一种可调整姿态的管道机器人

1.本发明涉及管道机器人技术领域，特别是涉及一种可调整姿态的管道机器人。


背景技术：

2.在全球经济高速发展的年代，油气储存运输管道的需求量更是增长迅速，随之而来的对管道的检测技术在国内外的需求也越发不可忽视。
3.管道检测通常是采用管道机器人进行。目前大多数管内检测机器人对管内的作业还只局限于简单的直管和弯管环境，如申请号为“202110582915.8”，名称为“一种弯曲管道行走机器人及方法”的发明专利。但是，对于一些复杂管道，比如y型管道和四通管道，因为在y型管道分叉口位置，空间增大，而在四通管中，机器人在竖直管道上升处的两侧没有管壁接触，这些因素都大大降低了上述机器人在的通过性，导致检测过程难以正常进行。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可调整姿态的管道机器人，以解决现有技术存在的问题，使得管道机器人能够根据管道的变化进行各种姿态变化，适应复杂管道，实现对复杂管道进行检测的目的。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可调整姿态的管道机器人，包括主框架和均设置在所述主框架上的若干主动行走机构、若干从动行走机构，若干所述主动行走机构沿所述主框架的周向均匀分布在所述主框架的中部，若干所述从动行走机构分别设置在所述主框架的上部、下部；
6.所述主动行走机构包括第一架体、第一主动锥齿轮和均转动设置在所述第一架体上的第一传动轴、第一从动锥齿轮，所述第一主动锥齿轮与所述第一架体均旋转设置在所述主框架上，且所述第一主动锥齿轮与所述第一架体的旋转轴同轴，所述第一传动轴与所述第一从动锥齿轮同轴设置，并沿所述主框架的径向方向可滑动，所述第一传动轴的一端设置有用于抵接在管道内壁上的主动轮，另一端与所述第一从动锥齿轮键连接，所述第一主动锥齿轮与所述第一从动锥齿轮相啮合；所述第一架体上还设置有能够将所述第一从动锥齿轮进行固定的锁紧机构；
7.所述从动行走机构包括伸缩部，所述伸缩部的伸缩方向垂直于若干所述行走机构的分布平面，所述伸缩部的端部设置有用于抵接在管道内壁上的万向球轮。
8.优选的，所述锁紧机构包括设置在所述第一架体上的第一驱动齿轮、与所述第一驱动齿轮啮合的第一从动齿轮和套设在所述第一传动轴上的套筒，所述套筒的外壁上设置有连杆，所述连杆端部设置有丝孔，所述第一从动齿轮同轴连接有丝杠，所述丝杠穿设在所述丝孔中；所述套筒的内壁上设置有花键槽，所述第一从动锥齿轮上沿轴向设置有用于与所述花键槽配合的花键。
9.优选的，所述第一驱动齿轮与所述第一传动轴同轴设置，且所述第一从动齿轮设置有两个，分别设置在所述主动齿轮两侧。
10.优选的，所述第一传动轴上设置有两间隔设置的轴肩，所述套筒的端部设置有沿其径向设置的凸缘，所述凸缘卡在两所述轴肩之间。
11.优选的，所述第一架体包括两垂直交叉设置的框型架，所述第一主动锥齿轮、所述第一从动锥齿轮与所述套筒均设置在所述两所述框型架的内部。
12.优选的，所述主框架上设置有第二架体，所述伸缩部包括转动设置在第二架体上的第二驱动齿轮、与所述第二驱动齿轮啮合的第二从动齿轮和球轮支撑座，所述第二从动齿轮的上同轴、螺纹连接有螺杆，所述螺杆的端部与所述球轮支撑座固定连接，所述球轮支撑座上设置有所述万向球轮。
13.优选的，所述第二架体包括固定板，若干所述第二从动齿轮均转动设置在所述固定板上。
14.优选的，还包括第二主动锥齿轮和与所述第二主动锥齿轮啮合的两第二从动锥齿轮，所述第二从动锥齿轮连接有第二传动轴，两所述第二传动轴的端部分别连接两所述伸缩部中的所述第二驱动齿轮。
