所屬領(lǐng)域

本發(fā)明專利屬于管道機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種具有自作用、自適應(yīng)功能的直進(jìn)輪式管道機(jī)器人。

背景技術(shù)：

管道機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動行走，攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的操控或自動控系統(tǒng)的控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。管道機(jī)器人根據(jù)驅(qū)動方式不同大致可分為流動式、輪式、履帶式、蠕動式、腿式及慣性振動式等。輪式管道機(jī)器人又可分為直進(jìn)輪式和螺旋輪式兩種。直進(jìn)輪式機(jī)器人與汽車直線行駛時的運(yùn)動基本原理相同，其行走輪軸線與管道軸線垂直，行走輪直接沿管道母線滾動，其行走速度可以較快；螺旋輪式機(jī)器人與扭輪摩擦傳動的工作原理基本相同，其行走輪軸線相對于管道軸線偏斜一定角度，通過行走輪沿管壁的周向滾動而間接獲得軸向移動，其行走速度較慢。直進(jìn)輪式管道機(jī)器人正常工作的基本條件有兩個：一是行走輪與管壁之間需保持足夠的正壓力(附著力)以避免打行走輪打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)；二是行走機(jī)構(gòu)具有適應(yīng)管徑變化的能力——自適應(yīng)能力。為了滿足以上兩個條件，直進(jìn)輪式管道機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)普遍采用了傘形結(jié)構(gòu)(cn200810122628.3)或平行四邊形機(jī)構(gòu)(cn200710193562.2、cn201010123851.7)獲得自適應(yīng)管徑變化能力及利用彈簧力獲得正壓力之方法。這些方法基本有效，但也存在不足之處。例如，利用彈簧力獲得正壓力之方法，所獲的正壓力主要取決于彈簧的壓縮量或拉伸量大小，基本是一個常值，所產(chǎn)生的牽引力基本也是一個常值，而管道機(jī)器人在行走過程中所需牽引力可能是變化的，例如水平行走所需牽引力遠(yuǎn)小于垂直行走時所需的牽引力，當(dāng)然，機(jī)器人可根據(jù)最大牽引力的要求來設(shè)計(jì)彈簧力，但這樣一來，一方面使行走輪和傳動零件持續(xù)處于高壓接觸應(yīng)力狀態(tài)，容易導(dǎo)致行走輪和傳動零件因接觸疲勞而失效；另一方面一旦過載，行走輪容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。如果正壓力的大小能夠根據(jù)機(jī)器人行走時所需牽引力大小而自動調(diào)節(jié)，那將是一種最理想的狀態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點(diǎn)，提供一種具有自作用、自適應(yīng)功能的直進(jìn)輪式管道機(jī)器人，它可自動產(chǎn)生行走輪與管壁之間的正壓力(附著力)，而且可隨行走阻力(負(fù)載)的大小自動調(diào)節(jié)，另外還能適應(yīng)管徑的變化。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：將常規(guī)為固定的減速裝置(齒輪傳動裝置、帶傳動裝置和鏈傳動裝置)連同裝在減速裝置輸出軸上的行走輪設(shè)計(jì)成可繞定軸轉(zhuǎn)動的浮動結(jié)構(gòu)，借助行走輪所受到的約束反力，使浮動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生楔入作用，從而自動產(chǎn)生摩擦驅(qū)動所需的正壓力，即自作用功能，而且負(fù)載越大，楔入作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的正壓力也越大，即自適應(yīng)功能。

一種自作用、自適應(yīng)輪式管道機(jī)器人，其特征是：所述管道機(jī)器人由1臺電動機(jī)1、1個骨架2、3根拉簧3、1根蝸桿4和6套驅(qū)動機(jī)構(gòu)5組成；所述骨架2由前、后六邊形框架2.3、2.5、前、后軸承座2.1、2.7及前、中、后連接桿2.2、2.4、2.6組成；所述前、后六邊形框架2.3、2.5通過中間連接2.4桿構(gòu)成一個六棱柱架，所述六棱柱架前后兩端分別通過所述前、后連接桿2.2、2.6與所述前、后軸承座2.1、2.7相連；所述蝸桿4通過軸承支撐在所述前、后軸承座2.1、2.7上，其一端與所述電動機(jī)1連接；

6套驅(qū)動機(jī)構(gòu)5分前、后兩組，前后兩組各有3套驅(qū)動機(jī)構(gòu)，3套驅(qū)動機(jī)構(gòu)分別裝在骨架2的前、后六邊形框架2.3、2.5上，且均呈周向均布；

