CN109357105A - 一种轮履复合式管道机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮履复合式管道机器人，包括履带式行进驱动装置、两个从动轮装置和控制器，行进驱动装置上左右对称的设置两个L型支架，两个L型支架的一端固定在行进驱动装置上，另一端竖直向下，两个从动轮装置分别安装在两个L型支架上；从动轮装置包括从动轮，驱动从动轮升降的升降机构和驱动从动轮转向的转向机构；升降机构包括第一电机、第一主动齿轮、第一从动齿轮、丝杆和导杆；转向机构包括第二电机、第二主动齿轮、第二从动齿轮和转轴；从动轮上设置压力传感器；控制器与行进驱动装置、第一电机、第二电机以及压力传感器连接。本发明的轮履复合式管道机器人具有优越的管径适应能力，越障能力和牵引能力。
Description
技术领域
本发明涉及管道机器人技术领域，具体涉及一种轮履复合式管道机器人。
背景技术
随着管网的建设和发展，管道作为流体重要的输送工具，广泛应用于石油、化工、建筑、天然气、核工业等多个领域。管道内部输送的流体因高温、高压、高流速、腐蚀等特性，会对管壁造成损害。管道外部则容易受到水分、化学物质的侵蚀，挤压、撞击等物理损伤。管道一旦发生破坏，危险流体泄露，可能造成大量人员伤亡、重大财产损失和严重环境污染。为排除这些安全隐患，最行之有效的办法是对管道进行定期的检测维护，针对大直径的长输管道，已有很多成熟的被动式管道机器人技术。然而针对300mm以下的小直径管道，由于尺寸和结构的限制无法采用被动式管道机器人进行检测维护，成为国内外亟待解决的重要难题。
现有技术中，应用于小直径管道的管道机器人多采用轮式驱动机构，多个驱动轮环形分布，利用预紧机构使驱动轮与管道内壁贴合。但是，这类轮式管道机器人在复杂的管道环境内适应能力差、越障能力差，行进过程中常出现卡堵和倾翻。有管道机器人采用履带式驱动机构，多个履带式驱动机构在预紧机构的作用下组合，使管道机器人与管道内壁之间产生正压力，从而驱动机器人整体在管道内的运动，但是履带式驱动机构自身结构尺寸较大，使得多个履带式驱动机构组合后的管道机器人的整体结构尺寸也较大，此类管道机器人难以适用于小管径管道的检测。
发明内容
为了解决现有技术中，管道机器人适应管道环境能力差，小管径管道中难以应用管道机器人进行检测的问题，本发明提供了一种越障能力强、适应管径范围大的轮履复合式管道机器人。
为了实现上述目的和其它优点，本发明提供了一种轮履复合式管道机器人，该机器人包括履带式行进驱动装置、两个从动轮装置和控制器。所述履带式行进驱动装置包括驱动电机，驱动电机驱动履带正转和反转。行进驱动装置上通过螺钉固定安装有底板，底板左右两端分别安装L型支架。两个L型支架关于行进驱动装置左右对称设置。L型支架一端固定在底板上，另一端竖直向下，使得L型支架的竖直段向下设置。两个从动轮装置分别安装在两个L型支架上。
所述从动轮装置包括从动轮，驱动从动轮升降的升降机构和驱动从动轮转向的转向机构。其中，所述升降机构包括第一电机、第一主动齿轮、第一从动齿轮、丝杆和导杆。第一电机固定于L型支架水平段，第一电机动力输出端连接第一主动齿轮，第一主动齿轮与第一从动齿轮啮合；丝杆和导杆设置在L型支架竖直段的外侧且与L型支架竖直段平行，所述丝杆通过丝杆支撑座安装在L形支架上。丝杆顶端与第一从动齿轮固定连接。导杆的两端分别通过导杆支撑座固定在L形支架上。丝杆和导杆上同时套设有滑块，滑块可随丝杆的转动上下移动，滑块上安装托盘，托盘上设置转向机构。