15.优选的，所述第二主动锥齿轮与所述第二从动锥齿轮均位于所述主框架的内部，所述固定板固定在所述主框架上，所述球轮支撑座与所述万向球轮位于所述主框架外部。
16.优选的，所述主动行走机构设置有四组。
17.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
18.1、本发明中的管道机器人能够实现第一传动轴与管道内壁夹角、主动轮的行走方向和管道机器人直径三方面的调整，使得管道机器人能够根据管道的变化进行各种姿态变化，适应复杂管道，实现对复杂管道进行检测的目的；
19.2、本发明中的管道机器人通过第一传动轴转向与相对于管道内壁角度的调整，使得管道机器人自身能够翻转，从而具有良好的避障功能；
20.3、本发明中的管道机器人将第一传动轴的伸缩运动与公转运动进行了耦合，即用两个动力源可实现第一传动轴的自转，公转以及伸缩，结构更加紧凑、简单。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
22.图1为本发明中管道机器人的整体结构示意图；
23.图2为管道机器人中主动行走机构的整体结构示意图；
24.图3为主动行走机构省略第一架体后的结构示意图；
25.图4为图3的纵剖视图；
26.图5为管道机器人中从动行走机构的整体结构示意图；
27.图6为管道机器人通过y型管道时的示意图；
28.图7为管道机器人通过四通管道时的示意图；
29.图8为管道机器人通过t型管道时的示意图；
30.图9为管道机器人通过异形管道时的示意图；
31.其中，1、主框架；2、第一架体；3、第一主动锥齿轮；4、第一从动锥齿轮；5、第一传动轴；6、主动轮；7、第一驱动齿轮；8、第一从动齿轮；9、丝杠；10、套筒；11、花键槽；12、花键；13、轴肩；14、第二假体；15、第二主动锥齿轮；16、第二从动锥齿轮；17、第二传动轴；18、第二驱动齿轮；19、第二从动齿轮；20、螺杆；21、球轮支撑座；22、万向球轮；23、固定板。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明的目的是提供一种可调整姿态的管道机器人，以解决现有技术存在的问题，使得管道机器人能够根据管道的变化进行各种姿态变化，适应复杂管道，实现对复杂管道进行检测的目的。
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
35.如图1～图5所示，本实施例提供一种可调整姿态的管道机器人，包括主框架1和均设置在主框架1上的若干主动行走机构、若干从动行走机构，若干主动行走机构沿主框架1的周向均匀分布在主框架1的中部，若干从动行走机构分别设置在主框架1的上部、下部；主动行走机构包括第一架体2、第一主动锥齿轮3和均转动设置在第一架体2上的第一传动轴5、第一从动锥齿轮4，第一主动锥齿轮3与第一架体2均旋转设置在主框架1上，且第一主动锥齿轮3与第一架体2的旋转轴同轴，第一主动锥齿轮3与第一从动锥齿轮4相啮合，第一传动轴5与第一从动锥齿轮4同轴设置，并沿主框架1的径向方向可滑动，第一传动轴5的一端设置有用于抵接在管道内壁上的主动轮6，另一端与第一从动锥齿轮4键连接；第一架体2上还设置有能够将第一从动锥齿轮4进行固定的锁紧机构；从动行走机构包括伸缩部，伸缩部的伸缩方向垂直于若干行走机构的分布平面，伸缩部的端部设置有用于抵接在管道内壁上的万向球轮22。
