一种多支撑轮式蠕动管道清理机器人的制作方法

本实用新型涉及管道清理机器人领域，具体为一种多支撑轮式蠕动管道清理机器人。

背景技术：

现今，管道无论是在工业生产还是日常生活中都发挥着十分重要的作用。管道作为一种重要的输送工具，在自来水、石油、天然气等输送方面发挥着不可替代的作用。随着城镇化以及现代工业的快速发展，管道的应用日益剧增。管道的大量使用，在给人类的生产、生活带来便利的同时也带来了新的问题。管道在长期的使用中，由于外部环境的侵蚀以及自身的老化等原因，可能会造成管道破裂、变形、穿孔、堵塞，不仅影响了管道的正常使用，而且造成了资源的不必要浪费，甚至污染环境，给人民的生命财产造成重大损失。因此，对管道进行检测、清理和维护是十分必要的。传统的人工方式劳动强度大且存在危险，管道机器人则可以很好地解决这一棘手问题。

管道机器人的种类日益增多，工作领域也在不断扩展，按照行走方式可分为轮式、履带式、蠕动式、振动式等几种。由于轮式行走具有结构简单，行走连续平稳、速度快、可靠性高、行走效率高等诸多优点，目前已开发出的管道机器人大多为轮式，也是实际工程中使用最多的一种方式。轮式移动机器人的驱动轮要靠弹簧力，液压和气动力，磁性力等压紧在管道内壁上以支承机器人本体并产生一定的正压力，这样轮式移动机器人就具备了行走的基本条件，我们将使机器人行走轮压紧在管壁上的力叫封闭力，驱动其中某一个或几个轮子转动，由驱动轮和管壁之间的附着力产生机器人前后行走的驱动力，以实现机器人的移动，这是轮式管内移动机器人行走的基本原理。履带式管内移动机器人有许多优点可以借鉴，但其结构复杂，不易小型化，转弯性能差，因此实际应用中大多用于中大口径的管道机器人载体上，履带式管内移动机器人有效地解决了驱动力——正压力——摩擦力之间的矛盾，是一种在恶劣环境下有效的行走方式。有了轮式和履带式管内机器人，人们在寻找新的管内行走方式上继续探索新颖的结构，观察蚯蚓、毛虫等洞穴生活的动物可以发现，他们是通过身体的伸缩(蠕动)运动的，尾部支承，身体伸长带动头部向前运动，然后，头部支承，身体收缩，带动尾部向前运动，这种运动循环下去，实现在洞穴内行走，利用与之类似的原理人们制造出蠕动式管内移动机器人。

上述分析总结了各种管道机器人的优缺点。一是轮式管道机器人：结构比较简单，速度比较快，牵引力大，承载能力比较强，容易设计与制造。但是管道中有障碍物的时候，通过能力较弱，其牵引力的提高受到封闭力大小的限制，并且其驱动轮作为动力来源，靠与管道壁的摩擦来运动，对管道壁的磨损比较大，容易损伤管道；二是履带式管道机器人：运动过程稳定，越障能力较强，但是对于复杂管道，前进运动受阻，由于自身笨重，行进速度缓慢，同时对管道内壁损伤较大。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种多支撑轮式蠕动管道清理机器人。该多支撑轮式蠕动管道清理机器人不但具有轮式管道机器人运行速度快，承载能力强的优点，而且具有履带式管道机器人的运行稳定，越障能力强的优点。

本实用新型所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种多支撑轮式蠕动管道清理机器人，包括由柔性丝杠以及与其适配套筒所构成的主体、设置在主体两侧的左、右液压装置，主体两侧通过万向节对应连接有用于驱动左、右液压装置的一号驱动电机、二号驱动电机，主体上设有用于控制柔性丝杠正反转的步进电机以及起到稳定性和支撑扶正作用的稳定机构，左、右液压装置上对应设有清洁装置、勘探摄像装置。

