一种提高隧道巡检机器人弯道适应性的结构及方法与流程

本发明涉及电力隧道巡检机器人在隧道内可通过的适应性，尤其涉及一种提高隧道巡检机器人弯道适应性的结构及方法。

背景技术：

对于轨道交通的设备，尤其对于隧道或管廊内的巡检设备。隧道内空间狭窄并迂回曲折，巡检设备在行驶过程中会不可避免的遇到弯道问题，一般隧道或管廊的水平方向的弯道半径变化较大，有的只在几米之间，甚至有直角弯，这种情况就取决于隧道的宽度，如隧道是2米宽度，则其中心线对应的转弯半径就只有1米，则对于巡检设备的轨道，其一般是安装在隧道中心线位置，则轨道弯道的极限半径就只能是1米，这对于在其上运行的设备而言是一个很大的挑战，因为凡是巡检设备的车体结构，都是具备前轮及后轮的，必然会存在前后轮距，当经过弯道时，前后轮距就会形成弧形弯道上一根弦，弦的中心与其所对应的圆弧中心就会产生一段间距，这个间距K就是车体中心在弯道上的横向偏移，这个横向偏移过大时，那么车体结构就很可能与轨道发生干涉，因为在平直轨道上行驶的车体结构件相对应轨道是存在一定距离的，当行至弯道时，由于横向偏移距离的存在，当这个距离过大时，超过了车体结构件与导轨的间距时，两者之间就会发生干涉，导致车体不能再此弯道上通过，当然，我们可以改变设计，使车体结构件与导轨间距足够大，而不至于二者形成干涉，但导轨宽度是固定的，车轮作为车体结构件的一部分，必然要在导轨的承载面的运动，当导轨弯道半径过小，或前后轮距过大时，由于前述的间距的影响，车轮会非常有可能偏离承载面，造成车体脱轨，甚至会导致严重事故。还有就是被动加大导轨在弯道处的半径，这样虽然会使横向偏移减小，却造成轨道与隧道的墙壁之间一侧的间距减小，甚至会与墙壁触碰，直接导致车体无可以通过的空间。同样因为隧道通常会有落差，尤其在隧道衔接处会有工作井的出现，使得隧道通过工作井或落差大的隧道时也不可避免的出现轨道的坡道，当坡道过于陡峭时，不仅考验车体的驱动力，也挑战了车体的通过性能，因为同样安装于车体的结构件会与导轨承载面发生干涉，尤其是对于车体经过坡道结束时的拐点时，如果车体的轮式结构之间连接位刚性结构连接时，由于重心的尚未经过拐点，则后轮与重心的作用，往往会使前轮翘起，而并未在导轨的承载面上接触，如果这时前轮不为驱动轮，影响不是太大，后轮的驱动力会使车体重心通过拐点，前轮会因重力作用落在导轨支撑面上，如果这时前轮是驱动轮，那么前轮的驱动就会形同虚设，造成动力不足，甚至前轮如果是车体唯一的驱动轮，那么车体在经过此拐点时不仅不会前进，车体还会因为没有动力而卡死，或者倒退。

所以在弯道半径不可避免的小的情况下，如何提高车体在弯道上通过性能成为关键需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的不足，第一目的是提供一种提高隧道巡检机器人弯道适应性的结构，该结构通过两个转盘的设置，可在巡检机器人转弯时，通过转盘和中心轴将牵引力传递至支撑梁，车体做相应的结构性变化，提高巡检机器人的转弯半径。

