全强支撑型单驱双向蠕行式管道清理机器人的制作方法

本发明涉及一种非水平管道清理机器人技术领域，尤其是一种基于非等休凸轮组的协调作用，在等径或极小变径的竖直管道内实现全过程强支撑及单驱双向蠕动行走的管道清理机器人。

背景技术：

在清管作业过程中，蠕动式管道机器人具有更大的牵引能力和地形适应性，更适合管道清理作业。但是，现有的清管机器人和清管器大多只具有单向行走能力，在管道清理的过程中遇到特殊障碍物无法后退回收，造成机器人卡滞在管内。而对于现有的双向蠕动式管道清理机器人，难以用一个动力实现对管壁的全过程强支撑、双向行走和管道清理三项功能，尤其是在前后机体支撑状态交替变化的间隙，容易出现因支撑不足而失稳的现象，从而不利于非水平管道(最典型的如竖直管道)管道的清理。因此，针对单驱动双向蠕行清管机器人无法实现全过程强支撑等问题，从实际情况出发，基于非等休凸轮组协调作用，研制开发出一种适用于等径或极小变径的全强支撑型单驱双向蠕行式管道清理机器人，从而为非水平管道清理的实现提供基础。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种全强支撑型单驱双向蠕行式管道清理机器人，基于非等休凸轮组的协调作用，实现在非水平管道内的全过程强支撑和双向蠕动行走，从而实现在管道清理中的无间断连续牵引，提高管道行走过程的稳定性和可靠性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种全强支撑型单驱双向蠕行式管道清理机器人，包括前机体组件、传动组件和后机体组件；

其中，所述传动组件由一个动力驱动，且通过连杆机构、齿轮机构和非等休凸轮机构的传动作用，使得前机体组件和后机体组件沿径向交替收缩与支撑的全过程中实现无间断的强支撑作用(即任一时刻，前后机体中至少有一个机体处于强支撑状态)，同时实现前机体组件和后机体组件之间的轴向交替伸缩，以及清淤刀盘的同步旋转，从而实现机器人沿非水平管道的全过程强支撑作用、双向蠕动行走和管道清理作业。

优选的，所述前机体组件包括前机壳、清淤刀盘、前机架、上下两侧的前弹性伸缩臂以及左右两侧的前弹性支撑轮；

其中，所述前机壳套装在前机架外，且与前机架固接；清淤刀盘设置于前机架前侧，其包括轮盘、沿轮盘周向均布的刀杆以及与刀杆固接的清淤刀片；

所述前弹性伸缩臂(主动式)包括弹性橡胶垫、滑动杆、第一压簧、弹簧限位片以及滚子，且弹性橡胶垫设置于滑动杆的顶端；所述第一压簧套装在滑动杆上，并通过滑动杆底部的弹簧限位片实现第一压簧的下限位；滑动杆一侧外壁处设置有连通底部的凹槽，所述滚子通过支撑杆安装于凹槽底部(即滚子采用偏置安装)，并通过支撑杆沿凹槽的滑动固定实现滚子与滑动杆间距的调整，以适应不同管道的径向尺寸；所述前弹性伸缩臂的底部穿过前机壳，并通过前机壳实现滑动杆上第一压簧的上限位；

所述前弹性支撑轮(被动式)包括伸缩轴、套设于伸缩轴外的伸缩套及设置于伸缩轴顶端的轮子，且伸缩套内设置有与伸缩轴底部相连的第二压簧，通过第二压簧实现伸缩轴与伸缩套的伸缩运动，从而实现前弹性支撑轮长度的弹性调整，以适应不同管道的径向尺寸；所述前弹性支撑轮通过伸缩套设置于前机壳的左右两侧。

优选的，所述后机体组件包括后机壳、后机架、上下两侧的后弹性伸缩臂以及左右两侧的后弹性支撑轮；其中，所述后机壳套装在后机架外，且与后机架固接；所述后弹性伸缩臂及后弹性支撑轮的结构(包括组件结构及与后机壳的连接关系)分别与前机体组件中的前弹性伸缩臂、前弹性支撑轮相同。

