WO2018006438A1 - 一种可主动转向的管道机器人 - Google Patents

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WO2018006438A1
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driving
steering
fixed
drive
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刘清友
朱海燕
罗旭
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西南石油大学
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    • F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
    • F16L55/26—Pigs or moles, i.e. devices movable in a pipe or conduit with or without self-contained propulsion means
    • F16L55/28—Constructional aspects
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • B25J11/008—Manipulators for service tasks
    • B25J11/0085—Cleaning

Definitions

  • the present invention relates to the field of pipeline robot technology, and more particularly to a pipeline robot that can actively steer.
  • Pipeline is an important part of the national lifeline project, and is the main artery of the national energy. Its safe operation has a great impact on the national economic development. In order to ensure the safety of the pipeline, after the pipeline runs for a period of time, it needs to be tested and the safety hazard is discovered.
  • Patent 2015107317708 uses a universal joint between the short sections of the sport, and the patented 2015108488450 main bracket and the drive motor bracket. With flexible connection, it can passively steer along the pipeline and improve the cornering ability. However, the connection is a passive steering connection, and it can only crawl along a single pipeline path, and the active steering in the multi-branch network cannot be realized. Through investigation and analysis, it is found that most of the existing pipeline robots are passively steered. When they encounter branch pipelines, they cannot actively turn and cannot meet the detection requirements of complex branch pipeline networks.
  • the object of the present invention is to overcome the shortcomings of the prior art and provide a pipeline robot capable of actively steering, which can make the pipeline robot actively and freely steer, so that the pipeline robot can meet the detection requirements of the complex branch pipe network.
  • An actively steerable pipeline robot comprising at least two sections of drive sections and at least one section of steering knuckles, connected by knuckles between adjacent two drive sections, located at the most
  • a front end cover is fixed on the front end surface of the driving section of the front end, and a sensor for detecting the distribution of the pipe path of the pipe network is installed at the center of the front end cover, and a rear end cover is fixed on the rear end surface of the driving section at the rear end, and the rear end cover is fixed
  • the center position is equipped with a universal ball joint for connecting other pipeline detecting devices
  • the driving section includes a main frame, a driving mechanism and a telescopic mechanism, and a plurality of driving mechanisms are evenly spaced on the side wall of the main frame, and the telescopic mechanism is mounted on the main frame Inside, the telescopic mechanism can retract the drive mechanism into the main frame, and the knuckle can drive the drive section that is connected to the front to steer
  • the main frame is fixed with a screw frame in the axial direction thereof, and a plurality of concave seating grooves are uniformly disposed on the side walls of the main frame, and the two sides of the mounting groove are symmetrically arranged from top to bottom.
  • the first bearing seat and the second bearing seat are respectively provided with connecting plates on the upper and lower end faces of the main frame, the driving mechanism is installed in the mounting groove, the telescopic mechanism is mounted on the screw frame, and the telescopic mechanism is drivingly connected with the driving mechanism.
  • the driving mechanism comprises a side plate, a driving motor and a crawler belt, the two side plates are oppositely disposed, the driving motor is fixed between the two side plates through the motor mounting plate, and the first cone is mounted on the output shaft of the driving motor Gears, two ends of the two side plates are also rotatably mounted with parallel drive shafts and driven shafts, and a second bevel gear is fixed on the drive shaft, the first bevel gears mesh with the second bevel gears, and the two ends of the drive shaft are further The driving gear is fixed, and the driven gear is fixed at both ends of the driven shaft.
  • the racks on the inner side of the crawler are respectively meshed with the driving gear and the driven gear, and the inner side edges of the two side plates are also provided with guide rails. It is in contact with the guide rail.
  • the telescopic mechanism comprises a telescopic drive motor, a screw, a threaded sleeve, a connecting rod, a first rotating frame and a second rotating frame.
  • the screw is rotatably mounted on the screw frame, and the telescopic driving motor is fixedly mounted on the lower part of the screw frame.
  • a first gear is mounted on the output shaft of the telescopic drive motor, and a second gear is mounted on the lower end of the screw.
  • the first gear and the second gear mesh with the transmission, and the threaded sleeve is coupled with the screw through the thread, and the side wall of the threaded sleeve
  • the first bearing seat is mounted with a first rotating shaft through a bearing.
  • One end of the first rotating frame is fixed in the middle of the first rotating shaft, and the other end is opposite to the side plate.
  • One end is hinged
  • a second rotating shaft is mounted on the second bearing seat through the bearing, one end of the second rotating frame is fixed in the middle of the second rotating shaft, and the other end is hinged to the other end of the side plate, and the other end of the connecting rod is first
  • the middle of the turret is hinged.
  • the steering knuckle includes an upper casing, a spline bushing, a steering casing, a lower casing, a mounting plate, a steering mechanism, and a planetary gear transmission mechanism.
  • the upper casing is fixedly connected to the connecting plate of the front driving section by bolts; the spline bushing is fixed to the upper casing by welding; the mounting plate is fixed to the steering casing by welding; the steering casing and the lower casing are rotated by the guiding groove
  • the lower casing is fixedly connected by a bolt to a connecting plate of the driving section at the rear thereof; the steering mechanism includes a steering motor, a third gear, a fourth gear, a spline shaft, and the steering motor is fixed to the motor of the mounting plate by bolts.
