专利名称：一种螺旋式管道移动机构的制作方法
技术领域：
本发明属于管道机器人工程技术领域，特别是涉及一种在管道内探查作业的螺旋
式管道移动机构。
背景技术：
随着经济和社会的发展，管道作为主要的流体(天然气、石油、水等)输送工具因其便捷性和经济性得到了广泛的应用。但是随着使用年限的增加，管道不可避免的会出现老化，腐蚀或者受到外来施工的破坏。如果不及时处理，一旦发生事故不但给国家带来巨大的经济损失，对环境也会造成严重的污染。因此对管道进行经常性的勘察和维护就显得非常必要。管道探查机器人就是一种检查管道的有效设备。目前，用于管道探查机器人的管内行走机构的运动形式主要有轮式、履带式、弹力支撑式、腿式、尺蠖式、螺旋式等等，主要靠电控系统来实现管道环境的适应，移动机构的管道环境适应性不足。在文献M. Horodinca，L Doroftei， E. Mignon， A. Preumont. "A simplearchitecture for in-pipe inspectionrobots"中提到的基于螺旋驱动原理的管道内移动机器人由定子、转子、支撑臂、驱动臂和螺旋轮组成。定子上装有电机，电机输出轴与转子相连，电机带动转子旋转。转子上的螺旋轮能够绕着自身的轴线旋转，转子旋转时螺旋轮也旋转，机器人就可以向前运动。该机构虽然可以实现管道内的前后运动，但当管内有异物或有障碍时，机器人往往不能越过障碍。如果没有特殊的保护很容易就卡死在管道中间；又由于该种移动机构自带电源，与外界无物理上的联接，当机器人卡在管道中间时，给救援工作带来了困难。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种螺旋式管道移动机构。它是靠机械机构本身来调节机器人本体的前进方向和后退方向，不需要其它的电控操作。
本发明的技术方案是 本发明包括前进驱动机构、后退驱动机构、支撑机构、传动机构、联动机构及锁紧机构，前进驱动机构通过第一传动机构与后退驱动机构连接，并通过第二传动机构与支撑机构内的电动机相连接，在前进驱动机构与第一传动机构间安装有联动机构及锁紧机构，在所述后退驱动机构上连接有摩擦力调节机构。 所述的联动机构包括安装于前进驱动机构前进驱动臂的导向套筒、连接杆、安装于第一传动机构传动轴端部的上转盘、下转盘及第一弹簧，上、下转盘沿圆周相同位置均开有V型槽，且上、下转盘的V型槽开口方向相反，连接杆为T型结构，中间端通过导向套筒、第一弹簧与前进驱动臂连接，另两端分别安装于上、下转盘的V型槽中，并可沿V型槽的侧
壁滑动。 所述的导向套筒为带有圆管的圆盘，圆管中心孔为锁销孔。所述的锁销孔截面为方形。所述的连接杆中间端为与导向套筒的圆管锁销孔相配合的形状。 所述的锁紧机构为滑盘、连接杆及第二弹簧，上、下转盘间安装有第二弹簧，滑盘置于上转盘的上方，固定在第一传动机构传动轴上，沿滑盘圆周对应上、下转盘的V型槽及连接杆的位置开有与连接杆相配合的卡槽。 所述的摩擦力调节机构包括摩擦片、弹簧及调整螺钉，弹簧安装在摩擦片带有至
少两个支杆，第三弹簧安装在摩擦片的支杆上并与调整螺钉接触，第三弹簧及调整螺钉均
置于后退驱动机构的后轮框内内，摩擦片的另一表面与支撑机构相接触。 本发明的优点是适应性强。由于其结构由前进驱动机构、后退驱动机构、支撑机构
组成，当管道中的障碍物超过机器人越障能力时，该移动机构可以依靠机械部分自动调整
移动方向，以防止被障碍物卡死在管道中，这个过程不需要外界控制。由于其带有联动机
构，当其中一个前进驱动臂遇到障碍物而向中心收縮时，通过联动机构联动，其余的前进驱