36.为了区分方向，将第一传动轴5分布的平面为径向方向，两伸缩部的伸缩方向为轴向方向。当管道机器人在管道中进行行走时，主动轮6与万向球轮22均抵接在管道内壁上，主动轮6进行主动转动，使得管道机器人在管道中进行行走；第一传动轴5能够沿主框架1的径向方向滑动，进而改变其伸长距离，达到调整管道机器人径向方向直径的目的；两伸缩部伸长或者缩短，达到调整管道机器人轴向方向直径的目的；锁紧机构将第一从动锥齿轮4进行锁紧时，第一从动锥齿轮4不能进行自转，当第一主动锥齿轮3主动转动时，第一架体2则绕第一主动锥齿轮3的旋转轴转动，从而改变第一传动轴5与管道内壁的支撑角度；当锁紧机构与第一从动锥齿轮4断开连接，第一主动锥齿轮3主动转动时能够带动第一从动锥齿轮4进行自转，进而带动第一传动轴5转动，从而可以改变主动轮6的角度。因此，本实施例中的管道机器人能够实现第一传动轴5与管道内壁夹角、主动轮6的行走方向和管道机器人直径三方面的调整，使得管道机器人能够根据管道的变化进行各种姿态变化，适应复杂管道，实现对复杂管道进行检测的目的。同时管道机器人通过第一传动轴5转向与相对于管道内壁角度的调整，使得管道机器人自身能够翻转，从而具有良好的避障功能。
37.为了保证管道机器人行走稳定，本实施例中主动行走机构均匀设置有四组。
38.本实施例中锁紧机构包括设置在第一架体2上的第一驱动齿轮7、与第一驱动齿轮7啮合的第一从动齿轮8和套设在第一传动轴5上的套筒10，第一驱动齿轮7与第一传动轴5同轴设置，且第一从动齿轮8设置有两个，分别设置在主动齿轮两侧；套筒10的外壁上设置有连杆，连杆端部设置有丝孔，第一从动齿轮8同轴连接有丝杠9，丝杠9穿设在丝孔中；套筒10的内壁上设置有花键槽11，第一从动锥齿轮4上沿轴向设置有用于与花键槽11配合的花键12。当需要将第一从动锥齿轮4锁紧时，第一驱动齿轮7带动第一从动齿轮8转动，丝杠9同时进行转动，套筒10沿丝杠9的轴向进行前后移动，当套筒10套在第一从动锥齿轮4上的花键12上后，第一从动锥齿轮4被锁定，不能进行自转，当第一主动锥齿轮3转动时，第一从动锥齿轮4绕第一主动锥齿轮3公转。
39.本实施例中第一传动轴5上设置有两间隔设置的轴肩13，套筒10的端部设置有沿其径向设置的凸缘，凸缘卡在两轴肩13之间，当第一驱动齿轮7带动套筒10往复移动时，能通过套筒10与轴肩13的配合带动第一传动轴5进行伸缩，实现管道机器人变径的目的。此种形式的管道机器人将第一传动轴5的伸缩运动与公转运动进行了耦合，即用两个动力源可实现第一传动轴5的自转，公转以及伸缩，结构更加紧凑、简单。需要说明的是，采用此种结构时，套筒10在第一传动轴5的最内端将第一从动锥齿轮4进行锁止时，能够改变第一传动轴5与管道内壁之间的夹角，此时，管道机器人的直径最小；因此，在实际使用时，可以将套筒10与第一从动锥齿轮4的配合状态(管道机器人的最小直径状态)作为初始状态，当需要对管道机器人进行姿态调整时，先调整第一传动轴5与管道内壁的夹角，调整完成后，再调整第一传动轴5的伸缩，实现管道机器人轴向方向上直径的调整。
40.进一步的，本实施例中第一架体2包括两垂直交叉设置的框型架，框型架内部中空，第一主动锥齿轮3、第一从动锥齿轮4与套筒10均设置在两框型架的内部。
41.本实施例中，主框架1上设置有第二架体14，伸缩部包括转动设置在第二架体14上的第二主动锥齿轮15、与第二主动锥齿轮15啮合的第二从动锥齿轮16，第二从动锥齿轮16连接有第二传动轴17，第二传动轴17的端部设置有第二驱动齿轮18，第二驱动齿轮18传动连接有若干第二从动齿轮19，若干第二从动齿轮19的中部均穿设有螺杆20，若干螺杆20的端部均固定在求轮支撑座21上，求轮支撑座21上设置有万向球轮22。第二主动锥齿轮15带动第二从动锥齿轮16转动，进而通过第二传动轴17带动第二驱动齿轮18转动，第二驱动齿轮18带动第二从动齿轮19转动时，第二从动齿轮19中的螺杆20往复运动，进而带动求轮支撑座21、万向球轮22向外伸出或者缩回，实现管道机器人在轴向方向上的变径。同时，两第二从动锥齿轮16均与第二主动锥齿轮15啮合，使得两第二传动轴17能够同时伸出或者缩回，实现同步调节的目的。
