CN216952242U - 复合驱动自适应管道机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种复合驱动自适应管道机器人，其特征在于包括轮式驱动弹簧被动变径机构、并联机构和螺旋驱动丝杠主动变径机构，并联机构的两端分别连接轮式驱动弹簧被动变径机构和螺旋驱动丝杠主动变径机构。本实用新型更好地适应在复杂管线的运行，具有高效率的动力传递、高平稳性的运动能力以及机械结构最简单，控制方便。轮式及螺旋复合驱动成为本实用新型管道机器人的主要驱动方式。采用了丝杠螺母的主动变径及弹簧被动变径相结合的方式，实现了管道机器人稳定的行走和转弯，能适应不同管径等种类繁多的管线；并通过前后自适应的设计有利于改善越障的问题。

Description

复合驱动自适应管道机器人

技术领域

本实用新型涉及一种管道机器人，尤其涉及一种具有复合驱动及自适应变径机构的管道机器人，尤其适用于管道检测。

背景技术

管道机器人作为一种在特定环境中工作的智能装备，管道机器人一直是国内外学者的研究热点之一。近年来，我国在油气管网建设方面加大了投入，发展迅速，取得成果显著。随着我国管道建设速度的加快、管道数量的增加，管道的检测、维护、运营对国家经济建设发展和人们生活质量的影响日趋明显，对国家安全和社会稳定有重要意义。但目前，管道机器人行走和转弯不稳定，无法适应不同管径等种类繁多的管线；而且管道机器人的越障能力也有待提高。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的问题，提供了一种具有复合驱动及自适应变径机构的管道机器人。解决了现有技术中管道机器人行走和转弯不稳定，无法适应不同管径的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种复合驱动自适应管道机器人，包括轮式驱动弹簧被动变径机构、并联机构和螺旋驱动丝杠主动变径机构，并联机构的两端分别连接轮式驱动弹簧被动变径机构和螺旋驱动丝杠主动变径机构；

所述的螺旋驱动丝杠主动变径机构包括螺旋驱动部、丝杠主动变径部、螺旋变角机构和行驶轮；所述的螺旋驱动部包括螺旋电机及减速器、第一联轴器和螺旋台，螺旋台通过第一联轴器与螺旋电机及减速器相连，螺旋台通过电机的开闭实现机器人行走与支撑；所述的丝杠主动变径部、螺旋变角机构通过第一压缩弹簧连接后行驶轮；

所述的轮式驱动弹簧被动变径机构为，端头内设有传感器，端头通过导轨与并联机构连接，固定底座套装在导轨上，摇杆的一端转动连接在固定底座上，摇杆的另一端连接有前行驶轮；导轨上固定底座的两侧分别设置滑块，滑块与端头之间、滑块与并联机构之间分别设有拉压弹簧，连杆的一端连接在滑块上，连杆的另一端连接在摇杆上。

所述的螺旋变角机构包括变角电机及减速器、大锥齿轮、小锥齿轮、小锥齿轮轴及长轴；变角电机及减速器通过电机座安装在螺旋台上；变角电机及减速器输出轴连接大锥齿轮，大锥齿轮与均匀间隔设置的小锥齿轮啮合，小锥齿轮轴的一端连接在小锥齿轮上，小锥齿轮轴的另一端通过键连接长轴；所述的长轴上固定弹簧顶片，弹簧顶片的上方设有弹簧座，弹簧顶片与弹簧座之间安装有第一压缩弹簧，所述的弹簧座与后行驶轮的轮轴相连；变角电机及减速器带动大锥齿轮旋转，大锥齿轮带动小锥齿轮旋转，从而带动后行驶轮与小锥齿轮的同步旋转。

所述的小锥齿轮均匀间隔设置有6个。

所述的丝杠主动变径部包括六个变径机构，每单个变径机构包括变径电机及减速器、第二联轴器、丝杠及螺母；变径电机及减速器通过电机座安装在螺旋台上，变径电机及减速器通过第二联轴器连接丝杠的底部，丝杠的上部安装螺母；所述的螺母与连接板的一端固定，连接板的另一端滑动套装在长轴上；丝杠转动时，带动螺母上升或下降，从而带动与之固定连接的连接板在长轴上滑动，当连接板触碰到弹簧顶片并继续用力时，压缩第一压缩弹簧，从而实现变径。