动臂也将向中心收縮，实现驱动臂同步运动。由于其带有锁紧机构，当前进驱动臂遇到障碍
向管道中心收縮时，锁紧机构限制了前进驱动臂的转动，此时动力输出转换路径，后退驱动
臂旋转并产生向后的驱动力，这时机器人向相反的方向移动。
图1为本发明外形平面结构示意图。 图2为本发明结构外形示意图。 图3为图2的内部结构示意图。 图4为图3的平面结构示意图。 图5为本发明第一传动机构示意图。 图6为本发明的联动机构示意图。 图7为图6中连接杆和套筒配合结构示意图。 图8为本发明摩擦力调节机构局部剖视示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。 实施例1 :如图1 图4、图8所示，本发明包括前进驱动机构1、后退驱动机构2、支撑机构3、传动机构、联动机构及锁紧机构，前进驱动机构1通过第一传动机构与后退驱动机构2连接，并通过第二传动机构与支撑机构3内的电动机4连接，在前进驱动机构1与第一传动机构间还安装有锁紧机构及联动机构，在所述后退驱动机构2上连接有摩擦力调节机构。 如图1、图3所示，其中所述的前进驱动机构1包括前轮框8、沿其圆周均布的三个前进驱动臂7，每个前进驱动臂上安装1个被动滚轮35、所述被动滚轮35的滚动轴线与管道截面成0 45度角度。所述的后退驱动机构2包括后轮框9、沿其圆周均布的三个后退驱动臂6、每个后退驱动臂6端部安装1个被动滚轮35，所述被动滚轮35的滚动轴线与管道截面成0 45度角度。所述的支撑机构3包括沿其外壳上均布的三个支撑臂5，每个支撑臂5上安装1个支撑轮36，所述支撑轮36的滚动方向与管道轴线方向平行。
如图4、图5所示，所述的第一传动机构是行星传动机构，包括传动轴19、置于前轮框8内轴承托架28上的内齿轮21、安装于传动轴19的太阳轮20及太阳轮20和内齿轮21圆周间均布的3个行星轮22、23、24。如图3所示，所述的第二传动机构是分别安装于传动
4轴19和电动机4上的相互啮合的第一直齿轮17和第二直齿轮18。如图5所示，所述的联动机构包括安装于前进驱动机构前进驱动臂7的导向套筒13、连接杆14、安装于第一传动机构传动轴19端部的上转盘15、下转盘16以及第一弹簧IO，如图7所示，导向套筒13为带有圆筒的圆盘，圆筒中心孔为方形孔；连接杆14为T型结构，其中间端为方形，与导向套筒13的圆筒方形孔固定配合，称为水平杆31，与该水平杆31垂直的为竖直杆29，连接杆14通过导向套筒13、第一弹簧10与前进驱动臂7连接。上、下转盘沿圆周相同位置均开有V型槽38，且上、下转盘的V型槽开口方向相反，连接杆14的竖直杆29两端分别安装于上、下转盘的V型槽中，并可沿V型槽的侧壁滑动。导向套筒13的中心方形孔与连接杆14的水平杆31固定连接，使连接杆14不能够绕导向套筒13的轴心旋转，这样连接杆14的竖直杆29两端能够保持与上下转盘之间的垂直。如图3所示，所述的锁紧机构包括滑盘11、连接杆14以及第二弹簧12，上、下转盘间安装有第二弹簧12，滑盘11置于上转盘15的上方，固定在第一传动机构传动轴19上，沿滑盘11圆周对应上、下转盘的V型槽38及连接杆14的位置开有与连接杆14相配合的卡槽30。传动轴19顶端滑盘11的上方固定有挡片27，用于将传动轴19安装在前轮框8上。锁紧工作时，在第二弹簧12的作用下，由于上下转盘的V型槽38的形状完全相同，开口方向相反。这样在导向套筒13、上下转盘的作用下，连接杆14受到一个沿转盘中心的法线方向向外的力。