伸缩式管道内壁攀爬机器人的制作方法
【专利摘要】本发明提供的是一种伸缩式管道内壁攀爬机器人。包括中间连接机构、四个伸缩臂和两个伸缩机构。伸缩臂包括摩擦垫、臂伸缩电机、臂伸缩电机架、臂伸缩管连架、臂伸缩丝杠、两个臂外伸缩管、两个臂内伸缩管。伸缩机构由臂连接架、伸缩电机、伸缩电机架、伸缩管连架、伸缩丝杠、两个外伸缩管和两个内伸缩管。中间连接机构包括中心转架I、中心转架II、转向电机I、转向电机II、中心十字轴。中间连接机构通过中心转架I、中心转架II分别与两个伸缩机构的伸缩电机架固定连接。每个伸缩机构的臂连接架上固定连接一个伸缩臂的臂伸缩电机架，臂伸缩电机架上对称设置两个伸缩臂。本发明能实现机器人在管道内的位置固定、空间二自由度转动。
【专利说明】伸缩式管道内壁攀爬机器人
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种管道内壁攀爬机器人。
【背景技术】
[0002]随着石油、化工、天然气、核工业的发展以及现代城市的建设，各种类型的管道投入到了实际使用当中，于是各种管道的检测、维护、维修等的需要极大地促进了管道机器人的研究。目前对多轮支撑结构的轮式管道机器人研究较多，但是轮式管道机器人在遇到弯道或者不规则管道时会发生运动干涉，由于内耗造成驱动力不足，从而容易导致机器人在管道中偏离正确的姿态位置，发生侧翻甚至卡死的现象。目前国内外的研究人员主要是从结构上，如采用差速器、柔性连接等方面进行解决，但这会使结构非常复杂，成本大量增加。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种可以适应不同形状的管道，拓宽机器人的使用范围，降低生产成本的伸缩式管道内壁攀爬机器人。
[0004]本发明的目的是这样实现的:
[0005]包括中间连接机构、四个伸缩臂和两个伸缩机构，
[0006]所述伸缩臂包括摩擦垫、臂伸缩电机、臂伸缩电机架、臂伸缩管连架、臂伸缩丝杠、两个臂外伸缩管、两个臂内伸缩管，摩擦垫与两个臂外伸缩管的外端固连，两个臂外伸缩管的另一端通过臂伸缩管连架固连为一体，两个臂内伸缩管与臂伸缩电机固定安装在臂伸缩电机架上，两个臂内伸缩管采用滑动配合分别安装于臂外伸缩管内，臂伸缩丝杠与臂伸缩管连架采用螺纹传动配合方式安装，臂伸缩丝杠并通过联轴器与臂伸缩电机的输出轴固连；
[0007]所述伸缩机构由臂连接架、伸缩电机、伸缩电机架、伸缩管连架、伸缩丝杠、两个外伸缩管和两个内伸缩管，臂连接架与两个外伸缩管的一端固连，两个外伸缩管的另一端通过伸缩管连架固连为一体，两个内伸缩管与伸缩电机固定安装在伸缩电机架上，两个内伸缩管采用滑动配合分别安装于两个外伸缩管，伸缩丝杠与伸缩管连架采用螺纹传动配合方式安装，伸缩丝杠并通过联轴器与伸缩电机的输出轴固连；
[0008]所述中间连接机构包括中心转架1、中心转架I1、转向电机1、转向电机I1、中心十字轴，中心十字轴通过轴承固定安装于中心转架I与中心转架II中间，转向电机I固定安装于中心转架I上并通过联轴器将转向电机I的输出轴与中心十字轴的一端固连，转向电机II固定安装于中心转架II上并通过联轴器将转向电机II的输出轴与中心十字轴的另一端固连；
[0009]中间连接机构通过中心转架1、中心转架II分别与两个伸缩机构的伸缩电机架固定连接；
[0010]每个伸缩机构的臂连接架上固定连接一个伸缩臂的臂伸缩电机架，臂伸缩电机架上对称设置两个伸缩臂。[0011]为了解决管道机器人在管道中出现侧翻以及卡死的现象实现机器人在管道中的灵活快速移动，本发明基于丝杠传动原理实现机器人的伸缩式前进以及机器人臂的伸缩实现机器人的位置固定，通过中间连接机构实现机器人的灵活转向。首先，应用丝杠的螺纹传动原理实现机构伸缩以及机器人臂的伸缩，令机器人能够快速地进行直线式攀爬移动，并通过机器人臂的伸缩将机器人固定在管道内的指定位置。其次，机器人中间连接机构采用十字轴转动连接设计，可以使机器人在管道内实现空间二自由度转动。再次，机器人臂端的摩擦垫采用可更换式设计，可以根据管道内壁的形状选择使用相应形状的摩擦垫，极大地拓宽了机器人的使用范围，降低了生产成本。
[0012]本发明具有如下优点:
[0013]1.应用丝杠的螺纹传动原理设计了伸缩机构，使机器人能进行快速伸缩式的直线攀爬以及机器人臂的快速伸缩实现机器人在管道内的位置固定。
[0014]2.机器人中间连接机构采用十字轴转动连接设计，可以使机器人在管道内实现空间二自由度转动，提高了机器人的灵活性，避免了机器人出现侧翻以及卡死的现象。
[0015]3.机器人臂端的摩擦垫采用可更换式设计，可以根据管道内壁的形状选择使用相应形状的摩擦垫，极大地拓宽了机器人的使用范围，降低了生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1:机器人传动关系全剖示意图。
[0017]图2:机器人三维示意图。
[0018]图3:机器人中心连接机构三维示意图。
[0019]图4a-图4g:机器人在管道内前进动作过程示意图。
