一种管道机器人运动机构及管道机器人

1.本发明属于管道机器人技术领域，尤其是一种管道机器人运动机构及管道机器人。


背景技术：

2.管道在石油、天然气、化工原料及市政给排水工程等各个方面发挥着重要的作用。在线运行管道随着使用时间的增长，会出现各种问题，如腐蚀、裂缝、淤积等，对管道的正常使用会产生严重的影响。为了提高管道的使用效率和延长管道的寿命，需要经常对在线运行管道进行定期的检测或其它作业。检测装置自身无法进入管道，现有的技术中，最常用的是通过机器人进入到管道内部，运用各种无损检测方法对管道进行检测。管道机器人作为一种管道内移动的智能载体，通常可携带有各种检测设备或作业工具，近年来，随着研究的不断深入，管道机器人领域进入崭新的阶段。管道机械人主要应用在石油、化工、天然气及核工业等领域中，以完成检测探伤、清理和维护管道的工作。
3.目前，根据管道机器人的不同驱动模式，大致可以分为以下八种，流动式机器人、轮式机器人、履带式机器人、腹壁式机器人、行走式机器人、蠕动式机器人、螺旋驱动式、蛇型机器人；其中蠕动式机器人像蚯蚓一样通过身体的伸缩前进。蠕动式机器中移动机构目前有以下几种实现形式，如利用气压伸缩驱动、利用形状记忆合金伸缩驱动、利用电磁吸合驱动等，蠕动式移动机构的运动机理是一个动作循环使机构前进一步。现有技术，中国实用新型专利公告号为cn202708464u公开了蠕动式管道机器人移动牵引机构，该机构由电机驱动丝杠正反转，使前后两组撑壁交替支撑在管壁实现机器人蠕动前行。类似的技术中管道机器人无法实现转向或转向不灵活。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种管道机器人运动机构及管道机器人，至少解决现有管道机器人无法实现转向或转向不灵活的问题。
5.本发明采用的技术方案如下：根据本公开的第一方面，本发明提供了一种管道机器人运动机构,包括依次连接的第一基座、伸缩部、第二基座；所述第一基座内部安装驱动机构；所述伸缩部内部设有第一弹性件，所述第一弹性件能够延轴向伸缩和自由弯曲；伸缩部内环形阵列设有四根牵引绳，四根牵引绳的一端与第二基座连接，另一端与第一基座内的驱动机构连接；所述驱动机构用于选择四根牵引绳中任意相邻两根进行缠绕使其长度缩短，控制管道机器人弯曲，或选择四根牵引绳同时进行缠绕或释放，控制管道机器人伸缩动作。
6.在本公开的一种示例性实施例中，所述驱动机构包括第一驱动电机、第二驱动电机、凸轮选向机构、齿轮传动机构、四组绞线盘机构、四根牵引绳。
7.所述凸轮选向机构包括内齿凸轮、第一主动齿轮、四个卡接件；所述内齿凸轮由平行设置的环形齿轮部和环形凸轮部组成；所述环形齿轮部的内环面形成有轮齿，轮齿啮合
连接第一主动齿轮，第一主动齿轮连接第一驱动电机；所述环形凸轮部的基圆上形成有五个间隔设置的、且在同一虚拟圆上凸出部；内齿凸轮四周环形阵列设置四个卡接件，所述卡接件呈l形，每个卡接件通过弹簧与第一基座腔体壁连接，同时与环形凸轮部边缘滑动接触。
8.所述齿轮传动机构包括第二主动齿轮、主轴、中心传动齿轮、四组行星齿轮机构；所述主轴安装在内齿凸轮中心轴线上，主轴根部安装中心传动齿轮，中心传动齿轮与第二主动齿轮啮合，第二主动齿轮安装在第二驱动电机的驱动轴上；所述主轴上安装四组行星齿轮机构。
9.每组行星齿轮机构包括一个太阳齿轮、一个齿轮圈、多个行星齿轮、一个行星架；其中太阳齿轮安装在主轴上，齿轮圈与太阳齿轮同轴、同平面安装，齿轮圈与太阳齿轮之间等距环形阵列设置行星齿轮；齿轮圈的外边缘设有一圈若干卡位槽，卡位槽与l形的卡接件配合；具体的，随着环形凸轮部转动，当卡接件移动至环形凸轮部上的基圆上时，弹簧将卡接件推动靠近环形凸轮部的中心点，此时，卡接件的端部卡入卡位槽内；当卡接件移动至环形凸轮部上的凸出部上时，卡接件沿着径向被推动远离环形凸轮部的中心点，此时，卡接件的端部从卡位槽内脱离；所述行星架与齿轮圈平行安装；行星架的外边缘设有一圈轮齿，轮齿用于啮合绞线盘机构中的蜗轮蜗杆机构。
10.四组行星齿轮机构各配套一组绞线盘机构，四组绞线盘机构环形阵列分布；每组绞线盘机构包括传动齿轮和蜗轮蜗杆机构；蜗轮蜗杆机构中的蜗杆与主轴平行设置，蜗轮安装在蜗杆一侧并与之啮合，蜗轮上形成有绞线槽，绞线槽用于缠绕牵引绳的一端；所述传动齿轮安装在蜗杆上，与对应行星架上的轮齿啮合。
11.在本公开的一种示例性实施例中，所述伸缩部包括安装在第一基座与第二基座之间的波纹套管，以及设置于波纹套管内的螺旋弹簧；所述螺旋弹簧两端分别连接第一基座和第二基座。
12.在本公开的一种示例性实施例中，所述环形凸轮部的尺寸如下：基圆半径为26cm，中央的圆形通孔半径为22cm，虚拟圆半径为28cm；第一凸出部的弧所对圆心角为23
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度曲线；按顺时针，第二凸出部的弧所对圆心角为5
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度曲线；第一凸出部与第二凸出部中间为圆心角为5
