CN105135151A - 一种具有主动适应和自适应功能的履带式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有主动适应和自适应功能的履带式管道机器人，采用步进电机驱动的由螺旋机构、摇杆滑块机构、平行四边形机构组成的串联式组合机构，实现主动适应不同管道直径的变化并保持履带与管道内壁之间有一定的压力；利用一组安装在丝杠螺母和滑块之间的蝶型弹簧受力后产生的变形自动适应管道内管道接头、表面凹凸不平的局部障碍等工况；三个伺服电机经圆锥齿轮和圆柱齿轮传动驱动三组同步带轮转动从而带动三条作为管道机器人履带的双面同步齿型带运动并实现管道机器人的行驶功能；其结构简单，使用方便，操作运行安全，可在不同直径的管道内工作，环境适应性好，应用广泛。

Description

一种具有主动适应和自适应功能的履带式管道机器人

技术领域：

本发明属于机器人技术领域，涉及一种适用于不同管道直径的履带式管道机器人，特别是一种具有主动适应和自适应功能的履带式管道机器人。

技术背景：

目前，履带式管道机器人已逐渐应用于石油管道和天然气管道检测、中央空调管道的检测与清洗等领域，现有的履带式管道机器人分为能适应特定直径管道作业环境和能适应变直径管道作业环境的履带式管道机器人，其中能适应特定直径管道作业环境的履带式管道机器人只能适应单一直径管道作业环境，环境适应性较差，能适应变直径管道作业环境的履带式管道机器人由专门控制器驱动专门电动机进行控制，可以适应不同管道直径作业环境，但在实际使用过程中由于管道存在接头和管道内部可能存在凹凸不平的局部障碍等问题，实际使用效果受到一定的影响。因此，寻求一种具有主动适应和自适应功能的履带式管道机器人，采用步进电机驱动由螺旋机构、摇杆滑块机构、平行四边形机构组成的串联式组合机构，实现主动适应不同管道直径的变化并保持履带与管道内壁之间有一定的压力；同时，在丝杠螺母和滑块之间安装有一组蝶型弹簧，利用蝶型弹簧的变形能自动适应管道接头以及管道内表面凹凸不平的局部障碍等，使其具有可以通过主动适应装置适应不同管道直径工作环境的能力，同时又具有可以通过自适应装置自动适应管道接头、凹凸不平的局部障碍的能力。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种具有主动适应和自适应功能的履带式管道机器人，实现履带式管道机器人在不同直径管道中行驶并能自动适应管道接头以及管道内表面凹凸不平的局部障碍等工况，完成在管道中的自动行走功能。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括随动装置滚轮组件、随动装置摇杆、随动装置电池、万向联轴节、步进电机、联轴器、后下支撑座、后上支撑座、支撑板、双面同步齿型带、伺服电机组件、前下支撑座、前上支撑座、控制***用电池箱、电池箱压板、主动曲柄、小连杆、连杆、圆柱齿轮、从动曲柄、随动装置前连接板、随动装置电池箱、随动装置电池箱压板、随动装置后连接板