42.本实施例中第二架体14包括固定板23，若干第二从动齿轮19均转动设置在固定板23上。
43.本实施例中第二主动锥齿轮15与第二从动锥齿轮16均位于主框架1的内部，固定板23固定在主框架1上，求轮支撑座21与万向球轮22位于主框架1外部。
44.以下针对不同类型的复杂管路说明本实施例中管道机器人的姿态调整形式。
45.管道机器人通过y型管路的过程如图6所示。
46.当管道机器人即将到达分叉口时，首先将第一传动轴5调整至与管道内壁垂直的
状态，调整时，需要将缩回第一传动轴5，使套筒10与第一从动锥齿轮4上的花键12配合，再驱动第一传动轴5绕第一主动锥齿轮3公转，调整第一传动轴5与管道内壁的角度，由于套筒10与第一从动锥齿轮4通过键槽配合时，第一传动轴5无法自转，所以，需要将第一传动轴5伸长至主动轮6与管道内壁贴合，由此可知，第一传动轴5改变与管道内壁之间夹角时，驱动轮与管道内壁之间是不接触的，在两万向球轮22的支撑作用下，四根第一传动轴5同时缩短，管道机器人可能会产生失稳的情况，即便是失稳，第一传动轴5伸长时也可能恢复稳定的姿态；为了避免失稳情况的发生，四根第一传动轴5也可以逐一进行调整；第一传动轴5与管道内壁垂直后，第一传动轴5自转，驱动轮的行进方向变为管道周向，驱动轮转动，将管道机器人翻转90
°
，然后第一传动轴5自转，驱动轮的行进方向变为管道轴向，继续行驶；当临近分叉口时，前端驱动轮所在的第一传动轴5自转，使前端的驱动轮朝向支管倾斜，使得管道机器人获得朝向支管行驶，当前端驱动轮驶入支管后，后端驱动轮所在的第一传动轴5自转，使后端的驱动轮朝向支管倾斜，进而完全驶入支管中；进入支管后，管道机器人可重新调整至初始姿态。
47.管道机器人通过四通管路的过程如图7所示。
48.当管道机器人即将到达分叉口时，首先将第一传动轴5调整至与管道内壁垂直的状态，然后第一传动轴5自转，驱动轮的行进方向变为管道周向，驱动轮转动，将管道机器人翻转90
°
，然后第一传动轴5自转，驱动轮的行进方向变为管道轴向，然后第一传动轴5调整至与管道内壁倾斜的状态，在万向球轮22脱离管壁前，可以先将前端的第一传动轴5伸长，使其抵接在支管的管壁上，避免管道机器人失稳，当管道机器人继续向前移动的过程中，前端的第一传动轴5的长度逐渐缩短，当后端驱动轮移动至拐角处时，可以先向上旋转一定角度，然后伸长至与支管的管壁抵接，然后驱动轮转动，管道机器人向上移动。
49.基于上述姿态调整原理，本实施例中的管道机器人还可以在t型管道(如图8所示)和其他异形管中(如图9所示)进行行走。
50.需要说明的是，机器人在行走过程中需要控制程序进行控制行走轮、第一主动锥齿轮3、第二主动锥齿轮15和第一驱动齿轮7的转动，控制程序可以是远程蓝牙控制器，通过设置在管道机器人上的图像监控模块对管道内部的情况进行判断，并相应控制各部件的运动实现管道机器人姿态的调整；也可以在管道机器人上设置控制模块，结合图像监控模块对周围环境的采集、分析，作出动作判断和规划。具体的控制程序，本领域技术人员是根据自身技能和本领域公知常识能够实现的，对此，本实施例并不进行赘述。
51.根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
52.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。