一种自适应管径的管道机器人

摘要

本发明公开了一种自适应管径的管道机器人。包括：壳体，控制部分，伸缩杆，行进机构；所述壳体设在中心位置，内壁与支撑板嵌入配合，支撑板上安装控制部分；所述控制部分，包括控制盒、伺服电机、减速器、陀螺仪和加速度计。所述伸缩杆包括齿轮传动和螺纹传动，实现长度调节；所述行进机构包括行进轮、锥齿轮、固定套，固定套保证相互啮合的一对齿轮能够保持啮合稳定，在伸缩杆随着管径变化而变化的情况下，相互啮合的齿轮不分离，不影响传动。本发明自适应管径的管道机器人，该装置用于不同管径的管道，能够携带检测装置进行位置坐标采集，在采集信息过程中，保证检测装置一直处于管道轴心线误差允许范围内。

权利要求

1.一种自适应管径管道机器人，其特征在于：包括壳体，控制部分，伸缩杆，行进机构；

壳体为整个装置起到支撑固定的作用，控制部分保证整个装置实现所需的功能，伸缩杆在整个装置中起到调距作用，行进机构由伺服电机提供动力；所述壳体设在整个装置的中心位置，壳体内壁嵌入支撑板，在支撑板上连接控制部分；所述控制部分包括控制盒、伺服电机、减速器、陀螺仪和加速度计，控制盒内包含控制电路，陀螺仪和加速度计用来判断爬坡角度；所述伸缩杆包括齿轮传动和螺纹传动，实现距离调节；所述行进机构包括12个行进轮、锥齿轮、固定套，固定套保证相互啮合的一对齿轮能够保持啮合稳定，在伸缩杆随着管径变化而变化的情况下，相互啮合的齿轮不分离，不影响传动；所述的行进轮12个分两组，即前、后行进轮组，每组6个按照相隔120度再分成三组，每组两个轮子通过轴对称安置在锥齿轮的两侧；与该锥齿轮相啮合的另一个锥齿轮与伸缩杆连接，伸缩杆的另一端与另一对锥齿轮的其中一个锥齿轮连接，与之啮合的锥齿轮通过控制部分的减速器与伺服电机相连，如此，均匀分布于三个方向。

2.如权利要求1所述的自适应管径管道机器人，其特征在于：还包括用于检测管道三维坐标的检测装置。

3.如权利要求1所述的自适应管径管道机器人，其特征在于：所述伸缩杆结构包括：直齿轮，齿轮轴，带内螺纹的齿轮套，不带内螺纹的齿轮套，带外螺纹的圆柱薄壁结构，螺距与带内螺纹的齿轮套对应，螺钉。

4.如权利要求1所述的自适应管径管道机器人，其特征在于：所述行进轮为橡胶轮，轮毂材质选用质量较轻的铝合金材质。

5.如权利要求1所述的自适应管径管道机器人，其特征在于：所述连接于伺服电机和锥齿轮之间的减速器为行星减速器或直齿轮减速器。

6.如权利要求1所述的自适应管径管道机器人，其特征在于：所述位于一对轮子中间的锥齿轮，其大端直径必须小于轮胎直径；与该锥齿轮啮合的锥齿轮大端直径必须小于对称分布于该锥齿轮两侧的行进轮之间的距离。

7.如权利要求1所述的自适应管径管道机器人，其特征在于：所述伸缩杆除调距外亦作传动轴用。

8.如权利要求1所述的自适应管径管道机器人，其特征在于：所述的行进轮与轴之间安装压力传感器。

说明书

一种自适应管径的管道机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人领域。具体是一种自适应管道管径的管道机器人。

背景技术

[0002] 随着现代化和城市化的步伐加快，管道作为一种重要的物料输送方式被广泛应用，由于城市地下管道空间状况非常复杂，在这种地区施工的风险和难度越来越大，由于施工过程不明确地下管道分布而造成的安全事故屡见不鲜，因此，明确地下管道的分布情况尤为重要。鉴于管道内部工作空间的局限性，人力工作强度大，故需要管道机器人携带检测装置在管道内行走，由检测装置采集并记录管道分布三维坐标信息，从而了解地下管道的分布状况。

[0003] 现有管道机器人主要有流动式、轮式、履带式、蠕动式、行走式、蛇形等，或沿壁行走，或在管道底部行走，或不能变径，对于搭载检测装置并使之处于管道轴心线误差允许范围内位置的管道机器人，还没有相关产品。

