本实用新型涉及管道机器人领域，尤其一种基于棘轮的液压驱动双向式蠕动行走机构。
背景技术：
管道机器人是一种可在管道中行走的机械装置，工作在错综复杂的地下管道中，用于完成管道的检测和维修，是保障管道正常运作的重要工具。但是管道一般都埋在地下或建筑物中，内部结构复杂，内径大小不一，很难靠人工维护，因此管道机器人应运而生。这不仅提高了管道检修的准确性和效率性，还为管道维护节省了大量的经费资源问题，降低了管道维护的成本。因此，针对管道机器人的研究具有重要的科学意义和经济效益。
目前，社会各界人士对管道机器人进行了研究，但都存在着机器人结构复杂、可靠性不高、运行效率低等问题，很少能解决机器人管道内转向的难题，很大程度上限制了管道机器人的发展。如何改进结构，使管道机器人能够克服上述问题，成为行业内关注研究的新课题。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种能够在直管道和弯曲幅度较小的弯管道内可实现双向行走的双向式蠕动行走机构。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种基于棘轮的液压驱动双向式蠕动行走机构，其特征在于：包括顺次配置的前机身、驱动组件、后机身；
驱动组件为液压驱动组件，包括双向式液压缸和液压回路，双向式液压缸内设双活塞，缸套两端各活动伸出的一根活塞杆，活塞杆头部均为球形，分别活动装入前机身和后机身上的球形连接槽内；位于双活塞之间缸套上的油路开口作为进(出)油口、缸套两端的油路开口作为出(进)油口与液压回路相连，从而形成对前机身和后机身的反向液压驱动；
前机身和后机身上分别设有单向行走组件，单向行走组件包括V形支架，V形支架的“V”字形底端转动安装于前机身/后机身的外周上，其两个“V”字形顶端分别转动安装能够绕自身轴向单向转动的顺时针单向行走棘轮和逆时针单向行走棘轮；
前机身和后机身相背一端上分别设有换向组件，包括液压缸，条形连接件一端转动安装在液压缸的活塞杆上，另一端转动安装在V形支架的一条“V”形侧边上，
液压缸驱动其活塞杆伸缩时，能够带动V形支架绕其“V”字形顶端转动，从而改变顺时针单向行走棘轮/逆时针单向行走棘轮的位置，使顺时针单向行走棘轮处于工作位/待机位，同时逆时针单向行走棘轮处于待机位/工作位；
前机身和后机身外周上还向外分别伸出弹簧支撑轮组件，包括橡胶支撑轮、支撑板、U形支撑腿和弹簧，U形支撑腿的“U”形底部转动安装在前机身和后机身外周上，两个顶端上转动安装橡胶支撑轮；在U形支撑腿转动方向的前侧或者后侧固设支撑板，弹簧两端分别被固定在U形支撑腿和支撑板上，橡胶支撑轮既能够绕自身轴向转动，也能够在受力时随U形支撑腿转动。
驱动组件和换向组件按以下方式动作，实现所述机器人在管道中的双向行走：
初始状态时，机器人位于横向配置的管道内部，前机身和后机身分别位于驱动组件的左右两侧；
左移：换向组件使顺时针单向行走棘轮处于工作位，接触管道内壁，而逆时针单向行走棘轮处于待机位，不接触管道内壁；驱动组件的双向式液压缸同时向外伸出时，机器人的前机身和后机身同时受到相反的推力；此时，前机身上的顺时针单向行走棘轮能够转动，而后机身上的顺时针单向行走棘轮则处于自锁状态，即机器人的后机身不动，前机身可以向左运动；当驱动组件的双向式液压缸时向内收缩时，机器人的前机身和后机身同时受到向内的拉力；此时，前机身上的顺时针单向行走棘轮处于自锁状态，而后机身上的棘轮则可以转动，即机器人的前机身不动，后机身可以向左运动，如此反复，实现机器人自右向左的单向行走；
右移：换向组件换向，使逆时针单向行走棘轮处于工作位，接触管道内壁，而顺时针单向行走棘轮处于待机位，不接触管道内壁；驱动组件的双向式液压缸同时向外伸出时，机器人的前机身不动，后机身可以向右运动；当驱动组件的双向式液压缸同时向内收缩时，机器人的后机身不动，前机身可以向右运动，如此反复，实现机器人自左向右的单向行走。
