CN212776258U - 腹壁式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种腹壁式管道机器人，包括：机身；三个行走机构，包括一个第一行走机构和两个第二行走机构；自适应变径机构，与三个行走机构连接；自适应变径机构包括驱动电机、与驱动电机连接的丝杆、与丝杆螺纹连接的螺母、与螺母连接的移动块；三角机构，与机身、移动块以及第一行走机构连接；两个平行四边形机构，分别对应两个第二行走机构设置，其中每一个平行四边形机构与机身、移动块以及一个第二行走机构连接；其中，借由螺母带动移动块前后移动，能够使得第一行走机构和第二行走机构分别在三角机构和平行四边形机构的带动下实现同步变径。本实用新型能够实现行走机构的变径，从而适应不同管径的管道。

Description

腹壁式管道机器人

技术领域

本实用新型涉及管道机器人，尤其涉及一种腹壁式管道机器人。

背景技术

在近现代生活中，伴随着社会产力的发展以及人民群众需求、工业化的发展和国家建设的需要，社会中各种管道也随之产生，如市政排污管道、自来水管、消防管道、石油天然气管道、中央空调管道、家用普通管道等等。这些管道的出现和普及给予我们生产和生活提供大量便利的同时，也带来了许许多多的问题，诸如管道堵塞、损坏及管道老化等问题。

这些问题给我们带来了严重的影响。如市政排水管道堵塞，遇到洪水时排水不畅；油气管道泄漏导致局部环境受到污染；中央空调长期积尘导致细菌病毒的传播；抽油烟管里长期残留的油渍使火灾危害潜藏；天然气管道腐蚀导致泄漏等等。这些问题给我们带来的不仅是资源损耗，还有可能造成人员伤亡。

针对上述问题，管道机器人应运而生。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。管道机器人可以通过管道内部行进作业完成相关复杂环境的探伤、清淤、检测以及修补等管道作业工作。

目前，虽然我国已经研发出了一些应对不同管道结构的特殊管道机器人，但还没有一款通用型管道机器人出现，主要是因为行走机构的适应性不足。对于不同管径的管道，现有的管道机器人通常无法很好地适应。即便有些管道机器人能够实现行走机构的变径，然而其结构过于复杂，制造成本高。

此外，在管道机器人通过弯道和不规则管道的时候，由于内耗造成的驱动力不足、以及由于壁面的变形以及机器人本身的误差，容易导致机器人在管道中偏离正确的姿态，甚至侧翻和卡死这些问题。现有技术中通常采用差速器、柔性联接等方式来解决管道机器人过弯道和不规则管道的问题，但是这会使结构更加复杂，导致成本增加。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中存在的至少一个问题，提供一种腹壁式管道机器人，具有与行走机构连接的自适应变径机构，结构简单，能够实现行走机构的变径，从而适应不同管径的管道。

针对上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种腹壁式管道机器人，包括：

机身；

三个行走机构，周向设于所述机身，三个所述行走机构被配置为紧贴于管道的内壁；三个所述行走机构包括一个第一行走机构和两个第二行走机构；

自适应变径机构，与三个所述行走机构连接；所述自适应变径机构包括驱动电机、与所述驱动电机连接的丝杆、与所述丝杆螺纹连接的螺母、与所述螺母连接的移动块；

三角机构，与所述机身、所述移动块以及所述第一行走机构连接；

两个平行四边形机构，分别对应两个所述第二行走机构设置，其中每一个所述平行四边形机构与所述机身、所述移动块以及一个所述第二行走机构连接；

其中，借由所述螺母带动所述移动块前后移动，能够使得所述第一行走机构和所述第二行走机构分别在所述三角机构和所述平行四边形机构的带动下实现同步变径。

进一步地，所述三角机构包括与所述机身铰接的第一连杆以及与所述第一连杆铰接的第二连杆，所述第一连杆的末端连接所述第一行走机构，所述第二连杆与所述移动块铰接。

进一步地，所述平行四边形机构包括与所述机身铰接的第三连杆、位于所述第三连杆下方并与所述机身铰接的第四连杆、与所述移动块铰接的第五连杆，所述第三连杆、第四连杆和第五连杆均与所述第二行走机构铰接，所述第三连杆平行于所述第四连杆。