进一步地，所述左、右液压装置均由空心轴、设置在空心轴端部的圆底盘、呈环形对应铰接在空心轴、圆底盘上且具有自适应变径及自锁功能的行走机构组成，所述空心轴与行走机构连接有输油管，所述行走机构与圆底盘之间设有用于控制行走机构变径的压力弹簧，所述空心轴通过液压组件与对应的一号驱动电机、二号驱动电机连接。

进一步地，所述液压组件包括套筒、设置在套筒内部且与一号驱动电机、二号驱动电机对应连接的电机丝杠，所述电机丝杠上设有用于轴向施压通过输油管以使行走机构实现自锁功能的丝杠螺母。

进一步地，所述套筒上沿轴线设有导向槽，所述导向槽内滑装有与丝杠螺母连接的限位构件。

进一步地，所述行走机构包括铰接在圆底盘上的外轮架、设置在外轮架上的内轮架及驱动轮、与驱动轮同轴连接的自锁齿轮a，所述内轮架上设有通过与输油管连接以用于与自锁齿轮a卡合实现自锁功能的自锁齿轮b。

进一步地，所述行走机构还包括通过与压力弹簧抵合的直线轴承嵌套在空心轴上的柱形连接件，所述柱形连接件的一端通过螺栓滑装在外轮架侧壁上的滑槽内。

进一步地，所述稳定机构包括通过滑动轴套设置在柔性丝杠上的两个多边形加强连接板，两个多边形加强连接板上呈环铰接分布有带有支撑轮的平行四边形支撑轮架，所述平行四边形支撑轮架上呈对角线的两个连接轴之间设有拉力弹簧。

进一步地，所述清洁装置包括设置在左行走装置上且通过旋转进行清洁的旋转钢丝清洁头、设置在主体上通过旋转进行清洁的清洁胶棉，所述旋转钢丝清洁头端部还设有用于清洗的喷洒头。

进一步地，所述勘探摄像装置包括设置在右行走装置上的固定吸盘、设置在固定吸盘上的转向盘、设置在转向盘上且能够上下摆动的摄像头，所述转向盘连接有控制其360°全方位旋转的转向舵机。

本实用新型的有益效果是：

与现有技术相比，本实用新型打破了传统管道系统维修检测的方式。通过工程人员的操控，完成管道的检测、维修、清理等相关作业，为人工不可触及的工作提供了解决方案。运行稳定，速度快，承载能力强，越障过弯能力良好,克服了对管壁磨损的问题,节省了人力,降低了成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型中右行走装置及二号驱动电机的结构示意图；

图3为本实用新型中行走机构的结构示意图；

图4为本实用新型行走机构中自锁装置的结构示意图；

图5为本实用新型中稳定机构的结构示意图；

图6为本实用新型中勘探摄影装置的结构示意图；

图7为本实用新型中旋转钢丝清洁头及喷洒头的结构示意图；

图8为本实用新型中清洁胶棉的内部结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本实用新型进一步阐述。

如图1所示，一种多支撑轮式蠕动管道清理机器人，包括由柔性丝杠12以及与其适配套筒所构成的主体、设置在主体左右两侧的左、右液压装置，主体左右两侧对应设有用于驱动左、右液压装置的一号驱动电机4、二号驱动电机16，其中所述二号驱动电机16通过万向节15及连接件2与柔性丝杠12连接，所述一号驱动电机4直接连接在与柔性丝杠12适配的套筒上；所述一号驱动电机4、二号驱动电机16与对应的左、右液压装置通过液压组件连接，主体上设有用于起到稳定性和支撑扶正作用的稳定机构，左、右液压装置上对应设有清洁装置、勘探摄像装置。

其中，如图3所示，所述左、右液压装置均由空心轴8、设置在空心轴8端部的圆底盘5、呈环形分布的具有自适应变径及自锁功能的行走机构组成；所述空心轴8上嵌套有直线轴承10，所述直线轴承10上设有三叉套筒19，所述行走机构呈环形分布有三个。