所述的轮式驱动弹簧被动变径机构中，所述的固定底座的侧壁上沿圆周均匀间隔设置有四个凹槽，转轴设置在凹槽内，摇杆的一端套装在转轴上；

摇杆的另一端连接有第二压缩弹簧，第二压缩弹簧与密封的电机箱固接，电机轴伸出密封电机箱与两侧行驶轮相连。

所述的并联机构包括第一端面板、第二端面板、大臂、小臂及虎克铰，小臂与大臂成圆柱副连接；小臂与大臂的端头分别与虎克铰相连，虎克铰固定安装在第一端面板和第二端面板上。

本实用新型的优点效果如下：

本实用新型更好地适应在复杂管线的运行，具有高效率的动力传递、高平稳性的运动能力以及机械结构最简单，控制方便。轮式及螺旋复合驱动成为本实用新型管道机器人的主要驱动方式。采用了丝杠螺母的主动变径及弹簧被动变径相结合的方式，实现了管道机器人稳定的行走和转弯，能适应不同管径等种类繁多的管线；并通过前后自适应的设计有利于改善越障的问题。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型的螺旋驱动丝杠主动变径机构的结构示意图。

图3为本实用新型变径机构及螺旋变角机构的局部结构示意图。

图4为本实用新型轮式驱动弹簧被动变径机构的结构示意图。

图5为本实用新型轮式驱动弹簧被动变径机构的侧面结构示意图。

图6为本实用新型并联机构结构示意图。

图7为本实用新型并联机构的虎克铰部件的局部结构示意图。

图中， 1-1、螺旋电机及减速器，1-2、第一联轴器，1-3、螺旋台，1-4、变角电机及减速器，1-5、大锥齿轮 ，1-6、小锥齿轮，1-7、变径电机及减速器，1-8、第二联轴器， 1-9、丝杠，1-10、螺母，1-11、小锥齿轮轴，1-12、弹簧顶片，1-13、第一压缩弹簧，1-14、弹簧座， 1-15、后行驶轮，1-16、长轴，1-17、轮轴 ；2-1、第一端面板，2-2、第二端面板，2-3、小臂，2-4、大臂，2-5、虎克铰，2-5-1、轴承座， 2-5-2、轴承， 2-5-3、连接支撑轴， 2-5-4连接件；3-1、端头，3-2、摇杆，3-3、连杆，3-4、第二压缩弹簧，3-5、密封电机箱，3-6、固定底座，3-7、前行驶轮，3-8、滑块，3-9、拉压弹簧，3-10、导轨，3-11、固定连接端面。

具体实施方式

实施例

如图所示，一种双驱动自适应管道机器人，包括轮式驱动弹簧被动变径机构3、并联机构2和螺旋驱动丝杠主动变径机构1，并联机构的两端分别连接轮式驱动弹簧被动变径机构和螺旋驱动丝杠主动变径机构。

所述的螺旋驱动丝杠主动变径机构包括螺旋驱动部、丝杠主动变径部、螺旋变角机构和行驶轮；所述的螺旋驱动部包括螺旋电机及减速器1-1、第一联轴器1-2和螺旋台1-3，所述的螺旋台1-3为支撑作用的支撑架，螺旋台1-3通过第一联轴器1-2与螺旋电机及减速器1-1相连，螺旋台通过电机的开闭实现机器人行走与支撑；所述的丝杠主动变径部、螺旋变角机构通过第一压缩弹簧连接后行驶轮；

