一种轮式管道机器人牵引装置的制作方法

本发明属于管道机器人领域，尤其是涉及一种轮式管道机器人牵引装置。

背景技术：

管道作为一种输送材料的有效手段，在工业、核设施、石油、天然气和军事装备等领域被广泛使用。为了延长管道的寿命，防止泄漏等事故的发生，必须定期对管道进行有效地检测、清理和维护。但受管道所处环境所限，上述工作很难人为进行，为了满足上述要求，管道机器人应运而生。管道机器人牵引装置是管道机器人的重要组成部分，主要为管道机器人提供动力，可搭载或连接检测、清理等装置并为其提供牵引力，满足管道机器人整体在管道内的运动要求。

现阶段常见的轮式管道机器人牵引装置均采用多电机独立驱动，各驱动电机的速度由伺服控制器根据机载传感器所获取的牵引装置作业信息通过一系列算法给出，但由于准确获取上述信息较为困难，且控制算法复杂实时性差，因此在遇到不规则管壁或转弯时，运动干涉问题依然存在，从而产生功率消耗增加，有效牵引力下降、驱动装置磨损加剧等问题，严重影响牵引装置的工作效率和使用寿命。现阶段，极少数管道机器人牵引装置采用差速驱动解决上述问题，但均为三轴差速，其驱动电机需安装在对称结构外，占据额外空间，且由于三轴差速只能实现轴与轴之间的差速，每根轴两端运动状态相同，若采用前后两端驱动，当牵引装置处于转弯的过渡状态，即前端轮已经进弯处于差速状态，后端轮仍在直管处于非差速状态，或前轮已经出弯处于非差速状态，后轮仍在弯管处于差速状态，则两端相同的运动状态导致寄生功率和运动干涉产生，上述问题依然存在；若采用一端驱动，一端从动，则不能有效控制从动端的位姿，大幅度降低牵引装置运动稳定性，同时牵引装置的有效驱动力较低，越障能力差。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种轮式管道机器人牵引装置，该装置可以实现单电机输入四轴输出，具备较好的越障、转弯和管径适应能力，并且具有驱动效率高、寿命长、适应性强，适用范围广的特点。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种轮式管道机器人牵引装置，包括壳体和四轴差速驱动装置，所述四轴差速驱动装置包括安装在所述壳体内的分动器、差速器Ⅰ、差速器Ⅱ和驱动电机，所述驱动电机固定在所述壳体内，在所述驱动电机的输出轴上安装有动力输出齿轮；所述分动器设有前分动轴和后分动轴，在所述后分动轴上设有与所述动力输出齿轮啮合的分动输入齿轮和分动输出齿轮Ⅱ，所述分动输入齿轮转动连接在所述后分动轴上，所述分动输出齿轮Ⅱ固定安装在所述后分动轴上，在所述前分动轴上固装有分动输出齿轮Ⅰ；所述差速器Ⅰ和所述差速器Ⅱ均包括前差速轴和后差速轴，差速器Ⅰ的前差速轴的轴线、差速器Ⅰ的后差速轴的轴线、差速器Ⅱ的前差速轴的轴线和差速器Ⅱ的后差速轴的轴线位于同一平面内，差速器Ⅰ的前差速轴的输出端与差速器Ⅰ的后差速轴的输出端对称布置，差速器Ⅱ的前差速轴的输出端与差速器Ⅱ的后差速轴的输出端对称布置；在所述差速器Ⅰ的前差速轴上设有与其转动连接的差速器Ⅰ的输入齿轮，所述差速器Ⅰ的输入齿轮与所述分动输出齿轮Ⅰ啮合，在所述差速器Ⅱ的后差速轴上设有与其转动连接的差速器Ⅱ的输入齿轮，所述差速器Ⅱ的输入齿轮与所述分动输出齿轮Ⅱ啮合；在所述差速器Ⅰ的前差速轴的输出端、在所述差速器Ⅰ的后差速轴的输出端、在所述差速器Ⅱ的前差速轴的输出端以及在所述差速器Ⅱ的后差速轴的输出端各连接有一动力输出锥齿轮，所述动力输出锥齿轮驱动一驱动轮传动机构；所述驱动轮传动机构包括与所述动力输出锥齿轮啮合的传动输入锥齿轮，所述传动输入锥齿轮固装在传动轴Ⅰ上，在所述传动轴Ⅰ上固装有传动齿轮Ⅰ，所述传动齿轮Ⅰ、惰轮和传动齿轮Ⅱ依次啮合，所述惰轮可转动地安装在惰轮轴上，所述传动齿轮Ⅱ固装在传动轴Ⅱ上，在所述传动轴Ⅱ上设有与其转动连接的行星轮系壳体，在所述行星轮系壳体内设有一个太阳轮和与其啮合的两个行星轮，两个所述行星轮分别固装在两根驱动轮轴上，所述太阳轮固装在所述传动轴Ⅱ上，两根所述驱动轮轴一根设置在所述传动轴Ⅱ的前下方，另一根设置在所述传动轴Ⅱ的后下方，三者相互平行，在所述驱动轮轴上固装有与管道内壁滚动摩擦连接的驱动轮，所述驱动轮凸出在所述壳体之外，所述传动轴Ⅰ和所述传动轴Ⅱ由所述壳体支承，所述惰轮轴固定在所述壳体上，所述传动轴Ⅰ、所述惰轮轴和所述传动轴Ⅱ从内至外依次排列，两根所述驱动轮轴由所述行星轮系壳体支承；两个分别与所述差速器Ⅰ的前差速轴和所述差速器Ⅱ的前差速轴对应的所述驱动轮传动机构的中心轴线位于一个径向剖面内，两个分别与所述差速器Ⅰ的后差速轴和所述差速器Ⅱ的后差速轴对应的所述驱动轮传动机构的中心轴线位于另一个径向剖面内；在中心轴线位于同一个径向剖面内的两个所述驱动轮传动机构的中间上方设有一管径适应机构，所述管径适应机构包括居中设置的轮架，所述轮架由固定轴支承，所述固定轴的轴线与对应的两个所述驱动轮传动机构的中心轴线位于同一径向剖面内，所述固定轴穿装在所述轮架的中部，所述轮架可转动地安装在所述固定轴上，在所述轮架的上部安装有两个前后对称布置的从动滚轮，所述轮架的斜下部与分别位于其左右两侧的两个摇臂的上端铰接，两个所述摇臂的下端与丝母架铰接，在所述丝母架上固接有丝母，所述丝母装配在沿前后方向设置的丝杆上，所述丝杆由所述壳体支承并由丝杆电机驱动，所述丝杆电机固定在所述壳体上。

