一种履带式管道外壁爬行机器人的制作方法

1.本发明属于管道外壁爬行机器人技术领域。具体为一种履带式管道外壁爬行机器人。


背景技术：

2.管道作为重要的传输工具在工业领域发挥着重要作用，但在长期使用过程中会存在着一些问题，例如管道因长期暴露容易受到侵袭或磨损，或其他原因引起的变形断裂等问题，从而造成输送物料泄漏，这不仅会造成重大经济损失，严重情况还会对环境和人员生命健康造成损害，因此需要对管道进行定期检查和维护。因大部分工业用管道外壁存在焊缝、法兰盘和阀门等，这为日常的检测增加了障碍。为便于检测，管道外壁爬行机器人的研发和使用已引起本领域技术人员的关注。
3.如“一种激光雷达两栖管道检测机器人”(cn112630229a)专利技术，该技术具有四个移动轮，对称设置于下壳体的侧壁，虽质量小，但由于采用的轮式结构与管壁接触面积小，在工作过程中稳定性差。
4.又如“一种履带式钢质壁面攀爬机器人”(cn111086568a)专利技术，该技术在主框架前端设有弧形槽孔，用于限定机器人吸附装置的旋转角度，使机器人沿中心轴方向在一定程度上自动适应压力容器或船体外壁面的弧度。该技术的吸附装置虽可适应壁面的弧度，增加了攀爬过程中的稳定性，但仍存在着越障能力差的问题。
5.又如“一种基于麦克纳姆轮的导波检测管外机器人及其工作方法”(cn112305071a)专利技术，该技术的两个固定架的上端均通过被动式活动关节分别可动地连接在主体的前后两端，固定架的下端设置有两个呈八字形设置的固定杆，每个固定杆上均设置有麦克纳姆轮，可实现沿管道轴向方向的移动和绕管道圆周方向旋转。该技术采用绕管道圆周方向旋转的方式避让障碍物，无法通过类似法兰盘等沿整个管道的圆周方向的障碍物。


技术实现要素：

6.本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种越障能力强、稳定性好和适应能力广的管道外壁爬行机器人。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.为便于描述，设第一履带式爬行主体位于前方，面对第一履带式爬行主体前部的左侧为左方向。
9.所述履带式管道外壁爬行机器人包括第一履带式爬行主体、第二履带式爬行主体和第三履带式爬行主体；第一履带式爬行主体、第二履带式爬行主体和第三履带式爬行主体通过十字轴式万向节由前向后依次连接，第一履带式爬行主体与第三履带式爬行主体结构相同，第一履带式爬行主体和第三履带式爬行主体前后对称设置。
10.第一履带式爬行主体由两个第一履带移动装置、第一连接架、第一磁力调节机构、
两个第一电动推杆、两个摆臂机构、第一电源、摄像头和第一运动控制板组成；第一连接架的两侧对称地安装有第一履带移动装置，两个摆臂机构分别对称地与各自对应的第一履带移动装置活动连接；两个第一电动推杆的下端分别对称地铰接在各自对应的第一履带移动装置的内侧，两个第一电动推杆的上端对称地铰接在第一连接架的顶部；第一磁力调节机构垂直地安装在第一连接架的中间位置处。第一电源固定在第一连接架底部的前端一侧，第一运动控制板固定在第一连接架底部的前端另一侧。
11.第一连接架包括矩形框架、安装板、四个立柱、矩形底板和两个“十”字形安装架；矩形框架是由两条纵梁和两条横梁构成的整体，四个立柱的下端分别与矩形底板对应的四个角固定连接，四个立柱的上端分别对称地固定在各自对应的横梁的靠近两端处。
12.矩形框架、四个立柱和矩形底板组成车架本体；所述车架本体的前侧和后侧对称地设有“十”字形安装架，两个“十”字形安装架的垂直杆内侧沿垂直方向对称地设有滑槽，滑槽上下贯通；两个“十”字形安装架的垂直杆两侧的水平杆分别对称地设有万向节安装孔。
13.矩形框架的两条纵梁的下平面分别对称地设有两个第一履带铰接件，两个第一履带铰接件分别位于各自对应的纵梁的靠近两端处。
14.矩形底板的中心位置处设有丝杠轴承安装孔，靠近丝杠轴承安装孔中心对称地设有四条条形孔，矩形底板四条边的中垂线分别与各自对应的条形孔的中心线重合。
15.矩形框架的两条纵梁上平面的中间位置处沿左右方向设有安装板，安装板的中间位置处设有第一丝杠舵机安装孔，安装板下平面的靠近前边缘处对称地设有第一电动推杆上安装架。
16.矩形框架的前端横梁的中间位置处设有摄像头安装孔，摄像头通过螺栓与摄像头安装孔固定连接。
17.第一履带移动装置由第一履带外支架、第一履带链轮、第一履带内支架和第一履带电机组成；第一履带链轮的右侧和左侧对应地装有第一履带内支架和第一履带外支架，第一履带电机固定在第一履带内支架的右侧面。
