一种使用弹簧预紧的自适应管道机器人结构

：
1.本发明涉及管道机器人领域，主要涉及自适应管道机器人的结构。


背景技术：

2.在当今的社会，各种各样的管道随处可见，管道具有运输安全、效率高的优点，被广泛应用于油气运输、核电等领域，给我们的生活和生产提供了很大的便利。然而，由于温度、压力、输送介质的腐蚀以及管道自身使用寿命的影响，会引发管道出现裂缝、腐蚀等问题，这将导致输送介质的泄漏。因此为了消除管道的潜在危害，必须定期对管道进行检查和维护。但是大多数管道的内部空间是有限的，因此管道机器人由此而生。
3.根据运动原理，管道机器人可分为被动式和主动式。按照驱动原理，主要分为轮式、履带式、爬行式、多足式等；为了适应不同的管道直径，管道机器人必须有调整管道直径的机制。目前常用的管道机器人的变径机构主要包括弹簧预紧变径机构、蜗杆蜗轮预紧变径机构、升降机预紧变径机构和丝杠螺母副预紧变径机构四种。弹簧预紧变径机构最大的优点是不需要附加能源，能够自动适应管径的变化，适应性很好。但是，缺点是变化范围小，并且，安装前需要提前调节好弹簧的预紧力。蜗杆蜗轮预紧变径机构、升降机预紧变径机构虽然能进行大范围的变径，但需要的驱动力很大，对机构的强度要求较高；丝杠螺母副预紧变径机构虽然空间布局简单，驱动力小，但在轴向不够。


