一种双V型管道机器人的制作方法

本发明涉及管道维护机器人技术领域，尤其涉及一种双v型管道机器人。

背景技术：

管道运输作为长距离运输液体及气体的最经济的运输方式，具备运输量大、持续性稳定性较强的优点。管道运输已经成为世界范围内一种重要的运输途径，为了提高管道清理、清淤、测漏等日常维护工作的效率，针对不同用途不同型号的管网，各种专用型管道机器人被普遍开发应用于管道日常维护工作。随着管道运输的普及以及大规模管道网络的建立，采用小型机器人代替人工完成管道的测漏及清淤工作的研究开始展开，目前针对不同用途不同规格的管道已经开发出一系列管道机器人，其中按照机械结构不同可以分为七类：流体驱动式、车轮式、支撑轮式、履带式、足式、螺旋式、蠕动式。

流体驱动式管道机器人自身没有驱动力，需要管道内有足够压力才能得到有效驱动，受工作环境影响较大；车轮式管道机器人结构简单，自身具备驱动力，但是该型机器人只能在水平管道内进行运动，不能进行爬坡和垂直管道运动；支撑轮式管道机器人多采用三支撑轮或多支撑轮支撑管壁运动，但是对于长体型机器人对于90度直角管道的通过性较差；履带式机器人对于复杂地形的通过性能好，牵引力强，管壁内的附着异物对机器人行进影响较小，但难以通过管道直角连接点；足式管道机器人采用仿生学结构设计，实现机器人在管道内的爬行运动，但是机械结构非常复杂，对于控制部分的设计要求高，且尺寸较大；螺旋式管道机器人是将机器人的运动路线设定为管内螺旋线，适合在直管道内运动，弯道通过性一般；蠕动式管道机器人采用仿生学原理在管道内蠕动行进，在该原理下设计其结构设计必须包括前舱、后舱、伸缩舱，因此蠕动式机器人整体机身较长，对管道的内径适应性较差。

因此在经过对现有的七种管道机器人对比分析之后，在此基础上设计新一款实用型管道机器人平台，可以适用于较大内径尺寸范围内的管道，注重其管道通过性能，具备自主运动能力，具有优秀的管道探伤或管道清理的应用前景。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有管道机器人存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明要解决的技术问题是提供一种双v型管道机器人，其目的在于解决管道机器人对管道自适应性差，对管壁支撑能力弱的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种双v型管道机器人，此管道机器人包括第一支撑单元和第二支撑单元，其中，第一支撑单元，包括第一基座组件、呈型对称设置于所述第一基座组件上的支撑臂组件和连接对称所述支撑臂组件的压力弹簧；所述支撑臂组件包括第一支撑臂，连接于所述第一支撑臂轴向侧壁上的第二支撑臂，所述第二支撑臂的端部设置行走轮；以及，第二支撑单元，与所述第一支撑单元的结构相同，位于所述第二支撑单元中的第二基座组件与所述第一基座组件轴向垂直连接。

作为本发明所述双v型管道机器人的一种优选方案，其中：所述第一支撑臂的一端侧壁上固定有角度齿轮，所述第一支撑臂和角度齿轮均铰接在所述第一基座组件内；且对称设置的所述角度齿轮相互啮合转动。

作为本发明所述双v型管道机器人的一种优选方案，其中：所述第二支撑臂包括方管、驱动件和传动件，所述驱动件固定设置于所述方管内，其输出端与所述传动件配合相连，而所述传动件与行走轮相连。

作为本发明所述双v型管道机器人的一种优选方案，其中：所述第一支撑臂远离所述角度齿轮的一端侧壁上设置有定位螺钉和固定螺栓，且通过所述定位螺钉和固定螺栓可拆卸式配合连接在所述方管的端部。

作为本发明所述双v型管道机器人的一种优选方案，其中：所述压力弹簧的端部通过铰接座连接于所述方管的外侧壁上。

作为本发明所述双v型管道机器人的一种优选方案，其中：所述驱动件包括电机和设置于所述电机输出轴上的第一斜齿轮。

作为本发明所述双v型管道机器人的一种优选方案，其中：所述传动件包括第一转轴、第二转轴、设置于所述第一转轴和第二转轴端部的带轮、与所述带轮配合相连的同步带，以及固定于所述第二转轴上的第二斜齿轮；所述第二斜齿轮与第一斜齿轮配合转动。

