一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构的制作方法

1.本发明属于管道机器人领域，具体涉及一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构。


背景技术：

2.履带式管道越障行走机构是一种能够在金属管道内移动并翻阅障碍的设备，是管道检测和清扫的重要自动化装备之一。目前现有的履带式管道越障机器人产品存在以下缺陷：(1)具备竖直管道爬行功能的机器人功耗大，因为其结构复杂，不能做出复杂变形，因此无法翻越管道内的垂直障碍以及蝶阀障碍；(2)可以翻越管道内的垂直障碍以及蝶阀障碍的机器人不具备竖直管道爬行功能；(3)此类机器人还存在着对管道管径的适应性较差的缺点，在一些特定尺寸的管道中无法应用。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术存在的不足，本发明提供一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，为满足管道检测和清扫等工作提供装备，创新设计了行走机构辅助越障摆臂轮结构以及磁吸履带轮结构，基于该辅助越障摆臂轮结构以及磁吸履带轮结构的行走机构不仅兼具垂直障碍、蝶阀越障功能以及竖直管道爬行功能，还具有整体结构简单、易于控制等优点，具有良好的应用前景，值得推广。
4.为解决上述问题，本发明具体采用以下技术方案：一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，包括车体、变径杆组、辅助越障摆臂轮，所述车体的两侧分别设有一组运动系统，每组运动系统包括一个磁吸履带轮装置，所述磁吸履带轮装置内设有控制两组运动系统中履带转动的第一传动机构以及控制一侧运动系统中履带转动的第二传动机构，所述第一传动机构设于磁吸履带轮装置内部，所述第二传动机构与所述第一传动机构互为镜像。
5.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述磁吸履带轮装置包括承重轮、磁吸履带、侧向连接板以及传动机构，所述传动机构包括驱动直流电机、锥齿轮副以及由直流驱动电机驱动的主动轮，所述第一传动机构包括第一直流驱动电机、第一锥齿轮副以及由第一直流驱动电机驱动的第一主动轮。
6.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述磁吸履带轮装置与车体之间采用销连接与弹簧连接结合的方式，所述磁吸履带轮装置与车体之间角度可变。
7.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述侧向连接板安装于磁吸履带轮装置内侧，两端安装于驱动轮轴和承重轮轴外侧的轴承上，所述侧向连接板内侧上端以及下端分别设有两个同轴心吊耳，左右吊耳之间间隔100mm，上下吊耳之间间隔40mm。
8.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述车体
侧面上端以及下端分别设有两个同轴心吊耳，左右吊耳之间间隔100mm，上下吊耳之间间隔50mm。
9.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，侧向连接板内侧上端吊耳与所述车体侧面上端吊耳采用销连接，侧向连接板内侧下端吊耳与所述车体侧面下端吊耳采用弹簧连接，所述磁吸履带轮装置与车体之间角度可随管道壁面对车体产生的支撑力方向改变。
10.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述磁吸履带包括永磁铁片、履带节以及连接履带节的细轴，所述永磁铁片内嵌于履带节内部。
11.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述车体底部装有四块失电型电磁铁，所述失电型电磁铁靠近管道壁面一侧均匀布置，通过控制所述失电型电磁铁通电和断电的数量，使所述行走机构对金属管道的磁吸力在一定范围内可控。
12.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述第一锥齿轮副的传动比为1：1。
13.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述变径杆组安装于车体上方，所述变径杆组包括变径杆、支撑杆、丝杠螺杆、丝杠螺母和丝杠电机；所述丝杠电机通过丝杠电机固定架固定在所述车体外壳一侧；所述丝杠螺杆与所述丝杠电机一体连接，随丝杠电机转动而转动；所述丝杠螺母安装于所述丝杠螺杆；所述丝杠螺母随所述丝杠螺杆转动沿丝杠螺杆做直线运动；所述支撑杆一端与所述丝杠螺母连接；所述变径杆中部带有吊耳；所述支撑杆与所述变径杆吊耳连接；所述变径杆一端与所述丝杠电机固定架连接；所述变径杆另一端装有摆臂轮底座；
