一种用于输气管道巡检机器人的混合动力装置的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种用于输气管道巡检机器人的混合动力装置。

背景技术：

在现代生产生活中，输气管道已广泛应用于冶金、石油、化工及城市燃气供应。输气管道的工作环境非常恶劣，在长期的使用过程中，由于化学腐蚀、机械破坏、地壳运动、管道附件磨损等原因容易发生腐蚀、变形、裂纹、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故。而且很大一部分管道为埋地管线，管道泄漏隐患很难发现，极易引起火灾、爆炸等严重事故。

因此，为了防范未然，必须对这些管道进行定期的检测维修。而挖出管道进行检测、维修既不经济又不现实。管道机器人作为地下管线检修、故障探测及排除等人工无法或者难以到达处所不可缺少的辅助手段，越来越被工程应用所采用及发展。

输气管道机器人的动力及其运动控制一直是工程应用过程中需要解决的一个关键技术问题。目前，管道机器人行走机构的运动形式主要有轮式、履带式、弹力支撑式、螺旋式等，主要靠电机驱动。但由于管道作业越加频繁，作业环境多变，不同区域行进条件不同，行进速度要求也不同。目前传统四轮驱动，行走不稳定，容易倾覆，驱动力不足。螺旋式机器人，首先也存在动力不足功率不能充分利用，行进速度单一，转弯费劲。单个组螺旋驱动轮的管道机器人，由于力矩作用无法保证其螺旋面始终与管道截面平行，无法确保机器人运行平稳。还有在管道截面变化适应性方面，现有技术采用的单一弹簧控制的调节机构，适应作用有限，且难控制，当弹性压力较大时，会出现驱动力不足卡住现象，多消耗大量能量。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于输气管道巡检机器人的混合动力装置，它具有利用输气管道流体动能与电能结合以提高巡检机器人续航能力的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于输气管道巡检机器人的混合动力装置，包括中心支撑轴、套设于所述中心支撑轴的轴管、固连于所述轴管的驱动轮、分别与所述驱动轮连接的电机装置及涡轮装置、及连接所述涡轮装置与所述电机装置的离合装置，所述电机装置或涡轮装置转动以驱动所述驱动轮转动，以使得所述巡检机器人沿输气管道的轴线方向移动，所述离合装置用以在所述涡轮装置及所述电机装置之间切换以使得巡检机器人使用相应的动力能源；或者所述离合装置断开所述涡轮装置与所述驱动轮之间的动力传递以使得巡检机器人停留在预设位置。

可选地，所述离合装置包括与所述涡轮装置啮合的第一减速组件、与所述驱动轮啮合的第二减速组件、及连接第一减速组件与所述第二减速组件的离合组件，所述第一减速组件包括第一连接轴，所述第二减速组件包括与所述第一连接轴同轴线且相对设置的第二连接轴，所述离合组件沿所述第一连接轴或所述第二连接轴滑动，以连接或断开所述第一减速组件与所述第二减速组件之间的动力传递。

可选地，所述离合组件包括舵机、组装至所述舵机的摇臂、铰接至所述摇臂的连杆、及固连至所述连杆的齿轮同步器，所述齿轮同步器套设于所述第一连接轴或所述第二连接轴上，所述舵机转动摇臂以使得所述连杆带动所述齿轮同步器移动，以使得所述第一连接轴与所述第二连接轴同步转动或断开。

可选地，所述齿轮同步器包括本体部及凸出所述本体部的连接部，所述连接部与所述连杆固连，所述本体部设有啮合齿，所述啮合齿与所述第一连接轴及所述第二连接轴匹配。

可选地，所述涡轮装置包括套设于所述中心支撑轴的转动轴、固连于所述转动轴的涡轮齿轮及涡轮组件，所述涡轮齿轮与所述离合装置啮合连接，所述涡轮组件用于将输气管道内的流体动能转换成驱动所述转动轴转动的动能。