驱动组件和换向组件按以下方式动作，实现所述机器人在管道中的转向：
初始状态时，机器人位于横向配置的管道内部，前机身和后机身分别位于驱动组件的左右两侧，行走方向为自左向右，行进前方位置的管道向下转弯；
内侧逆时针单向行走棘轮接触管道内壁，由于球形连接槽和双向式液压缸的活塞杆头部为球形转动连接，使驱动组件与前机身、后机身之间形成万向连接机构，根据管道的弯曲情况，驱动组件与前机身、后机身之间能够自适应地改变连接角度，实现机器人在小幅度弯道上的转弯：当驱动组件的双向式液压缸同时向外推，机器人的前机身自锁不动，后机身可以向右运动；当驱动组件的双向式液压缸同时向内收缩时，机器人的后机身自锁不动，前机身可以向右运动，如此反复，实现机器人通过弯道。
换向组件通过控制双向式液压缸的活塞杆伸缩改变V形支架的角度，使得不同的行走棘轮接触管道内壁，以此实现机器人在直管中的双向行走及弯管中的转向，当管道内径发生变化(污垢阻塞或者管道内径本身有一定的变化)时，换向组件能够通过控制双向式液压缸的活塞杆伸缩调节V形支架的角度以适应管径的变化；弹簧支撑轮组件一方面可以防止机器人在管道内倾倒，另一方面可以当管道内径发生变化时保持机身稳定；装置结构简单紧凑，运动性能可靠，体积重量小，能够顺利地在直线管道内双向行走，同时还能实现机器人在弯曲幅度较小的弯管道内的双向行走。
进一步的，所述前机身和后机身均呈两端开口的筒形，两者相对的一端上分别开设球形连接槽；相背的一端分别开设转向机构连接槽，液压缸固装在转向机构连接槽底部安装孔内，转向机构连接槽槽腔顶部对应条形连接件开设避让口，条形连接件位于避让口内，结构紧凑，适用于狭小的管道工作环境；前机身和后机身外壁上分别开设螺纹孔，螺纹孔内分别旋紧用于转动安装V形支架或U形支撑腿的螺纹铰链座，便于拆装维护。
进一步的，所述顺时针单向行走棘轮和逆时针单向行走棘轮分别包括橡胶外轮、外棘轮、内轮、棘爪、扭簧；橡胶外轮外套于外棘轮外圈上，外棘轮内圈为棘齿圈；外棘轮转动安装于顺时针单向行走棘轮/逆时针单向行走棘轮轮轴上，能够相对于固定安装在V形支架上的轮轴转动，为活动轮；内轮固装在顺时针单向行走棘轮/逆时针单向行走棘轮轮轴上，与外棘轮相互脱离，为固定轮；棘爪一端转动安装在内轮上，另一自由端与外棘轮相配合；棘爪能够根据外棘轮所受力方向不同、改变在外棘轮中的位置，从而实现顺时针单向行走棘轮/逆时针单向行走棘轮的转动或自锁；为了保证棘爪具有一定的张力，避免其滑落，扭簧一端固定在内轮上，另一端被弹性拉伸，安装在棘爪上。通过驱动组件可以改变行走棘轮的受力方向，从而控制棘爪插入或脱离外棘轮的棘齿，以此间歇地控制前机身行走机构的转动(停止)以及后机身行走机构的停止(转动)，现机器人的向前(后)单向蠕动行走；再通过转向机构的控制行走机构上不同的单向行走棘轮来接触管道内壁，从而实现机器人的转向。
进一步的，所述前机身和后机身上分别设有3个单向行走组件，间隔均匀的排布在前机身/后机身外周上，液压缸的活塞杆顶部固设三角连接件，三角连接件的三角侧缘分别转动连接一个条形连接件。3个单向行走组件能够形成3个主动行走支撑点，使运动更加可靠。
再进一步，所述前机身和后机身上分别设有3个弹簧支撑轮组件，形成3个弹性支撑点，支撑可靠；3个弹簧支撑轮组件与3个单向行走组件4间隔均匀的交错排布，结构紧凑，体积重量小。
进一步的，同一V形支架上，所有顺时针单向行走棘轮位于逆时针单向行走棘轮外侧，即远离驱动组件一侧,或者，所有顺时针单向行走棘轮位于逆时针单向行走棘轮内侧，即靠近驱动组件一侧。前一种安装结构，自右向左单向行走时用的是外侧顺时针单向行走棘轮，自左向右单向行走时用的是内侧逆时针单向行走棘轮。如果采用后一种安装结构的话，则行走反向与前者相反。V形支架一方面作为换向组件的零件，另一方面其形状保证了机器人行走时两种单向棘轮不会相互干扰，提高其工作的可靠性。
