CN207522614U - 一种螺旋运动管道机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种螺旋运动管道机器人，包含N个驱动模块、N‑1个扭矩调节模块和N个连接模块，N为大于等于3的自然数；N个驱动模块对应固定在N个连接模块上，N个连接模块通过N‑1个扭矩调节模块依次相连，其中：扭矩调节模块用于调整其相邻两个连接模块之间的扭转角度，使得螺旋运动管道机器人呈螺旋状、各个驱动模块紧贴在管道的外壁或者内壁上；驱动模块用于提供动力，使得螺旋运动管道机器人在管道的外壁或者内壁上运动。扭矩调节模块使机器人紧贴管道，各驱动模块协同驱动机器人螺旋前进。本实用新型能适应各种管道，紧贴各种直径和截面形状的管道的内外壁，用于管道巡检、维修、清洗、焊接等领域。

Description

一种螺旋运动管道机器人

技术领域

本实用新型涉及管道机器人领域，尤其涉及一种螺旋运动管道机器人。

背景技术

随着国际社会工业化水平的快速发展，尤其是核工业以及石油天然气等行业的快速发展，管材的使用量急剧增加，典型的使用环境，如远距离的带压输送石油天然气，以及输送含有放射性危险物质的管道，城市冬季供暖管道的巡检清淤等。如何进行管道的检测维护，就显得尤其必要。管道机器人作为一种理想的管道检测和维护设备，广泛的应用于管道的清洗、检测、维修、焊接等诸多领域，对延长管道使用寿命，降低安全事故风险有重要意义。

现阶段的管道机器人针对不同的管道环境有很大的局限性。不同行业中的管道使用环境有很大区别，比如城市供水供暖管道直径从2米以上到直径仅为1~2厘米，管道长时间使用后容易产生铁锈水垢等；石油天然气行业的管道普遍为压力管道；化工领域的管道通常用来输送有毒有害等物质。其中个行业的管道使用时也有共性，最典型的就是管道布局复杂，干线管道与支线管道交叉布局，阀门以及弯角众多等。但常用的管道机器人都面临一个问题，即机动灵活性严重不足，对不同直径的管道适应性不足，无法通过弯角、交叉、阀门等复杂情况，如果管道内部有障碍物，比如管道内部的支撑结构，这种情况下常用的管道机器人更是基本无法工作。

现阶段的管道机器人还忽视了一个很大的管道应用需求，即管道外部的巡检。在某些场合下，对管道外部进行巡检维护也有很大的需求，如悬空的化工管道探伤；船舶主轴的清理维护；大型桁架式建筑管状结构件的清洁工作；电线杆、通信基站塔及风力发电塔的检测维护，通常管道外部会有台阶、抓手等突出表面的附加物，对管道机器人来说任何不规则的突起均可以视为障碍物，如何使管道机器人满足这种使用需求也是一个亟需研究的领域。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种螺旋运动管道机器人。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种螺旋运动管道机器人，包含N个驱动模块、N-1个扭矩调节模块和N个连接模块，所述N为大于等于3的自然数；

所述N个驱动模块对应固定在所述N个连接模块上，所述N个连接模块通过所述N-1个扭矩调节模块依次相连，其中：

所述扭矩调节模块用于调整其相邻两个连接模块之间的扭转角度，使得螺旋运动管道机器人呈螺旋状、各个驱动模块紧贴在管道的外壁或者内壁上；

所述驱动模块用于提供动力，使得螺旋运动管道机器人在管道的外壁或者内壁上运动。

作为本实用新型一种螺旋运动管道机器人进一步的优化方案，所述驱动模块包括机架、驱动轮、套筒、轴筒、第一轴承、第二轴承、驱动电机、主动齿轮、第一至第三行星齿轮、电机安装架、第一端盖和第二端盖、第一至第三固定轴；