进一步地，所述第一行走机构包括全向轮以及用于驱动所述全向轮的第一电机；所述第二行走机构包括连接架、连接所述连接架且前后设置的两个主动轮、连接所述连接架并位于两个所述主动轮之间的两个从动轮、沿着两个所述从动轮设置的履带、用于驱动所述两个主动轮的第二电机，至少一个所述从动轮与所述主动轮连接以被所述主动轮带动，两个所述主动轮为麦克纳姆轮。

进一步地，所述主动轮具有向两侧凸出的凸出轴，所述凸出轴和所述连接架之间通过预紧轴连接，所述预紧轴在所述凸出轴和所述连接架之间套设有第一预紧弹簧；所述预紧轴的一端与所述凸出轴固定连接，另一端穿出所述连接架；所述预紧轴可相对所述连接架轴向移动，并设有防止从所述连接架脱出的限位部。

进一步地，所述机身设有清洁装置，所述清洁装置包括本体和周向设于所述本体的多个清洁刷，所述本体周向设有多个插孔，所述清洁刷具有与所述插孔配合的插柱以及与所述插柱连接的刷毛部，所述插柱的外侧套设有第二预紧弹簧，所述清洁刷被配置可沿所述插孔移动。

进一步地，所述机身设有由透明材质制成的保护罩，所述保护罩内部设有摄像头模块。

进一步地，还包括控制模块、陀螺仪模块、压力传感器模块、显示模块，所述陀螺仪模块、所述压力传感器模块、所述摄像头模块、所述显示模块与所述控制模块连接，所述控制模块包括FPGA和单片机。

进一步地，所述移动块的中部形成收容空间，所述螺母位于所述收容空间内，所述移动块具有配合孔，所述螺母设有与所述配合孔配合的配合柱。

进一步地，所述机身具有周向设置的多个导向条，多个所述导向条围成容纳空间，所述驱动电机、丝杆和螺母位于所述容纳空间内，所述移动块套设于所述导向条的外侧并通过所述导向条进行导向。

本实用新型的有益效果：通过设置自适应变径机构、三角机构和平行四边形机构，通过电机带动螺母，进而带动移动块前后移动，能够使得所述第一行走机构和所述第二行走机构分别在所述三角机构和所述平行四边形机构的带动下实现同步变径，以保证在面对不同管径的管道时，行走机构都可以紧贴于管道的内壁，从而实现管道机器人的行走。

附图说明

图1为本实用新型的管道机器人的立体图；

图2为本实用新型的管道机器人另一角度的立体图；

图3为本实用新型的管道机器人的侧视图；

图4为本实用新型的管道机器人电路结构框架图。

附图标号说明：1、机身；11、导向条；12、容纳空间；13、第三连接部；14、第四连接部；141、上部连接单元；142、下部连接单元；2、自适应变径机构；21、驱动电机；22、丝杆；23、螺母；231、配合柱；24、移动块；241、收容空间；242、配合孔；243、第一连接部；244、第二连接部；3、三角机构；31、第一连杆；32、第二连杆；4、平行四边形机构； 41、第三连杆；42、第四连杆；43、第五连杆；5、第一行走机构；51、全向轮；6、第二行走机构；61、连接架；62、主动轮；63、从动轮；64、履带；65、凸出轴；66、预紧轴；661、限位部；67、第一预紧弹簧；7、保护罩；8、摄像头模块；9、清洁装置；91、本体；911、插孔；92、清洁刷；921、插柱；922、刷毛部；923、第二预紧弹簧；10、控制模块；20、陀螺仪模块；30、显示模块；40、压力传感器模块。

具体实施方式

为便于更好地理解本实用新型的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。应注意的是，图中示出的特征不是必须按照比例绘制。此外，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1和图2所示，本实用新型较佳实施例的一种腹壁式管道机器人，包括机身1、周向设于机身1的三个行走机构、与三个行走机构连接的自适应变径机构2、三角机构3、平行四边形机构4。

三个行走机构被配置为紧贴于管道的内壁，从而推动机器人前进。如图3所示，三个行走机构均匀地周向设于机身1，即三个行走机构彼此间隔120°。三个行走机构包括一个第一行走机构5和两个第二行走机构6。

第一行走机构5包括全向轮51以及用于驱动全向轮51的第一电机(未图示)。电机和全向轮51的连接为现有技术，在此不再详述。当管道机器人行走时，通过全向轮51紧贴于管道的内壁，可以为管道机器人提供压力使其在旋转或上下坡时能稳定行使。