  • the output shaft of the steering motor is connected to the third gear through a keyway, the fourth gear is connected to the spline shaft through a keyway, the third gear meshes with the fourth gear, and the spline shaft is fixed to the bearing housing of the steering housing through a bearing.
  • the spline shaft cooperates with the spline bushing, and the steering mechanism can rotate the adjacent two drive segments about the axis of the spline shaft;
  • the planetary gear transmission mechanism includes a planetary carrier, a ring gear, a rotating electric machine, a planetary gear and a sun
  • the planet carrier is fixed to the lower casing by welding
  • the ring gear is fixed to the mounting plate by bolts
  • the rotating electric machine is fixed to the planet by bolts
  • the output shaft of the rotating motor is connected to the sun gear through a keyway
  • the planetary gear is fixed on the planet carrier strut of the planetary carrier by bearings
  • the planetary gears respectively mesh with the sun gear and the ring gear
  • the steering housing can be rotated 360° relative to the lower housing axis, thereby enabling the adjacent two drive segments to achieve relative 360° rotation through the knuckle.
  • the rotating electric machine drives the planetary gear transmission mechanism to drive the driving section to rotate around the central axis.
  • the driving shaft drives the axis of the spline shaft to the branch pipe direction under the driving of the steering motor.
  • the present invention has the following advantages:
  • the steering knuckle can be used to enable the pipeline robot to actively and freely steer, so that the pipeline robot can meet the detection requirements of the complex branch pipe network.
  • the telescopic mechanism is adopted to make the driving mechanism turn and retract in the pipeline robot, which reduces the space required for turning and expands the applicable scope of the pipeline robot, and enables the pipeline robot to meet the pipeline inspection requirements of different pipelines. .
  • the invention adopts a modular design of the driving section and the steering knuckle, and can connect a certain number of driving sections and steering knuckles according to actual conditions, thereby increasing the load capacity of the pipeline robot.
  • FIG. 2 is a cross-sectional structural view of a driving section
  • FIG. 3 is a cross-sectional structural view of a driving mechanism
  • FIG. 4 is a cross-sectional structural view of a steering knuckle
  • an actively steerable pipeline robot includes at least two driving segments 3 and at least one knuckle 4 , and two adjacent driving segments 3 are connected by a knuckle 4 at the forefront.
  • the front end cover 2 is fixed on the front end surface of the driving section 3, and the sensor 1 for detecting the distribution of the pipe path of the pipe network is installed at the center of the front end cover 2, and the rear end cover 5 is fixed to the rear end surface of the driving section 3 at the last end.
  • the center position of the rear end cover 5 is provided with a universal ball joint 6 for connecting other pipe detecting devices.
  • the driving section 3 includes a main frame 3-1, a driving mechanism 3-2, and a telescopic mechanism 3-3.
  • a plurality of driving mechanisms 3-2 are uniformly spaced apart on the side wall of the main frame 3-1, the telescopic mechanism 3-3 is installed in the main frame 3-1, and the telescopic mechanism 3-3 can drive the driving mechanism 3-2.
  • the knuckle 4 can drive the drive section 3 connected to the front to steer.
  • the main frame 3-1 is fixed with a screw frame 3-1-1 in the axial direction thereof, and a plurality of concave portions are evenly spaced on the side wall of the main frame 3-1.
  • the mounting groove 3-1-2, the two sides of the mounting groove 3-1-2 are symmetrically arranged with the first bearing seat 3-1-3 and the second bearing seat 3-1-4 from the top to the bottom, the main frame 3
  • the upper and lower end faces of the -1 are respectively provided with a connecting plate 3-1-5
  • the driving mechanism 3-2 is installed in the mounting groove 3-1-2
  • the telescopic mechanism 3-3 is mounted on the screw frame 3-1-1. 1
  • the telescopic mechanism 3-3 is drivingly coupled to the drive mechanism 3-2.
  • the driving mechanism 3-2 includes a side plate 3-2-1, a driving motor 3-2-3, and a crawler belt 3-2-8, and two side plates 3-2-1.
  • the drive motor 3-2-3 is fixed between the two side plates 3-2 -1 through the motor mounting plate 3-2-4, and the first bevel gear is mounted on the output shaft of the drive motor 3-2-3.
  • 3-2-5 both ends of the two side plates 3-2-1 are also rotatably mounted with parallel drive shafts 3-2-9 and driven shafts 3-2-10, on the drive shaft 3-2-9
  • the second bevel gear 3-2-6 is fixed, the first bevel gear 3-2-5 is meshed with the second bevel gear 3-2-6, and the driving gear 3-3 is fixed at both ends of the transmission shaft 3-2-9.
  • the driven gear 3-2-11 is fixed at both ends of the driven shaft 3-2-10, and the rack on the inner side of the crawler belt 3-2-8 is respectively coupled to the driving gear 3-2-7 and the driven gear 3 -2-11 meshing and end-to-end connection, two side plates 3-
  • the inner side of 2- 1 is also provided with a guide rail 3-2-2, and the inner edge of the crawler belt 3-2-8 is in contact with the guide rail 3-2-2.