可选地，所述涡轮组件包括固连于所述转动轴的连接套及固设于所述连接套的扇叶，所述扇叶沿所述转动轴的轴线方向延伸。

可选地，所述电机装置包括驱动电机及组装于所述驱动电机输出轴上的驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述驱动轮啮合连接。

可选地，还包括组装至所述中心支撑轴的外壳，所述离合装置、电机装置及涡轮装置收纳于所述外壳内。

可选地，所述外壳包括呈圆管状的主体部与涡轮部、及连接主体部与涡轮部的加强筋，所述主体部的外径小于涡轮部的外径，所述涡轮部与加强筋之间形成通气孔，所述涡轮装置位于所述涡轮部内且与所述通气孔导通。

可选地，所述外壳还包括安装架，所述离合装置及所述电机装置固定至所述安装架。

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：

混合动力装置设有电机装置及涡轮装置，可以通过离合装置进行切换，以使得巡检机器人能具有更长的续航能力。涡轮装置将输气管道内流体的动能转换成巡检机器人移动的动力，对巡检机器人自身所携带的电能消耗小，续航能力强。巡检机器人使用混合的动力，能适应巡检机器人在输气管道环境下的应用，提高其使用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明去除壳体状态的结构示意图。

图3是本发明离合状态的结构示意图。

图4是本发明中螺旋驱动轮装置的结构示意图。

图5是本发明的右视结构示意图。

图中：中心支撑轴10；移动装置20；螺旋驱动轮装置21；底座腿夹211；枢接轴2111；腿夹2112；驱动轮组件2113；主滚轮21131；辅助滚轮21132；第一压缩杆2114；第二压缩杆2115；十字连接组件212；平衡轮装置22；安装座221；支撑腿夹222；安装杆2221；支脚杆2222；平衡轮组2223；尾主轮22231；尾辅轮22232；第三压缩杆2224；第四压缩杆2225；球头移动装置23；球头组件231；连杆组件232；第二连接柱2321；连接杆2322；第一连接柱2323；换向舵机24；换向摆臂241；换向杆242；混合动力装置30；轴管31；驱动轮32；电机装置33；驱动电机331；驱动齿轮332；涡轮装置34；转动轴341；涡轮齿轮342；涡轮组件343；离合装置35；第一减速组件351；第一连接轴3511；第二减速组件352；第二连接轴3521；离合组件353；舵机3531；摇臂3532；连杆3533；齿轮同步器3534；外壳40；主体部41；涡轮部42；安装架43。

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

实施例，见图1及图2所示：本发明提供了一种用于输气管道的巡检机器人。该巡检机器人包括中心支撑轴10、组装于中心支撑轴10的移动装置20及混合动力装置30，其中，混合动力装置30为巡检机器人的动力源，用以驱动移动装置20移动，移动装置20用以抵接至输气管道并沿输气管道的轴向移动。

移动装置20包括螺旋驱动轮装置21、及组装至中心支撑轴10的平衡轮装置22，螺旋驱动轮装置21及平衡轮装置22均抵接至输气管道的管壁，螺旋驱动轮装置21及平衡轮装置22位于中心支撑轴10的两端。混合动力装置30位于螺旋驱动轮装置21及平衡轮装置22之间，且混合动力装置30驱动螺旋驱动轮装置21，使螺旋驱动轮装置21呈螺旋状转动，以使得巡检机器人沿输气管道移动。

该巡检机器人通过螺旋驱动轮装置21及平衡轮装置22与输气管道的管壁贴合，适用于不同的输气管道，巡检机器人的适应性强。巡检机器人采用混合动力装置30利用输气管道内流体的动能转换成巡检机器人移动所需的动能，从而减少了巡检机器人自身能量的消耗，提高了巡检机器人的续航能力，使巡检机器人具有更好的可操作性。通过螺旋驱动轮装置21的螺旋状转动，使得巡检机器人沿输气管道的轴向移动，可通过调节螺旋驱动轮装置21沿螺纹旋向以控制巡检机器人的移动方向，调节方便。