所述驱动电机的轴线、所述差速器Ⅰ的轴线和所述差速器Ⅱ的轴线位于以所述四轴差速驱动装置的中心轴线为轴线的同一圆柱面内，且相对于该圆柱面的轴线互成120°。

所述前分动轴、所述后分动轴、所述差速器Ⅰ的前差速轴、所述差速器Ⅰ的后差速轴、所述差速器Ⅱ的前差速轴和所述差速器Ⅱ的后差速轴均为齿轮轴；在所述前分动轴的后端设有与其一体成型的分动齿轮Ⅰ，在所述后分动轴的前端设有与其一体成型的分动齿轮Ⅱ，所述分动齿轮Ⅰ和所述分动齿轮Ⅱ与分动行星齿轮Ⅰ和分动行星齿轮Ⅱ同时啮合，所述分动行星齿轮Ⅰ和所述分动行星齿轮Ⅱ可转动地安装在分动行星齿轮轴上，所述分动行星齿轮轴由分动齿轮架支承，所述分动齿轮架固接在所述分动输入齿轮的前侧；在所述差速器Ⅰ的前差速轴的后端设有与其一体成型的差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅰ，在所述差速器Ⅰ的后差速轴的前端设有与其一体成型的差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅱ，所述差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅰ和所述差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅱ与差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅰ和差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅱ同时啮合，所述差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅰ和所述差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅱ可转动地安装在差速器Ⅰ的行星齿轮轴上，所述差速器Ⅰ的行星齿轮轴由差速器Ⅰ的齿轮架支承，所述差速器Ⅰ的齿轮架固接在所述差速器Ⅰ的输入齿轮的后侧；在所述差速器Ⅱ的前差速轴的后端设有与其一体成型的差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅰ，在所述差速器Ⅱ的后差速轴的前端设有与其一体成型的差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅱ，所述差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅰ和所述差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅱ与差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅰ和差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅱ同时啮合，所述差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅰ和所述差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅱ可转动地安装在差速器Ⅱ的行星齿轮轴上，所述差速器Ⅱ的行星齿轮轴由差速器Ⅱ的齿轮架支承，所述差速器Ⅱ的齿轮架固接在所述差速器Ⅱ的输入齿轮的前侧。

