CN101435522A - 一种管道行走机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于工业领域的管道清理机器人，同时，本发明还涉及这种行走机器人的控制方法，所述的机器人包括连接轴(2)，支撑腿(3)，拨盘(4)，拨爪(5)，连接绳(8)，变距电机(9)，驱动电机(10)，清洁装置(12)，滚轮装置(14)，连接绳(8)穿过拨盘(4)，与变距电机(9)连接，可伸缩转动的支撑腿(3)与拨盘(4)连接，驱动电机(10)通过齿轮盘(17)和连接轴(2)与另一个机体外壳端部(18)连接，支撑腿(3)延伸出机体外壳(13)，与管道内表面接触，机体外壳(13)上设置清洁装置(12)。采用本发明方案，能使机器人效率更高、过弯道时更顺畅、更易于操控，而且结构简单、制作方便，能适用不同管径的管道。

Description

一种管道行走机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及工业机器人领域，更具体地说，本发明属于可以在管道中行走的，应用于管道清理的机器人，同时，本发明还涉及这种管道行走机器人的控制方法。
背景技术
管道在工业领域和民用领域都有着广泛的应用，但管道在使用过程中难免发生结垢、堵塞等棘手问题，尤其是对于一些空间比较狭窄的管道来说，人力根本无法直接对其进行清洗或处理。随着工业技术的发展，人们在清洗空间狭窄的管道时开始采用管道机器人来进行。但目前采用的机器人大都结构较为复杂。比如中央空调专用机器人，其结构多为履带式，结构复杂，且只能在方形管道中行驶和进行清洗。目前也有专门针对圆形管道的清洗而设计的机器人，但这些机器人一般都结构复杂，工作效率低，且操控较为麻烦，环境适应性差。例如，申请号为200620003659.3的实用新型专利公开了一种连杆蠕行管道机器人。这种机器人的工作原理是：靠电能转化为连杆机构伸缩的机械能，再转化为整个装置的动能，使整个装置在管道内蠕行，但是这种机器人不仅难以加工制造，而且适应性、可靠性差；申请号为01128568.0的发明专利则公开了一种弹簧蠕行管道机器人，这种机器人利用电磁能转化为弹簧的弹性势能，再转化为整个装置的动能，从而使装置运动。该发明的主要目的在于实现机器人在管道内的运动，但其结构却无法实现对管道的清洁，并且其适应能力较差；专利号为200710035846.9的发明专利公开了一种可以蠕动在微小管道中的机器人，但这种机器人主要的作用还在于在管道中的行走，其结构无法满足对整个管道，尤其是对圆形管道全方位的清洁。总之，目前研究蠕动机器人的较多，因而其驱动方法较多，但其大多机器人的行进速度较慢，机械效率低等，环境适应性差等，因此无法满足管道全面清洁的需要，也因这些缺点而限制了它的进一步发展。
发明内容
本发明一种应用在圆形管道中的行走机器人，其要解决的技术问题是：提供一种通过新的驱动装置使应用在圆形管道中的行走机器人的机械效率更高、过弯道时更顺畅、更易于操控，而且工作效率高、结构简单、成本低廉、制作方便。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明为一种管道行走机器人，所述的机器人包括连接轴，支撑腿，拨盘，拨爪，连接绳，变距电机，驱动电机，清洁装置，机体外壳，滚轮装置，所述的连接绳穿过拨盘，与固定在机体外壳内部的变距电机连接，设置为一个以上(最佳数量为三个)的可伸缩转动的支撑腿与拨盘连接，所述的驱动电机通过齿轮盘和连接轴与另一个机体外壳端部连接，所述的支撑腿延伸出机体外壳，与管道内表面接触，机体外壳上设置可以与管道内表面接触接触的清洁装置。
所述的驱动电机与齿轮盘啮合，齿轮盘与连接轴固定连接，连接轴与另一机体外壳的机体外壳端部固定连接，所述的连接两部分机体外壳的连接轴为柔性结构。