、随动装置连杆、随动装置滑座、随动装置导向轴、随动装置压缩弹簧、随动装置连接杆、步进电机后连接板、轴头、步进电机连接杆、中间连接杆、滚珠丝杠、丝杠螺母、压力传感器、固定板、蝶型弹簧、滑块、丝杠前连接板、丝杠后连接板、步进电机前连接板、丝杠连接杆、主动同步带轮、主动同步带轮轴、圆锥齿轮轴、从动圆锥齿轮、主动圆锥齿轮、从动同步带轮轴、从动同步带轮和轴承；随动装置前连接板和随动装置后连接板分别安装在随动装置导向轴的前后两端，随动装置前连接板和随动装置后连接板之间采用三个随动装置连接杆固定连接；随动装置滑座间隙配合安装在随动装置导向轴上，随动装置压缩弹簧安装在随动装置导向轴的前部，随动装置压缩弹簧的一端顶在随动装置前连接板上，另一端顶在随动装置滑座上；随动装置滑座和随动装置连杆分别与随动装置摇杆连接组成摇杆滑块机构；随动装置滚轮组件采用钢制销轴安装在随动装置摇杆上组成转动副；丝杠前连接板和丝杠后连接板分别安装在滚珠丝杠的前后端组成转动副；丝杠前连接板和丝杠后连接板之间采用三个丝杠连接杆固定连接，丝杠后连接板和步进电机前连接板通过三个中间连接杆连接，步进电机前连接板与步进电机后连接板通过三个步进电机连接杆连接，步进电机前连接板和步进电机后连接板之间安装有步进电机，步进电机的前端与联轴器连接，步进电机后连接板、步进电机连接杆、中间连接杆、丝杠前连接板、丝杠后连接板、步进电机前连接板和丝杠连接杆共同形成机架；滑块与丝杠螺母固定连接，丝杠螺母与滑块之间依次设有压力传感器、固定板和蝶型弹簧，丝杠螺母、压力传感器、固定板、蝶型弹簧和滑块贯穿连接为一体；机架前后两端的外侧延周向分别均匀分布安装有三个主动曲柄和三个从动曲柄，每个主动曲柄和从动曲柄之间均通过连杆连接，主动曲柄、连杆、从动曲柄与机架组成三组平行四边形机构，每组平行四边形机构上均安装有同步齿型带，每个连杆上安装有前下支撑座和后下支撑座，前下支撑座和后下支撑座上分别与前上支撑座和后上支撑座连接；伺服电机组件安装在由前下支撑座、前上支撑座组成的前支撑座和由后下支撑座、后上支撑座组成的后支撑座的定位孔内并被夹紧；主动圆锥齿轮安装在伺服电机组件的输出轴上，与安装在圆锥齿轮轴上的从动圆锥齿轮相互啮合并传递动力；圆锥齿轮轴和主动同步带轮轴上分别安装有一个圆柱齿轮，两个圆柱齿轮相互啮合并传递动力；主动同步带轮安装在主动同步带轮轴上，从动同步带轮安装在从动同步带轮轴上，主动同步带轮通过双面同步齿型带驱动从动同步带轮转动；从动同步带轮轴、主动同步带轮轴和圆锥齿轮轴通过轴承安装在由前下支撑座、前上支撑座组成的前支撑座和由后下支撑、后上支撑座组成的后支撑座上；电池组安装在随动装置电池箱内，为步进电机和伺服电机组件供电，随动装置电池箱压板盖在随动装置电池箱上；随动装置前连接板通过万向联轴节和轴头与步进电机后连接板相连，控制***用电池箱固定在支撑板上，电池箱压板安装在控制***用电池箱上方将控制***用电池箱内的电池压紧，支撑板安装在丝杠前连接板和丝杠后连接板上，为控制***供电的电池放在电池箱中并用电池箱压板压紧。