所述驱动电机由支架支承，所述前分动轴由轴架Ⅰ支承，所述后分动轴由轴架Ⅱ支承，所述差速器Ⅰ的后差速轴由轴架Ⅲ支承，所述差速器Ⅱ的前差速轴由轴架Ⅳ支承，所述支架、所述轴架Ⅰ、所述轴架Ⅱ、所述轴架Ⅲ和所述轴架Ⅳ均固接在所述壳体内。

两根所述驱动轮轴相对所述传动轴Ⅱ的相位错开120°。

所述驱动电机为直流电机，所述丝杆电机为步进电机。

本发明具有的优点和积极效果是：通过一台电机驱动、一个分动器分动以及两个差速器的四轴输出，实现了单电机输入四轴输出的差速驱动，可根据牵引装置在管道中的运行状况自适应调节四轴转速，在牵引装置转弯过程中无论处于过渡状态还是转弯状态，均可实现四组驱动轮的差速运动，完全解决了管道机器人牵引装置在越障或转弯时存在的运动干涉问题，提高了驱动效率，减少了驱动装置的磨损，进而延长了牵引装置的使用寿命，且具有越障能力和管径适应能力强，有效驱动力高，结构对称，成本低，适用范围广的优点。通过采用四根输出轴的轴线位于同一平面内且同一差速器输出端对称布置的结构，方便结构设计与布置，扩大了牵引装置的适用范围；通过采用驱动电机的轴线和两个差速器的轴线位于以装置的中心轴线为轴线的同一圆柱面内，且相对于该圆柱面的轴线互成120°的结构，能够使牵引装置的结构紧凑节省占用空间，并且能够使牵引装置具有很好的稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体等轴测图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为本发明的四轴差速驱动装置后视图；

图4为图3中A-A截面的剖视图；

图5为本发明的驱动轮传动机构整体示意图；

图6为本发明的驱动轮传动机构局部示意图；

图7为本发明的管径适应机构轴向剖视图；

图8为本发明的管径适应机构径向剖视图。

图中：1-壳体，2-分动器，3-差速器Ⅰ，5-驱动电机，6-驱动轮传动机构，7-管径适应机构；

101-支架，102-轴架Ⅰ，103-轴架Ⅱ，104-轴架Ⅲ，105-轴架Ⅳ；

201-分动输入齿轮，202-分动齿轮架，203-分动行星齿轮轴，204-分动行星齿轮Ⅰ，205-分动行星齿轮Ⅱ，206-前分动轴，207-后分动轴，208-分动输出齿轮Ⅰ，209-分动输出齿轮Ⅱ，210-分动齿轮Ⅰ，211-分动齿轮Ⅱ；

301-差速器Ⅰ的输入齿轮，302-差速器Ⅰ的齿轮架，303-差速器Ⅰ的行星齿轮轴，304-差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅰ，305-差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅱ，306-差速器Ⅰ的前差速轴，307-差速器Ⅰ的后差速轴，308、差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅰ，309、差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅱ；

401-差速器Ⅱ的输入齿轮，402-差速器Ⅱ的齿轮架，403-差速器Ⅱ的行星齿轮轴，404-差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅰ，405-差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅱ，406-差速器Ⅱ的前差速轴，407-差速器Ⅱ的后差速轴，408、差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅰ，409、差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅱ；

501-动力输出齿轮；

601-动力输出锥齿轮，602-传动输入锥齿轮，603-传动轴Ⅰ，604-传动齿轮Ⅰ，605-惰轮轴，606-惰轮，607-传动轴Ⅱ，608-传动齿轮Ⅱ，609-太阳轮，610-行星轮，611-驱动轮轴，612-行星轮系壳体，613-驱动轮；

701-丝杆电机，702-从动滚轮，703-轮架，704-固定轴，705-摇臂，706-丝母架，707-丝母，708-丝杆。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图8，一种轮式管道机器人牵引装置，包括壳体1和四轴差速驱动装置，所述四轴差速驱动装置包括安装在所述壳体1内的分动器2、差速器Ⅰ3、差速器Ⅱ和驱动电机5，所述驱动电机5固定在所述壳体1内，在所述驱动电机5的输出轴上安装有动力输出齿轮501。

所述分动器2设有前分动轴206和后分动轴207，在所述后分动轴207上设有与所述动力输出齿轮501啮合的分动输入齿轮201和分动输出齿轮Ⅱ209，所述分动输入齿轮201转动连接在所述后分动轴207上，所述分动输出齿轮Ⅱ209固定安装在所述后分动轴207上，在所述前分动轴206上固装有分动输出齿轮Ⅰ208。

