CN112728287A - 一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人 - Google Patents

一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人，包括机架及与其连接的三个驱动支腿，机架为机器人***的躯干，用于安装摄像机、探测传感器、检测仪、控制板卡、电池模块、清污装置等结构单元；驱动支腿在机器人***中共设置了六支，采取蜗轮蜗杆机构、连杆机构、带传动机构和拉伸弹簧相结合的驱动形式，具有管道变径自适应的运动能力，提升了管道机器人的驱动灵活性和运动稳定性。本发明的优点在于结构组成简单，经济成本低，支腿高度可调，驱动灵活性好以及运动稳定性高等，可应用于一般管道作业的焊接、检测、监控、维护、清洁、疏通等工作场合，本发明机器人在石油、化工、天然气、给排水、矿业开采、核工业等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人。
背景技术
机器人是人类进入二十世纪以来具有代表性的多学科交叉的高新技术，是正 在蓬勃发展的一个重要科学领域，受到了国内外学者、企事业单位的广泛关注。 管道作为石油、化工、天然气、给排水、矿业开采、核工业等行业中一种重要的 物料输送或结构方式，得到了广泛应用。然而，由于管道内部狭窄、物料特殊、 环境恶劣等因素，管道内部的拆装焊接、状态监控、管道疏通、管壁检测与维护 等极为棘手。八十年代以来，管道机器人的研究与应用为有效解决前述问题带来 了曙光。管道机器人作为机器人领域中的重要分支之一，研发、应用新型管道机 器人及其相关驱动技术，对促进社会进步、安全生产、经济发展和提高人们生活 质量等都具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的机器人无法在转弯、扭曲、附着障碍物、管壁凹凸起伏的管道中顺畅移动的问题，而提出一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人，包括前后两个机架支腿单元，两个机架支腿单元之间柔性连接，机架支腿单元包括机架以及围绕机架一周等分的至少三个驱动支腿；
驱动支腿包括蜗杆、带轮一、同步带一、双联带轮、连杆二、车轮、车轮轴、同步带二、连杆一、弹簧销轴一、轴二、支座、蜗轮支架、蜗轮、轴一、弹簧销轴二、拉伸弹簧、电机、蜗杆支架、带轮二；
电机、蜗杆支架、蜗轮支架均固定连接在机架内，蜗杆限位于蜗杆支架内转动，电机驱动蜗杆转动，轴一固定于蜗轮支架内，带轮一和蜗轮设在轴一上转动，带轮一和蜗轮固定连接，蜗轮与蜗杆啮合；
支座固定连接在机架外，轴二固定于支座内，连杆二的一端和连杆一的一端分别活动连接于轴二，双联带轮位于连杆二和连杆一之间的轴二上；
车轮和带轮二位于车轮轴上，车轮和带轮二固定连接，连杆二的另一端与连杆一的另一端分别活动连接于车轮轴，车轮位于连杆二和连杆一之间；
同步带一绕于带轮一与双联带轮的一个带轮之间，同步带一贯穿于机架；
同步带二绕于双联带轮的另一个带轮和带轮二之间；
弹簧销轴一位于支座上朝向另一机架支腿单元的一侧，弹簧销轴二位于连杆一上朝向另一机架支腿单元的一侧，拉伸弹簧位于弹簧销轴一和弹簧销轴二之间。
作为更进一步的优选方案，机架为中空的六边形管状结构，机架的一周设有三个驱动支腿。
作为更进一步的优选方案，前部机架支腿单元的机架尾部设有卡板一，后部机架支腿单元的机架头部设有卡板二，卡板一与卡板二之间设有柔顺杆。
作为更进一步的优选方案，机架内还固定设有电机支架，电机固定在电机支架上。
作为更进一步的优选方案，电机与蜗杆之间具有联轴器。