本发明工作时，步进电机经联轴器带动滚珠丝杠转动并驱动丝杠螺母移动，与丝杠螺母固连在一起的滑块随丝杠螺母一起移动，并通过小连杆推动主动曲柄转动，主动曲柄转动时，连杆作平动，从而保证履带式管道机器人实现主动适应不同的管道直径的功能并保持履带与管道内壁之间有一定的压力；当管道机器人在行进过程中遇到如管道接头、表面凹凸不平的局部障碍等工况时，蝶型弹簧在增加的压力作用下进一步发生弹性变形，滑块移动并带动主动曲柄回摆，管道机器人外径减小以自动适应上述工况；伺服电机组件通过从动圆锥齿轮、主动圆锥齿轮和一对圆柱齿轮驱动主动同步带轮转动，从而带动双面同步齿型带运动，实现管道机器人的行驶功能。

本发明与现有技术相比，采用步进电机驱动的由螺旋机构、摇杆滑块机构、平行四边形机构组成的串联式组合机构，实现主动适应不同管道直径的变化并保持履带与管道内壁之间有一定的压力；利用一组安装在丝杠螺母和滑块之间的蝶型弹簧受力后产生的变形自动适应管道内管道接头、表面凹凸不平的局部障碍等工况；三个伺服电机经圆锥齿轮和圆柱齿轮传动驱动三组同步带轮转动从而带动三条作为管道机器人履带的双面同步齿型带运动并实现管道机器人的行驶功能；其结构简单，使用方便，操作运行安全，可在不同直径的管道内工作，环境适应性好，应用广泛，既能主动适应装置适应不同管道直径工作环境，又能自动适应管道接头和凹凸不平的局部障碍。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明的主体部分剖视结构原理示意图。

图3为本发明的主体俯视结构原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明进一步阐述。

实施例：

本实施例的主体结构包括随动装置滚轮组件1、随动装置摇杆2、随动装置电池3、万向联轴节4、步进电机5、联轴器6、后下支撑座7、后上支撑座8、支撑板9、双面同步齿型带10、伺服电机组件11、前下支撑座12、前上支撑座13、控制***用电池箱14、电池箱压板15、主动曲柄16、小连杆17、连杆18、圆柱齿轮19、从动曲柄20、随动装置前连接板21、随动装置电池箱22、随动装置电池箱压板23、随动装置后连接板24、随动装置连杆25、随动装置滑座26、随动装置导向轴27、随动装置压缩弹簧28、随动装置连接杆29、步进电机后连接板30、轴头31、步进电机连接杆32、中间连接杆33、滚珠丝杠34、丝杠螺母35、压力传感器36、固定板37、蝶型弹簧38、滑块39、丝杠前连接板40、丝杠后连接板41、步进电机前连接板42、丝杠连接杆43、主动同步带轮44、主动同步带轮轴45、圆锥齿轮轴46、从动圆锥齿轮47、主动圆锥齿轮48、从动同步带轮轴49、从动同步带轮50和轴承51；由铝合金制作的随动装置前连接板21和随动装置后连接板24分别安装在随动装置导向轴27的前后两端，随动装置前连接板21和随动装置后连接板24之间采用三个钢制随动装置连接杆29通过M5螺母固定连接；铝合金制成的随动装置滑座26间隙配合安装在随动装置导向轴27上，随动装置压缩弹簧28安装在随动装置导向