所述差速器Ⅰ3和所述差速器Ⅱ均包括前差速轴和后差速轴，差速器Ⅰ的前差速轴306的轴线、差速器Ⅰ的后差速轴307的轴线、差速器Ⅱ的前差速轴406的轴线和差速器Ⅱ的后差速轴407的轴线位于同一平面内，差速器Ⅰ的前差速轴306的输出端与差速器Ⅰ的后差速轴307的输出端对称布置，差速器Ⅱ的前差速轴406的输出端与差速器Ⅱ的后差速轴407的输出端对称布置。

在所述差速器Ⅰ的前差速轴306上设有与其转动连接的差速器Ⅰ的输入齿轮301，所述差速器Ⅰ的输入齿轮301与所述分动输出齿轮Ⅰ208啮合，在所述差速器Ⅱ的后差速轴407上设有与其转动连接的差速器Ⅱ的输入齿轮401，所述差速器Ⅱ的输入齿轮401与所述分动输出齿轮Ⅱ209啮合。

在所述差速器Ⅰ的前差速轴306的输出端、在所述差速器Ⅰ的后差速轴307的输出端、在所述差速器Ⅱ的前差速轴406的输出端以及在所述差速器Ⅱ的后差速轴407的输出端各连接有一动力输出锥齿轮601，所述动力输出锥齿轮601驱动一驱动轮传动机构6。

所述驱动轮传动机构6包括与所述动力输出锥齿轮601啮合的传动输入锥齿轮602，所述传动输入锥齿轮602固装在传动轴Ⅰ603上，在所述传动轴Ⅰ603上固装有传动齿轮Ⅰ604，所述传动齿轮Ⅰ604、惰轮606和传动齿轮Ⅱ608依次啮合，所述惰轮606可转动地安装在惰轮轴605上，所述传动齿轮Ⅱ608固装在传动轴Ⅱ607上，在所述传动轴Ⅱ607上设有与其转动连接的行星轮系壳体612，在所述行星轮系壳体612内设有一个太阳轮609和与其啮合的两个行星轮610，两个所述行星轮610分别固装在两根驱动轮轴611上，所述太阳轮609固装在所述传动轴Ⅱ607上，两根所述驱动轮轴611一根设置在所述传动轴Ⅱ607的前下方，另一根设置在所述传动轴Ⅱ607的后下方，三者相互平行，在所述驱动轮轴611上固装有与管道内壁滚动摩擦连接的驱动轮613，所述驱动轮613凸出在所述壳体1之外，所述传动轴Ⅰ603和所述传动轴Ⅱ607由所述壳体1支承，所述惰轮轴605固定在所述壳体1上，所述传动轴Ⅰ603、所述惰轮轴605和所述传动轴Ⅱ607从内至外依次排列，两根所述驱动轮轴611由所述行星轮系壳体612支承。行星轮系壳体612具有与行星齿轮架等效作用，在管道机器人牵引装置越障或转弯时，行星轮系壳体612可带动驱动轮轴611绕传动轴Ⅱ607转动。

两个分别与所述差速器Ⅰ的前差速轴306和所述差速器Ⅱ的前差速轴406对应的所述驱动轮传动机构6的中心轴线位于一个径向剖面内，两个分别与所述差速器Ⅰ的后差速轴307和所述差速器Ⅱ的后差速轴407对应的所述驱动轮传动机构6的中心轴线位于另一个径向剖面内。

在中心轴线位于同一个径向剖面内的两个所述驱动轮传动机6的中间上方设有一管径适应机构7，所述管径适应机构7包括居中设置的轮架703，所述轮架703由固定轴704支承，所述固定轴704的轴线与对应的两个所述驱动轮传动机构6的中心轴线位于同一径向剖面内，所述固定轴704穿装在所述轮架703的中部，所述轮架703可转动地安装在所述固定轴704上，在所述轮架703的上部安装有两个前后对称布置的从动滚轮702，所述轮架703的斜下部与分别位于其左右两侧的两个摇臂705的上端铰接，两个所述摇臂705的下端与丝母架706铰接，在所述丝母架706上固接有与丝母707，所述丝母707装配在沿前后方向设置的丝杆708上，所述丝杆708由所述壳体1支承并由丝杆电机701驱动，所述丝杆电机701固定在所述壳体1上。