所述转向机构包括第二电机、第二主动齿轮、第二从动齿轮和转轴。第二电机固定在托盘上，第二电机动力输出端连接第二主动齿轮，第二主动齿轮与第二从动齿轮啮合，转轴垂直于托盘设置，转轴底端连接第二从动齿轮，顶端通过从动轮支架固定连接从动轮，从动轮上设置压力传感器用以检测从动轮对管道内壁的压力。转向机构转动角度范围为-90°～+90°。
所述控制器与行进驱动装置、第一电机、第二电机以及压力传感器连接。
优选的是，所述从动轮支架上端呈U形，U形内设置从动轮；从动轮支架底端设有至少一个凸出部，所述转轴的顶端开设至少一个凹槽。从动轮支架的凸起部和转轴的凹槽数量相同。从动轮支架的凸出部与转轴的凹槽一一对应相互配合使用，凸出部在凹槽内的高度位置可调节。转轴上套设有环形弹簧，弹簧两端分别抵靠从动轮支架和托盘。
优选的是，所述底板上方设置控制盒，控制盒内放置控制器和电源，电源为整个机器人供电。
优选的是，所述丝杆两侧对称布置有两根导杆，两根导杆的两端分别通过导杆支撑座固定在L形支架上。
进一步优选的是，所述第一电机固定安装在L型支架水平段的下表面，第一主动齿轮和第一从动齿轮安装在水平段上表面，第一主动齿轮位于第一电机正上方。
优选的是，所述第二电机固定在托盘上，第二主动齿轮和第二从动齿轮位于托盘底部，第二主动齿轮与第二电机上下相对，转轴的底端穿过托盘且与托盘底部的第二从动齿轮连接，转轴相对于托盘可旋转。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出一种轮履复合式管道机器人结构，设计的升降机构和转向机构使得管道机器人具有管径适应能力和管内姿态主动调整能力。通过控制两个升降机构中升降驱动电机(第一电机)的转动，可实现两个从动轮的上下移动，使管道机器人具有较强的管径适应能力。通过控制两个转向机构中转向驱动电机(第二电机)的旋转，使两个从动轮方向发生改变，实现机器人在管道内姿态的主动调整，使得管道机器人在管道内具有较强的避障能力。另外，通过设置于转轴上的弹簧，增大了机器人与管道内壁之间的正压力，从而提高了管道机器人在管道内的牵引能力。由于本发明的结构简单，其上可搭载机器人所需的电源和控制器，可实现机器人在管内的无缆运行。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、本发明的机器人在管道内的结构示意图。
图2、本发明的机器人在管道内的侧向结构示意图。
图3、本发明的机器人在管道内越障时姿态示意图。
图中标号：
1-行进驱动装置、2-底板、3-L形支架、4-第一电机、5第一主动齿轮、6-第一从动齿轮、7-丝杆、8-导杆、9-导杆支撑座、10-丝杆支撑座、11-滑块、12-托盘、13-第二电机、14-第二主动齿轮、15-第二从动齿轮、16-转轴、17-弹簧、18-从动轮支架、19-从动轮、20-管道、21-控制盒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1和图2所示，本发明提供了一种轮履复合式管道机器人，该机器人包括履带式行进驱动装置1、两个从动轮装置和控制器。所述履带式行进驱动装置1包括设置在其内部的驱动电机(未示出)，驱动电机驱动履带正转和反转。行进驱动装置1上通过螺钉固定安装有底板2，底板2左右两端分别安装有L型支架3。两个L型支架3关于行进驱动装置1左右对称设置。L型支架3一端固定在底板2上，另一端竖直向下，使得L型支架的竖直段向下设置。两个从动轮装置分别安装在两个L型支架3上。所述底板2上方设置控制盒21，控制盒21内放置控制器(未示出)和电源(未示出)，电源为整个机器人供电。