所述的拨盘为圆板状结构，拨盘在每个机体外壳内设置一个以上，连接绳固定穿过拨盘中心位置，拨盘上布置突起的凸板，凸板中部设置与拨盘表面平行布置的长槽；所述的变距电机固定在机体外壳端部内部的中心位置，变距电机与可以拉动拨盘在机体外壳内部轴向移动的且穿过连接轴的连接绳连接。
所述的支撑腿为可伸缩转动的杆状弹簧结构，支撑腿与拨盘平行布置，支撑腿底部设置延伸出支撑腿的拨爪，拨爪上的与拨爪垂直的拉杆延伸至拨盘上的长槽内。
所述的与每个拨盘连接的支撑腿设置为三个，每个支撑腿之间呈120°夹角布置，支撑腿与管道内表面接触的部位安装滚轮装置。
所述的支撑腿通过机体外壳固定其位置，所述的支撑腿内部为可活动的杆状活动轴，拨爪与活动轴为固定连接结构。
所述的拨盘在每个机体外壳内设置为2个。
所述的管道内表面接触接触的清洁装置为毛刷，毛刷安装在每两个支撑腿之间的圆弧面的中部位置，；所述的连接绳一端与变距电机连接，另一端固定在另一个机体外壳的端部，在该端部与连接绳之间安装一个拉力弹簧。
本发明所述的滚轮装置包括滚轮和滚轮架。
本发明还涉及这种管道行走机器人的控制方法，所述的控制方法步骤为：
a)需要机器人行走时，启动驱动电机，驱动电机通过齿轮盘带动连接轴运转，连接轴带动另一机体外壳转动，机器人在管道内实现行走；
b)需要调解机器人行走速度时，启动变距电机，变矩电机拉紧连接绳，从而带动拨盘轴向运动，运动的拨盘通过拨爪与凸板上的长槽的运动带动支撑腿的活动轴转动，从而调节滚轮装置的角度，实现机器人行走速度的变化；
c)需要机器人完成前进、原地旋转、后退三种动作时，通过调节与活动轴(20)连接的滚轮装置的角度即能实现，且机器人完成前进、原地旋转、后退三种动作时为无级变速。
所述的连接绳带动拨盘运动，使支撑腿活动轴的转动范围为+45°到-45°。
采用本发明的技术方案，有如下有益效果：
1、使应用在管道中的行走机器人的机械效率更高、过弯道时更顺畅、更易于操控，而且工作效率高、结构简单、成本低廉、制作方便；
2、本发明提供圆形管机器人的一种螺旋驱动的方式，该机构运行可靠，使用寿命长，运行平稳，不会发生偏移或侧翻；变径范围较大，可以适用于不同管径的管道；
3、本发明针对各种圆形管道清理需要而设计的，其动力利用充分，机体只要有一个在旋转就会产生行进动力；动作效率高，一个旋转动作可以完成行进和清理两个功能，其独创的管道适应性更是大大提高了实用性与应用广泛性。
附图说明
下面对本发明的说明书中各幅附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明：
图1为本发明一种管道中的行走机器人的剖视结构示意图；
图2为本发明的拨盘与支撑腿的连接结构示意图；
图3为本发明的变矩部分的结构示意图；
图4为本发明的支撑腿的结构示意图；
图5为本发明的拉杆和凸块的连接结构示意图；
图中标记为：1、行走机器人；2、连接轴；3、支撑腿；4、拨盘；5、拨爪；6、内侧端盖；7、回位弹簧；8、连接绳；9、变距电机；10、驱动电机；11、角接触球轴承；12、清洁装置；13、机体外壳；14、滚轮装置；15、凸板；16、毛刷；17、齿轮盘；18、机体外壳端部；19、拉杆；20、活动轴；21、拉力弹簧；22、滚轮；23、滚轮架。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：
如图1—图5所示，本发明为一种管道行走机器人，所述的机器人包括连接轴2，支撑腿3，拨盘4，拨爪5，连接绳8，变距电机9，驱动电机10，清洁装置12，机体外壳13，滚轮装置14，所述的连接绳8穿过拨盘4，与固定在机体外壳13内部的变距电机9连接，设置为一个以上的可伸缩转动的支撑腿3与拨盘4连接，所述的驱动电机10通过齿轮盘17和连接轴2与另一个机体外壳端部18连接，所述的支撑腿3延伸出机体外壳13，与管道内表面接触，机体外壳13上设置可以与管道内表面接触接触的清洁装置12。