  • the driving motor 3-2-3 drives the first bevel gear 3-2-5 to rotate, and the bevel gear rotates to rotate the driving gear 3-2-7, thereby driving the crawler belt 3-2-8 to rotate, so that the pipeline The robot moves along the tube wall.
  • the telescopic mechanism 3-3 includes a telescopic drive motor 3-3-1, a screw 3-3-4, and a threaded sleeve.
  • the telescopic drive motor 3-3-1 rotates the screw 3-3-4 through the first gear 3-3-2 and the second gear 3-3-3, thereby making the threaded sleeve 3-3- 5 moving up and down, the first turret 3-3-7 and the second turret 3-3-9 are rotated by the connecting rod 3-3-6, so that the driving mechanism 3-2 is extended Exiting or retracting to the mounting slot 3-1-2 reduces the turning space required for turning; in addition, the first turret 3-3-7 and the second turret can be adjusted according to the pipe diameter when the pipe diameter is changed.
  • the rotation angle of 3-3-9 enables the pipeline robot to meet the pipeline inspection requirements of different pipe diameters.
  • the knuckle 4 includes an upper casing 4-1, a spline bushing 4-2, a steering casing 4-3, a lower casing 4-8, and a mounting plate 4-14. , steering mechanism and planetary gear train.
  • the upper casing 4-1 is fixedly connected to the connecting plate 3-1-5 of the front driving section 3 by bolts; the spline bushing 4-2 is fixed to the upper casing 4-1 by welding; the mounting plate 4- 14 is welded Fixed to the steering housing 4-3; the steering housing 4-3 and the lower housing 4-8 are rotationally coupled by a guiding slot; the lower housing 4-8 is connected to the driving plate 3 of the rear by the bolt 3-1 -5 fixed connection; the steering mechanism includes a steering motor 4-4, a third gear 4-5, a fourth gear 4-6, a spline shaft 4-7, and the steering motor 4-4 is bolted to the mounting plate 4- On the motor mounting bracket of 14, the output shaft of the steering motor 4-4 is connected to the third gear 4-5 through the keyway, and the fourth gear 4-6 is connected to the end of the spline shaft 4-7 through the keyway, the third gear 4- 5 is engaged with the fourth gear 4-6, the spline shaft 4-7 is fixed to the bearing housing of the steering housing 4-3 by bearings, and
  • the planet gears 4-12 mesh with the sun gear 4-13 and the ring gear 4-10, respectively, and the planetary gear transmission mechanism enables the steering housing 4-3 to be opposite the axis of the lower casing 4-8
  • the 360° rotation, thereby driving the adjacent two drive segments 3, enables a relative 360° rotation through the knuckle 4.
  • the rotating electric machine 4-11 drives the planetary gear transmission mechanism to drive the driving section 3 to rotate about the central axis, and at the same time, the driving section 3 is turned around the axis of the spline shaft 4-7 under the driving of the steering motor 4-4. Pipe direction.
  • the working process of the present invention is as follows: During the working process, the sensor 1 detects the distribution of the pipeline path of the pipeline network, and transmits the information to the control center; when encountering the branch pipeline, determining the traveling direction of the pipeline robot, if necessary To turn, proceed as follows: First, the drive section 3 stops working, and the telescopic mechanism 3-3 of the first section of the pipeline robot 3 is operated to retract the drive mechanism 3-2 to the mounting slot 3-1-2.
  • the transmission mechanism acts to drive the driving section 3 to rotate about the central axis, so that the driving section 3 can be turned around the axis of the spline shaft 4-7 under the driving of the steering motor 4-4; after that, the steering motor 4-4 is operated.
  • the drive section 3 is turned into the branch pipe; when the drive section 3 is turned into the predetermined branch pipe, the telescopic mechanism 3-3 is actuated, the drive mechanism 3-2 is extended, and the track 3-2-8 is tightly attached to the inner wall of the pipe.
  • Drive the robot forward.
  • Subsequent driving section 3 and knuckle 4 repeat the above-mentioned actions in sequence, so that the pipeline robot is gradually and completely transferred into the pipeline to be detected.