与现有技术相比，本发明的一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人，充分融合蜗轮蜗杆机构、连杆机构和带传动机构的传动特点展开创新设计，使得本发明具有结构简洁，经济成本低，机动性能好，适应性强等优点。本发明机器人尤其在管道变径（如管道接头、破损、凹凸变形等）自适应运动能力方面，驱动灵活性方面以及运动稳定性方面优势突出，可以有效解决管道机器人移动过程中，由于管道转弯、管道扭曲、管壁凹凸起伏以及管壁附着障碍物等时，引起的机器人卡死问题，提升机器人的工作性能，在石油、化工、天然气、给排水、矿业开采、核工业、市政工程等场合具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的局部A向视图；
图3为本发明中柔顺转向机构的结构图；
图中：1机架、2蜗杆、3带轮一、4同步带一、5双联带轮、6连杆二、7车轮、8车轮轴、9同步带二、10连杆一、11弹簧销轴一、12轴二、13支座、14蜗轮支架、15蜗轮、16轴一、17卡板一、18弹簧销轴二、19拉伸弹簧、20电机、21柔顺杆、22联轴器、23卡板二、24电机支架、25蜗杆支架、26带轮二。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1、图2所示，本发明为一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人，包括前后两个机架支腿单元，两个机架支腿单元之间柔性连接，机架支腿单元包括机架及与其连接的三个驱动支腿。
机架1可由正六边形型材制作，其结构尺寸相同、前后机架1对称布置，用于连接固定驱动支腿部分，也用于安装摄像机、探测传感器、检测仪、控制板卡、电池模块、清污装置等结构单元。
机器人前、后各三个驱动支腿的结构组成与尺寸也皆相同，互成120°布置，可根据机器人运动稳定性或运用场合的需要，分别采用为Y形或倒Y形的结构组合形式进行组装。
前、后各三个驱动支腿中的三个车轮7的三个中间平面，安装时要求分别汇交于机架1的轴向中心线上。
驱动支腿采用蜗轮蜗杆机构、连杆机构、带传动机构和拉伸弹簧相结合的驱动形式，提高机器人对管道内径变化的适应性，主要组成包括电机20、电机支架24、联轴器22、蜗杆2、蜗杆支架25、蜗轮15、蜗轮支架14、轴一16、带轮一3、同步带一4、双联带轮5、同步带二9、带轮二26、支座13、轴二12、弹簧销轴一11、连杆一10、车轮轴8、车轮7、弹簧销轴二18、拉伸弹簧19，应根据装配关系，顺次安装。
电机20的轴线、蜗杆2的轴线与机架正六边形的中心线，装配时调整为重合。
电机20通过螺钉固定于电机支架24上。
电机支架24通过螺栓固定于机架1上。
电机20与蜗杆2通过联轴器22连接。
蜗杆2的两端分别通过滚动轴承支撑于蜗杆支架25上，并用弹性挡圈进行轴向固定，蜗杆支架25由螺栓固定于机架1。
蜗轮15与蜗杆2组成蜗轮蜗杆传动，三个蜗轮15在蜗杆2圆周方向间隔120°均匀布置。
蜗轮15与带轮一3由螺钉固结在一起，并通过滚动轴承固定支撑于轴一16上，并用弹性挡圈进行轴向固定。
轴一16的两端分别支撑于蜗轮支架14之上，为了方便蜗轮蜗杆的安装，蜗轮支架14设计为L形、成对对称安装，蜗轮支架14与机架1之间由螺钉固定。
支座13与机架1螺钉固结。
支座13为L形结构，成对对装，分别支撑于轴二12的两端。
双联带轮5通过滚动轴承、弹性挡圈固定支撑于轴二12之上。
带轮一3、同步带一4与双联带轮5组成第一级带传动机构。
车轮7与带轮二26通过螺钉固结为一体，两者作等速、同轴转动。
车轮7与带轮二26通过滚动轴承、弹性挡圈固定支撑于车轮轴8之上。
双联带轮5、同步带二9与带轮二26组成第二级带传动机构。
连杆一10和连杆二6的两端分别通过转动副与轴二12和车轮轴8连接，用于支撑车轮7与带轮二26。
连杆一10、连杆二6的中心线互相平行。
