专利名称：大牵引力蠕动推进微小管道机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及微小管道机器人，尤其涉及大牵引力蠕动推进微小管道机器人。
背景技术：
在当今社会，各种各样的微小管道(直径小于20mm)在冶金、石油、化工、军事武器装备、核电等领域得到了广泛的应用。这些微小管道绝大部分应用于工作环境非常恶劣的系统中，容易发生腐蚀、疲劳破坏或潜在的缺陷发展成裂纹等问题，从而引起泄漏事故，甚至造成重大人员和财产损失，所以在这些管道使用过程中，就需要对其进行检测，以保障管道系统安全、畅通和高效运行。但微小管道所处的环境，人一般不能直接到达，或不允许直接介入，且由于管道内径较小、内部结构错综复杂，使得检测难度很大。目前关于微小管道的检测，通常采用工程量十分大的抽检方法，不但劳动强度大、效益低，而且由于随机抽样法经常出现漏检，因而准确率低，效果并不理想。故通常对重要和不允许泄漏的管道采用定期或提前报废的办法，从而造成了很大的人力和物力浪费。因此，研究适用于微小管道这一特殊环境下的检测机器人装置，以减轻人的劳动强度，提高生产效率，减少不必要的损失，有着极高的学术价值和实用价值。
伸缩蠕动推进方式是现在微小管道机器人较为常用的一种推进方式，其基于仿生学，参考蚯顿、毛虫等生物的运动方式，原理简单易行。微小管道机器人通常用于复杂管道的检测工作，需携带许多相关检测传感器、电源和通讯装置，有线机器人还需承载线缆重量，这就要求微小管道机器人具有较大的负载能力，但目前的同类产品中，由于驱动机器人运动的摩擦力不易增大，造成负载能力受限，机器人牵引能力差；同时，机器人的工作环境中存在大量弯管、U形管，并由于腐蚀、疲劳破坏、裂纹、管接头等原因存在变管径情况，这就要求微小管道机器人的径向尺寸小，且具有较好的弯管、U形管处通过性和较强的变管径适应能力，但目前同类产品普遍存在结构尺寸不易减小，适应管径变化的能力差，在弯管、U形管处的通过性不好等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种负载能力高，管径变化适应能力强，且弯管、U形管通过能力强的大牵引力蠕动推进微小管道机器人。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案-
一种大牵引力蠕动推进微小管道机器人，包括第一支承机构、第二支承机构和伸缩驱动装置，所述伸縮驱动装置设于第一支承机构与第二支承机构之间，所述第一支承机构包括第一张紧杆、呈套筒状的第一支承座和沿第一支承座周向均匀布置的至少三组第一支承轮组，所述第一支承座上沿径向设有与各第一支承轮组对应的第一导向孔，第一支承座套设于第一张紧杆外，所述第一张紧杆由第一锥形段、第一螺纹段和第一滑杆段构成，第一锥形段小径端连接第一螺纹段，大径端连接第一滑杆段，第一滑杆段与伸縮驱动装置相连，第一螺纹段上远离伸縮驱动装置的一端装设有第一张紧螺母，第一张紧螺母与第一支承座之间设有第一压縮弹簧，第一支承轮组上连有第一支承轮组支杆，所述第一支承轮组支杆穿过第一导向孔与第一锥形段接触。
所述第一支承轮组包括第一支承轮架和两件第一支承轮，所述第一支承轮架中部与第一支承轮组支杆铰接，两件第一支承轮分别铰接于第一支承轮架的两端。
所述第一支承座外套设有对第一支承轮组支杆伸縮限位的第一防护套。所述第一支承轮组支杆的截面为圆形，第一支承座上的第一导向孔为与第一支承轮组支杆相配合的圆形孔。
所述第二支承机构包括第二张紧杆、呈套筒状的第二支承座和沿第二支承座周向均匀布置的至少三组第二支承轮组，所述第二支承座上沿径向设有与各第二支承轮组对应的第二导向孔，第二支承座套设于第二张紧杆外，所述第二张紧杆由第二锥形段、第二螺纹段和第二滑杆段构成，第二锥形段小径端连接第二螺纹段，大径端连接第二滑杆段，第二螺纹段与伸縮驱动装置相连，第二螺纹段上靠近伸縮驱动装置的一端装设有第二张紧螺母，第二张紧螺母与第二支承座之间设有第二压縮弹簧，第二支承轮组上连有第二支承轮组支杆，所述第二
支承轮组支杆穿过第二导向孔与第二锥形段接触。
所述第二支承轮组包括第二支承轮架和两件第二支承轮，所述第二支承轮架中部与第二
支承轮组支杆铰接，两件第二支承轮分别铰接于第二支承轮架的两端。