所述驱动轮中空，与所述套筒、轴筒由外至内同轴设置，驱动轮和套筒之间过盈配合，套筒和轴筒之间过盈配合；

所述轴筒两端伸出套筒后分别通过第一轴承、第二轴承和所述机架相连，使得所述轴承能够带动所述驱动轮相对机架自由转动；

所述套筒两端均和所述机架贴合；

所述机架用于固定所述第一轴承和第二轴承，其上端将所述驱动轮的一部分露出在外、下端和所述驱动模块对应的连接模块固连；

所述第一端盖、第二端盖分别设置在所述第一轴承、第二轴承的外侧，均和所述机架固连，用于将所述第一轴承、第二轴承密封在第一端盖、第二端盖、机架包围的空间中；

所述驱动电机通过所述电机安装架固定在所述第二端盖上，其输出轴和所述主动齿轮的轴心固连；

所述第一至第三固定轴和所述轴筒的轴线平行设置，其一端均和所述第一端盖固定相连；

所述第一至第三星行齿轮分别通过轴承对应设置在所述第一至第三固定轴的另一端；

所述轴筒内壁上设有齿轮圈，所述主动齿轮分别和所述第一至第三星行齿轮啮合，所述第一至第三行星齿轮均和所述齿轮圈啮合，主动齿轮、第一至第三星行齿轮、齿轮圈组成定轴轮系行星减速器。

作为本实用新型一种螺旋运动管道机器人进一步的优化方案，所述套筒两端和所述机架之间均设有双层密封圈。

作为本实用新型一种螺旋运动管道机器人进一步的优化方案，所述第一端盖、第二端盖和所述机架之间均设有密封片。

作为本实用新型一种螺旋运动管道机器人进一步的优化方案，所述扭矩调节模块包含扭矩调节舵机、底座、旋转盘、拓展盘、扭力梁、第一安装片和第二安装片；

所述底座为上端开口、下端封闭的空心圆柱体，所述扭矩调节模块固定在所述底座下端面的中心上，且所述扭矩调节模块的输出轴和所述底座的轴线处于同一直线；

所述第一安装片和所述底座柱面外壁固连；

所述拓展盘呈圆盘状，其圆心和所述扭矩调节舵机的输出轴固连，且拓展盘和所述调节舵机的输出轴垂直；

所述扭力梁、旋转盘均为上下开口的空心圆柱，扭力梁、旋转盘、拓展盘的直径相同，且扭力梁、旋转盘、底座同轴设置；

所述扭力梁的上端和所述拓展盘固连，下端和所述旋转盘固连；

所述旋转盘套接在所述底座的柱面外，其内壁和所述底座柱面外壁的上部油密封，且旋转盘能够相对于所述底座转动；

所述底座、旋转盘、扭力梁、拓展盘形成密闭空间；

所述第二安装片和所述旋转盘的外壁固连；

所述第一安装片、第二安装片分别用于和所述扭矩调节模块两侧的连接模块相连。

作为本实用新型一种螺旋运动管道机器人进一步的优化方案，所述连接模块和连接模块之间设有转轴。

作为本实用新型一种螺旋运动管道机器人进一步的优化方案，所述机架、第一端盖、第二端盖的均采用轻质7075铝合金，起到了为减速和传动装置以及驱动电机散热的作用。

作为本实用新型一种螺旋运动管道机器人进一步的优化方案，所述第一安装片、第二安装片、底座、旋转盘、拓展盘、扭力梁均采用铝合金制成，能够有效为扭矩调节舵机散热。

通过密封片和双层密封圈的使用，起到了为减速装置、传动装置以及驱动电机密封的作用。

驱动电机、主动齿轮、行星齿轮、齿轮圈等置于轴筒内，使得驱动模块体积显著减小，从而使得该管道机器人具有使用环境和工作适用范围广的特点。

底座、旋转盘、拓展盘、扭力梁之间形成密闭空腔，扭矩调节舵机安装于此空腔内，起到了绝缘密封的作用。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 本实用新型所涉及的管道机器人可同时适应在管道外部和管道内部的工作需求，只需设置各相邻连接模块间扭矩调节模块的偏转方向即可，使用便捷。

2. 本实用新型所涉及的管道机器人可适应多种直径管道的工作环境要求，只需要增加相应数量的中间机架以及对应的扭矩调节模块和驱动模块。有效了为适应不同直径的管道而采购多台设备的经费。

3. 本实用新型所涉及的管道机器人可跨越管壁的凸起、支撑等障碍物。该机器人采用相对柔性的结构，在遇到管道表面凸起时各相邻中间机架间相对偏转，可使管道机器人跨越凸起等障碍物；因管道机器人运动路径为螺旋曲线，管道机器人机身结构侵占面积即为该螺旋曲拓展出螺旋曲面。该螺旋曲面仅占管道表面的一部分，因此管道机器人可跨越部分支撑结构，使用灵活性高。