进一步的，所述双向式液压缸的进出油口和出进油口通过换向阀连接液压回路，液压回路的主回路上串联调速阀，并联溢流阀。通过换向阀与液压回路相连以控制回路中油的流向，从而形成对前机身和后机身的反向液压驱动；当系统的载荷超出给定最大值(系统压力大于额定压力)时打开溢流阀，从而实行过载保护，让整个装置的工作载荷不会变大。
需要说明的是，权利要求书和说明书中对上、下、左、右、内、外等方位的限定，只是为了描述清楚而采用的一种相对限定，并不是对装置配置结构及运动方向的绝对限定。
本实用新型的有益效果在于：
1、采用液压驱动，减少了机械螺纹驱动由于间隙、磨损、爬行等带来的影响，机构简单紧凑，运动性能稳定可靠；
2、采用单向行走结构，不需要刹车控制，只需改变行走前后机身的受力方向即可实现机器人单向的蠕动行走；
3、采用转向结构，只需改变行走机构的角度，就能实现机器人的转向功能；
4、采用弹簧支撑轮支撑结构，可防止机器人在管道中倾倒，保证了机器人前、后机身与管道接触固定时的稳定性，提高了机器人行走的可靠性，依靠弹簧机构，使得机器人还能够具有一定的变径行走能力，以适应管道内径变化；
5、采用球形连接结构，允许前、后机身与驱动组件成一定的角度，实现在一定角度范围内机器人的转弯。
附图说明
图1为本实用新型一种优选方案的立体结构示意图
图2为图1中前机身局部放大示意图(去除弹簧支撑轮组件)
图3为图1中前机身另一局部放大示意图(去除弹簧支撑轮组件和单向行走组件)
图4为顺时针单向行走棘轮的单向行走受力示意图
图5为图1中弹簧支撑轮组件的放大示意图
图6为图5的爆炸图
图7为液压回路一种优选方案示意图
图8为机器人在横向直管中左移时的动作示意图(去除弹簧支撑轮组件)
图9为机器人在横向直管中右移时的动作示意图(去除弹簧支撑轮组件)
图10为机器人在横向弯管中向右前方下行转向时的动作示意图(去除弹簧支撑轮组件)
图1～10中：1为前机身，2为驱动组件，3为后机身，4为单向行走组件，5为弹簧支撑轮组件，6为顺时针单向行走棘轮，7为换向组件，8为螺纹孔，9为球形连接槽，10为转向机构连接槽，11为逆时针单向行走棘轮，12为橡胶外轮，13为外棘轮，14为内轮，15为棘爪，16为扭簧，17为换向阀，18为橡胶支撑轮，19为支撑板，20为U形支撑腿，21为弹簧，22为调速阀，23为液压缸，24为V形支架，25为螺纹铰链座，26为条形连接件，27为三角连接件，28为双向式液压缸，29为滤油器，30为液压泵，31为单向阀，32为溢流阀。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示的基于棘轮的液压驱动双向式蠕动行走机构，包括顺次配置的前机身1、驱动组件2、后机身3；前机身1和后机身3相对于驱动组件2左右对称布置；前机身1和后机身3上分别设有3个单向行走组件4和3个弹簧支撑轮组件5，单向行走组件4和弹簧支撑轮组件5间隔均匀、交错排布在前机身1/后机身3外周上；前机身1和后机身3相背一端上还分别设有换向组件7。
驱动组件2为液压驱动组件，包括双向式液压缸28和液压回路，双向式液压缸28内设双活塞，缸套两端各活动伸出的一根活塞杆，活塞杆头部均为球形，分别活动装入前机身1和后机身3上的球形连接槽9内，该球形转动连接结构，可以允许机器人在弯曲幅度较小的弯管中行走时具有一定的自适应能力。