优选的，所述传动组件包括旋转电机、刀盘驱动组件、前驱组件、后驱组件及中驱组件；其中，所述旋转电机设置于后机架前侧，其穿过后机架前侧板的输出轴上套设有第一直齿轮，且第一直齿轮与后机架前侧板的后侧相贴合；

所述中驱组件包括连接前机架与后机架的若干导向机构、传动机构及曲柄连杆机构；所述导向机构包括设置于前机架后侧板上的导向杆及设置于后机架前侧板上的直线轴承，通过导向杆与直线轴承的滑动配合实现前机架与后机架的伸缩连接；

所述传动机构包括一组相适配的滑动轴及轴承套，所述轴承套的侧壁上设置有长条形通槽，且滑动轴的侧壁上设置有圆柱销，通过圆柱销与通槽的滑动配合实现滑动轴与轴承套的同步转动及伸缩滑动；所述滑动轴远离轴承套的一侧贯穿前机架的后侧板，且滑动轴上设置有两个第一限位环，所述第一限位环分别与前机架后侧板的前后两侧相贴合，通过两个第一限位环限制滑动轴相对于前机架后侧板的轴向滑动；所述轴承套远离滑动轴的一侧贯穿后机架的前侧板，且轴承套上设置有第二限位环及第二直齿轮，所述第二限位环与后机架前侧板的前侧相贴合，第二直齿轮与后机架前侧板的后侧相贴合；通过第二限位环及第二直齿轮限制轴承套相对于后机架前侧板的轴向滑动，且第二直齿轮与第一直齿轮啮合传动，以实现旋转电机的输出轴至轴承套的转速传动；所述滑动轴远离轴承套的一端套设有第一锥齿轮，且轴承套远离滑动轴的一端套设有第二锥齿轮；

所述前驱组件包括设置于前机架内的前转轴、前非等休凸轮组及第三锥齿轮，且前非等休凸轮组及第三锥齿轮套设于前转轴上；所述第三锥齿轮与第一锥齿轮啮合传动，并带动前转轴及前非等休凸轮组的同步转动；所述前非等休凸轮组包括两个完全相同的前非等休凸轮(即凸轮的远休止角和近休止角不相等)，且两个前非等休凸轮180°错位叠装；所述前机体组件中上下两侧的前弹性伸缩臂底部(偏置安装)的滚子分别与两个前非等休凸轮抵触安装，通过两个前非等休凸轮实现两个前弹性伸缩臂的同步径向伸缩调整；

所述后驱组件包括设置于后机架内的后转轴、后非等休凸轮组及第四锥齿轮，且后驱组件的连接结构与前驱组件相同；所述第四锥齿轮与第二锥齿轮啮合传动，并带动后转轴及后非等休凸轮组的同步转动；所述后非等休凸轮组包括两个完全相同的后非等休凸轮，通过两个后非等休凸轮实现两个后弹性伸缩臂的同步径向伸缩调整；

所述刀盘驱动组件包括第五锥齿轮、带传动机构及刀盘转轴，所述第五锥齿轮与第三锥齿轮啮合传动，并通过带传动机构带动刀盘转轴的转动，且清淤刀盘的轮盘套设于刀盘转轴穿过前机架前侧板的一侧，从而实现清淤刀盘的同步旋转；

所述曲柄连杆机构包括设置于前机架及后机架左右两侧的连杆及曲柄，且曲柄套设于延伸至后机架外的后转轴上而与后转轴同步转动；所述连杆的一端铰接于前机架的左/右侧板上，其另一端铰接于该侧的曲柄上，通过曲柄连杆机构实现前机体组件和后机体组件之间的轴向伸缩调整。

本发明的工作原理是：首先，由人工将装有传感器、摄像头以及清淤刀盘的管道机器人置入非水平管道，然后控制电机正转，通过连杆机构，齿轮和非等休凸轮机构的传动作用，使得前后机体沿着径向交替收缩与支撑的全过程中实现无间断强支撑(即任一时刻，两个机体中至少有一个机体处于强支撑状态)，同时前后机体沿轴线方向也会交替伸缩，且清淤刀盘通过机构传动同时进行旋转，通过各运动部件间的协调配合，使得机器人沿管道蠕动行走的同时实施清理作业。当管道机器人在管内遇到严重障碍无法前行时，控制电机反转使机器人向后退出，以便采取其他应对措施。

