专利名称：一种管道维修设备的搭载平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及搭载平台，具体涉及一种在弯曲或分叉管道中行进并搭载功能性设备的搭载平台，属于机电设备技术领域。
背景技术：
管道是我们在日常生活与工业生产中极其重要的运输途径。尽管有着高效、节能、 空间利用率高等诸多优点，其检修过程却异常繁琐，尤其是一些高空中或深埋入地下的管道。这些管道多用于输水、输油、输气，或运送各种工业原料。其直径尺寸大多小于一个成年人的肩宽(40厘米)，并且管道内部环境复杂恶劣，几乎不可能靠人力在其内部进行维修。传统的外部维修或替换的方式，其弊端为维修周期长、工程量大、耗资高，且极易出现管内残留物质大量外泄的事故。因此目前急需一种能够在管道内部空间行进，并搭载各种检修设备，利用管道中已有的柱状空间，对管道进行探查、清淤、修补等多种作业的搭载平台。 对于一般的管道内部作业搭载平台，很难做到在内壁有块状附着物或斑状深度腐蚀印记的崎岖管壁上正常行进；同时，在垂直管道内行进、检修，也是目前管道搭载平台设计的一大难题。对于管道内部作业的搭载平台，其应对管壁崎岖情况的解决方案通常为大直径轮式驱动或履带驱动，而对于实现在垂直管道行进与作业的手段，通常为采用弹簧连杆式压紧机构。但是目前的管道维修搭载平台研究，往往不能将两者兼顾——或采用小直径轮配合管壁弹簧压紧机构，或仅采用平行轴履带履带设计。这样的设计模式，使得搭载平台或者不能在管壁条件差的管道中行进；或者不能在垂直管道中行进，均有其局限的工作环境，难以适应日趋复杂的管道内部条件及管道铺设方式。另外，搭载平台在管道分叉处根据指令自由选择路径的能力，也是当今该领域搭载平台设计的一大难题。目前已有的解决方案是，或将搭载平台的外形设计为短而宽、近似正方体的结构，使其可以在管道分叉处原地转动，从而选择路径；或将搭载平台设计为蛇形多关节的分段结构，在端与段的关节处设置二自由度舵机，实现其在管道分叉处的转向。而这两种设计思路，在目前国内已有的设计方案中，又往往使搭载平台或不具备垂直管道的爬升能力；或者因舵机体积庞大，不能够使用大直径轮或履带机构，从而丧失了越障能力。 因此，设计一种既有较强的越障能力，又可以在垂直管道中行进，并且可以在分叉管道选择路径的搭载平台迫在眉睫。
实用新型内容本实用新型提供一种管道维修设备的搭载平台，具有履带越障以及分叉路径选择的能力，同时能够在管道中实现探测功能，还可以携带机械臂、焊接枪等作业模块，由内而外完成管道的修理工作。一种管道维修设备的搭载平台，包括两个行走机构、一个转向机构和外部控制模块，其中行走机构包括两个动力模块、一个升降模块和三块连接肋板，其中动力模块包括履带轮支架、电机、传动齿轮组、履带主动轮、履带从动轮和履带，其中，一个履带主动轮和两个以上的履带从动轮并列安装在履带轮支架的侧壁上，履带轮支架背面安装电机，电机输出轴连接传动齿轮组的主动齿轮，传动齿轮组的被动齿轮与履带主动轮的轮轴固定连接， 履带包覆在履带主动轮和履带从动轮的外部形成封闭的传动链，履带内部与主动轮外部有接触防滑齿，履带主动轮的转动带动履带以相同边缘速度转动，履带从动轮表面无防滑齿， 可以有选择性地随机随履带转动，以减少对履带动力的消耗；另外，三个从动轴均采用小直径设计，最大程度地减少了其摩擦阻力矩对履带动力的消耗；升降模块包括一个动力模块、升降支架、丝杠、内螺纹空心柱、升降伺服电机、主动齿轮、从动齿轮和丝杠卡盘；升降支架内部中心处安装升降伺服电机，升降伺服电机的电机轴与设置在升降支架底部的主动齿轮固定连接，主动齿轮的左右两侧分别啮合一个从动齿轮，从动齿轮与垂直穿过升降支架底部的丝杠底端固定连接，丝杠上固定一个丝杠卡盘与升降支架的内表面滑动摩擦配合，目的保证丝杠在运动中不脱离升降支架，丝杠上端套装内螺纹空心柱，内螺纹空心柱的上端与动力模块的履带轮支架底面固定连接。