[0020]图5a-图5g:机器人在管道内后退动作过程示意图。
[0021]图6a-图6p:机器人遇到小障碍物时动作过程示意图。
[0022]图7a-图7m:机器人通过弯道区域时转弯动作过程示意图。
[0023]图8a_图8f:机器人通过弯道区域时回正动作过程示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
[0025]本发明的机器人本体为对称式结构，以中间连接机构为对称中心，伸缩臂I部分、伸缩臂II部分、伸缩臂III部分与伸缩臂IV部分、机器人伸缩机构I部分与伸缩机构II部分结构相同。伸缩臂I部分与伸缩臂II部分、伸缩臂III部分与伸缩臂IV部分分别通过臂电机架对称安装，伸缩机构I部分与伸缩机构II部分通过中间连接机构固定连接安装。下面对伸缩臂I部分、伸缩机构I部分和中间连接机构的结构组成做出详细说明:
[0026]结合图1，图2，对机器人的伸缩臂I部分进行详细说明。伸缩臂I部分由摩擦垫I1、臂伸缩电机153、臂伸缩电机架152、臂伸缩管连架154、臂伸缩丝杠155、臂外伸缩管157、臂外伸缩管112、臂内伸缩管156、臂内伸缩管113组成。摩擦垫Il与臂外伸缩管157、臂外伸缩管Π2的外端固连，臂外伸缩管157、臂外伸缩管112的另一端通过臂伸缩管连架154固连为一体。臂内伸缩管156、臂内伸缩管116与臂伸缩电机153固定安装在臂伸缩电机架152上，臂内伸缩管156、臂内伸缩管112采用滑动配合分别安装于臂外伸缩管157、臂外伸缩管Π2内。臂伸缩丝杠155与臂伸缩管连架154采用螺纹传动配合方式安装，臂伸缩丝杠155并通过联轴器与臂伸缩电机153的输出轴固连。根据以上连接关系，臂伸缩电机153驱动臂伸缩丝杠155输出的回转运动即可转化为臂伸缩管连架154的直线运动，从而实现机器人伸缩臂I部分的伸缩动作。伸缩臂II部分、伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分的结构与伸缩臂I部分相同，伸缩臂I部分与伸缩臂II部分分别固定安装于臂电机架152两侦牝并通过臂电机架152与机器人的伸缩机构I部分的臂连接架143固定连接。伸缩臂III部分与伸缩臂IV部分分别固定安装于臂电机架1124两侧，并通过臂电机架1124与机器人的伸缩机构II部分的臂连接架1125固定连接。根据上述固连关系，臂伸缩电机1151、臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作即可实现机器人各伸缩臂部分的伸缩动作。各臂伸缩电机配合工作即可实现机器人的支撑固定。另外，摩擦垫I1、摩擦垫1147、摩擦垫III20以及摩擦垫IV31的形状可以根据管道的形状进行选择，在图2中针对比较常见的圆形管道而选择的圆弧形摩擦垫，如果管道内壁是方形的可以选择使用长方体摩擦垫，特殊形状的管道可以根据管道形状进行定做摩擦垫。
[0027]结合图1，图2，对机器人的伸缩机构I部分进行详细说明。伸缩机构I部分由臂连接架143、伸缩电机140、伸缩电机架18、伸缩管连架17、伸缩丝杠16、外伸缩管14、外伸缩管1141、内伸缩管15、内伸缩管1142组成。臂连接架143与外伸缩管14、外伸缩管1141的外端固连，外伸缩管14、外伸缩管1141的另一端通过伸缩管连架17固连为一体。内伸缩管15、内伸缩管1142与伸缩电机140固定安装在伸缩电机架18上，内伸缩管15、内伸缩管1142采用滑动配合分别安装于外伸缩管14、外伸缩管1141内。伸缩丝杠16与伸缩管连架17采用螺纹传动配合方式安装，伸缩丝杠16并通过联轴器与伸缩电机140的输出轴固连。根据以上连接关系，伸缩电机140驱动伸缩丝杠16输出的回转运动即可转化为伸缩管连架17的直线运动，从而实现机器人伸缩机构I部分的伸缩动作。伸缩机构I部分通过臂连接架143与臂伸缩I部分的臂伸缩电机架152固定连接，并通过伸缩电机架18与中间连接机构的中心转架19固定连接。伸缩机构II部分的结构与伸缩机构I部分相同，伸缩机构II部分通过臂连接架1125与臂伸缩III部分的臂伸缩电机架1124固定连接，并通过伸缩电机架1112与中间连接机构的中心转架IIll固定连接。根据上述固连关系，伸缩电机1137工作即可实现伸缩机构II的部分的伸缩动作。根据上述固连关系，各伸缩电机配合工作即可实现机器人的整体伸缩动作。