每一个行走机构均包括通过液压套筒23铰接在圆底盘5上的外轮架1、对应铰接在三叉套筒19铰接端的柱形连接件24，如图4所示，所述外轮架1上对应设有内轮架27及驱动轮9，所述驱动轮9两侧同轴设有自锁齿轮a20，所述内轮架27的端部固定设置有与自锁齿轮a20对应的自锁齿轮b21，所述内轮架27尾部滑装在液压套筒23内，受液压驱动时，内轮架27移动使自锁齿轮b21与自锁齿轮a20对应卡合，对驱动轮9进行抱死，进而实现驱动轮9的自锁；所述柱形连接件24的上端部处通过设置的螺栓滑装在位于外轮架1两侧设置的滑槽22内。

所述空心轴8上且位于直线轴承10与圆底盘5之间绕制有用于行走机构自适应变径调节的压力弹簧18。

如图2所示，所述液压组件包括一端与空心轴8连接，另一端与对应的一号驱动电机4外壳、二号驱动电机16外壳连接的套筒33，所述套筒33内部设有与一号驱动电机4、二号驱动电机16对应连接的电机丝杠26，所述电机丝杠26设有丝杠螺母25，所述丝杠螺母25的一端上设有插入空心轴8内的推杆，所述丝杠螺母25上设有限位构件17，所述套筒33上设有与限位构件17对应的导向槽33a，通过导向槽33a与限位构件17，保证了丝杠螺母25的单一方向运动，防止产生相对滑动。

所述空心轴8为碳钢轴，其内部设有液压油，所述空心轴8上设有三个位置与液压套筒23对应的输油口，每一个输油口均通过一个输油管34与对应的液压套筒23密封连接。在该机器人左、右行走机构交替移动过程中，需要对制动轮进行制动时，通过驱动电机带动电机丝杠26带动丝杠螺母25向空心轴8内移动，将空心轴8内的液压油通过输油管34压入液压套筒23中，推动内轮架27向着驱动轮9运动，使得自锁齿轮b21与自锁齿轮a20卡合，从而实现驱动轮9的自锁。

所述左、右液压装置有两个功能，一是可以适应一定范围的管径，通过压力弹簧18使三个驱动轮9始终与管道内壁接触，便于实现蠕动进给；二是通过控制它的制动架，把驱动轮9进行锁死，为机器人蠕动进给的实现提供条件，另外控制机器人双向运动就是通过控制左、右液压装置中驱动轮9的锁死顺序实现的。

如图5所示，所述稳定机构包括两个三角形加强连接板29，每一个三角形加强连接板29的中部设有圆形通孔，且三个顶点处焊接有圆柱形连接件，所述圆柱形连接件之间设有加强板31，所述圆柱形连接件上套有滑动轴套，柔性丝杠12在其中运动；每一个三角形加强连接板29的三条外边上均设有与其边平行的圆柱销28，左右两圆柱销28上均对应铰接有一个带有支撑轮13的平行四边形支撑轮架。

所述平行四边形支撑轮架包括对应铰接在圆柱销28两端的方形连接件30，同轴向分布的方形连接件30上对应铰接有固定支撑板14，所述固定支撑板14上端部左右两侧对应设有两组两个并排分布的支撑轮13，其中左侧三角形加强连接板29上的圆柱销28与右侧支撑轮13的转动轴之间设有控制稳定机构自适应变径调节的拉力弹簧3。

通过设置稳定机构，增加该机器人与管道之间的接触，提高了机器人在运动过程中的稳定性，同时也减少了机器人对管道内壁的损伤。其中平行四边形轮架起到了支撑扶正作用，保证了该机器人稳定地完成蠕动进给。