所述从动轮装置包括从动轮19，驱动从动轮19升降的升降机构和驱动从动轮19转向的转向机构。其中，所述升降机构包括升降驱动的第一电机4、第一主动齿轮5、第一从动齿轮6、丝杆7和导杆8。所述第一电机4固定安装在L型支架3水平段的下表面，第一主动齿轮5和第一从动齿轮6安装在水平段上表面，第一主动齿轮5位于第一电机4正上方。第一电机4的动力输出端连接第一主动齿轮5，第一主动齿轮5与第一从动齿轮6啮合。丝杆7和导杆8设置在L型支架3竖直段的外侧且与L型支架竖直段平行。所述丝杆7通过丝杆支撑座10安装在L形支架3上。丝杆7顶端与第一从动齿轮6固定连接。导杆8通过导杆支撑座9固定在L形支架3上。进一步限定的是，所述丝杆7两侧对称布置有两根导杆8，两根导杆8的两端分别通过导杆支撑座9固定在L形支架3上。丝杆7和导杆8上同时套设有滑块11，滑块11可随丝杆7的转动上下移动，滑块11上固定连接托盘12，托盘12上设置转向机构。
所述转向机构包括转向驱动的第二电机13、第二主动齿轮14、第二从动齿轮15和转轴16。所述第二电机13固定在托盘12上，第二主动齿轮14和第二从动齿轮15位于托盘12底部，第二主动齿轮14与第二电机13上下相对。第二电机13动力输出端连接第二主动齿轮14，第二主动齿轮14与第二从动齿轮15啮合。转轴16垂直于托盘12，且转轴16的底端穿过托盘12且与托盘底部的第二从动齿轮15连接，转轴16相对于托盘12可旋转。转轴16顶端设置从动轮支架18，从动轮支架18上安装从动轮19。从动轮19上设置压力传感器(未示出)用以检测从动轮19对管道20内壁的压力。在第二电机13的驱动下，转向机构转动角度范围为-90°～+90°。
所述控制器分别与行进驱动装置1、第一电机4、第二电机13以及压力传感器连接，用于控制行进驱动装置1、第一电机4及第二电机13的工作状态，进而实现控制整个管道机器人。
另一实施例中，所述从动轮支架18上端呈U形，U形内设置从动轮19；从动轮支架18底端设有至少一个凸出部，所述转轴的顶端开设至少一个凹槽。从动轮支架的凸出部和转轴的凹槽数量相同。从动轮支架的凸出部与转轴的凹槽一一对应相互配合使用，凸出部在凹槽内的高度位置可调节。转轴上套设有环形弹簧17，弹簧17处于两端分别抵靠从动轮支架18和托盘12。在弹簧的弹力下，弹力作用于从动轮，进而调节从动轮19与管道20内壁面之间的正压力。
本发明的轮履复合式管道机器人适应管径变化的工作原理如下：
通过控制盒21内的电源给管道机器人通电，将管道机器人放入管道20中，通过控制器控制两个第一电机4(升降驱动电机)开启，可通过正转和反转控制升降机构的上升和下降，第一电机4通过第一主动齿轮5将运动传递给第一从动齿轮6，第一从动齿轮6带动丝杆7转动，丝杆7的转动使得滑块11带动托盘12移动，使得两个安装在从动轮支架18上的从动轮19沿丝杆7的轴线方向上下移动；当从动轮19与管道20贴合时，通过压力传感器(未示出)检测从动轮19与管道20内壁的贴合情况，控制器基于接收到的压力传感器的检测信号控制第一电机4的工作状态，在第一电机4停止后，在弹簧17的作用下，处于压缩状态的弹簧具有伸长的趋势，对从动轮施加作用力，增大了从动轮与管道内壁面之间的正压力，从而提高了管道机器人在管道内的牵引能力，实现本发明轮履复合式管道机器人在管道内适应管径的变化。
如图3所示，本发明的轮履复合式管道机器人在管道内实现主动调整姿态的工作原理如下：