每套驅(qū)動機(jī)構(gòu)5由蝸輪5.7、主動帶輪5.6、同步帶5.5、從動帶輪5.3、行走輪5.4、擺桿5.1及銷軸5.2組成，其中蝸輪5.7、主動帶輪5.6和擺桿5.1的一端空套在六邊形框架2.3或2.5上；從動帶輪5.3、行走輪5.4空套在固結(jié)在擺桿5.1另一端的銷軸5.2上，同步帶5.5套在主、從帶輪5.6、5.3上；

所述前、后六邊形框架2.3、2.5各自由6段固定心軸連接而成，在其間隔、均勻分布的3段心軸上分別空套著蝸輪5.7、主動帶輪5.6和擺桿5.1的一端，所述主動帶輪5.6與所述蝸輪5.7固結(jié)而同步旋轉(zhuǎn)；所述擺桿5.1的另一端固結(jié)一銷軸5.2，所述銷軸5.2上空套著從動帶輪5.3和行走輪5.4，所述從動帶輪(5.3)與所述行走輪5.4固結(jié)而同步旋轉(zhuǎn)；所述主、從動帶輪5.6、5.3上套有一根同步齒形帶5.5；所述的前、后銷軸5.2.1、5.2.2之間系有1根所述拉簧3；所述蝸桿4同時與6個所述蝸輪5.7嚙合。

本發(fā)明的有益效果是：行走輪與管道內(nèi)壁摩擦驅(qū)動所需的正壓力依靠驅(qū)動力矩自動產(chǎn)生，而且能夠根據(jù)機(jī)器人行走時的阻力大小自動調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖俯視圖；

圖2為本發(fā)明的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖主視圖；

圖3為本發(fā)明的機(jī)器人骨架立體示意圖；

圖4為本發(fā)明的前后驅(qū)動機(jī)構(gòu)工作原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明專利進(jìn)一步說明。

圖中，1―電動機(jī)，2―骨架，2.1―軸承座，2.2―前連接桿，2.3―前六邊形框架，2.4―中連接桿，2.5―后六邊形框架，2.6―后連接桿，2.7―后軸承座，3―拉簧，4―蝸桿，5―驅(qū)動機(jī)構(gòu)，5.1―擺桿，5.1.1―前擺桿，5.1.2―后擺桿，5.2―銷軸，5.2.1―前銷軸，5.2.2―后銷軸，5.3―從動帶輪，5.4―行走輪，5.4.1―前行走輪，5.4.2―后行走輪，5.5―同步齒形帶，5.6―主動帶輪，5.7―蝸輪。

一種自作用、自適應(yīng)輪式管道機(jī)器人，其特征是：所述管道機(jī)器人由1臺電動機(jī)1、1個骨架2、3根拉簧3、1根蝸桿4和6套驅(qū)動機(jī)構(gòu)5組成；所述骨架2由前、后六邊形框架2.3、2.5、前、后軸承座2.1、2.7及前、中、后連接桿2.2、2.4、2.6組成；所述前、后六邊形框架2.3、2.5通過中間連接2.4桿構(gòu)成一個六棱柱架，所述六棱柱架前后兩端分別通過所述前、后連接桿2.2、2.6與所述前、后軸承座2.1、2.7相連；所述蝸桿4通過軸承支撐在所述前、后軸承座2.1、2.7上，其一端與所述電動機(jī)1連接；

6套驅(qū)動機(jī)構(gòu)5分前、后兩組，前后兩組各有3套驅(qū)動機(jī)構(gòu)，3套驅(qū)動機(jī)構(gòu)分別裝在骨架2的前、后六邊形框架2.3、2.5上，且均呈周向均布；

每套驅(qū)動機(jī)構(gòu)5由蝸輪5.7、主動帶輪5.6、同步帶5.5、從動帶輪5.3、行走輪5.4、擺桿5.1及銷軸5.2組成，其中蝸輪5.7、主動帶輪5.6和擺桿5.1的一端空套在六邊形框架2.3或2.5上；從動帶輪5.3、行走輪5.4空套在固結(jié)在擺桿5.1另一端的銷軸5.2上，同步帶5.5套在主、從帶輪5.6、5.3上；

所述前、后六邊形框架2.3、2.5各自由6段固定心軸連接而成，在其間隔、均勻分布的3段心軸上分別空套著蝸輪5.7、主動帶輪5.6和擺桿5.1的一端，所述主動帶輪5.6與所述蝸輪5.7固結(jié)而同步旋轉(zhuǎn)；所述擺桿5.1的另一端固結(jié)一銷軸5.2，所述銷軸5.2上空套著從動帶輪5.3和行走輪5.4，所述從動帶輪(5.3)與所述行走輪5.4固結(jié)而同步旋轉(zhuǎn)；所述主、從動帶輪5.6、5.3上套有一根同步齒形帶5.5；所述的前、后銷軸5.2.1、5.2.2之間系有1根所述拉簧3；所述蝸桿4同時與6個所述蝸輪5.7嚙合。