如图1、图7、图8所示，所述清洁装置包括设置在左行走装置中圆底盘5上的旋转钢丝清洁头7、设置在主体中部处的清洁胶棉11，所述旋转钢丝清洁头7端部还设有用于清洗的喷洒头6，所述旋转钢丝清洁头7、以及清洁胶棉11内部均设有对应的轮毂电机40，从而使旋转钢丝清洁头7、清洁胶棉11始终转动以达到清洁管道的作用；另外，所述步进电机39位于清洁胶棉11内部。

通过顶端的喷洒头6、旋转钢丝清洁头7、清洁胶棉11三重清理装置，实现在较短时间内和较低能耗条件下达到较高的清洁效果。

如图6所示，所述勘探摄像装置包括设置在右行走装置中圆底盘5上的固定吸盘32、设置在固定吸盘32上的转向盘35、设置在转向盘35上且能够上下摆动的摄像头37，所述转向盘35连接有控制其360°全方位旋转的转向舵机36，所述摄像头37的侧边设有用于角度调节的旋钮38以及用于旋钮38滑动的弧形滑槽，可以通过控制旋钮38在弧形滑槽内的移动来控制摄像头37的上下方位摆动。

所述固定吸盘32能够使得勘探摄像装置稳定地吸附在右行走装置中的圆底盘5上，并且方便拆卸。转向盘35及转向机36能够使得摄像头37实现360°全方位摄像，无死角地对管道内的情况进行实时监控，方便工程人员对该机器人控制和调整指令。

机器人在管道内会经常遇到弯道，为了保证能够顺利通过弯道，在机器人中设置了万向节15，以及空间成120°对称分布的三个平行四边形支撑轮架，这是因为机器人在弯道运动的过程中会出现两个问题；一是柔性丝杠12的自重会使套筒和柔性丝杠12发生弯曲从而使套筒和柔性丝杠12之间的摩擦力增大进而影响柔性丝杠12的传动效率，同时增大了驱动轮9的摩擦力使磨损加剧，机器人不能正常工作：二是套筒和柔性丝杠12发生相对运动时，由于套筒比较长，柔性丝杠12向外时整体的距离比较长，套筒此时有可能会发生偏斜，导致与弯道内壁发生接触，从而影响机器人的蠕动进给。有了空间成120°对称分布的三个平行四边形支撑轮架，如果套筒有发生偏斜的趋势，就会有一个来自支撑轮的相反方向的力矩作用在套筒上，从而对套筒起到支撑扶正作用，其套筒轴线与管道轴线能够始终保持重合，左右两个变径制动轮机构和丝杠也不会发生偏斜，机器人的正常的蠕动进给得到了保证。

工作原理：

该机器人向左运动的过程如下：

右行走装置保持原来状态，左行走装置在一号驱动电机4、液压组件以及自锁齿轮a20、自锁齿轮b21的作用下处于锁死状态；此时，步进电机39正转带动柔性丝杠12转动，从而带动二号驱动电机16和右行走装置向左移动，移动的过程中，左行走装置保持不动。当柔性丝杠12移动至与其适配套筒中的某个确定的位置时，步进电机39停止转动并进行延时，在该延时过程中右行走装置在二号驱动电机16、液压组件以及自锁齿轮a20、自锁齿轮b21的作用下处于锁死状态，左行走装置中的驱动轮9解除锁死状态；然后步进电机39发生反转带动柔性丝杠12转动，通过其反向作用力，推动左行走装置向左移动，当柔性丝杠12移动至与其适配套筒中的某个确定的位置时，步进电机39停止转动并进行延时，这样就完成了一个蠕动过程；通过重复上述过程，该机器人即可实现在管道内的快速运动。

机器人在弯道中行进时，通过万向节15以及三个平行四边形轮架上的支撑轮13的相反方向的力矩作用在套筒上，对套筒进行支撑扶正，使驱动轮9以及支撑轮13始终与管道内壁接触，从而顺利过弯。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。