一种蠕动式管道驱动行走机构的制作方法

本发明涉及一种蠕动式管道驱动行走机构。

背景技术

当前在工农业，能源和民用建筑中，存在着各种各样的功能不同的，规格不同的管道。例如：油气管道、通风管道、排水管道等。目前长时间使用的管道需要清理、检测维修时，大多数采用先关闭相关，打开阀门或者管道，人工进行清理或者确定需要维修的位置。然而那些所处环境危险的管道是人工作业难以完成的。这就需要管道机器人对管道进行检测维修或者疏通清理。管道机器人是管道驱动行走机构和其控制系统的统称。根据作业需求国内外研制了多种管道机器人，基于机械机构的不同将管道机器人分为七大类。主要有：流体驱动式管道机器人、车轮式管道机器人、支撑轮式管道机器人、履带式管道机器人、足式管道机器人、螺旋式管道机器人、蠕动式管道机器人。目前，国内外在研制管道机器人的过程中遇到了诸多问题，问题之一就是：极限狭长空间的大拖动力问题。由于管道机器人需要运载作业装置或者拖缆，因此需要有足够的拖动力。这就需要研制不同的驱动行走机构来机器人对大拖动力的要求。针对极限空间大拖动力问题，本文发明了一种新型的蠕动式管道驱动行走机构，采用液压驱动。驱动机构采用传动效率较高的不完全齿轮齿条机构。与以往的蠕动式管道驱动行走机构相比，结构相对简单且能够实现较大的拖动力。

技术实现要素：

本发明提出了一种新型的管道驱动行走机构，其行走机理受滑雪运动的启发，行走方式属于蠕动式。但是其行走方式有别于以往的蠕动式管道驱动行走机构的后部推动前部、前部拖动后部的运动方式。该管道驱动行走机构是由曲柄摇杆机构和不完全齿轮齿条机构组合而成的。不完全齿轮齿条机构由两个齿条和4个不完全齿轮组成，两个齿条交替往复运动驱动4个不完全齿轮同时转动。曲柄摇杆机构与行走足相连，同侧的两个曲柄摇杆机构连接在同一个行走足上，又形成了平行四边形法则，能够使行走足的接触面始终保持平动，能够与管壁紧密贴合，行走足间歇的与管壁接触，实现蠕动式行走。该驱动行走机构的驱动机构采用不完全齿轮齿条机构，未见在报道中有应用该机构做为驱动机构。动力由液压缸提供，能够实现更大的驱动力，为解决管道驱动行走机构实现大拖动力的问题提供了新思路。

本发明的技术方案是：该种蠕动式管道驱动行走机构，具有机体，机体上开有纵向2条长方形槽，呈180°沿机体周向地分布；在机体中安装有齿条左支承部件和右支承部件以及行走驱动单元；所述驱动行走机构还包括有位于机体外的辅助足单元，以及行走足，以及弹性连杆结构。

其中，所述辅助足单元包括辅助轮、辅助轮连接轴、辅助轮支架杆、辅助轮支架杆连接轴、辅助轮第一弹簧连接销和辅助轮第二弹簧连接销、辅助轮弹簧、辅助轮支架和辅助支架连接螺钉；所述辅助轮通过辅助轮连接轴铰接到辅助轮支架杆上；所述辅助轮弹簧分别通过辅助轮第一弹簧连接销和辅助轮第二弹簧连接销铰接到辅助轮支架杆和辅助轮支架上；所述辅助轮支架杆通过辅助轮支架杆连接轴铰接到辅助轮支架上；所述辅助轮支架由辅助轮支架连接螺钉固接到机体外表面上；所述的辅助足单元前后有2组，沿机体外120°均匀分布在机体外表面上。

所述弹性连杆结构包括压簧座、压簧、压簧帽、行走足连接销和连杆；所述连杆穿过压簧座底部的孔与压簧接触；所述弹性连杆压簧安装在压簧座和压簧帽的空间内，压簧座和压簧帽螺纹连接；所述行走足通过行走足连接销铰接在压簧帽端部；所述弹性连杆结构有2组，每组2个，与机体上开有的成180°均匀分布的2条纵向长方形槽同方位分布。