°
的基圆段；第三凸出部的弧所对圆心角为5
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度曲线；第三凸出部与第二凸出部中间为圆心角为23
°
的基圆段；第四凸出部的弧所对圆心角为23
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度曲线；第四凸出部与第三凸出部中间为圆心角为5
°
的基圆段；第五凸出部的弧所对圆心角为23
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度曲线；第五凸出部与第四凸出部中间为圆心角为59
°
的基圆段。
13.根据本公开的第二方面，本发明还提供了一种管道机器人，包括以上任一所述的运动机构，还包括设置于两端的头部a和尾部c,头部a和尾部c各设置一组撑壁机构。
14.在本公开的一种示例性实施例中，所述撑壁机构包括多组环形阵列分布的曲柄滑块机构，以及由第三驱动电机驱动的圆形曲柄盘；每组曲柄滑块机构包括曲柄连杆、滑块、导杆、撑杆、撑壁足；圆形的曲柄盘四周环形阵列设置撑杆，撑杆延径向延伸，撑杆上滑动连接滑块，滑块上设置导杆，导杆的外侧端连接弧形撑壁足；曲柄连杆的一端通过连杆与滑块转动连接，另一端通过柱销转动连接在曲柄盘上表面。
15.根据本公开的第三方面，本发明还提供了一种管道机器人的直线爬行方法，包括
如下步骤：ⅰ.机器人伸缩弯曲部b处于松弛状态，头部a和尾部c各设置的撑壁机构f展开与管道壁贴紧固定；ⅱ.机器人尾部撑壁机构缩回，解除尾部固定状态；ⅲ.机器人伸缩弯曲部b执行收缩动作，机器人尾部向头部方向运动；ⅳ.机器人尾部撑壁机构展开，尾部再次固定于管壁；
ⅴ
.机器人头部撑壁机构缩回，解除头部固定状态；ⅵ.机器人伸缩弯曲部b展开，机器人头部向前移动；ⅶ.机器人头部撑壁机构展开，将头部再次固定于管壁，进入下一爬行周期。
16.根据本公开的第四方面，本发明还提供了一种管道机器人的转向方法，包括如下步骤：ⅰ.机器人行进到岔路口，机器人尾部撑壁机构展开，尾部固定于原管道管壁上；机器人头部撑壁机构缩回，解除头部固定状态，并进入转向后管道内；ⅱ.两相邻牵引绳缠绕缩短，控制机器人的头部弯曲转向进入转向后管道内；ⅲ.机器人尾部撑壁机构缩回，解除尾部固定状态；机器人尾部进入转向后管道内；ⅳ.当机器人全部进入转向后管道内，机器人头部撑壁机构展开固定于管壁；至此转向动作完成。
17.本发明的有益效果在于：本发明提供了一种管道机器人运动机构及管道机器人，在机器人中间设置可以伸缩和弯曲的结构，再通过独特设计的驱动机构控制伸缩部内部四根牵引绳中任意相邻两根进行缠绕使其长度缩短，进而控制管道机器人弯曲转向，或通过驱动机构选择四根牵引绳同时进行缠绕或释放，进而控制管道机器人进行伸缩动作；本发明至少解决现有管道机器人无法实现转向或转向不灵活的问题。
附图说明
18.图1是本发明管道机器人的外观图。
19.图2是图1的结构爆炸图。
20.图3是伸缩弯曲部b的结构展示图。
21.图4是图3中将第一壳体和波纹套管向上移开后内部结构展示图。
22.图5是螺旋弹簧的安装结构展示图。
23.图6是第一基座拆解开的结构展示图。
24.图7是第一底座的第一内端面的结构展示图。
25.图8是第一壳体的内部结构展示图。
26.图9是第一壳体与第一底座组装后内部结构展示图。
27.图10是本发明驱动机构的结构展示图一。
28.图11是本发明驱动机构的结构展示图二。
29.图12是本发明驱动机构的结构展示图三。
30.图13是内齿凸轮的立体结构展示图一。
31.图14是内齿凸轮的立体结构展示图二。
32.图15是内齿凸轮的平面结构展示图。
33.图16是一种优选实施方案中环形凸轮部的尺寸图。
34.图17是内齿凸轮的安装结构展示图。
35.图18是内齿凸轮的安装结构细节展示图。
36.图19是卡接件的立体结构图。
37.图20是主轴上结构展示图。
38.图21是四组行星齿轮机构安装在主轴上的结构展示图。
39.图22是一组行星齿轮机构的结构展示图。
40.图23是图22另一角度的结构展示图。
41.图24是第一行星齿轮机构对应第一卡接件的示意图。
42.图25是第二行星齿轮机构对应第二卡接件的示意图。
43.图26是蜗轮蜗杆机构的安装结构展示图。
44.图27是第二绞线盘机构的结构展示图。
45.图28是驱动机构的机构原理图。
46.图29是内齿凸轮的第一状态图。
47.图30是机器人蠕动前行动作的步骤分解图。
48.图31是内齿凸轮的第二状态图。
49.图32机器人转向动作的步骤分解图。
50.图33是内齿凸轮的第三状态图。
51.图34是内齿凸轮的第四状态图。
52.图35是内齿凸轮的第五状态图。
53.图36是四种弯曲状态图。
54.图37是管道机器人头部a的外观展示图。
55.图38是第三基座的内部结构展示图。