14.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述辅助越障摆臂轮安装于所述摆臂轮底座，所述摆臂轮装置包括第一舵机、第二舵机、第三摆臂履带轮以及控制摆臂履带轮转动的第三传动机构，所述第三传动机构包括第三直流驱动电机、第三锥齿轮副以及由第三直流驱动电机驱动的第三主动轮，所述第三传动机构设于辅助越障摆臂轮的内部。
15.前述的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，其特征在于，所述第一舵机安装于所述摆臂轮底座后端，控制辅助摆臂履带轮在管道轴向转动，转动角度范围可达360
°
，所述第二舵机安装于所述摆臂轮底座前端，控制辅助摆臂履带轮在管道径向摆动，摆动角度范围可达180
°
。
16.优选地，所述第三主动轮直径小于第一主动轮；所述同步带轮直径小于第三主动轮；所述同步带轮直径小于磁吸履带轮装置承重轮；所述摆臂轮装置驱动电机整体尺寸小于磁吸履带轮装置驱动电机；优选地，所述摆臂轮装置传动锥齿轮副与磁吸履带轮装置传动锥齿轮副相同；优选地，所述摆臂轮装置传动锥齿轮副与磁吸履带轮装置传动锥齿轮副安装位置以及形式相同；优选地，所述摆臂轮装置外围采用同步带连接。
17.本发明的有益效果：本发明提供的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，与其他履带式行走机构相比，履带轮具有一定的管道自适应性，履带与管道壁面接触面积大、行走平稳的特点，这将增大其在凹凸不平的管路中的行走能力。当遇到孔板、变径管道等垂直障碍时，行走机构接触变径杆组以及辅助越障摆臂轮支撑车体，在此同时行走机
构履带以及辅助越障摆臂轮上的同步带仍然可以转动，从而使行走机构越过障碍。当机器人转弯或者遇到蝶阀等障碍时，第一直流驱动电机和第一直流驱动电机输出的转速存在差值，行走机构完成转向动作。当行走机构遇到竖直管道时，失电型电磁铁全部断电，获得足够大的磁吸力，行走机构由于磁吸力附着在竖直管道上，与管道壁面之间产生了足够大的摩擦力，不会因为重力的作用而使行走机构自由落下，电机的输出扭矩达到最大，完成竖直管道爬行动作。与现有管道机器人相比，该履带式机器人越障行走机构具有管道内多种障碍的通过能力，能适应更多类型的管道，通用性更强，能满足不同种类管道作业对设备的要求，具有良好的应用前景，值得推广。
附图说明
18.图1是本发明的一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构的结构示意图；图2为磁吸履带轮结构示意图；图3为车体与磁吸履带轮连接结构示意图；图4为变径杆组以及辅助越障摆臂轮结构示意图；图5为该履带式机器人越障行走机构越障示意图，其中图5(a)表示该行走机构遇到垂直障碍提前将辅助越障摆臂轮抬起，与障碍物接触，图5(b)表示该行走机构的变径杆抬起，利用辅助越障摆臂轮前端将车身抬起，图5(c)表示该行走机构向前移动，车身抬起角度变大，图5(d)表示该行走机构履带与障碍物接触，图5(e)表示该行走机构翻越障碍；图6为失电型电磁铁与车体的连接结构示意图；图7为磁吸履带的连接结构示意图。
19.附图标记含义如下：1：车体；2、3：磁吸履带轮；4：变径杆组；5：辅助越障摆臂轮；6、7：第一传动机构、第二传动机构；8：第三传动机构；9：磁吸履带；10：承重轮；11：滚子轴承；12：承重轮轴；13：侧向连接板；14：直流驱动电机底座；15：直流驱动电机；16、17：第一锥齿轮副；18：第一驱动轮；19：吊耳；24：柱销；25：弹簧；29：车体外壳；30：丝杠电机底座；31：丝杠电机；32：丝杠电机轴承；33：丝杠电机固定架；34：丝杠螺杆；35：丝杠螺母；36：丝杠螺杆固定座；37：支撑杆；38：变径杆；39：摆臂轮底座；40：第一舵机；41：第二舵机；42：同步带轮；43：同步带轮轴承；44：同步带；45：摆臂轮侧向连接板；46：第三直流驱动电机底座；47：第三直流驱动电机；48、49：第三锥齿轮副；50：第三驱动轮；51：磁板连接杆；52：磁板；53：失电型电磁铁；54：永磁铁片；55：履带节；细轴：56。
具体实施方式
20.如图1和图2所示，一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，包括车体1，车体1即为该行走机构车体，车体1用于存放该行走机构的控制芯片和通讯供电接口，还作为变径杆组以及辅助越障摆臂轮的底座支撑，所述车体1的两侧分别设有一组运动系统，通过车体1两侧的运动系统相互配合运动，实现该行走机构的移动，每组运动系统包括一个磁吸履带轮装置2，所述磁吸履带轮装置包括磁吸履带9、承重轮10、侧向连接板13以及传动机构，所述磁吸履带轮装置内设有控制两组运动系统中履带9转动的第一传动机构6以及控制一侧运动系统中履带转动的第二传动机构7，所述第一传动机构6设于磁吸履带轮装置内部