所述的螺旋变角机构包括变角电机及减速器1-4、大锥齿轮1-5、小锥齿轮1-6、小锥齿轮轴1-11及长轴1-16；变角电机及减速器通过电机座安装在螺旋台上；变角电机及减速器1-4输出轴连接大锥齿轮1-5，大锥齿轮1-5与均匀间隔设置的6个小锥齿轮1-6啮合，小锥齿轮轴1-11的一端连接在小锥齿轮1-6上，小锥齿轮轴1-11的另一端通过键连接长轴1-16；所述的长轴1-16上固定弹簧顶片1-12，弹簧顶片1-12的上方设有弹簧座1-14，弹簧顶片1-12与弹簧座1-14之间安装有第一压缩弹簧1-13，所述的弹簧座1-14与后行驶轮1-15的轮轴1-17相连；变角电机及减速器1-4带动大锥齿轮1-5旋转，大锥齿轮1-5带动小锥齿轮1-6旋转，从而带动后行驶轮1-15与小锥齿轮的同步旋转。实现了管道机器人在管道内的调速以及刹车，当螺旋角与行进方向成90°时实现快速刹车的目的。

所述的丝杠主动变径部包括六个变径机构，每单个变径机构包括变径电机及减速器1-7、第二联轴器1-8、丝杠1-9及螺母1-10；变径电机及减速器通过电机座安装在螺旋台上，变径电机及减速器1-7通过第二联轴器1-8连接滚珠丝杠1-9的底部，滚珠丝杠1-9的上部安装螺母1-10；所述的螺母1-10与连接板的一端固定，连接板的另一端滑动套装在长轴1-16上；滚珠丝杠1-9转动时，带动螺母1-10上升或下降，从而带动与之固定连接的连接板在长轴1-16上滑动，当连接板触碰到弹簧顶片1-12并继续用力时，压缩第一压缩弹簧1-13，从而实现变径。共六组通过6个电机带动每个与之连接的丝杠转动，从而使螺母上升或下降，且采用丝杠螺母变径的目的有利于支撑牢固，不会因为电机关闭的瞬间造成电机反转引起的支撑不稳的情况发生。

所述的轮式驱动弹簧被动变径机构为，端头3-1内设有传感器，端头3-1通过导轨3-10与并联机构的第一端面板2-1连接，固定底座3-6套装在导轨3-10上，所述的固定底座3-6的侧壁上沿圆周均匀间隔设置有四个凹槽，转轴设置在凹槽内，摇杆3-2的一端套装在转轴上；摇杆3-2的另一端连接有第二压缩弹簧3-4，第二压缩弹簧3-4与密封的电机箱3-5固接，电机轴伸出密封电机箱3-5与两侧的前行驶轮3-7相连。导轨3-10上固定底座3-6的两侧分别设置滑块3-8，滑块3-6与端头3-1之间、滑块3-8与并联机构的第一端面板2-1之间分别设有拉压弹簧3-9，连杆3-3的一端连接在滑块3-8上，连杆3-3的另一端连接在摇杆3-2上。

端头前端的传感器部分应用于探测管道内情况，将信息传递到观测者的电脑或者手机APP上，可以让观测者对管道里的情况做出判断及指令。

在后驱启动时，此机构可在管道中实现自适应。当管道机器人在管道内行进时，两侧的拉压弹簧拉动或压缩，牵动分别与之连接的滑块在导轨上滑动，并同时带动与滑块旋转副连接的连杆，连杆带动与之旋转副连接的摇杆摆动，通过改变摇杆的摆动角度来增大自适应机构的变径范围。例如，当在管道里向一个方向前进时，会受到一个向后的力，这样后面的拉压弹簧受到一个压缩力而被压缩，前面的弹簧自然形成一个拉伸的力而被拉伸，从而使摇杆向后倾斜。摇杆上端与第二压缩弹簧相连接，增加变径范围及起到减震作用。

所述的并联机构包括第一端面板2-1、第二端面板2-2、大臂2-4、小臂2-3及虎克铰2-5，虎克铰中的轴承座2-5-1分别固定在第一端面板2-1和第二端面板2-2上；小臂与大臂的端头分别与虎克铰的2-5-1轴承座固定连接；小臂与大臂成圆柱副连接；虎克铰中的2-5-1轴承座与轴承2-5-2成旋转副连接，轴承2-5-2与连接支撑轴2-5-3成旋转副连接，连接件2-5-4与连接支撑轴2-5-3成旋转副连接。轴承2-5-2起到连接轴承座2-5-1与连接支撑轴2-5-3相对旋转的作用。

