CN101074031A - 密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种密闭式履带驱动城市排水管道机器人，它包括密封结构、动力传动***、宽履带及张紧结构和外架结构，外架结构由外架支架和外架组成，密封结构包括箱体密封部分、前轮密封和拖缆结构密封部分，其中箱体密封结构由上箱体、下箱体和箱体端盖之间的静密封结构组成，动力传动***由两个直流电机、蜗杆和链传动装置以及主动轮组成，宽履带由单耳朵传动链条、履带橡胶块和履带钢板组成，履带张紧机构由前轮支架、从动轴和调整螺栓组成，本发明可以广泛应用于各种天然气管道、石油管道、城市排水管道、自来水管道、核工业管道中，进行穿缆、缺陷检查、修补、管道疏通等工作。

Description

密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人

(一)技术领域

本发明涉及一种管道用工具，具体涉及一种城市排水管道机器人。

(二)背景技术

管道机器人是一种可用于天然气管道、石油管道、城市排水管道、自来水管道、核工业管道等多种小管道的穿缆、缺陷检查、修补、管道的疏通等工作的机器人。管道机器人作为一种管道的故障诊断、检测、疏通及维修的可行性工具应运而生，并越来越受到重视.管道内行走的移动机构是微型管道机器人重点研发的领域之一，现阶段国内外微型管道机器人移动机构的驱动方式可分为电机驱动、压电驱动、电磁驱动、气压驱动、液压驱动等；而机器人的行走方式又可分为惯性冲击行走、蠕动爬行、弹性针型振动行走及轮式行走等。管道机器人的作业机理是：在计算机的控制下，自动检测自身姿态和环境参数，自动进行位置调整和空间作业，也可通过人机界面，反映环境参数和机器人姿态，由人通过计算机来进行管道内的作业。可在管道中按照路径规划沿直线或曲线行走，即从管道的一处入口进入，沿着管道前进，行进中可以自身进行位姿的调整、越过一定高度的障碍物、修正偏差找正作业点和目标，完成穿缆、缺陷检查、修补、管道的疏通等工作，最后，从管道的另一指定口出来。

简言之，现有的管道机器人一般包括作为载体的机器人小车和作业工具。现有管道机器人小车一般包括：运动小轮或窄履带、电机或压电驱动动力传动***、有的还包括可调的轮支架结构等部分组成。并且只能在干燥的环境下进行管道内的作业，不能被运用在复杂的液体环境下，如城市排水管道和运用后的油气管道的作业。当管道内有障碍物时，其越障能力非常的有限，大部分体积过大，没有两栖环境的作业能力。现有管道机器人都存在上面说到一些能力缺陷。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以广泛应用于各种天然气管道、石油管道、城市排水管道、自来水管道、核工业管道中，进行穿缆、缺陷检查、修补、管道疏通等工作，并可在混浊腐蚀性液体中行走的密闭式履带驱动城市排水管道机器人。

本发明的目的是这样实现的：它包括动力传动***、密封结构、宽履带及张紧结构和外架结构，外架结构由紧固的外架支架和外架组成，密封结构包括箱体密封部分、前轮密封和拖缆结构密封部分，箱体密封结构由上箱体、下箱体和之间的静密封结构组成，上箱体和下箱体固连，侧面和外架紧固，上下箱体之间设置有动力输出孔，动力传动***由两个直流电机、蜗杆和链传动装置以及主动轮组成，两个直流电机通过蜗杆和链传动装置连接主动轴，主动轮固定在主动轴上，主动轴设置在箱体端盖之间，前轮由从动轮组成，履带张紧机构由前轮支架、从动轴和调整螺栓组成，前轮支架固定在上下箱体前端，从动轴设置在前轮支架中，从动轮和从动轴连接，宽履带由单耳朵传动链条、履带橡胶块和履带钢板组成，履带钢板设置在单耳朵传动链条上，履带橡胶块固定在履带钢板两侧。

本发明还有这样一些结构特征：

1、所述的两个直流电机在电机的输出轴上安装传动小链轮，传动小链轮通过小链条连接传动大连轮，传动大连轮通过平键固定在主动轴上，主动轴的两端通过平键和主动轮连接，通过后轮端盖、端盖螺钉把主动轮固定在主动轴上，主动轴通过套筒、轴承、调隙钢圈、后轮端盖和两个主轴深沟球轴承固定，主轴深沟球轴承外环固定在箱体上；

2、所述的外架支架通过螺钉和上下箱体的侧面凸台紧固，通过外加紧固螺钉和外架紧固；

3、所述的前轮支架通过前轮支架螺钉固定在上下箱体前端的凸台上，从动轴设置在前轮支架的水平丫形口中，拉紧螺栓一端安装在从动轴的螺孔中，通过螺母紧固，拉紧螺栓另一端穿过一个放在前轮支架方形凹槽中的方形垫片，通过螺母紧固从动轴，通过从动轴的轴肩、夹紧螺母和夹紧垫圈将从动轴固定；