18.第一履带外支架的结构是：在靠近第一支架板的上边缘处设有支撑链轮轴承座和摆臂上轴承座，支撑链轮轴承座位于第一支架板的前端，摆臂上轴承座靠近第一支架板的前部；第一支架板的后部由后向前依次设有第一主动链轮轴承座、摆臂下轴承座和第一从动链轮轴承座，第一主动链轮轴承座中心、摆臂下轴承座中心和第一从动链轮轴承座中心均位于同一水平线，摆臂下轴承座位于第一从动链轮轴承座和第一主动链轮轴承座的中间位置处。其中：
19.第一从动链轮轴承座和第一主动链轮轴承座的中心距l0＝1.2～1.5d
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(1)
20.支撑链轮轴承座和第一主动链轮轴承座的水平中心距l
l
＝3～3.2d
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(2)
21.支撑链轮轴承座和第一主动链轮轴承座的垂直中心距l
h
＝0.5～0.75d
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(3)
22.式(1)～(3)中：d表示主动链轮或从动链轮的齿顶圆直径，mm。
23.第一支架板为平板，所述平板的外形为：平板的前侧外形为小圆弧，小圆弧的半径为支撑链轮的齿顶圆半径；平板的后侧外形为半圆形，半圆形半径为第一主动链轮的齿顶圆半径；平板上边缘的轮廓线为所述半圆形和所述小圆弧的切线，平板下边缘的轮廓线为水平线和斜线组成的连线，水平线为第一从动链轮的齿顶圆和第一主动链轮齿顶圆的切
线，斜线为第一从动链轮齿顶圆和支撑链轮齿顶圆的切线。
24.第一履带内支架的结构是：在第一支架本体的右侧面设有两个第一连接架铰接件、第一履带电机安装架、摆臂舵机安装架和第一电动推杆下安装架；所述第一支架本体的结构和第一履带外支架的结构为镜像设置。
25.在靠近所述第一支架本体的上边缘设有两个第一连接架铰接件，两个第一连接架铰接件的中心位于所述第一支架本体下边缘水平线的垂直平分线上；在靠近所述第一支架本体的后边缘处设有第一履带电机安装架，第一主动链轮轴承座中心线与第一履带电机安装架的中心线为同一条直线，第一履带电机与第一履带电机安装架固定连接；摆臂下轴承座的正下方设有摆臂舵机安装架，在第一从动链轮轴承座和摆臂下轴承座的中间位置处设有第一电动推杆下安装架，第一电动推杆下安装架靠近所述第一支架本体的上边缘。
26.两个第一连接架铰接件与第一连接架的两个第一履带铰接件对应连接；两个第一电动推杆的下端分别与对应的第一电动推杆下安装架铰接，两个第一电动推杆的上端分别与对应的两个第一电动推杆上安装架铰接。
27.第一履带链轮由支撑链轮、第一永磁吸附模块、第一从动链轮、第一主动链轮和第一链条组成；支撑链轮、第一从动链轮和第一主动链轮均为双排链轮，第一链条为两条单侧弯板链条，支撑链轮的轮齿、第一从动链轮的轮齿和第一主动链轮的轮齿分别与第一链条啮合。
28.支撑链轮的轮轴安装在支撑链轮轴承座处，第一从动链轮的轮轴安装在第一从动链轮轴承座处，第一主动链轮的安装在第一主动链轮轴承座处，第一主动链轮的右轮轴与第一履带电机的输出轴轴连接。
29.第一永磁吸附模块由履带板、永磁铁和履带安装板组成，永磁铁设置于履带板内，履带板与履带安装板通过螺栓与第一链条的弯板固定连接。
30.第一磁力调节机构由丝杠舵机支架、第一丝杠舵机、丝杠、磁吸附架、永磁铁块、丝杠轴承座和滑块组成。
31.磁吸附架为四条水平杆件组成的“十”字形整体式构件，四条水平杆件中心对称设置，每条水平杆件的下平面中心对称地设有1～3块永磁铁块，四个1～3块永磁铁块分别置入第一连接架对应的四条条形孔内；磁吸附架的前水平杆件的前端和后水平杆件的后端对称地设置有滑块，两个滑块分别活动地装入第一连接架对应的滑槽内；磁吸附架的中心处设有丝杆螺孔，丝杠的下端通过所述丝杠螺孔与丝杠轴承座活动连接，丝杠轴承座通过螺栓与矩形底板的丝杠轴承安装孔固定连接；丝杠的上端与第一丝杠舵机输出轴轴连接，第一丝杠舵机与丝杠舵机支架固定连接，丝杠舵机支架通过螺栓与安装板的第一丝杠舵机安装孔固定连接。
32.摆臂机构由摆臂舵机、曲柄轴、曲柄、连杆、摆臂轮、摆臂和摆臂轴组成；摆臂舵机的输出轴与曲柄轴的一端轴连接，曲柄轴的另一端与曲柄的一端固定连接，曲柄的另一端与连杆一端通过销轴活动连接，连杆的另一端与摆臂中间的销轴活动连接，摆臂的一端固定有摆臂轴，摆臂的另一端活动地装有摆臂轮；摆臂轴与第一履带内支架的摆臂上轴承座活动连接；摆臂舵机通过螺栓固定在第一履带内支架的摆臂舵机安装架上，曲柄轴安装在第一履带内支架的摆臂下轴承座处。
33.在第一履带式爬行主体中：两个第一履带移动装置为左侧第一履带装置和右侧第