2，所述第二传动机构7与所述第一传动机构6互为镜像。
21.详细的，所述第一传动机构6包括第一直流驱动电机15、第一锥齿轮副16、17以及由第一直流驱动电机15驱动的第一主动轮18，所述第一锥齿轮副16、17的传动比为1：1，所述第一直流驱动电机15提供动力，驱动第一主动轮18转动，从而带动磁吸履带9、承重轮10转动，主动轮18与承重轮10的轴上均设置了滚子轴承11，侧向连接板13安装于磁吸履带轮装置2内侧，两端安装于驱动轮轴和承重轮轴外侧的滚子轴承11上。
22.如图3所示，一种用于金属管道的履带式机器人越障行走机构，所述磁吸履带轮装置2与车体1之间采用销连接与弹簧连接结合的方式，所述磁吸履带轮装置与车体之间角度可变。
23.详细的，所述侧向连接板13内侧上端以及下端分别设有两个同轴心吊耳19、20，左右吊耳之间间隔100mm，上下吊耳之间间隔40mm，所述车体1侧面上端以及下端分别设有两个同轴心吊耳21、22，左右吊耳之间间隔100mm，上下吊耳之间间隔50mm，侧向连接板内侧上端吊耳19与所述车体侧面上端吊耳21采用销24连接，侧向连接板内侧下端吊耳20与所述车体侧面下端吊耳22采用弹簧25连接，所述磁吸履带轮装置2与车体1之间角度可随管道壁面对车体产生的支撑力方向改变。
24.详细的，所述磁吸履带包括永磁铁片54、履带节55以及连接履带节的细轴56，所述永磁铁片54内嵌于履带节55内部，所述车体1底部装有四块失电型电磁铁53，所述失电型电磁铁53靠近管道壁面一侧均匀布置，通过控制所述失电型电磁铁53通电和断电的数量，使所述行走机构对金属管道的磁吸力在一定范围内可控，行走机构进行竖直管道爬行时，失电型电磁铁53均不通电，使行走机构对管道壁面的磁吸力达到最大，磁吸履带9与管道壁面产生大于车体自重的摩擦力，维持行走机构在竖直管道上的运行状态。
25.如图4所示，所述变径杆组安装于车体上方，所述变径杆组包括变径杆38、支撑杆37、丝杠螺杆34、丝杠螺母35和丝杠电机31；所述丝杠电机31通过丝杠电机固定架30固定在所述车体外壳29一侧；所述丝杠螺杆34与所述丝杠电机31一体连接，随丝杠电机31转动而转动；所述丝杠螺母35安装于所述丝杠螺杆34；所述丝杠螺母35随所述丝杠螺杆34转动沿丝杠螺杆34做直线运动；所述支撑杆37一端与所述丝杠螺母35连接；所述变径杆38中部带有吊耳；所述支撑杆37与所述变径杆吊耳连接；所述变径杆38一端与所述丝杠电机固定架33连接；所述变径杆38另一端装有摆臂轮底座39。
26.详细的，所述辅助越障摆臂轮5安装于所述摆臂轮底座29，所述摆臂轮装置包括第一舵机40、第二舵机41、摆臂履带轮5以及控制摆臂履带轮5转动的第三传动机构8，所述第三传动机构8包括第三直流驱动电机47、第三锥齿轮副48、49以及由第三直流驱动电机47驱动的第三主动轮50，所述第三传动机构50设于辅助越障摆臂轮5的内部，所述摆臂轮装置5外围采用同步带44连接。
27.详细的，所述第三锥齿轮副48、49的传动比为1：1，所述第三直流驱动电机47提供动力，驱动第三主动轮50转动，从而带动同步带44、同步带轮42转动，第三主动轮50与同步带轮42的轴上均设置了滚子轴承43，摆臂轮侧向连接板45安装于磁吸履带轮装置5内侧，两端安装于驱动轮轴和承重轮轴外侧的滚子轴承43上。
28.详细的，所述第一舵机40安装于所述摆臂轮底座39后端，控制辅助摆臂履带轮5在管道轴向转动，转动角度范围可达360
°
，所述第二舵机41安装于所述摆臂轮底座39前端，控
制辅助摆臂履带轮5在管道径向摆动，摆动角度范围可达180
°
。
29.详细的，所述第三主动轮50小于第一主动轮18，所述同步带轮42直径小于第三主动轮50直径，所述同步带轮42直径小于磁吸履带轮装置承重轮10直径；所述摆臂轮装置驱动电机47整体尺寸小于磁吸履带轮装置驱动电机15，所述摆臂轮装置传动锥齿轮副48、49与磁吸履带轮装置传动锥齿轮副16、17相同，所述摆臂轮装置传动锥齿轮副48、49与磁吸履带轮装置传动锥齿轮副16、17安装位置以及形式相同。
30.如图5所示，当前方有障碍时，在行驶过程中，该行走机构提前将变径杆38和辅助越障摆臂轮5抬起，形成前攻角，如图5(a)所示，当行走机构行驶至辅助越障摆臂轮同步带轮42一侧与障碍物接触时，如图5(b)所示，利用辅助越障摆臂轮5将车身抬起，如图5(c)所示，此时磁吸履带9继续转动带动行走机构向前移动，车身抬起角度变大，如图5(d)所示，磁吸履带9与障碍物接触后继续转动带动行走机构向前移动，从而使得行走机构翻越障碍即图5(e)。
31.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围内由所附的权利要求书及其等效物界定。