4、所述的单耳朵传动链条安装在一个主动轮和一个从动轮上，且每侧履带的单耳朵传动链条的耳朵都向外放置，在两根单耳朵传动链条的对应耳朵上放置履带钢板，通过沉头螺钉、螺母固定，并且履带钢板得对称中心线和相连接的两条单耳朵传动链条垂直，通过螺钉、螺母固定履带橡胶块在履带钢板两侧垂直的耳朵上，履带橡胶块的圆弧向机器人的外侧；

5、所述的上箱体和下箱体通过圆锥销、紧固螺钉、螺母和垫圈固定，上下箱体之间的动力输出孔端面和箱体端面之间用O型密封圈密封，两者之间用箱体端盖螺钉紧固，箱体端盖和主动轴之间用主动轴格来圈密封；

6、所述的从动轮和从动轴通过深沟球轴承连接，从动轴、深沟球轴承、调隙钢圈，弹性挡圈、前轮端盖和前轮端盖螺钉固定从动轮，从动轮和从动轴之间用从动轴格来圈密封；从动轮和前轮端盖之间通过O型橡胶密封圈和防水密封胶密封，通过前轮端盖螺钉紧密连接；

7、所述的拖缆密封结构由拖缆铝筒、密封螺母、O型密封圈和螺钉组成，在上下箱体的结合面下，下箱体设置有一平面凸台，凸台上设置有螺纹孔和电缆孔，电缆经过密封螺母、O型密封圈、拖缆铝筒，再经过下箱体的电缆孔引入箱体内部，凸台和拖缆铝筒之间通过防水密封胶密封，通过螺钉把拖缆铝筒固定在下箱体的凸台上，拖缆铝筒和密封螺母之间通过细螺纹密封，密封螺母和电缆通过O型密封圈密封。

本发明的总体构思是：采用整体密闭结构，使得机器人可以在液体中行走；②采用防腐铝作为耐压外壳材料，使机器人可以在一定压强的腐蚀性液体中行走；③采用两台伺服电机实现对两条独立履带的差动驱动，从而令机器人在管道中的灵活行走；④采用两维倾角传感器测量机器人在管道中的本***姿，实现机器人的自适应位姿调整。

本发明整个机器人采用左右对称式的结构分布，采用差动履带驱动，可以在管道内实现大角度转向，对各种弯型管道的通过率大为提高，同时跨越障碍物的能力也大为提高。其主要特点有：1)整体式密封，具有两栖环境的作业能力；2)采用防腐铝作为耐压防腐外壳，采用格来圈实现动密封；3)采用两台伺服电机实现对两条独立履带的差动驱动，从而实现任意回转半径转向等复杂动作；4)采用两维倾角传感器测量机器人在管道中的本***姿，实现机器人在管道中的自动平衡，防止侧倾及翻倒。本发明机器人可以广泛应用于各种天然气管道、石油管道、城市排水管道、自来水管道、核工业管道中，进行穿缆、缺陷检查、修补、管道疏通等工作。

(四)附图说明

图1是密闭式履带驱动城市排水管道机器人正视结构示意图；

图2是密闭式履带驱动城市排水管道机器人俯视结构示意图；

图3是水陆两栖履带传动及结构示意图；

图4是密闭式履带驱动城市排水管道机器人履带张紧机构结构示意图；

图5是密闭式履带驱动城市排水管道机器人从动轮结构密封示意图；

图6-图8是密闭式履带驱动城市排水管道机器人履带钢板结构示意图；

图9-图10是密闭式履带驱动城市排水管道机器人履带橡胶块结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

结合图1和图2，本实施例包括动力源及传动***、密封结构、新型宽履带及张紧结构和外架结构四大部分，下面分别对其进行说明：

a、机器人的动力源传动***和结构

小车的动力源为两个直流电机14，通过电机自带的蜗轮蜗杆传出动力，在电机的输出轴上安装传动小链轮37，传动小链轮37上的动力通过小链条38传给传动大连轮48，传给传动大连轮48通过平键49固定在主动轴43上如图2所示，两根主动轴都为两端输出，通过套筒47、轴承46、调隙钢圈45、后轮端盖41约束主动轴43的轴向窜动，通过两个主轴深沟球轴承46约束主动轴43的径向窜动，主轴深沟球轴承46外环固定在箱体上，主动轴43的两端通过平键49和主动轮39连接，再通过后轮端盖41、端盖螺钉42，把主动轮39固定在主动轴43上，主动轴43带动主动轮39、履带和从动轮1转动，两个电机14带动两条履带实现差动运动。