见图2及图3所示：混合动力装置30包括套设于中心支撑轴10的轴管31、固连于轴管31的驱动轮32、分别与驱动轮32连接的电机装置33及涡轮装置34、及连接涡轮装置34与电机装置33的离合装置35。轴管31与中心支撑轴10之间设有轴承，轴管31绕中心支撑轴10转动，驱动轮32固连在轴管31上。驱动轮32为齿轮结构，电机装置33及涡轮装置34均与驱动轮32啮合连接。

螺旋驱动轮装置21组装至轴管31，当电机装置33或涡轮装置34转动以驱动驱动轮32转动时，螺旋驱动轮装置21绕轴管31转动且螺旋驱动轮装置21与输气管道的管壁的结合面呈螺旋状转动，以使得巡检机器人沿输气管道的轴线方向移动。通过控制螺旋驱动轮装置21的螺旋方向，如沿正螺纹方向旋转或沿反螺纹方向旋转，可以控制巡检机器人沿输气管道的轴线方向前进还是后退。

该巡检机器人还包括组装至中心支撑轴10的外壳40，该外壳40用以收纳离合装置35、电机装置33及涡轮装置34。其中，外壳40包括安装架43，该安装架43环绕中心支撑轴10，离合装置35及电机装置33固定至安装架43，以使得离合装置35及电机装置33均与驱动轮32啮合连接，调节方便，安装简单。

外壳40呈阶梯状，其包括呈圆管状的主体部41与涡轮部42，主体部41的外径小于涡轮部42的外径。主体部41与涡轮部42之间通过加强筋连接的，涡轮部42与加强筋之间形成通气孔，该通气孔的延伸方向平行与输气管道的轴线，涡轮装置34位于涡轮部42内且与通气孔导通，安装架43设于主体部41内。在巡检机器人移动过程中，流体流经通气孔并推动涡轮装置34工作，以使得该巡检机器人中的涡轮装置34将输气管道内的流体动能转换成巡检机器人移动的能量。

继续参见图2及图3所示：该涡轮装置34包括套设于中心支撑轴10的转动轴341、固连于转动轴341的涡轮齿轮342及涡轮组件343。转动轴341与中心支撑轴10滚动连接，如两者之间设置轴承，或转动轴341套设于中心支撑轴10外，转动轴341绕中心支撑轴10转动，涡轮齿轮342固连在转动轴341并绕中心支撑轴10转动。

涡轮组件343固连至转动轴341，用以将输气管道内的流体动能转换成驱动转动轴341转动的动能。其中，涡轮组件343包括固连于转动轴341的连接套及固设于连接套的扇叶，扇叶沿转动轴341的轴线方向延伸。扇叶沿连接套的外周面均匀分布，扇叶自连接套向末端扭曲形成曲面状。流体流经涡轮组件343时，推动扇叶旋转，使得涡轮组件343带动转动轴341旋转，继而使得涡轮齿轮342旋转。

涡轮齿轮342与离合装置35的一端啮合连接，离合装置35的另一端与驱动轮32啮合连接。其中，离合装置35用以断开或连接涡轮装置34与驱动轮32之间的传动，以使得巡检机器人使用涡轮装置34或电机装置33作为动力能源。

见图2所示：离合装置35包括与涡轮装置34啮合的第一减速组件351、与驱动轮32啮合的第二减速组件352、及连接第一减速组件351与第二减速组件352的离合组件353。第一减速组件351包括第一连接轴3511，第二减速组件352包括与第一连接轴3511同轴线且相对设置的第二连接轴3521。离合组件353沿第一连接轴3511或第二连接轴3521滑动，以连接或断开第一减速组件351与第二减速组件352之间的动力传递。