所述行走驱动单元包括连杆、滑块、连杆连接轴、不完全齿轮、不完全齿轮连接轴、滑动轴承、第一齿条、第二齿条、齿轮轴固定架、齿条左支撑部件和齿条右支撑部件、液压缸第一固定部件和液压缸第二固定部件、机体端盖连接螺钉和机体端盖；其中，所述连杆穿过滑块上的通孔，通过连杆连接轴铰接到不完全齿轮上；连杆和滑块组成移动副；所述不完全齿轮通过滑动轴承安装在不完全齿轮连接轴；不完全齿轮与不完全齿轮连接轴组成转动副；所述不完全齿轮连接轴安装在齿轮轴固定架上；所述齿轮轴固定架安装在齿条左支撑部件和齿条右支撑部件上；所述不完全齿轮与第一齿条和第二齿条交替啮合；所述第一齿条中间部位开有导槽，第二齿条上有导轨；第二齿条可以在第一齿条的导槽中滑动；所述第一齿条、第二齿条穿过齿条左支撑部件和齿条右支撑部件与液压缸连接；所述液压缸通过液压缸连接螺钉固定在液压缸固定部件上。

所述的行走驱动单元共有2组，每组2个，与机体上开有的成180°均匀分布的2条纵向长方形槽同方位分布。

本发明具有如下有益效果：本发明所提出的蠕动式管道驱动行走机构将不完全齿轮齿条换向机构应用到驱动机构中，不完全齿轮齿条机构的传动效率较高。不完全齿轮齿条换向机构将齿条的往复运动转换成不完全齿轮回转运动，不完全齿轮就相当于曲柄摇杆中的曲柄。齿条的往复运动由液压缸活塞的往复直线运动提供，且液压缸提供的推力较大，能提供足够大的驱动力，使该管道驱动行走机构能够实现足够大的拖动力。

下面进行详细说明：

首先，本管道驱动行走机构在机构构型上具有创新性，丰富了管道机器人机构学的内容，具有较重要的理论意义。

其次，该管道驱动行走机构拥有蠕动式管道驱动行走机构的优点，即行走足与管壁的接触面积较大，对管壁的损伤较小。且每个行走足与曲柄摇杆机构相连接构成了平行四边形机构，使行走足始终保持平动，从而与管壁充分接触，接触面积较大。

再次，该管道驱动行走机构创新性的应用了不完全齿轮齿条换向机构作为驱动机构。在以往的不完全齿轮齿条机构中，一般不完全齿轮为主动，但是在该管道驱动行走机构的不完全齿轮齿条机构中采用齿条驱动不完全齿轮转动。齿条由液压缸驱动，将齿条的直线往复运动转换成不完全齿轮的回转运动。且在该不完全齿轮齿条换向机构中是两个齿条交替驱动四个不完全齿轮同时转动。

然后，该管道驱动行走机构中与行走足相连接的连杆是弹性连杆，因此行走足与管壁之间是弹性接触。由于行走足与管壁接触是弹性的，从而使管道驱动行走机构在管道内行走时，有一定的管径适应能力和越障能力。

最后，采用了辅助足单元，由于该管道驱动行走机构的行走方式的特殊性，即行走足与管壁是间歇接触的。当行走足不与管壁接触时，机体靠辅助足支撑在管壁内。另一方面，辅助足能使机体的轴线与管道的轴线方向相同，使管道驱动行走机构行走平稳。

综上所述，本发明提出的一种新型的管道驱动行走机构，采用了一种型的驱动机构，即不完全齿轮齿条换向机构，还未见有报道将该机构应用到管道驱动行走机构中。创新性的将不完全齿轮齿条换向机构应用到管道驱动行走机构中，为该领域的研究人员提供了新思路。且齿条的往复运动是由液压缸驱动的，液压缸能够提供较大的驱动力，从而使该管道驱动行走机构能够实现较大的拖动力。以往的蠕动式管道驱动行走机构的结构较复杂，但是本发明的结构简单且能够实现足够大的拖动力。

附图说明：

图1是本种蠕动式管道驱动行走机构结构图。

图2是本种蠕动式管道驱动行走机构三维拆分图。

图3是本种蠕动式管道驱动行走机构中行走驱动单元的结构图。

图4是本种蠕动式管道驱动行走机构中行走驱动单元的三维拆分图。

图5是本种蠕动式管道驱动行走机构不完全齿轮齿条机构拆分图。

图6、图7、图8和图9是不完全齿轮齿条换向机构运动过程的介绍图。

图中1-机体，2-辅助足单元，3-行走足，4-弹性连杆结构，5-行走驱动单元，6-辅助轮，7-辅助轮连接轴，8-辅助轮支架杆，9-辅助轮支架杆连接轴，10-辅助轮第一弹簧连接销，11-辅助轮弹簧，12-辅助轮第二弹簧连接销，13-辅助轮支架，14-辅助轮支架连接螺钉，15-压簧座，16-压簧，17-压簧帽，18-弹性连杆弹簧，19-连杆，20-滑块，21-连杆连接销，22-不完全齿轮，23-不完全齿轮连接轴，24-滑动轴承，25-第一齿条，26-第二齿条，27-齿轮轴固定架，28-齿条左支撑部件，29-液压缸第一固定部件，30-液压缸，31-液压缸连接螺钉，32-液压缸固定部件连接螺钉，33-齿条支撑部件连接螺钉，34-液压缸第二固定部件，35-齿条右支撑部件，36-机体端盖连接螺钉，37-机体端盖。