在本实施例中，为了使牵引装置结构紧凑，节省占用空间，所述驱动电机5的轴线、所述差速器Ⅰ3的轴线和所述差速器Ⅱ的轴线位于以所述四轴差速驱动装置的中心轴线为轴线的同一圆柱面内，且相对于该圆柱面的轴线互成120°。

为了适用小型化的需要，所述前分动轴206、所述后分动轴207、所述差速器Ⅰ的前差速轴306、所述差速器Ⅰ的后差速轴307、所述差速器Ⅱ的前差速轴406和所述差速器Ⅱ的后差速轴407均为齿轮轴。

在所述前分动轴206的后端设有与其一体成型的分动齿轮Ⅰ210，在所述后分动轴207的前端设有与其一体成型的分动齿轮Ⅱ211，所述分动齿轮Ⅰ210和所述分动齿轮Ⅱ211与分动行星齿轮Ⅰ204和分动行星齿轮Ⅱ205同时啮合，所述分动行星齿轮Ⅰ204和所述分动行星齿轮Ⅱ205可转动地安装在分动行星齿轮轴203上，所述分动行星齿轮轴203由分动齿轮架202支承，所述分动齿轮架202固接在所述分动输入齿轮201的前侧。

在所述差速器Ⅰ的前差速轴306的后端设有与其一体成型的差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅰ308，在所述差速器Ⅰ的后差速轴307的前端设有与其一体成型的差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅱ309，所述差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅰ308和所述差速器Ⅰ的传动齿轮Ⅱ309与差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅰ304和差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅱ305同时啮合，所述差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅰ304和所述差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅱ305可转动地安装在差速器Ⅰ的行星齿轮轴303上，所述差速器Ⅰ的行星齿轮轴303由差速器Ⅰ的齿轮架302支承，所述差速器Ⅰ的齿轮架302固接在所述差速器Ⅰ的输入齿轮301后侧。

在所述差速器Ⅱ的前差速轴406的后端设有与其一体成型的差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅰ408，在所述差速器Ⅱ的后差速轴407的前端设有与其一体成型的差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅱ409，所述差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅰ408和所述差速器Ⅱ的传动齿轮Ⅱ409与差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅰ404和差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅱ405同时啮合，所述差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅰ404和所述差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅱ405可转动地安装在差速器Ⅱ的行星齿轮轴403上，所述差速器Ⅱ的行星齿轮轴403由差速器Ⅱ的齿轮架402支承，所述差速器Ⅱ的齿轮架402固接在所述差速器Ⅱ的输入齿轮401前侧。

在本实施例中，所述驱动电机5由支架101支承，所述前分动轴206由轴架Ⅰ102支承，所述后分动轴207由轴架Ⅱ103支承，所述差速器Ⅰ的后差速轴307由轴架Ⅲ104支承，所述差速器Ⅱ的前差速轴406由轴架Ⅳ105支承，所述支架101、所述轴架Ⅰ102、所述轴架Ⅱ103、所述轴架Ⅲ104和所述轴架Ⅳ105均固接在所述壳体1内。两根所述驱动轮轴611相对所述传动轴Ⅱ607的相位错开120°。所述驱动电机5为直流电机，所述丝杆电机701为步进电机。

本发明的工作原理：

轮式管道机器人牵引装置沿直线管道运动时，由驱动电机5输出的动力经由分动器2平均分配给差速器Ⅰ3和差速器Ⅱ，再经由差速器Ⅰ3和差速器Ⅱ平均分配给所述差速器Ⅰ的前差速轴306、所述差速器Ⅰ的后差速轴307、所述差速器Ⅱ的前差速轴406和所述差速器Ⅱ的后差速轴407，所述分动齿轮Ⅰ204、所述分动齿轮Ⅱ205、所述差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅰ304、所述差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅱ305、所述差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅰ404和所述差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅱ405只公转不自转，此时驱动装置四根输出轴的转速相同。

轮式管道机器人牵引装置越障或转弯时，由驱动电机5输出的动力经由分动器2一次解耦、差速器Ⅰ3和差速器Ⅱ二次解耦后分配给所述差速器Ⅰ的前差速轴306、所述差速器Ⅰ的后差速轴307、所述差速器Ⅱ的前差速轴406和所述差速器Ⅱ的后差速轴407，所述分动齿轮Ⅰ204、所述分动齿轮Ⅱ205、所述差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅰ304、所述差速器Ⅰ的行星齿轮Ⅱ305、所述差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅰ404和所述差速器Ⅱ的行星齿轮Ⅱ405在公转的同时相应自转，此时驱动装置四根输出轴的转速不同，实现差速驱动的功能。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。