CN111776100B - 具有六连杆机构的外管道爬行机器人 - Google Patents

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Abstract

一种外管道爬行机器人，包括：结构相同的前车体、后车体以及车体连接件和驱动装置，其中：车体连接件分别与前车体和后车体相连，驱动装置设置于前车体和后车体上；前车体包括：底盘和设置于底盘上的万向轮、机械臂、连接圆盘、动力机构；机械臂包括：基座、六连杆机构和轮组机构。本发明利用三套驱动***的运动和输出力作为运动和力输入，通过六杆机构的机械臂实现管道抓握，通过创新的轮组设计，可实现适应半径可调，沿管直线运动、绕管转动以及克服直角拐弯障碍等多种运动功能，结构简单、制造容易、成本低廉，同时能够在不同直径的管道上实现运动，可根据需要搭载各种管道检测装置，大大降低了监测工作的人力物力，具有广阔的运用前景。

Description

具有六连杆机构的外管道爬行机器人
技术领域
本发明涉及的是一种管道爬行领域的技术，具体是一种具有六连杆机构的外管道爬行机器人。
背景技术
在核电站、各类工厂、城市供水***等场所，管道***往往十分复杂，需要定期检测以保障安全性。人工检测耗时耗力，效率低下，且大多数管道中都含有高温、高压、有毒、有辐射的流体，因此需要管道检测机器人来代替人工进行作业。
管道检测机器人是一类集多类传感器及操作装置于一身的机器人，主要可分为外管道和内管道两种。内管道爬行机器人主要采用滚轮或履带，实现在管道内的移动，适合于细管径的攀爬，需要机器人较高的柔性，无法做到在管道输油排水的同时进行检测。外管道爬行机器人则通过夹持机构和轮组，实现对管道的抓握和移动，进而开展检测工作。外管道机器人则可以同时进行输油与检测，但不适合变管径管道或垂直管道的工作，对灵活性和传动要求较高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有六连杆机构的外管道爬行机器人，利用三套驱动***的运动和输出力作为运动和力输入，通过六杆机构的机械臂实现管道抓握，通过创新的轮组设计实现直线运动和绕管转动。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：结构相同的前车体、后车体以及车体连接件和驱动装置，其中：车体连接件分别与前车体和后车体相连，驱动装置设置于前车体和后车体上。
所述的前车体包括：底盘和设置于底盘上的万向轮、机械臂、连接圆盘、动力机构，其中：万向轮前后设置于底盘底部，动力机构设置于底盘中间位置并与连接圆盘相连，机械臂对称设置于底盘两侧并通过连接圆盘与动力机构相连。
所述的机械臂包括：基座、六连杆机构和轮组机构，其中：基座设置于底盘四周并与六连杆机构相连，六连杆机构设置于底盘两侧并与连接圆盘相连，轮组机构设置于六连杆机构末端。
所述的六连杆机构包括：圆盘连杆、上转轴、下转轴、臂连杆、轮组支撑架和轴承，其中：圆盘连杆一端与连接圆盘相连，另一端与臂连杆相连，臂连杆设置于上转轴两端，并通过轴承与基座相连，臂连杆另一端设置于下转轴两端，并通过下转轴与轮组支撑架相连。
所述的轮组机构包括：直流电机、电机架和柱形滚轮，其中：柱形滚轮设置于六连杆机构上，电机架设置于六连杆机构上并与柱形滚轮相连，直流电机设置于电机架上。
技术效果
本发明整体了工业生产中无法对复杂管路***进行全自动检测的问题。本发明在无需拆装即可在不同管径(200±20mm)的管道上工作；能够通过包括直角形管道和T型管道在内的复合管路***，直线运动速度达0.5m/s，平均过弯时间10s；能够实现绕管周向转动检测。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明机械臂不同张角示意图；
图3为本发明轮组与管道间的受力示意图；
图4为本发明通过直角弯管的运动过程示意图；
图5a～c为实施例工作状态示意图；
图中：底盘1、机械臂2、基座3、轴承4、万向轮5、连接圆盘6、圆盘连杆7、动力机构8、上转轴9、下转轴10、轮组支撑架11、臂连杆12、电机架13、直流电机14、柱形滚轮15、车体连接件16、驱动装置17、前车体18、后车体19、轮组机构20、六连杆机构21、上臂连杆22。
具体实施方式
如图1～图3所示，为本实施例涉及的一种外管道爬行机器人，其中包含：结构相同的前车体18、后车体19以及用于控制前后车体绕轴转动的车体连接件16和驱动装置17，其中：车体连接件16分别与前车体18和后车体19相连，驱动装置17设置于前车体18和后车体19上。