作为本发明所述双v型管道机器人的一种优选方案，其中：所述行走轮包括安装座和转轮，所述转轮转动连接在所述安装座的边缘侧壁上；所述转轮均匀分布有多组，且其中心轴线与所述安装座的中心轴线呈45度夹角。

作为本发明所述双v型管道机器人的一种优选方案，其中：所述第一转轴贯穿所述安装座的中心轴线，且与其固定相连。

作为本发明所述双v型管道机器人的一种优选方案，其中：所述第一支撑单元所处的平面与所述第二支撑单元所处的平面相垂直。

本发明的有益效果：

本发明中第一支撑单元及第二支撑单元采用交叉“v型”对接的形式，采用压力弹簧强力支撑，提高行走轮对管壁的附着力，使得机器人可以在垂直管道中紧紧依附管壁进行上升或者下降运动，有效提高了管道机器人的实际通用性和环境适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明双v型管道机器人的整体结构示意图。

图2为本发明双v型管道机器人的基座组件连接结构示意图。

图3为本发明双v型管道机器人的第一支撑单元整体结构示意图。

图4为本发明双v型管道机器人的角度齿轮连接结构示意图。

图5为本发明双v型管道机器人的支撑臂组件连接结构示意图。

图6为本发明双v型管道机器人的支撑臂组件径向截面示意图。

图7为本发明双v型管道机器人的压力弹簧连接结构示意图。

图8为本发明双v型管道机器人的驱动件和传动连接结构示意图。

图9为本发明双v型管道机器人的行走轮受力示意图。

图10为本发明双v型管道机器人的行走路线示意图。

图11为本发明双v型管道机器人在管道内运动截面分析示意图。

图12为本发明双v型管道机器人的支撑臂张合角度变化示意图。

图13为本发明双v型管道机器人在竖直或水平管道行走示意图。

图14为本发明双v型管道机器人过弯曲管道行走示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1～3，为本发明第一个实施例，提供了一种双v型管道机器人，此管道机器人包括第一支撑单元100和第二支撑单元200，其中，第一支撑单元100，包括第一基座组件101、呈v型对称设置于第一基座组件101上的支撑臂组件102和连接对称支撑臂组件102的压力弹簧103；支撑臂组件102包括第一支撑臂102a，连接于第一支撑臂102a轴向侧壁上的第二支撑臂102b，第二支撑臂102b的端部设置行走轮102c；以及，第二支撑单元200，与第一支撑单元100的结构相同，位于第二支撑单元200中的第二基座组件201与第一基座组件101轴向垂直连接。

第一支撑单元100所处的平面与第二支撑单元200所处的平面相垂直。

其中，第一支撑单元100和第二支撑单元200为结构相同的v型构件(以下以第一支撑单元100结构进行详细说明)，且二者的v型底部相连，二者v型所处的平面相互垂直。具体的，第一支撑单元100中包括第一基座组件101、支撑臂组件102和压力弹簧103，其中，第一基座组件101所处于v型底部位置，与第二支撑单元200中的第二基座组件201连接，其还用于安装支撑臂组件102；支撑臂组件102为v型的两臂，对称设置，两对称的支撑臂组件102之间通过压力弹簧103支撑，用于保持两支撑臂组件102之间具有足够的张力。同时，压力弹簧103伸长或压缩可改变两侧支撑臂组件102在垂直于轴向方向的投影长度，即可自适应于不同管径的管道。

进一步的，支撑臂组件102为两段式结构，具有第一支撑臂102a和第二支撑臂102b，第二支撑臂102b安装在第一支撑臂102a的轴向侧壁上，第二支撑臂102b远离第一基座组件101的端部侧壁安装有行走轮102c，行走轮102c可被驱动转动，进而贴附于管道的内壁进行移动。

实施例2

参照图3～7，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是：第一支撑臂102a的一端侧壁上固定有角度齿轮102a-1，第一支撑臂102a和角度齿轮102a-1均铰接在第一基座组件101内；且对称设置的角度齿轮102a-1相互啮合转动。

第二支撑臂102b包括方管102b-1、驱动件102b-2和传动件102b-3，驱动件102b-2固定设置于方管102b-1内，其输出端与传动件102b-3配合相连，而传动件102b-3与行走轮102c相连。

第一支撑臂102a远离角度齿轮102a-1的一端侧壁上设置有定位螺钉102a-2和固定螺栓102a-3，且通过定位螺钉102a-2和固定螺栓102a-3可拆卸式配合连接在方管102b-1的端部。

