专利名称：大牵引力螺旋推进微小管道机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及微小管道机器人，尤其涉及大牵引力螺旋推进微小管道机器人。
背景技术：
在当今社会，各种各样的微小管道(直径小于20mm)在冶金、石油、化工、军事武器 装备、核电等领域得到了广泛的应用。这些微小管道绝大部分应用于工作环境非常恶劣的系 统中，容易发生腐蚀、疲劳破坏或潜在的缺陷发展成裂纹等问题，从而引起泄漏事故，甚至 造成重大人员和财产损失，所以在这些管道使用过程中，就需要对其进行检测，以保障管道 系统安全、畅通和高效运行。但微小管道所处的环境，人一般不能直接到达，或不允许直接 介入，且由于管道内径较小、内部结构错综复杂，使得检测难度很大。目前关于微小管道的 检测，通常采用工程量十分大的抽检方法，不但劳动强度大、效益低，而且由于随机抽样法 经常出现漏检，因而准确率低，效果并不理想。故通常对重要和不允许泄漏的管道采用定期 或提前报废的办法，从而造成了很大的人力和物力浪费。因此，研究适用于微小管道这一特 殊环境下的检测机器人装置，以减轻人的劳动强度，提高生产效率，减少不必要的损失，有 着极高的学术价值和实用价值。
螺旋推进式是现在微小管道机器人较为常用的一种推进方式，其结构简单，容易实现， 行走效率高，能以一定的速度平稳地运动。微小管道机器人通常用于复杂管道的检测工作， 需携带许多相关检测传感器、电源和通讯装置，有线机器人还需承载线缆重量，这就要求微 小管道机器人具有较大的负载能力，但目前的同类产品中，由于驱动机器人运动的摩擦力不 易增大，造成负载能力受限，机器人牵引能力差；同时，机器人的工作环境中存在大量弯管、 U形管，并由于腐蚀、疲劳破坏、裂纹、管接头等原因存在变管径情况，这就要求微小管道 机器人的径向尺寸小，且具有较好的弯管、U形管处通过性和较强的变管径适应能力，但目 前同类产品普遍存在结构尺寸不易减小，适应管径变化的能力差，在弯管、U形管处的通过 性不好等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种负载能力高，管径变化适应 能力强，且弯管、U形管通过能力强的大牵引力螺旋推进微小管道机器人。 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案
一种大牵引力螺旋推进微小管道机器人，包括导向机构、螺旋推进机构和旋转驱动装置， 所述旋转驱动装置设于导向机构与螺旋推进机构之间，所述螺旋推进机构包括第一张紧杆、呈套筒状的螺旋支座和沿螺旋支座周向均匀布置的至少三组螺旋轮组，所述螺旋支座上沿轴 向开设有滑槽，并沿径向设有与各螺旋轮组对应的第一导向孔，螺旋支座套设于第一张紧杆 外，所述第一张紧杆由第一锥形段、第一螺纹段和第一滑杆段构成，所述第一锥形段小径端 连接第一螺纹段，大径端连接第一滑杆段，第一螺纹段与旋转驱动装置相连，第一螺纹段上 靠近旋转驱动装置的一端装设有第一张紧螺母，第一张紧螺母与螺旋支座之间设有第一压縮 弹簧，第一滑杆段上设有置于滑槽内的导向销，所述螺旋轮组连有螺旋轮组支杆，所述螺旋 轮组支杆穿过第一导向孔与第一锥形段接触。
所述螺旋轮组包括螺旋轮架和两件螺旋轮，所述螺旋轮架中部与螺旋轮组支杆铰接，两 件螺旋轮分别铰接于螺旋轮架的两端，两件螺旋轮的旋转轴线相互平行，并且各螺旋轮相对 于螺旋支座的轴线形成螺旋升角a。
所述螺旋支座外套设有对螺旋轮组支杆伸縮限位的第一防护套。
所述螺旋轮组支杆的截面为多边形，螺旋支座上的导向孔为与螺旋轮组支杆相配合的多 边形孔。