本发明第二目的是提供一种提高道巡检机器人弯道适应性的方法，该方法通过上述结构的使用，有效提高巡检机器人的弯道适应性，提高机器人在弯道上的通过性。

为了达成上述目的，本发明提供的技术方案：

一种提高隧道巡检机器人弯道适应性的结构，隧道巡检机器人每组车轮组包括相对设置的两侧车轮和支撑梁，支撑梁与一侧的车轮通过墙板进行连接，轮组可悬挂于轨道的两侧相邻车轮组之间间隔设定的距离设置，车轮组通过主吊架进行连接，该结构包括在支撑梁上部和下部分别设置的第一转盘和第二转盘，支撑梁中部设有穿过两个转盘的中心轴，两个转盘之间连接有牵引杆，牵引杆通过轴承与主吊架连接，第一转盘与第二转盘以中心轴为轴，提供水平方向的自由度，通过牵引杆、第一转盘、第二转盘和中心轴的设置提供竖直方向上的自由度，通过这两个自由度的提供，为巡检机器人通过弯道提供了可能，其中，一个轮组为驱动轮组，该轮组通过主吊架将牵引力传递给牵引杆，牵引力通过牵引杆、第一转盘、第二转盘和中心轴传递至支撑梁，尤其是支撑梁的中心，整个机器人的车身的受力得到了合理的配置，机器人车体做出结构性变化，提高了弯道适应性。

其中，两组车轮组其中一个是驱动轮组，优选方案是前轮轮组为驱动轮组。

所述中心轴与支撑梁之间在支撑梁的上半段设置推力轴承与第一转盘配合，这样第一转盘就可以通过第一转盘下的推力轴承在水平方向上以中心轴为轴心自由转动，在支撑梁的下半段设置与第二转盘连接配合的水平径向轴承；这样第一转盘与第二转盘就可以以中心轴为轴，做水平方向的自由转动，并能通过中心轴有效水平定位，通过紧固件有效轴向定位。

所述第一转盘与所述第二转盘之间在纵向方向通过连接杆进行连接定位；

进一步地，连接杆外部套有弹性的连接杆护套，不仅保证第一转盘与第二转盘转动时的同步，还对两个转盘的转动进行限位，当上下转盘转动到一定范围，护套会触碰到支撑梁，从而实现了角度限位，这对机构具备保护意义。

进一步地，连接杆设置有多个，多个连接杆设于支撑梁的两侧，并以支撑梁为界前后各两根。

所述支撑梁的两侧端部各自通过轴承与墙板固定，实现将行进的阻力传导到墙板。

在所述支撑梁上所述墙板内侧固定有用于限制支撑梁相对于墙板旋转角度的限位块，限位块套于支撑梁上，限位块下部呈弧形设置，且下部的宽度宽于限位块上部的宽度。

所述牵引杆垂直于第一转盘设置，且牵引杆通过关节球轴承与所述的主吊架连接，关节球轴承套于牵引杆外围设置，前轮组通过关节球轴承对牵引杆进行牵引。

所述推力轴承绕中心轴上下设置有两个，第一转盘设于两个推力轴承之间，第一转盘通过下部推力轴承的上盖进行定位，第一转盘的上面仓与上部推力轴承的下盖配合定位。

通过下部推力轴承的设置，第一转盘与支撑梁的上平面之间设有设定的间隙。

所述中心轴的法兰固定于上部推力轴承上以对第一转盘在支撑梁上方进行轴向锁紧。

所述中心轴通过水平径向轴承与第二转盘连接，水平径向轴承的外圈与第二转盘配合，水平径向轴承内圈通过螺纹与中心轴固定，水平径向轴承外圈与第一转盘配合，中心轴的下半段设置螺纹，通过螺母或者其他紧固件固定水平径向轴承。