优选的，所述清淤刀盘的刀杆及清淤刀片均为可拆卸式，便于刀杆及清淤刀片的维修及更换，节约成本。

优选的，所述支撑杆上开有第一长槽，且凹槽内开有第一螺纹孔，通过紧固螺栓穿过第一长槽后与第一螺纹孔的紧固配合实现支撑杆沿凹槽的伸缩调整，连接简单方便。

优选的，所述伸缩套的侧壁上开有第二长槽，且伸缩轴的侧壁上设置有第二圆柱销，通过第二圆柱销与第二长槽的配合限制伸缩轴沿伸缩套的伸缩运动，防止伸缩轴脱出。

优选的，所述前非等休凸轮(与后非等休凸轮完全相同)的远休止角不小于180°，从而保证全过程连续强支撑。因为凸轮转动一周360°，只有当非等休凸轮的远休止角不小于180°，近休止角、升程角和回程角之和才不大于180°，那么运动全过程中才能保持连续强支撑。换句话说，如图14所示，任一时刻，前机体支撑状态曲线s1和后机体支撑状态曲线s2中至少有一个曲线是在纵坐标p1点上，p1点代表强支撑。

有益效果：本发明提供的全强支撑型单驱双向蠕行式管道清理机器人，相对于现有技术，具有以下优点：1、通过一个动力源和一套机构，能够实现在等径或极小变径竖直管道内的全过程强支撑和双向蠕动行走，在管道清理遇到特殊故障而无法继续向前行走时，能够向后退出管道，提高了管道机器人应对复杂管道环境的机动能力；2、机器人本体更加紧凑化和轻便化，大大提高了管道机器人的续航能力，同时能够保持全过程连续牵引，因而对于需要保持连续支撑力的等径或极小变径竖直管道，可实现全过程强支撑，对管道综合清理具有实际工程意义。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的主视图；

图3是本发明实施例的内部结构示意图；

图4是本发明实施例中清淤刀盘的结构示意图；

图5是本发明实施例中弹性伸缩臂的结构示意图；

图6是本发明实施例中弹性支撑轮的结构示意图；

图7是本发明实施例中传动组件的结构示意图；

图8是本发明实施例中传动组件的俯视图；

图9和图10分别是本发明实施例中前非等休凸轮组和后非等休凸轮组的传动简图；

图11是本发明实施例中曲柄连杆机构的运动简图；

图12是本发明实施例中传动机构的结构示意图；

图13是本发明实施例中后非等休凸轮的转角位置图；

图14是本发明实施例中前后机体支撑状态随凸轮转角变化图；

图15a～e是本发明实施例中机器人沿管道的运动流程图。

图中包括：1、前机体组件，1-1、前机壳，1-2、清淤刀盘，1-3、前机架，1-4、前弹性伸缩臂，1-5、前弹性支撑轮，1-2-1、清淤刀片，1-2--2、刀杆，1-2-3、轮盘，1-4-1、弹性橡胶垫，1-4-2、滑动杆，1-4-3、第一压簧，1-4-4、弹簧限位片，1-4-5、滚子，1-4-6、凹槽，1-4-7、支撑杆，1-5-1、轮子，1-5-2、伸缩轴，1-5-3、伸缩套，

2、传动组件，2-1、刀盘转轴，2-2、带传动机构，2-3、前非等休凸轮组，2-4、导向杆，2-5、直线轴承，2-6、旋转电机，2-7、第一直齿轮，2-8、后转轴，2-9、后非等休凸轮组，2-10、第四锥齿轮，2-11、曲柄，2-12、传动机构，2-13、连杆，2-14、第三锥齿轮，2-15、前转轴，2-16、第五锥齿轮，2-12-1、第一锥齿轮，2-12-2、第一限位环，2-12-3、滑动轴，2-12-4、圆柱销，2-12-5、轴承套，2-12-6、通槽，2-12-7、第二限位环，2-12-8、第二直齿轮，2-12-9、第二锥齿轮，

3、后机体组件，3-1、后机壳，3-2、后机架，3-3、后弹性伸缩臂，3-4、后弹性支撑轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、2所示为全强支撑型单驱双向蠕行式管道清理机器人，包括前机体组件1、传动组件2和后机体组件3；

