专利名称：蠕动式微小管道机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及微小机器人领域，尤其涉及用于在内径为15 20mm的微小管道内爬行、 检测的蠕动式微小管道机器人。
技术背景目前，微小管道机器人技术是近年来兴起的一种将精密机械、机器人学、新材料、 控制理论等相结合的一种新型技术。由于现代工农业生产及日常生活中使用着众多微小 的管道，如核电厂的蒸汽发生器传热管、冶金、石油、化工、城市水暖供应、制冷行业 的工业管道和煤气管道等，这些管道系统的工作环境非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破 坏或存在使管道内部潜在的缺陷发展成破损而引起泄漏事故等。因此管道的监测、诊断、 清理和维护就成为保障管道系统安全、畅通和高效运营的关键，管道的在役和在线探査 也就成了管道无损检测技术应用、发展的重要方向之一。然而管道所处的环境往往受人 力或人手不及所限，且多数管道的安装环境是人不能直接到达或不允许人直接介入，检 修难度很大。国内外微机器人的快速发展，使得微机械及微电子有了广泛应用的天地。美国一家 技术公司研制出能在2英寸管道内移动探测的轮式探测器。日本通产省在九十年代初制 定了 "微机械技术研究十年计划"，其重点开发的研究方向中，有一项管道检测用微小机 器人系统。日本OMRON公司、东芝公司、东京工业大学相继在实验室中研制出管径在 约1英寸的管道内移动机构。尽管这类微小管道内移动检测机器人在国内外开发研究多 年，但由于技术难度大，性能要求高，使得微小管道内的移动检测机器人还处于实验室 研究阶段。微小管道机器人的移动机构是微型管道机器人的重要组成部分，它是携带作业器件 的载体，也是影响微型管道机器人实用化进程的重要因素之一。日本东京工业大学研制 的气压蠕动式爬行装置，速度较慢。控制系统较为，杂，难以实现精确控制；日本东京 工业大学研制的电机外置式螺旋移动装置，速度较快，但管外辅助装备复杂；国内外先 后报道过几种管内移动机构的研制消息，但大多牵引力较小，距离实用化还有较大的差 距。 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，提供一种具有足够大的驱动牵引 力，能在任意倾斜角度的微小管道内部自由地前进、后退，可在竖直管道中爬行，可搭 载扩展功能模块，实现对微小管道内部情况的检査、检测、维修的蠕动式微小管道机器 人。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。一种蠕动式微小管道机器人，包括中间伸縮部件和两件可支撑于微小管道内的支撑 部件，两件支撑部件分别连接于中间伸縮部件的两端，所述支撑部件包括螺母支架和驱 动螺母支架前后运动的驱动装置，所述驱动装置上铰接有后支撑腿，所述螺母支架上铰 接有前支撑腿，所述后支撑腿与前支撑腿铰接。所述驱动装置包括小电机组件、小电机外壳、法兰盘以及与后支撑腿铰接的铰接架， 所述小电机外壳一端与中间伸缩部件相连，另一端套接于小电机组件上，所述法兰盘通 过轴承支撑于小电机组件的输出轴上，并与小电机组件相连，所述铰接架固定于法兰盘 上，所述螺母支架与小电机组件的输出轴端部螺纹连接。所述小电机外壳连接于中间伸縮部件的一端设有连接轴，所述连接轴上套装有导向 轮架，所述导向轮架上装设有导向轮。所述中间伸縮部件包括螺母套、螺杆、导向杆、电机外壳、电机组件和后端盖，所 述电机组件装设于电机外壳内，所述电机外壳一端与后端盖连接，另一端通过导向杆与 螺母套相连，所述螺杆一端与电机组件的输出轴连接，另一端与螺母套螺纹连接，两支 撑部件分别与螺母套和后端盖相连。所述螺杆与电机外壳之间装设有轴承，螺杆端部设有内挡圈，电机外壳内设有外挡 圈，轴承内圈通过内挡圈与螺杆上所设轴肩定位，轴承外圈通过外挡圈与电机外壳上所 设轴肩定位。所述连接轴的端部设有第一叉形接头，所述螺母套和后端盖连接支撑部件的一端均 设有第二叉形接头，各第二叉形接头分别与一第一叉形接头通过十字销轴铰接为万向节。