本发明提供的第二方案是：

一种隧道巡检机器人，采用所述的一种道巡检机器人弯道适应性的结构。

本发明提供的第三方案是：

一种提高道巡检机器人弯道适应性的方法，采用所述的一种道巡检机器人弯道适应性的结构。

本发明的工作原理是：为了使电力隧道巡检机器人能在隧道内灵活自如的通过各种弯道，需要满足两个条件。

通过水平弯道时，车体与导轨不能干涉；通过坡道时，尤其对于通过弧形圆顶的坡道时，由于车体重心的位置原因不能出现轮子翘起而卡死的情况。

这就需要有一种既能在水平方向上有一个转动自由度，也能在竖直方向上的也有一个转动自由度的机构，即，一种二自由度的牵引机构来实现。

本发明的结构即上述的牵引机构，当车体行进在笔直的导轨上时，除了车轮与导轨承载面在竖直方向上发生接触外，车身其它部分与导轨之间不存在干涉。这时，车轮行进方向与导轨延伸的方向是一致的，当车体行至水平弯轨与直轨相接的切点时，由于导轨延伸方向发生改变，对于前轮组而言，车轮行进方向仍在原来在直轨时的行进方向上，如果前轮组与车体的固定关系是刚性的，那么车轮依然会沿着原来直轨的行进方向前行，车轮侧面与弯轨之间必然产生干涉，这就会导致前轮组不能通过该段弯轨。同理，后轮组的行进也是同样道理，本机构就是为了解决此问题而设计，当车身行至弯轨时，前轮组会在驱动力的作用下相对车体发生角度转向，来适应这段弯轨的方向，转到与该处导轨切线一致的方向上，这样车轮前进方向将与弯轨在该处的切线方向一致，相应后轮组的转向角度也会随之改变，但无论怎么改变，前后轮组都与该处弯轨的切线方向保持一致，并伴随车身的行进，这个趋势也一直保持不变，这样就会使车轮侧面永远都不会与导轨干涉，整个车身又同时悬挂在这套牵引结构之下，所以能够保证整个车体能顺利通过此弯道。

当车体经过坡道时，由于车身重心的存在，对于刚性固定的车轮，当重心与后轮尚未经过轨道的拐点时，前轮组很容易翘起，如果前轮组为驱动轮，那么会导致该轮组的摩擦力丧失，导致动力不足，如图2所示，当车体经过圆弧顶时，前后轮组可根据坡道的变化，在竖直平面内自由转动，就能避免出现某个轮组行进中翘起的现象，从而保证动力及足够的摩擦力。

牵引力的施加位置应该在牵引装置结构刚性最强之处，该机构的主吊架位于上转盘上固定，使整个牵引装置对主吊架呈托举状态，这对于车身的承载强度是非常有利的，重力是通过支撑梁施加到左右墙板上的，但对于牵引力的施加状态并不理想，因为牵引力施加在第一转盘上为水平方向受力，而导致支撑梁的旋转中心不是在梁的轴心处，当牵引力施加在第一转盘上时，这个力会对支撑梁形成转矩，使支撑梁有旋转趋势，从而导致支撑梁对主吊架在行进中产生一种折弯的压力，这样对于主吊架的结构刚性就会有不利影响。所以这个牵引力应该施加在支撑梁的中心，可以将行进的阻力直接传导到左右墙板上，在这里，本机构通过一根牵引杆连接在上下转盘之间，上面固定了关节球轴承，再与主吊架相连，这样牵引力就可直接通过支撑梁的中心，这对于整个车身的受力进行了合理的配置。因为这时关节球轴承的牵引力方向与支撑梁的轴心呈现了正交关系，已经不会再对支撑梁形成转矩，所以不会产生以上的不良影响了，因此受力的配置才够合理。

本发明的有益效果：

1)通过本发明的实施，克服了电力隧道巡检机器人在隧道内拐弯半径受限的问题，这对于电力隧道巡检机器人在隧道内的广泛适应性是一个很大的飞跃，及行进中遇到坡道驱动轮与导轨承载面不能充分接触的问题，尤其对于拱形顶部车轮与承载面也能够做到紧密的接触，这对于保证隧道巡检机器人在轨道的稳定进行有着重要意义。

2)本发明结构紧凑，动作灵活，通过两个转盘及中心轴的设置，可实现车体无论在经过水平弯道还是坡道时，都能够自行适应弯道，车体做相应的结构性变化，可通过小拐弯半径或各种坡道。