第二行走机构6与机身1平行。第二行走机构6包括连接架61、连接连接架61且前后设置的两个主动轮62、连接连接架61并位于两个主动轮62之间的两个从动轮63、沿着两个从动轮63设置的履带64、用于驱动两个主动轮62的第二电机(未图示)。每个行走机构中，第二电机可以对应两个主动轮62设置有两个，以分别独立带动每个主动轮62转动。两个主动轮62为麦克纳姆轮。电机和麦克纳姆轮的连接为现有技术，在此不再详述。通过设置麦克纳姆轮，在一定角度调节下，可以使管道机器人实现前后行使，还可以在管道中围绕管道转动。从动轮63与主动轮62连接以被主动轮62带动，具体地，主动轮62的转轴可以通过皮带或链条等结构与从动轮63的转轴连接。通过设置从动轮63和履带64，当管道机器人通过弯道时，履带64可以抵在弯道处，防止管道机器人在过弯道时卡死。

自适应变径机构2包括驱动电机21、与驱动电机21连接的丝杆22、与丝杆22螺纹连接的螺母23、与螺母23连接的移动块24。移动块24的中部形成收容空间241，螺母23位于收容空间241内。移动块24具有配合孔242，螺母23设有与配合孔242配合的配合柱231。配合孔242沿直线贯穿，配合柱231呈一字型，伸入至配合孔242，从而实现螺母23和移动块24的连接，并且实现移动块24的限位。驱动电机21可以带动丝杆22转动，由此可以带动螺母23前后移动，从而带动移动块24前后移动。机身1具有周向设置的多个导向条11，多个导向条11围成容纳空间12，驱动电机21、丝杆22和螺母23位于容纳空间12内，移动块24套设于导向条11的外侧并通过导向条11进行导向。

三角机构3与机身1、移动块24以及第一行走机构5连接。两个平行四边形机构4分别对应两个第二行走机构6设置，其中每一个平行四边形机构4与机身1、移动块24以及一个第二行走机构6连接。其中，借由螺母23带动移动块24前后移动，能够使得第一行走机构 5和第二行走机构6分别在三角机构3和平行四边形机构4的带动下实现同步变径。

移动块24沿周向均匀设有对应第一行走机构5的一个第一连接部243和分别对应两个第二行走机构6的两个第二连接部244。机身1沿周向均匀设有对应第一行走机构5的一个第三连接部13和分别对应第二行走机构6的两个第四连接部14。其中，第四连接部14包括上部连接单元141和位于上部连接单元141下方的下部连接单元142。

三角机构3包括与机身1的第三连接部13铰接的第一连杆31以及与第一连杆31铰接的第二连杆32，第一连杆31的末端连接第一行走机构5，第二连杆32与移动块24的第一连接部243铰接。

平行四边形机构4包括与机身1的第四连接部14铰接的第三连杆41、位于第三连杆41 下方并与机身1的第四连接部14铰接的第四连杆42、与移动块24的第二连接部244铰接的第五连杆43，第三连杆41、第四连杆42和第五连杆43均与第二行走机构6的连接架61铰接。第三连杆41铰接于上部连接单元141上方位于更前端的铰接点，第四连杆42铰接于下部连接单元142下方位于更后端的铰接点。与之对应的，第三连杆41铰接于连接架61上方位于更前端的铰接点，第四连杆42铰接于连接架61下方位于更后端的铰接点。连接架61的高度和第四连接部14的整体高度基本相等，由此使得第三连杆41和第四连杆42基本上是平行的，并且分别是水平的。通过设置平行四边形机构4，可以使第二行走机构6和机身1保持平行，让机身1在管道中平稳。

如上所述，驱动电机21可以带动移动块24向前或向后移动。其中，当移动块24向前移动时，可以带动第二连杆32升起，从而带动第一连杆31升起(即三角机构3向上收缩，第一连杆31和第二连杆32朝着彼此靠近的方向移动)，从而带动第一行走机构5向上升起，使得全向轮51向上升起；同时，移动块24可以带动第五连杆43向外侧移动，使得第二行走机构6、第三连杆41和第四连杆42向外侧移动(即平行四边形机构4向外收缩，第五连杆43 和第三连杆41(第四连杆42)朝着彼此接近的方向移动)，使得主动轮62向外侧移动。即，当移动块24向前移动时，第一行走机构5和第二行走机构6向外侧扩展，以实现变径，使得全向轮51和主动轮62始终能够紧贴管壁，从而适应管径更大的管道。