所述螺母支架上通过连接装置搭载有功能模块，所述连接装置包括带第三叉形接头 的法兰和第四叉形接头，法兰与螺母支架连接，第四叉形接头一端与第三叉形接头通过 十字销轴铰接为万向节，另一端与功能模块连接，第四叉形接头上套装有导向轮架，所 述导向轮架上装设有导向轮。所述小电机外壳、电机外壳和后端盖上设有便于布置导电线的导线孔。 所述前支撑腿的支撑端设有可增大摩擦力的橡胶块。 与现有技术相比，本发明的优点就在于1、 实现了在任意倾斜角度的微小管道内部自由地前进、后退，并可在竖直管道中爬行；2、 可搭载扩展功能模块，如传感器、微型CCD摄像机及相应的操作工具，实现对 微小管道内部情况的检查、检测和维修，可代替人工检测和维修。3、 通过丝杠螺母减速增力传动机构驱动行走，具有足够大的驱动牵引力；4、 中间伸縮机构的两端以万向节的形式分别与一支撑机构相连，可通过一定曲率半 径的弯曲管道；5、 支撑机构的前支撑腿和后支撑腿的支撑半径可在一定范围内变化，使得机器人可 在具有一定管径变化的微小管道中通行；6、 中间伸縮部件中设有支承轴承的内挡圈和外挡圈，使电机组件的输出轴所承受的 轴向力减小，起到保护电机组件的输出轴的作用；7、 连接轴上套装有导向轮架，导向轮架上装设有三组导向轮，导向轮可以使机器人 的行动保持平稳，防止晃动；8、 前支撑腿端部胶粘有橡胶块，目的是增大接触摩擦力，使其与管道的接触更加可靠；9、 小电机外壳、电机外壳和后端盖上设有导线孔，便于导电线的布置。
图1是本发明的结构示意图； ' 图2是图1的A—A剖面视图； 图3是支撑部件的放大图； 图4是导向轮架和导向轮的俯视放大图； 图5是图2中B处的局部放大图； 图6是电机外壳的俯视图； . 图7是电机外壳的结构示意图； 图8是搭载了功能模块的结构示意图；图9是本发明的运动过程示意图。 图中各标号表示 '1、中间伸縮部件 2、支撑部件3、导向轮架 4、导向轮5、第一叉形接头 6、第t叉形接头7、十字销轴8、连接装置9、功能模块10、螺母套11、螺杆12、导向杆13、电机外壳14、电机组件15、后端盖16、内挡圈17、外挡圈20、连接轴21、小电机组件22、小电机外壳23、法兰盘24、铰接架25、后支撑腿26、前支撑腿27、螺母支架28、橡胶块30、导线孔31、导线窗81、第三叉形接头82、法兰83、第四叉形接头具体实施方式
如图1至图9所示，本发明的蠕动式微小管道机器人实现了在任意倾斜角度的微小 管道内部自由地前进、后退，并可在竖直管道中爬行，它包括中间伸縮部件1和两件可 支撑于微小管道内的支撑部件2，两件支撑部件2分别连接于中间伸縮部件1的两端。支撑部件2包括螺母支架27和驱动螺母支架2 前后运动的驱动装置，驱动装置包 括小电机组件21、小电机外壳22、法兰盘23以及铰接架24，螺母支架27与小电机组件 21的输出轴端部螺纹连接，小电机外壳22—端与中间伸縮部件1相连，另一端套接于小 电机组件21上，法兰盘23通过轴承支撑于小电机组件21的输出轴上，并与小电机组件 21相连，铰接架24固定于法兰盘23上，铰接架24上铰接有三组后支撑腿25，螺母支 架27上铰接有三组前支撑腿26，前支撑腿26与后支撑腿25沿周向均匀布置，各组后支 撑腿25分别与对应的一组前支撑腿26铰接，前支撑腿26的支撑端设有可增大摩擦力的 橡胶块28,使其与管道的接触更加可靠；前支撑腿26和后支撑腿25的支撑半径可在一 定范围内变化，使得机器人可在具有一定管径变化的微小管道中通行。小电机外壳22连 接于中间伸縮部件l的一端设有连接轴20，连接轴20上套装有导向轮架3，导向轮架3 上装设有三组导向轮4，导向轮4可以使机器人的行'动保持平稳，防止晃动。 中间伸縮部件1包括螺母套10、螺杆11、导向杆12、电机外壳13、电机组件14和 后端盖15，电机组件14装设于电机外壳13内，电机外壳13—端与后端盖15连接，另 一端通过导向杆12与螺母套IO相连，螺杆11一端与电机组件14的输出轴连接，另一 端与螺母套10螺纹连接，两支撑部件2分别与螺母套10和后端盖15相连。螺杆11与 电机外壳13之间装设有轴承，由于电机组件14的输出轴细小，不能承受过大的轴向载 荷，因此在螺杆11端部设有内挡圈16，电机外壳13内设有外挡圈17,轴承内圈通过内 挡圈16与螺杆11上所设轴肩定位，轴承外圈通过外挡圈17与电机外壳13上所设轴肩 定位，该结构可使轴向载荷不直接加在电机组件14的输出轴上，当输出轴承受轴向载荷 时，力的传递路径如下，承受压力时螺杆11一轴承一外挡圈17—电机组件14一电机外 壳13;承受拉力时螺杆ll一内挡圈16 —轴承一电机外壳13;这样，不管输出轴受到 压力还是拉力作用，都把轴向载荷传递到电机机壳13，达到保护电机组件14的输出轴的 目的。