附图说明

图1，车体在导轨上基本结构示意图

图2，车体行进在水平弯轨上示意图

图3，车体行进在拱形坡道上示意图

图4，二自由度牵引机构剖开结构示意图

图5，二自由度牵引机构前面结构示意图

其中1,直轨，2,左墙板，3,右墙板，4,车轮，5,主吊架，6,车身，7,前轮组，8,后轮组，9,支撑梁，10,上转盘，11,下转盘，12,中心轴，13,连接杆，14,连接杆护套，15,牵引杆，16,竖直径向轴承，17,水平径向轴承，18,推力轴承，19,关节球轴承，20,角度限位块，21,水平弯轨，22,弧顶弯轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

一种提高隧道巡检机器人弯道适应性的结构，其中包括两个轮组，前轮组7与后轮组8相隔一定间距，中间由主吊架5相连，主吊架5的两端分别固定在在前后轮组的上转盘10上，主吊架5下方悬吊车身6。前后轮组通过两侧车轮4跨在直轨1之上，这是整个车体的基本结构，如图1所示。

上转盘10可带动所在的轮组在水平及垂直方向上进行一定范围内的转动，以下是对该处机构详细介绍：

如图4所示，左墙板2与右墙板3各自安装两个车轮4，左右墙板之间通过支撑梁9连接，支撑梁9通过一对竖直径向轴承16与墙板相连，两个轴承分别固定在支撑梁9两端，并与左右墙板相连，通过紧固件锁定，这样支撑梁9与墙板之间可以相对转动，而角度限位块20则限制了这个转动只在一定范围内发生，是对整套结构的保护措施。

支撑梁9中心有轴孔，中心轴12在其中穿过，在支撑梁9的上平面放置推力轴承18，并通过中心轴12定位，推力轴承18上方放置上转盘10，上转盘10通过推力轴承18的上盖进行定位，并且与支撑梁9的上平面保证有一定间隙，这样上转盘10就可以通过其下的推力轴承在水平方向上以中心轴12为轴心自由转动，在上转盘10的上面仓中放置另一只推力轴承18，这只推力轴承18的下盖与上转盘10顶部配合定位，而中心轴12的法兰正压在上部推力轴承18的上盖上，这样就可以实现上转盘10在支撑梁9上方的轴向锁紧，在支撑梁9的下方，中心轴12穿过一只水平径向轴承17，水平径向轴承17外圈与下转盘11配合，中心轴12下方的螺纹上固定紧固件，与水平径向轴承17的内圈压实。这样上下转盘就都可以以中心轴12为轴，做水平方向的自由转动，并能通过中心轴12有效水平定位，通过紧固件有效轴向定位。

上转盘10与下转盘11平行设置，且二者之间有4根连接杆13相连，使二者相对定位。并以支撑梁9为界前后各两根，不仅保证上下转盘转动时的同步，还对上下转盘的转动进行限位，其上套有具备弹性的连接杆护套14，当上下转盘转动到一定范围，护套会触碰到支撑梁9，从而实现了角度限位，这对机构具备保护意义。

如图5所示，上转盘10与下转盘11结构相同，各自相对于中心轴12轴线对称设置，且中心轴12穿过上转盘10与下转盘11以及支撑梁的中心。

牵引杆15连接在上下转盘之间，关节球轴承19在其中间位置连接，末端连在主吊架5上，这样牵引力施加在牵引杆15上，就直接传递在支撑梁9上，并通过支撑梁9的中心，不会使支撑梁9产生转矩，该结构对于平衡牵引力有利。

当一个轮组行驶在一段轨道时，无论这段轨道是直轨还是弯轨，如图2和图3所示，

当然弯轨的转弯半径是需要一定限度的，不可能过小，不过是水平弯轨21还是弧顶弯轨22，以上介绍本套机构的限位角度可以在±20度范围内正常工作，在这个范围内可以满足能够在拐弯半径为1米的弯轨上通过，如前背景技术中所述，这对于一般电力隧道已经足够，即使是直角弯也能够满足通过要求。

这个轮组总能够根据轨道的弯度相应的转动牵引装置，从而适应这种情况下的轨道，而不会形成车轮对导轨的干涉，并能有效的牵引车身。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。