一履带装置，两个第一履带移动装置各自装有的第一履带电机则对应地为第一左履带电机和第一右履带电机；两个摆臂机构为左摆臂机构和右摆臂机构，两个摆臂机构的摆臂舵机则对应地为左摆臂舵机和右摆臂舵机；两个第一电动推杆为第一左电动推杆和第一右电动推杆，两个第一电动推杆内各自设有的电机则对应地为第一左电动推杆电机和第一右电动推杆电机。
34.第一履带式爬行主体的运动控制系统是：第一运动控制板的蓝牙接口与上位机无线连接，摄像头与第一运动控制板的摄像头接口连接，第一电源的正极和负极与第一运动控制板的电源接口的正极和负极对应连接，第一运动控制板的电机接口1、电机接口2、电机接口3、电机接口4依次与第一左履带电机、第一右履带电机、第一左电动推杆电机、第一右电动推杆电机对应连接；第一运动控制板的舵机接口1、舵机接口2、舵机接口3依次与左摆臂舵机、右摆臂舵机、第一丝杠舵机对应连接。
35.第二履带式爬行主体由两个第二履带移动装置、第二连接架、第二磁力调节机构、第二电动推杆、第二电源和第二运动控制板组成。
36.第二履带移动装置分别对称地安装在第二连接架的两侧，两个第二电动推杆的下端分别对称地铰接在各自对应的第二履带移动装置的内侧，两个第二电动推杆的上端对称地铰接在第二连接架的顶部；第二磁力调节机构垂直地安装在第二连接架的中间位置处；第二电源固定在第二连接架底部的前端一侧，第二运动控制板固定在第二连接架底部的前端另一侧。
37.第二履带移动装置由第二履带链轮、第二履带外支架、第二履带内支架和第二履带电机组成；第二履带内支架和第二履带外支架对应地安装在第二履带链轮的右侧和左侧，第二履带电机固定在第二履带内支架的右侧。
38.第二履带外支架的结构是：在第二支架板对称地设有第二从动链轮轴承座和第二主动链轮轴承座，第二支架板是由矩形平板和所述矩形平板前后两侧对称设有的两个半圆形平板组成的整体式平板，第二从动链轮轴承座位于前半圆形平板的圆心处，第二主动链轮轴承座位于后半圆形平板的圆心处。
39.第二履带内支架的结构是，在第二支架本体的右侧面设有第二连接架铰接件、第二履带电机安装架和第二电动推杆下安装架。所述第二支架本体的结构和第二履带外支架的结构为镜像设置。
40.在所述第二支架本体的靠近矩形平板上边缘处对称地设有第二连接架铰接件，在靠近第二从动链轮轴承座的位置处设有第二电动推杆下安装架；在靠近所述第二支架本体的后边缘处设有第二履带电机安装架，第二主动链轮轴承座的中心和第二履带电机安装架的中心为同一条直线。
41.第二从动链轮轴承座和第二主动链轮轴承座的中心距与第一从动链轮轴承座和第一主动链轮轴承座的中心距相同。
42.第二履带链轮由第二从动链轮、第二永磁吸附模块、第二主动链轮和第二链条组成；第二从动链轮的轮齿和第二主动链轮的轮齿分别与第二链条啮合；第二从动链轮、第二永磁吸附模块、第二主动链轮和第二链条的结构与安装方式依次与第一从动链轮、第一永磁吸附模块、第一主动链轮和第一链条相同。
43.第二主动链轮安装于第二主动链轮轴承座，第二从动链轮安装于第二从动链轮轴
承座。
44.第二履带式爬行主体中的第二连接架、第二磁力调节机构、第二电动推杆、第二电源和第二运动控制板依次与第一履带式爬行主体中的第一连接架、第一磁力调节机构、第一电动推杆、第一电源与第一运动控制板相同。同样地，第二磁力调节机构中的第二丝杠舵机与第一磁力调节机构中的第一丝杠舵机相同。
45.在第二履带式爬行主体中：两个第二履带移动装置为左侧第二履带装置和右侧第二履带装置，两个第二履带移动装置的第二履带电机则对应地为第二左履带电机和第二右履带电机；两个第二电动推杆为第二左电动推杆和第二右电动推杆，两个第二电动推杆内各自设有的电机则对应地为第二左电动推杆电机和第二右电动推杆电机。
46.第二履带式爬行主体的运动控制系统是：第二运动控制板的蓝牙接口与上位机无线连接，第二电源的正极和负极与第二运动控制板的电源接口的正极和负极对应连接；第二运动控制板的电机接口1、电机接口2、电机接口3、电机接口4依次与第二左履带电机、第二右履带电机、第二左电动推杆电机、第二右电动推杆电机对应连接；第二运动控制板的舵机接口1与第二丝杠舵机连接。
47.第二运动控制板连接的上位机与第一运动控制板连接的上位机为同一个上位机。
48.十字轴式万向节的一端通过螺栓与第一连接架的后侧万向节安装孔固定连接，十字轴式万向节的另一端以与第一连接架的后侧对称的连接方式与第二连接架的前侧固定连接。
49.所述矩形底板的宽度为矩形框架的横梁长度的75～80％，矩形底板的长度与矩形框架的纵梁长度相等。
50.所述矩形底板的条形孔的长度为矩形底板长度的30～35％。
51.本发明的工作过程是：当履带式管道外壁爬行机器人(以下简称机器人)工作之前，根据拟工作的管道直径，先通过第一电动推杆的电机调节第一履带移动装置与第一连接架之间的角度，以适应管道的直径；当机器人工作时，通过控制两侧的第一履带电机的转速实现机器人的直行或转弯。