并联机构具有驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，运动部分重量轻，速度高；动态响应好；结构紧凑，刚度高，承载能力大等优点，所以本实用新型设计的管道机器人采用并联机构作为中间连接机构。

所述的螺旋电机及减速器1-1、变角电机及减速器1-4、变径电机及减速器1-7、密封电机箱3-5中的电机均为伺服电机。采用伺服电机是因为：运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象；为恒力矩输出，输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出；具有较强的过载能力。所以采用伺服电机。

本实用新型的前行驶轮3-7和后行驶轮1-15均为麦克纳姆轮，其具有全方向移动的优点，有利于在圆形管道中的行走，预防打滑；而且后行驶轮1-15采用360°6个轮的设计，行走更稳定，也可以更好地起到支撑作用，对于通过T型管更稳定，可以适应更多形状更复杂的管线。

本实用新型的螺旋电机及减速器1-1固定于第二端面板2-2，固定连接端面3-11固定于第一端面板2-1，通过并联机构2将后端螺旋驱动丝杠主动变径机构1和前端轮式驱动弹簧被动变径机构3连接起来，结构紧凑。

本实用新型所述的后端螺旋驱动丝杠主动变径机构1采用圆周6个支撑机构的设计，这样的设计可以解决螺旋驱动通过T型管（三通管道）困难的问题：有更多的支撑机构在通过T型管时，不会因转弯出现支撑不足而导致的卡死；同时6个支撑机构带有6个小电机可以分别调整变径，可以更好的适应不同情况的管道。同时也增加了支撑的稳定性，即使由某个或几个（少于3个）支撑机构失效（坏掉）剩下的依旧可以继续行走；同时可以适应于更多形状的管道中。

所述的前端轮式驱动弹簧被动变径机构3采用圆周互成90°的4个自适应支撑机构组成。同样适用于不同形状的管道，但相较于螺旋驱动，轮式直驱在运行中更稳定，所以用周向4个分布即可，也精简了机构。

本实用新型具体操作方式为:当管道机器人遇到前方管径减小或增大时,两侧的拉压弹簧3-9拉伸或压缩，牵动分别与之固定连接的滑块3-8在导轨3-10上滑动，并同时带动与滑块3-8旋转副连接的连杆3-3，连杆3-3带动与之旋转副连接的摇杆3-2摆动，达到在管道内自适应的效果；通过端头3-1内传感器提供指令，控制6个变径电机及减速器1-7的输出轴带动与之连接的滚珠丝杠1-9转动，滚珠丝杠1-9带动与之螺旋配合的螺母1-10上升或下降，螺母1-10带动顶起或降下与之固定连接的弹簧顶片1-12，弹簧顶片1-12支撑的压缩弹簧1-13进行自适应，从而带动固接的弹簧座1-14、轮轴1-17及麦克纳姆轮1-15，进行通过变径管道的自适应。

本实用新型变角电机及减速器1-4的输出轴通过键链接带动大锥齿轮1-5的旋转，依靠大锥齿轮1-5与小锥齿轮1-6的啮合，小锥齿轮1-6旋转，从而带动小锥齿轮轴1-11及通过与小锥齿轮轴1-11用键连接的长轴1-16、与长轴1-16固定连接的弹簧顶片1-12、弹簧顶片1-12支撑的压缩弹簧1-13及弹簧座1-14、与弹簧座1-14固接的轮轴1-17以及可以全方向行走的麦克纳姆轮1-15与小锥齿轮1-6的同步旋转。从而达到可控制的调速以及刹车（当螺旋角与行进方向成90°时实现快速刹车的目的）。

本实用新型的复合驱动是为了更好地适应在复杂管线的运行，结合轮式驱动具有高效率的动力传递、高平稳性的运动能力以及螺旋驱动在主动性的机器人中，是机械结构最简单的，控制起来方便等优点，同时可以控制运行在管道的不同部位所最适合的驱动方式。