所述导向机构包括第二张紧杆、呈套筒状的导向支座和沿导向支座周向均匀布置的至少 三组导向轮组，所述导向支座上沿径向设有与各导向轮组对应的第二导向孔，导向支座套设 于第二张紧杆外，并与旋转驱动装置相连，所述第二张紧杆由第二锥形段、第二螺纹段和第 二滑杆段构成，第二锥形段小径端连接第二螺纹段，大径端连接第二滑杆段，第二螺纹段上 远离旋转驱动装置的一端装设有第二张紧螺母，第二张紧螺母与导向支座之间设有第二压縮 弹簧，导向轮组上连有导向轮组支杆，所述导向轮组支杆穿过第二导向孔与第二锥形段接触。
所述导向轮组包括导向轮架和两件导向轮，所述导向轮架中部与导向轮组支杆铰接，两 件导向轮分别铰接于导向轮架的两端。
所述导向支座外套设有对导向轮组支杆伸縮限位的第二防护套。
所述导向轮组支杆的截面为圆形，导向支座上的第二导向孔为与螺旋轮组支杆相配合的
圆形孔。
与现有技术相比，本发明的优点在于使螺旋轮组支杆与第一张紧杆的第一锥形段接触 配合，在第一压缩弹簧的弹力作用下，第一锥形段可推动螺旋轮组支杆沿轴向伸縮，使螺旋 轮组获得相对螺旋支座沿螺旋轮组支杆轴线方向的移动自由度，使机器人的螺旋推进机构具 有较好的变管径适应能力；并且螺旋轮组支杆与第一锥形段的接触配合形成楔块结构，当机 器人负载增大时，负载力传递到第一锥形段，在楔块结构的作用下，可使螺旋轮组对管壁的 正压力增大，从而增大螺旋轮组与管壁之间的摩擦力，即实现螺旋轮组与管道间的摩擦力随 负载的增大而增大，提高机器人行进牵引力，解决了用于驱动机器人运动的摩擦力不易增大，造成负载能力受限的问题；螺旋轮组的螺旋轮架中部与螺旋轮组支杆铰接，使得螺旋轮组获 得一绕该铰接点的转动自由度，螺旋轮组在移动自由度和转动自由度的共同支持下，更容易 满足微小管道机器人在弯管、U形管和变管径处的几何通过条件和运动约束条件；螺旋轮组 支杆的截面为多边形，螺旋支座上的导向孔为与螺旋轮组支杆相配合的多边形孔，可以限制 螺旋轮组绕螺旋轮组支杆轴线的转动自由度，避免了过多自由度容易造成螺旋轮组的螺旋升 角产生变化，保证机器人的正常运动；使导向轮组支杆与第二张紧杆的第二锥形段接触配合, 在第二压縮弹簧的弹力作用下，第二锥形段可推动导向轮组支杆沿轴向伸縮，使导向轮组获 得相对导向支座沿导向轮组支杆轴线方向的移动自由度，使机器人的导向推进机构具有较好 的变管径适应能力；并且导向轮组支杆与第二锥形段的接触配合形成楔块结构，当机器人有 后退的趋势时，负载力传递到第二锥形段，在楔块结构的作用下，可使导向轮组对管壁的正 压力增大，从而增大导向轮组与管壁之间的摩擦力，即实现导向轮组与管道间的摩擦力随负 载的增大而增大，阻碍机器人后退，解决了机器人在运动过程中容易后退的问题；导向轮组 的导向轮架中部与导向轮组支杆铰接，使得导向轮组获得一绕该铰接点的转动自由度，导向 轮组支杆的截面为圆形，导向支座上的第二导向孔为与螺旋轮组支杆相配合的圆形孔，使导 向轮组具有绕导向轮组支杆轴线的转动自由度，导向轮组在一个移动自由度和两个转动自由 度的共同支持下，更容易满足微小管道机器人在弯管、U形管和变管径处的几何通过条件和 运动约束条件，提高了微小管道机器人在弯管、U形管和变管径处的通过能力。本发明的大 牵引力螺旋推进微小管道机器人中螺旋轮组和导向轮组的多自由度设计、第一张紧杆和第二 张紧杆的锥形段结构设计以及第一压縮弹簧和第二压缩弹簧的预压紧设计，使导向机构和螺 旋推进机构能够主动适应弯管、U形管和变管径处的管径变化情况，改善了微小管道机器人 对复杂管道的通过能力，并使机器人径向尺寸减小，更适于在微小管道中工作。
图l是本发明的结构示意图2是本发明的立体结构示意图3是图1的A—A剖面视图4是螺旋推进机构的放大结构示意图5是图4的B — B剖面视图6是螺旋推进机构的立体结构示意图7是螺旋推进机构拆除螺旋轮组后的结构示意图8是导向机构的放大结构示意图9是图8的C一C局部剖面图；图IO是导向机构的立体结构示意图11是导向机构拆除导向轮组后的结构示意图。