如圖1所示，機(jī)器人由1臺電動機(jī)1、1個骨架2、3根拉簧3、1根蝸桿4和6套驅(qū)動機(jī)構(gòu)5組成。

如圖3所示，骨架2由前、后六邊形框架2.3、2.5、前、后軸承座2.1、2.7及前、中、后連接桿2.2、2.4、2.6組成。前、后六邊形框架2.3、2.5通過中間連接桿(2.4)構(gòu)成一個六棱柱架，六棱柱架的前后兩端分別通過前、后連接桿2.2、2.6與前、后軸承座2.1、2.7相連。

如圖1所示，蝸桿4通過軸承支撐在骨架2的前后軸承座2.1、2.7上，蝸桿4的一端與電動機(jī)1連接。

如圖1、2所示，6套驅(qū)動機(jī)構(gòu)5分前、后兩組，前后兩組各有3套驅(qū)動機(jī)構(gòu)，3套驅(qū)動機(jī)構(gòu)分別裝在骨架2的前、后六邊形框架2.3、2.5上，且均呈周向均布。每套驅(qū)動機(jī)構(gòu)由蝸輪5.7、主動帶輪5.6、同步帶5.5、從動帶輪5.3、行走輪5.4、擺桿5.1及銷軸5.2組成，其中蝸輪5.7、主動帶輪5.6和擺桿5.1的一端空套在六邊形框架2.3或2.5上；從動帶輪5.3、行走輪5.4空套在固結(jié)在擺桿5.1另一端的銷軸5.2上，同步帶5.5套在主、從帶輪5.6、5.3上。

如圖1所示，拉簧(3)的兩端分別系在前、后銷軸5.2.1、5.2.2上，拉簧3有3根，呈周向均勻布置，初始時拉簧3使各行走輪均與管壁接觸，并均獲得初始正壓力。

如圖1所示，當(dāng)電動機(jī)啟動并逆時針旋轉(zhuǎn)時，通過蝸輪、蝸桿5.7、4的一級傳動，主、從帶輪5.6、5.3的二級傳動，使所有行走輪5.4各自按圖示方向旋轉(zhuǎn)。

如圖4所示，因前、后行走輪5.4.1、5.4.2與管壁之間都存在初始正壓力，這時前、后行走輪5.4.1、5.4.2均作用一摩擦力到管壁，反過來管壁也作用一反作用力于前、后行走輪5.4.1、5.4.2，但這個反作用力對前、后行走輪5.4.1、5.4.2的作用效果不一樣。后行走輪5.4.2受到管壁反作用力的作用，有使后擺桿5.1.2帶動后行走輪5.4.2產(chǎn)生繞定軸o1逆時針作用的趨勢，這一趨勢使得后行走輪5.4.2聯(lián)合后擺桿5.1.2產(chǎn)生楔入作用，使得后行走輪5.4.2緊緊壓在管壁上，從而自動產(chǎn)生摩擦驅(qū)動所需的正壓力——自作用，而且驅(qū)動力矩越大，楔入作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的正壓力越大——自適應(yīng)，此時的后行走輪5.4.2在管壁上作純滾動運(yùn)動，作為驅(qū)動輪驅(qū)動機(jī)器人向前行走；而這時的前行走輪5.4.1，在管壁的反作用力作用下，也使前擺桿5.1.1帶動前行走輪5.4.1產(chǎn)生繞定軸o1逆時針作用的趨勢，但這一趨勢使得前行走輪5.4.1產(chǎn)生離開管壁的傾向，這一傾向又被拉簧的拉力拉回，拉回后前行走輪5.4.1又與管壁接觸，又有反作用力產(chǎn)生，又有使前行走輪5.4.1產(chǎn)生脫離接觸的趨勢，故在忽略機(jī)器人自重情況下，此時的前行走輪，處在臨界接觸狀態(tài)，不起驅(qū)動輪的作用，僅起導(dǎo)向支撐作用。

所述后驅(qū)動機(jī)構(gòu)所具的自作用、自適應(yīng)功能是建立在摩擦驅(qū)動(行走輪與管壁)滿足自鎖條件的基礎(chǔ)上，即建立在摩擦力f對o1點(diǎn)之矩大于或等于正壓力n對o1點(diǎn)之矩這一條件上，進(jìn)一步，即建立在行走輪與管壁之間的摩擦因子需滿足一定條件(自鎖條件)的基礎(chǔ)上。