压力弹簧103的端部通过铰接座t连接于方管102b-1的外侧壁上。

相较于实施例1，进一步的，为保持两组支撑臂组件102能够同步对称运动，在第一支撑臂102a的连接端侧壁上固定安装角度齿轮102a-1，两组第一支撑臂102a安装的角度齿轮102a-1之间能够啮合转动，通过齿轮的配合，实现第一支撑臂102a的对称运动，两角度齿轮102a-1的转轴转动连接在第一基座组件101内。

第二支撑臂102b套设在第一支撑臂102a的外部侧壁上，并与第一支撑臂102a通过定位螺钉102a-2和固定螺栓102a-3实现定位和固定，具体的，本实施例中，第一支撑臂102a优选为型材结构，方便安装角度齿轮102a-1，铰接固定和连接第二支撑臂102b，第二支撑臂102b优选为铝合金方管材质，方便安装驱动件102b-2、传动件102b-3和行走轮102c，采用型材和方管的连接为了避免螺栓帽在转向时与管道碰撞；定位螺钉102a-2和固定螺栓102a-3采用内置固定的方式，如附图5和6中所示，在型材的四面安装两个内六角定位螺钉102a-2和两个内六角固定螺栓102a-3，在方管连接处开设有四个对应的通孔，其中定位螺钉102a-2和通孔配合起定位作用，确定型材与方管的相对位置，可以此来调节整个支撑臂的长度(即根据管道的管径换装不同长度的方管102b-1)；另两个通孔用于紧固固定螺栓102a-3，固定螺栓102a-3支撑方管起固定作用，通过两个长固定螺栓102a-3从内顶压型材，使得型材和方管紧密连接构成整条机器人支撑臂，同样，内置螺钉和螺栓也简化了机身外形，降低了机器人运动时对管壁碰撞的可能性。

压力弹簧103安装于第二支撑臂102b的方管102b-1的外侧壁上，具体的，压力弹簧103的两端固定在铰接座t上，铰接座t通过铰接的方式连接在方管102b-1的外侧壁上，可以为支撑臂组件102提供压力，使得行走轮102c对管道产生压力，从而使得机器人对管道具有足够的附着力，如附图中所示。进一步的，铰接座t优选采用凹型座用于限制弹簧的横向移动，并使用螺丝定位和固定的方式，使得压力弹簧103受两端的拉力或压力都能够保持固定状态，而铰接方式使弹簧的受力始终与弹簧内径共线或平行，避免了压力弹簧103由于受力不均而发生横向弯曲的现象。

其余结构与实施例1的结构相同。

实施例3

参照图1、7和8，为本发明的第三个实施例，该实施例不同于第二个实施例的是：驱动件102b-2包括电机102b-21和设置于电机102b-21输出轴上的第一斜齿轮102b-22。

传动件102b-3包括第一转轴102b-31、第二转轴102b-32、设置于第一转轴102b-31和第二转轴102b-32端部的带轮102b-33、与带轮102b-33配合相连的同步带102b-34，以及固定于第二转轴102b-32上的第二斜齿轮102b-35；第二斜齿轮102b-35与第一斜齿轮102b-22配合转动。

相较于实施例2，进一步的，由于各第二支撑臂102b的端部均设置有行走轮102c，因此各行走轮102c均具有各自独立的驱动系统，即为驱动件102b-2和传动件102b-3的组合体。具体的，驱动件102b-2包括电机102b-21和第一斜齿轮102b-22，电机102b-21为带有齿轮减速器的直流电机，通过电机安装座隐藏安装于方管102b-1的内腔中，电机102b-21的输出轴与方管102b-1的轴向平行，与行走轮102c的轴向垂直，因此采用斜齿轮来改变动力传输方向，以满足驱动所需的要求，再通过传送件102b-3将动力输送至行走轮102c上驱动机器人前进。

结合附图8中所示，传动件102b-3中具有与第一斜齿轮102b-22配合的第二斜齿轮102b-35，第二斜齿轮102b-35固定连接在第二转轴102b-32上，且在第二转轴102b-32和第一转轴102b-31的端部均设置有带轮102b-33，两带轮102b-33通过同步带102b-34实现同步转动，第一转轴102b-31为行走轮102c的轮轴，即第一转轴102b-31的转动会驱动行走轮102c运动。需要说明的是，第一转轴102b-31和第二转轴102b-32平行设置，与电机102b-21的输出轴方向相垂直，带轮102b-33位于方管102b-1的外壁上，并通过防护罩进行保护。