所述第二支承座外套设有对第二支承轮组支杆伸縮限位的第二防护套。所述第二支承轮组支杆的截面为圆形，第二支承座上的第二导向孔为与第二支承轮组支
杆相配合的圆形孔。
与现有技术相比，本发明的优点在于第一支承轮组支杆与第一张紧杆的第一锥形段接触配合，在第一压縮弹簧的弹力作用下，第一锥形段可推动第一支承轮组支杆沿轴向伸縮，使第一支承轮组获得相对第一支承座沿第一支承轮组支杆轴线方向的移动自由度，使机器人
的第一支承机构具有较好的变管径适应能力；第一支承轮组支杆与第一锥形段的接触配合形
成楔块结构，当机器人有后退的趋势时，负载力传递到第一锥形段，在楔块结构的作用下，可使第一支承轮组对管壁的正压力增大，从而增大第一支承轮组与管壁之间的摩擦力，即实现第一支承轮组与管道间的摩擦力随负载的增大而增大，阻碍机器人后退，解决了机器人在运动过程中容易后退的问题；第一支承轮架中部与第一支承轮组支杆铰接，使得第一支承轮组获得一绕该铰接点的转动自由度，第一支承轮组支杆的截面为圆形，第一支承座上的第二导向孔为与螺旋轮组支杆相配合的圆形孔，使第一支承轮组具有绕第一支承轮组支杆轴线的转动自由度，第一支承轮组在一个移动自由度和两个转动自由度的共同支持下，更容易满足微小管道机器人在弯管、U形管和变管径处的几何通过条件和运动约束条件，提高了微小管道机器人在弯管、U形管和变管径处的通过能力。第二支承机构与第一支承机构的结构相同，因此具有与第一支承机构相同的结构特点，区别在于第二支承机构通过第二螺纹段与伸縮驱动装置相连，当伸縮驱动装置伸长时，第一支承机构与管道内壁之间形成自锁，第二支承机构与管道内壁之间处于松驰状态，第二支承机构向前伸出；当伸縮驱动装置收縮时，第一支承机构与管道内壁之间处于松驰状态，第二支承机构与管道内壁之间形成自锁，第一支承机构被正在收縮的伸縮驱动装置向前拉动，从而实现机器人的蠕动推进。第一支承机构与第二支承机构均不需要专用的驱动装置，使机器人的自身重量和径向尺寸减小，负载能力、管道适应能力增强。本发明的大牵引力蠕动推进微小管道机器人中第一支承轮组和第二支承轮组的多自由度设计、第一张紧杆和第二张紧杆的锥形段结构设计以及第一压縮弹簧和第二压縮弹簧的预压紧设计，使第一支承轮组和第二支承轮组能够主动适应弯管、U形管和变管径处的管径变化情况，改善了微小管道机器人对复杂管道的通过能力，并使机器人径向尺寸减小，更适于在微小管道中工作。
图l是本发明的结构示意图2是本发明的立体结构示意图3是图1的A—A剖面视图4是伸縮驱动装置的放大结构示意图5是伸縮驱动装置的立体结构示意图6是第一支承机构的放大结构示意图7是图6的B—B剖面视图8是第一支承机构的立体结构示意图9是第一支承机构拆除第一支承轮组后的结构示意图IO是第二支承机构的放大结构示意图。
图中各标号表示
1、第一支承机构 2、第二支承机构
3、伸縮驱动装置 4、万向节100、第一张紧杆101、第一锥形段
102、第一螺纹段103、第一滑杆段
110、第一支承座111、第一导向孔
120、第一支承轮组121、第一支承轮架
122、第一支承轮130、第一张紧螺母
140、第一压縮弹簧150、第一支承轮组支杆
160、第一防护套170、第一弹簧垫片
200、第二张紧杆201、第二锥形段
202、第二螺纹段203、第二滑杆段
210、第二支承座211、第二导向孔
220、第二支承轮组221、第二支承轮架
222、第二支承轮230、第二张紧螺母
240、第二压縮弹簧250、第二支承轮组支杆
260、第二防护套270、第二弹簧垫片
300、座体301、电机
302、保持架303、螺母架
具体实施例方式
如图l、图2和图3所示，本发明的大牵引力蠕动推进微小管道机器人，包括第一支承 机构1、第二支承机构2和伸缩驱动装置3，伸縮驱动装置3设于第一支承机构1与第二支承 机构2之间，本实施例中，第一支承机构1和第二支承机构2分别通过—4牛万向节4与伸縮 驱动装置3相连。如图4和图5所示，伸縮驱动装置3由座体300、电机301、保持架302和 螺母架303组成，电机301尾部装设于座体300上，保持架302固定于电机301前端，并空 套于电机301的输出轴上，保持架302上还设有一槽体，螺母架303滑设于该槽体内，电机 301的输出轴设有螺纹段，并通过该螺纹段与螺母架303连接。电机301启动后，螺母架303 在槽体的约束下，只可作直线伸縮运动，不会产生转动。