发明内容

[0004] 本发明旨在提供一种自适应管径的管道机器人，该管道机器人既可以变径，又可以保证所携带的检测装置处于误差允许范围内的管道轴心线位置。

[0005] 一种自适应管径的管道机器人，包括壳体，控制部分，伸缩杆，行进机构。壳体为整个装置起到支撑固定的作用，控制部分保证整个装置实现所需的功能，伸缩杆在整个装置中起到调距和传动作用，行进机构由伺服电机提供动力。

[0006] 所述壳体设在整个装置的中心位置，壳体内壁嵌入支撑板，在支撑板上连接控制部分；所述控制部分，包括控制盒、伺服电机、减速器、陀螺仪和加速度计，控制盒内包含控制电路，陀螺仪和加速度计配合使用判断爬坡角度；所述伸缩杆包括齿轮传动和螺纹传动，实现距离调节，并传递动力给行进机构；所述行进机构包括12个行进轮、锥齿轮、固定套，固定套保证相互啮合的一对齿轮能够保持啮合稳定，在伸缩杆随着管径变化而变化的情况下，相互啮合的齿轮不分离，不影响传动；所述的行进轮12个分两组，即前、后行进轮组，每组6个按照相隔120度再分成三组，每组两个轮子通过轴对称安置在锥齿轮的两侧；与该锥齿轮相啮合的另一个锥齿轮与伸缩杆连接，伸缩杆的另一端与另一对锥齿轮的其中一个锥齿轮连接，与之啮合的锥齿轮通过控制部分的减速器与伺服电机相连，如此，均匀分布于三个方向。

[0007] 所述自适应管径的管道机器人，还包括用于检测管道三维坐标的检测装置。

[0008] 所述伸缩杆结构包括：直齿轮，齿轮轴，螺钉，带内螺纹的齿轮套，不带内螺纹的齿轮套，带外螺纹的圆柱薄壁结构，螺距与带内螺纹的齿轮套对应，伸缩杆内部齿轮传动靠电机驱动从而带动外齿轮套，带外螺纹的薄壁圆柱结构亦由电机驱动，二者配合实现调距。

[0009] 所述行进轮为橡胶轮，增大行进轮与管道内壁之间的摩擦力，轮毂材质选用质量较轻的铝合金材质，减小整体装置的重量。

[0010] 所述连接于伺服电机和锥齿轮之间的减速器为行星减速器或直齿轮减速器。

[0011] 所述连接于一对轮胎之间轴上的锥齿轮，其大端直径必须小于轮胎直径；与该齿轮啮合的齿轮大端直径必须小于对称分布于该锥齿轮两侧的行进轮之间的距离，其一，避免锥齿轮与地面或者轮胎发生摩擦，其二，避免配合尺寸不合理导致运动失效，其他尺寸亦然。

[0012] 所述伸缩杆作为传动轴并具有调整距离的作用，作为传动轴，传递转矩驱动行进机构完成运动，调距保证装置适应管径变化。

[0013] 本发明与其它管道机器人的侧重点有所不同，大部分管道机器人用于检修，清理，故障检测等，专门针对管道自身的维护而设计，本发明侧重于携带检测装置且保证检测装置处于误差允许范围内的管道轴心线位置，由检测装置根据管道机器人携带它走过的路径检测出三维坐标并记录。

[0014] 本发明所采用伸缩杆，其结构中带内螺纹的齿轮套与带外螺纹的圆柱薄壁机构配合使用，齿轮传动驱动齿轮套转动，螺纹传动驱动带螺纹结构运动，通过两个电机对齿轮和带外螺纹的圆柱薄壁结构的相对转速控制，实现距离的保持和变化。

[0015] 本发明有2种测量管径方法：1)通过超声波模块测距；2)通过伸缩杆长度变化量以及整个装置相关硬件尺寸计算出管径值。

[0016] 行进轮采用橡胶轮，其优点在于增大管道与轮之间的摩擦，保证行进轮不打滑，有利于爬坡时提供足够摩擦力，轮毂采用铝合金材质，其优点在于减轻装置本身的重量，提高灵活性。