56.图39是第三底座端面的结构展示图。
57.图40所示是去掉曲柄盘后第三底座圆形端面中心处结构展示图。
58.图41所示是曲柄滑块机构的细节展示图。
59.图42是一组曲柄滑块机构的细节展示图。
60.图43是曲柄连杆的一端通过连杆与滑块上轴承转动连接的拆解图。
61.图44所示是本发明撑壁机构的机构原理图。
62.图中：头部a，伸缩弯曲部b，尾部c；第一基座100，第一底座101，第一主轴安装孔101.1，第一通孔101.2,内环定位孔101.3,外环定位孔101.4,第一限位卡槽101.5,止挡部101.6；第一壳体102，第二主轴安装孔102.1，第二限位卡槽102.2,支撑部102.3，蜗杆安装孔102.4，蜗杆定位槽102.5,蜗轮安装部102.6；伸缩部200，第二基座300，波纹套管400，第一弹性件500；第三基座600，第三壳体601，第三底座602，第三端盖603，驱动电机g第一驱动电机g1,第二驱动电机g2,第三驱动电机g3；
驱动机构d凸轮选向机构d1，内齿凸轮d100，环形齿轮部d100.1,环形凸轮部d100.2,第一限位面d100.3,第二限位面d100.4,虚拟圆d100.5,第一凸出部d100.6，第二凸出部d100.7，第三凸出部d100.8，第四凸出部d100.9，第五凸出部d100.10；第一主动齿轮d102，第一卡接件d103，第二卡接件d104，第三卡接件d105，第四卡接件d106,第一限位齿轮d107,齿轮啮合部d107.1,圆形限位板d107.2,第一轴承d108,滑动卡槽d109，弹簧安装孔d1010；齿轮传动机构d2，第二主动齿轮d201，主轴d202，中心传动齿轮d203，太阳齿轮d204，齿轮圈d205，卡位槽d205.1，行星齿轮d206，行星架d207，第一行星齿轮机构d208，第二行星齿轮机构d209，第三行星齿轮机构d2010，第四行星齿轮机构d2011；绞线盘机构d3传动齿轮d301，蜗轮d302，蜗杆d303，绞线槽d304，第一绞线盘机构d305，第二绞线盘机构d306，第三绞线盘机构d307，第四绞线盘机构d308；牵引绳e第一牵引绳e101，第二牵引绳e102，第三牵引绳e103，第四牵引绳e104；撑壁机构f曲柄滑块机构f100，曲柄连杆f101，滑块f102，导杆f103，撑杆f104，撑壁足f105,曲柄盘f106，环形支撑体f107。
具体实施方式
63.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
65.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
66.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.如图1所示是本技术管道机器人的外观图，图2所述是图1的结构爆炸图；请参照图1、图2理解，本技术提供的一种管道机器人包括右侧的头部a、中间的伸缩弯曲部b、以及左侧的尾部c；其中，头部a和尾部c各设置一组撑壁机构f，前行时，前后两组撑壁机构f交替支撑在管壁上；为了解决现有管道机器人无法实现转向或转向不灵活的问题，本技术提供了一种运动机构，设置在中间的伸缩弯曲部b，配合两侧的撑壁机构f实现机器人蠕动前行以及转向动作。
68.如图3所示是本技术伸缩弯曲部b的外观结构展示图；从外部看，中间的伸缩弯曲部b包括左侧的第一基座100，中间的伸缩部200，以及右侧的第二基座300。其中，第一基座100呈圆柱状，由第一底座101和第一壳体102组成；第一壳体102与第一底座101安装组合在一起形成一个圆筒，内部为空腔结构。第二基座300呈圆柱状，其直径优选的与第一基座100的直径等大。第一基座100与第二基座300之间通过管状的波纹套管400连接，波纹套管400优选采用弹性橡胶制成，波纹套管400能够延轴向伸长或变短，也能够自由弯曲；波纹套管400一端连接第一壳体102的圆形端面，另一端连接第二基座300的圆形端面；波纹套管400内部形成空腔结构。
69.如图4所示是图3中将第一壳体102和波纹套管400向上移开后内部结构展示图；其中，第一基座100的空腔结构内安装有驱动机构d，波纹套管400内安装有第一弹性件500，第一弹性件500能够延轴向伸长或变短，也能够自由弯曲；本发明中第一弹性件500具体采用了螺旋弹簧。
70.如图5所示是螺旋弹簧的安装结构展示图；螺旋弹簧的一端安装在第一壳体102的圆形端面上，为了固定螺旋弹簧的位置，第一壳体102的圆形端面边缘凸出形成环形的限位部，限位部中央形成圆形的凹槽，螺旋弹簧与凹槽直径吻合，螺旋弹簧的一端卡在凹槽内；可以进一步通过焊接将螺旋弹簧与第一壳体102的圆形端面固定；螺旋弹簧的另一端安装在第二基座300的圆形端面上，同样的，第二基座300的圆形端面边缘凸出形成环形的限位部，限位部中央形成圆形的凹槽，螺旋弹簧与凹槽直径吻合，螺旋弹簧的另一端卡在凹槽内，可以进一步通过焊接将螺旋弹簧的另一端与第二基座300的圆形端面固定。