如图6至图9所示，第一支承机构1包括第一张紧杆100、呈套筒状的第一支承座110 和沿第一支承座110周向均匀布置的至少三组第一支承轮组120，本实施例中，第一支承轮 组120设有三组。第一支承座IIO上沿径向设有与各第一支承轮组120对应的第一导向孔111， 第一支承座110套设于第一张紧杆100外。第一张紧杆100由第一锥形段101、第一螺纹段 102和第一滑杆段103构成，第一锥形段101小径端连接第一螺纹段102，大径端连接第一滑 杆段103，第一滑杆段103末端通过一万向节4与伸缩驱动装置3的座体300相连，第一螺纹段102上远离伸縮驱动装置3的一端装设有第一张紧螺母130和第一弹簧垫片170，第一 张紧螺母130与第一支承座110之间设有第一压縮弹簧140，第一压縮弹簧140 —端过第一 弹簧垫片170定位，另一端通过第一支承座110定位，通过调节第一张紧螺母130的位置， 可以调节第一压缩弹簧140的预压紧力大小。第一支承轮组120上连有第一支承轮组支杆150， 第一支承轮组支杆150穿过第一导向孔111与第一锥形段101接触，并且第一支承轮组支杆 150与第一锥形段101接触的一端呈球头状，在第一压縮弹簧140的弹力作用下，第一锥形 段101可推动第一支承轮组支杆150沿轴向伸縮，改变第一支承机构1的外径，使第一支承 机构1张紧在管道内，同时，第一支承轮组120可以获得相对第一支承座110沿第一支承轮 组支杆150轴线方向的移动自由度，使机器人的第一支承机构1具有较好的变管径适应能力， 并且第一支承轮组支杆150与第一锥形段101的接触配合形成楔块结构，当机器人有后退的 趋势时，负载力传递到第一锥形段101，在楔块结构的作用下，可使第一支承轮组120对管 壁的正压力增大，从而增大第一支承轮组120与管壁之间的摩擦力，即实现第一支承轮组120 与管道间的摩擦力随负载的增大而增大，阻碍机器人后退，解决了机器人在运动过程中容易 后退的问题。第一支承座IIO外套设有对第一支承轮组支杆150伸縮限位的第一防护套160， 可防止第 -支承轮组支杆150脱离第一支承座110。第一支承轮组120包括第一支承轮架121 和两件第一支承轮122，两件第一支承轮122分别铰接于第一支承轮架121的两端，第一支 承轮架121中部通过销轴与第一支承轮组支杆150铰接，第一支承轮架121可绕销轴灵活旋 转，使得第一支承轮组120获得一绕该铰接点的转动自由度，同时，第一支承轮组支杆150 的截面为圆形，第一支承座IIO上的第一导向孔111为与第一支承轮组支杆150相配合的圆 形孔，使第一支承轮组120具有绕第一支承轮组支杆150轴线的转动自由度，第一支承轮组 120在一个移动自由度和两个转动自由度的共同支持下，更容易满足微小管道机器人在弯管、 U形管和变管径处的几何通过条件和运动约束条件，提高了微小管道机器人在弯管、U形管 和变管径处的通过能力。
如图10所示，第二支承机构2包括第二张紧杆200、呈套筒状的第二支承座210和沿第 二支承座210周向均匀布置的至少三组第二支承轮组220，本实施例中，第二支承轮组220 设有三组。第二支承座210上沿径向设有与各第二支承轮组220对应的第二导向孔211,第 二支承座210套设于第二张紧杆200外。第二张紧杆200由第二锥形段201、第二螺纹段202 和第二滑杆段203构成，第二锥形段201小径端连接第二螺纹段202,大径端连接第二滑杆 段203，第二螺纹段202通过一万向节4与伸缩驱动装置3的螺母架303相连，第二螺纹段 202上靠近伸縮驱动装置3的一端装设有第二张紧螺母230和第二弹簧垫片270，第二张紧螺 母230与第二支承座210之间设有第二压縮弹簧240，第二压縮弹簧240 —端过第二弹簧垫片270定位，另一端通过第二支承座210定位，通过调节第二张紧螺母230的位置，可以调 节第二压縮弹簧240的预压紧力大小。