驱动件102b-2和传动件102b-3尽可能安装在方管102b-1的内部，以此来确保整个运动系统在管道内运行过程中不会发生碰撞受损。

其余结构与实施例2的结构相同。

实施例4

参照图1，为本发明的第四个实施例，该实施例不同于第三个实施例的是：

行走轮102c包括安装座102c-1和转轮102c-2，转轮102c-2转动连接在安装座102c-1的边缘侧壁上；转轮102c-2均匀分布有多组，且其中心轴线与安装座102c-1的中心轴线呈45度夹角。

第一转轴102b-31贯穿安装座102c-1的中心轴线，且与其固定相连。

相较于实施例3，进一步的，行走轮102c位于方管102b-1的端部，安装座102c-1通过与第一转轴102b-31固定相连，实现同轴转动，转轮102c-2安装分布在安装座102c-1的边缘，其分布的整体外径大于安装座102c-1的外径，以保障机器人在管道内行走时，始终是转轮102c-2的外壁与管道的内壁接触。

需要说明的是，本实施例中转轮102c-2优先采用的是同型号的麦克纳姆轮a轮，在车轮表面45度倾斜橡胶轮提供轴向驱动力和轴向旋转力，使机器人可以螺旋前进，其受力情况如图9所示，其中fm为车轮受到的电机驱动力，作用在车轮上，由于麦克纳姆轮表面为45度橡胶轮布置设计，因此fm驱动力作用在车轮表面后，分解为f1方向的前进方向力和f2方向克服摩擦力的力。前进驱动力f1与管道中心线夹角为45度，作用在管壁上，最终形成车轮的行进方式为螺旋前进，如图10所示，其优势在于，各麦克纳姆轮行走的路径各不相同，则管道内存在的某处障碍物不会对行走轮102c产生二次影响，大大提高了机器人的环境自适应能力。

结合附图1～14，使用前，根据前述结构将此管道机器人完成组装，并根据管道内径数据、管道内径变化范围以及弯道变化参数等选装合适长度的第二支撑臂102b；使用过程中，将机器人做好预先设定后放入管道内，首先压力弹簧103被两侧对称偏转的第二支撑臂102b压缩，行走轮102c中的转轮102c-2的边缘与管道的内壁相接触，驱动件102b-2中电机102b-21驱动第一斜齿轮102b-22转动，再通过传动件102b-3使得第一转轴102b-31转动，使得行走轮102c持续转动，在管道内螺旋行走。

场景一、等径管道中水平管道及垂直管道中行进：

结合附图13所示，本场景中以通过200mm管径的管道进行机器人的设计实验，机器人自重约为1kg，支撑臂组件102长度为170mm，末端麦克纳姆轮轮径60mm，首端角度齿轮102a-1中心距为32mm，压力弹簧103安装点位于距离末端140mm处，压力弹簧103采用的是线径1.5mm，外径20mm，长度50mm的不锈钢弹簧，经计算该弹簧弹性系数为1265n/m，在200mm管道中直线运动时弹簧压缩量为19mm。

在水平管道中，如图11所示，假设w1支撑臂与水平面夹角为α，经过受力分析，w1轮和w4轮受到4.24n的管壁支持力以及与管壁相切方向的摩擦力，w2轮受到(4.24+10sinα)n的支持力及摩擦力，w3轮受到(4.24+10cosα)n的支持力及摩擦力。麦克纳姆轮表面采用的是45度橡胶轮，橡胶与铸铁的静摩擦因数为0.8，动摩擦因数为0.5，因此机器人四个车轮与管道的最小静摩擦力为3.4n，最大静摩擦力为11.4n，最小动摩擦力为2.12n，最大动摩擦力为7.12n。在最大静摩擦力作用下，所需电机驱动扭矩为0.32nm，所选用的直流减速电机在0.38nm时电机转速为165rpm，机器人在管道内的启动速度为14.66m/min，在管道内运行速度约为20m/min。

在垂直管道中，垂直向下时每个车轮受到管道4.24n支撑力，整个机器人在静止时受到13.6n的摩擦力，因此机器人在管道内垂直向下运动不会出现失控下滑。在垂直向上时，机器人向上运动需要克服管道13.6n的摩擦力和自身10n的重力，因此每个电机在垂直向上运动时至少需要提供0.26nm的扭矩，根据电机的运动参数可知0.38nm大于所需的0.26nm的扭矩，机器人具备沿管道直线向上运动的能力。