当移动块24向后移动时，可以带动第二连杆32降下，从而带动第一连杆31降下(即三角机构3向下延展，第一连杆31和第二连杆32朝着彼此远离的方向移动)，从而带动第一行走机构5向下降落，使得全向轮51向下降落；同时，移动块24可以带动第五连杆43向内侧移动，使得第二行走机构6、第三连杆41和第四连杆42向内侧移动(即平行四边形机构4 向内延展，第五连杆43和第三连杆41(第四连杆42)朝着彼此远离的方向移动)，使得主动轮62向内侧移动。即，当移动块24向前移动时，第一行走机构5和第二行走机构6向内移动，以实现变径，使得全向轮51和主动轮62始终能够紧贴管壁，从而适应管径更小的管道。

由此可见，通过设置自适应变径机构2、三角机构3和平行四边形机构4，可以实现管道机器人的变径，以适应不同管径的管道。

主动轮62具有向两侧凸出的凸出轴65，凸出轴65和连接架61之间通过预紧轴66连接，预紧轴66在凸出轴65和连接架61之间套设有第一预紧弹簧67；预紧轴66的一端与凸出轴 65固定连接，另一端穿出连接架61；预紧轴66可相对连接架61轴向移动，并设有防止从连接架61脱出的限位部661。通过在主动轮62设置第一预紧弹簧67，可以实现第二行走机构6压紧管壁，从而使第二行走机构6和管壁间有足够的正压力，管道机器人能顺利前行。尤其是当管道机器人变径时，在平行四边形机构4的作用下，第一预紧弹簧67可以对第二行走机构6施加预紧力，保证第二行走机构6和管壁间的正压力。

机身1的前端设有由透明材质制成的保护罩7，尤其是采用光学性能较好的材料制成，例如聚甲基丙烯酸甲酯。保护罩7内部设有摄像头模块8。摄像头模块8用于记录行走轨迹，在地下管道工程图不见时，可以用它来重新描绘出地下管道的信息，并可以智能识别管道，记录管道的信息，方便人们了解管道。保护罩7呈鱼眼型或者子弹头型，根据折射定律，保护罩7在保护前置摄像头的同时也扩大了摄像头模块8的视野。

机身1的后端设有清洁装置9，清洁装置9包括本体91和周向设于本体91的多个清洁刷92，本体91周向设有多个插孔911，清洁刷92具有与插孔911配合的插柱921以及与插柱921连接的刷毛部922，插柱921的外侧套设有第二预紧弹簧923，清洁刷92被配置可沿插孔911移动，这样当应用于具有不同管径的管道时，清洁刷92在管壁的作用下可以沿着插孔911向内侧移动，或在第二预紧弹簧923的作用下沿着插孔911向外侧移动，从而使得清洁刷92能够适应各种管径的管道，并且第二预紧弹簧923能够对刷毛部922提供预紧力，使得刷毛部922可以紧抵管壁，从而更好地作业。此外，可以通过电机(未图示)与清洁装置9连接，以带动清洁装置9旋转，从而更好地清洁。

管道机器人还可以设置维修模块(未图示)。通过摄像头模块8能够传输管道内壁数据并对管道破损处进行识别，遇到破损处在管道下方，管道机器人的维修模块移动到破损处正上方进行修补和维护。而当破损处在管道上方，管道机器人可以通过行走机构进行移动，使其维修模块移动到破损处下方。

如图4所示，管道机器人还可以包括控制模块10、陀螺仪模块20、显示模块30和压力传感器模块40，压力传感器模块40、摄像头模块8、显示模块30与控制模块10连接，控制模块10包括FPGA和单片机。控制模块为FPGA和单片机的结合，以提高控制模块的性能，从而大大地简化了外围电路，提高了整个系统的稳定性和可靠性，并且控制引脚能足够满足设计要求。陀螺仪模块20用于对管道进行实时的管道角度监控，陀螺仪模块20的型号可以采用九州陀螺仪模块GY-9150。当遇到转弯或垂直下落处时，通过陀螺仪模块20分析的角度值和压力传感器的返回值，可以更好地控制调节管道机器人，使其在管道中稳定运行。显示模块30可以与摄像头模块8配合使用，将摄像头模块8拍摄到的管道情况显示出来，显示模块30的型号可以是LCD12864。