具体实施方式：下面结合附图对本发明作进一步说明。

首先，结合附图，对本发明所述的一种蠕动式管道驱动行走机构作整体描述：如图1所示，结合图３、图4，本种管道驱动行走机构，具有机体1，机体上开有纵向2条长方形槽，呈180°均匀地分布。在机体中放置有行走驱动单元5，以及齿条支撑部件28和35，液压缸固定部件29和24。机体1的主要作用是起到连接其它各部分以及安装其它部件的作用。此外，该管道驱动行走机构主要包括辅助足单元2、弹性连杆结构4、以及行走足3。所述的行走足3铰接在两个弹性连杆结构4上，组成了平行四边形机构，由行走驱动单元5驱动，使行走足3始终做平动，间歇与管壁接触。机体1依靠行走足3与管壁形成的静摩擦力蠕动式行走。下面分别对这些单元的构成以及工作原理进行说明。

首先，介绍辅助足单元2，如图2所示。所述辅助足单元2由辅助轮6、辅助轮连接轴7、辅助轮支架杆8、辅助轮支架杆连接轴9、辅助轮弹簧连接销10和12、辅助轮弹簧11、辅助轮支架13、辅助轮支架连接螺钉14等构成。前后有2组辅助足单元，每组有3个辅助足单元2，120度均匀分布在机体1的外表面上；所述辅助轮6通过辅助轮连接轴7铰接到辅助轮支架杆8上；所述辅助轮弹簧11分别通过辅助轮弹簧连接销10和12铰接到辅助轮支架杆8和辅助轮支架13上；所述辅助轮支架杆8通过辅助轮支架杆连接轴9铰接到辅助轮支架13上；所述辅助轮支架13由辅助轮支架连接螺钉14固接到机体1外表面上；所述辅助足单元2在行走足3不与管壁接触时，将机体1支撑在管道内。因为所述辅助足单元2呈120°分布在机体外表面上，使机体处于轴对称状态，运动平稳。所述辅助足单元2采用弹性结构，使本种管道驱动行走机构与管壁弹性接触，当该管道驱动行走机构在管道内行走过程中遇到凸起或凹陷时，不至于被卡死。

其次，介绍弹性连杆结构4，如图2所示。所述弹性连杆结构4由压簧座15、压簧16、压簧帽17、行走足连接销18、连杆19等构成；所述连杆19穿过压簧座15底部的孔。所述压簧18安装在压簧座15和压簧帽17的空间内，压簧16一端与连杆19的凸台接触，另一端与压簧帽17内部接触，压簧座15和压簧帽17螺纹连接；所述弹性连杆结构4有2组，每组2个，与机体上开有的成180°均匀分布的2条纵向长方形槽同方位分布。所述的行走足3通过行走足连接销18铰接在压簧帽17端部。行走足共有2个，皆是做平动，间歇地与管内壁接触。所述的压簧16的刚度由管道驱动行走机构所需拖动力确定。弹性连杆结构4使行走足3与管壁接触时是弹性的，当管道内凸起或凹陷时也能保证该管道驱动行走机构顺利通过，使其具有一定的越障能力和管径适应能力。