第二支承轮组220上连有第二支承轮组支杆250，第 二支承轮组支杆250穿过第二导向孔211与第二锥形段201接触，并且第二支承轮组支杆250 与第二锥形段201接触的一端呈球头状，在第二压縮弹簧240的弹力作用下，第二锥形段201 可推动第二支承轮组支杆250沿轴向伸縮，改变第二支承机构2的外径，使第二支承机构2 张紧在管道内，同时，第二支承轮组220可以获得相对第二支承座210沿第二支承轮组支杆 250轴线方向的移动自由度，使机器人的第二支承机构2具有较好的变管径适应能力，并且 第二支承轮组支杆250与第二锥形段201的接触配合形成楔块结构，当机器人有后退的趋势 时，负载力传递到第二锥形段201，在楔块结构的作用下，可使第二支承轮组220对管壁的 正压力增大，从而增大第二支承轮组220与管壁之间的摩擦力，即实现第二支承轮组220与 管道间的摩擦力随负载的增大而增大，阻碍机器人后退，解决了机器人在运动过程中容易后 退的问题。第二支承座210外套设有对第二支承轮组支杆250伸縮限位的第二防护套260， 可防止第二支承轮组支杆250脱离第二支承座210。第二支承轮组220包括第二支承轮架221 和两件第二支承轮222，两件第二支承轮222分别铰接于第二支承轮架221的两端，第二支 承轮架221中部与第二支承轮组支杆250铰接，第二支承轮架221可绕销轴灵活旋转，使得 第二支承轮组220获得一绕该铰接点的转动自由度，同时，第二支承轮组支杆250的截面为 圆形，第二支承座210上的第二导向孔211为与第二支承轮组支杆250相配合的圆形孔，使 第二支承轮组220具有绕第二支承轮组支杆250轴线的转动自由度，第二支承轮组220在一 个移动自由度和两个转动自由度的共同支持下，更容易满足微小管道机器人在弯管、U形管 和变管径处的几何通过条件和运动约束条件，提高了微小管道机器人在弯管、U形管和变管 径处的通过能力。
本发明的大牵引力蠕动推进微小管道机器人，当伸縮驱动装置3伸长时，第一支承机构 1与管道内壁之间形成自锁，第二支承机构2与管道内壁之间处于松驰状态，第二支承机构2 向前伸出；当伸縮驱动装置3收缩时，第一支承机构1与管道内壁之间处于松驰状态，第二 支承机构2与管道内壁之间形成自锁，第一支承机构1被正在收縮的伸縮驱动装置3向前拉 动，从而实现机器人的蠕动推进。第一支承机构1与第二支承机构2均不需要专用的驱动装 置，使机器人的自身重量和径向尺寸减小，负载能力、管道适应能力增强。第一支承轮组1 和第二支承轮组2的多自由度设计、第一张紧杆100和第二张紧杆200的锥形段结构设计以 及第压縮弹簧140和第二压缩弹簧240的预压紧设计，使第一支承轮组1和第二支承轮组 2能够主动适应弯管、U形管和变管径处的管径变化情况，改善了微小管道机器人对复杂管 道的通过能力，并使机器人径向尺寸减小，更适于在微小管道中工作。
权利要求
1、一种大牵引力蠕动推进微小管道机器人，包括第一支承机构(1)、第二支承机构(2)和伸缩驱动装置(3)，所述伸缩驱动装置(3)设于第一支承机构(1)与第二支承机构(2)之间，其特征在于所述第一支承机构(1)包括第一张紧杆(100)、呈套筒状的第一支承座(110)和沿第一支承座(110)周向均匀布置的至少三组第一支承轮组(120)，所述第一支承座(110)上沿径向设有与各第一支承轮组(120)对应的第一导向孔(111)，第一支承座(110)套设于第一张紧杆(100)外，所述第一张紧杆(100)由第一锥形段(101)、第一螺纹段(102)和第一滑杆段(103)构成，第一锥形段(101)小径端连接第一螺纹段(102)，大径端连接第一滑杆段(103)，第一滑杆段(103)与伸缩驱动装置(3)相连，第一螺纹段(102)上远离伸缩驱动装置(3)的一端装设有第一张紧螺母(130)，第一张紧螺母(130)与第一支承座(110)之间设有第一压缩弹簧(140)，第一支承轮组(120)上连有第一支承轮组支杆(150)，所述第一支承轮组支杆(150)穿过第一导向孔(111)与第一锥形段(101)接触。
2、 根据权利要求1所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述第一支承轮组(120)包括第一支承轮架(121)和两件第一支承轮(122)，所述第一支承轮架(121)中部与第一支承轮组支杆(150)铰接，两件第一支承轮(122)分别铰接于第一支承轮架(121)的两端。
3、 根据权利要求2所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述第一支承座(110)外套设有对第一支承轮组支杆(150)伸縮限位的第一防护套(160)。
