一种基于流体和电机复合驱动的管道机器人的制作方法

本发明涉及一种复合驱动的管道机器人,具体为一种基于流体和电机复合驱动的管道机器人，属于管道机器人的结构设计领域。

背景技术：

随着工作时间的推移，石油、化工、给排水等领域的输送管道容易受到自然因素的影响而逐渐地发生老化，出现程度不一的腐蚀、裂纹、胀管等现象，这些现象不仅降低了管道输运效率，更严重地会引起火灾、辐射、爆炸等恶劣事故的发生。因此，定期地开展管道的检测、清理和维护工作对保障管道系统的安全和畅通运行具有极其重要的意义。然而，由于管道通常具有错综复杂的结构和恶劣的内部环境，检修人员很难在这样的环境条件下完成维护工作，应运而生的是管道机器人技术的发展。

管道机器人的能源供给方式有两种：有缆和无缆。对于有缆方式供给的管道机器人，主要问题是随着管道机器人行走距离的增加，缆线与管壁之间的摩擦阻力会逐渐加大，甚至达到机器人的牵引力无法克服的程度，这严重影响了管道机器人的最大行程；而无缆管道机器人采用自身携带电池的方式供电驱动，受限于电池容量、电池质量、机器人整体尺寸等因素的影响，机器人同样面临着行程有限的问题。此外，当机器人携带多个功能模块进行工作时，容易出现驱动力不足而滞留在管道内的现象。

本发明针对以上问题，设计了一种新型的复合驱动管道机器人，使其以流体驱动为主、电机驱动为辅，为其完成不同作业任务要求而搭载相应的控制、检测、定位等功能模块单元提供了可行性。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，针对石油、化工、给排水等管道检修维护工作，提供了一种基于流体和电机复合驱动的管道机器人，能够根据管道内流体的流动状况，采用以流体驱动为主、电机驱动为辅的驱动方式，使其具有行程距离长、牵引负载能力强的特点，独特的协调结构设计，保证了流体驱动和电机驱动集成在一起，相互协作地为机器人提供动力，同时也使机器人对管道接头、凹凸不平的局部障碍等具有自动适应及越障能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于流体和电机复合驱动的管道机器人，其特征在于由筒体、皮碗机构、节流机构、隔离板、驱动机构电机、电池、电机控制器、协调机构和支撑机构组成，所述的筒体一端封闭，另一端呈开口状，所述皮碗机构由环形的皮碗、环形的夹板ⅰ和环形的夹板ⅱ组成，皮碗的外径大于夹板ⅰ和夹板ⅱ的外径，皮碗的内径小于夹板ⅰ和夹板ⅱ的外径，皮碗夹持在夹板ⅰ和夹板ⅱ之间，夹板ⅰ和夹板ⅱ由销柱连接，销柱上套有预紧弹簧，所述筒体的开口端与皮碗机构中的夹板ⅰ或夹板ⅱ相连接，筒体内自开口端依次设有节流机构和电机驱动机构，所述的节流机构由节流板、节流弹簧和支撑板组成，节流板呈直径小于筒体ⅰ内径的圆形板，节流板经螺栓与支撑板相连接，节流板与支撑板间的螺栓上套有节流弹簧，节流机构经支撑板连接在筒体内，节流机构对应的筒体壁上设有泄流孔，隔离板设置远离皮碗机构的筒体内并与筒体的封闭端形成控制腔，隔离板一侧的控制腔内设有电机、电池和电机控制器，隔离板另一侧的筒体内设有所述驱动机构，驱动机构包括底座ⅰ、底座ⅱ、蜗轮、蜗杆、支架、同步带和主动轮组成，底座ⅰ与筒体的内壁相连接，蜗杆的一端经轴承支撑在底座ⅰ上，另一端与穿过隔离板的电机输出轴相连接，蜗杆与三个周向相隔120°分布的蜗轮相配合，每个蜗轮都经蜗轮轴由底座ⅱ支撑，底座ⅱ和底座ⅰ相连接，支架一端经销轴与支座ⅱ相连接，支架另一端经筒体上的支架孔伸出筒体并设有旋转轴，旋转轴上设有主动轮，支架可以相对支座ⅱ转动，蜗轮轴和旋转轴经同步带轮、同步带相连接，主动轮一侧的筒体外壁上设有协调机构，所述的协调机构由协调杆、协调支架、协调丝杆、协调弹簧、丝杆螺母ⅰ和丝杆螺母ⅱ组成，协调丝杆两端经协调支架呈与筒体轴线相同方向支撑在主动轮一侧的筒体外壁上，协调杆一端经滑套与协调丝杆相连接，协调杆经滑套相对协调丝杆可以移动，另一端与伸出筒体的支架相铰接，协调支架内的协调丝杆两端分别设有丝杆螺母ⅰ和丝杆螺母ⅱ，丝杆螺母ⅰ和丝杆螺母ⅱ间的协调丝杆上套有协调弹簧，所述的支撑机构是在筒体上设有支撑轮，支撑轮由销轴与支撑轮架相连接，支撑轮架与支撑轮座相连接，支撑轮座固定在筒体的外壁上，支撑轮座内设有弹簧，弹簧使支撑轮具有向管道内壁的预压力，在流体和电机复合驱动下，支撑轮沿管道内壁滚动使筒体在管道内移动。本发明所述的筒体至少由筒体ⅰ和筒体ⅱ组成，筒体ⅰ两端呈开口状，筒体ⅱ一端封闭，另一端呈开口状，筒体ⅰ一端经法兰与皮碗机构相连接，另一端经法兰与筒体ⅱ开口端和节流机构中的支撑板由螺栓相连接，螺栓上套有弹簧，筒体ⅰ的轴线与筒体ⅱ的轴线可相对形成一定夹角，以适用于弯曲的管道。