图中各标号表示
1、导向机构 2、螺旋推进机构
3、旋转驱动装置 4、万向节
100、第二张紧杆101、第二锥形段
102、第二螺纹段103、第二滑杆段
110、导向支座111、第二导向孔
120、导向轮组121、导向轮架
122、导向轮130、第二张紧螺母
140、第二压縮弹簧150、导向轮组支杆
160、第二防护套170、第二弹簧垫片
200、第一张紧杆201、第一锥形段
202、第一螺纹段203、第一滑杆段
204、导向销210、螺旋支座
211、滑槽212、第一导向孔
220、螺旋轮组221、螺旋轮架
222、螺旋轮230、第一张紧螺母
240、第一压縮弹簧250、螺旋轮组支杆
260、第一防护套270、第一弹簧垫片
300、输出轴301、座体
具体实施例方式
如图1、图2和图3所示，本发明的一种大牵引力螺旋推进微小管道机器人，包括导向 机构1、螺旋推进机构2和旋转驱动装置3，旋转驱动装置3设于导向机构1与螺旋推进机构 2之间，本实施例中，导向机构1和螺旋推进机构2分别通过一件万向节4与旋转驱动装置3 连接。
如图4至图7所示，螺旋推进机构2包括第一张紧杆200、呈套筒状的螺旋支座210和 沿螺旋支座210周向均匀布置的至少三组螺旋轮组220。本实施例中，螺旋轮组220设有三 组，螺旋支座210上沿轴向开设有滑槽211，并沿径向设有与各螺旋轮组220对应的第一导 向孔212，螺旋支座210套设于第一张紧杆200外，第一张紧杆200由第一锥形段201、第一 螺纹段202和第一滑杆段203构成，第一锥形段201小径端连接第一螺纹段202，大径端接第一滑杆段203，第一螺纹段202通过一万向节4与旋转驱动装置3的输出轴300相连， 第一螺纹段202上靠近旋转驱动装置3的一端装设有第一张紧螺母230和第一弹簧垫片270, 第一张紧螺母230与螺旋支座210之间设有第一压縮弹簧240，第一压縮弹簧240 —端通过 第一弹簧垫片270定位，另一端通过螺旋支座210定位，通过调节第一张紧螺母230的位置， 可以调节第一压縮弹簧240的预压紧力大小。第一锥形段201和第一滑杆段203位于螺旋支 座210内，第一滑杆段203上设有与之固定的导向销204，导向销204的一部分滑设于螺旋 支座210的滑槽211内，第一滑杆段203通过导向销204与螺旋支座210的滑槽211滑动配 合，当旋转驱动装置3的旋转输出轴通过万向节4带动第一张紧杆200作旋转运动时，可通 过导向销204将旋转运动传递给整个螺旋推进机构2，使螺旋推进机构2在管道内螺旋运动， 从而带动整个机器人运动。螺旋支座210上的第一导向孔212内套设有螺旋轮组支杆250， 螺旋轮组支杆250 —端与对应的螺旋轮组220相连，另一端呈球头状，并延伸至螺旋支座210 内与第一锥形段201接触配合，在第一压縮弹簧240的弹力作用下，第一锥形段201可推动 螺旋轮组支杆250沿轴向伸縮，改变螺旋推进机构2的外径，使螺旋推进机构2张紧在管道 内，同时，螺旋轮组220可获得相对螺旋支座210沿螺旋轮组支杆250轴线方向的移动自由 度，使机器人的螺旋推进机构2具有较好的变管径适应能力，并且螺旋轮组支杆250与第一 锥形段201的接触配合形成楔块结构，当机器人负载增大时，负载力传递到第一锥形段201， 在楔块结构的作用下，可使螺旋轮组220对管壁的正压力增大，从而增大螺旋轮组220与管 壁之间的摩擦力，即实现螺旋轮组220与管道间的摩擦力随负载的增大而增大，提高机器人 行进牵引力，解决了用于驱动机器人运动的摩擦力不易增大，造成负载能力受限的问题。