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Abstract

一种可主动转向的管道机器人，包括至少两段驱动节（3）和至少一段转向节（4），相邻两个驱动节（3）通过转向节（4）连接，位于最前端的驱动节（3）的前端固定有前端盖（2），前端盖（2）的中心位置上安装有传感器（1），位于最后端的驱动节（3）的后端面上固定有后端盖（5），后端盖（5）的中心位置装有万向球铰（6），所述驱动节（3）包括主机架（3-1）、驱动机构（3-2）和伸缩机构（3-3），主机架（3-1）的侧壁上间隔均匀地安装有多个驱动机构（3-2），伸缩机构（3-3）装于主机架（3-1）内，且伸缩机构（3-3）能够将驱动机构（3-2）收回主机架（3-1）内，转向节（4）能够带动前方与其连接的驱动节（3）转向。该管道机器人能够主动、自由转向，并可根据实际情况连接若干数量的驱动节（3）和转向节（4），增大管道机器人的运载能力，满足复杂分支管网及不同管径管道检测需求。

Description

发明名称：一种可主动转向的管道机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及管道机器人技术领域， 特别是一种可主动转向的管道机器人。
背景技术
[0002] 管道是国家生命线工程的重要组成部分， 是国家能源的大动脉， 它的安全运营 对国家经济发展的影响重大。 为保证管道安全， 在管道运行一段吋间后， 需要 对其进行检测， 以及吋发现安全隐患。
[0003] 管道机器人实现管道检测的主要驱动装置， 通过其携带检测设备沿管道爬行， 完成管道的检测工作。 随着我国油气、 供水管道规模的不断发展， 管网结构越 来越复杂， 特别是城市燃气、 供水管网存在大量的分支管道， 因此， 为实现管 网的全面检测， 管道机器人必须能够主动、 灵活转向， 按照设定的管道线路进 行检测。 专利 2007100500568、 2012104818937机体采用整体设计， 过弯能力差 ， 只能沿转弯半径较大的单管道路径爬行； 专利 2015107317708运动短节之间采 用万向节连接、 专利 2015108488450主支架与驱动电机支架之间采用柔性连接， 能够沿管道被动转向， 提高了过弯能力， 但该连接属于被动转向连接， 依然只 能沿单管道路径爬行， 无法实现多分支管网内的主动转向。 通过调研分析发现 ， 现有管道机器人大多属于被动转向， 在遇到分支管道吋， 无法主动转向， 无 法满足复杂分支管网的检测要求。
[0004] 因此， 针对现有管道机器人存在的不足， 设计发明一种可主动转向的管道机器 人， 对于实现复杂多分支管网的检测， 具有积极意义。
技术问题
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点， 提供一种可主动转向的管道机器人， 能够使管道机器人主动、 自由转向， 使管道机器人满足复杂分支管网的检测要 求。
问题的解决方案
技术解决方案 [0006] 本发明的目的通过以下技术方案来实现： 一种可主动转向的管道机器人， 包括 至少两段驱动节和至少一段转向节， 相邻两个驱动节之间通过转向节连接， 位 于最前端的驱动节的前端面上固定有前端盖， 前端盖的中心位置安装有用于探 测管网管道路径分布情况的传感器， 位于最后端的驱动节的后端面上固定有后 端盖， 后端盖的中心位置装有用于连接其他管道检测设备的万向球铰， 驱动节 包括主机架、 驱动机构和伸缩机构， 主机架的侧壁上间隔均匀地安装有多个驱 动机构， 伸缩机构装于主机架内， 且伸缩机构能够将驱动机构收回主机架内， 转向节能够带动前方与其连接的驱动节转向。
[0007] 所述的主机架内沿其轴线方向固定有螺杆架， 主机架的侧壁上间隔均匀地设置 有多个内凹的安放槽， 安放槽的两侧从上至下依次对称设置有第一轴承座和第 二轴承座， 主机架的上下端面上分别设置有连接板， 所述驱动机构安装于安放 槽内， 所述伸缩机构安装在螺杆架上， 伸缩机构与驱动机构传动连接。
[0008] 所述的驱动机构包括侧板、 驱动电机和履带， 两块侧板相对设置， 驱动电机通 过电机安装板固定在两块侧板之间， 驱动电机的输出轴上安装有第一锥齿轮， 两块侧板的两端还转动安装有相互平行的传动轴和从动轴， 传动轴上固定有第 二锥齿轮， 第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合， 传动轴的两端还固定有主动齿轮， 从动轴的两端固定有从动齿轮， 履带内侧的齿条分别与主动齿轮和从动齿轮啮 合后首尾连接， 两块侧板的内侧还设置有导轨， 履带的内侧边缘与导轨接触配 合。