技术实现要素：

4.为了解决现有自适应管道机器人空间布局结构复杂，对机构强度要求高，以及长时间工作供电不足的问题，本发明提供一种使用弹簧预紧的自适应管道机器人结构。
5.本发明使用以下设计方案实现：一种使用弹簧预紧的自适应管道机器人结构设计，其包括：
6.本发明提供的一种使用弹簧预紧的自适应管道机器人结构设计，主要是通过弹簧预紧来改变两个轮腿连接板的位移，从而改变上下轮腿之间的角度，实现自适应管道的功能。整个机器人通过直流无刷电机来提供动力，并将电机提供的动力通过两个圆锥齿轮配合，传动轴传动最终实现整个系统的运动。其主要包括自主变径机构、驱动传动机构、行走机构、过弯机构四个部分组成。自主变径机构主要结构包括：上固定支撑板、移动支撑板、下固定支撑板、弹簧、滑动杆、弹簧导杆；驱动传动机构主要包括：直流无刷电机、电机轴、电机连接板、螺栓(m6
×
50)、紧定螺钉(m2.5
×
12)、大圆锥齿轮、小圆锥齿轮、传动轴；行走机构主要结构包括：轮板、轮子轴、紧定螺钉(m2.5
×
12)、轮子、凸缘外圈微型向心球轴承、上轮腿、螺栓(m6
×
35)；过弯机构主要包括：下固定支撑板、铰链连接板1、铰链杆1、铰链连接板2。
7.进一步地，在工作时，先将弹簧进行预紧，当管道的管径从大变小时，弹簧会继续压缩，从而带动移动支撑板向上位移，进而实现小管径的自适应调节；当管道的管径从小变大时，弹簧会被放松，但仍然处于压缩状态，移动支撑板会向下位移，进而实现大管径的自
适应调节。
8.再进一步地，移动支撑板在滑动杆上移动，同时弹簧在弹簧导杆上移动，能够增加移动时系统稳定性。
9.再进一步地，系统动力由电机提供，通过圆锥齿轮配合将动力传递到轮子上，同时加上密封外壳，保证动力系统的安全性。
10.再进一步地，整个设计采用对称式设计，上下两个部分结构相同，中间通过铰链连接，在通过弯管时，能够具有良好的通过性，使整个结构更加灵活，同时，三条轮腿在上支撑板上的分布形式为相隔120度对称式分布，能够有效解决受力不均匀的情况。两个电机对称的安装在上下两个部分的相对应的轮腿上，能够使动力平衡输出。
11.更进一步地，因为受到轮腿长度和弹簧的影响，本发明提供的一种使用弹簧预紧的自适应管道机器人的有效工作管径为160mm≤r≤480mm。轮腿与弹簧套管之间夹角θ的范围为 15
°
≤θ≤75
°
。
12.本发明的有益效果：
13.1.本发明提供的使用弹簧预紧的自适应管道机器人，通过采用弹簧预紧式变径机构，使管道机器人的结构更加简单，能够随时适应工作范围内的大小管径的变化，并且无需多余的驱动力，降低使用成本。
14.2.本发明提供的使用弹簧预紧的自适应管道机器人，通过采用上下对称式结构设计，两部分通过铰链连接，使其能够更好的通过弯道，具有更多的灵活性。采用拖缆式直流无刷电机驱动，增加了其工作时间。传动系统采用圆锥齿轮传动，具有可靠性高，传动效率高，能够传递较大转矩，增加了结构的紧凑性和可靠性。
附图说明：
15.图1为根据本发明提供的使用弹簧预紧的自适应管道机器人总体三维结构示意图。
16.图2为根据本发明提供的使用弹簧预紧的自适应管道机器人总体二维结构示意图。
17.图3为根据本发明提供的使用弹簧预紧的自适应管道机器人装配图主视图。
18.图4为根据本发明提供的使用弹簧预紧的自适应管道机器人装配图俯视图。
19.图5为图4中a-a剖面的剖视图。
20.图6为图4中b处的局部放大图。
21.图7为图4中c处的局部放大图。
22.图8为图3中d处的局部放大图。
23.其中，1-上固定支撑板、2-弹簧、3-弹簧导杆、4-滑动杆、5-移动支撑板、6-下固定支撑板、7-铰链连接板1、8-铰链杆1、9-铰链连接板2、10-铰链杆2、11-轮子、12-轮板、13-轮腿、14-铰链杆3、15-电机、16-电机连接板、17-电机紧定螺钉(m4
×
10)、18-螺母(m6)、 19-支撑腿、20-铰链连接板紧定螺钉(m4
×
10)、21-传动轴、22-螺母(m8)、23-轮子紧定螺钉(m2.5
×
12)、24-凸缘外圈微型向心球轴承、25-螺栓(m6
×
35)、26-螺栓(m8
×
50)、27
‑ꢀ
小圆锥齿轮、28-大圆锥齿轮。
具体实施方式：
24.为了让本发明提供的结构设计更加清楚明白，以下将会结合具体附图以及具体实施方法对本次发明进行更加详细的解释说明。但应当说明的是，以下所描述的具体实施方法只是用来解释本发明，而并非来限定本发明。
25.在图2中展示了本发明提供的使用弹簧预紧的自适应管道机器人总体二维结构示意图，能够看出本发明所提供的使用弹簧预紧的自适应管道机器人主要是由自主变径机构1、驱动传动机构2、行走机构3、过弯机构4这四大部分组成。在图5中对自主变径机构1进行了详细的说明，可以看出自主变径机构1主要结构组成包括：上固定支撑板101、滑动杆102、弹簧103、移动支撑板104、弹簧导杆105、下固定支撑板106。当开始工作时，弹簧103首先处于预紧状态，弹簧的上下两端分别顶着上固定支撑板101、移动支撑板104。弹簧103始终套在弹簧导杆105上，滑动杆102与上固定支撑板101、下固定支撑板106连接起来。当管道的管径从大变小时，弹簧103进一步被压缩，带动移动支撑板104沿着滑动杆102向上移动，从而实现小管径的自适应调节。当管道的管径从小变大时，弹簧103被放松，但仍处于压缩状态，并带动移动支撑板104沿着滑动杆102向上移动，进而实现大管径的自适应调节。在图6中对驱动传动机构2进行了仔细的说明，能够看出驱动传动机构主要结构组成包括：电机201、电机连接板202、螺栓(m8
×
50)203、电机轴204、大圆锥齿轮205、大圆锥齿轮紧定螺钉206、小圆锥齿轮207、传动轴208、小圆锥齿轮紧定螺钉209、凸缘外圈微型向心球轴承210。电机201通过电机连接板202、螺栓(m8
×
50)203连接在轮腿上。大圆锥齿轮205通过大圆锥齿轮紧定螺钉206固定在电机轴204上，小圆锥齿轮207通过小圆锥齿轮紧定螺钉209固定在传动轴208上，轮子也通过紧定螺钉固定在传动轴208上。在工作时，电机201输出的动力通过电机轴204传递给大圆锥齿轮205。通过大圆锥齿轮205和小圆锥齿轮207配合，进而将动力传递到传动轴208上，从而带动轮子运动，实现整个结构的驱动传动，并且整个驱动传动系统通过密封壳进行保护。在图7中对行走机构3进行的详细的说明，可以看见行走机构3主要结构组成包括：轮板301、轮子轴302、轮子紧定螺钉303、轮子304、凸缘外圈微型向心球轴承305、轮腿306、螺栓(m6
×
35)307。首先，左右两侧轮板301通过螺栓(m6
×
35)307固定在轮腿306上。左右两侧的凸缘外圈微型向心球轴承305 紧密安装在两侧轮板301的凹槽内，轮子轴302通过左右两侧的凸缘外圈微型向心球轴承305 固定在轮板301上，实现正常转动。轮子304通过四个对称分布的轮子紧定螺钉303固定在轮子轴302上，进而实现行走的功能。在图8中对过弯机构4进行了仔细的介绍，可以清楚地看见过弯机构4主要的结构组成包括：下固定支撑板-1401、铰链连接板-1402、铰链杆
ꢀ‑
1403、铰链连接板-2404、紧定螺钉405407、下固定支撑板-2406。其中铰链连接板-1402 由对称的两块组成，分别通过紧定螺钉407固定在下固定支撑板-1401上，铰链连接板-2404 通过紧定螺钉405固定在下固定支撑板-2 406上。进而，铰链杆-1403连接上铰链连接板-1 402和铰链连接板-2404，从而能够实现转动。在通过弯管时，整个自适应管道机器人采用上下对称式设计，上下两部分能够通过中间连接铰链灵活转动，实现过弯的功能。本发明提供的该种使用弹簧预紧的自适应管道机器人主要是通过预紧弹簧进行自主变径，通过圆锥齿轮配合进行传动，使用传统的轮式结构进行行走，采用铰链连接的方法来实现过弯功能，使整个结构更加简单，具有较高的灵活性和稳定性。
26.以上所述只是对于本发明较好的具体实施方法而已，不用来限制本发明，只要在
本发明的设计方案上做的任何修改，更换等行为，均应该在本发明的保护范围之内。