螺 旋支座210外套设有对螺旋轮组支杆250伸縮限位的第一防护套260，可防止螺旋轮组支杆 250脱离螺旋支座210。螺旋轮组220包括螺旋轮架221和两件螺旋轮222，螺旋轮架221中 部通过销轴与螺旋轮组支杆250铰接，螺旋轮架221可绕销轴灵活旋转，使得螺旋轮组220 获得一绕该铰接点的转动自由度，螺旋轮组220在移动自由度和转动自由度的共同支持下， 更容易满足微小管道机器人在弯管、U形管和变管径处的几何通过条件和运动约束条件；两 件螺旋轮222分别通过销轴铰接于螺旋轮架221的两端，两件螺旋轮222的旋转轴线相互平 行，并且各螺旋轮222相对于螺旋支座210的轴线形成螺旋升角a，螺旋升角a的取值主要 影响机器人的运动速度与负载能力，螺旋升角a增大，则机器人行进速度增大，负载能力减 小，反之螺旋升角a减小，则行进速度减小，负载能力增大，螺旋升角a可以取为0° 卯° 中的任意值，本实施例中，螺旋升角a为7。。螺旋轮组支杆250的截面为多边形，螺旋支座 210上的第一导向孔212为与螺旋轮组支杆250相配合的多边形孔，可以限制螺旋轮组220 绕螺旋轮组支杆250轴线的转动自由度，避免了过多自由度容易造成螺旋轮组220的螺旋升角a产生变化，保证机器人的正常运动。
如图8至图11所示，导向机构1包括第二张紧杆100、呈套筒状的导向支座110和沿导 向支座110周向均匀布置的至少三组导向轮组120。本实施例中，导向轮组120设有三组， 导向支座110通过一万向节4与旋转驱动装置3的座体301相连，导向支座110上沿径向设 有与各导向轮组120对应的第二导向孔111，导向支座110套设于第二张紧杆100外，并与旋 转驱动装置3相连，第二张紧杆100由第二锥形段101、第二螺纹段102和第二滑杆段103 构成，第二锥形段101小径端连接第二螺纹段102，大径端连接第二滑杆段103，第二螺纹段 102上远离旋转驱动装置3的一端装设有第二张紧螺母130和第二弹簧垫片170，第二压縮弹 簧140 —端通过第二弹簧垫片170定位，另一端通过导向支座110定位，通过调节第二张紧 螺母130的位置，可以调节第二压縮弹簧140的预压紧力大小。第二锥形段101和第二滑杆 段103位于导向支座110内，导向支座IIO上的第二导向孔111内套设有导向轮组支杆150， 导向轮组支杆150 —端与对应的导向轮组120相连，另一端呈球头状，并延伸至导向支座110 内与第二锥形段101接触，在第二压縮弹簧140的弹力作用下，第二锥形段101可推动导向 轮组支杆150沿轴向伸縮，改变导向机构l的外径，使导向机构1张紧在管道内，同时，导 向轮组120可获得相对导向支座110沿导向轮组支杆150轴线方向的移动自由度，使机器人 的导向机构1具有较好的变管径适应能力，并且导向轮组支杆150与第二锥形段101的接触 配合形成楔块结构，当机器人负载增大时，负载力传递到第二锥形段101，在楔块结构的作 用下，可使导向轮组120对管壁的正压力增大，从而增大导向轮组120与管壁之间的摩擦力， 即实现导向轮组120与管道间的摩擦力随负载的增大而增大，阻碍机器人后退，解决了机器 人在运动过程中容易后退的问题。导向支座110外套设有对导向轮组支杆150伸縮限位的第 二防护套160，可防止导向轮组支杆150脱离导向支座110。导向轮组120包括导向轮架121 和两件导向轮122,导向轮架121中部通过销轴与导向轮组支杆150铰接，导向轮架121可 绕销轴灵活旋转，使得导向轮组120获得一绕该铰接点的转动自由度，同时，导向轮组支杆 150的截面为圆形，导向支座IIO上的第二导向孔111为与螺旋轮组支杆150相配合的圆形孔， 使导向轮组120具有绕导向轮组支杆150轴线的转动自由度，导向轮组120在一个移动自由 度和两个转动自由度的共同支持下，更容易满足微小管道机器人在弯管、U形管和变管径处 的几何通过条件和运动约束条件，提高了微小管道机器人在弯管、U形管和变管径处的通过 能力。
