履带式管内移动机器人附着性能好,越障能力强,在管内泥泞、油污和存在一定障碍物时也能行走良好。但结构较轮式复杂,不易小型化,转向能力不如轮式好。轮式、履带式移动载体的共同缺点是牵引力的提高受载体的重量、驱动电机功率和移动速度的限制。因此多用于中、大管径的机器人。

蠕动式管内移动机器人支撑脚支承载体与管壁压紧,不支承时可以与管壁脱离,解决了轮式和履带式管内移动机器人行走时驱动轮始终压紧在管壁上的问题,消除了轮式和履带式机器人行走时驱动力和附着力之间的矛盾,可以产生很大的牵引力,但由于蠕动式移动机器人的运动是间歇的,受驱动件启动频率的限制,移动速度比轮式、履带式低。

由以上几种管道机器人移动方式知，国内外管内移动机器人在实现管内移动的方式依然落后，达不到在变直径管内的移动及转弯。由此就很难最优化地实现对管道进行有效的检测维护、维修。

实用新型内容

本实用新型克服了现有技术的不足，提供一种较好的在变直径管道移动的的管道机器人。

考虑到现有技术的上述问题，根据本实用新型公开的一个方面，本实用新型采用以下技术方案：

为了更好地实现本实用新型，进一步的技术方案是：

一种管道机器人，包括至少两个关节，所述两个关节之间通过转弯机构连接，所述一个关节包括螺杆、前进齿轮、伸展齿轮、第一支撑块和第二支撑块，所述螺杆一端穿过第一支撑块，所述螺杆另一端与第二支撑块连接；所述第一支撑块和第二支撑块之间设置有两根导轨，所述两根导轨上各设置有一个滑块，所述两个滑块各通过一个连杆机构与所述第一支撑块连接；所述前进齿轮设置在螺杆一端，所述伸展齿轮设置螺杆另一端；所述前进齿轮与第一支撑块连接，所述伸展齿轮与两个滑块连接；所述前进齿轮和伸展齿轮各由一个电机驱动旋转。

在本实用新型的一个实施例中，所述前进齿轮通过前进螺母与螺杆连接。

在本实用新型的一个实施例中，还包括螺杆导杆，所述螺杆导杆与所述前进螺母连接。

在本实用新型的一个实施例中，还包括前进上轴承架和前进下轴承架，所述前进上轴承架和前进下轴承架通过前进轴承与前进螺母连接。

在本实用新型的一个实施例中，所述用于驱动前进齿轮的电机设置在所述前进上轴承架上。

在本实用新型的一个实施例中，所述伸展齿轮通过伸展螺母与螺杆连接。

在本实用新型的一个实施例中，还包括伸展上轴承架和伸展下轴承架，所述伸展上轴承架和伸展下轴承架通过伸展轴承与伸展螺母连接。

在本实用新型的一个实施例中，所述用于驱动伸展齿轮的电机设置在所述伸展上轴承架上。

本实用新型还可以是：

在本实用新型的一个实施例中，所述用于驱动前进齿轮和伸展齿轮的电机都通过设置在各电机轴上的齿轮进行驱动。

在本实用新型的一个实施例中，所述一个连杆机构包括两个支撑臂，所述两个支撑臂转动连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果之一是：

本实用新型的管道机器人，实现了支撑臂自动适应管道直径并提供恒力矩；在管内移动机器机构中采用螺旋机构及齿轮副，以较小扭矩电机实现较大的扭力；可以很好的在变直径管内的移动及转弯，以及最优化地实现了对管道进行有效的检测维护、维修。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的管道机器人的整体结构示意图。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的管道机器人的关节爆炸结构示意图。

图3示出了根据本实用新型一个实施例的管道机器人的电气系统框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的管道机器人的整体结构示意图。参考图1所示一种管道机器人的实施例，包括至少两个关节101，图1示出了两个关节的情况，包括第一关节102和第二关节103；第一关节102和第二关节103可以是相同的结构。所属两个关节102、103之间通过转弯机构104连接，所述一个关节101包括螺杆105、前进齿轮106、伸展齿轮107、第一支撑块108和第二支撑块109，所述螺杆105一端穿过第一支撑块108，所述螺杆105另一端与第二支撑块109连接；所述第一支撑块108和第二支撑块109之间设置有两根导轨110，两根导轨110可以是光滑的，所述两根导轨110上各设置有一个滑块111，所述两个滑块111各通过一个连杆机构112与所述第一支撑块108连接；所述前进齿轮106设置在螺杆105一端，所述伸展齿轮107设置螺杆105另一端；所述前进齿轮106与第一支撑块108连接，所述伸展齿轮107与两个滑块111连接；所述前进齿轮106和伸展齿轮107各由一个电机113、114驱动旋转。

如图1所示转弯机构104可以是，包括两个被折弯的板件114、115，所述两个被折弯的板件114、115通过螺钉116及螺母连接，以实现灵活转动，从而避免因为转弯等原因造成的干涉。同时，转弯机构起着连接连个关节的作用，从而使机体与转弯机构固定在一起，组成完整的管道机器人。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的管道机器人的关节爆炸结构示意图。参考图2所示一种管道机器人的关节结构可以是，所述前进齿轮205通过前进螺母207与螺杆217连接。