本发明所述的节流机构中的节流板与筒体ⅰ的内壁相配合，筒体壁上的泄流孔呈方形孔，泄流孔设置在节流板与支撑板间相对的筒体ⅰ的筒壁上，即泄流孔的宽度小于节流板与支撑板的间距。

本发明所述的隔离板的周边与筒体内壁密封连接，隔离板与筒体封闭端形成封闭的控制腔，电机输出轴或蜗杆穿过隔离板与蜗杆或电机输出轴相连接，隔离板与电机输出轴或蜗杆间设有密封装置，防止管道内的液体进入控制腔，以保证控制腔内的电池、控制器的工作状态，所述密封装置可以是密封圈，也可以是密封轴承。

本发明所述的支撑机构设置在筒体的前端部和后端部，筒体前端部和后端部分分别设有三个支撑机构，三个支撑机构间隔120度，支撑机构中的支撑轮架与支撑轮座的连接呈支杆、套管式连接，支撑轮座呈套管状，套管呈垂直状与筒体相连接，套管内设有弹簧，支杆一端插在套管内，另一端设有u形支架，支撑轮经销轴与u形支架相连接，弹簧使支撑轮具有向管道内壁的预压力，在流体和电机复合驱动下，支撑轮沿管道内壁滚动使筒体在管道内移动。

本发明专利的有益效果为：一是根据管内流体对机器人的液压推动力大小，通过调节协调结构可以使得主动轮与管道内壁压紧或分离，实现采用单一流体驱动还是流体与电机相结合的复合驱动方式，使机器人具有行程远、驱动力大的优点，为搭载相应的工作模块提供了可能性；二是通过预紧协调弹簧使得主动轮与管壁压紧，使得复合驱动状态下机器人具有越障与通过弯管的能力。