52.机器人越障过程是：当机器人在管道外壁由无障碍物的情况下运行至有障碍物时，摆臂机构的摆臂舵机运转，摆臂轮的转动将第一履带式爬行主体撑起；机器人沿管道外壁继续行进，当第一履带式爬行主体接触到障碍物时，摆臂舵机转动，使摆臂轮回到初始位置；同时机器人继续向前行进，第一履带式爬行主体将越过障碍物，第二履带式爬行主体同时被抬起，第三履带式爬行主体依旧吸附在管壁上，保持着越障的稳定性。第二履带式爬行主体与第一履带式爬行主体的越障过程相同，即第一履带式爬行主体继续前行，第二履带式爬行主体越过障碍，第三履带式爬行主体被抬起；第二履带式爬行主体越过障碍后，第三履带式爬行主体将越过障碍物；最后，机器人完成了整个越障动作，进入无障碍物的运行状态。
53.采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
54.本发明采用第一履带移动装置与第一连接架之间铰接，两个第一电动推杆的下端对称地铰接在各自对应的第一履带移动装置的内侧，上端对称地铰接在第一连接架的顶部，通过控制第一电动推杆的伸缩能调节第一履带移动装置与第一连接架之间的角度，不仅能适应管道外壁直径的变化，同时也增大了履带与管道外壁的接触面积，有效地提高了
机器人在管道外壁行进的稳定性。
55.本发明在第一履带移动装置上设有支撑链轮，支撑链轮能使履带与地面形成夹角，提高了履带前端与管道外壁的垂直距离，保证了攀越较大障碍物的能力；另外，由于第一履带式爬行主体设有摆臂机构，在越障过程中摆臂机构的摆臂舵机带动摆臂旋转，安装在摆臂一端的摆臂轮在旋转的过程中接触管道外壁，利用摆臂舵机的驱动力和管道外壁对摆臂轮的反向作用力将第一履带式爬行主体撑起一定角度，辅助机器人顺利越障，有效提高了机器人的越障能力。
56.本发明利用永磁铁对管道的吸附力，保证履带式管道外壁爬行机器人在管道外壁爬行的稳定性；而第一永磁吸附模块或第二永磁吸附模块安装在第一链条或第二链条上，既完成了履带式管道外壁爬行机器人运动的传递，也保障了机器人在爬行过程中所需的吸附力，提高了履带式管道外壁爬行机器人在管道外壁运行的稳定性。
57.本发明采用三个履带式爬行主体，能有效避免机器人在攀爬较大的障碍物、尤其是沿管壁轴线方向较长的障碍物时的稳定性差甚至脱离管壁的现象。由于机器人的磁吸附力是通过安装在每个履带式爬行主体上的第一磁吸附模块和第二永磁吸附模块提供的，在越障过程中每个履带式爬行主体会与管道外壁的距离发生变化，此时磁吸附力也会随之减弱，因此在第一履带式爬行主体、第二履带式爬行主体对应地设有第一磁力调节机构和第二磁力调节机构，当某一履带式爬行主体的磁力减弱时另外的履带式爬行主体能保障攀爬障碍物所需磁力，即在三个履带式爬行主体的共同作用下，可保证其攀越较大障碍物过程的稳定性和越障能力。
58.因此，本发明具有越障能力强、稳定性好和适应能力广的特点。
附图说明
59.图1是本发明的一种结构示意图；
60.图2是图1中第一履带式爬行主体1的一种结构放大示意图；
61.图3是图2的左视示意图；
62.图4是图2中第一连接架6的等轴测示意图；
63.图5是图3中左侧第一履带移动装置5的放大示意图；
64.图6是图5中第一履带外支架28的一种结构示意图；
65.图7是图5中第一履带内支架30的一种结构示意图；
66.图8是图5中第一履带链轮29的一种结构示意图；
67.图9是图2的中第一履带移动装置5的放大示意图；
68.图10是图8中第一永磁吸附模块43的俯视示意图；
69.图11是图10的a
‑
a剖视示意图；
70.图12是图2中第一磁力调节机构7的等轴测放大示意图；
71.图13是图2中摆臂机构9的一种结构示意图；
72.图14是图1中第二履带式爬行主体2的一种结构放大示意图；
73.图15是图14中第二履带移动装置64的一种结构示意图；
74.图16是图15中第二履带外支架71的一种结构示意图；
75.图17是图15中第二履带内支架72的一种结构示意图；
76.图18是图15中第二履带链轮70的一种结构示意图；
77.图19是本发明的一种使用状态示意图；
78.图20是图1中第一履带式爬行主体1的一种运动控制系统示意图；
79.图21是图1中第二履带式爬行主体2的一种运动控制系统示意图。
具体实施方式
80.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。
81.实施例1
82.一种履带式管道外壁爬行机器人。如图1所示，设第一履带式爬行主体1位于前方，面对第一履带式爬行主体1前部的左侧为左方向。