[0009] 所述的伸缩机构包括伸缩驱动电机、 螺杆、 螺纹轴套、 连杆、 第一转动架和第 二转动架， 螺杆转动安装在螺杆架上， 伸缩驱动电机固定安装在螺杆架的下部 ， 伸缩驱动电机的输出轴上安装有第一齿轮， 螺杆的下端安装有第二齿轮， 第 一齿轮与第二齿轮啮合传动， 螺纹轴套通过螺纹与螺杆配合连接， 螺纹轴套的 侧壁上铰接有多根连杆， 连杆中部设置有强力弹簧， 第一轴承座上通过轴承安 装有第一转动轴， 第一转动架的一端固定在第一转动轴的中部， 另一端与侧板 的一端铰接， 第二轴承座上通过轴承安装有第二转动轴， 第二转动架的一端固 定在第二转动轴的中部， 另一端与侧板的另一端铰接， 连杆的另一端与第一转 动架的中部铰接。 [0010] 所述的转向节包括上壳体、 花键轴套、 转向壳体、 下壳体、 安装板、 转向机构 和行星齿轮传动机构。 上壳体通过螺栓与其前方驱动节的连接板固定连接； 花 键轴套通过焊接固定在上壳体上； 安装板通过焊接固定在转向壳体上； 转向壳 体和下壳体通过导向槽转动配合连接； 下壳体通过螺栓与其后方的驱动节的连 接板固定连接； 所述转向机构包括转向电机、 第三齿轮、 第四齿轮、 花键轴， 转向电机通过螺栓固定在安装板的电机安装架上， 转向电机的输出轴通过键槽 与第三齿轮连接， 第四齿轮通过键槽与花键轴连接， 第三齿轮与第四齿轮啮合 ， 花键轴通过轴承固定在转向壳体的轴承座上， 花键轴与花键轴套配合， 转向 机构能够使相邻两个驱动节绕花键轴的轴线旋转； 所述行星齿轮传动机构包括 行星轮架、 齿圈、 旋转电机、 行星轮和太阳轮， 行星轮架通过焊接固定在下壳 体上， 齿圈通过螺栓固定在安装板上， 旋转电机通过螺栓固定在行星轮架的电 机安装架上， 旋转电机的输出轴通过键槽与太阳轮连接， 行星轮通过轴承固定 在行星轮架的行星轮支柱上， 行星轮分别与太阳轮和齿圈啮合， 行星齿轮传动 机构能够使转向壳体相对下壳体轴线 360°旋转， 从而驱动相邻的两个驱动节能够 通过转向节实现相对 360°转动。 转弯过程中， 旋转电机驱动行星齿轮传动机构， 带动驱动节绕中心轴线转动， 同吋， 在转向电机驱动下使驱动节绕花键轴的轴 线转向分支管道方向。
发明的有益效果
有益效果
[0011] 本发明具有以下优点：
[0012] 1、 采用转向节， 能够使管道机器人主动、 自由转向， 使管道机器人满足复杂 分支管网的检测要求。
[0013] 2、 采用伸缩机构， 使驱动机构在管道机器人转弯吋收放， 减小了转弯吋需要 的空间， 扩大了管道机器人的适用范围， 同吋能够使管道机器人满足不同管径 管道检测需求。
[0014] 3、 本发明采用驱动节、 转向节采用模块化设计， 可根据实际情况连接若干数 量的驱动节和转向节， 增大管道机器人的负载能力。
对附图的简要说明 附图说明
[0015] 图 1为本发明的结构示意图；
[0016] 图 2为驱动节的剖视结构示意图；
[0017] 图 3为驱动机构的剖视结构示意图；
[0018] 图 4为转向节的剖视结构示意图；
[0019] 图中： 1、 传感器， 2、 前端盖， 3、 驱动节， 3-1、 主机架， 3-1-1、 螺杆架， 3- 1-2、 安放槽， 3-1-3、 第一轴承座， 3-1-4、 第二轴承座， 3-1-5、 连接板， 3-2、 驱动机构， 3-2-1、 侧板， 3-2-2、 导轨， 3-2-3、 驱动电机， 3-2-4、 电机安装板， 3-2-5、 第一锥齿轮， 3-2-6、 第二锥齿轮， 3-2-7、 主动齿轮， 3-2-8、 履带， 3-2-9 、 传动轴， 3-2-10、 从动轴， 3-2-11、 从动齿轮， 3-3、 伸缩机构， 3-3-1、 伸缩驱 动电机， 3-3-2、 第一齿轮， 3-3-3、 第二齿轮， 3-3-4、 螺杆， 3-3-5、 螺纹轴套， 3-3-6、 连杆， 3-3-7、 第一转动架， 3-3-8、 第一转动轴， 3-3-9、 第二转动架， 3- 3-10、 第二转动轴， 4、 转向节， 4-1、 上壳体， 4-2、 花键轴套， 4-3、 转向壳体 ， 4-4、 转向电机， 4-5、 第三齿轮， 4-6、 第四齿轮， 4-7、 花键轴， 4-8、 下壳体 ， 4-9、 行星轮架， 4-10、 齿圈， 4-11、 旋转电机， 4-12， 行星轮， 4-13、 太阳轮 ， 4-14、 安装板， 5、 后端盖， 6、 万向球铰。
本发明的实施方式
[0020] 下面结合附图对本发明做进一步的描述， 但本发明的保护范围不局限于以下所 述。