附图说明

附图是本发明的一种结构示意图，也是一种实施例的结构示意图。

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明中皮碗机构的结构示意图。

图3是图2的左视图。

图4是本发明中节流机构的结构示意图。

图5是本发明中驱动机构的结构示意图。

图6是本发明中驱动机体的安装示意图。

图7是图6的左视图。

图8是本发明中协调机构的结构示意图。

图中标记：皮碗机构（1）、螺栓（2）、电机驱动机构（3）、协调机构（4）、支撑机构（5）、筒体ⅰ（6）、泄流孔（7）、节流机构（8）、筒体ⅱ（9）、紧固螺母（10）、密封圈（11）、封板（12）、电机控制器（13）、电机（14）、电池（15）、隔离板（16）、夹板ⅰ（101）、皮碗（102）、夹板ⅱ（103）、销柱（104）、开口销（105）、预紧弹簧（106）、通孔（107）、蜗轮（301）、蜗杆（302）、同步带（303）、支架（304）、主动轮（305）、底座ⅰ（306）、底座ⅱ（307）、协调杆(401)、协调弹簧（402）、协调丝杆（403）、丝杠螺母ⅰ（404）、丝杠螺母ⅱ（405）、支撑轮（501）、支撑轮架（502）、支撑轮座（503）、支撑弹簧（504）、节流板（801）、节流弹簧（802）、支撑板（803）。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步的阐述。

一种基于流体和电机复合驱动的管道机器人，由筒体、皮碗机构、节流机构、隔离板、驱动机构、电机、电池、控制器、协调机构和支撑机构组成，筒体一端封闭，另一端呈开口状，所述的筒体至少由两节组成，节与节间采用法兰相连接，以方便装配和适应工作的管道弯曲，一般情况筒体由筒体ⅰ和筒体ⅱ组成，筒体ⅰ两端呈开口状并设法兰，筒体ⅱ一端封闭，另一端呈开口状并设有法兰，所述皮碗机构由环形的皮碗、环形的夹板ⅰ和环形的夹板ⅱ组成，皮碗的外径大于夹板ⅰ和夹板ⅱ的外径，以与管道的内壁相配合，阻止管道内的液体由管道内壁与皮碗外径间流动，使管道内的液体由皮碗内环进入筒体，皮碗的内径小于夹板ⅰ和夹板ⅱ的外径，皮碗夹持在夹板ⅰ和夹板ⅱ之间，夹板ⅰ和夹板ⅱ由销柱连接，销柱上套有预紧弹簧，销柱两端部设有锁孔，锁孔内插有开口销，以防止销柱窜动，所述筒体的开口端与皮碗机构中的夹板ⅰ或夹板ⅱ相连接，筒体ⅰ一般采用法兰与皮碗机构相连接，筒体内自开口端依次设有节流机构和电机驱动机构，一般在筒体ⅰ内设有节流机构，节流机构与筒体ⅰ的内壁相配合，筒体ⅱ内设有驱动机构，所述的节流机构由节流板、节流弹簧和支撑板组成，节流板呈直径小于筒体ⅰ内径的圆形板，节流板经螺栓与支撑板相连接，节流板与支撑板间的螺栓上套有节流弹簧，节流机构经支撑板连接在筒体内，节流机构对应的筒体壁上设有泄流孔，泄流孔呈方形孔，泄流孔设置在节流板与支撑板间相对的筒体ⅰ的筒壁上，即泄流孔的宽度小于节流板与支撑板的间距，隔离板设置远离皮碗机构的筒体内并与筒体的封闭端形成控制腔，一般情况隔离板的周边与筒体内壁密封连接，隔离板与筒体封闭端形成封闭的控制腔，隔离板一侧的控制腔内设有电机、电池和电机控制器，隔离板另一侧的筒体内设有所述驱动机构，驱动机构包括底座ⅰ、底座ⅱ、蜗轮、蜗杆、支架、同步带、同步带轮和主动轮组成，底座ⅰ一般经法兰与筒体相连接，蜗杆的一端经轴承支撑在底座ⅰ上，另一端与穿过隔离板的电机输出轴相连接或与穿过隔离板的蜗杆轴相连接，蜗杆与三个周向相隔120°分布的蜗轮相配合，每个蜗轮都经蜗轮轴由底座ⅱ支撑，底座ⅱ为夹角呈120度的支撑板，蜗轮轴两端分别经轴承或轴套与支撑板相连接，底座ⅱ经螺栓与底座ⅰ相连接，支架前端经销轴与支座ⅱ相连接，支架呈h形，支架前端设有两个支腿，每个支腿上设有呈u形的分支架（如图5所示），分支架经销轴与l形的支撑板相连接，支架可以相对支座ⅱ转动，支架另一端经筒体上的支架孔伸出筒体并设有旋转轴，旋转轴的轴线与蜗轮轴线相平行，蜗轮轴和旋转轴上分别设有同步带轮，旋转轴上还设有主动轮，蜗轮轴和旋转轴经同步带轮、同步带相连接，电机通过蜗杆带动蜗轮、蜗轮轴旋转，蜗轮轴经同步带轮、同步带带动旋转轴旋转，旋转轴带动主动轮旋转，主动轮旋转与管道内壁产生摩擦力，以驱动筒体在管道内移动，所述的电机输出轴或蜗杆穿过隔离板与蜗杆或电机输出轴相连接，隔离板与电机输出轴或蜗杆间设有密封装置，防止管道内的液体进入控制腔，以保证控制腔内的电池、控制器的工作状态，所述密封装置可以是密封圈，也可以是密封轴承，主动轮一侧的筒体外壁上设有协调机构，所述的协调机构由协调杆、协调支架、协调丝杆、协调弹簧、丝杆螺母ⅰ和丝杆螺母ⅱ组成，协调支架由前协调支架和后协调支架组成，协调丝杆两端经协调支架呈与筒体轴线相同方向支撑在主动轮一侧的筒体外壁上，协调杆一端经滑套与丝杆相连接，协调杆相对协调丝杆可以移动，另一端与伸出筒体的支架相铰接，前协调支架和后协调支架内的协调丝杆两端分别设有丝杆螺母ⅰ和丝杆螺母ⅱ，丝杆螺母ⅰ和丝杆螺母ⅱ间的协调丝杆上套有协调弹簧和滑套，所述的支撑机构是在筒体上设有支撑轮，支撑轮由销轴与支撑轮架相连接，支撑轮架与支撑轮座相连接，支撑轮座固定在筒体的外壁上，支撑轮座内设有弹簧，弹簧使支撑轮具有向管道内壁的预压力，在流体和电机复合驱动下，支撑轮沿管道内壁滚动使筒体在管道内移动，所述的支撑机构设置在筒体的前端部和后端部，筒体前端部和后端部分分别设有三个支撑机构，三个支撑机构间隔120度，支撑机构中的支撑轮架与支撑轮座的连接呈支杆、套管式连接，支撑轮座呈套管状，套管呈垂直状与筒体相连接，套管内设有弹簧，支杆一端插在套管内，另一端设有u形支架，支撑轮经销轴与u形支架相连接。