行走机构的整体连接关系为两个动力模块和一个升降模块呈放射状均勻分布在圆周平面内，三个模块之间由三块连接肋板两两固定连接成一体，三个模块内的电机通过电缆与外部控制模块相连。转向机构包括两个弹性连接模块和一个关节电机模块，弹性连接模块包括一根弹簧和两块弹簧固定板，关节电机模块包括支架、转向电机、绞盘、钢丝、弹簧和连接板，支架内安装三个转向电机，转向电机控制其连接的三个绞盘的正反转动，转向电机与外部的控制模块连接；搭载平台的整体连接关系为弹性连接模块的一端通过连接板固定在支架的一个表面上，弹性连接模块的另一端固定在行走机构的前端，支架的另一个表面以同样的方式连接另一个弹性连接模块和行走机构；三根钢丝的一端分别固定在行走机构的前端的面板上，另一端穿过支架以及支架上的绞盘与另一个行走机构前端的面板固定。工作原理动力模块的电机将动力通过传动齿轮组传输至传动轴上；传动轴与主动轮同心固连，从而主动轮通过传动轴获得扭转动力，跟随其转动；同时，由于履带内部与主动轮外部有接触防滑齿，所以履带将会跟随主动轮以相同边缘速度转动，实现电机一履带的动力传输；当管口直径变化需要调节时，升降伺服电机将动力输出，通过主动齿轮及与之啮合的从动齿轮将动力输送至两个丝杠，同时，由于内螺纹空心柱固定在动力模块的底面，不能随丝杠转动，因此空心柱将会随丝杠上的螺纹向上升起吗，从而带动动力模块升起，挤压住管道，该挤压力可以随着螺纹空心柱传递至丝杠，进而传递至丝杠卡盘，再由卡盘传递至升降模块支架；由于升降模块支架与肋板固连，所以这样的力传导机制可以将挤压力有效而均勻地传递至另外两个动力模块上，实现科学的压力分配；三块肋板负责承载与传递巨大的管壁挤压力，保证管壁挤压力均勻分配在每个履带动力模块上，同时保证搭载平台结构稳定，并与保护安装在肋板内部的作业附属件。转向机构的每个转向电机通过转动绞盘，带动固定在其上的钢丝运动，使其缠绕在钢丝绞盘上；由于钢丝的两端又分别固定在两端的行走机构上，因此在钢丝收紧的过程中，两端车身会根据钢丝缠绕在绞盘上的长度，发生改钢丝所在平面面内的弯曲；由于三个转向电机在法平面内均勻放置，根据平面向量运算的法则，可知当三个电机旋转不同圈数时，由于三根钢丝的收紧量不同，可以使前、后两端行走机构实现在法平面内沿任意方向的弯曲；另外，由于各转向电机的转动角度可以连续调整，可以使搭载平台空间姿态做到连续的调整与过度，从而实现分叉路径选择的功能。除此之外由于三个转向电机为独立控制，加之行走机构间弹簧柔性连接的特点， 可以使三个转向电机同时同速运行，使搭载平台整体长度实现伸长或收缩；若将此动作与前、后两端行走机构的升降模块相配合，即可让搭载平台实现像蚯蚓掘地一样的运动方式； 其运动机制为1，前部行走机构的升降模块上升，卡紧管壁；后部行走机构的升降模块下降，松开管壁；2，转向电机同步收紧三根钢丝，使搭载平台长度收缩；3，前部行走机构升降模块下降，松开管壁；后部行走机构升降模块上升，卡紧管壁；4，转向电机同步放松三根钢丝，使搭载平台长度伸长；至此，一个运动周期结束。此种运动周期可以重复进行，可实现搭载平台在水平或垂直管道中行进，尤其适用于内壁光滑且竖直铺设的管道，具有极好的仿生效果与应用价值。有益效果本实用新型的履带驱动模式，可以使搭载平台最大限度的适应各种复杂的管壁状况，减少客观因素对搭载平台完成作业的影响；其螺纹升降机制，可以灵活地控制搭载平台体积尺寸，可以保证其通过管道中狭窄之处，同时又在大管径中增大体积以压紧管壁。