一种驱动轮转向可控的轮式管道机器人

摘要

本发明涉及一种驱动轮转向可控的轮式管道机器人，主要由前后各两弹性臂单元与躯体组成。两前臂单元上分别设置有驱动电机，驱动机器人向前或向后运动；利用差速控制，机器人可以高效平稳地通过弯管。机器人躯体内设置有驱动轮转向变向机构，通过同时调节来四个驱动轮与管道截面的夹角，快速调节机器人在管道内的姿态。本发明的管道机器人结构简单，能自适应微小管径变化，能快速调节机器人在管道内的姿态，具有越障能力，且能以最佳的姿态角，平稳高效地通过弯管道及变径管道等复杂管道，从而能保证管道的正常检修和维护。

权利要求

1.一种驱动轮转向可控的轮式管道机器人，包括：两前臂单元，两后臂单元和躯体；

所述两前臂单元与所述两后臂单元均布于所述躯体四周，形成十字形结构；

所述躯体由前箱盖、箱体、后箱盖和在躯体内部设置的驱动轮转向变向机构组成；

所述前箱盖固定在所述箱体前端面上；所述后箱盖固定在所述箱体后端面上；

所述驱动轮转向变向机构由转向电机、减速箱、大锥齿轮、四个小锥齿轮和四个传动轴组成；由所述减速箱和所述转向电机组成减速电机，并设置在所述前箱盖上；

在所述减速箱的输出轴上，并处于所述箱体内部设置有所述大锥齿轮，所述大锥齿轮分别与所述四个小锥齿轮相啮合，并用于传递扭矩及改变运动方向；

所述四个小锥齿轮分别固定在所述四个传动轴的末端，所述四个传动轴均布于所述箱体四周，并通过轴承与所述箱体相连；所述四个传动轴的另一端分别设置有所述两前臂单元和两后臂单元；

所述驱动轮转向变向机构是利用所述转向电机并经过所述减速箱的减速处理后，驱动所述大锥齿轮并带动四个所述小锥齿轮转动，从而利用所述四个传动轴带动所述两前臂单元与两后臂单元一起转动，形成所述轮式管道机器人的姿态调节结构；其特征是：所述两后臂单元中任意一后臂单元包括：驱动轮、驱动轮轴、U型架、套筒、保持块、弹簧和导向杆；

在所述传动轴的前端设置有所述套筒；在所述套筒的端部设置有所述U型架；在所述U型架的开口处通过所述驱动轮轴设置有所述驱动轮；

在所述U型架的底部设置有所述保持块，所述保持块通过轴承与所述套筒相连接；

在所述保持块与所述箱体之间设置有所述导向杆；在所述导向杆上套装有所述弹簧；

所述两前臂单元中任意一前臂单元是在所述后臂单元的基础上设置有驱动机构；

所述驱动机构包括：蜗杆、蜗轮和驱动电机；

在所述U型架的侧面上设置有所述驱动电机；在所述驱动电机的输出轴上设置有所述蜗杆；

在所述前臂单元的驱动轮轴的一侧端面上设置有所述蜗轮，且所述蜗轮与所述蜗杆相啮合；

所述驱动机构是通过所述驱动电机驱动所述蜗杆，并带动所述蜗轮转动，使得所述两前臂单元的驱动轮转动，所述两后臂单元的驱动轮也随之转动，从而形成所述轮式管道机器人的行走结构。

2.根据权利要求1所述的驱动轮转向可控的轮式管道机器人，其特征是：在所述机器人上设置有两个摄像机，分别用于拍摄所述轮式管道机器人在前进和回转运动时的管道环境。

说明书

一种驱动轮转向可控的轮式管道机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及一种管道机器人研究领域，尤指一种驱动轮转向可控的轮式管道机器人。

背景技术

[0002] 如今，管道在各行各业都得到了广泛应用，现代工业、农业及日常生活都离不开管道，管道运输已成为石油、天然气以及生活用水等物质运输的重要途径之一，但管道本就存在着一些缺陷，加上在使用过程中，由于受振动、热循环、腐蚀等作用，管道会发生损坏、泄漏。为了提高管道寿命，防止泄漏等事故的发生，必须对管道进行定期有效的检测与维修，又由于管道多在地下，环境复杂且管径较小，人工检修不易，检修侦探管道机器人就此应运而生。

[0003] 管道机器人作为管道维护、检修和清理设备，属于特种机器人，根据管道环境要求，衍生了许多结构形式。由于管道环境复杂以及自身受力不平衡等原因，机器人姿态在运行过程中不可避免的发生改变，这就需要及时调整机器人的姿态，但是现有的管道检修机器人大多姿态调节困难，避障能力较弱，弯管通过性能力较差。