[0021] 如图 1所示， 一种可主动转向的管道机器人， 包括至少两段驱动节 3和至少一段 转向节 4， 相邻两个驱动节 3之间通过转向节 4连接， 位于最前端的驱动节 3的前 端面上固定有前端盖 2， 前端盖 2的中心位置安装有用于探测管网管道路径分布 情况的传感器 1， 位于最后端的驱动节 3的后端面上固定有后端盖 5， 后端盖 5的 中心位置装有用于连接其他管道检测设备的万向球铰 6， 如图 2所示， 驱动节 3包 括主机架 3-1、 驱动机构 3-2和伸缩机构 3-3， 主机架 3-1的侧壁上间隔均匀地安装 有多个驱动机构 3-2， 伸缩机构 3-3装于主机架 3-1内， 且伸缩机构 3-3能够将驱动 机构 3-2收回主机架 3-1内， 转向节 4能够带动前方与其连接的驱动节 3转向。 [0022] 如图 2所示， 所述的主机架 3-1内沿其轴线方向固定有螺杆架 3-1-1， 主机架 3-1 的侧壁上间隔均匀地设置有多个内凹的安放槽 3-1-2， 安放槽 3-1-2的两侧从上至 下依次对称设置有第一轴承座 3-1-3和第二轴承座 3-1-4， 主机架 3-1的上下端面上 分别设置有连接板 3-1-5， 所述驱动机构 3-2安装于安放槽 3-1-2内， 所述伸缩机构 3-3安装在螺杆架 3-1-1上， 伸缩机构 3-3与驱动机构 3-2传动连接。
[0023] 如图 3所示， 所述的驱动机构 3-2包括侧板 3-2-1、 驱动电机 3-2-3和履带 3-2-8， 两块侧板 3-2-1相对设置， 驱动电机 3-2-3通过电机安装板 3-2-4固定在两块侧板 3-2 -1之间， 驱动电机 3-2-3的输出轴上安装有第一锥齿轮 3-2-5， 两块侧板 3-2-1的两 端还转动安装有相互平行的传动轴 3-2-9和从动轴 3-2-10， 传动轴 3-2-9上固定有 第二锥齿轮 3-2-6， 第一锥齿轮 3-2-5与第二锥齿轮 3-2-6啮合， 传动轴 3-2-9的两端 还固定有主动齿轮 3-2-7， 从动轴 3-2-10的两端固定有从动齿轮 3-2-11， 履带 3-2-8 内侧的齿条分别与主动齿轮 3-2-7和从动齿轮 3-2-11啮合后首尾连接， 两块侧板 3-
2- 1的内侧还设置有导轨 3-2-2， 履带 3-2-8的内侧边缘与导轨 3-2-2接触配合。 工作 过程中， 驱动电机 3-2-3驱动第一锥齿轮 3-2-5转动， 通过锥齿轮转动， 使主动齿 轮 3-2-7旋转， 从而带动履带 3-2-8转动， 使管道机器人沿管壁运动。
[0024] 如图 2所示， 所述的伸缩机构 3-3包括伸缩驱动电机 3-3-1、 螺杆 3-3-4、 螺纹轴套
3- 3-5、 连杆 3-3-6、 第一转动架 3-3-7和第二转动架 3-3-9， 螺杆 3-3-4转动安装在螺 杆架 3-1-1上， 伸缩驱动电机 3-3-1固定安装在螺杆架 3-1-1的下部， 伸缩驱动电机 3-3-1的输出轴上安装有第一齿轮 3-3-2， 螺杆 3-3-4的下端安装有第二齿轮 3-3-3， 第一齿轮 3-3-2与第二齿轮 3-3-3啮合传动， 螺纹轴套 3-3-5通过螺纹与螺杆 3-3-4配 合连接， 螺纹轴套 3-3-5的侧壁上铰接有多根连杆 3-3-6， 连杆 3-3-6中部设置有强 力弹簧， 第一轴承座 3-1-3上通过轴承安装有第一转动轴 3-3-8， 第一转动架 3-3-7 的一端固定在第一转动轴 3-3-8的中部， 另一端与侧板 3-2-1的一端铰接， 第二轴 承座 3- 1-4上通过轴承安装有第二转动轴 3-3-10， 第二转动架 3-3-9的一端固定在 第二转动轴 3-3-10的中部， 另一端与侧板 3-2-1的另一端铰接， 连杆 3-3-6的另一 端与第一转动架 3-3-7的中部铰接。 在转弯过程中吋， 伸缩驱动电机 3-3-1通过第 一齿轮 3-3-2和第二齿轮 3-3-3驱动螺杆 3-3-4转动， 从而使螺纹轴套 3-3-5上下移动 ， 通过连杆 3-3-6带动第一转动架 3-3-7和第二转动架 3-3-9转动， 使驱动机构 3-2伸 出或收回到安放槽 3-1-2， 减小了转弯需要的转弯空间； 此外， 遇到管径变化吋 ， 也可根据管径调整第一转动架 3-3-7和第二转动架 3-3-9的转动角度， 使管道机 器人满足不同管径管道检测需求。
[0025] 如图 4所示， 所述的转向节 4包括上壳体 4-1、 花键轴套 4-2、 转向壳体 4-3、 下壳 体 4-8、 安装板 4-14、 转向机构和行星齿轮传动机构。 