以上详细说明仅为本实用新型之较佳实施例的说明，非因此局限本实用新型之专利范围，所以，凡运用本创作内容所为之等效技术变化，均包含于本创作之专利范围内。

Claims (10)

1.一种腹壁式管道机器人，其特征在于，包括：

机身；

三个行走机构，周向设于所述机身，三个所述行走机构被配置为紧贴于管道的内壁；三个所述行走机构包括一个第一行走机构和两个第二行走机构；

自适应变径机构，与三个所述行走机构连接；所述自适应变径机构包括驱动电机、与所述驱动电机连接的丝杆、与所述丝杆螺纹连接的螺母、与所述螺母连接的移动块；

三角机构，与所述机身、所述移动块以及所述第一行走机构连接；

两个平行四边形机构，分别对应两个所述第二行走机构设置，其中每一个所述平行四边形机构与所述机身、所述移动块以及一个所述第二行走机构连接；

其中，借由所述螺母带动所述移动块前后移动，能够使得所述第一行走机构和所述第二行走机构分别在所述三角机构和所述平行四边形机构的带动下实现同步变径。

2.如权利要求1所述的腹壁式管道机器人，其特征在于：所述三角机构包括与所述机身铰接的第一连杆以及与所述第一连杆铰接的第二连杆，所述第一连杆的末端连接所述第一行走机构，所述第二连杆与所述移动块铰接。

3.如权利要求1所述的腹壁式管道机器人，其特征在于：所述平行四边形机构包括与所述机身铰接的第三连杆、位于所述第三连杆下方并与所述机身铰接的第四连杆、与所述移动块铰接的第五连杆，所述第三连杆、第四连杆和第五连杆均与所述第二行走机构铰接，所述第三连杆平行于所述第四连杆。

4.如权利要求1所述的腹壁式管道机器人，其特征在于：所述第一行走机构包括全向轮以及用于驱动所述全向轮的第一电机；所述第二行走机构包括连接架、连接所述连接架且前后设置的两个主动轮、连接所述连接架并位于两个所述主动轮之间的两个从动轮、沿着两个所述从动轮设置的履带、用于驱动所述两个主动轮的第二电机，至少一个所述从动轮与所述主动轮连接以被所述主动轮带动，两个所述主动轮为麦克纳姆轮。

5.如权利要求4所述的腹壁式管道机器人，其特征在于：所述主动轮具有向两侧凸出的凸出轴，所述凸出轴和所述连接架之间通过预紧轴连接，所述预紧轴在所述凸出轴和所述连接架之间套设有第一预紧弹簧；所述预紧轴的一端与所述凸出轴固定连接，另一端穿出所述连接架；所述预紧轴可相对所述连接架轴向移动，并设有防止从所述连接架脱出的限位部。

6.如权利要求1所述的腹壁式管道机器人，其特征在于：所述机身设有清洁装置，所述清洁装置包括本体和周向设于所述本体的多个清洁刷，所述本体周向设有多个插孔，所述清洁刷具有与所述插孔配合的插柱以及与所述插柱连接的刷毛部，所述插柱的外侧套设有第二预紧弹簧，所述清洁刷被配置可沿所述插孔移动。

7.如权利要求1所述的腹壁式管道机器人，其特征在于：所述机身设有由透明材质制成的保护罩，所述保护罩内部设有摄像头模块。

8.如权利要求7所述的腹壁式管道机器人，其特征在于：还包括控制模块、陀螺仪模块、压力传感器模块、显示模块，所述陀螺仪模块、所述压力传感器模块、所述摄像头模块、所述显示模块与所述控制模块连接，所述控制模块包括FPGA和单片机。

9.如权利要求1所述的腹壁式管道机器人，其特征在于：所述移动块的中部形成收容空间，所述螺母位于所述收容空间内，所述移动块具有配合孔，所述螺母设有与所述配合孔配合的配合柱。

10.如权利要求1所述的腹壁式管道机器人，其特征在于：所述机身具有周向设置的多个导向条，多个所述导向条围成容纳空间，所述驱动电机、丝杆和螺母位于所述容纳空间内，所述移动块套设于所述导向条的外侧并通过所述导向条进行导向。

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