本发明的大牵引力螺旋推进微小管道机器人启动后，由旋转驱动装置3输出旋转力矩， 驱动螺旋推进机构2旋转，通过螺旋轮组220沿管壁的螺旋前进带动机器人整体向前运动， 导向机构l在机器人另一端起支承作用，螺旋轮组220和导向轮组120的多自由度设计、第一张紧杆200和第二张紧杆100的锥形段结构设计以及第一压縮弹簧240和第二压縮弹簧140 的预压紧设计，使导向机构1和螺旋推进机构2能够主动适应弯管、U形管和变管径处的管 径变化情况，改善了微小管道机器人对复杂管道的通过能力，并使机器人径向尺寸减小，更 适于在微小管道中工作。
权利要求
1、一种大牵引力螺旋推进微小管道机器人，包括导向机构(1)、螺旋推进机构(2)和旋转驱动装置(3)，所述旋转驱动装置(3)设于导向机构(1)与螺旋推进机构(2)之间，其特征在于所述螺旋推进机构(2)包括第一张紧杆(200)、呈套筒状的螺旋支座(210)和沿螺旋支座(210)周向均匀布置的至少三组螺旋轮组(220)，所述螺旋支座(210)上沿轴向开设有滑槽(211)，并沿径向设有与各螺旋轮组(220)对应的第一导向孔(212)，螺旋支座(210)套设于第一张紧杆(200)外，所述第一张紧杆(200)由第一锥形段(201)、第一螺纹段(202)和第一滑杆段(203)构成，所述第一锥形段(201)小径端连接第一螺纹段(202)，大径端连接第一滑杆段(203)，第一螺纹段(202)与旋转驱动装置(3)相连，第一螺纹段(202)上靠近旋转驱动装置(3)的一端装设有第一张紧螺母(230)，第一张紧螺母(230)与螺旋支座(210)之间设有第一压缩弹簧(240)，第一滑杆段(203)上设有置于滑槽(211)内的导向销(204)，所述螺旋轮组(220)连有螺旋轮组支杆(250)，所述螺旋轮组支杆(250)穿过第一导向孔(212)与第一锥形段(201)接触。
2、 根据权利要求l所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述螺旋轮 组(220)包括螺旋轮架(221)和两件螺旋轮(222)，所述螺旋轮架(221)中部与螺旋轮组 支杆(250)铰接，两件螺旋轮(222)分别铰接于螺旋轮架(221)的两端，两件螺旋轮(222) 的旋转轴线相互平行，并且各螺旋轮(222)相对于螺旋支座(210)的轴线形成螺旋升角(a)。
3、 根据权利要求2所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述螺旋支 座(210)外套设有对螺旋轮组支杆(250)伸縮限位的第一防护套(260)。
4、 根据权利要求1至3中任一项所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于 所述螺旋轮组支杆(250)的截面为多边形，螺旋支座(210)上的第一导向孔(212)为与螺 旋轮组支杆(250)相配合的多边形孔。