再之，介绍行走驱动单元5，参见图3、图4、图5。所述的行走驱动单元5由连杆19、滑块20、连杆连接轴21、不完全齿轮22、不完全齿轮连接轴23、滑动轴承24、第一齿条25、第二齿条26、齿轮轴固定架27、齿条左右支撑部件28和35、液压缸第一、第二固定部件29和34、液压缸30等组成；机体1上开有纵向2条长条形槽，成180°均匀地分布；所述滑块20通过自身结构销轴与机体上的滑块连接部件铰接；所述滑块20与机体1构成转动副。所述连杆19穿过滑块20的孔，一端通过连杆连接轴与不完全齿轮22铰接，另一端带有凸台部分与压簧16接触；所述连杆19与滑块20构成移动副。所述不完全齿轮22通过不完全齿轮连接轴23铰接在齿轮轴固定架27上；所述齿轮轴固定架27固接在机体1上；所述不完全齿轮22通过连杆连接轴21与连杆19铰接；所述不完全齿轮22与齿轮轴固定架27构成转动副，与连杆19也构成转动副；所述不完全齿轮22、连杆19、滑块20、机体1构成了曲柄摇杆机构。所述第一齿条25中间部位带有导槽，第二齿条26上带有导轨，第二齿条26的导轨可以在第一齿条25的导槽内滑动；所述第一齿条25和第二齿条26构成移动副；所述第一齿条25、第二齿条26安装在齿条支部件28和35上；所述第一齿条25、第二齿条26通过接触与四个不完全齿轮22啮合；所述第一齿条25、第二齿条26与液压缸30的活塞杆相连接，由液压缸驱动往复运动；所述的第一齿条25、第二齿条26通过接触，交替与四个不完全齿轮22啮合，构成了不完全齿轮齿条换向机构，将直线往复运动转化成回转运动。所述的行走驱动单元共有2组，每组2个，与机体上开有的成180°均匀分布的2条纵向长方形槽同方位分布。所述第一齿条25、第二齿条26交替与四个不完全齿轮啮合，使其同时转动，通过上述的行走驱动单元5使行走足3做平动。

所述不完全齿轮22、连杆19、滑块20、机体1构成了曲柄摇杆机构。

所述的第一齿条25、第二齿条26通过接触，交替与四个不完全齿轮22啮合，构成了不完全齿轮齿条换向机构，将直线往复运动转化成回转运动。

下面，首先介绍不完全齿轮齿条换向机构的运动过程：

参见图6、图7、图8和图9，第一齿条25、第二齿条26由液压缸驱动往复直线运动。第一齿条25、第二齿条26交替与四个不完全齿轮22啮合，驱动其回转运动，运动的一个周期可以分为四个阶段。

第一阶段：参见图6，图示为齿轮齿条的初始位置，此时第一齿条25向右运动，即推程，带动上侧2个不完全齿轮顺时针转动，下侧2个不完全齿轮逆时针转动。

第二阶段：参见图7，在第一齿条25推程的同时，第二齿条26快速回程，回到右止点，等待啮合

第三阶段：参见图8，第一齿条25在运动了一个行程的距离后，不完全齿轮22的末齿将与第一齿条脱离啮合，首齿进入与第二齿条26啮合的啮入点。

第四阶段：参见图9，首先第一齿条25停止，第二齿条26向左运动，即推程，带动四个不完全齿轮22继续转动。然后第一齿条25快速回程，回到左止点，即初始位置，等待不完全齿轮首齿进入啮合。

然后介绍本种蠕动式管道驱动行走机构的工作过程。参见图1、图3，不完全齿轮22由齿条25和26驱动转动，不完全齿轮22驱动曲柄摇杆机构运动。同侧的两组曲柄摇杆机构通过弹性连杆结构4连接在同一个行走足3上，使行走足平动，间歇管壁接触，使机体蠕动式前进。具体工作过程分为四个阶段：

第一阶段：行走足3未与管壁接触，机体靠辅助轮6支撑与管道内，此时机体1不向前行走，处于停止状态。

第二阶段：行走足3刚与管壁接触，将要与管壁之间产生作用力。随着不完全齿轮22的转动，连杆19上的压簧16被压缩，行走足3与管壁之间产生足够大的正压力，行走足3相对于管壁静止。当不完全齿轮22继续转动时，将会驱动机体前进。

第三阶段：连杆19处与竖直状态，此时行走足3与管壁之间的压力达到最大值，压簧的压缩量也达到最大值。

第四阶段：不完全齿轮22转过一定角度，机体前进了一定距离。此时行走足22将要与管壁脱离接触。行走足与管壁之间的作用力逐渐减小，直到消失为零。当不完全齿轮22继续转动时，将会回到第一阶段。此后将重复上述过程。

本发明所提出的一种蠕动式管道驱动行走机构，可应用于φ300-φ400mm管道内。创新性的将不完全齿轮齿条机构应用到行走驱动单元中，具有很大的创新意义，为该领域的研究人员提供了新思路。不完全齿轮齿条机构的传动效率较高，能量损耗较少。此外齿条是由液压缸驱动的，能够提供足够大的驱动力，从而使该管道驱动行走机构能够实现足够大的拖动力。该管道驱动行走机构与管壁之间是弹性接触，具有一定的越障能力和管径适应能力，有很高的实际应用价值。