b、机器人密封结构

机器人密封***包括三个部分：箱体密封部分、前轮密封和拖缆结构密封部分。

箱体密封结构：由上箱体7、紧固螺钉、螺母和垫圈8、9、10、下箱体13、O型密封圈44箱体端盖19、箱体端盖螺钉18、主动轴格来圈40和主动轴43组成。用圆锥销11紧固螺钉、螺母和垫圈8、9、10固定上箱体7和下箱体13，在结合面之间涂上密封胶，形成密封，上下箱体之间的四个动力输出孔端面和箱体端面之间用O型密封圈44密封，两者之间用箱体端盖螺钉18紧固，箱体端盖19和主动轴43之间用主动轴格来圈40密封。从而形成了对两个电机14、内链条传动***、电机驱动模块、传感器模块及信号处理电路进行液体环境的作业密封。

前轮结构及密封：结合图5，由从动轮1、前轮端盖3、前轮端盖螺钉4、从动轴格来圈27，调隙钢圈28，O型橡胶密封圈29，弹性挡圈30，从动轴31，深沟球轴承32组成。从动轴31相对机器人小车是固定的，从动轮1和从动轴31的连接通过深沟球轴承32；由从动轴31、深沟球轴承32、调隙钢圈28，弹性挡圈30、前轮端盖3、前轮端盖螺钉4，来约束从动轮1的轴向窜动，用深沟球轴承32来实现从动轮的周向转动。从动轮1和从动轴31之间用从动轴格来圈27密封；从动轮1和前轮端盖3之间用O型橡胶密封圈29和防水密封胶密封，用前轮端盖螺钉4紧密连接。

拖缆密封结构：结合图2，由下箱体13、拖缆铝筒50、密封螺母51、O型密封圈52、螺钉35。机器人小车采用拖缆作业，后部引进电源线、信号线和作业缆，在上下箱体的结合面下，下箱体13有一平面凸台，凸台上有螺纹孔和电缆孔，电缆经过密封螺母51、O型密封圈52、拖缆铝筒50，再经过下箱体13的电缆孔引入箱体内部的。凸台和拖缆铝筒50之间用防水密封胶密封，用螺钉35把拖缆铝筒50固定在下箱体13的凸台上。拖缆铝筒50和密封螺母51之间再用细螺纹密封，在用O型密封圈52把密封螺母51和电缆密封。

c、机器人的宽履带及张紧结构

履带张紧机构：由前轮支架6、螺母24、拉紧螺栓25、垫片26、从动轴31、夹紧螺母33、夹紧垫圈34组成。结合图1，前轮支架6通过前轮支架螺钉5固定在上下箱体前端的凸台上。结合图2，从动轴31放在前轮支架6的水平‘丫’形口中，拉紧螺栓25一端安装在从动轴31的螺孔中，再用螺母24拧紧防松，拉紧螺栓25另一端穿过一个放在前轮支架6方形凹槽中的方形垫片26，在用螺母24拉紧从动轴31到履带张紧的位置，并在这个位置，通过从动轴31的轴肩、夹紧螺母33和夹紧垫圈34将从动轴31固定，从而达到简易履带张紧的位置。

管道机器人的新型宽履带结构：由单耳朵传动链条2、履带橡胶块15、沉头螺钉21、螺钉22、螺母23、履带钢板53组成。结合图1、图3，机器人有四个从动轮1和四个主动轮39，每根主动轴43两端安有两个主动轮43，每根从动轴31两端安有两个主从动轮1。机器人每侧外侧的一个主动轮43和一个从动轮1在一条直线上，内侧的一个主动轮43和一个从动轮1在一条直线上，并且这两天条直线平行。管道机器人小车有两条新型宽履带，每条履带有两条单耳朵传动链条2，每条单耳朵传动链条2安装在一个主动轮39和一个从动轮1上，即上面说到的每条线上的一个主动轮43和一个从动轮1上，小车的四条履带平行放置，并且每侧履带的单耳朵传动链条2的耳朵都向外放置。在两根单耳朵传动链条2的对应耳朵上放置、履带钢板53，用沉头螺钉21、螺母23固定，并且履带钢板53得对称中心线和相连接的两条单耳朵传动链条2垂直，再用螺钉22、螺母23固定橡胶块15在履带钢板53两侧垂直的耳朵上，使橡胶块15的圆弧向机器人的外侧。履带钢板结构如图6所示。履带橡胶块结构结合图7，橡胶块外缘采用半径250mm的圆弧，适应了管道作业的环境，满足了城市排水管道内的作业要求，使得当只有机器人履带圆弧受力时，小车的受力曲线业也满足机器人的行走作业要求。在履带上加橡胶快，可以提高机器人小车的越障能力、曾加附作力、防滑。

d、机器人的外架结构

外架结构：由螺钉35、外架支架54、外加紧固螺钉55、外架56组成，结合图1、图2，外架支架54通过螺钉35和上下箱体的侧面凸台紧固，外架支架54通过外加紧固螺钉55和外架56紧固，为外架56提供支撑力。外架56可以防止因为机器人小车和管道内壁碰撞时，卡住履带的上前部分，同时，外加上方提供了一个平台，为管道机器人管道作业工具提供了一个开放安装平台。