71.下面详细介绍本发明中的驱动机构d。首先介绍第一基座100的结构，以方便理解驱动机构d的安装情况。
72.如图6所示是第一基座100拆解开的结构展示图；第一基座100由圆形的第一底座101和圆筒状的第一壳体102组成；第一基座100有两个圆形端面，两个圆形端面上形成有圆形的凹槽结构；为了方便描述，本技术中将第一基座100与第一壳体102的连接端面命名为第一内端面，相对的另一圆形端面命名为第一外端面。
73.如图7所示是第一底座101第一内端面的结构展示图，第一底座101的中心位置设有第一主轴安装孔101.1，第一底座101的非中心位置设有两个第一通孔101.2；围绕中心还设有多个内环定位孔101.3和外环定位孔101.4；此外，第一内端面边缘还等距环形阵列设有四个第一限位卡槽101.5；具体的，如图7中所示，每个第一限位卡槽101.5是两个止挡部101.6相对设置形成的开口结构，开口结构朝向第一内端面中心。
74.如图8所示是第一壳体102的内部结构展示图，第一壳体102呈圆筒状，由圆形的端盖和圆筒壁组成，第一壳体102朝向第一底座101的圆形端面为开口结构；更加具体的，端盖中央设有第二主轴安装孔102.1，第二主轴安装孔102.1与第一底座101中心的第一主轴安
装孔101.1正对，用于安装主轴d202的两端。其次，第一壳体102的圆筒壁上等距环形阵列设有四个第二限位卡槽102.2；第二限位卡槽102.2同样是两个止挡部101.6相对设置形成的开口结构，开口结构朝向第一壳体102中心。此外，第一壳体102内等距环形阵列设有四个蜗杆d303安装结构，包括第一壳体102开口处向中心延伸的四个支撑部102.3，以及四个设置于端盖上的蜗杆定位槽102.5；其中支撑部102.3上开设蜗杆安装孔102.4，蜗杆安装孔102.4与蜗杆定位槽102.5正对。进一步的，第一壳体102的圆筒壁上还等距环形阵列设有四个蜗轮安装部102.6，具体的，蜗轮安装部102.6凸出于圆筒壁、中央设有转动连接孔。
75.如图9所示是第一壳体102与第一底座101组装后内部结构展示图，组装后，第一底座101中心的第一主轴安装孔101.1与第二主轴安装孔102.1正对，用于安装主轴d202的两端；第一限位卡槽101.5和第二限位卡槽102.2连通，用于安装卡接件，卡接件在后面介绍驱动机构d时详细说明。
76.接下来介绍本发明的驱动机构d及其安装结构。
77.如图10-12所示是本发明驱动机构d的结构展示图；驱动机构d是本发明机器人的动力源，驱动机构d主要包括两台驱动电机、凸轮选向机构d1、齿轮传动机构d2、四组绞线盘机构d3、四根牵引绳e；为了方便描述，四根牵引绳分别命名为第一牵引绳e101、第二牵引绳e102、第三牵引绳e103、第四牵引绳e104。下面分别介绍各部分的结构和工作原理。
78.首先，本发明中两台驱动电机中的一台用于驱动凸轮选向机构d1，为了方便描述，命名为第一驱动电机g1；另一台用于驱动齿轮传动机构d2，为了方便描述，命名为第二驱动电机g2。
79.凸轮选向机构d1进一步包括内齿凸轮d100、第一主动齿轮d102、四个卡接件，为了方便描述，四个卡接件分别命名为第一卡接件d103、第二卡接件d104、第三卡接件d105、第四卡接件d106。
80.如图13和图14所示是内齿凸轮d100的立体结构展示图，图15是内齿凸轮d100的平面结构展示图；内齿凸轮d100整体呈圆环状，中央为圆形的通孔，进一步由环形齿轮部d100.1和环形凸轮部d100.2组成，环形凸轮部d100.2与环形齿轮部d100.1平行设置；其中，环形齿轮部d100.1的内环面形成有轮齿，用于连接第一主动齿轮d102从而传动动力；如图14所示，环形齿轮部d100.1的内边缘向内延伸并超出环形凸轮部d100.2的内边缘，从而形成第一限位面d100.3；如图13所示，环形凸轮部d100.2的外边缘超出环形齿轮部d100.1的外边缘，从而形成第二限位面d100.4。
81.如图15所示，环形凸轮部d100.2的基圆上形成有五个凸出部，五个凸出部间隔设置，且在同一个虚拟圆d100.5上；为了方便描述，按顺时针分别命名为第一凸出部d100.6、第二凸出部d100.7、第三凸出部d100.8、第四凸出部d100.9、第五凸出部d100.10。
82.如图15和图16所示是一种优选实施方案中环形凸轮部d100.2的尺寸图，环形凸轮部d100.2的尺寸如下：基圆半径为26cm，中央的圆形通孔半径为22cm，虚拟圆d100.5半径为28cm；第一凸出部d100.6的弧所对圆心角为23
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度曲线；按顺时针，第二凸出部d100.7的弧所对圆心角为5
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度曲线；第一凸出部d100.6与第二凸出部d100.7中间为圆心角为5