本发明可根据管内流体对机器人的液压推动力大小，通过调节协调结构可以使得主动轮与管道内壁压紧或分离，实现采用单一流体驱动还是流体与电机相结合的复合驱动方式，使机器人具有行程远、驱动力大的优点，为搭载相应的工作模块提供了可能性；还可通过预紧协调弹簧使得主动轮与管壁压紧，使得复合驱动状态下机器人具有越障与通过弯管的能力。

实施例：

如图1所示，本发明主要由皮碗机构(1)、筒体ⅰ(6)、节流机构(8)、支撑轮架(5)、螺栓(2)、电机驱动机构(3)、协调机构(4)等部件组成；螺栓(2)连接筒体ⅰ(6)和筒体ⅱ(9)的法兰盘；筒体ⅱ（9）内部有密封腔，固定有电机（14）、电池（15）和电机控制器（13）。

如图1、图2和图3所示，皮碗机构(1)固定在筒体ⅰ(6)的端部，皮碗机构(1)主要由皮碗(102)、夹板ⅰ(101)、夹板ⅱ(103)、销柱(104)、开口销(105)和预紧弹簧(106)组成，夹板ⅰ（101）和夹板ⅱ（103）之间由销柱（104）连接，两板外侧由开口销（105）进行位置限定，销柱上面套有预紧弹簧（106），皮碗（102）放置在两夹板之间；筒体ⅰ（6）内部中通，两端为法兰盘结构，在远离皮碗机构（1）的筒体上开有四个相隔90°分布的泄流孔（7）。

如图1和图4所示，节流机构(8)放置在筒体ⅰ(6)内部，主要由节流板（801）、节流弹簧(802)和支撑板(803)组成，支撑板（801）与筒体ⅰ（6）端部的法兰盘相接，节流板（801）与支撑板（803）之间通过节流弹簧（802）相连。

