专利名称：一种自适应管道移动机构的制作方法
技术领域：
本发明属于管道机器人工程领域技术领域，特别是涉及一种管道内探查作 业的自适应管道移动机构。
背景技术：
随着经济和社会的发展，管道作为主要的流体(天然气，石油、水等)输 送工具，因其便捷性和经济性得到了广泛的应用。但随着使用年限的增加，管 道不可避免的会出现老化、腐蚀或者受到外来施工的破坏。如果不及时处理， 一旦发生事故不但给国家带来巨大的经济损失，对环境也会造成严重的污染。 因此对管道经常性的勘查和维护就显得非常必要。管道探查机器人就是一种检 查管道的有效设备。目前，用于管道探测机器人的管内行走机构的运动形式主 要有轮式、履带式、弹力支撑式、腿式、尺蠖式、螺旋式等，主要靠电控系统
来实现管道环境的适应，移动机构的管道环境适应性不足。在文献M. Horodinca， L. Doroftei， E. Mignon， A. Preumont. "A simple architecture for in-pipe inspection robots"中提到的基于螺旋驱动原理的管道内移动机器人由定子、 转子、支撑臂、驱动臂和螺旋轮组成。定子上装有电机，电机输出轴与转子相 连，电机带动转子旋转。转子上的螺旋轮能够绕着自身的轴线旋转，转子旋转 时螺旋轮也旋转，机器人就可以向前运动。该机构虽然可以实现管道内的前后 运动，但当管内有异物或者有障碍时，机器人往往不能越过障碍。如果没有特 殊的保护很容易就卡死在管道中间；又由于该种移动机构自带电源，与外界无 物理上的连接，当机器人卡在管道中间时，给救援工作带来了困难。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种自适应管道移动机构。它是 靠机械机构本身来调节机器人本体的前进方向和后退方向，不需其它的电控操 作。
本发明采用的技术方案是包括支撑机构、前进驱动机构和后退驱动机构 三部分，前进驱动机构通过第一传动机构与后退驱动机构连接，并通过第二传 动机构与支撑机构内的电动机连接。 '
所述的第一传动机构置于前进驱动机构内，在前进驱动机构与第一传动机 构间还安装有联动机构及锁紧机构。
所述的前进驱动机构包括前轮框、沿其圆周均布的至少三个前进驱动臂、每 个前进驱动臂端部安装的至少l个被动轮，所述被动轮的滚动轴线与管道截面成 0~45度角度。所述的第一传动机构是行星传动系结构，包括传动轴、置于前轮框 内的内齿轮、安装于传动轴的太阳轮及太阳轮和内齿轮圆周间均布的3个行星轮。 所述的联动机构包括安装于前进驱动机构前进驱动臂底部的滑块、连杆和安装于第一传动机构传动轴端部的转盘，滑块通过连杆与转盘连接。所述的锁紧机构 包括带有槽的滑盘、滑块和弹簧，滑盘固定在第一传动机构传动轴上，传动轴 的端部转盘与滑盘之间套装有弹簧，滑块安装于前进驱动臂底部，并与滑盘相接 触所述的第二传动机构包括分别安装于传动轴和电动机联轴器上的相互配合的 齿轮。所述的后退驱动机构包括后轮框、沿其圆周均布的至少三个后退驱动臂、 每个后退驱动臂端部安装的至少l个被动轮，所述被动轮的滚动轴线与管道截面 成0 45度角度，后退驱动机构的后轮框与前进驱动机构通过第一传动机构的行 星轮轴连接。所述的支撑机构包括沿其外壳上均布的至少三个支撑臂、每个支
撑臂上安装的至少2个支撑轮，所述支撑轮的滚动方向与管道轴线方向平行。
本发明的优点是适应性强。由于其结构由前进驱动机构、后退驱动机构、支 撑机构构成，当管道中的障碍物超过机器人越障能力时，该移动机构可以依靠 机械部分自动调整移动方向，以防止被障碍物卡死在管道中，这个过程不需要 外界控制。由于其带有联动机构，当其中一个前进驱动臂遇到障碍物而向中心 收缩时，通过联动机构联动，其余的前进驱动的臂也将向中心收缩，实现驱动 臂同步运动。由于其带有锁紧机构，当前进驱动臂遇到障碍向管道中心收缩时, 锁紧机构限制了前进驱动臂的转动，此时动力输出转换路径，后退驱动臂旋转 并产生向后的驱动力，这时机器人向相反方向移动。