.连接轴20的端部设有第一叉形接头5，螺母套10和后端盖15连接支撑部件2的一 端均设有第二叉形接头6，各第二叉形接头6分别与一第一叉形接头5通过十字销轴7 铰接为万向节，使得本发明的蠕动式微小管道机器人可通过一定曲率半径的弯曲管道。螺母支架27上通过连接装置8搭载有功能模块9，功能模块9可以是传感器、微型 CCD摄像机及相应的操作工具，实现对微小管道内部情况的检査、检测和维修，可代替 人工检测和维修。连接装置8包括带第三叉形接头81的法兰82和第四叉形接头83，法 兰82与螺母支架27连接，第四叉形接头83 —端与第三叉形接头81通过十字销轴7铰 接为万向节，另一端与功能模块9连接，第四叉形接头83上套装有导向轮架3，导向轮 架3上装设有导向轮4。小电机外壳22、电机外壳1.3和后端盖15上设有导线孔30，电 机外壳13上还设有导线窗31，便于导电线的布置。工作原理本发明的蠕动式微小管道机器人由三组直流电机驱动，通过三组螺旋传 动装置将电机的转动转化成需要的运动形式，具有足够大的行动牵引力。头部和尾部的 支撑腿结构类似于并联的三组曲柄滑块装置，通过驱动螺母套10的前后移动，实现前、 后支撑腿的张开与收紧。按一定顺序控制三组电机的正、反转动作，就可以实现蠕动式 前进或后退。下面以在垂直微小管道中通行为例，说明本发明的蠕动式微小管道机器人 的基本运动步骤。一个运动周期可分为6个步骤步骤一，如图9a所示，下端支撑部件2的前支撑腿26张开，上端支撑部件2的前
支撑腿26收起，中间伸缩部件1处于收縮状态，机器人由下端支撑部件2的前支撑腿26 支撑；步骤二，如图9b所示，下端支撑部件2的前支撑腿26保持张开，上端支撑部件2 的前支撑腿26保持收起，中间伸缩部件1的电机组'件14驱动螺杆11正转，螺母套10 在导向杆12的约束下直线上升，并带动上端支撑部件2上升，上升距离为h，机器人仍 由下端支撑部件2的前支撑腿26支撑；步骤三，如图9c所示，下端支撑部件2的前支撑腿26保持张开，上端支撑部件2 的小电机组件21驱动螺母支架27向下运动，带动前支撑腿26张开，并撑紧管壁，中间 伸縮部件1保持伸长状态，机器人由上、下两支撑部件2的前支撑腿26支撑；步骤四，如图9d所示，下端支撑部件2的小电机组件21驱动螺母支架27向下运动， 带动前支撑腿26收起，上端支撑部件2的前支撑腿26保持张开，中间伸缩部件1保持 伸长状态，机器人由上端支撑部件2的前支撑腿26支撑；步骤五，如图9e所示，下端支撑部件2的前支撑腿26保持收起，上端支撑部件2 的前支撑腿26保持张开，中间伸縮部件1的电机组件14驱动螺杆11反转，螺杆11在 相对固定的螺母套10的约束下直线上升，并带动下端支撑部件2上升，上升距离为h， 机器人仍由上端支撑部件2的前支撑腿26支撑；步骤六，如图9f所示，下端支撑部件2的小电机组件21驱动螺母支架27向上运动， 带动前支撑腿26张开，并撑紧管壁，上端支撑部件2的前支撑腿26保持张开，中间伸 縮部件1保持收縮状态，机器人由上、下两支撑部件2的前支撑腿26支撑。上端支撑部件2的前支撑腿26收起后，又回到步骤一，至此，完成一个周期的运动， 机器人整体向上移动了一个步距h，按照与此相反的动作顺序就可实现向下运动。
权利要求
1、 一种蠕动式微小管道机器人，其特征在于包括中间伸縮部件(1)和两件可支撑 于微小管道内的支撑部件(2)，两件支撑部件(2)分别连接于中间伸縮部件(1)的两 端，所述支撑部件(2)包括螺母支架(27)和驱动螺母支架(27)前后运动的驱动装置， 所述驱动装置上铰接有后支撑腿(25)，所述螺母支k (27)上铰接有前支撑腿(26)， 所述后支撑腿(25)与前支撑腿(26)铰接。