其独特的螺纹机构可以将电机的动力扩大数十倍，保证其在竖直管道中履带前进的静摩擦力。在作业时，又可以牢固地将搭载平台固定在管道的某个位置上。搭载平台的肋板为可灵活拆卸部件，可以根据不同尺寸的作业管道制作多套不同尺寸的肋板，随时更换， 拆卸简易，适用性强，使用方便。本实用新型的弹簧连接机制，在搭载平台的各刚性部位间进行了柔性的连接，使得搭载平台整体呈现出躯体柔软、可弯曲、可伸缩的特点；其钢丝拉伸以及配套的牵引器、 绞盘等设置，使搭载平台可以像脊柱一样向某一方向弯曲；其关节电机的位置设置以及控制机理，使得搭载平台的弯曲角度及姿态可以实现半球面式的无间隙过渡与调整。同时，该搭载平台通过行走机构的升降模块与弹性连接模块的相互配合，可以以一种仿生于蚯蚓的爬行方式，在内壁极光滑的竖直管道内进行上下移动，而不发生滑落。
图1是本实用新型的整体结构示意图；图2是本实用新型弹性连接模块的结构示意图；图3是本实用新型关节电机模块的结构示意图；图4是本实用新型行走机构的整体结构示意图；图5是本实用新型的动力模块结构示意图；图6是本实用新型的动力模块底部结构示意图；图7是本实用新型的升降模块结构示意图；图8是本实用新型的升降模块底部结构示意图。其中1-动力模块、2-升降模块、3-连接肋板、4-履带、5-电机、6_传动齿轮组、 7-履带主动轮、8-履带轮支架、9-履带从动轮、10-升降支架、11-丝杠、12-内螺纹空心柱、 13-伺服电机、14-主动齿轮、15-从动齿轮、16-丝杠卡盘、17-行走机构、18-转向机构、 19-支架、20-转向电机、21-绞盘、22-钢丝、23-弹簧、24-连接板、25-弹簧固定板。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步详细说明。如附图1所示，一种管道维修设备的搭载平台，包括两个行走机构17和一个转向机构18，其中行走机构17包括两个动力模块1、一个升降模块2、三块连接肋板3和外部控制模块，如附图5和6所示，动力模块包括履带轮支架8、电机5、传动齿轮组6、履带主动轮 7、履带从动轮9和履带4，其中，一个履带主动轮7和三个履带从动轮9并列安装在履带轮支架8的侧壁上，履带轮支架8背面安装电机，电机输出轴连接传动齿轮组6的主动齿轮， 传动齿轮组6的被动齿轮与履带主动轮的轮轴固定连接，履带4包覆在履带主动轮7和履带从动轮9的外部形成封闭的传动链，履带4内部与履带主动轮7外部有接触防滑齿，履带主动轮7的转动带动履带4以相同边缘速度转动，履带从动轮9表面无防滑齿，可以有选择性地随机随履带4转动，以减少对履带动力的消耗；另外，三个从动轴均采用小直径设计， 最大程度地减少了其摩擦阻力矩对履带动力的消耗；如附图7和8所示，升降模块2包括一个动力模块、升降支架10、丝杠11、内螺纹空心柱12、升降伺服电机13、主动齿轮14、从动齿轮15和丝杠卡盘16 ；升降支架10内部中心处安装升降伺服电机13，升降伺服电机13的电机轴与设置在升降支架10底部的主动齿轮14固定连接，主动齿轮14的左右两侧分别啮合一个从动齿轮15，从动齿轮15与垂直穿过升降支架10底部的丝杠11底端固定连接，丝杠11上固定一个丝杠卡盘16与升降支架 10的内表面滑动摩擦配合，目的保证丝杠11在运动中不脱离升降支架10，丝杠11上端套装内螺纹空心柱12，内螺纹空心柱12的上端与动力模块的履带轮支架8底面固定连接。