发明内容

[0004] 本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，提出了一种结构简单，能快速调节机器人在管道内的姿态，具有越障能力，且能自适应微小管径变化的驱动轮转向可控的轮式管道机器人，以期能以最佳的姿态角平稳高效地通过弯管道及变径管道等复杂管道，从而能保证管道的正常检修和维护。

[0005] 本发明为解决以上技术问题采用如下技术方案：

[0006] 本发明一种驱动轮转向可控的轮式管道机器人的特点包括：两前臂单元，两后臂单元和躯体；

[0007] 所述两前臂单元与所述两后臂单元均布于所述躯体四周，形成十字形结构；

[0008] 所述躯体由前箱盖、箱体、后箱盖和在躯体内部设置的驱动轮转向变向机构组成；

[0009] 所述前箱盖固定在所述箱体前端面上；所述后箱盖固定在所述箱体后端面上；

[0010] 所述驱动轮转向变向机构由转向电机、减速箱、大锥齿轮、四个小锥齿轮和四个传动轴组成；由所述减速箱和所述转向电机组成减速电机，并设置在所述前箱盖上；

[0011] 在所述减速箱的输出轴上，并处于所述箱体内部设置有所述大锥齿轮，所述大锥齿轮分别与所述四个小锥齿轮相啮合，并用于传递扭矩及改变运动方向；

[0012] 所述四个小锥齿轮分别固定在所述四个传动轴的末端，所述四个传动轴均布于所述箱体四周，并通过轴承与所述箱体相连；所述四个传动轴的另一端分别设置有所述两前臂单元和两后臂单元；

[0013] 所述驱动轮转向变向机构是利用所述转向电机并经过所述减速箱的减速处理后，驱动所述大锥齿轮并带动四个所述小锥齿轮转动，从而利用所述四个传动轴带动所述两前臂单元与两后臂单元一起转动，形成所述轮式管道机器人的姿态调节结构。

[0014] 本发明所述的驱动轮转向可控的轮式管道机器人的特点也在于：

[0015] 所述两后臂单元中任意一后臂单元包括：驱动轮、驱动轮轴、U型架、套筒、保持块、弹簧和导向杆；

[0016] 在所述传动轴的前端设置有所述套筒；在所述套筒的端部设置有所述U型架；在所述U型架的开口处通过所述驱动轮轴设置有所述驱动轮；

[0017] 在所述U型架的底部设置有所述保持块，所述保持块通过轴承与所述套筒相连接；

[0018] 在所述保持块与所述箱体之间设置有所述导向杆；在所述导向杆上套装有所述弹簧；

[0019] 所述两前臂单元中任意一前臂单元是在所述后臂单元的基础上设置有驱动机构；

[0020] 所述驱动机构包括：蜗杆、蜗轮和驱动电机；

[0021] 在所述U型架的侧面上设置有所述驱动电机；在所述驱动电机的输出轴上设置有所述蜗杆；

[0022] 在所述前臂单元的驱动轮轴的一侧端面上设置有所述蜗轮，且所述蜗轮与所述蜗杆相啮合；

[0023] 所述驱动机构是通过所述驱动电机驱动所述蜗杆，并带动所述蜗轮转动，使得所述两前臂单元的驱动轮转动，所述两后臂单元的驱动轮也随之转动，从而形成所述轮式管道机器人的行走结构。

[0024] 在所述机器人上设置有两个摄像机，分别用于拍摄所述轮式管道机器人在前进和回转运动时的管道环境。

[0025] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0026] 1、本发明的管道机器人由两前臂单元，两后臂单元和躯体组成，其结构简单紧凑，控制容易；两前臂单元分别设置有驱动电机，驱动机器人向前或向后运动；利用差速原理，使得机器人能平稳高效的通过弯管；适用于多种复杂管道情况；

[0027] 2、本发明的机器人四臂采用弹簧的支撑方式，机器人有一定的柔性，使得机器人能自适应管径微小变化，能通过变径管道；在通过弯管和调节姿态的过程中，使得机器人驱动与管道内壁始终接触，增大了机器人牵引力，提高了机器人的驱动效率；

[0028] 3、本发明的机器人躯体内设置的驱动轮转向变向机构，通过调节驱动轮与管道截面的夹角，就能调节驱动快速调节机器人在管道内的姿态；当夹角小于90度时，机器人会绕管道轴线作螺旋运动；当夹角等于90度时，机器人在管道内壁上作回转运动，从而能快速的大角度的调节机器人在管道内的姿态，以最佳的姿态角，平稳高效地通过弯管，以及实现了就地避障功能；