场景二、变径管道中自适应性行进：

此管道机器人所采用的可变径设计不仅可以使机器人的v型支撑臂的夹角可变，也可以通过改变支撑臂近端铰接的型材长度(即第二支撑臂102b中方管102b-1的长度)，进而增长或者缩短整个机器人的机身长度，用于适应不同直径范围的管道。其中机器人的优选的夹角可变范围为最大90°到最小37°，如图12所示。以170mm臂长的试验机为例，其可用于通过的直线管道内径范围为200mm-330mm。机器人支撑臂的近端型材设计为可快速更换拆装结构，拧松定位螺钉102a-2和固定螺栓102a-3即可拆为两段，如图5所示，通过更换连接型材设计以及配合支撑臂夹角变化可以获得更大的机器人适用管道内径范围。

管道机器人的变径设计是为了更好的提高管道机器人的通用性和通过性，针对不同管径的管道，以及同规格同尺寸的管道存在的由于管道接头或者热熔接带来的管道内部尺寸变化带来的机器人行进障碍，因此需要具有自适应性的可变径机器人来适应复杂的管路环境。

场景三、弯曲管道中自适应性行进：

机器人在变径功能上的一个重要作用在于提高机器人的弯道通过性，该设计可以有效避免机器人过弯时机身碰撞管壁或者卡在弯道处。在入弯时，机器人的前部v型支撑臂(第一支撑单元100)会在入弯的过程中减小夹角，当机身中部通过弯道中线(管道中轴线)后前部v型支撑臂夹角逐渐恢复，后部v型支撑臂(第二支撑单元200)在机身接近弯道中线前夹角开始减小，在机身过弯后夹角恢复，如图14所示。在过弯的过程中，夹角变小时机身变得狭长，在过弯时会出现一轮悬空的情况出现，由于机器人的四轮均是独立驱动，因此其余三个车轮可以提供充足的驱动力驱动机器人过弯。由于机器人采用的是麦克纳姆轮使机器人在管道中螺旋前进，可以有效避免机器人运动直接碰撞弯道管壁而卡顿。管道机器人的弯道自适应性对其通用性及整体性能的提高具有至关重要的作用。

场景四、管道障碍的自适应性行进：

管道环境由于受到空间限制，管道机器人存在着与家用及工业机器人相比更多的运行限制，管道机器人所运行的管道环境的复杂性远高于家用及工业机器人的运行环境。管道环境的复杂性主要在于存在着管径多变，在同一条管路中，会因为存在管道转接头、分接头或者热熔接带来的尺寸突变，也会有管道加工时产生的毛刺、缺陷以及补漏带来的管道内部不平整的存在，因此管道机器人的设计需要具备较强的管道环境自适应性，在管道内部尺寸突变和不平整的情况下能够顺利通过。除了管道内部环境障碍，对于管道机器人而言需要实现类似于爬墙机器人的垂直运动功能，因为管道环境除了平面管道铺设外，也需要竖直管道来提高或降低运输物体而实现垂直运输，与平面垂直运动不同的是，管道机器人需要实现的是在曲面上实现垂直运动。

本方案中的管道机器人采用独立四驱的麦克纳姆轮实现在管道中螺旋前进的方式，四个车轮拥有四条独立的行进路线，即在管道中形成四条独立的行进轨迹，如图10所示，避免了机器人车轮对同一障碍物的重复碾压。对于一次性通过失败或者难以通过的障碍物，机器人凭借旋转性能实现机身自转从而规划新的行进轨迹。此外，双v型管道机器人在可变径的支撑臂和旋转行进能力的帮助下，对于弯道的通过性能也有了很好的提高，远高于现有的管道机器人，可变径设计使机器人在通过弯道时前后端分别减小夹角缩小机身宽度而过弯。双v型管道机器人除了优越的适应性和过弯性能之外，采用拥有足够驱动力的独立驱动车轮以及加压弹簧为车轮提供的附着力，使得机器人能够在垂直管道中也可以实现匀速上升和下降的运动，在上升时，弹簧为车轮提供足够的压力使车轮拥有足够的摩擦力而不下滑，四轮驱动为机器人提供充足的驱动力向上运动，在下降时，弹簧为车轮提供足够压力使其不会快速下滑而跌落受损。综上，此管道机器人在复杂多变的管道环境中拥有着较好的环境自适应性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。