其中，所述传动组件2由一个动力驱动，且通过连杆机构、齿轮机构和非等休凸轮机构的传动作用，使得前机体组件1和后机体组件3沿径向交替收缩与支撑的全过程中实现无间断的强支撑作用(即任一时刻，前后机体中至少有一个机体处于强支撑状态)，同时实现前机体组件1和后机体组件3之间的轴向交替伸缩，以及清淤刀盘1-2的同步旋转，从而实现机器人沿非水平管道的全过程强支撑作用、双向蠕动行走和管道清理作业。

如图3所示，所述前机体组件1包括前机壳1-1、清淤刀盘1-2、前机架1-3、上下两侧的前弹性伸缩臂1-4以及左右两侧的前弹性支撑轮1-5；

其中，所述前机壳1-1套装在前机架1-3外，且与前机架1-3固接；如图4所示，清淤刀盘1-2设置于前机架1-3前侧，其包括轮盘1-2-3、沿轮盘1-2-3周向均布的刀杆1-2-2以及与刀杆1-2-2固接的清淤刀片1-2-1；

如图5所示，所述前弹性伸缩臂1-4包括弹性橡胶垫1-4-1、滑动杆1-4-2、第一压簧1-4-3、弹簧限位片1-4-4以及滚子1-4-5，且弹性橡胶垫1-4-1设置于滑动杆1-4-2的顶端；所述第一压簧1-4-3套装在滑动杆1-4-2上，并通过滑动杆1-4-2底部的弹簧限位片1-4-4实现第一压簧1-4-3的下限位；滑动杆1-4-2一侧外壁处设置有连通底部的凹槽1-4-6，所述滚子1-4-5通过支撑杆1-4-7安装于凹槽1-4-6底部，并通过支撑杆1-4-7沿凹槽1-4-6的滑动固定实现滚子1-4-5与滑动杆1-4-2间距的调整，以适应不同管道的径向尺寸；所述前弹性伸缩臂1-4的底部穿过前机壳1-1，并通过前机壳1-1实现滑动杆1-4-2上第一压簧1-4-3的上限位；

如图6所示，所述前弹性支撑轮1-5包括伸缩轴1-5-2、套设于伸缩轴1-5-2外的伸缩套1-5-3及设置于伸缩轴1-5-2顶端的轮子1-5-1，且伸缩套1-5-3内设置有与伸缩轴1-5-2底部相连的第二压簧，通过第二压簧实现伸缩轴1-5-2与伸缩套1-5-3的伸缩运动，以适应不同管道的径向尺寸；所述前弹性支撑轮1-5通过伸缩套1-5-3设置于前机壳1-1的左右两侧。

本实施例中，所述后机体组件3包括后机壳3-1、后机架3-2、上下两侧的后弹性伸缩臂3-3以及左右两侧的后弹性支撑轮3-4；其中，所述后机壳3-1套装在后机架3-2外，且与后机架3-2固接；所述后弹性伸缩臂3-3及后弹性支撑轮3-4的结构(包括组件结构及与后机壳3-1的连接关系)分别与前机体组件1中的前弹性伸缩臂1-4、前弹性支撑轮1-5相同(前后为完全相同的通用组件)。

如图7、8所示，所述传动组件2包括旋转电机2-6、刀盘驱动组件、前驱组件、后驱组件及中驱组件；

其中，所述旋转电机2-6设置于后机架3-2前侧，其穿过后机架3-2前侧板的输出轴上套设有第一直齿轮2-7，且第一直齿轮2-7与后机架3-2前侧板的后侧相贴合；

所述中驱组件包括连接前机架1-3与后机架3-2的若干导向机构、传动机构2-12及曲柄连杆机构；所述导向机构包括设置于前机架1-3后侧板上的导向杆2-4及设置于后机架3-2前侧板上的直线轴承2-5，通过导向杆2-4与直线轴承2-5的滑动配合实现前机架1-3与后机架3-2的伸缩连接；