83.如图1所示，所述履带式管道外壁爬行机器人包括第一履带式爬行主体1、第二履带式爬行主体2和第三履带式爬行主体3；第一履带式爬行主体1、第二履带式爬行主体2和第三履带式爬行主体3通过十字轴式万向节4由前向后依次连接，第一履带式爬行主体1与第三履带式爬行主体3结构相同，第一履带式爬行主体1和第三履带式爬行主体3前后对称设置。
84.如图2、图3所示，第一履带式爬行主体1由两个第一履带移动装置5、第一连接架6、第一磁力调节机构7、两个第一电动推杆8、两个摆臂机构9、第一电源10、摄像头11和第一运动控制板12组成；第一连接架6的两侧对称地安装有第一履带移动装置5，两个摆臂机构9分别对称地与各自对应的第一履带移动装置5活动连接；两个第一电动推杆8的下端分别对称地铰接在各自对应的第一履带移动装置5的内侧，两个第一电动推杆8的上端对称地铰接在第一连接架6的顶部；第一磁力调节机构7垂直地安装在第一连接架6的中间位置处。
85.第一电源10固定在第一连接架6底部的前端一侧，第一运动控制板12固定在第一连接架6底部的前端另一侧。
86.如图4所示，第一连接架6包括矩形框架13、安装板14、四个立柱16、矩形底板22和两个“十”字形安装架26；矩形框架13是由两条纵梁21和两条横梁25构成的整体，四个立柱16的下端分别与矩形底板22对应的四个角固定连接，四个立柱16的上端分别对称地固定在各自对应的横梁25的靠近两端处。
87.矩形框架13、四个立柱16和矩形底板22组成车架本体；所述车架本体的前侧和后侧对称地设有“十”字形安装架26，两个“十”字形安装架26的垂直杆内侧沿垂直方向对称地设有滑槽18，滑槽18上下贯通；两个“十”字形安装架26的垂直杆两侧的水平杆分别对称地设有万向节安装孔19。
88.矩形框架13的两条纵梁21的下平面分别对称地设有两个第一履带铰接件20，两个第一履带铰接件20分别位于各自对应的纵梁21的靠近两端处。
89.矩形底板22的中心位置处设有丝杠轴承安装孔24，靠近丝杠轴承安装孔24中心对称地设有四条条形孔23，矩形底板22四条边的中垂线分别与各自对应的条形孔23的中心线重合。
90.矩形框架13的两条纵梁21上平面的中间位置处沿左右方向设有安装板14，安装板14的中间位置处设有第一丝杠舵机安装孔17，安装板14下平面的靠近前边缘处对称地设有
第一电动推杆上安装架15。
91.如图3和图4所示，矩形框架13的前端横梁25的中间位置处设有摄像头安装孔27，摄像头11通过螺栓与摄像头安装孔27固定连接。
92.如图5所示，第一履带移动装置5由第一履带外支架28、第一履带链轮29、第一履带内支架30和第一履带电机31组成；第一履带链轮29的右侧和左侧对应的装有第一履带内支架30和第一履带外支架28，第一履带电机31固定在第一履带内支架30的右侧面。
93.如图6所示，第一履带外支架28的结构是：在靠近第一支架板33的上边缘处设有支撑链轮轴承座32和摆臂上轴承座34，支撑链轮轴承座32位于第一支架板33的前端，摆臂上轴承座34靠近第一支架板33的前部；第一支架板33的后部由后向前依次设有第一主动链轮轴承座37、摆臂下轴承座36和第一从动链轮轴承座35，第一主动链轮轴承座37中心、摆臂下轴承座36中心和第一从动链轮轴承座35中心均位于同一水平线，摆臂下轴承座36位于第一从动链轮轴承座35和第一主动链轮轴承座37的中间位置处。图6中：
94.第一从动链轮轴承座35和第一主动链轮轴承座37的中心距l0＝1.5d
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(1)
95.支撑链轮轴承座32和第一主动链轮轴承座37的水平中心距l
l
＝3.2d
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(2)
96.支撑链轮轴承座32和第一主动链轮轴承座37的垂直中心距l
h
＝0.75d
ꢀꢀꢀ
(3)
97.式(1)～(3)中：d表示主动链轮或从动链轮齿顶圆直径，mm。
98.如图6和图8所示，第一支架板33为平板，所述平板的外形为：平板的前侧外形为小圆弧，小圆弧的半径为支撑链轮42的齿顶圆半径；平板的后侧外形为半圆形，半圆形半径为第一主动链轮45的齿顶圆半径；平板上边缘的轮廓线为所述半圆形和所述小圆弧的切线，平板下边缘的轮廓线为水平线和斜线组成的连线，水平线为第一从动链轮44的齿顶圆和第一主动链轮45齿顶圆的切线，斜线为第一从动链轮44齿顶圆和支撑链轮42齿顶圆的切线。
99.如图6、图7和图8所示，第一履带内支架30的结构是：在第一支架本体的右侧设有两个第一连接架铰接件38、第一履带电机安装架39、摆臂舵机安装架40和第一电动推杆下安装架41；所述第一支架本体的结构和第一履带外支架28的结构为镜像设置。