[0028]结合图1，图2，图3，对机器人的中间连接机构进行详细说明。中间连接机构由中心转架19、中心转架1111、转向电机139、转向电机1138、中心十字轴10组成。中心十字轴10通过轴承固定安装于中心转架19与中心转架IIll中间，中心转架19与中心转架IIll通过中心十字轴10可以实现上下、左右两个方向上的二自由度转动。转向电机139固定安装于中心转架19上，并通过联轴器将转向电机139的输出轴与中心十字轴10的一端固连。转向电机1138固定安装于中心转架II11上，并通过联轴器将转向电机1138的输出轴与中心十字轴10的另一端固连。通过上述固连关系，转向电机139驱动中心转架IIll部分进行转动，转向电机1138驱动中心转架19部分进行转动。中间连接机构通过中心转架19、中心转架IIll分别与伸缩机构I部分的伸缩电机架18和伸缩机构II部分的伸缩电机架1112固定连接，通过上述固连关系，各转向电机配合工作即可实现机器人空间二自由度的转向动作。[0029]图4a_图4g，对机器人在管道58内实现前进攀爬的动作过程进行详细说明。首先，机器人进入管道58后，伸缩电机140、伸缩电机1137工作分别驱动机器人各伸缩机构部分收缩，将机器人机身收缩至最短，同时臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151、臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动机器人各伸缩臂部分伸出，使各摩擦垫与管道58内壁充分接触，并使机器人伸缩臂保持张紧状态，从而将机器人在管道58内壁指定位置固定。其次，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分收缩，将摩擦垫I1、摩擦垫1147收缩至适当位置。同时，伸缩电机140、伸缩电机1137工作分别驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分伸出，将机器人伸缩臂I部分和伸缩臂II部分伸出至最长状态。再次，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作分别驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分伸出至适当位置，使摩擦垫11、摩擦垫1147与管道58内壁充分接触，并使机器人伸缩臂I部分、伸缩臂II部分保持张紧状态，将机器人固定在管道58内壁上。然后，臂伸缩电机ΠΙ23、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分收缩，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31收缩至适当位置。同时伸缩电机140、伸缩电机1137工作驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分收缩至最短状态。最后，臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分伸出，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31伸出至适当位置，使摩擦垫11120、摩擦垫IV31与管道58内壁充分接触，并使机器人伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分保持张紧状态，将机器人固定在管道58内壁上。至此，机器人完成一个周期的前进攀爬动作，重复此动作即可实现机器人的直线式前进。
[0030]机器人在前进过程中遇到无法通过的障碍物时，可以通过后退动作实现原地后退，将机器人返回至初始位置或其他指定位置从而可以对通行管道58进行重新选择。
[0031]结合图4a_图5g，对机器人在管道58内实现后退攀爬的动作过程进行详细说明。首先，臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分收缩，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31收缩至适当位置。同时伸缩电机140、伸缩电机1137工作驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分伸出至最长状态。其次，臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分伸出，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31伸出至适当位置，使摩擦垫11120、摩擦垫IV31与管道58内壁充分接触，并使机器人伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分保持张紧状态，将机器人固定在管道58内壁上。然后，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分收缩，将摩擦垫
11、摩擦垫1147收缩至适当位置。同时，伸缩电机140、伸缩电机1137工作驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分收缩，将机器人伸缩臂I部分和伸缩臂II部分收缩至最短状态。最后，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作分别驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分伸出至适当位置，使摩擦垫11、摩擦垫1147与管道58内壁充分接触，并使机器人伸缩臂I部分、伸缩臂II部分保持张紧状态，将机器人固定在管道58内壁上。至此，机器人完成一个周期的后退攀爬动作，重复此动作即可实现机器人的直线式后退。