如图12所示，所述传动机构2-12包括一组相适配的滑动轴2-12-3及轴承套2-12-5，所述轴承套2-12-5的侧壁上设置有长条形通槽2-12-6，且滑动轴2-12-3的侧壁上设置有圆柱销2-12-4，通过圆柱销2-12-4与通槽2-12-6的滑动配合实现滑动轴2-12-3与轴承套2-12-5的同步转动及伸缩滑动；所述滑动轴2-12-3远离轴承套2-12-5的一侧贯穿前机架1-3的后侧板，且滑动轴2-12-3上设置有两个第一限位环2-12-2，所述第一限位环2-12-2分别与前机架1-3后侧板的前后两侧相贴合，通过两个第一限位环2-12-2限制滑动轴2-12-3相对于前机架1-3后侧板的轴向滑动；所述轴承套2-12-5远离滑动轴2-12-3的一侧贯穿后机架3-2的前侧板，且轴承套2-12-5上设置有第二限位环2-12-7及第二直齿轮2-12-8，所述第二限位环2-12-7与后机架3-2前侧板的前侧相贴合，第二直齿轮2-12-8与后机架3-2前侧板的后侧相贴合；通过第二限位环2-12-7及第二直齿轮2-12-8限制轴承套2-12-5相对于后机架3-2前侧板的轴向滑动，且第二直齿轮2-12-8与第一直齿轮2-7啮合传动，以实现旋转电机2-6的输出轴至轴承套2-12-5的转速传动；所述滑动轴2-12-3远离轴承套2-12-5的一端套设有第一锥齿轮2-12-1，且轴承套2-12-5远离滑动轴2-12-3的一端套设有第二锥齿轮2-12-9；

所述前驱组件包括设置于前机架1-3内的前转轴2-15、前非等休凸轮组2-3及第三锥齿轮2-14，且前非等休凸轮组2-3及第三锥齿轮2-14套设于前转轴2-15上；所述第三锥齿轮2-14与第一锥齿轮2-12-1啮合传动，并带动前转轴2-15及前非等休凸轮组2-3的同步转动；如图9所示，所述前非等休凸轮组2-3包括两个完全相同的前非等休凸轮2-3a，2-3b，且两个前非等休凸轮180°错位叠装；所述前机体组件1中上下两侧的前弹性伸缩臂1-4a，1-4b底部的滚子1-4-5分别与两个前非等休凸轮2-3a，2-3b抵触安装，通过两个前非等休凸轮实现两个前弹性伸缩臂1-4的同步径向伸缩调整；

所述后驱组件包括设置于后机架3-2内的后转轴2-8、后非等休凸轮组2-9及第四锥齿轮2-10，且后驱组件的连接结构与前驱组件相同(前后为完全相同的通用组件)；所述第四锥齿轮2-10与第二锥齿轮2-12-9啮合传动，并带动后转轴2-8及后非等休凸轮组2-9的同步转动；如图10所示，所述后非等休凸轮组2-9包括两个完全相同的后非等休凸轮2-9a，2-9b，通过两个后非等休凸轮实现两个后弹性伸缩臂3-3a，3-3b的同步径向伸缩调整；所述传动机构2-12在转动时，通过锥齿轮组的啮合传动，同时带动所述前驱组件和后驱组件的反向等速转动，使得前非等休凸轮组2-3和后非等休凸轮组2-9也作反向等速转动。

所述刀盘驱动组件包括第五锥齿轮2-16、带传动机构2-2及刀盘转轴2-1，所述第五锥齿轮2-16与第三锥齿轮2-14啮合传动，并通过带传动机构2-2带动刀盘转轴2-1的转动，且清淤刀盘1-2的轮盘1-2-3套设于刀盘转轴2-1穿过前机架1-3前侧板的一侧，从而实现清淤刀盘1-2的同步旋转；

如图11所示，所述曲柄连杆机构包括设置于前机架1-3及后机架3-2左右两侧的连杆2-13及曲柄2-11，且曲柄2-11套设于延伸至后机架3-2外的后转轴2-8上而与后转轴2-8同步转动；所述连杆2-13的一端铰接于前机架1-3的左/右侧板上，其另一端铰接于该侧的曲柄2-11上，通过曲柄连杆机构实现前机体组件1和后机体组件3之间的轴向伸缩调整。