当三个连接杆14不同步时，靠近中心的连接杆14所受外力较大使其向外运动，直到三个连接杆14上所受外力相同，三个连接杆14运动同步。当三个连接杆14克服作用在其上的外力向中心运动到一定距离上，三个连接杆14的竖直杆29端沿上、下转盘的V型槽389滑动，同时进入到滑盘11的卡槽30中，而卡槽30固定在传动轴19上不能转动，所以三个连接杆14达到同步锁定的作用。连接杆14靠近传动轴19的竖直杆29端具有锁紧、联动功能，水平杆31端穿过导向套筒13及第一弹簧10与前进驱动臂7相连接，连接杆14、导向套筒13具有导向功能。如图8、图4所示，所述的摩擦力调节机构包括摩擦片25、第三弹簧33及调整螺钉34，摩擦片25带有3个支杆32，第三弹簧33分别安装在摩擦片25的支杆32上并与调整螺钉34接触，第三弹簧33及调整螺钉34均置于后退驱动机构6后轮框9内，而摩擦片25另一表面与支撑机构3相接触。调整螺钉34通过第三弹簧33压紧或松开摩擦片25来调节第三弹簧33与支撑机构3之间的正压力从而调整摩擦力的大小。 本发明的工作过程如图4 图8所示，驱动电机4通过减速器37带动第一直齿轮18转动，第一直齿轮18带动与之啮合的第二直齿轮17转动。第二直齿轮17与传动轴19相连，传动轴19旋转时带动太阳轮20旋转进而带动第一行星轮22、第二行星轮23、第三行星轮24旋转，行星轮转动时带动与之相连的内齿轮21旋转。前轮框8旋转时带动前进驱动臂7随之旋转，因此机器人向前运动；如果转动方向相反，机器人则向后运动。
如图3、5所示，当机器人前进过程中遇到障碍物时，前进驱动臂7的运动受到了阻碍而速度下降，又由于障碍物的作用，前进驱动臂7将向管道中心收縮，此时前进驱动臂7通过连接杆14带动上转盘15、下转盘16旋转，由于上、下旋转盘与3个前进驱动臂7通过V型槽连接，所以其它的前进驱动臂7也将向中心收縮。这样只要其中一个前进驱动臂7向中心收縮，其它的前进驱动臂7也将收縮。如图3所示，由于滑盘11与传动轴19相连并固定，当前进驱动臂7继续向中心收縮，接触到滑盘11的边缘处，此时为边界条件。前进驱动臂7继续向中心收縮则会进入到滑盘11上的卡槽30中这样前进驱动机构1就固连到了支撑机构3上，因此前进驱动臂7不再旋转。此时动力输出转换路径，具体为驱动电机4带动第一直齿轮18和第二直齿轮17转动，然后第二直齿轮17通过传动轴19带动太阳轮20和行星轮旋转，3个行星轮转轴均与后轮框9相连，行星轮旋转克服后轮框9与支撑机构3之间的摩擦片25的摩擦力带动后轮框9旋转，后轮框9带动后驱动臂6旋转，后驱动臂6旋转并产生向后的驱动力，这时机器人向相反方向移动。 实施例2 :本例移动机构与实施例1结构相同，不同的是前进驱动机构1中前进驱动臂7沿前轮框8圆周均布4个，每个前进驱动臂7上的被动滚轮35为1个；后退驱动机构2中后退驱动臂6沿后轮框9圆周均布5个，每个后退驱动臂6的被动滚轮35为2个；支撑机构3中支撑臂5沿支撑机构外框圆周均布6个，每个支撑臂5的支撑轮36为2个。
实施例3 :本例移动机构与实施例1结构相同，不同的是前进驱动机构1中前进驱动臂7沿前轮框8圆周均布6个，每个前进驱动臂7上的被动滚轮35为2个；后驱动机构2中后退驱动臂6沿后轮框9圆周均布6个，每个后退驱动臂6的被动滚轮35为2个；支撑机构3中支撑臂5沿支撑机构外框圆周均布6个，每个支撑臂5的支撑轮36为4个。
实施例4 :本例移动机构与实施例1结构相同，不同的是前进驱动机构1中前进驱动臂7沿前轮框8圆周均布8个，每个前进驱动臂7上的被动滚轮35为2个；后驱动机构2中后退驱动臂6沿后轮框9圆周均布4个，每个后退驱动臂6的被动滚轮35为1个；支撑机构3中支撑臂5沿支撑机构外框圆周均布5个，每个支撑臂5的支撑轮36为4个。