所述的驱动电机10与齿轮盘17啮合，齿轮盘17与连接轴2固定连接，连接轴2与另一机体外壳13的机体外壳端部18固定连接。连接两部分机体外壳13的连接轴为柔性结构，从而使得行走机器人能够通过弯曲管道。
一个机体内部的驱动电机10通过齿轮盘17带动与连接轴2固定连接的另一机体旋转，由于角动量守恒，所以两部分的机体外壳13相互反转，机器人实现螺旋前进。
所述的拨盘4为圆板状结构，拨盘4在每个机体外壳13内设置一个以上，连接绳8固定穿过拨盘4中心位置，拨盘4上布置突起的凸板15，凸板15中部设置与拨盘4表面平行布置的长槽；所述的变距电机9固定在机体外壳端部18内部的中心位置，变距电机9与可以拉动拨盘4在机体外壳13内部轴向移动的且穿过连接轴2的连接绳8连接。
所述的支撑腿3为可伸缩转动的杆状弹簧结构，支撑腿3与拨盘4平行布置，支撑腿3底部设置延伸出支撑腿3的拨爪5，拨爪5上的与拨爪5垂直的拉杆19延伸至拨盘4上的长槽内。
所述的与每个拨盘4连接的支撑腿3设置为三个，每个支撑腿3之间呈120°夹角布置，支撑腿3与管道内表面接触的部位安装滚轮装置14。
通过安装滚轮装置14，弹簧结构的支撑腿3内部的压力弹簧便将滚轮装置14紧压在管道内表面上，使其为机器人提供足够的附着力；每个滚轮装置14都可以在内部的由拨盘4和连接绳8组成的变矩机构的驱动和协调下，绕支撑腿内的活动轴20线旋转+45°到-45°的角度；
所述的支撑腿3通过机体外壳13固定其位置，所述的支撑腿3内部为可活动的杆状活动轴20，拨爪5与活动轴20为固定连接结构。
当拨盘4移动带动拉杆19转动时，支撑腿3内的活动轴20也随之转动，固定在支撑腿3端部的滚轮装置14也转动，并改变其角度，从而使机器人实现变速。
所述的拨盘4在每个机体外壳13内设置为2个。
所述的管道内表面接触接触的清洁装置12为毛刷，毛刷安装在每两个支撑腿3之间的圆弧面的中部位置。
连接绳8一端与变距电机9连接，另一端固定在另一个机体外壳13的端部，在该端部与连接绳8之间安装一个拉力弹簧7，从而保证连接绳8的正确回位。
本发明所述的滚轮装置14包括滚轮22和滚轮架23。
本发明还涉及这种管道行走机器人的控制方法，所述控制方法的步骤为：
a)需要机器人行走时，启动驱动电机10，驱动电机10通过齿轮盘17带动连接轴2运转，连接轴2带动另一机体外壳13转动，机器人在管道内实现行走；
b)需要调解机器人行走速度时，启动变距电机9，变矩电机9拉紧连接绳8，从而带动拨盘4水平方向运动，运动的拨盘4通过拨爪5与凸板15上的长槽的运动带动支撑腿3的活动轴20转动，从而调节滚轮装置14的角度，实现机器人行走速度的变化；
c)需要机器人完成前进、原地旋转、后退三种动作时，通过调节与活动轴20连接的滚轮装置14的角度即能实现，且机器人完成前进、原地旋转、后退三种动作时为无级变速。
连接绳8由安装在机体外壳13内部的变矩电机9收放，由于两部分机体外壳13是反转的，所以连接绳8之间必须有一个周转自由度，所以安装拉力弹簧7的机体外壳13内的连接绳8与拨盘4间安装一个角接触球轴承11，从而增加一个旋转自由度。