图2示出了螺杆导杆201，所述螺杆导杆201与所述前进螺母207连接，两个关节通过各自的螺杆导杆201与转弯机构连接，以实现灵活转弯。

如图2所示的关节，还包括前进上轴承架206和前进下轴承架209，所述前进上轴承架206和前进下轴承架209通过前进轴承208与前进螺母207连接。

所述用于驱动前进齿轮205的电机204设置在所述前进上轴承架206上，该用于驱动前进齿轮205的电机204的转轴上连接有第一齿轮203，该第一齿轮203与前进齿轮205啮合，以达到驱动前进齿轮205的目的。其中，前进齿轮205可以是1模65齿，第一齿轮203可以是1模15齿，前进轴承208可通过轴用弹性挡圈210限定轴向位置，这样，用于驱动前进齿轮205的电机204驱动15齿的第一齿轮203，65齿的前进齿轮205与前进螺母207固定组装在一起，使得前进齿轮组能够在螺杆导杆201上的固定位置与螺杆217同步旋转，螺杆导杆201与螺杆217之间有导向键202，螺杆导杆201可以是细螺纹，从而使螺杆导杆201只能在螺杆217方向上前后运动，这就能够完成机体的前进后退动作。

螺杆217上设置的伸展齿轮225，可以通过伸展螺母223与螺杆217连接。

继续如图2所示，还可包括伸展上轴承架224和伸展下轴承架218，所述伸展上轴承架224和伸展下轴承架218通过伸展轴承222与伸展螺母223连接。所述用于驱动伸展齿轮225的电机227设置在所述伸展上轴承架224上。

所述用于驱动伸展齿轮225的电机227都通过设置在电机227转轴上的第二齿轮208进行驱动。

所述一个连杆机构可包括两个支撑臂，所述两个支撑臂转动连接，具体如图2所示，左边一个连杆机构包括两个左支撑臂212、215，所述两个左支撑臂212、215之间可相对转动；右边一个连杆机构包括两个右支撑臂213、214，所述两个右支撑臂213、214之间可相对转动。

第二齿轮208可以是1模15齿，伸展齿轮225可以是1模65齿，15齿的第二齿轮208通过电机227驱动，带动65齿的伸展齿轮225旋转，65齿的伸展齿轮225通过伸展螺母223与螺杆217组装在一起，从而使65齿的伸展齿轮225能够带动伸展螺母223在螺杆217上自由转动而不会带动螺杆217转动。前进螺母207的转动使得与伸展螺母223组装在一起的支撑块219、220相对螺杆217进行直线运动，从而使两边的支撑臂收拢、伸长，让爪能够与管壁紧密接触，达到我们需要的摩擦力。

图2中描述的螺杆217、两根光滑的导轨216以及两端的支撑块219、220，主要作用是提供安装及固定机器人各组成部分的空间，并支撑起整个机器人的组成部分。

支撑臂的主要作用是通过自身的弯曲，使得安装在支撑臂端部的爪能够跟管壁紧紧贴合，通过控制爪与管壁之间的贴合程度来控制摩擦力的大小，使得机器人能够在管道中运动。

图3示出了根据本实用新型一个实施例的管道机器人的电气系统框图。如图3所示，在开关闭合时，经过信号放大、A/D转换，由处理器控制驱动器，驱动相应电机，并按一定的时序完成相应的功能。同时，对于支撑臂伸展时，考虑到直流电机的力矩会过大或者过小，所以设计出电压反馈，使支撑臂与管内壁的力能满足前进的要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本实用新型的范围内。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims

1.一种管道机器人，其特征在于，包括至少两个关节，所述两个关节之间通过转弯机构连接，所述一个关节中包括螺杆、前进齿轮、伸展齿轮、第一支撑块和第二支撑块，所述螺杆一端穿过第一支撑块，所述螺杆另一端与第二支撑块连接；所述第一支撑块和第二支撑块之间设置有两根导轨，所述两根导轨上各设置有一个滑块，所述两个滑块各通过一个连杆机构与所述第一支撑块连接；所述前进齿轮设置在螺杆一端，所述伸展齿轮设置螺杆另一端；所述前进齿轮与第一支撑块连接，所述伸展齿轮与两个滑块连接；所述前进齿轮和伸展齿轮各由一个电机驱动旋转。

2.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述前进齿轮通过前进螺母与螺杆连接。

3.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于，还包括螺杆导杆，所述螺杆导杆与所述前进螺母连接。

4.根据权利要求2所述的管道机器人，其特征在于，还包括前进上轴承架和前进下轴承架，所述前进上轴承架和前进下轴承架通过前进轴承与前进螺母连接。

5.根据权利要求4所述的管道机器人，其特征在于，所述用于驱动前进齿轮的电机设置在所述前进上轴承架上。

6.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述伸展齿轮通过伸展螺母与螺杆连接。

7.根据权利要求6所述的管道机器人，其特征在于，还包括伸展上轴承架和伸展下轴承架，所述伸展上轴承架和伸展下轴承架通过伸展轴承与伸展螺母连接。

8.根据权利要求7所述的管道机器人，其特征在于，所述用于驱动伸展齿轮的电机设置在所述伸展上轴承架上。

9.根据权利要求1所述的管道机器人，其特征在于，所述用于驱动前进齿轮和伸展齿轮的电机都通过设置在各电机轴上的齿轮进行驱动。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的管道机器人，其特征在于，所述一个连杆机构包括两个支撑臂，所述两个支撑臂转动连接。