本实施例可作为城市排水管道拖缆机使用，可以将排水管道清淤用钢缆从排水管道一端的清掏竖井自动拖拽到另一端清掏竖井。

Claims (8)

1、一种密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人，它包括箱体，在箱体中设置动力传动机构，在箱体的前后分别安装有前轮和后轮，动力传动机构与后轮相连，前轮与后轮之间安装有履带及其张紧机构，其特征是：它还包括安装在箱体上的外架和密封机构，外架结构由紧固的外架支架和外架组成，密封结构包括箱体密封部分、前轮密封和拖缆结构密封部分，箱体密封结构由上箱体、下箱体和之间的静密封结构组成，上箱体和下箱体固连，侧面和外架紧固，上下箱体之间设置有动力输出孔，动力传动***由两个直流电机、蜗杆和链传动装置以及主动轮组成，两个直流电机通过蜗杆和链传动装置连接主动轴，主动轮固定在主动轴上，主动轴设置在箱体端盖之间，前轮由从动轮组成，履带张紧机构由前轮支架、从动轴和调整螺栓组成，前轮支架固定在上下箱体前端，从动轴设置在前轮支架中，从动轮和从动轴连接，宽履带由单耳朵传动链条、履带橡胶块和履带钢板组成，履带钢板设置在单耳朵传动链条上，履带橡胶块固定在履带钢板两侧。

2、根据权利要求1所述的密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人，其特征是：所述的两个直流电机在电机的输出轴上安装传动小链轮，传动小链轮通过小链条连接传动大链轮，传动大链轮通过平键固定在主动轴上，主动轴的两端通过平键和主动轮连接，通过后轮端盖、端盖螺钉对主动轮轴向固定，主动轴通过套筒、轴承、调隙钢圈、后轮端盖和两个主轴深沟球轴承固定，主轴深沟球轴承外环固定在箱体上。

3、根据权利要求1所述的密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人，其特征是：所述的上下箱体的侧面和外架支架通过螺钉凸台紧固，外架支架通过外加紧固螺钉和外架紧固。

4、根据权利要求1所述的密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人，其特征是：所述的前轮支架通过前轮支架螺钉固定在上下箱体前端的凸台上，从动轴设置在前轮支架的水平丫形口中，拉紧螺栓一端安装在从动轴的螺孔中，通过螺母紧固，拉紧螺栓另一端穿过一个放在前轮支架方形凹槽中的方形垫片，通过螺母紧固从动轴，通过从动轴的轴肩、夹紧螺母和夹紧垫圈将从动轴固定。

5、根据权利要求1所述的密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人，其特征是：所述的单耳朵传动链条安装在一个主动轮和一个从动轮上，且每侧履带的单耳朵传动链条的耳朵都向外放置，在两根单耳朵传动链条的对应耳朵上放置履带钢板，通过沉头螺钉、螺母固定，并且履带钢板得对称中心线和相连接的两条单耳朵传动链条垂直，通过螺钉、螺母固定履带橡胶块在履带钢板两侧垂直的耳朵上，履带橡胶块的圆弧向机器人的外侧。

6、根据权利要求1所述的密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人，其特征是：所述的上箱体和下箱体通过圆锥销、紧固螺钉、螺母和垫圈固定，上下箱体之间的输出孔端面和箱体端面之间用O形密封圈密封，两者之间用箱体端盖螺钉紧固，箱体端盖和主动轴之间用主动轴格来圈密封。

7、根据权利要求1所述的密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人，其特征是：所述的从动轮和从动轴通过深沟球轴承连接，从动轴、深沟球轴承、调隙钢圈，弹性挡圈、前轮端盖和前轮端盖螺钉固定从动轮，从动轮和从动轴之间用从动轴格来圈密封；从动轮和前轮端盖之间通过O型橡胶密封圈和防水密封胶密封，通过前轮端盖螺钉紧密连接。

8、根据权利要求1所述的密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人，其特征是：所述的拖缆密封结构由拖缆铝筒、密封螺母、O型密封圈和螺钉组成，在上下箱体的结合面下，下箱体设置有一平面凸台，凸台上设置有螺纹孔和电缆孔，电缆经过密封螺母、O型密封圈、拖缆铝筒，再经过下箱体的电缆孔引入箱体内部，凸台和拖缆铝筒之间通过防水密封胶密封，通过螺钉把拖缆铝筒固定在下箱体的凸台上，拖缆铝筒和密封螺母之间通过细螺纹密封，密封螺母和电缆通过O型密封圈密封。

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