图2中，单向行走组件4包括V形支架24，V形支架24的“V”字形底端转动安装于前机身1/后机身3的外周上，其两个“V”字形顶端分别转动安装能够绕自身轴向单向转动的顺时针单向行走棘轮6和逆时针单向行走棘轮11；并且，同一V形支架24上，顺时针单向行走棘轮6位于逆时针单向行走棘轮11外侧，即远离驱动组件2一侧。
顺时针单向行走棘轮6和逆时针单向行走棘轮11结构类似，仅外棘轮13的棘齿方向相反，以限制相反的单向转动。如图4所示的逆时针单向行走棘轮11，包括橡胶外轮12、外棘轮13、内轮14、棘爪15、扭簧16；橡胶外轮12外套于外棘轮13外圈上，外棘轮13内圈为棘齿沿逆时针方向旋转的棘齿圈；外棘轮13转动安装于逆时针单向行走棘轮11轮轴上，能够相对于固定安装在V形支架24上的轮轴转动，为活动轮；内轮14固装在逆时针单向行走棘轮11轮轴上，与外棘轮13相互脱离，为固定轮；棘爪15一端转动安装在内轮14上，另一自由端与外棘轮13相配合；棘爪15能够根据外棘轮13所受力方向不同、改变在外棘轮13中的位置，从而实现逆时针单向行走棘轮11的逆时针单方向转动或自锁；为了保证棘爪15具有一定的张力，避免其滑落，扭簧16一端固定在内轮14上，另一端被弹性拉伸，安装在棘爪15上。
图4所示的逆时针单向行走棘轮11在行走过程中，如左侧所示，当受到一个自右向左的力F(由驱动组件2提供)时，由于摩擦力f的作用，棘轮此时有顺时针转动的运动趋势，但由于在扭簧16的作用下棘爪15紧紧地卡在外棘轮13内，此时整个逆时针单向行走棘轮11处于自锁状态；反之，如右侧所示，当受到一个自左向右的力F(由驱动组件2提供)时，由于摩擦力f的作用，棘轮此时有逆时针转动的运动趋势，而此时棘爪15会在外棘轮13上滑落，所以整个逆时针单向行走棘轮11可以逆时针方向转动。以此类推，顺时针单向行走棘轮6的工作方式正好与逆时针单向行走棘轮11相反，即当受到一个自右向左的力时，棘轮机构可以顺时针方向转动；当受到一个自左向右的力时，棘轮机构处于自锁状态。
如图2所示的换向组件7，包括液压缸23、三角连接件27和条形连接件26。液压缸23的活塞杆顶部固设三角连接件27，三角连接件27的三角侧缘分别转动连接一个条形连接件26一端，条形连接件26另一端转动安装在V形支架24的一条“V”形侧边上。
液压缸23驱动其活塞杆伸缩时，能够带动V形支架24绕其“V”字形顶端转动，从而改变顺时针单向行走棘轮6/逆时针单向行走棘轮11的位置，使顺时针单向行走棘轮6处于工作位/待机位，同时逆时针单向行走棘轮11处于待机位/工作位，通过单向行走组件4的单向间歇运动实现机器人的管内蠕动。具体来说，小型液压缸23的活塞杆收缩时，在条形连接件26和三角连接件27的带动下，V形支架24绕其“V”字形顶端向外侧转动，使得外侧的顺时针单向行走棘轮6接触管道内壁，通过驱动组件2的驱动实现自右向左的单向运动；小型液压缸23的活塞杆伸长时，在条形连接件26和三角连接件27的带动下，V形支架24绕其“V”字形顶端向内侧转动，使得内侧的逆时针单向行走棘轮11接触管道内壁，通过驱动组件2的驱动实现自左向右的单向运动。
如图3所示，前机身1和后机身3均呈两端开口的筒形，两者相对的一端上分别开设球形连接槽9；相背的一端分别开设转向机构连接槽10，液压缸23固装在转向机构连接槽10底部安装孔内，转向机构连接槽10槽腔顶部对应条形连接件26开设避让口，条形连接件26位于避让口内；前机身1和后机身3外壁上分别开设螺纹孔8，螺纹孔8内分别旋紧用于转动安装V形支架24或U形支撑腿20的螺纹铰链座25。
如图5、图6所示的弹簧支撑轮组件5，包括橡胶支撑轮18、支撑板19、U形支撑腿20和弹簧21，U形支撑腿20的“U”形底部转动安装在前机身1和后机身3外周上，两个顶端上转动安装橡胶支撑轮18；在U形支撑腿20转动方向的前侧或者后侧固设支撑板19，弹簧21两端分别被固定在U形支撑腿20和支撑板19上，橡胶支撑轮18既能够绕自身轴向转动，也能够在受力时随U形支撑腿20转动(本实施例中，U形支撑腿20转动方向即为前机身1/后机身3轴向)。当管道内径发生变化时，弹簧支撑机构5就能自适应调节机器人横向围度，在机器人行走过程中起支撑与稳定的作用。