行走机构17的整体连接关系如附图4所示，两个动力模块1和一个升降模2块呈放射状均勻分布在圆周平面内，三个模块之间由三块连接肋板3两两固定连接成一体，三个模块内的电机通过电缆与外部控制模块相连。如附图1所示，转向机构18包括两个弹性连接模块和一个关节电机模块，如附图 2所示，弹性连接模块包括一根弹簧23和两块弹簧固定板25，如附图3所示，关节电机模块包括支架19、转向电机20、绞盘21、钢丝22、弹簧23和连接板对，支架19内安装三个转向电机20，转向电机20控制其连接的三个绞盘21的正反转动，转向电机与外部的控制模块连接；搭载平台的整体连接关系如附图1所示，弹性连接模块的一端通过连接板M固定在支架19的一个表面上，弹性连接模块的另一端固定在行走机构17的前端，支架19的另一个表面以同样的方式连接另一个弹性连接模块和行走机构17 ；三根钢丝的一端分别固定在行走机构17的前端的面板上，另一端穿过支架以及支架上的绞盘与另一个行走机构 17前端的面板固定。工作原理动力模块1内的电机5将动力通过传动齿轮组6传输至传动轴上；传动轴与履带主动轮7同心固连，从而履带主动轮7通过传动轴获得扭转动力，跟随其转动；同时，由于履带4内部与主动轮外部有接触防滑齿，所以履带将会跟随主动轮以相同边缘速度转动，实现电机——履带的动力传输，从而实现搭载平台在管道内的移动；当管口直径变化需要调节时，升降伺服电机13将动力输出，通过主动齿轮14及与之啮合的从动齿轮15 将动力输送至两个丝杠11，同时，由于内螺纹空心柱12固定在动力模块底部，不能随丝杠转11动，因此内螺纹空心柱12将会随丝杠11上的螺纹向上升起吗，从而带动动力模块升起，挤压住管道，该挤压力可以随着螺纹空心柱12传递至丝杠11，进而传递至丝杠卡盘，再由丝杠卡盘16传递至升降支架；由于升降支架10与连接肋板3固连，所以这样的力传导机制可以将挤压力有效而均勻地传递至另外两个动力模块1上，使三个模块压紧管壁实现在垂直的管道内部移动。三块肋板3负责承载与传递巨大的管壁挤压力，保证管壁挤压力均勻分配在每个动力模块1上，同时保证搭载平台结构稳定，并保护设置在三块肋板3内部的作业维修设备。转向机构18的每个转向电机20通过转动绞盘带动固定在其上的钢丝运动，使其缠绕在钢丝绞盘21上；由于钢丝的两端又分别固定在两端的行走机构上，因此在钢丝22收紧的过程中，两端车身会根据钢丝缠绕在绞盘21上的长度，发生改钢丝22所在平面面内的弯曲；由于三个转向电机20在法平面内均勻放置，根据平面向量运算的法则，可知当三个转向电机20旋转不同圈数时，由于三根钢丝22的收紧量不同，可以使前、后两端行走机构实现在法平面内沿任意方向弯曲；另外，由于各转向电机20的转动角度可以连续调整，可以使搭载平台空间姿态做到连续的调整与过度，从而实现分叉路径选择的功能。除此之外由于三个转向电机20为独立控制，加之行走机构18间弹簧柔性连接的特点，可以使三个转向电机20同时同速运行，使搭载平台整体长度实现伸长或收缩；若将此动作与前、后两端行走机构18的升降模块相配合，即可让搭载平台实现像蚯蚓掘地一样的运动方式；其运动机制为1，前部行走机构18的升降模块上升，卡紧管壁；后部行走机构 18的升降模块下降，松开管壁；2，转向电机20同步收紧三根钢丝22，使搭载平台长度收缩； 3，前部行走机构18升降模块下降，松开管壁；后部行走机构18升降模块上升，卡紧管壁； 4，转向电机20同步放松三根钢丝22，使搭载平台长度伸长；至此，一个运动周期结束。此种运动周期可以重复进行，可实现搭载平台在水平或垂直管道中行进，尤其适用于内壁光滑且竖直铺设的管道，具有极好的仿生效果与应用价值。