[0017] 本发明行进轮成对存在，相对于单独轮子行进，其优点在于增强管道机器人的稳定性。

[0018] 本发明采用120度分布式结构，其优点在于稳定，并能够分散载荷，承受较大的力。

[0019] 本发明所采用的微控制器需满足供电电压范围宽的要求，由于管道机器人在负荷大或者行走路程长的情况下伸缩杆电压有所下降，为保证微控制器正常工作，这就需要其本身有较宽范围的供电电压，例如STM32微控制器具备该优点。

[0020] 本发明所采用的锥齿轮传动，其优点在于利用锥齿轮改变传动方向。

附图说明

[0021] 如图1所示为自适应管径的管道机器人整体结构示意图。

[0022] 如图2所示为自适应管径的管道机器人整体结构主视图。

[0023] 如图3所示为自适应管径的管道机器人主视图沿着A-A方向的剖视图。

[0024] 如图4所示为自适应管径的管道机器人伸缩杆示意图。

[0025] 如图5所示为自适应管径的管道机器人伸缩杆结构图。

[0026] 如图6所示为自适应管径的管道机器人行走机构结构图。

[0027] 图中：总分四部分：1、行进机构，2、伸缩杆，3、壳体，4、控制部分；对应每部分：101、锥齿轮A，102、车轮轴，103、固定套，104、锥齿轮B，105、车轮；201、内部电机，202、连接件，203、带内螺纹的外部齿轮套，204、带外螺纹的圆柱薄壁结构，205、齿轮轴，206、螺钉，207、直齿轮，208、键，209、不带螺纹的外部齿轮套；301、外壳体，302、支撑板；401、控制盒，402、连接柱，403、下置120度电机盒，404、锥齿轮D，405、锥齿轮C，406、伺服电机，407、支撑台。

具体实施方式

[0028] 如图1，图2，图3，图5，图6所示，一种自适应管径的管道机器人，包括壳体3，为整个装置提供稳定的支撑结构，包括外壳体301和支撑板302，外壳，301是圆柱薄壁结构，支撑板302上可携带三维检测装置进行检测。在外壳体301前后依次相隔120度各分布3个圆孔，共6个。圆孔作用是穿过伸缩杆2，伸缩杆2连接控制部分4以及行进轮组1。外壳体301内壁嵌入一块支撑板302，上置控制盒401，通过连接柱402定位装配，下置120度电机盒403，用于安装
120度分布电机，支撑板407上安装伺服电机406，伺服电机406连接锥齿轮D404，与锥齿轮D404啮合的锥齿轮C405连接伸缩杆2的带外螺纹的圆柱薄壁结构204，带外螺纹的圆柱薄壁结构204通过螺纹传动连接带内螺纹的外部齿轮套203，不带螺纹的外部齿轮套通过螺钉
207与203连接，由203和204组成的齿轮套通过齿轮传动与直齿轮207连接，207通过键208与齿轮轴205连接。内部电机201和齿轮轴205通过连接件202连接，连接件202作用相当于联轴器，连接两个直径不同的轴，传递扭矩。伸缩杆2的不带螺纹的外部齿轮套通过连接件与锥齿轮B104连接，与锥齿轮B104啮合的锥齿轮A101通过车轮轴102与一对车轮105连接，目的是保证运动平稳，采用锥齿轮传动使车轮105稳定沿管道内壁行走。车轮轴102和伸缩杆2的不带螺纹的外部齿轮套连接固定套103，固定套103是长方体薄壁结构，保证两相互啮合的锥齿轮B104和锥齿轮A101不发生偏移，维持稳定传动。在车轮105与车轮轴102之间安装压力传感器，根据压力的变化将信号反馈到控制部分4，通过控制盒401控制调节伸缩杆2的长度变化，在两个电机201和406的同时驱动下，伸缩杆2实现调距功能。

[0029] 在管道机器人正常行走在管径相同的管道中时，控制整个伸缩杆的电机406与伸缩杆内部电机201转速相同，以避免因螺纹传动而导致的相对运动改变伸缩杆的长度，使得呈120度分布式的各个伸缩杆长度在误差允许范围内相等，管径不发生变化正常行走情况下，行进机构1所受压力保持稳定，当管径发生变化时，压力传感器将检测到的压力信号变化反馈至控制部分4，控制整个伸缩杆2的电机406，与伸缩杆内部电机201转速不同，根据管径变化大小、螺纹旋向以及螺距决定两电机的相对转速大小以实现伸缩杆2长度的变化，达到自适应管径的目的。