该实施例中，橡胶支撑轮18、逆时针单向行走棘轮11和顺时针单向行走棘轮6外轮大小一致。
初始状态时，机器人位于横向配置的管道内部，前机身1和后机身3分别位于驱动组件2的左右两侧；驱动组件2和换向组件7按以下方式动作，控制机器人在管道中的双向行走及右前方下行转向：
如图8所示的机器人左移：换向组件7的液压缸23活塞杆内缩，使外侧的顺时针单向行走棘轮6处于工作位，接触管道内壁，而内侧的逆时针单向行走棘轮11处于待机位，不接触管道内壁；驱动组件2的双向式液压缸28同时向外伸出时，机器人的前机身1和后机身3同时受到相反的推力；由上面的分析可知，此时，前机身1上的顺时针单向行走棘轮6能够转动，而后机身3上的顺时针单向行走棘轮6则处于自锁状态，即机器人的后机身3不动，前机身1可以向左运动；当驱动组件2的双向式液压缸28同时向内收缩时，机器人的前机身1和后机身3同时受到向内的拉力；此时，前机身1上的顺时针单向行走棘轮6处于自锁状态，而后机身3上的棘轮则可以转动，即机器人的前机身1不动，后机身3可以向左运动，如此反复，实现机器人自右向左的单向行走。
如图9所示的机器人右移：换向组件7的液压缸23活塞杆外伸，使内侧的逆时针单向行走棘轮11处于工作位，接触管道内壁，而外侧的顺时针单向行走棘轮6处于待机位，不接触管道内壁；驱动组件2的双向式液压缸28同时向外伸出时，机器人的前机身1不动，后机身3可以向右运动；当驱动组件2的双向式液压缸28同时向内收缩时，机器人的后机身3不动，前机身1可以向右运动，如此反复，实现机器人自左向右的单向行走。
如图10所示的机器人行走方向为自左向右，右前方下行转向：换向组件7的液压缸23活塞杆外伸，使内侧的逆时针单向行走棘轮11接触管道内壁，而外侧的顺时针单向行走棘轮6处于待机位，不接触管道内壁；由于球形连接槽9和双向式液压缸28的活塞杆头部为球形转动连接，使驱动组件2与前机身1、后机身3之间形成万向连接机构，根据管道的弯曲情况，驱动组件2与前机身1、后机身3之间能够自适应地改变连接角度，实现机器人在小幅度弯道(一般为≤45°)上的转弯：当驱动组件2的双向式液压缸28同时向外推，机器人的前机身1自锁不动，后机身3可以向右运动；当驱动组件2的双向式液压缸28同时向内收缩时，机器人的后机身3自锁不动，前机身1可以向右运动，如此反复，实现机器人通过弯道。
如图7所示的液压回路，机器人的具体指标由行程、运动速度以及运动精度组成。该机器人的行程并不受限制，只是由于该系统棘轮机构的存在，该机构只能够在单一方向上产生进给运动；机器人的运动精度则取决于选用和双向式液压缸28的行程，运动精度为双向式液压缸28行程的一半；所以，在设计液压回路的时候只需考虑到如何能控制单向行走组件4的运动速度就行，这就由液双向式液压缸28的伸缩运动速度所决定。所以在图7的液压回路优选方案中，在主回路上串联了一个调速阀22，以控制系统中双向式液压缸28的运动速度。其次，该机器人要求前机身1和后机身3同时受到相同大小但相反方向的推力或拉力，既需要双向式液压缸28的两个活塞杆同时向外伸出或同时向内收缩，因此在设计液压回路时，把位于双活塞之间缸套上的油路开口作为进(出)油口、把缸套两端的油路开口作为出(进)油口，并通过换向阀17与液压回路相连以控制回路中油的流向，从而形成对前机身1和后机身3的反向液压驱动；最后，在主回路上还并联了一个溢流阀32，当系统的载荷超出给定最大值(系统压力大于额定压力)时打开溢流阀32，从而实行过载保护，让整个装置的工作载荷不会变大。