权利要求1.一种管道维修设备的搭载平台，包括两个行走机构、一个转向机构(18)和外部控制模块，其中行走机构(17)包括两个动力模块、一个升降模块( 和三块连接肋板，动力模块包括履带轮支架(8)、电机(5)、传动齿轮组(6)、履带主动轮(7)、履带从动轮(9)和履带 (4)；升降模块(2)包括一个动力模块、升降支架(10)、丝杠(11)、内螺纹空心柱(12)、升降伺服电机(13)、主动齿轮(14)、从动齿轮(1 和丝杠卡盘(16)；转向机构(18)包括两个弹性连接模块和一个关节电机模块，弹性连接模块包括一根弹簧和两块弹簧固定板 (25)，关节电机模块包括支架(19)、转向电机(20)、绞盘(21)、钢丝(22)、弹簧(23)和连接板(M)，支架(19)内安装三个转向电机00)，转向电机00)控制其连接的三个绞盘的正反转动，转向电机OO)与外部的控制模块连接；行走机构(17)的连接关系为两个动力模块(1)和一个升降模( 块呈放射状均勻分布在圆周平面内并且由三块连接肋板(3) 两两固定连接成一体，其内部的电机通过电缆与外部控制模块相连；其整体连接关系为 弹性连接模块的一端通过连接板04)固定在支架(19)的一个表面上，弹性连接模块的另一端固定在行走机构(17)的前端，支架(19)的另一个表面以同样的方式连接另一个弹性连接模块和行走机构(17)；三根钢丝02)的一端分别固定在行走机构(17)的前端的面板上，另一端穿过支架(19)以及支架(19)上的绞盘与另一个行走机构(17)前端的面板固定。
2.如权利要求1所述的一种管道维修设备的搭载平台，其特征在于所述动力模块(1) 中，一个履带主动轮(7)和两个以上的履带从动轮(9)并列安装在履带轮支架(8)的侧壁上，履带轮支架(8)背面安装电机( ，电机输出轴连接传动齿轮组(6)的主动齿轮，传动齿轮组(6)的被动齿轮与履带主动轮的轮轴固定连接，履带(4)包覆在履带主动轮(7)和履带从动轮(9)的外部形成封闭的传动链，履带内部与履带主动轮(7)外部有接触防滑齿，履带从动轮(9)表面无防滑齿。
3.如权利要求1所述的一种管道维修设备的搭载平台，其特征在于所述升降模块中， 升降支架(10)内部中心处安装升降伺服电机(13)，升降伺服电机(13)的电机轴与设置在升降支架(10)底部的主动齿轮(14)固定连接，主动齿轮(14)的左右两侧分别啮合一个从动齿轮(15)，从动齿轮(1 与垂直穿过升降支架(10)底部的丝杠(11)底端固定连接，丝杠(11)上固定一个丝杠卡盘(16)与升降支架(10)的内表面滑动摩擦配合，丝杠(11)上端套装内螺纹空心柱(1 ，内螺纹空心柱(1 的上端与动力模块的履带轮支架(8)底面固定连接。
专利摘要本实用新型涉及一种管道维修设备的搭载平台，属于机电设备技术领域。搭载平台包括两个行走机构和一个转向机构，转向机构包括两个弹性连接模块和一个关节电机模块，弹性连接模块包括一根弹簧和两块弹簧固定板，关节电机模块包括支架、转向电机、绞盘、钢丝、弹簧和连接板，支架内安装三个转向电机，转向电机与外部的控制模块连接；弹性连接模块的一端通过连接板固定在支架的一个表面上，弹性连接模块的另一端固定在行走机构的前端，支架的另一个表面以同样的方式连接另一个弹性连接模块和行走机构；三根钢丝穿过支架上的绞盘分别与两个行走机构固定连接。本实用新型具有较强的越障以及在分叉管道选择路径的能力。
文档编号F16L55/32GK202220943SQ201120324810
公开日2012年5月16日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者冯达, 吕金科, 孙金峰, 曹虹蛟, 罗翔辉, 赵欣驰 申请人:赵欣驰