°
的基圆段；第三凸出部d100.8的弧所对圆心角为5
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度曲线；第三凸出部d100.8与第二凸出部d100.7中间为圆心角为23
°
的基圆段；第四凸出部d100.9的弧所对圆心角为23
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度
曲线；第四凸出部d100.9与第三凸出部d100.8中间为圆心角为5
°
的基圆段；第五凸出部d100.10的弧所对圆心角为23
°
，两侧为圆心角为13
°
的过度曲线；第五凸出部d100.10与第四凸出部d100.9中间为圆心角为59
°
的基圆段。
83.如图17所示是内齿凸轮d100的安装结构展示图，如图18所示是内齿凸轮d100的安装结构细节展示图；内齿凸轮d100安装在第一底座101的第一内端面侧，被四周的四个第一限位卡槽101.5包围；内齿凸轮d100的一种具体安装方案如下：内齿凸轮d100中央通孔侧通过多个第一限位齿轮d107啮合支撑；如图18所示，第一限位齿轮d107由齿轮啮合部d107.1和圆形限位板d107.2组成，圆形限位板d107.2与第一限位面d100.3间隙配合，齿轮啮合部d107.1与环形齿轮部d100.1啮合；第一限位齿轮d107中央通过定位轴可转动地安装在内环定位孔101.3处；内齿凸轮d100外围通过多个第一轴承d108接触支撑；如图18所示，第一轴承d108通过定位轴可转动地安装在外环定位孔101.4处；第一轴承d108的外周面与环形齿轮部d100.1的外周面滚动接触，第一轴承d108的端面与第二限位面d100.4间隙配合。如图17所示，内齿凸轮d100通过第一限位齿轮d107和第一轴承d108可转动的安装在第一底座101内。
84.如图17所示，内齿凸轮d100的环形齿轮部d100.1内侧安装第一主动齿轮d102，第一主动齿轮d102与环形齿轮部d100.1的轮齿啮合；第一主动齿轮d102的中央安装在第一驱动电机g1的驱动轴上；第一驱动电机g1安装在第一底座101的第一外端面侧（如图3所示），第一驱动电机g1的驱动轴穿过位于第一底座101下侧的第一通孔101.2。通过第一驱动电机g1带动内齿凸轮d100正转或反转。
85.下面介绍四个卡接件的安装结构，为了方便描述，四个卡接件分别命名为第一卡接件d103、第二卡接件d104、第三卡接件d105、第四卡接件d106。
86.如图19所示是卡接件的立体结构图，卡接件呈l形，卡接件的内侧面形成有滑动卡槽d109，外侧面形成有弹簧安装孔d1010，弹簧安装孔d1010内用于安装弹簧；如图18所示，第一底座101上四个第一限位卡槽101.5内各安装一个卡接件，卡接件的外侧面通过弹簧与第一限位卡槽101.5的内壁连接，卡接件内侧面的滑动卡槽d109卡接在环形凸轮部d100.2的边缘；随着环形凸轮部d100.2转动，当卡接件移动至环形凸轮部d100.2上的凸出部上时，卡接件沿着径向被推动远离环形凸轮部d100.2的中心点，同时卡接件外侧面的弹簧被压缩；当卡接件移动至环形凸轮部d100.2上的基圆上时，弹簧将卡接件推动靠近环形凸轮部d100.2的中心点。
87.接下来介绍齿轮传动机构d2的结构。
88.齿轮传动机构d2进一步包括第二主动齿轮d201、主轴d202、中心传动齿轮d203、四组行星齿轮机构；下面详细介绍各部分的结构和连接关系。
89.本发明中通过第二驱动电机g2驱动齿轮传动机构d2，如图3所示，第二驱动电机g2安装在第一底座101的第一外端面侧，如图17所示，第二驱动电机g2的驱动轴穿过位于第一底座101上侧的第一通孔101.2并安装第二主动齿轮d201；第一底座101中心的第一主轴安装孔101.1处安装轴承，轴承上连接主轴d202的一端，主轴d202的另一端连接在第一壳体102的端盖中央，端盖中央的第二主轴安装孔102.1内同样安装轴承，主轴d202的另一端安装在轴承上。
90.如图20所示是主轴d202上结构展示图，主轴d202的根部安装有中心传动齿轮
d203，中心传动齿轮d203与第二主动齿轮d201啮合，第二主动齿轮d201将第二驱动电机g2的动力传动给主轴d202，带动主轴d202正转或反转。
91.下面介绍四组行星齿轮机构的结构和连接关系。
92.如图21所示是四组行星齿轮机构安装在主轴d202上的结构展示图，图22是一组行星齿轮机构的结构展示图，图23是图22另一角度的结构展示图。