2、 根据权利要求1所述的蠕动式微小管道机器人，其特征在于所述驱动装置包括小 电机组件(21)、小电机外壳(22)、法兰盘(23)以及与后支撑腿(25)铰接的铰接架(24)，所述小电机外壳(22) —端与中间伸縮部件(1)相连，另一端套接于小电机组 件(21)上，所述法兰盘(23)通过轴承支撑于小电机组件(21)的输出轴上，并与小 电机组件(21)相连，所述铰接架(24)固定于法兰盘(23)上，所述螺母支架(27) 与小电机组件(21)的输出轴端部螺纹连接。
3、 根据权利要求2所述的蠕动式微小管道机器人，其特征在于所述小电机外壳(22) 连接于中间伸縮部件(1)的一端设有连接轴(20)，'所述连接轴(20)上套装有导向轮 架(3),所述导向轮架(3)上装设有导向轮(4)。
4、 根据权利要求2或3所述的蠕动式微小管道机器人，其特征在于所述中间伸縮部 件(1)包括螺母套(10)、螺杆(11)、导向杆(12)、电机外壳(13)、电机组件(14) 和后端盖(15)，所述电机组件(14)装设于电机外壳(13)内，所述电机外壳(13) — 端与后端盖(15)连接，另一端通过导向杆(12)与螺母套(10)相连，所述螺杆(11) 一端与电机组件(14)的输出轴连接，另一端与螺母套(10)螺纹连接，两支撑部件(2) 分别与螺母套(10)和后端盖(15)相连。
5、 根据权利要求4所述的蠕动式微小管道机器人，其特征在于所述螺杆(11)与电 机外壳(13)之间装设有轴承，螺杆(11)端部设有内挡圈(16)，电机外壳(13)内设 有外挡圈(17)，轴承内圈通过内挡圈(16)与螺杆(11)上所设轴肩定位，轴承外圈通 过外挡圈(17)与电机外壳(13)上所设轴肩定位。
6、 根据权利要求4所述的蠕动式微小管道机器人，其特征在于所述连接轴(20)的 端部设有第一叉形接头(5)，所述螺母套(10)和后端盖(15)连接支撑部件(2)的一 端均设有第二叉形接头(6),各第二叉形接头(6)分别与一第一叉形接头(5)通过十字销轴(7)铰接为万向节。
7、 根据权利要求5所述的蠕动式微小管道机器人，其特征在于所述连接轴(20)的 端部设有第一叉形接头(5),所述螺母套(10)和后端盖(15)连接支撑部件(2)的一 端均设有第二叉形接头(6)，各第二叉形接头(6)分别与一第一叉形接头(5)通过十 字销轴(7)铰接为万向节。
8、 根据权利要求7所述的蠕动式微小管道机器人，其特征在于所述螺母支架(27) 上通过连接装置(8)搭载有功能模块(9)，所述连接装置(8)包括带第三叉形接头(81) 的法兰(82)和第四叉形接头(83)，法兰(82)与螺母支架(27)连接，第四叉形接头(83) —端与第三叉形接头(81)通过十字销轴(7)铰接为万向节，另一端与功能模块 (9)连接，第四叉形接头(83)上套装有导向轮架(3)，所述导向轮架(3)上装设有 导向轮(4)。
9、 根据权利要求8所述的蠕动式微小管道机器人，其特征在于所述小电机外壳(22)、 电机外壳(13)和后端盖(15)上设有便于布置导电线的导线孔(30)。
10、 根据权利要求9所述的蠕动式微小管道机器人，其特征在于所述前支撑腿(26) 的支撑端设有可增大摩擦力的橡胶块(28)。
全文摘要
本发明公开了一种蠕动式微小管道机器人，它包括中间伸缩部件和两件可支撑于微小管道内的支撑部件，两件支撑部件分别连接于中间伸缩部件的两端，所述支撑部件包括螺母支架和驱动螺母支架前后运动的驱动装置，所述驱动装置上铰接有后支撑腿，所述螺母支架上铰接有前支撑腿，所述后支撑腿与前支撑腿铰接。该蠕动式微小管道机器人具有足够大的驱动牵引力，能在任意倾斜角度的微小管道内部自由地前进、后退，也可在竖直管道中爬行，可搭载扩展功能模块，实现对微小管道内部情况的检查、检测、维修。
文档编号F16L55/32GK101144558SQ20071003584
公开日2008年3月19日 申请日期2007年9月30日 优先权日2007年9月30日
发明者徐从启, 戴一帆, 李圣怡, 王宏刚, 解旭辉, 郑子文 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学