本实施例中，所述清淤刀盘1-2的刀杆1-2-2及清淤刀片1-2-1均为可拆卸式；所述支撑杆1-4-7上开有第一长槽，且凹槽1-4-6内开有第一螺纹孔，通过紧固螺栓穿过第一长槽后与第一螺纹孔的紧固配合实现支撑杆1-4-7沿凹槽1-4-6的伸缩调整。

本实施例中，所述伸缩套1-5-3的侧壁上开有第二长槽，且伸缩轴1-5-2的侧壁上设置有第二圆柱销，通过第二圆柱销与第二长槽的配合限制伸缩轴1-5-2沿伸缩套1-5-3的伸缩运动。

本实施例中，所述非等休凸轮2-3a，2-3b，2-9a，2-9b的远休止角取180°，其近休止角为144°，推程角和回程角均为18°。由于采用非等休凸轮的远休止角为180°，所以在运动全过程中，前机体或后机体中至少有一个处于强支撑状态。因此，在竖直管道内运动时，前后机体能够在交替支撑管壁的过程中，不会因支撑不足而失稳。此外，在基圆大小一定且不超过许用压力角的前提下，由于本发明要求非等休凸轮的远休止角不小于180°，所以当近休止角一定时，使得非等休凸轮相对于等休凸轮的径向变化范围较小，因而本发明只适用于在小变径和等径管道内运动。特别说明的是，本发明要求的非等休凸轮的远休止角只要求数值不小于180°，所以本发明实施不限于此特定角度。

本发明的具体实施方式如下：

管道机器人行走过程，如图13、14、15a～e所示。根据图13中后非等休凸轮的转角位置变化，图14中的s1和s2分别代表前机体和后机体的径向支撑状态。为叙述方便，将机器人划分成三部分，分别是前机体b1(径向伸缩)，中机体b2(轴向伸缩)和后机体b3(径向伸缩)。同时，将各部分的伸缩状态按伸展程度划分为三种，分别是全伸，中间，全缩状态。其中，径向全缩状态对管壁不起支撑作用，径向中间状态对管壁起到弱支撑作用，径向全伸状态对管壁起强支撑作用。管道机器人行走过程具体阐述如下：

第一步，曲柄2-11顺时针转动0°。如图15a所示，此时曲柄2-11上的铰接孔处于1号位。由图14可知，前机体b1为径向全伸状态，中机体b2为轴向全缩状态，后机体b3为径向全伸状态。

第二步，曲柄2-11顺时针转动90°。如图15b所示，此时曲柄2-11上的铰接孔处于2号位。由图14可知，前机体b1为径向全缩状态，中机体b2为轴向中间状态，后机体b3为径向全伸状态。

第三步，曲柄2-11顺时针转动180°。如图15c所示，此时曲柄2-11上的铰接孔处于3号位。由图14可知，前机体b1为径向全伸状态，中机体b2为轴向全伸状态，后机体b3为径向全伸状态。

第四步，曲柄2-11顺时针转动270°。如图15d所示，此时曲柄2-11上的铰接孔处于4号位。由图14可知，前机体b1为径向全伸状态，中机体b2为轴线中间状态，后机体b3为径向全缩状态。

第五步，曲柄2-11顺时针转动360°。如图15e所示，此时曲柄2-11上的铰接孔回到1号位。由图14可知，前机体b1为径向全伸状态，中机体b2为轴向全缩状态，后机体b3为径向全伸状态。

通过观察图15a～e中的标线(a—f)，可以清楚的观察到该管道机器人沿管道向左蠕行，且全过程实现无间断强支撑行走。

本发明通过连杆机构，齿轮传动和非等休凸轮机构组合，即一个动力和一套机构实现了机器人前后机体的径向收缩与扩张，以及前后机体间距的缩放，从而实现竖直管道内的全过程强支撑和正反双向蠕动式行走，同时在行走的过程中实现管道清理，增强管道了管道清理作业的稳定性和可靠性。

本发明基于非等休凸轮组的协调作用，在前后机体支撑状态交替变化过程中实现连续无间断牵引和全过程强支撑。所以，本发明不仅适用于极小变径的非水平管道清理(如竖直管道)，也同样适用于极小变径的水平管道，对管道综合清理具有实际工程意义。

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。