通过控制盒21内的电源给管道机器人通电，将管道机器人放入管道20中，通过控制器控制两个第二电机13(转向驱动电机)的旋转，可通过电机的正转和反转控制转向角度，第二电机13将运动通过第二主动齿轮14传递到第二从动齿轮15上，第二从动齿轮15带动转轴16旋转，从动轮支架18转动和从动轮19转向，可使得轮履复合式管道机器人在管道20内的姿态变化，从而避开管内障碍物行驶。
综上所述，本发明提供了一种越障能力强、适应管径范围大的轮履复合式管道机器人。克服了现有技术中管道机器人适应管道环境能力差，小管径管道中难以应用管道机器人进行检测的问题。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种轮履复合式管道机器人，其特征在于，包括履带式行进驱动装置、两个从动轮装置和控制器，所述行进驱动装置上左右对称的设置两个L型支架，两个L型支架的一端固定在行进驱动装置上，另一端竖直向下，两个从动轮装置分别安装在两个L型支架上；
所述从动轮装置包括从动轮，驱动该从动轮升降的升降机构和驱动该从动轮转向的转向机构；
所述升降机构包括第一电机、第一主动齿轮、第一从动齿轮、丝杆和导杆；第一电机固定于L型支架水平段，第一电机的动力输出端连接第一主动齿轮，第一主动齿轮与第一从动齿轮啮合，丝杆和导杆设置在L型支架竖直段的外侧且与L型支架竖直段平行，丝杆顶端与第一从动齿轮固定连接，丝杆和导杆上同时套设有滑块，滑块可随丝杆的转动上下移动，滑块上固定托盘，托盘上设置转向机构；
所述转向机构包括第二电机、第二主动齿轮、第二从动齿轮和转轴；第二电机固定在托盘上，第二电机的动力输出端连接第二主动齿轮，第二主动齿轮与第二从动齿轮啮合，转轴垂直于托盘设置，转轴底端连接第二从动齿轮，顶端通过从动轮支架固定连接从动轮，从动轮上设有压力传感器用以检测从动轮对管道内壁的压力；
所述控制器与履带式行进驱动装置、第一电机、第二电机以及压力传感器连接。
2.如权利要求1所述的轮履复合式管道机器人，其特征在于，所述从动轮支架上端呈U形，U形内设置从动轮；从动轮支架底端设有至少一个凸出部，所述转轴的顶端开设至少一个凹槽，从动轮支架的凸出部与转轴的凹槽一一对应相互配合使用，凸出部在凹槽内的高度位置可调节；转轴上套设有环形弹簧，弹簧两端分别抵靠从动轮支架和托盘。
3.如权利要求1所述的轮履复合式管道机器人，其特征在于，所述行进驱动装置包括驱动电机，驱动电机驱动履带正转和反转。
4.如权利要求3所述的轮履复合式管道机器人，其特征在于，所述行进驱动装置上通过螺钉固定安装有底板，底板左右两端分别安装L型支架。
5.如权利要求4所述的轮履复合式管道机器人，其特征在于，所述底板上方设置控制盒，控制盒内放置控制器和电源，电源为整个机器人供电。
6.如权利要求1所述的轮履复合式管道机器人，其特征在于，所述丝杆通过丝杆支撑座安装在L形支架上。
7.如权利要求6所述的轮履复合式管道机器人，其特征在于，所述丝杆两侧对称布置有两根导杆，两根导杆通过导杆支撑座固定在L形支架上。
8.如权利要求7所述的轮履复合式管道机器人，其特征在于，所述第一电机固定安装在L型支架水平段的下表面，第一主动齿轮和第一从动齿轮安装在水平段上表面，第一主动齿轮位于第一电机正上方。
9.如权利要求1所述的轮履复合式管道机器人，其特征在于，所述第二电机固定在托盘上，第二主动齿轮和第二从动齿轮位于托盘底部，第二主动齿轮与第二电机上下相对，转轴的底端穿过托盘且与托盘底部的第二从动齿轮连接，转轴相对于托盘可旋转。
10.如权利要求9所述的轮履复合式管道机器人，其特征在于，所述转向机构转动角度范围为-90°～+90°。
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