100.在靠近所述第一支架本体的上边缘设有两个第一连接架铰接件38，两个第一连接架铰接件38的中心位于所述第一支架本体下边缘水平线的垂直平分线上；在靠近所述第一支架本体的后边缘处设有第一履带电机安装架39，第一主动链轮轴承座37中心线与第一履带电机安装架39的中心线位于同一条直线，第一履带电机31与第一履带电机安装架39固定连接；摆臂下轴承座36的正下方设有摆臂舵机安装架40，在第一从动链轮轴承座35和摆臂下轴承座36的中间位置处设有第一电动推杆下安装架41，第一电动推杆下安装架41靠近所述第一支架本体的上边缘。
101.如图2、图4和图7所示，两个第一连接架铰接件38与第一连接架6的两个第一履带铰接件20对应连接；两个第一电动推杆8的下端分别与对应的第一电动推杆下安装架41铰接，两个第一电动推杆8的上端分别与对应的两个第一电动推杆上安装架15铰接。
102.如图8所示，第一履带链轮29由支撑链轮42、第一永磁吸附模块43、第一从动链轮44、第一主动链轮45和第一链条46组成；支撑链轮42、第一从动链轮44和第一主动链轮45均为双排链轮，第一链条46为两条单侧弯板链条，支撑链轮42的轮齿、第一从动链轮44的轮齿和第一主动链轮45的轮齿分别与第一链条46啮合。
103.如图9所示，支撑链轮42的轮轴安装在支撑链轮轴承座32处，第一从动链轮44的轮
轴安装在第一从动链轮轴承座35处，第一主动链轮45的安装在第一主动链轮轴承座37处，第一主动链轮45的右轮轴与第一履带电机31的输出轴轴连接。
104.如图10、11所示，第一永磁吸附模块43由履带板47、永磁铁48和履带安装板49组成，永磁铁48设置于履带板47内，履带板47与履带安装板49通过螺栓与第一链条46的弯板固定连接。
105.如图12所示，第一磁力调节机构7由丝杠舵机支架50、第一丝杠舵机51、丝杠52、磁吸附架53、永磁铁块54、丝杠轴承座55和滑块56组成。
106.磁吸附架53为四条水平杆件组成的“十”字形整体式构件，四条水平杆件中心对称设置，每条水平杆件的下平面中心对称地设有3块永磁铁块54，四个3块永磁铁块54分别置入第一连接架6对应的四条条形孔23内；磁吸附架53的前水平杆件的前端和后水平杆件的后端对称地设置有滑块56，两个滑块56分别活动地装入第一连接架6对应的滑槽18内；磁吸附架53的中心处设有丝杆螺孔，丝杠52的下端通过所述丝杠螺孔与丝杠轴承座55活动连接，丝杠轴承座55通过螺栓与矩形底板22的丝杠轴承安装孔24固定连接；丝杠52的上端与第一丝杠舵机51输出轴轴连接，第一丝杠舵机51与丝杠舵机支架50固定连接，丝杠舵机支架50通过螺栓与安装板14的第一丝杠舵机安装孔17固定连接。
107.如图13所示，摆臂机构9由摆臂舵机57、曲柄轴58、曲柄59、连杆60、摆臂轮61、摆臂62和摆臂轴63组成；摆臂舵机57的输出轴与曲柄轴58的一端轴连接，曲柄轴58的另一端与曲柄59的一端固定连接，曲柄59的另一端与连杆60一端通过销轴活动连接，连杆60的另一端与摆臂62中间的销轴活动连接，摆臂62的一端固定有摆臂轴63，摆臂62的另一端活动地装有摆臂轮61。如图9和图13所示，摆臂轴63与第一履带内支架30的摆臂上轴承座34活动连接；摆臂舵机57通过螺栓固定在第一履带内支架30的摆臂舵机安装架40上，曲柄轴58安装在第一履带内支架30的摆臂下轴承座36处。
108.如图2、图3、图5、图13和图20所示，在第一履带式爬行主体1中：两个第一履带移动装置5为左侧第一履带装置和右侧第一履带装置，两个第一履带移动装置5各自装有的第一履带电机31则对应地为第一左履带电机89和第一右履带电机88；两个摆臂机构9为左摆臂机构和右摆臂机构，两个摆臂机构9的摆臂舵机57则对应地为左摆臂舵机85和右摆臂舵机84；两个第一电动推杆8为第一左电动推杆和第一右电动推杆，两个第一电动推杆8内各自设有的电机则对应地为第一左电动推杆电机87和第一右电动推杆电机86。
109.如图20所示，第一履带式爬行主体1的运动控制系统是：第一运动控制板12的蓝牙接口与上位机无线连接，摄像头11与第一运动控制板12的摄像头接口连接，第一电源10的正极和负极与第一运动控制板12的电源接口的正极和负极对应连接，第一运动控制板12的电机接口1、电机接口2、电机接口3、电机接口4依次与第一左履带电机89、第一右履带电机88、第一左电动推杆电机87、第一右电动推杆电机86对应连接；第一运动控制板12的舵机接口1、舵机接口2、舵机接口3依次与左摆臂舵机85、右摆臂舵机84、第一丝杠舵机51对应连接。
110.如图14所示，第二履带式爬行主体2由两个第二履带移动装置64、第二连接架65、第二磁力调节机构66、第二电动推杆67、第二电源68和第二运动控制板69组成。