93.如图22所示，每组行星齿轮机构包括一个太阳齿轮d204、一个齿轮圈d205、三个行星齿轮d206、一个行星架d207；其中太阳齿轮d204安装在主轴d202上（如图20所示），和主轴d202同步转动；齿轮圈d205与太阳齿轮d204同轴、同平面安装，齿轮圈d205与太阳齿轮d204之间等距环形阵列设置三个行星齿轮d206；行星齿轮d206和相邻的太阳轮、齿圈总是处于常啮合状态；行星齿轮d206中央安装轴承，轴承中央安装有旋转轴；齿轮圈d205的外边缘设有一圈若干卡位槽d205.1，卡位槽d205.1与l形的卡接件配合；具体的，随着环形凸轮部d100.2转动，当卡接件移动至环形凸轮部d100.2上的基圆上时，弹簧将卡接件推动靠近环形凸轮部d100.2的中心点，此时，卡接件的端部卡入卡位槽d205.1内；当卡接件移动至环形凸轮部d100.2上的凸出部上时，卡接件沿着径向被推动远离环形凸轮部d100.2的中心点，此时，卡接件的端部从卡位槽d205.1内脱离。
94.如图22所示，齿轮圈d205前方平行安装圆形的行星架d207；行星架d207的中央通过轴承安装在主轴d202上；行星架d207的外边缘设有一圈轮齿，用于啮合蜗轮蜗杆机构。此外，行星齿轮d206中央的旋转轴连接在行星架d207上。
95.如图21所示，从主轴d202根部开始依次设有四组行星齿轮机构，为了方便描述分别命名为第一行星齿轮机构d208、第二行星齿轮机构d209、第三行星齿轮机构d2010、第四行星齿轮机构d2011；每组行星齿轮机构对应一个卡接件；具体的，如图24所示，右下角的第一卡接件d103对应第一行星齿轮机构d208；如图25所示，左下角的第二卡接件d104对应第二行星齿轮机构d209；左上角的第三卡接件d105对应第三行星齿轮机构d2010；如图24所示，右上角的第四卡接件d106对应第四行星齿轮机构d2011。
96.下面介绍四组绞线盘机构d3。
97.为了方便描述，四组绞线盘机构d3分别命名为第一绞线盘机构d305、第二绞线盘机构d306、第三绞线盘机构d307、第四绞线盘机构d308；四组绞线盘机构d3呈90
°
环形阵列分布，每组绞线盘机构d3进一步包括传动齿轮d301和蜗轮蜗杆机构。
98.如图24所示，第一绞线盘机构d305设置于第一卡接件d103和第四卡接件d106之间，蜗轮蜗杆机构中的蜗杆d303与主轴d202平行设置；蜗轮蜗杆机构的具体安装结构见图26所示，蜗杆d303两端通过轴承安装在第一壳体102上；具体的，如图26所示，前面介绍中，第一壳体102内等距环形阵列设有四个蜗杆安装结构，包括第一壳体102开口处向中心延伸的四个支撑部102.3，以及四个设置于端盖上的蜗杆定位槽102.5；其中支撑部102.3上开设蜗杆安装孔102.4，蜗杆安装孔102.4与蜗杆定位槽102.5正对并各安装一个轴承，蜗杆d303两端安装在轴承上；此外，第一壳体102的圆筒壁上还等距环形阵列设有四个蜗轮安装部102.6，具体的，蜗轮安装部102.6凸出于圆筒壁、中央设有转动连接孔；蜗轮蜗杆机构中的蜗轮d302通过定位轴安装在蜗杆d303一侧，蜗轮d302与蜗杆d303啮合；蜗轮d302上形成有绞线槽d304，用于缠绕牵引绳；蜗杆d303的一端安装传动齿轮d301，第一绞线盘机构d305中的传动齿轮d301与第一行星齿轮机构d208中的行星架d207啮合；蜗轮d302上形成有绞线槽
d304缠绕第一牵引绳e101。
99.其余绞线盘机构d3与第一绞线盘机构d305的安装结构相同，区别是安装位置不同；如图27所示是第二绞线盘机构d306的结构展示图，第二绞线盘机构d306设置于第三卡接件d105和第四卡接件d106之间，第二绞线盘机构d306中的传动齿轮d301与第二行星齿轮机构d209中的行星架d207啮合；蜗轮d302上形成的绞线槽d304缠绕第二牵引绳e102（如图11所示）。如图25所示，第三绞线盘机构d307设置于第二卡接件d104和第三卡接件d105之间，第三绞线盘机构d307中的传动齿轮d301与第三行星齿轮机构d2010中的行星架d207啮合；蜗轮d302上形成的绞线槽d304缠绕第三牵引绳e103（如图11所示）。如图25所示，第四绞线盘机构d308设置于第一卡接件d103和第二卡接件d104之间，第四绞线盘机构d308中的传动齿轮d301与第四行星齿轮机构d2011中的行星架d207啮合；蜗轮d302上形成的绞线槽d304缠绕第四牵引绳e104（如图11所示）。
100.如图5所示，四根牵引绳的一端各自连接在对应的蜗轮d302绞线槽d304上，另一端穿过第一壳体102和中间的伸缩部200，达到右侧的第二基座300并与第二基座300连接，牵引绳通过波纹套管400内安装的第一弹性件500（即螺旋弹簧）处于绷直状态。
101.本发明中通过第一驱动电机g1带动凸轮选向机构d1旋转，进而控制不同卡接件与齿轮传动机构d2结合，齿轮传动机构d2中与卡接件结合的行星齿轮机构带动对应的绞线盘机构d3转动，实现对应牵引绳的缠绕或者展开。
102.下面结合驱动机构d的机构原理图28，以及内齿凸轮d100的不同状态图介绍本发明管道机器人运动机构如何实现蠕动前行以及转向动作。