本发明中的前进驱动臂7、后退驱动臂8、支撑臂5的数量至少为3个，沿圆周均布，可以根据管道直径增加其个数；其前进或后退驱动臂上的被动轮至少为1个，为保持更好的平衡，2个被动轮效果最好；每个支撑臂5上的支撑轮至少为1个，4个时支撑效果最好。其中连接杆14和导向套筒13的数量均与前进驱动臂7数量相同。前进驱动臂7数量增加时，连接杆14和导向套筒13的数量也相应的增加到相同数值。摩擦力调节机构中安装在摩擦片25的第三弹簧33至少带有两个支杆。
权利要求
一种螺旋式管道移动机构，包括前进驱动机构、后退驱动机构、支撑机构、传动机构、联动机构及锁紧机构，前进驱动机构通过第一传动机构与后退驱动机构连接，并通过第二传动机构与支撑机构内的电动机相连接，在前进驱动机构与第一传动机构间安装有联动机构及锁紧机构，其特征在于在所述后退驱动机构上连接有摩擦力调节机构。
2. 按照权利要求1所述螺旋式管道移动机构，其特征在于所述的联动机构包括安装于前进驱动机构前进驱动臂的导向套筒、连接杆、安装于第一传动机构传动轴端部的上转盘、下转盘及第一弹簧，上、下转盘沿圆周相同位置均开有V型槽，且上、下转盘的V型槽开口方向相反，连接杆为T型结构，中间端通过导向套筒、第一弹簧与前进驱动臂连接，另两端分别安装于上、下转盘的V型槽中，并可沿V型槽的侧壁滑动。
3. 按照权利要求2所述螺旋式管道移动机构，其特征在于所述的导向套筒为带有圆管的圆盘，圆管中心孔为锁销孔。
4. 按照权利要求3所述螺旋式管道移动机构，其特征在于所述的锁销孔截面为方形。
5. 按照权利要求2所述螺旋式管道移动机构，其特征在于所述的连接杆中间端为与导向套筒的圆管锁销孔相配合的形状。
6. 按照权利要求l所述螺旋式管道移动机构，其特征在于所述的锁紧机构为滑盘、连接杆及第二弹簧，上、下转盘间安装有第二弹簧，滑盘置于上转盘的上方，固定在第一传动机构传动轴上，沿滑盘圆周对应上、下转盘的V型槽及连接杆的位置开有与连接杆相配合的卡槽。
7. 按照权利要求1所述螺旋式管道移动机构，其特征在于所述的摩擦力调节机构包括摩擦片、弹簧及调整螺钉，弹簧安装在摩擦片带有至少两个支杆，第三弹簧安装在摩擦片的支杆上并与调整螺钉接触，第三弹簧及调整螺钉均置于后退驱动机构的后轮框内内，摩擦片的另一表面与支撑机构相接触。
全文摘要
一种螺旋式管道移动机构，属于管道机器人工程技术领域。包括前进驱动机构、后退驱动机构、支撑机构、传动机构、联动机构及锁紧机构，前进驱动机构通过第一传动机构与后退驱动机构连接，并通过第二传动机构与支撑机构内的电动机相连接，在前进驱动机构与第一传动机构间安装有联动机构及锁紧机构，在所述后退驱动机构上连接有摩擦力调节机构。本发明适应性强。依靠机械部分自动调整移动方向，以防止被障碍物卡死在管道中。通过联动机构实现驱动臂同步运动，由于其带有锁紧机构，当前进驱动臂遇到障碍向管道中心收缩时，锁紧机构限制了前进驱动臂的转动，此时动力输出转换路径，后退驱动臂旋转并产生向后的驱动力，这时机器人向相反的方向移动。
文档编号F16L55/26GK101749520SQ20081022996
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者叶长龙, 李志强, 李斌, 李鹏, 王聪, 马书根 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所