[0032]机器人在管道58内移动时遇到较小的障碍物，经过携带的传感器判断，可以通过机器人的收缩变形在不改变前进路线的情况下越过小障碍物59。
[0033]结合图6a_图6p，对机器人在前进过程中遇到小障碍物59时的动作过程进行详细说明。经机器人携带的传感器判断，小障碍物59在管道58内壁机器人的右侧，首先，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作分别驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分收缩，将摩擦垫I1、摩擦垫1147收缩至适当位置；臂伸缩电机III23工作驱动伸缩臂III部分收缩，与此同时，臂伸缩电机IV26工作驱动伸缩臂IV部分同速伸出，将机器人机身移动至靠近左侧的适当位置。其次，伸缩电机140、伸缩电机1137工作分别驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分伸出，将机器人伸缩臂I部分和伸缩臂II部分伸出至最长状态。再次，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作分别驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分伸出至适当位置，使摩擦垫11、摩擦垫1147与管道58内壁接触，并使机器人伸缩臂I部分、伸缩臂II部分保持张紧，将机器人固定在管道58内壁上。然后，臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分收缩，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31收缩至适当位置。同时伸缩电机140、伸缩电机1137工作驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分收缩至最短状态。最后，臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分伸出，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31伸出至适当位置，使摩擦垫11120、摩擦垫IV31与管道58内壁接触，并使机器人伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分保持张紧，将机器人固定在管道58内壁上。至此，机器人完成一个周期的越障攀爬动作，重复此动作直至机器人完全越过小障碍物59。最终，机器人在不改变前进路线的情况下实现越障通过。
[0034]机器人在通过弯道区域60时，总体分为两个动作过程:转弯动作过程和回正动作过程。
[0035]结合图7a-图7m，对机器人在通过弯道区域60时的转弯动作过程进行详细说明。首先，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分收缩，将摩擦垫I1、摩擦垫1147收缩至适当位置。同时，伸缩电机140、伸缩电机1137工作分别驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分伸出，将机器人伸缩臂I部分和伸缩臂II部分伸出至适当位置。其次，转向电机1138工作驱动机器人伸缩机构I部分及伸缩臂I部分和伸缩臂II部分向弯道区域60转弯的一侧转动合适的角度。再次，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作分别驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分伸出至适当位置，使摩擦垫I1、摩擦垫1147与弯道区域60内壁接触，并使机器人伸缩臂I部分、伸缩臂II部分保持张紧，将机器人固定在弯道区域60内壁上。然后，臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分收缩，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31收缩至适当位置，伸缩电机140、伸缩电机1137工作驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分收缩至适当位置。同时，转向电机II工作驱动伸缩机构II部分及伸缩臂III部分和伸缩臂IV部分转动至合适的位置。最后，臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分伸出，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31伸出至适当位置，使摩擦垫11120、摩擦垫IV31与弯道区域60内壁接触，并使机器人伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分保持张紧，将机器人固定在弯道区域60内壁上。至此，机器人完成一个周期的转弯攀爬动作，重复此动作直至机器人到达机身可以回正的位置。