图l是本发明的外部结构示意图。
图2是本发明的内部结构示意图。 图3是本发明中锁紧机构示意图。 图4是本发明中联动机构示意图。 图5是本发明中传动机构示意图。 图6是图5中第一传动机构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述
实施例l:如图l、图2所示，本发明结构包括前进驱动机构、后退驱动机构 和支撑机构三部分，前进驱动机构通过第一传动机构与后退驱动机构连接，并 通过第二传动机构与支撑机构内的电动机连接。在前进驱动机构与第一传动机 构间还安装有锁紧机构及联动机构。
如图2所示，其中所述的前进驱动机构1包括前轮框8、沿其圆周有均布鈞三 个前进驱动臂7、每个前进驱动臂上安装的2个被动轮、所述被动轮的滚动轴线 与管道截面成0-45度角度。所述的后退驱动机构2包括后轮框9、沿其圆周均布 的三个后退驱动臂6、每个后退驱动臂6端部安装的2个被动轮，所述被动轮的滚 动轴线与管道截面成0 45度角度。所述的支撑机构3包括沿其外壳上均布的三 个支撑臂5、每个支撑臂5上安装的4个支撑轮，所述支撑轮的滚动方向与管道轴 线方向平行。
如图6所示，所述的第一传动机构是行星传动系结构，包括传动轴19、置于 前轮框8内的内齿轮21、安装于传动轴19的太阳轮20及太阳轮20和内齿轮21圆周间均布的3个行星轮。如图5所示，所述的第二传动机构是分别安装于传动轴19 和电动机4联轴器25上的相互配合的第一直齿轮17和第二直齿轮18。如图4所示， 所述的联动机构包括安装于前进驱动臂7底部的滑块13、连杆14和安装于传动轴 19端部的转盘15,每一滑块13均通过一个连杆14与转盘15连接。如图3所示，所 述的锁紧机构包括带有槽的滑盘ll、具有斜面形状的滑块13和弹簧16,滑盘ll 固定在第一传动机构传动轴19上，传动轴19的端部转盘15与滑盘11之间套装有 弹簧16，滑块13安装于每一前进驱动臂7的底部，滑块13的斜面与滑盘11的圆形 斜面相配合，在弹簧16弹力的作用下，使其紧密接触。导柱12支撑着滑盘11, 滑盘11可在传动轴19上前后滑动。在滑盘11的槽中安装有销钉10，限制滑块13 的运动。
本发明的工作过程如图5、图6所示，驱动电机4通过联轴器16带动第 一直齿轮17转动；第一直齿轮17带动与之啮合的第二直齿轮18转动。第二直 齿轮18与传动轴19相连，传动轴19旋转时带动太阳轮20旋转进而带动第一 行星轮22、第二行星轮23、第三行星轮24旋转，行星轮转动时带动与之相连 的内齿轮21旋转。前轮框8旋转时带动前进驱动臂7随之旋转，因此机器人向 前运动；如果转动方向相反，机器人则向后运动。
如图4所示，当机器人前进中遇到障碍物时，前进驱动臂7的运动受到了 阻碍而速度下降，又由于障碍物的作用，前进驱动臂7将向管道中心收缩，此 时前进驱动臂7通过连杆14带动转盘15转动，由于转盘15与三个前进驱动臂 7连接，所以当转盘15转动时，其余的前进驱动臂也将向中心收缩。这样只要 其中一个前进驱动臂向中心收缩，其他的前进驱动臂也将收缩。如图3所示， 由于滑盘11和滑块13的斜面接触，滑块13向下运动并克服弹力作用使得滑盘 ll向后移动。当滑盘11后退到滑块13与滑盘11脱离斜面接触时，滑块13继 续向管道中心收缩时，滑盘11将在弹力的作用下回到原来的位置，滑块13便 掉入滑盘11下面的槽中，而且滑盘11槽中的销钉10限制了滑块13的运动， 这样滑块13就被滑盘11锁住，因此前进驱动臂7不再旋转。此时动力输出转 换路径，具体为驱动电机4通过联轴器16带动第一直齿轮17和第二直齿轮18 转动，然后第二直齿轮18通过传动轴19带动太阳轮20和行星轮旋转，3个行 星轮转轴均与后轮框9连接，行星轮旋转带动后轮框9旋转，后轮框9带动后 退驱动臂6旋转，后退驱动臂6旋转并产生向后的驱动力，这时机器人向相反 方向移动。如图2所示。
. .