第一减速组件351的另一端与涡轮齿轮342啮合，第二减速组件352与驱动轮32啮合。离合组件353套设于第一连接轴3511及第二连接轴3521外并可沿两者滑动，可选地，第一连接轴3511及第二连接轴3521均设为外齿轮状结构，离合组件353设有齿轮同步器3534，该齿轮同步器3534设有与第一连接轴3511及第二连接轴3521匹配的内齿轮。当齿轮同步器3534同时套设于第一连接轴3511及第二连接轴3521上，则第一减速组件351与第二减速组件352同步运动，涡轮装置34将动力传递至移动装置20，使巡检机器人采用流体动能作为动力，其自身的电能消耗少。当齿轮同步器3534仅套设于第一连接轴3511或第二连接轴3521上，则断开第一减速组件351与第二减速组件352的同步运动，第一减速组件351在涡轮装置34的驱动下转动，而第二减速组件352则处于停止状态。此时，如果电机装置33驱动移动装置20移动，则巡检机器人自带的电能作为动力能源。如果电机装置33未驱动移动装置20移动，则巡检机器人保持停留于当前位置，停止效果好。

其中，需控制齿轮同步器3534的直线移动，该离合组件353包括组装于外壳40的舵机3531、组装至舵机3531的摇臂3532、铰接至摇臂3532的连杆3533，齿轮同步器3534固连至连杆3533。齿轮同步器3534套设于第一连接轴3511或第二连接轴3521上，舵机3531转动摇臂3532以使得连杆3533带动齿轮同步器3534移动，以使得第一连接轴3511与第二连接轴3521同步转动或断开。

舵机3531转动带动摇臂3532转动，摇臂3532驱动连杆3533使连杆3533带动齿轮同步器3534沿第一连接轴3511与第二连接轴3521的轴向移动。通过将舵机3531的圆周运动转换成齿轮同步器3534的直线移动，离合装置35的离合效果好，操作空间小。

电机装置33包括驱动电机331及组装于驱动电机331输出轴上的驱动齿轮332，驱动齿轮332与驱动轮32啮合连接。驱动齿轮332及离合装置35分别啮合至驱动轮32，通过离合组件353控制巡检机器人的动力能源选取，操作方便。巡检机器人运动过程中，自身电能消耗少，续航能力强。

见图2及图4所示：移动装置20用以带动巡检机器人在输气管道内移动，该移动装置20还包括套设于轴管31的球头移动装置23，球头移动装置23用以推动螺旋驱动轮装置21转换螺旋方向。螺旋驱动轮装置21包括至少二底座腿夹211，可选地，螺旋驱动轮装置21设有四个均匀分布的底座腿夹211。

在一实施例中，底座腿夹211包括枢接安装至球头移动装置23的枢接轴2111、铰接安装至枢接轴2111的腿夹2112、铰接安装至腿夹2112的驱动轮组件2113、连接枢接轴2111与腿夹2112的第一压缩杆2114、及连接腿夹2112与驱动轮组件2113的至少一第二压缩杆2115。枢接轴2111、腿夹2112及驱动轮组件2113均铰接连接，其弯曲角度可调节性大，至少一第二压缩杆2115及第一压缩杆2114向外延伸以推动底座腿夹211向外展开，以使得驱动轮组件2113呈螺旋状贴合至输气管道的管壁。

腿夹2112能适应不同内径的输气管道，适应性强。其中，螺旋驱动轮装置21还包括组装于轴管31的十字连接组件212，底座腿夹211枢接至十字连接组件212，十字连接组件212绕轴管31转动，底座腿夹211包括枢接安装至十字连接组件212的枢接轴2111，以带动底座腿夹211绕管壁转动。枢接轴2111沿轴管31的径向枢接在十字连接组件212上，球头移动装置23带动枢接轴2111绕枢接轴2111的轴线转动，继而使驱动轮组件2113相对于输气管道的管壁的螺旋方向发生转变，可以在巡检机器人不换向的情况下，实现巡检机器人前进或后退，操作方便。通过调节底座腿夹211的螺距，其可以进一步调节巡检机器人的移动速度。

驱动轮组件2113用以贴合至输气管道的管壁，驱动轮组件2113包括铰接至腿夹2112的安装轴、安装至安装轴的主滚轮21131、铰接安装至安装轴的至少一辅助滚轮21132，第二压缩杆2115连接辅助滚轮21132及腿夹2112，主滚轮21131及至少一辅助滚轮21132贴合至输气管道的管壁。