如图5所示，电机驱动机构(3)主要由蜗轮(301)、蜗杆(302)、同步带(303)、支架(304)、主动轮(305)、底座ⅰ(306)和底座ⅱ(307)组成，蜗杆（301）的一端支撑在底座ⅰ（306）上，并于三个周向相隔120°分布的蜗轮（301）相配合，每个蜗轮（301）都由相邻的底座ⅱ（307）支撑，底座ⅰ（306）和底座ⅱ（307）之间通过螺钉连接，支架（304）与支座ⅱ（307）相接，并且可以相对支座ⅱ（307）转动，同步带（303）的两端分别与蜗轮（301）和主动轮（305）所在轴上的同步带轮相接。

如图8所示，协调机构（4）主要由协调杆（401）、协调弹簧（402）、丝杆螺母ⅰ（404）、丝杆螺母ⅱ（405）和协调丝杆（403）组成，所述协调结构（4）的一端与两根支架(304)相接，可以相对支架(304)转动，其另一端分别与丝杆螺母ⅱ(405)和协调弹簧(402)相接，可沿着协调丝杆(403)滑动，协调丝杆(403)固定在筒体ⅱ（9）的外表面，其上有与其配合的丝杆螺母ⅰ（404）和丝杆螺母ⅱ（405）。

如图6和图7所示，支撑机构（5）由支撑轮（501）、支撑轮架（502）、支撑轮座（503）和支撑弹簧（504）组成，支撑弹簧（504）的上端与支撑轮架(502)底部接触，支撑轮架(502)的底部可以沿着支撑轮座(503)内表面移动。

本发明的工作原理：将机器人通过特定的管路支口放入到管道内，流体对夹板ⅰ（101）有液压力的作用，推动管道机器人前进，同时夹板ⅰ（101）向夹板ⅱ（103）靠近，并对预紧弹簧（106）和皮碗（102）有力的作用，使得预紧弹簧(106)和皮碗(102)压缩变形，皮碗(102)的径向扩张，变形后的皮碗(102)可以贴合管道内壁，增大了液压力对管道机器人的作用面积。流体从皮碗机构（1）上的通孔（107）进入筒ⅰ（6），对节流板（801）施加液压力，使节流板（801）压缩节流弹簧（802）并向支撑板（803）靠近,同时节流板（801）与泄流孔（7）形成一个开口,允许流体沿开口继续向前流出机器人，由此节流机构（1）实现对机器人流体驱动时的速度控制，使机器人的流体驱动速度趋于平稳。

当流体对机器人的液压推动力较小时，管道机器人采用流体驱动和电机驱动相结合的复合驱动方式，即由电池（15）对电机（14）进行供电，电机控制器（13）控制电机（14）的转速，电机（14）先将扭矩传递给蜗杆（302），然后蜗杆（302）与三个蜗轮（301）相互啮合并通过三个同步带（303）将运动分别传递到三个主动轮（305），通过主动轮（305）与管内壁之间的摩擦推动管道机器人前进。

协调机构（4）可以避免流体驱动与电机驱动之间相互干扰。如图5所示，当流体液压力较大时，仅用流体驱动足够为管道机器人提供动力，此时旋拧丝杆螺母ⅱ（405），使丝杆螺母ⅱ（405）压缩协调弹簧（402）并推动协调杆（401）沿着协调丝杆（403）向丝杆螺母ⅰ（404）方向移动，支架（304）顺时针转动一个角度使机器人在管内运行时主动轮（305）与管道内壁不接触，实现电机驱动不会干扰流体驱动；当流体液压力较小时，需要电机驱动为机器人提供一定的动力，首先将丝杆螺母ⅱ（405）旋拧到协调丝杆（403）的最左端，然后通过向左旋拧丝杆螺母ⅰ（404），使协调弹簧（402）具有一定得预紧力，预紧力通过协调杆（401）及支架（304）使主动轮（305）与管内壁接触，这种预紧方式属于一种柔性预紧，为机器人遇到障碍或管径变化时实现柔性调节。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。