上壳体 4-1通过螺栓与其前 方驱动节 3的连接板 3-1-5固定连接； 花键轴套 4-2通过焊接固定在上壳体 4-1上； 安装板 4- 14通过焊接固定在转向壳体 4-3上； 转向壳体 4-3和下壳体 4-8通过导向槽 转动配合连接； 下壳体 4-8通过螺栓与其后方的驱动节 3的连接板 3-1-5固定连接 ； 所述转向机构包括转向电机 4-4、 第三齿轮 4-5、 第四齿轮 4-6、 花键轴 4-7， 转 向电机 4-4通过螺栓固定在安装板 4- 14的电机安装架上， 转向电机 4-4的输出轴通 过键槽与第三齿轮 4-5连接， 第四齿轮 4-6通过键槽与花键轴 4-7端部连接， 第三 齿轮 4-5与第四齿轮 4-6啮合， 花键轴 4-7通过轴承固定在转向壳体 4-3的轴承座上 ， 花键轴 4-7与花键轴套 4-2配合， 转向机构能够使相邻两个驱动节 3绕花键轴 4-7 轴线旋转； 作为优选的， 所述行星齿轮传动机构包括行星轮架 4-9、 齿圈 4-10、 旋转电机 4-11、 行星轮 4-12和太阳轮 4-13， 行星轮架 4-9通过焊接固定在下壳体 4- 8上， 齿圈 4-10通过螺栓固定在安装板 4-13上， 旋转电机 4-11通过螺栓固定在行 星轮架 4-8的电机安装架上， 旋转电机 4-11的输出轴通过键槽与太阳轮 4-13连接 ， 行星轮 4-12通过轴承固定在行星轮架 4-9的行星轮支柱上， 行星轮 4-12分别与 太阳轮 4-13和齿圈 4-10啮合， 行星齿轮传动机构能够使转向壳体 4-3相对下壳体 4- 8的轴线 360°旋转， 从而驱动相邻的两个驱动节 3能够通过转向节 4实现相对 360° 转动。 转弯过程中， 旋转电机 4-11驱动行星齿轮传动机构， 带动驱动节 3绕中心 轴线转动， 同吋， 在转向电机 4-4驱动下使驱动节 3绕花键轴 4-7的轴线转向分支 管道方向。
[0026] 本发明的工作过程如下： 工作过程中， 传感器 1探测管网管道路径分布情况， 并将信息实吋传输到控制中心； 当遇到分支管道吋， 判断管道机器人的行进方 向， 若需要转向， 则按以下步骤工作： 首先， 驱动节 3停止工作， 管道机器人的 第一段驱动节 3的伸缩机构 3-3动作， 使驱动机构 3-2收回到安放槽 3-1-2， 减小转 弯所需空间； 然后， 与该段驱动节 3连接的转向节 4的旋转电机 4-11驱动行星齿轮 传动机构动作， 带动驱动节 3绕中心轴线转动， 从而使驱动节 3能够在转向电机 4- 4驱动下绕花键轴 4-7的轴线转向分支管道方向； 此后， 转向电机 4-4动作， 使驱 动节 3转向进入到分支管道中； 当驱动节 3转入到预定分支管道内后， 伸缩机构 3- 3动作， 驱动机构 3-2伸出， 使履带 3-2-8贴紧管道内壁， 驱动机器人前进。 后续 驱动节 3、 转向节 4依次重复进行上述动作， 使管道机器人逐步、 完全转入到需 要检测的管道中。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 一种可主动转向的管道机器人， 其特征在于： 包括至少两段驱动节 （
3) 和至少一段转向节 （4) ， 相邻两个驱动节 （3) 之间通过转向节
(4) 连接， 位于最前端的驱动节 （3) 的前端面上固定有前端盖 (2 ) ， 前端盖 （2) 的中心位置安装有用于探测管网管道路径分布情况 的传感器 （1) ， 位于最后端的驱动节 （3) 的后端面上固定有后端盖
(5) ， 后端盖 （5) 的中心位置装有用于连接其他管道检测设备的万 向球铰 (6) ，
驱动节 （3) 包括主机架 （3-1) 、 驱动机构 （3-2) 和伸缩机构 （3-3 ) ， 主机架 （3-1) 的侧壁上间隔均匀地安装有多个驱动机构 （3-2) ， 伸缩机构 （3-3) 装于主机架 （3-1) 内， 且伸缩机构 （3-3) 能够将 驱动机构 （3-2) 收回主机架 （3-1) 内，
转向节 （4) 能够带动前方与其连接的驱动节 （3) 转向。
[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的一种可主动转向的管道机器人， 其特征在于： 所述的主机架 （3-1) 内沿其轴线方向固定有螺杆架 （3-1-1) ， 主机 架 （3-1) 的侧壁上间隔均匀地设置有多个内凹的安放槽 （3-1-2) ， 安放槽 （3-1-2) 的两侧从上至下依次对称设置有第一轴承座 （3-1-3 ) 和第二轴承座 （3-1-4) ， 主机架 （3-1) 的上下端面上分别设置有 连接板 （3-1-5) ， 所述驱动机构 （3-2) 安装于安放槽 （3-1-2) 内， 所述伸缩机构 （3-3) 安装在螺杆架 （3-1-1) 上， 伸缩机构 （3-3) 与 驱动机构 （3-2) 传动连接。