4. 本实用新型所涉及的管道机器人可应用于矩形截面管道，圆锥形管道等非圆柱形管道，使用灵活性大大增加。

5. 本实用新型所涉及的管道机器人工作时紧贴管道表面运动，对管道截面的侵占极小，因此可以在不影响管道正常运行的情况下使用。减小了因管道巡检维护造成的损失。

附图说明

图1（a）、图1（b）分别是本实用新型管道机器人在管道内部、管道外部工作时的结构示意图；

图2是本实用新型中驱动模块的结构示意图；

图3是本实用新型中驱动电机和各齿轮装配的结构示意图；

图4是本实用新型扭矩调节模块中套筒的结构示意图；

图5是本实用新型扭矩调节模块中轴筒的结构示意图；

图6是本实用新型中扭矩调节模块局部剖切的结构示意图；

图7是本实用新型中相邻连接模块连接时的结构示意图。

图中，1-机架，2驱动轮，3-轴筒，4-密封片，5第一端盖，6-电机安装架，7-第一行星齿轮，8-第二星行齿轮，9-第一轴承，10-第一固定轴，11-主动齿轮，12-驱动电机，13-第三星行齿轮，14-齿轮圈，15-套筒，16-第一固定轴对应的轴承，17-扭矩调节舵机、18-底座、19-旋转盘、20-拓展盘、21-扭力梁、22-第一安装片，23-第二安装片，24-连接模块，25-转轴，26-第二端盖。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1（a）、图1（b）所示，本实用新型公开了一种螺旋运动管道机器人，包含N个驱动模块、N-1个扭矩调节模块和N个连接模块，所述N为大于等于3的自然数；

所述N个驱动模块对应固定在所述N个连接模块上，所述N个连接模块通过所述N-1个扭矩调节模块依次相连，其中：

所述扭矩调节模块用于调整其相邻两个连接模块之间的扭转角度，使得螺旋运动管道机器人呈螺旋状、各个驱动模块紧贴在管道的外壁或者内壁上；

所述驱动模块用于提供动力，使得螺旋运动管道机器人在管道的外壁或者内壁上运动。

如图2所示，所述驱动模块包括机架、驱动轮、套筒、轴筒、第一轴承、第二轴承、驱动电机、主动齿轮、第一至第三行星齿轮、电机安装架、第一端盖和第二端盖、第一至第三固定轴；

如图4和图5所示，所述驱动轮中空，与所述套筒、轴筒由外至内同轴设置，驱动轮和套筒之间过盈配合，套筒和轴筒之间过盈配合；

所述轴筒两端伸出套筒后分别通过第一轴承、第二轴承和所述机架相连，使得所述轴承能够带动所述驱动轮相对机架自由转动；

所述套筒两端均和所述机架贴合；

所述机架用于固定所述第一轴承和第二轴承，其上端将所述驱动轮的一部分露出在外、下端和所述驱动模块对应的连接模块固连；

所述第一端盖、第二端盖分别设置在所述第一轴承、第二轴承的外侧，均和所述机架固连，用于将所述第一轴承、第二轴承密封在第一端盖、第二端盖、机架包围的空间中；

如图3所示，所述驱动电机通过所述电机安装架固定在所述第二端盖上，其输出轴和所述主动齿轮的轴心固连；

所述第一至第三固定轴和所述轴筒的轴线平行设置，其一端均和所述第一端盖固定相连；

所述第一至第三星行齿轮分别通过轴承对应设置在所述第一至第三固定轴的另一端；

所述轴筒内壁上设有齿轮圈，所述主动齿轮分别和所述第一至第三星行齿轮啮合，所述第一至第三行星齿轮均和所述齿轮圈啮合，主动齿轮、第一至第三星行齿轮、齿轮圈组成定轴轮系行星减速器。