以上所述所有部件的安装方式、连接方式或设置方式均为常见机械连接方式，其中滑动/转动固定即为滑动/转动状态下不脱落，并且其所有部件的具体结构、型号和系数指标均为其自带技术，只要能够达成其有益效果的均可进行实施，故均在此不再赘述。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制，本实用新型的保护范围不受具体实施例所限制。

Claims (6)

1.一种复合驱动自适应管道机器人，其特征在于包括轮式驱动弹簧被动变径机构、并联机构和螺旋驱动丝杠主动变径机构，并联机构的两端分别连接轮式驱动弹簧被动变径机构和螺旋驱动丝杠主动变径机构；

所述的螺旋驱动丝杠主动变径机构包括螺旋驱动部、丝杠主动变径部、螺旋变角机构和行驶轮；所述的螺旋驱动部包括螺旋电机及减速器、第一联轴器和螺旋台，螺旋台通过第一联轴器与螺旋电机及减速器相连，螺旋台通过电机的开闭实现机器人行走与支撑；所述的丝杠主动变径部、螺旋变角机构通过第一压缩弹簧连接后行驶轮；

所述的轮式驱动弹簧被动变径机构为，端头内设有传感器，端头通过导轨与并联机构连接，固定底座套装在导轨上，摇杆的一端转动连接在固定底座上，摇杆的另一端连接有前行驶轮；导轨上固定底座的两侧分别设置滑块，滑块与端头之间、滑块与并联机构之间分别设有拉压弹簧，连杆的一端连接在滑块上，连杆的另一端连接在摇杆上。

2.根据权利要求1所述的复合驱动自适应管道机器人，其特征在于所述的螺旋变角机构包括变角电机及减速器、大锥齿轮、小锥齿轮、小锥齿轮轴及长轴；变角电机及减速器通过电机座安装在螺旋台上；变角电机及减速器输出轴连接大锥齿轮，大锥齿轮与均匀间隔设置的小锥齿轮啮合，小锥齿轮轴的一端连接在小锥齿轮上，小锥齿轮轴的另一端通过键连接长轴；所述的长轴上固定弹簧顶片，弹簧顶片的上方设有弹簧座，弹簧顶片与弹簧座之间安装有第一压缩弹簧，所述的弹簧座与后行驶轮的轮轴相连；变角电机及减速器带动大锥齿轮旋转，大锥齿轮带动小锥齿轮旋转，从而带动后行驶轮与小锥齿轮的同步旋转。

3.根据权利要求2所述的复合驱动自适应管道机器人，其特征在于所述的小锥齿轮均匀间隔设置有6个。

4.根据权利要求1所述的复合驱动自适应管道机器人，其特征在于所述的丝杠主动变径部包括六个变径机构，每单个变径机构包括变径电机及减速器、第二联轴器、丝杠及螺母；变径电机及减速器通过电机座安装在螺旋台上，变径电机及减速器通过第二联轴器连接丝杠的底部，丝杠的上部安装螺母；所述的螺母与连接板的一端固定，连接板的另一端滑动套装在长轴上；丝杠转动时，带动螺母上升或下降，从而带动与之固定连接的连接板在长轴上滑动，当连接板触碰到弹簧顶片并继续用力时，压缩第一压缩弹簧，从而实现变径。

5.根据权利要求1所述的复合驱动自适应管道机器人，其特征在于所述的轮式驱动弹簧被动变径机构中，所述的固定底座的侧壁上沿圆周均匀间隔设置有四个凹槽，转轴设置在凹槽内，摇杆的一端套装在转轴上；

摇杆的另一端连接有第二压缩弹簧，第二压缩弹簧与密封的电机箱固接，电机轴伸出密封电机箱与两侧行驶轮相连。

6.根据权利要求1所述的复合驱动自适应管道机器人，其特征在于所述的并联机构包括第一端面板、第二端面板、大臂、小臂及虎克铰，小臂与大臂成圆柱副连接；小臂与大臂的端头分别与虎克铰相连，虎克铰固定安装在第一端面板和第二端面板上。

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