[权利要求 3] 根据权利要求 2所述的一种可主动转向的管道机器人， 其特征在于： 所述的驱动机构 （3-2) 包括侧板 （3-2-1) 、 驱动电机 （3-2-3) 和履 带 (3-2-8) ， 两块侧板 (3-2-1) 相对设置， 驱动电机 (3-2-3) 通过 电机安装板 （3-2-4) 固定在两块侧板 （3-2-1) 之间， 驱动电机 （3-2- 3) 的输出轴上安装有第一锥齿轮 （3-2-5) ， 两块侧板 （3-2-1) 的两 端还转动安装有相互平行的传动轴 （3-2-9) 和从动轴 （3-2-10) ， 传 动轴 （3-2-9) 上固定有第二锥齿轮 （3-2-6) ， 第一锥齿轮 （3-2-5) 与第二锥齿轮 （3-2-6) 啮合， 传动轴 （3-2-9) 的两端还固定有主动 齿轮 （3-2-7) ， 从动轴 （3-2-10) 的两端固定有从动齿轮 （3-2-11) ， 履带 （3-2-8) 内侧的齿条分别与主动齿轮 （3-2-7) 和从动齿轮 （3 -2-11) 啮合后首尾连接， 两块侧板 （3-2-1) 的内侧还设置有导轨 （3 -2-2) ， 履带 （3-2-8) 的内侧边缘与导轨 （3-2-2) 接触配合。
[权利要求 4] 根据权利要求 3所述的一种可主动转向的管道机器人， 其特征在于： 所述的伸缩机构 （3-3) 包括伸缩驱动电机 （3-3-1) 、 螺杆 （3-3-4) 、 螺纹轴套 (3-3-5) 、 连杆 (3-3-6) 、 第一转动架 (3-3-7) 和第二 转动架 (3-3-9) ， 螺杆 (3-3-4) 转动安装在螺杆架 (3-1-1) 上， 伸 缩驱动电机 （3-3-1) 固定安装在螺杆架 （3-1-1) 的下部， 伸缩驱动 电机 （3-3-1) 的输出轴上安装有第一齿轮 （3-3-2) ， 螺杆 （3-3-4) 的下端安装有第二齿轮 （3-3-3) ， 第一齿轮 （3-3-2) 与第二齿轮 （3 -3-3) 啮合传动， 螺纹轴套 （3-3-5) 通过螺纹与螺杆 （3-3-4) 配合连 接， 螺纹轴套 （3-3-5) 的侧壁上铰接有多根连杆 （3-3-6) ， 连杆 （3 -3-6) 中部套装有强力弹簧， 第一轴承座 （3-1-3) 上通过轴承安装有 第一转动轴 （3-3-8) ， 第一转动架 （3-3-7) 的一端固定在第一转动 轴 （3-3-8) 的中部， 另一端与侧板 （3-2-1) 的一端铰接， 第二轴承 座 （3-1-4) 上通过轴承安装有第二转动轴 （3-3-10) ， 第二转动架 ( 3-3-9) 的一端固定在第二转动轴 （3-3-10) 的中部， 另一端与侧板 （ 3-2-1) 的另一端铰接， 连杆 （3-3-6) 的另一端与第一转动架 （3-3-7 ) 的中部铰接。
[权利要求 5] 根据权利要求 2、 3或 4所述的一种可主动转向的管道机器人， 其特征 在于： 所述的转向节 （4) 包括上壳体 （4-1) 、 花键轴套 （4-2) 、 转向壳体 （4-3) 、 下壳体 （4-8) 、 安装板 （4-14) 、 转向机构和行 星齿轮传动机构， 上壳体 （4-1) 通过螺栓与其前方驱动节 （3) 的连 接板 （3-1-5) 固定连接； 花键轴套 （4-2) 通过焊接固定在上壳体 （4 -1) 上； 安装板 （4-14) 通过焊接固定在转向壳体 （4-3) 上； 转向壳 体 （4-3) 和下壳体 （4-8) 通过导向槽转动配合连接； 下壳体 （4-8) 通过螺栓与其后方的驱动节 （3) 的连接板 （3- 1-5) 固定连接， 行星 齿轮传动机构能够驱动驱动节 （3) 绕其中心轴线转动， 转向机构能 够使相邻两个驱动节 （3) 绕花键轴 （4-7) 的轴线旋转。
[权利要求 6] 根据权利要求 5所述的一种可主动转向的管道机器人， 其特征在于:
所述转向机构包括转向电机 （4-4) 、 第三齿轮 （4-5) 、 第四齿轮 （ 4-6) 和花键轴 （4-7) ， 转向电机 （4-4) 通过螺栓固定在安装板 （4- 14) 的电机安装架上， 转向电机 （4-4) 的输出轴通过键槽与第三齿 轮 （4-5) 连接， 第四齿轮 （4-6) 通过键槽与花键轴 （4-7) 的端部连 接， 第三齿轮 （4-5) 与第四齿轮 （4-6) 啮合， 花键轴 （4-7) 通过轴 承固定在转向壳体 （4-3) 的轴承座上， 花键轴 （4-7) 与花键轴套 ( 4-2) 配合。
[权利要求 7] 根据权利要求 6所述的一种可主动转向的管道机器人， 其特征在于:
所述行星齿轮传动机构包括行星轮架 （4-9) 、 齿圈 （4-10) 、 旋转 电机 （4- 11 ) 、 行星轮 （4-12) 和太阳轮 （4- 13) ， 行星轮架 （4-9) 通过焊接固定在下壳体 （4-8) 上， 齿圈 （4-10) 通过螺栓固定在安 装板 （4- 14) 上， 旋转电机 （4-11 ) 通过螺栓固定在行星轮架 （4-9) 的电机安装架上， 旋转电机 （4- 11 ) 的输出轴通过键槽与太阳轮 （4- 13) 连接， 行星轮 （4- 12) 通过轴承固定在行星轮架 （4-9) 的行星 轮支柱上， 行星轮 （4- 12) 分别与太阳轮 （4-13) 和齿圈 （4- 10) 啮
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