套筒两端和所述机架之间均设有双层密封圈。

所述第一端盖、第二端盖和所述机架之间均设有密封片。

如图6所示，所述扭矩调节模块包含扭矩调节舵机、底座、旋转盘、拓展盘、扭力梁、第一安装片和第二安装片；

所述底座为上端开口、下端封闭的空心圆柱体，所述扭矩调节模块固定在所述底座下端面的中心上，且所述扭矩调节模块的输出轴和所述底座的轴线处于同一直线；

所述第一安装片和所述底座柱面外壁固连；

所述拓展盘呈圆盘状，其圆心和所述扭矩调节舵机的输出轴固连，且拓展盘和所述调节舵机的输出轴垂直；

所述扭力梁、旋转盘均为上下开口的空心圆柱，扭力梁、旋转盘、拓展盘的直径相同，且扭力梁、旋转盘、底座同轴设置；

所述扭力梁的上端和所述拓展盘固连，下端和所述旋转盘固连；

所述旋转盘套接在所述底座的柱面外，其内壁和所述底座柱面外壁的上部油密封，且旋转盘能够相对于所述底座转动；

所述底座、旋转盘、扭力梁、拓展盘形成密闭空间；

所述第二安装片和所述旋转盘的外壁固连；

所述第一安装片、第二安装片分别用于和所述扭矩调节模块两侧的连接模块相连。

如图7所示，所述连接模块和连接模块之间设有转轴。

所述机架、第一端盖、第二端盖的均采用轻质7075铝合金，起到了为减速和传动装置以及驱动电机散热的作用。

所述第一安装片、第二安装片、底座、旋转盘、拓展盘、扭力梁均采用铝合金制成，能够有效为扭矩调节舵机散热。

通过密封片和双层密封圈的使用，起到了为减速装置、传动装置以及驱动电机密封的作用。

驱动电机、主动齿轮、行星齿轮、齿轮圈等置于轴筒内，使得驱动模块体积显著减小，从而使得该管道机器人具有使用环境和工作适用范围广的特点。

底座、旋转盘、拓展盘、扭力梁之间形成密闭空腔，扭矩调节舵机安装于此空腔内，起到了绝缘密封的作用。

本实用新型的工作流程如下：

(1)、将驱动模块、扭矩调节模块、连接模块组装成适合使用长度的管道机器人；

（2）、对组装成的该管道机器人各相邻连接模块间的偏转角度进行预调节以适应管道尺寸；

（3）、调节各相邻连接模块间的偏转角度，以使管道机器人各驱动轮紧贴管道内壁；

（4）、各驱动模块的驱动电机同时动作，推动管道机器人沿螺旋曲线运动；

（5）、调节各相邻连接模块间的偏转角度，使管道机器人驱动轮与管壁脱离接触，而后取出管道机器人。

连接模块铰链轴线与其侧边呈一定夹角（此处以夹角为60°说明具体实施案例）；当要求机器人在管道内部工作时，要求机器人相邻连接模块偏转后各驱动轮在管道机器人外部，此时管道机器人外轮廓直径略小于管道内壁直径；当要求机器人在管道外部工作时，扭矩调节舵机反向旋转，使得各驱动轮在管道机器人内部，此时管道机器人内轮廓直径略大于管道外壁直径。此时将管道机器人放置于管道上。

扭矩参数主要由管道材料、管壁摩擦性能、搭载设备的重量、管道坡度、驱动模块数量等决定。

当遇到管道表面障碍物时，扭矩测量传感器检测到扭矩变化，并将测得的参数传输给控制系统，各扭矩调节模块在控制系统的控制下做出相应，使管道机器人自主跨越障碍物。

此处以管道机器人在典型圆柱形管道内部运行为例进行具体说明：

在驱动模块中，第一步是驱动电机带动主动齿轮旋转，第二步是主动齿轮带动第一至第三行星齿轮旋转，第三步是行星齿轮带动齿轮圈旋转（主动齿轮、第一至第三行星齿轮、齿轮圈三者构成定轴轮系行星减速器),第四步是齿轮圈带动轴筒旋转，第五步是轴筒带动套筒旋转，第六步是套筒带动驱动轮旋转实现运动功能。

在扭矩调节模块中，扭矩调节舵机壳体部分先后通过底座和第一安装架与一个机架相连接，扭矩调节舵机输出轴通过拓展盘与扭力梁一端连接，并带动扭力梁一端旋转，扭力梁另一端先后通过旋转盘和第二安装架与另一个机架相连接，通过控制扭矩调节舵机的偏转实现两相邻机架间偏转角的精确控制。

以内径770mm,壁厚2.5mm的圆柱形管道为例，管道水平放置，选择13个连接模块以及相应数量的关节转轴组成连接部分，而后在连接模块上安装相应数量的驱动模块和扭矩调节模块。

控制各相邻连接模块间扭矩调节模块中扭矩调节舵机动作，使各相邻连接模块间的相对偏转角度为+35°，偏转完成后各驱动轮位于管道机器人外部，管道机器人外轮廓直径为740mm,此时管道机器人外轮廓直径略小于管道内径。而后将该管道机器人放入管道内部。