111.如图14所示，第二履带移动装置64分别对称地安装在第二连接架65的两侧，两个第二电动推杆67的下端分别对称地铰接在各自对应的第二履带移动装置64的内侧，两个第
二电动推杆67的上端对称地铰接在第二连接架65的顶部；第二磁力调节机构66垂直地安装在第二连接架65的中间位置处；第二电源68固定在第二连接架65底部的前端一侧，第二运动控制板69固定在第二连接架65底部的前端另一侧。
112.如图15所示，第二履带移动装置64由第二履带链轮70、第二履带外支架71、第二履带内支架72和第二履带电机73组成；第二履带内支架72和第二履带外支架71对应地安装在第二履带链轮70的右侧和左侧，第二履带电机73固定在第二履带内支架72的右侧。
113.如图16所示，第二履带外支架71的结构是：在第二支架板75对称地设有第二从动链轮轴承座74和第二主动链轮轴承座76，第二支架板75是由矩形平板和所述矩形平板前后两侧对称设有的两个半圆形平板组成的整体式平板，第二从动链轮轴承座74位于前半圆形平板的圆心处，第二主动链轮轴承座76位于后半圆形平板的圆心处。
114.如图17所示，第二履带内支架72的结构是，在第二支架本体的右侧面设有第二连接架铰接件77、第二履带电机安装架78和第二电动推杆下安装架79。所述第二支架本体的结构和第二履带外支架71的结构为镜像设置。
115.在所述第二支架本体的靠近矩形平板上边缘处对称地设有第二连接架铰接件77，在靠近第二从动链轮轴承座74的位置处设有第二电动推杆下安装架79；在靠近所述第二支架本体的后边缘处设有第二履带电机安装架78，第二主动链轮轴承座76的中心和第二履带电机安装架78的中心为同一条直线。
116.第二从动链轮轴承座74和第二主动链轮轴承座76的中心距与第一从动链轮轴承座35和第一主动链轮轴承座37的中心距相同。
117.如图18所示，第二履带链轮70由第二从动链轮80、第二永磁吸附模块81、第二主动链轮82和第二链条83组成；第二从动链轮80的轮齿和第二主动链轮82的轮齿分别与第二链条83啮合；第二从动链轮80、第二永磁吸附模块81、第二主动链轮82和第二链条83的结构与安装方式依次与第一从动链轮44、第一永磁吸附模块43、第一主动链轮45和第一链条46相同。
118.如图17和图18所示，第二主动链轮82安装于第二主动链轮轴承座76，第二从动链轮80安装于第二从动链轮轴承座74。
119.如图1、图13、图14和图20所示，第二履带式爬行主体2中的第二连接架65、第二磁力调节机构66、第二电动推杆67、第二电源68和第二运动控制板69依次与第一履带式爬行主体1中的第一连接架6、第一磁力调节机构7、第一电动推杆8、第一电源10与第一运动控制板12相同；同样地，第二磁力调节机构66中的第二丝杠舵机90与第一磁力调节机构7中的第一丝杠舵机51相同。
120.如图1、图14、图15、和图21所示，在第二履带式爬行主体2中：两个第二履带移动装置64为左侧第二履带装置和右侧第二履带装置，两个第二履带移动装置64的第二履带电机73则对应地为第二左履带电机94和第二右履带电机93；两个第二电动推杆67为第二左电动推杆和第二右电动推杆，两个第二电动推杆67内各自设有的电机对应地为第二左电动推杆电机92和第二右电动推杆电机91。
121.第二履带式爬行主体2的运动控制系统是：第二运动控制板69的蓝牙接口与上位机无线连接，第二电源68的正极和负极与第二运动控制板69的电源接口的正极和负极对应连接；第二运动控制板69的电机接口1、电机接口2、电机接口3、电机接口4依次与第二左履
带电机94、第二右履带电机93、第二左电动推杆电机92、第二右电动推杆电机91对应连接；第二运动控制板69的舵机接口1与第二丝杠舵机90连接。
122.第二运动控制板69连接的上位机与第一运动控制板连接12的上位机为同一上位机；
123.十字轴式万向节4的一端通过螺栓与第一连接架6后侧的万向节安装孔19固定连接，十字轴式万向节4的另一端以与第一连接架6的后侧对称的连接方式与第二连接架65的前侧固定连接。
124.所述矩形底板22的宽度为矩形框架13的横梁25长度的80％，矩形底板22的长度与矩形框架13的纵梁21长度相等。
125.所述矩形底板22的条形孔23的长度为矩形底板22长度的35％。
126.实施例2
127.一种履带式管道外壁爬行机器人。除下述技术参数外，其余同实施例1：
128.第一从动链轮轴承座35和第一主动链轮轴承座37的中心距l0＝1.2d；
129.支撑链轮轴承座32和第一主动链轮轴承座37的水平中心距l
l
＝3d；
130.支撑链轮轴承座32和第一主动链轮轴承座37的垂直中心距l
h
＝0.5d；
131.每条水平杆件的下平面中心对称地设有2块永磁铁块54，4个2块永磁铁块54分别置入第一连接架6对应的四条条形孔23内；