轴27的前部，随动装置压缩弹簧28的一端顶在随动装置前连接板21上，另一端顶在随动装置滑座26上；铝合金制成的随动装置滑座26和随动装置连杆25分别用钢制销轴与随动装置摇杆2连接组成摇杆滑块机构；聚氨酯制成的随动装置滚轮组件1采用钢制销轴安装在随动装置摇杆2上组成转动副；铝合金制成的丝杠前连接板40和丝杠后连接板41分别安装在滚珠丝杠34的前后端组成转动副；丝杠前连接板40和丝杠后连接板41之间采用三个钢制丝杠连接杆43通过M4螺母固定连接，丝杠后连接板41和铝合金制作的步进电机前连接板42通过三个钢制中间连接杆33连接，步进电机前连接板42与铝合金制作的步进电机后连接板30通过三个钢制步进电机连接杆32连接，步进电机前连接板42和步进电机后连接板30之间安装有步进电机5，步进电机5的前端与联轴器6连接，之前所述的零件30、32、33、40、41、42、43连接后共同形成机架；滑块39与丝杠螺母35固定连接，丝杠螺母35与滑块39之间依次设有压力传感器36、钢制固定板37和蝶型弹簧38，丝杠螺母35、压力传感器36、钢制固定板37、蝶型弹簧38和铝合金制作的滑块39采用用三个M4等高螺栓贯穿连接为一体；机架前后两端的外侧延周向分别均匀分布安装有三个主动曲柄16和三个从动曲柄20，每个主动曲柄16和从动曲柄20之间均通过连杆18连接，主动曲柄16、连杆18、从动曲柄20与机架组成三组平行四边形机构，每组平行四边形机构上均安装有同步齿型带10，每个连杆18上采用四个M5螺栓安装有铝合金制作的前下支撑座12和后下支撑座7，前下支撑座12和后下支撑座7上分别用四个M5螺栓与铝合金制作的前上支撑座13和后上支撑座8连接；伺服电机组件11安装在由前下支撑座12、前上支撑座13组成的前支撑座和由后下支撑座7、后上支撑座8组成的后支撑座的定位孔内并被夹紧；45号钢制作的主动圆锥齿轮48安装在伺服电机组件11的输出轴上，与安装在圆锥齿轮轴46上的45号钢制作的从动圆锥齿轮47相互啮合并传递动力；圆锥齿轮轴46和主动同步带轮轴45上分别安装有一个45号钢制作的圆柱齿轮19，两个圆柱齿轮19相互啮合并传递动力；钢制的主动同步带轮44安装在主动同步带轮轴45上，钢制从动同步带轮50安装在从动同步带轮轴49上，主动同步带轮44通过双面同步齿型带10驱动钢制从动同步带轮50转动；45号钢制作的从动同步带轮轴49、主动同步带轮轴45和圆锥齿轮轴46通过轴承51安装在由前下支撑座12、前上支撑座13组成的前支撑座和由后下支撑座7、后上支撑座8组成的后支撑座上；电池组3安装在随动装置电池箱22内，为步进电机5和伺服电机组件11供电，随动装置电池箱压板23盖在随动装置电池箱22上；随动装置前连接板21通过万向联轴节4和轴头31与步进电机后连接板30相连，控制***用电池箱14通过M4螺栓组固定在支撑板9上，电池箱压板15安装在控制***用电池箱14上方将控制***用电池箱14内的电池压紧，支撑板9采用M4螺钉安装在丝杠前连接板40和丝杠后连接板41上，为控制***供电的电池放在控制***用电池箱14中并用电池箱压板15压紧。

