一种自作用、自适应管道机器人的制作方法

所属领域

本发明专利属于管道机器人领域，特别涉及一种具有自作用、自适应功能的直进轮式管道机器人。

背景技术：

管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走，携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的操控或自动控系统的控制下，进行一系列管道作业的机电一体化系统。管道机器人根据驱动方式不同大致可分为流动式、轮式、履带式、蠕动式、腿式及惯性振动式等。轮式管道机器人又可分为直进轮式和螺旋轮式两种。直进轮式机器人与汽车直线行驶时的运动基本原理相同，其行走轮轴线与管道轴线垂直，行走轮直接沿管道母线滚动，其行走速度可以较快；螺旋轮式机器人与扭轮摩擦传动的工作原理基本相同，其行走轮轴线相对于管道轴线偏斜一定角度，通过行走轮沿管壁的周向滚动而间接获得轴向移动，其行走速度较慢。直进轮式管道机器人正常工作的基本条件有两个：一是行走轮与管壁之间需保持足够的正压力(附着力)以避免打行走轮打滑现象的出现；二是行走机构具有适应管径变化的能力——自适应能力。为了满足以上两个条件，直进轮式管道机器人的驱动机构普遍采用了伞形结构(cn200810122628.3)或平行四边形机构(cn200710193562.2、cn201010123851.7)获得自适应管径变化能力及利用弹簧力获得正压力之方法。这些方法基本有效，但也存在不足之处。例如，利用弹簧力获得正压力之方法，所获的正压力主要取决于弹簧的压缩量或拉伸量大小，基本是一个常值，所产生的牵引力基本也是一个常值，而管道机器人在行走过程中所需牵引力可能是变化的，例如水平行走所需牵引力远小于垂直行走时所需的牵引力，当然，机器人可根据最大牵引力的要求来设计弹簧力，但这样一来，一方面使行走轮和传动零件持续处于高压接触应力状态，容易导致行走轮和传动零件因接触疲劳而失效；另一方面一旦过载，行走轮容易出现打滑现象。如果正压力的大小能够根据机器人行走时所需牵引力大小而自动调节，那将是一种最理想的状态。

技术实现要素：

本发明要克服现有技术中的上述缺点，提供一种具有自作用、自适应功能的直进轮式管道机器人，它可自动产生行走轮与管壁之间的正压力(附着力)，而且可随行走阻力(负载)的大小自动调节，另外还能适应管径的变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将常规为固定的减速装置(齿轮传动装置、带传动装置和链传动装置)连同装在减速装置输出轴上的行走轮设计成可绕定轴转动的浮动结构，借助行走轮所受到的约束反力，使浮动结构产生楔入作用，从而自动产生摩擦驱动所需的正压力，即自作用功能，而且负载越大，楔入作用越强，产生的正压力也越大，即自适应功能。

一种自作用、自适应轮式管道机器人，其特征是：所述管道机器人由1台电动机1、1个骨架2、3根拉簧3、1根蜗杆4和6套驱动机构5组成；所述骨架2由前、后六边形框架2.3、2.5、前、后轴承座2.1、2.7及前、中、后连接杆2.2、2.4、2.6组成；所述前、后六边形框架2.3、2.5通过中间连接2.4杆构成一个六棱柱架，所述六棱柱架前后两端分别通过所述前、后连接杆2.2、2.6与所述前、后轴承座2.1、2.7相连；所述蜗杆4通过轴承支撑在所述前、后轴承座2.1、2.7上，其一端与所述电动机1连接；

6套驱动机构5分前、后两组，前后两组各有3套驱动机构，3套驱动机构分别装在骨架2的前、后六边形框架2.3、2.5上，且均呈周向均布；

每套驱动机构5由蜗轮5.7、主动带轮5.6、同步带5.5、从动带轮5.3、行走轮5.4、摆杆5.1及销轴5.2组成，其中蜗轮5.7、主动带轮5.6和摆杆5.1的一端空套在六边形框架2.3或2.5上；从动带轮5.3、行走轮5.4空套在固结在摆杆5.1另一端的销轴5.2上，同步带5.5套在主、从带轮5.6、5.3上；

所述前、后六边形框架2.3、2.5各自由6段固定心轴连接而成，在其间隔、均匀分布的3段心轴上分别空套着蜗轮5.7、主动带轮5.6和摆杆5.1的一端，所述主动带轮5.6与所述蜗轮5.7固结而同步旋转；所述摆杆5.1的另一端固结一销轴5.2，所述销轴5.2上空套着从动带轮5.3和行走轮5.4，所述从动带轮(5.3)与所述行走轮5.4固结而同步旋转；所述主、从动带轮5.6、5.3上套有一根同步齿形带5.5；所述的前、后销轴5.2.1、5.2.2之间系有1根所述拉簧3；所述蜗杆4同时与6个所述蜗轮5.7啮合。

本发明的有益效果是：行走轮与管道内壁摩擦驱动所需的正压力依靠驱动力矩自动产生，而且能够根据机器人行走时的阻力大小自动调节。

附图说明

图1为本发明的机构运动简图俯视图；

图2为本发明的机构运动简图主视图；

图3为本发明的机器人骨架立体示意图；

图4为本发明的前后驱动机构工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

图中，1―电动机，2―骨架，2.1―轴承座，2.2―前连接杆，2.3―前六边形框架，2.4―中连接杆，2.5―后六边形框架，2.6―后连接杆，2.7―后轴承座，3―拉簧，4―蜗杆，5―驱动机构，5.1―摆杆，5.1.1―前摆杆，5.1.2―后摆杆，5.2―销轴，5.2.1―前销轴，5.2.2―后销轴，5.3―从动带轮，5.4―行走轮，5.4.1―前行走轮，5.4.2―后行走轮，5.5―同步齿形带，5.6―主动带轮，5.7―蜗轮。