132.所述矩形底板22的宽度为矩形框架13的横梁25长度的75％，矩形底板22的长度与矩形框架13的纵梁21长度相等；
133.所述矩形底板22的条形孔23的长度为矩形底板22长度的30％。
134.实施例3
135.一种履带式管道外壁爬行机器人。除下述技术参数外，其余同实施例1：
136.第一从动链轮轴承座35和第一主动链轮轴承座37的中心距l0＝1.4d；
137.支撑链轮轴承座32和第一主动链轮轴承座37的水平中心距l
l
＝3.1d；
138.支撑链轮轴承座32和第一主动链轮轴承座37的垂直中心距l
h
＝0.65d；
139.每条水平杆件的下平面中心对称地设有1块永磁铁块54，4个1块永磁铁块54分别置入第一连接架6对应的四条条形孔23内；
140.所述矩形底板22的宽度为矩形框架13的横梁25长度的78％，矩形底板22的长度与矩形框架13的纵梁21长度相等；
141.所述矩形底板22的条形孔23的长度为矩形底板22长度的33％。
142.本具体实施方式的工作过程是：当履带式管道外壁爬行机器人(以下简称机器人)工作之前，根据拟工作的管道直径，先通过第一电动推杆8的电机调节第一履带移动装置5与第一连接架6之间的角度，以适应管道的直径；当机器人工作时，通过控制两侧的第一履带电机31的转速实现机器人的直行或转弯。
143.机器人越障过程如图19所示：当机器人在管道外壁无障碍物的情况下运行时，摆臂轮61处于如图19
‑
a的初始位置；此时，当机器人运行至有障碍物时，摆臂机构9的摆臂舵机57运转，如图19
‑
b所示，摆臂轮61的转动将第一履带式爬行主体1撑起；机器人沿管道外壁继续行进，当第一履带式爬行主体1接触到障碍物时，摆臂舵机57转动，使摆臂轮61回到初始位置，如图19
‑
c所示的；同时机器人继续向前行进，第一履带式爬行主体1将越过障碍
物，如图19
‑
d所示，第二履带式爬行主体2同时被抬起，第三履带式爬行主体3依旧吸附在管壁上，保持着越障的稳定性。第二履带式爬行主体2与第一履带式爬行主体1的越障过程相同，机器人继续前行，如图19
‑
e所示，第二履带式爬行主体2将越过障碍，第三履带式爬行主体3被抬起；如图19
‑
f所示，第二履带式爬行主体2越过障碍后，第三履带式爬行主体3将越过障碍物；最后如图19
‑
g所示，机器人完成了整个越障动作，进入无障碍物的运行状态。
144.本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
145.本具体实施方式采用第一履带移动装置5与第一连接架6之间铰接，两个第一电动推杆8的下端对称地铰接在各自对应的第一履带移动装置5的内侧，上端对称地铰接在第一连接架6的顶部，通过控制第一电动推杆8的伸缩能调节第一履带移动装置5与第一连接架6之间的角度，不仅能适应管道外壁直径的变化，同时也增大了履带与管道外壁的接触面积，有效地提高了机器人在管道外壁行进的稳定性。
146.本具体实施方式在第一履带移动装置5上设有支撑链轮42，支撑链轮42能使履带与地面形成夹角，提高了履带前端与管道外壁的垂直距离，保证了攀越较大障碍物的能力；另外，由于第一履带式爬行主体1设有摆臂机构9，在越障过程中摆臂机构9的摆臂舵机57带动摆臂62旋转，安装在摆臂62一端的摆臂轮61在旋转的过程中接触管道外壁，利用摆臂舵机57的驱动力和管道外壁对摆臂轮61的反向作用力将第一履带式爬行主体1撑起一定角度，辅助机器人顺利越障，有效提高了机器人的越障能力。
147.本具体实施方式利用永磁铁54对管道的吸附力，保证履带式管道外壁爬行机器人在管道外壁爬行的稳定性；而第一永磁吸附模块43或第二永磁吸附模块81安装在第一链条46或第二链条83上，既完成了履带式管道外壁爬行机器人运动的传递，也保障了机器人在爬行过程中所需的吸附力，提高了履带式管道外壁爬行机器人在管道外壁运行的稳定性。
148.本具体实施方式采用三个履带式爬行主体，能有效避免机器人在攀爬较大的障碍物、尤其是沿管壁轴线方向较长的障碍物时的稳定性差甚至脱离管壁的现象。由于机器人的磁吸附力是通过安装在每个履带式爬行主体上的第一磁吸附模块43和第二永磁吸附模块81提供的，在越障过程中每个履带式爬行主体会与管道外壁的距离发生变化，此时磁吸附力也会随之减弱，因此在第一履带式爬行主体1、第二履带式爬行主体2对应地设有第一磁力调节机构7和第二磁力调节机构66，当某一履带式爬行主体的磁力减弱时另外的履带式爬行主体能保障攀爬障碍物所需磁力，即在三个履带式爬行主体的共同作用下，可保证其攀越较大障碍物过程的稳定性和越障能力。
149.因此，本具体实施方式具有越障能力强、稳定性好和适应能力广的特点。