[0029] 4、本发明的机器人既可以沿管道作直线运动，也可以在管道内壁上绕中心轴线作回转运动，以此可以快速的、准确的检测管道损伤情况。在机器人上前端与中间各设置一个摄像机，将前端的摄像机的图像通过处理后用于粗略查探管道情况，当发现管道问题时，机器人作回转运动，中间的摄像机用于精确查探管道情况。

附图说明

[0030] 图1为本发明的管道机器人的整体结构示意图；

[0031] 图2为本发明的管道机器人的转向变向结构示意图；

[0032] 图中标号：1：驱动轮；2：驱动轮轴；3：U型架；4：保持块；5：传动轴；6：蜗轮；7：蜗杆；8：电机支架；9：驱动电机；10：减速箱；11：转向电机；12：前箱盖；13：箱体；14：后箱盖；15大锥齿轮；16：小锥齿轮；17：弹簧；18：导向杆；19：套筒。

具体实施方式

[0033] 如图1所示，一种驱动轮转向可控的轮式管道机器人，包括两前臂单元、两后臂单元和躯体，其中两前臂单元与两后臂单元均布于躯体四周，形成十字形结构。躯体由前箱盖、箱体、后箱盖和在躯体内部设置的驱动轮转向变向机构组成，前箱盖固定在所述箱体前端面上，后箱盖固定在所述箱体后端面上。

[0034] 如图2所示，驱动轮转向变向机构由转向电机、减速箱、大锥齿轮、四个小锥齿轮和四个传动轴组成；其中减速箱和转向电机组成减速电机，并设置在前箱盖上；在减速箱的输出轴上，并处于箱体内部设置有大锥齿轮，大锥齿轮分别与四个小锥齿轮相啮合，用于传递扭矩及改变运动方向；四个小锥齿轮分别固定在均布于箱体四周的四个传动轴的末端，其中传动轴通过轴承与箱体相连；四个传动轴的另一端分别设置有两前臂单元和两后臂单元；

[0035] 管道机器人躯体内部设置的驱动轮转向变向机构是利用转向电机并经过减速箱的减速处理后，驱动大锥齿轮并带动四个所述小锥齿轮转动，从而利用四个传动轴带动两前臂单元与两后臂单元一起转动，这样就能调节机器人驱动轮与管道截面的夹角(-90度到90度)，当驱动轮与管道截面平行时，机器人沿着管道作直线运动；当夹角小于90度时，机器人会绕管道轴线作螺旋运动；当夹角等于90度时，机器人在管道内壁上作回转运动，依此就能快速调节机器人在管道内的姿态或实现避障功能。

[0036] 如图1和图2所示，两前臂单元中任意一前臂单元是在后臂单元的基础上设置有驱动机构；两后臂单元中任意一后臂单元包括：驱动轮、驱动轮轴、U型架、套筒、保持块、弹簧和导向杆。在传动轴的前端设置有套筒，在套筒的端部设置有U型架，在U型架的开口处通过驱动轮轴设置有驱动轮：构成机轮式管道机器人器人行走机构。

[0037] 在U型架的底部设置有保持块，且保持块通过轴承与套筒相连接，在保持块与所述箱体之间设置有导向杆，在导向杆上套装有弹簧：构成机器人的支撑机构。机器人四臂采用弹簧的支撑方式，使得机器人有一定柔性，能自适应微小管径变化，且在通过弯管和调节姿态的过程中，使得机器人驱动与管道内壁始终接触。

[0038] 其中，前臂单元的驱动机构包括：蜗杆、蜗轮和驱动电机，在U型架的侧面上设置有驱动电机，在驱动电机的输出轴上设置有蜗杆；在前臂单元的驱动轮轴的一侧端面上设置有与蜗杆相啮合的蜗轮；

[0039] 前臂单元的驱动机构是通过驱动电机驱动蜗杆，并带动蜗轮转动，使得两前臂单元的驱动轮转动，两后臂单元的驱动轮也随之转动，从而形成轮式管道机器人的行走结构。

[0040] 在机器人的躯体上设置有两个摄像机，分别用于拍摄所述轮式管道机器人在前进和回转运动时的管道环境。其中，处于机器人前部中间位置的摄像机在前行过程中拍摄的图像通过处理后用于粗略查探管道情况，当发现管道存在损伤等缺陷时，此时机器人就地作回转运动，位于躯体后箱盖上的另一个摄像机开始工作，用于精确查探管道情况，这有助于提高检测效率与准确度。