103.如图28所示，从右向左依次为第一行星齿轮机构d208、第二行星齿轮机构d209、第三行星齿轮机构d2010、第四行星齿轮机构d2011；分别对应第一卡接件d103、第二卡接件d104、第三卡接件d105、第四卡接件d106，以及分别对应第一绞线盘机构d305、第二绞线盘机构d306、第三绞线盘机构d307、第四绞线盘机构d308。
104.下面介绍管道机器人蠕动前行动作过程。
105.如图29所示是内齿凸轮d100的第一状态图；该状态下四个卡接件都在内齿凸轮d100的环形凸轮部d100.2的基圆上，弹簧将卡接件推动靠近环形凸轮部d100.2的中心点；此时，四个卡接件的端部各自卡入对应行星齿轮机构的齿轮圈d205的外边缘卡位槽d205.1内；这种状态下，第二驱动电机g2带动四组行星齿轮机构转动，进而带动四个绞线盘机构d3同时缠绕或者展开牵引绳，牵引绳缠绕时伸缩弯曲部b执行收缩动作，牵引绳展开时伸缩弯曲部b执行展开动作。
106.第一状态下，进一步配合头部a和尾部c各设置的一组撑壁机构f实现蠕动前行动作，蠕动前行动作可以进一步划分为如图30所示的步骤。
107.如图30所示，管道机器人直线爬行周期流程如下：ⅰ.机器人伸缩弯曲部b处于松弛状态，头部a和尾部c各设置的撑壁机构f展开与管道壁贴紧固定；ⅱ.机器人尾部撑壁机构f缩回，解除尾部固定状态；ⅲ.机器人伸缩弯曲部b执行收缩动作，机器人尾部向头部方向运动；ⅳ.机器人尾部撑壁机构f展开，尾部再次固定于管壁；
ⅴ
.机器人头部撑壁机构f缩回，解除头部固定状态；
ⅵ
.机器人伸缩弯曲部b展开，机器人头部向前移动；ⅶ.机器人头部撑壁机构f展开，将头部再次固定于管壁，进入下一爬行周期。
108.下面介绍管道机器人的转向动作过程。
109.如图31所示是内齿凸轮d100的第二状态图；该状态下，第三卡接件d105和第四卡接件d106在内齿凸轮d100的环形凸轮部d100.2的基圆上，第一卡接件d103和第二卡接件d104被环形凸轮部d100.2的凸出部向外推动远离环形凸轮部d100.2的中心点，此时，第一卡接件d103和第二卡接件d104的端部从各自对应行星齿轮机构的齿轮圈d205的外边缘卡位槽d205.1内脱离；这种状态下，第二驱动电机g2带动第三和第四行星齿轮机构转动，进而带动第三和第四绞线盘机构同时缠绕或者展开牵引绳，第三和第四绞线盘机构上的第三牵引绳e103和第四牵引绳e104缠绕缩短（参照图11理解），第一和第二绞线盘机构上的第一牵引绳e101和第二牵引绳e102保持原长度不变，可以控制机器人的头部向第三牵引绳e103和第四牵引绳e104一侧弯曲。
110.第二状态下，进一步配合头部a和尾部c各设置的一组撑壁机构f实现转向动作，转向动作可以进一步划分为如图32所示的步骤。
111.如图32所示，管道机器人转向流程如下：ⅰ.机器人行进到岔路口，机器人尾部撑壁机构f展开，尾部固定于原管道管壁上；机器人头部撑壁机构f缩回，解除头部固定状态，并进入转向后管道内。
[0112]ⅱ.第三和第四绞线盘机构上的第三牵引绳e103和第四牵引绳e104缠绕缩短，第一和第二绞线盘机构上的第一牵引绳e101和第二牵引绳e102保持原长度不变，控制机器人的头部向第三牵引绳e103和第四牵引绳e104一侧弯曲，使得机器人的头部转向并进入转向后管道内；（这里假设弯曲方向与管道转弯方向一致，这取决于管道机器人放入管道时的状态）。
[0113]ⅲ.机器人尾部撑壁机构f缩回，解除尾部固定状态；机器人尾部进入转向后管道内。
[0114]ⅳ.当机器人全部进入转向后管道内，机器人头部撑壁机构f展开固定于管壁；至此转向动作完成。
[0115]
本发明中共有4根牵引绳，除图31所示内齿凸轮d100的第二状态外，还有三种转向状态，可以实现其它三个方向的转向动作，下面结合图做详细介绍。
[0116]
如图33所示是内齿凸轮d100的第三状态图；该状态下，第一卡接件d103和第四卡接件d106在内齿凸轮d100的环形凸轮部d100.2的基圆上，第二卡接件d104和第三卡接件d105被环形凸轮部d100.2的凸出部向外推动远离环形凸轮部d100.2的中心点，此时，第二卡接件d104和第三卡接件d105的端部从各自对应行星齿轮机构的齿轮圈d205的外边缘卡位槽d205.1内脱离；这种状态下，第二驱动电机g2带动第一和第四行星齿轮机构转动，进而带动第一和第四绞线盘机构同时缠绕或者展开牵引绳，第一和第四绞线盘机构上的第一牵引绳e101和第四牵引绳e104缠绕缩短，第二和第三绞线盘机构上的第二牵引绳e102和第三牵引绳e103保持原长度不变，可以控制机器人的头部向第一牵引绳e101和第四牵引绳e104一侧弯曲。
[0117]
如图34所示是内齿凸轮d100的第四状态图；该状态下，第一卡接件d103和第二卡接件d104在内齿凸轮d100的环形凸轮部d100.2的基圆上，第三卡接件d105和第四卡接件