一种自作用、自适应轮式管道机器人，其特征是：所述管道机器人由1台电动机1、1个骨架2、3根拉簧3、1根蜗杆4和6套驱动机构5组成；所述骨架2由前、后六边形框架2.3、2.5、前、后轴承座2.1、2.7及前、中、后连接杆2.2、2.4、2.6组成；所述前、后六边形框架2.3、2.5通过中间连接2.4杆构成一个六棱柱架，所述六棱柱架前后两端分别通过所述前、后连接杆2.2、2.6与所述前、后轴承座2.1、2.7相连；所述蜗杆4通过轴承支撑在所述前、后轴承座2.1、2.7上，其一端与所述电动机1连接；

6套驱动机构5分前、后两组，前后两组各有3套驱动机构，3套驱动机构分别装在骨架2的前、后六边形框架2.3、2.5上，且均呈周向均布；

每套驱动机构5由蜗轮5.7、主动带轮5.6、同步带5.5、从动带轮5.3、行走轮5.4、摆杆5.1及销轴5.2组成，其中蜗轮5.7、主动带轮5.6和摆杆5.1的一端空套在六边形框架2.3或2.5上；从动带轮5.3、行走轮5.4空套在固结在摆杆5.1另一端的销轴5.2上，同步带5.5套在主、从带轮5.6、5.3上；

所述前、后六边形框架2.3、2.5各自由6段固定心轴连接而成，在其间隔、均匀分布的3段心轴上分别空套着蜗轮5.7、主动带轮5.6和摆杆5.1的一端，所述主动带轮5.6与所述蜗轮5.7固结而同步旋转；所述摆杆5.1的另一端固结一销轴5.2，所述销轴5.2上空套着从动带轮5.3和行走轮5.4，所述从动带轮(5.3)与所述行走轮5.4固结而同步旋转；所述主、从动带轮5.6、5.3上套有一根同步齿形带5.5；所述的前、后销轴5.2.1、5.2.2之间系有1根所述拉簧3；所述蜗杆4同时与6个所述蜗轮5.7啮合。

如图1所示，机器人由1台电动机1、1个骨架2、3根拉簧3、1根蜗杆4和6套驱动机构5组成。

如图3所示，骨架2由前、后六边形框架2.3、2.5、前、后轴承座2.1、2.7及前、中、后连接杆2.2、2.4、2.6组成。前、后六边形框架2.3、2.5通过中间连接杆(2.4)构成一个六棱柱架，六棱柱架的前后两端分别通过前、后连接杆2.2、2.6与前、后轴承座2.1、2.7相连。

如图1所示，蜗杆4通过轴承支撑在骨架2的前后轴承座2.1、2.7上，蜗杆4的一端与电动机1连接。

如图1、2所示，6套驱动机构5分前、后两组，前后两组各有3套驱动机构，3套驱动机构分别装在骨架2的前、后六边形框架2.3、2.5上，且均呈周向均布。每套驱动机构由蜗轮5.7、主动带轮5.6、同步带5.5、从动带轮5.3、行走轮5.4、摆杆5.1及销轴5.2组成，其中蜗轮5.7、主动带轮5.6和摆杆5.1的一端空套在六边形框架2.3或2.5上；从动带轮5.3、行走轮5.4空套在固结在摆杆5.1另一端的销轴5.2上，同步带5.5套在主、从带轮5.6、5.3上。

如图1所示，拉簧(3)的两端分别系在前、后销轴5.2.1、5.2.2上，拉簧3有3根，呈周向均匀布置，初始时拉簧3使各行走轮均与管壁接触，并均获得初始正压力。

如图1所示，当电动机启动并逆时针旋转时，通过蜗轮、蜗杆5.7、4的一级传动，主、从带轮5.6、5.3的二级传动，使所有行走轮5.4各自按图示方向旋转。

如图4所示，因前、后行走轮5.4.1、5.4.2与管壁之间都存在初始正压力，这时前、后行走轮5.4.1、5.4.2均作用一摩擦力到管壁，反过来管壁也作用一反作用力于前、后行走轮5.4.1、5.4.2，但这个反作用力对前、后行走轮5.4.1、5.4.2的作用效果不一样。后行走轮5.4.2受到管壁反作用力的作用，有使后摆杆5.1.2带动后行走轮5.4.2产生绕定轴o1逆时针作用的趋势，这一趋势使得后行走轮5.4.2联合后摆杆5.1.2产生楔入作用，使得后行走轮5.4.2紧紧压在管壁上，从而自动产生摩擦驱动所需的正压力——自作用，而且驱动力矩越大，楔入作用越强，产生的正压力越大——自适应，此时的后行走轮5.4.2在管壁上作纯滚动运动，作为驱动轮驱动机器人向前行走；而这时的前行走轮5.4.1，在管壁的反作用力作用下，也使前摆杆5.1.1带动前行走轮5.4.1产生绕定轴o1逆时针作用的趋势，但这一趋势使得前行走轮5.4.1产生离开管壁的倾向，这一倾向又被拉簧的拉力拉回，拉回后前行走轮5.4.1又与管壁接触，又有反作用力产生，又有使前行走轮5.4.1产生脱离接触的趋势，故在忽略机器人自重情况下，此时的前行走轮，处在临界接触状态，不起驱动轮的作用，仅起导向支撑作用。

所述后驱动机构所具的自作用、自适应功能是建立在摩擦驱动(行走轮与管壁)满足自锁条件的基础上，即建立在摩擦力f对o1点之矩大于或等于正压力n对o1点之矩这一条件上，进一步，即建立在行走轮与管壁之间的摩擦因子需满足一定条件(自锁条件)的基础上。