[0036]在机器人完成转弯动作过程后，下一步进入回正动作过程。结合图8a_图8f，对机器人在通过弯道区域60时的回正动作过程进行详细说明。首先，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分收缩，将摩擦垫I1、摩擦垫1147收缩至适当位置。其次，伸缩电机140、伸缩电机1137工作分别驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分伸出，将机器人伸缩臂I部分和伸缩臂II部分伸出至适当位置。与此同时，转向电机1138工作驱动机器人伸缩机构I部分及伸缩臂I部分和伸缩臂II部分转动合适的角度，使机器人伸缩臂I部分和伸缩臂II部分回到与弯道区域60内壁垂直的状态。再次，臂伸缩电机153、臂伸缩电机1151工作分别驱动伸缩臂I部分、伸缩臂II部分伸出至适当位置，使摩擦垫I1、摩擦垫1147与弯道区域60内壁接触，并使机器人伸缩臂I部分、伸缩臂II部分保持张紧，将机器人固定在弯道区域60内壁上。然后，臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分收缩，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31收缩至适当位置，伸缩电机140、伸缩电机1137工作驱动机器人伸缩机构I部分、伸缩机构II部分收缩至最短状态。与此同时，转向电机II工作驱动伸缩机构II部分及伸缩臂III部分和伸缩臂IV部分随着伸缩电机的收缩逐渐向弯道相反的方向转动合适的角度,使机器人伸缩臂III部分和伸缩臂IV部分回到与弯道区域60内壁垂直的状态。最后，臂伸缩电机11123、臂伸缩电机IV26工作分别驱动伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分伸出，将摩擦垫11120、摩擦垫IV31伸出至适当位置，使摩擦垫11120、摩擦垫IV31与弯道区域60内壁接触，并使机器人伸缩臂III部分、伸缩臂IV部分保持张紧，将机器人固定在弯道区域60内壁上。至此，机器人完成在通过弯道区域60时的回正攀爬动作。最终，机器人完全通过弯道区域60，实现继续前进。
[0037]机器人可以进行多次转弯动作攀爬，在达到回正要求后，再进行回正攀爬动作，因此即使弯道区域60大小、形状不规则，机器人也可以完成转弯，实现继续前进。
【权利要求】
1.一种伸缩式管道内壁攀爬机器人，包括中间连接机构、四个伸缩臂和两个伸缩机构，其特征是: 所述伸缩臂包括摩擦垫、臂伸缩电机、臂伸缩电机架、臂伸缩管连架、臂伸缩丝杠、两个臂外伸缩管、两个臂内伸缩管，摩擦垫与两个臂外伸缩管的外端固连，两个臂外伸缩管的另一端通过臂伸缩管连架固连为一体，两个臂内伸缩管与臂伸缩电机固定安装在臂伸缩电机架上，两个臂内伸缩管采用滑动配合分别安装于臂外伸缩管内，臂伸缩丝杠与臂伸缩管连架采用螺纹传动配合方式安装，臂伸缩丝杠并通过联轴器与臂伸缩电机的输出轴固连； 所述伸缩机构由臂连接架、伸缩电机、伸缩电机架、伸缩管连架、伸缩丝杠、两个外伸缩管和两个内伸缩管，臂连接架与两个外伸缩管的一端固连，两个外伸缩管的另一端通过伸缩管连架固连为一体，两个内伸缩管与伸缩电机固定安装在伸缩电机架上，两个内伸缩管采用滑动配合分别安装于两个外伸缩管，伸缩丝杠与伸缩管连架采用螺纹传动配合方式安装，伸缩丝杠并通过联轴器与伸缩电机的输出轴固连； 所述中间连接机构包括中心转架1、中心转架I1、转向电机1、转向电机I1、中心十字轴，中心十字轴通过轴承固定安装于中心转架I与中心转架II中间，转向电机I固定安装于中心转架I上并通过联轴器将转向电机I的输出轴与中心十字轴的一端固连，转向电机II固定安装于中心转架II上并通过联轴器将转向电机II的输出轴与中心十字轴的另一端固连； 中间连接机构通过中心转架1、中心转架II分别与两个伸缩机构的伸缩电机架固定连接; 每个伸缩机构的臂连接架上固定连接一个伸缩臂的臂伸缩电机架，臂伸缩电机架上对称设置两个伸缩臂。
【文档编号】F16L55/32GK103615630SQ201310625043
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】赵丹, 王飞, 陈璐, 刘少刚, 舒海生, 高春晓, 赵明月, 鱼展, 梁磊 申请人:哈尔滨工程大学