5、 根据权利要求1至3中任一项所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于-所述导向机构(1)包括第二张紧杆(100)、呈套筒状的导向支座(110)和沿导向支座(110) 周向均匀布置的至少三组导向轮组(120)，所述导向支座(110)上沿径向设有与各导向轮组(120)对应的第二导向孔(111)，导向支座(110)套设于第二张紧杆(100)夕卜，并与旋转 驱动装置(3)相连，所述第二张紧杆(100)由第二锥形段(101)、第二螺纹段(102)和第 二滑杆段(103)构成，第二锥形段(101)小径端连接第二螺纹段(102)，大径端连接第二 滑杆段(103)，第二螺纹段(102)上远离旋转驱动装置(3)的一端装设有第二张紧螺母(130), 第二张紧螺母(130)与导向支座(110)之间设有第二压縮弹簧(140),导向轮组(120)上 连有导向轮组支杆(150)，所述导向轮组支杆(150)穿过第二导向孔(111)与第二锥形段(101)接触。
6、 根据权利要求4所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述导向机构(1)包括第二张紧杆(100)、呈套筒状的导向支座(110)和沿导向支座(110)周向均匀 布置的至少三组导向轮组(120)，所述导向支座(110)上沿径向设有与各导向轮组(120) 对应的第二导向孔(111),导向支座(110)套设于第二张紧杆(100)夕卜，并与旋转驱动装 置(3)相连，所述第二张紧杆(100)由第二锥形段(101)、第二螺纹段(102)和第二滑杆 段(103)构成，第二锥形段(101)小径端连接第二螺纹段(102),大径端连接第二滑杆段(103)，第二螺纹段(102)上远离旋转驱动装置(3)的一端装设有第二张紧螺母(130)， 第二张紧螺母(130)与导向支座(110)之间设有第二压縮弹簧(140)，导向轮组(120)上 连有导向轮组支杆(150)，所述导向轮组支杆(150)穿过第二导向孔(111)与第二锥形段(101)接触。
7、 根据权利要求6所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述导向轮 组(120)包括导向轮架(121)和两件导向轮(122)，所述导向轮架(121)中部与导向轮组 支杆(150)铰接，两件导向轮(122)分别铰接于导向轮架(121)的两端。
8、 根据权利要求7所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述导向支 座(110)外套设有对导向轮组支杆(150)伸缩限位的第二防护套(160)。
9、 根据权利要求8所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述导向轮 组支杆(150)的截面为圆形，导向支座(110)上的第二导向孔(111)为与螺旋轮组支杆(150) 相配合的圆形孔。
全文摘要
大牵引力螺旋推进微小管道机器人，包括导向机构、螺旋推进机构和设于导向机构与螺旋推进机构间的旋转驱动装置，螺旋推进机构包括第一张紧杆、螺旋支座和螺旋轮组，螺旋支座上沿轴向设有滑槽，并沿径向设有第一导向孔，螺旋支座套于第一张紧杆外，第一张紧杆由第一锥形段、第一螺纹段和第一滑杆段构成，第一锥形段小径端连第一螺纹段，大径端连第一滑杆段，第一螺纹段与旋转驱动装置相连，第一螺纹段上装设第一张紧螺母，第一张紧螺母与螺旋支座间设第一压缩弹簧，第一滑杆段上有置于滑槽内的导向销，螺旋轮组连螺旋轮组支杆，螺旋轮组支杆穿过第一导向孔与第一锥形段接触。该机器人具有负载能力高，管径变化适应能力强，且弯管通过能力强的优点。
文档编号B25J7/00GK101559594SQ20091004348
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者尚建忠, 张祥坡, 徐小军, 王晓明, 罗自荣, 谢惠祥, 沫 黑 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学