在一实施例中，安装轴的两侧铰接安装有两辅助滚轮21132，辅助滚轮21132与主滚轮21131的滚动方向呈一直线，第二压缩杆2115设有两个且分别抵接至对应的辅助滚轮21132。通过设置辅助滚轮21132，可以提高驱动轮组件2113的螺旋移动的稳定性，使巡检机器人运动平稳。驱动轮组件2113与管壁的接触面积增大，受力均匀性好，提高摩擦力，抓地力大。

见图1、图2及图4所示：球头移动装置23与底座腿夹211连接，球头移动装置23驱动底座腿夹211转动以使底座腿夹211呈螺旋状分布。球头移动装置23包括球头组件231及组装于球头组件231的连杆组件232。连杆组件232连接至底座腿夹211，球头组件231沿轴管31的轴向移动，以使得底座腿夹211转动以改变螺旋方向。

连杆组件232包括连接杆2322、固连于球头组件231的第一连接柱2323、固连于底座腿夹211的第二连接柱2321，连接杆2322分别连接至第一连接柱2323及第二连接柱2321。第一连接柱2323包括呈球面状的第一连接端，第二连接柱2321包括呈球面状的第二连接端，连接杆2322分别匹配连接至第一连接端及第二连接端，以使得连接杆2322与第一连接柱2323及第二连接柱2321万向转动。连接杆2322与第一连接柱2323及第二连接柱2321呈万向转动，当球头组件231沿轴管31的轴向移动时，连接杆2322推动枢接轴2111绕其轴线转动，使得底座腿夹211旋转以实现螺旋方向的改变。移动装置20的螺旋方向改变方便，结构巧妙。

其中，球头组件231包括滑设于轴管31的轴套、套设于轴管31的滑块、及组装于滑块与轴套之间的轴承件，连杆组件232铰接安装至轴套。在外壳40上组装有换向舵机24，该换向舵机24的输出端组装有换向摆臂241，在换向摆臂241的末端铰接安装有换向杆242，该换向杆242与滑块直接固连或通过连接板连接。

当换向舵机24转动时，换向摆臂241带动换向杆242移动，换向杆242带动滑块直线移动。第一连接柱2323固定于滑块上，滑块移动带动铰接安装与第一连接柱2323上的连接杆2322进行移动，进而使底座腿夹211实现改变螺旋方向，操作方便，控制简单。

见图2及图5所示：在中心支撑轴10一端设置螺旋驱动轮装置21用以控制前进及后退，在中心支撑轴10的另一端设有平衡轮装置22用以保持巡检机器人保持稳定的移动。该平衡轮装置22包括固连于中心支撑轴10的安装座221、及组装至安装座221的至少二支撑腿夹222，支撑腿夹222抵接至输气管道的管壁，并沿输气管道的轴向移动。通过支撑腿夹222使巡检机器人的后端保持在稳定的位置，移动平稳性好。其中，平衡轮装置22与输气管道的接触面平行与输气管道的轴线。

支撑腿夹222包括安装杆2221、铰接安装至安装杆2221的支脚杆2222、铰接安装至支脚杆2222的平衡轮组2223、连接安装杆2221与支脚杆2222的第三压缩杆2224、及连接支脚杆2222与平衡轮组2223的至少一第四压缩杆2225，至少一第三压缩杆2224及第四压缩杆2225向外延伸以推动支撑腿夹222向外展开，以使得平衡轮组2223贴合至输气管道的管壁。可选地，平衡轮组2223包括尾主轮22231及铰接设于安装杆2221且位于尾主轮22231两侧的尾辅轮22232，第四压缩杆2225设有两个且分别铰接连接至尾辅轮22232，以使尾主轮22231及尾辅轮22232均抵紧管壁，稳定性好。第三压缩杆2224用以调节安装杆2221与支脚杆2222之间的角度，以适应不同管径的输气管道，适应性强。

用于输气管道的机器人目前已有使用，其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对发明精神作举例说明。发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。