4、 根据权利要求1至3中任一项所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述第一支承轮组支杆(150)的截面为圆形，第一支承座(110)上的第一导向孔(111)为与第一支承轮组支杆(150)相配合的圆形孔。
5、 根据权利要求1至3中任一项所述的大牵引力蠕动推进微小管道机器人，其特征在于所述第二支承机构(2)包括第二张紧杆(200)、呈套筒状的第二支承座(210)和沿第二支承座(210)周向均匀布置的至少三组第二支承轮组(220)，所述第二支承座(210)上沿径向设有与各第二支承轮组(220)对应的第二导向孔(211)，第二支承座(210)套设于第二张紧杆(200)夕卜，所述第二张紧杆(200)由第二锥形段(201)、第二螺纹段(202)和第二滑杆段(203)构成，第二锥形段(201)小径端连接第二螺纹段(202)，大径端连接第二滑杆段(203)，第二螺纹段(202)与伸縮驱动装置(3)相连，第二螺纹段(202)上靠近伸縮驱动装置(3)的一端装设有第二张紧螺母(230)，第二张紧螺母(230)与第二支承座(210)之间设有第二压縮弹簧(240)，第二支承轮组(220)上连有第二支承轮组支杆(250)，所述第二支承轮组支杆(250)穿过第二导向孔(211)与第二锥形段(201)接触。
6、 根据权利要求4所述的大牵引力蠕动推进微小管道机器人，其特征在于所述第二支承机构(2)包括第二张紧杆(200)、呈套筒状的第二支承座(210)和沿第二支承座(210)周向均匀布置的至少三组第二支承轮组(220)，所述第二支承座(210)上沿径向设有与各第二支承轮组(220)对应的第二导向孔(211)，第二支承座(210)套设于第二张紧杆(200)外，所述第二张紧杆(200)由第二锥形段(201)、第二螺纹段(202)和第二滑杆段(203)构成，第二锥形段(201)小径端连接第二螺纹段(202),大径端连接第二滑杆段(203)，第二螺纹段(202)与伸縮驱动装置(3)相连，第二螺纹段(202)上靠近伸縮驱动装置(3)的一端装设有第二张紧螺母(230)，第二张紧螺母(230)与第二支承座(210)之间设有第二压縮弹簧(240)，第二支承轮组(220)上连有第二支承轮组支杆(250)，所述第二支承轮组支杆(250)穿过第二导向孔(211)与第二锥形段(201)接触。
7、 根据权利要求6所述的大牵引力蠕动推进微小管道机器人，其特征在于所述第二支承轮组(220)包括第二支承轮架(221)和两件第二支承轮(222)，所述第二支承轮架(221)中部与第二支承轮组支杆(250)铰接，两件第二支承轮(222)分别铰接于第二支承轮架(221)的两端。
8、 根据权利要求7所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述第二支承座(210)外套设有对第二支承轮组支杆(250)伸縮限位的第二防护套(260)。
9、 根据权利要求8所述的大牵引力螺旋推进微小管道机器人，其特征在于所述第二支承轮组支杆(250)的截面为圆形，第二支承座(210)上的第二导向孔(211)为与第二支承轮组支杆(250)相配合的圆形孔。
全文摘要
大牵引力蠕动推进微小管道机器人，包括第一支承机构、第二支承机构和第一支承机构与第二支承机构间的伸缩驱动装置，第一支承机构包括第一张紧杆、第一支承座和第一支承轮组，第一支承座上设有与各第一支承轮组对应的第一导向孔，第一支承座套设于第一张紧杆外，第一张紧杆由第一锥形段、第一螺纹段和第一滑杆段构成，第一锥形段小径端连第一螺纹段，大径端连第一滑杆段，第一滑杆段与伸缩驱动装置相连，第一螺纹段上装设第一张紧螺母，第一张紧螺母与第一支承座间设第一压缩弹簧，第一支承轮组上连第一支承轮组支杆，第一支承轮组支杆穿过第一导向孔与第一锥形段接触。该机器人具有负载能力高，变管径适应能力强，弯管、U形管通过能力强的优点。
文档编号B25J7/00GK101559595SQ200910043488
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者乔晋崴, 尚建忠, 徐小军, 杨军宏, 卓 王, 罗自荣, 沫 黑 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学