所述的前车体18包括：用于支撑和连接的底盘1和设置于底盘上的两个万向轮5、两组机械臂2、连接圆盘6、动力机构8，其中：万向轮5通过防松螺母前后设置于底盘1底部，动力机构8设置于底盘1中间位置并与连接圆盘6相连，机械臂2对称设置于底盘1两侧并通过连接圆盘6与动力机构8相连，驱动装置8带动连接圆盘6转动，通过一系列连杆的传递，转化成左右两侧机械臂2的同步张合，用于抱紧管道并提供一定的预紧力，机械臂2抱紧时与管道呈约45度夹角。
所述的机械臂2包括：基座3、六连杆机构21和轮组机构20，其中：基座3通过防松螺母设置于底盘1四周并与六连杆机构21相连，六连杆机构21设置于底盘1两侧并与连接圆盘6相连，轮组机构20设置于六连杆机构21末端。
所述的六连杆机构21包括：圆盘连杆7、上转轴9、下转轴10、臂连杆12、轮组支撑架11、轴承4和上臂连杆22，其中：圆盘连杆7一端与连接圆盘6相连，另一端与臂连杆12相连，臂连杆12设置于上转轴9两端，并通过轴承4与基座3相连，臂连杆12另一端设置于下转轴10两端，并通过下转轴10与轮组支撑架11相连。
所述的轮组机构20包括：直流电机14、电机架13和柱形滚轮15，其中：柱形滚轮15设置于轮组支撑架11之间，电机架13设置于轮组支撑架11上并与柱形滚轮15相连，直流电机14设置于电机架13上。
所述的万向轮5表面覆盖有硅橡胶。
所述的机械臂六连杆能够同时控制两侧机械臂同步运动；通过控制圆盘转角，能使得机械臂适应不同管径的管道；通过合理设计各个连杆的长度、整体机构的传动角和压力角，可以以较小的电机驱动力矩输出较大末端预紧力。
如图4、图5a～c所示，当机械臂2上的驱动装置17顺时针转动时，机械臂2末端夹紧管道，当逆时针转动时则放开管道。通过控制驱动装置17的转角，可以调整机械臂2的张角，从而实现适应半径可调，让机器人可以在不同直径的管道上(200±20mm)工作。
当柱形滚轮15转动时，就会产生沿管径和垂直于管径的摩擦力。若两侧柱形滚轮15逆向转动，则两侧产生的垂直于管径的摩擦力相互抵消，而沿轴线的摩擦力相互叠加，可以使机器人直线运动；若两侧柱形滚轮15同向转动，两侧产生的沿轴径的摩擦力相互抵消，而垂直于轴线的摩擦力相互叠加，可以使机器人绕管转动。
所述的驱动装置17可以控制两个车体相对运动，使其呈一定的夹角；当通过直角型管道时，先通过绕管转动调整机器人到合适位置，然后前车体18的机械臂2张开，后车体19的机械臂抓紧管道，通过中部的驱动装置控制前车抬起至前后车体呈90度，然后后车体19驱动使机器人直线前进，直到前车体18抵住管道并抓住，然后后车松开管道，前车驱动，即可通过直角型管道。
经过具体实际实验，在直径200mm的PVC管道下，以12V电源为60kg舵机供电，轮子外皮材质为硅橡胶，运行上述装置，能够得到的实验数据是：对管壁的正压力为11.12N，两侧轮子提供的牵引力为4.72N。
与现有技术相比，本装置用较小的工作电压和舵机，实现较大的预紧力和牵引力，达到机构复杂运动的动力需求。同时精简结构，降低整体重量和能耗，提高了运行效率。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种外管道爬行机器人，其特征在于，包括：结构相同的前车体、后车体以及车体连接件和驱动装置，其中：车体连接件分别与前车体和后车体相连，驱动装置设置于前车体和后车体上；
所述的前车体包括：底盘和设置于底盘上的万向轮、机械臂、连接圆盘、动力机构，其中：万向轮前后设置于底盘底部，动力机构设置于底盘中间位置并与连接圆盘相连，机械臂对称设置于底盘两侧并通过连接圆盘与动力机构相连；
所述的机械臂包括：基座、六连杆机构和轮组机构，其中：基座设置于底盘四周并与六连杆机构相连，六连杆机构设置于底盘两侧并与连接圆盘相连，轮组机构设置于六连杆机构末端；
所述的六连杆机构包括：圆盘连杆、上转轴、下转轴、臂连杆、轮组支撑架和轴承，其中：圆盘连杆一端与连接圆盘相连，另一端与臂连杆相连，臂连杆设置于上转轴两端，并通过轴承与基座相连，臂连杆另一端设置于下转轴两端，并通过下转轴与轮组支撑架相连，通过控制圆盘的转角，能使得机械臂适应不同管径的管道；基于各个连杆的长度、整体机构的传动角和压力角以较小的电机驱动力矩输出较大末端预紧力；
所述的轮组机构包括：直流电机、电机架和柱形滚轮，其中：柱形滚轮设置于六连杆机构上，电机架设置于六连杆机构上并与柱形滚轮相连，直流电机设置于电机架上；
所述的万向轮表面覆盖有硅橡胶。
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