控制各相邻连接模块间的扭矩调节舵机偏转角度减小10°（此时多级偏转角为25°），扭力梁此时有弹性变形发生，最终使各相邻机架间的相对偏转角度为+29°，使各驱动轮贴紧管道内壁。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种螺旋运动管道机器人，其特征在于，包含N个驱动模块、N-1个扭矩调节模块和N个连接模块，所述N为大于等于3的自然数；

所述N个驱动模块对应固定在所述N个连接模块上，所述N个连接模块通过所述N-1个扭矩调节模块依次相连，其中：

所述扭矩调节模块用于调整其相邻两个连接模块之间的扭转角度，使得螺旋运动管道机器人呈螺旋状、各个驱动模块紧贴在管道的外壁或者内壁上；

所述驱动模块用于提供动力，使得螺旋运动管道机器人在管道的外壁或者内壁上运动。

2.根据权利要求1所述的螺旋运动管道机器人，其特征在于，所述驱动模块包括机架、驱动轮、套筒、轴筒、第一轴承、第二轴承、驱动电机、主动齿轮、第一至第三行星齿轮、电机安装架、第一端盖和第二端盖、第一至第三固定轴；

所述驱动轮中空，与所述套筒、轴筒由外至内同轴设置，驱动轮和套筒之间过盈配合，套筒和轴筒之间过盈配合；

所述轴筒两端伸出套筒后分别通过第一轴承、第二轴承和所述机架相连，使得所述轴承能够带动所述驱动轮相对机架自由转动；

所述套筒两端均和所述机架贴合；

所述机架用于固定所述第一轴承和第二轴承，其上端将所述驱动轮的一部分露出在外、下端和所述驱动模块对应的连接模块固连；

所述第一端盖、第二端盖分别设置在所述第一轴承、第二轴承的外侧，均和所述机架固连，用于将所述第一轴承、第二轴承密封在第一端盖、第二端盖、机架包围的空间中；

所述驱动电机通过所述电机安装架固定在所述第二端盖上，其输出轴和所述主动齿轮的轴心固连；

所述第一至第三固定轴和所述轴筒的轴线平行设置，其一端均和所述第一端盖固定相连；

所述第一至第三星行齿轮分别通过轴承对应设置在所述第一至第三固定轴的另一端；

所述轴筒内壁上设有齿轮圈，所述主动齿轮分别和所述第一至第三星行齿轮啮合，所述第一至第三行星齿轮均和所述齿轮圈啮合，主动齿轮、第一至第三星行齿轮、齿轮圈组成定轴轮系行星减速器。

3.根据权利要求2所述的螺旋运动管道机器人，其特征在于，所述套筒两端和所述机架之间均设有双层密封圈。

4.根据权利要求3所述的螺旋运动管道机器人，其特征在于，所述第一端盖、第二端盖和所述机架之间均设有密封片。

5.根据权利要求1所述的螺旋运动管道机器人，其特征在于，所述扭矩调节模块包含扭矩调节舵机、底座、旋转盘、拓展盘、扭力梁、第一安装片和第二安装片；

所述底座为上端开口、下端封闭的空心圆柱体，所述扭矩调节模块固定在所述底座下端面的中心上，且所述扭矩调节模块的输出轴和所述底座的轴线处于同一直线；

所述第一安装片和所述底座柱面外壁固连；

所述拓展盘呈圆盘状，其圆心和所述扭矩调节舵机的输出轴固连，且拓展盘和所述调节舵机的输出轴垂直；

所述扭力梁、旋转盘均为上下开口的空心圆柱，扭力梁、旋转盘、拓展盘的直径相同，且扭力梁、旋转盘、底座同轴设置；

所述扭力梁的上端和所述拓展盘固连，下端和所述旋转盘固连；

所述旋转盘套接在所述底座的柱面外，其内壁和所述底座柱面外壁的上部油密封，且旋转盘能够相对于所述底座转动；

所述底座、旋转盘、扭力梁、拓展盘形成密闭空间；

所述第二安装片和所述旋转盘的外壁固连；

所述第一安装片、第二安装片分别用于和所述扭矩调节模块两侧的连接模块相连。

6.根据权利要求1所述的螺旋运动管道机器人，其特征在于，所述连接模块和连接模块之间设有转轴。

7.根据权利要求2所述的螺旋运动管道机器人，其特征在于，所述机架、第一端盖、第二端盖的均采用轻质7075铝合金。

8.根据权利要求5所述的螺旋运动管道机器人，其特征在于，所述第一安装片、第二安装片、底座、旋转盘、拓展盘、扭力梁均采用铝合金制成。