d106被环形凸轮部d100.2的凸出部向外推动远离环形凸轮部d100.2的中心点，此时，第三卡接件d105和第四卡接件d106的端部从各自对应行星齿轮机构的齿轮圈d205的外边缘卡位槽d205.1内脱离；这种状态下，第二驱动电机g2带动第一和第二行星齿轮机构转动，进而带动第一和第二绞线盘机构同时缠绕或者展开牵引绳，第一和第二绞线盘机构上的第一牵引绳e101和第二牵引绳e102缠绕缩短，第三和第四绞线盘机构上的第三牵引绳e103和第四牵引绳e104保持原长度不变，可以控制机器人的头部向第一牵引绳e101和第二牵引绳e102一侧弯曲。
[0118]
如图35所示是内齿凸轮d100的第五状态图；该状态下，第二卡接件d104和第三卡接件d105在内齿凸轮d100的环形凸轮部d100.2的基圆上，第一卡接件d103和第四卡接件d106被环形凸轮部d100.2的凸出部向外推动远离环形凸轮部d100.2的中心点，此时，第一卡接件d103和第四卡接件d106的端部从各自对应行星齿轮机构的齿轮圈d205的外边缘卡位槽d205.1内脱离；这种状态下，第二驱动电机g2带动第二和第三行星齿轮机构转动，进而带动第二和第三绞线盘机构同时缠绕或者展开牵引绳，第二和第三绞线盘机构d307上的第二牵引绳e102和第三牵引绳e103缠绕缩短，第一和第四绞线盘机构上的第一牵引绳e101和第四牵引绳e104保持原长度不变，可以控制机器人的头部向第二牵引绳e102和第三牵引绳e103一侧弯曲。
[0119]
如图36所示是上述四种弯曲状态的立体结构展示图，综上所述，本发明中驱动机构d主要包括两台驱动电机、凸轮选向机构d1、齿轮传动机构d2、四组绞线盘机构d3、四根牵引绳；其中，凸轮选向机构d1由步进电机（即第一驱动电机g1）带动凸轮选向机构d1中的内齿凸轮d100转动，使得内齿凸轮d100外围分布的四个卡接件呈现五种不同的卡止动作，其中一种是4个卡接件同时卡住，该情形下实现四根牵引绳的同时收或放，进而控制中间的伸缩弯曲部实现缩短或伸长动作；其余四种卡止动作为相邻两个卡接件卡住的情形，可以控制四组绞线盘机构d3中的两组牵引绳收或放；进而控制中间的伸缩弯曲部能够向四个方向弯曲运动。
[0120]
本发明还提供了一种设置于头部a和尾部c中的撑壁机构f。设置于头部a和尾部c中的撑壁机构f的结构相同，本发明中以头部a的撑壁机构f为例进行详细说明。尾部c中的撑壁机构f与头部a的撑壁机构f中心对称。
[0121]
如图37所示是管道机器人头部a的外观展示图，前面介绍到本发明中间的伸缩弯曲部b包括左侧的第一基座100，中间的伸缩部200，以及右侧的第二基座300，第二基座300的前端进一步设置第三基座600，第三基座600进一步包括第三壳体601，第三底座602、第三端盖603。
[0122]
如图38所示是第三基座600的内部结构展示图；第三底座602与第二基座300之间通过圆筒状的第三壳体601连接，第三壳体601内部形成空腔用于安装第三驱动电机g3和控制电路板；如图39所示是第三底座602圆形端面的结构展示图，第三底座602圆形端面设有撑壁机构f，撑壁机构f包括六组环形阵列分布的曲柄滑块机构f100，以及一个由舵机（即第三驱动电机g3）驱动的圆形曲柄盘f106，曲柄盘f106安装在第三底座602圆形端面中心位置；如图40所示是去掉曲柄盘f106后第三底座602圆形端面中心结构展示图，第三底座602圆形端面中央形成通孔，用于穿过第三驱动电机g3的驱动轴，驱动轴上连接曲柄盘f106，第三底座602圆形端面中央通孔周围形成有凸出于表面的环形支撑体f107。
[0123]
如图41所示是曲柄滑块机构f100的细节展示图，每组曲柄滑块机构f100进一步包括曲柄连杆f101、滑块f102、导杆f103、撑杆f104、撑壁足f105；如图42所示是一组曲柄滑块机构f100的细节展示图，圆形的曲柄盘f106四周环形阵列设有六根撑杆f104，撑杆f104延第三底座602圆形端面径向延伸，如图40所示，撑杆f104的内侧端固定在第三底座602圆形端面中央的环形支撑体f107外壁上，撑杆f104的外侧端固定在第三底座602圆形端面外侧的凸出边缘上（图41中所示）；如图42所示，撑杆f104上滑动连接方形滑块f102，撑杆f104穿过方形滑块f102中央的通孔，方形滑块f102两侧各安装一根导杆f103，两个导杆f103与中央的撑杆f104平行设置，两个导杆f103的外侧端连接弧形撑壁足f105，撑壁足f105优选采用橡胶材料制成；撑壁足f105位于第三底座602圆形端面边缘外侧；如图43所示；滑块f102上表面中央安装有轴承；曲柄连杆f101的一端通过连杆与滑块f102上轴承转动连接，另一端通过柱销转动连接在曲柄盘f106上表面。如图37所示，第三端盖603盖住第三底座602的圆形端面，只露出六个撑壁足f105。
[0124]
如图44所示是本发明撑壁机构f的机构原理图，曲柄盘f106由第三驱动电机g3驱动正转或反转；通过改变曲柄盘f106的旋转角度，可以控制六个曲柄滑块机构f100进行同步伸缩。伸长时支撑在管道内壁上，缩短时解除固定。
[0125]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。