所述的连接绳8带动拨盘4的运动，使得支撑腿3活动轴20的转动范围为+45°到-45°。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进经将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种管道行走机器人，其特征在于：所述的机器人包括连接轴(2)，支撑腿(3)，拨盘(4)，拨爪(5)，连接绳(8)，变距电机(9)，驱动电机(10)，清洁装置(12)，机体外壳(13)，滚轮装置(14)，所述的连接绳(8)穿过拨盘(4)，与固定在机体外壳(13)内部的变距电机(9)连接，设置为一个以上的可伸缩转动的支撑腿(3)与拨盘(4)连接，所述的驱动电机(10)通过齿轮盘(17)和连接轴(2)与另一个机体外壳端部(18)连接，所述的支撑腿(3)延伸出机体外壳(13)，与管道内表面接触，机体外壳(13)上设置可以与管道内表面接触接触的清洁装置(12)。
2、按照权利要求1所述的一种管道行走机器人，其特征在于：所述的驱动电机(10)与齿轮盘(17)啮合，齿轮盘(17)与连接轴(2)固定连接，连接轴(2)与另一机体外壳(13)的机体外壳端部(18)固定连接，所述的连接两部分机体外壳(13)的连接轴为柔性结构。
3、按照权利要求1所述的一种管道行走机器人，其特征在于：所述的拨盘(4)为圆板状结构，拨盘(4)在每个机体外壳(13)内设置一个以上，连接绳(8)固定穿过拨盘(4)中心位置，拨盘(4)上布置突起的凸板(15)，凸板(15)中部设置与拨盘(4)表面平行布置的长槽；所述的变距电机(9)固定在机体外壳端部(18)内部的中心位置，变距电机(9)与可以拉动拨盘(4)在机体外壳(13)内部轴向移动的且穿过连接轴(2)的连接绳(8)连接。
4、按照权利要求1所述的一种管道行走机器人，其特征在于：所述的支撑腿(3)为可伸缩转动的杆状弹簧结构，支撑腿(3)与拨盘(4)所在平面平行布置，支撑腿(3)底部设置延伸出支撑腿(3)的拨爪(5)，拨爪(5)上的与拨爪(5)垂直的拉杆(19)延伸至拨盘(4)上的长槽内。
5、按照权利要求1、4所述的一种管道行走机器人，其特征在于：所述的与每个拨盘(4)连接的支撑腿(3)设置为三个，每个支撑腿(3)之间呈120°夹角布置，支撑腿(3)与管道内表面接触的部位安装滚轮装置(14)。
6、按照权利要求5所述的一种管道行走机器人，其特征在于：所述的支撑腿(3)通过机体外壳(13)固定其位置，所述的支撑腿(3)内部为可活动的杆状活动轴(20)，拨爪(5)与活动轴(20)为固定连接结构。
7、按照权利要求1、3所述的一种管道行走机器人，其特征在于：所述的拨盘(4)在每个机体外壳(13)内设置为2个。
8、按照权利要求1所述的一种管道行走机器人，其特征在于：所述的管道内表面接触接触的清洁装置(12)为毛刷，毛刷安装在每两个支撑腿(3)之间的圆弧面的中部位置，所述的连接绳(8)一端与变距电机(9)连接，另一端固定在另一个机体外壳(13)的端部，在该端部与连接绳(8)之间安装一个拉力弹簧(21)，连接绳(8)的中部有一个周转自由度。
9、一种管道行走机器人的控制方法，其特征在于：所述控制方法为：
a)需要机器人行走时，启动驱动电机(10)，驱动电机(10)通过齿轮盘(17)带动连接轴(2)运转，连接轴(2)带动另一机体外壳(13)转动，机器人在管道内实现行走；
b)需要调解机器人行走速度时，启动变距电机(9)，变矩电机(9)拉紧连接绳(8)，从而带动拨盘(4)沿轴线运动，运动的拨盘(4)通过拨爪(5)与凸板(15)上的长槽的运动带动支撑腿(3)的活动轴(20)转动，从而调解滚轮装置(14)的角度，实现机器人行走速度的变化；
c)需要机器人完成前进、原地旋转、后退三种动作时，通过调节与活动轴(20)连接的滚轮装置(14)的角度即能实现，且机器人完成前进、原地旋转、后退三种动作时为无级变速。
10、按照权利要求9所述的一种管道行走机器人的控制方法，其特征在于：所述的连接绳(8)带动拨盘(4)的运动，使得支撑腿(3)活动轴(20)的转动范围为+45°到-45°。
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