实施例2:本例移动机构与实施例l结构相同，不同的是前进驱动机构l 中前进驱动臂7沿前轮框8圆周均布4个，每个前进驱动臂7上的被动轮为1 个；后退驱动机构2中后退驱动臂6沿后轮框圆周均布5个，每个后退驱动臂6 的被动轮为2个；支撑机构3中支撑臂5沿支撑机构外框圆周均布6个，每个 支撑臂5的支撑轮为2个。
实施例3:本例移动机构与实施例l结构相同，不同的是前进驱动机构l 中前进驱动臂7沿前轮框8圆周均布6个，每个前进驱动臂7上的被动轮为2 个；后退驱动机构2中后退驱动臂6沿后轮框圆周均布6个，每个后退驱动臂6的被动轮为2个；支撑机构3中支撑臂5沿支撑机构外框圆周均布6个，每个 支撑臂5的支撑轮为4个。
实施例4:本例移动机构与实施例1结构相同，不同的是前进驱动机构l 中前进驱动臂7沿前轮框8圆周均布8个，每个前进驱动臂7上的被动轮为2 个；后退驱动机构2中后退驱动臂6沿后轮框圆周均布4个，每个后退驱动臂6 的被动轮为1个；支撑机构3中支撑臂5沿支撑机构外框圆周均布5个，每个 支撑臂5的支撑轮为4个。
本发明中的前进驱动臂7、后退驱动臂8、支撑臂5的数量至少为3个，沿 圆周均布，可以根据管道直径增加其个数；其前进或后退驱动臂上的被动轮至 少为1个，为保持更好的平衡，2个被动轮效果最好；每个支撑臂5上的支撑轮 至少为2个，4个时支撑效果最好。其中连杆14和滑块13的数量均与前进驱动 臂7数量相同。前进驱动臂7数量增加时，连杆14和滑块13的数量也相应的 增加到相同数值。
权利要求
1、一种自适应管道移动机构，其特征在于包括支撑机构(3)、前进驱动机构(1)和后退驱动机构(2)三部分，前进驱动机构(1)通过第一传动机构与后退驱动机构(2)连接，并通过第二传动机构与支撑机构(3)内的电动机(4)连接。
2、 按照权利要求l所述的自适应管道移动机构，其特征在于所述的第一传 动机构置于前进驱动机构(1)内，在前进驱动机构(1)与第一传动机构间还安 装有联动机构及锁紧机构。
3、 按照权利要求2所述的自适应管道移动机构，其特征在于所述的前进驱 动机构包括前轮框(8)、沿其圆周均布的至少三个前进驱动臂(7)、每个前进 驱动臂(7)端部安装的至少l个被动轮，所述被动轮的滚动轴线与管道截面成0 45度角度。
4、 按照权利要求2所述的自适应管道移动机构，其特征在于所述的第一传 动机构是行星传动系结构，包括传动轴U9)、置于前轮框(8)内的内齿轮(21)、 安装于传动轴(19)的太阳轮(20)及太阳轮UO)和内齿轮(21)圆周间均布 的3个行星轮。
5、 按照权利要求2所述的自适应管道移动机构，其特征在于所述的联动机 构包括安装于前进驱动机构前进驱动臂(7)底部的滑块X13)、连杆(14)和安 装于第一传动机构传动轴(19)端部的转盘(15)，滑块(13)通过连杆(14) 与转盘(15 )连接
6、 按照权利要求2所述的自适应管道移动机构，其特征在于所述的锁紧机 构包括带有槽的滑盘(11)、滑块U3)和弹簧(16),滑盘(11)固定在第一 传动机构传动轴(19)上，传动轴(19)的端部转盘(15)与滑盘(11)之间套 装有弹簧(16),滑块(13)安装于前进驱动臂(7)底部，并与滑盘(11)相接触。
7、 按照权利要求l所述的自适应管道移动机构，其特征在于所述的第二传 动机构包括分别安装于传动轴(19)和电动机联轴器(25)上的相互配合的齿轮。
8、 按照权利要求l所述的自适应管道移动机构，其特征在于所述的后退驱 动机构包括后轮框('9)、沿其圆周均布的至少三个后退驱动臂(6)、每个后退 驱动臂(6)端部安装的至少l个被动轮，所述被动轮的滚动轴线与管道截面成O-45度角rf，后退驱动机构(2)的后轮框(9)与前进a动机构(1)通过第一传动 机构的行星轮轴连接。
9、 按照权利要求l所述的自适应管道移动机构，其特征在于所述的支撑机 构包括沿其外壳上均布的至少三个支撑臂(5)、每个支撑臂(5)上安装的至少2 个支撑轮，所述支撑轮的滚动方向与管道轴线方向平行。
全文摘要
一种自适应管道移动机构，属于管道机器人工程领域技术领域。其结构包括支撑机构、前进驱动机构和后退驱动机构三部分，前进驱动机构通过第一传动机构与后退驱动机构连接，并通过第二传动机构与支撑机构内的电动机连接。在第一传动机构置于前进驱动机构内，在前进驱动机构与第一传动机构间还安装有联动机构及锁紧机构。本发明在管道内可自动调整前进和后退，不需要外界控制。本发明中一个前进驱动臂遇到障碍物而向中心收缩时，通过联动机构联动，其余的前进驱动的臂也将向中心收缩，实现驱动臂同步运动。同时锁紧机构限制了前进驱动臂的转动，此时动力输出转换路径，后退驱动臂旋转并产生向后的驱动力，这是机器人向相反方向移动。其适应性强。
文档编号F16L101/30GK101435521SQ20071015831
公开日2009年5月20日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月16日
发明者叶长龙, 张国伟, 斌 李, 鹏 李, 马书根, 龚海里 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所