轴一16、轴二12和车轮轴8的轴线皆互相平行。
车轮7的中间平面与蜗轮15蜗杆2传动的中间平面重合。
弹簧销轴一11通过螺纹连接固定于支座13上。
弹簧销轴二18通过螺纹连接固定于连杆一10上。
拉伸弹簧19的两端分别连接于弹簧销轴一11和弹簧销轴二18上，机器人***工作时，拉伸弹簧19为受拉伸状态，优选拉伸弹簧19的型号与长度。
柔顺转向机构由若干U形卡板一17和柔顺杆21等组成。
柔顺杆21的两端分别通过螺钉与卡板一17和卡板二23连接。
机器人***中的四个柔顺杆21的轴线互相平行。
柔顺杆21上加工有三个或若干柔性关节，以利于前后机架1的受力平稳性以及转弯、运动起伏的协调性，须要根据机器人***的总载荷优选柔顺杆21的材料与柔性关节的结构形式。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人，其特征在于：包括前后两个机架支腿单元，两个机架支腿单元之间柔性连接，机架支腿单元包括机架（1）以及围绕机架（1）一周等分的至少三个驱动支腿；
驱动支腿包括蜗杆（2）、带轮一（3）、同步带一（4）、双联带轮（5）、连杆二（6）、车轮（7）、车轮轴（8）、同步带二（9）、连杆一（10）、弹簧销轴一（11）、轴二（12）、支座（13）、蜗轮支架（14）、蜗轮（15）、轴一（16）、弹簧销轴二（18）、拉伸弹簧（19）、电机（20）、蜗杆支架（25）、带轮二（26）；
电机（20）、蜗杆支架（25）、蜗轮支架（14）均固定连接在机架（1）内，蜗杆（2）限位于蜗杆支架（25）内转动，电机（20）驱动蜗杆（2）转动，轴一（16）固定于蜗轮支架（14）内，带轮一（3）和蜗轮（15）设在轴一（16）上转动，带轮一（3）和蜗轮（15）固定连接，蜗轮（15）与蜗杆（2）啮合；
支座（13）固定连接在机架（1）外，轴二（12）固定于支座（13）内，连杆二（6）的一端和连杆一（10）的一端分别活动连接于轴二（12），双联带轮（5）位于连杆二（6）和连杆一（10）之间的轴二（12）上；
车轮（7）和带轮二（26）位于车轮轴（8）上，车轮（7）和带轮二（26）固定连接，连杆二（6）的另一端与连杆一（10）的另一端分别活动连接于车轮轴（8），车轮（7）位于连杆二（6）和连杆一（10）之间；
同步带一（4）绕于带轮一（3）与双联带轮（5）的一个带轮之间，同步带一（4）贯穿于机架（1）；
同步带二（9）绕于双联带轮（5）的另一个带轮和带轮二（26）之间；
弹簧销轴一（11）位于支座（13）上朝向另一机架支腿单元的一侧，弹簧销轴二（18）位于连杆一（10）上朝向另一机架支腿单元的一侧，拉伸弹簧（19）位于弹簧销轴一（11）和弹簧销轴二（18）之间。
2.根据权利要求1所述的一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人，其特征在于：机架（1）为中空的六边形管状结构，机架（1）的一周设有三个驱动支腿。
3.根据权利要求1所述的一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人，其特征在于：前部机架支腿单元的机架（1）尾部设有卡板一（17），后部机架支腿单元的机架（1）头部设有卡板二（23），卡板一（17）与卡板二（23）之间设有柔顺杆（21）。
4.根据权利要求1所述的一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人，其特征在于：机架（1）内还固定设有电机支架（24），电机（20）固定在电机支架（24）上。
5.根据权利要求1所述的一种基于蜗轮蜗杆传动的管道机器人，其特征在于：电机（20）与蜗杆（2）之间具有联轴器（22）。
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