本实施例工作时，步进电机5经联轴器6带动滚珠丝杠34转动并驱动丝杠螺母35移动，与丝杠螺母35固连在一起的滑块39随丝杠螺母35一起移动，并通过小连杆17推动主动曲柄16转动，主动曲柄16转动时，连杆18作平动，从而保证履带式管道机器人实现主动适应不同的管道直径的功能并保持履带与管道内壁之间有一定的压力；当管道机器人在行进过程中遇到如管道接头、表面凹凸不平的局部障碍等工况时，蝶型弹簧38在增加的压力作用下进一步发生弹性变形，滑块39移动并带动主动曲柄16回摆，管道机器人外径减小以自动适应上述工况；伺服电机组件11通过从动圆锥齿轮47、主动圆锥齿轮48和一对圆柱齿轮19驱动主动同步带轮44转动，从而带动双面同步齿型带10运动，实现管道机器人的行驶功能。

Claims (2)

1.一种具有主动适应和自适应功能的履带式管道机器人，其特征在于主体结构包括随动装置滚轮组件、随动装置摇杆、随动装置电池、万向联轴节、步进电机、联轴器、后下支撑座、后上支撑座、支撑板、双面同步齿型带、伺服电机组件、前下支撑座、前上支撑座、控制***用电池箱、电池箱压板、主动曲柄、小连杆、连杆、圆柱齿轮、从动曲柄、随动装置前连接板、随动装置电池箱、随动装置电池箱压板、随动装置后连接板、随动装置连杆、随动装置滑座、随动装置导向轴、随动装置压缩弹簧、随动装置连接杆、步进电机后连接板、轴头、步进电机连接杆、中间连接杆、滚珠丝杠、丝杠螺母、压力传感器、固定板、蝶型弹簧、滑块、丝杠前连接板、丝杠后连接板、步进电机前连接板、丝杠连接杆、主动同步带轮、主动同步带轮轴、圆锥齿轮轴、从动圆锥齿轮、主动圆锥齿轮、从动同步带轮轴、从动同步带轮和轴承；随动装置前连接板和随动装置后连接板分别安装在随动装置导向轴的前后两端，随动装置前连接板和随动装置后连接板之间采用三个随动装置连接杆固定连接；随动装置滑座间隙配合安装在随动装置导向轴上，随动装置压缩弹簧安装在随动装置导向轴的前部，随动装置压缩弹簧的一端顶在随动装置前连接板上，另一端顶在随动装置滑座上；随动装置滑座和随动装置连杆分别与随动装置摇杆连接组成摇杆滑块机构；随动装置滚轮组件采用钢制销轴安装在随动装置摇杆上组成转动副；丝杠前连接板和丝杠后连接板分别安装在滚珠丝杠的前后端组成转动副；丝杠前连接板和丝杠后连接板之间采用三个丝杠连接杆固定连接，丝杠后连接板和步进电机前连接板通过三个中间连接杆连接，步进电机前连接板与步进电机后连接板通过三个步进电机连接杆连接，步进电机前连接板和步进电机后连接板之间安装有步进电机，步进电机的前端与联轴器连接，步进电机后连接板、步进电机连接杆、中间连接杆、丝杠前连接板、丝杠后连接板、步进电机前连接板和丝杠连接杆共同形成机架；滑块与丝杠螺母固定连接，丝杠螺母与滑块之间依次设有压力传感器、固定板和蝶型弹簧，丝杠螺母、压力传感器、固定板、蝶型弹簧和滑块贯穿连接为一体；机架前后两端的外侧延周向分别均匀分布安装有三个主动曲柄和三个从动曲柄，每个主动曲柄和从动曲柄之间均通过连杆连接，主动曲柄、连杆、从动曲柄与机架组成三组平行四边形机构，每组平行四边形机构上均安装有同步齿型带，每个连杆上安装有前下支撑座和后下支撑座，前下支撑座和后下支撑座上分别与前上支撑座和后上支撑座连接；伺服电机组件安装在由前下支撑座、前上支撑座组成的前支撑座和由后下支撑座、后上支撑座组成的后支撑座的定位孔内并被夹紧；主动圆锥齿轮安装在伺服电机组件的输出轴上，与安装在圆锥齿轮轴上的从动圆锥齿轮相互啮合并传递动力；圆锥齿轮轴和主动同步带轮轴上分别安装有一个圆柱齿轮，两个圆柱齿轮相互啮合并传递动力；主动同步带轮安装在主动同步带轮轴上，从动同步带轮安装在从动同步带轮轴上，主动同步带轮通过双面同步齿型带驱动从动同步带轮转动；从动同步带轮轴、主动同步带轮轴和圆锥齿轮轴通过轴承安装在由前下支撑座、前上支撑座组成的前支撑座和由后下支撑、后上支撑座组成的后支撑座上；电池组安装在随动装置电池箱内，为步进电机和伺服电机组件供电，随动装置电池箱压板盖在随动装置电池箱上；随动装置前连接板通过万向联轴节和轴头与步进电机后连接板相连，控制***用电池箱固定在支撑板上，电池箱压板安装在控制***用电池箱上方将控制***用电池箱内的电池压紧，支撑板安装在丝杠前连接板和丝杠后连接板上，为控制***供电的电池放在电池箱中并用电池箱压板压紧。

2.根据权利要求1所述的具有主动适应和自适应功能的履带式管道机器人，其特征在于该机器人工作时，步进电机经联轴器带动滚珠丝杠转动并驱动丝杠螺母移动，与丝杠螺母固连在一起的滑块随丝杠螺母一起移动，并通过小连杆推动主动曲柄转动，主动曲柄转动时，连杆作平动，从而保证履带式管道机器人实现主动适应不同的管道直径的功能并保持履带与管道内壁之间有压力；当管道机器人在行进过程中遇到管道接头和表面凹凸不平的局部障碍时，蝶型弹簧在增加的压力作用下进一步发生弹性变形，滑块移动并带动主动曲柄回摆，管道机器人外径减小以自动适应管道接头和表面凹凸不平的局部障碍；伺服电机组件通过从动圆锥齿轮、主动圆锥齿轮和一对圆柱齿轮驱动主动同步带轮转动，从而带动双面同步齿型带运动，实现管道机器人的行驶功能。