一种电磁吸附式外管道爬行机器人

1.本发明涉及外管道检测机器人技术领域，具体涉及一种电磁吸附式外管道爬行机器人。


背景技术：

2.石油、天然气等重要能源作为社会经济发展的基石，正发挥越来越重要的作用，其需求也逐年攀升。因此，作为运输流体介质的大型管道的安全维护也越来越受到重视。针对油气等大型输送管道的定期检测和维护，研制各种类型的管道检测机器人成为当前的研究热点之一。
3.现有的外管道检测机器人常采用抱紧式，即通过多组手臂环绕管道，只适用于直径较小或倾斜角度较大的管道或线缆，且其结构较为复杂，在机器人前进和转弯时，动作较多，能量损耗大。针对石油、天然气等大型输送管道的定期检测和维护需求，需要进一步研究更多的结构简单可靠、能量损耗小，可适应长距离工作的外管道检测机器人。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种电磁吸附式外管道爬行机器人，解决以下技术问题：目前外管道机器人存在的结构复杂、动作较多、驱动复杂和能量损耗大的问题。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种电磁吸附式外管道爬行机器人，包括一个驱动单元和两个抱紧单元，其中两个相同的抱紧单元分别安装于驱动单元的前后两侧，驱动单元包括伸缩驱动装置和伸缩杆组，抱紧单元包括支撑装置、抱紧装置和转向复位装置。
7.作为本发明进一步的方案：伸缩驱动装置包括第一箱体、驱动电机、螺母、丝杠、第一驱动齿轮、第二驱动齿轮，其中第一箱体分为前后两部分，并通过螺栓连接，第一箱体前部设有固定铰座，驱动电机安装在第一箱体的前端面，第一驱动齿轮安装在驱动电机输出轴上，丝杠光轴段通过轴承组件安装在第一箱体中，螺母安装在丝杠螺纹段，螺母底部设有铰接用的销轴，第二驱动齿轮安装在丝杠光轴段上，第二驱动齿轮与第一驱动齿轮啮合。
8.作为本发明进一步的方案：伸缩杆组包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、连接件，其中第一连杆和第二连杆一端通过铰链安装于第一箱体前部的固定铰座上，第一连杆另一端通过铰链与第四连杆一端相连，第二连杆另一端通过铰链与第三连杆一端相连，第三连杆中部孔和第四连杆中部孔与螺母底部的销轴一起组成铰接关节，第三连杆另一端通过铰链与第五连杆一端相连，第四连杆另一端通过铰链与第六连杆一端相连，第五连杆和第六连杆另一端通过铰链与连接件相连。
9.作为本发明进一步的方案：支撑装置包括顶部支撑板、滑轨、第二箱体、车轮、车架，其中车架整体呈h型结构，车架顶部的中心设有圆形凹槽，车架的圆形凹槽侧面一侧有一段凸起，车架的圆形凹槽底部设有通孔，车架顶部两侧凸缘处对称设有固定铰座一，车架底部两侧凸缘处对称设有固定铰座二，车架前部侧面装有激光测距装置和摄像头等检测装
置，车轮通过铰链安装于车架底部两侧凸缘处的固定铰座二上，车轮为轮对式结构；第二箱体整体呈工字型，由左右对称两部分组成，第二箱体通过螺栓安装于车架顶部，顶部支撑板通过螺栓组件安装于第二箱体顶部，滑轨固连于顶部支撑板两侧的u型凹槽中。
10.作为本发明进一步的方案：抱紧装置包滑块、推杆、传动轴、柱形凸轮、第一抱紧传动齿轮、第二抱紧传动齿轮、抱紧电机、连杆、抱紧杆、电磁组件外壳、电磁电源组件、电磁线圈、电磁铁芯，其中传动轴通过轴承组件安装于第二箱体中，两个柱形凸轮对称固连安装在传动轴两侧，并通过弹性挡圈轴向固定，第一抱紧传动齿轮固连安装于传动轴中段，推杆一端的底面设有滚子，所述滚子安装在柱形凸轮表面的螺旋形凹槽中，推杆另一端设有铰座孔，推杆的上端面与滑块底面固连，滑块安装于滑轨内；抱紧电机安装于第二箱体的外侧端面，第二抱紧传动齿轮安装在抱紧电机的输出轴上，并与第一抱紧传动齿轮啮合；连杆的一端与推杆的铰座孔进行铰接，连杆的另一端通过铰链与抱紧杆中部连接；抱紧杆为弧形结构，两个抱紧杆的一端分别通过铰链安装于车架顶部两侧的固定铰座一上，两个抱紧杆另一端分别铰接安装有电磁组件外壳，电磁组件外壳内装有电磁电源组件、电磁线圈和电磁铁芯，通过控制抱紧杆的开合度与车轮的角度，可使机器人在900mm至2100mm的圆柱形金属管道外壁稳定运行。
11.作为本发明进一步的方案：转向复位装置包括连接板、复位盘、弧形弹簧，其中复位盘顶部设有一段圆弧形凸起，复位盘安装于车架中间的圆形凹槽和通孔中，复位盘底部通过销与连接板连接，两个弧形弹簧分别安装在车架圆形凹槽中的凸起与复位盘顶部的圆弧形凸起所形成的两个弧形空间内；位于伸缩单元前端抱紧单元中的连接板通过螺栓组件与连接件固连，位于伸缩单元后端抱紧单元中的连接板通过螺栓组件与第一箱体的后端面固连。
12.作为本发明进一步的方案：当机器人爬行遇到弯管时，通过前端抱紧单元中与管壁接触的车轮带动车架转动，此时前端抱紧单元中的复位盘转动偏离初始位置，此时复位盘上的圆弧形凸起压缩一侧弧形弹簧并拉伸另一侧弧形弹簧；同时，复位盘通过销带动前端抱紧单元的连接板转动，进而通过驱动单元带动后端抱紧单元的连接板转动，后端抱紧单元的连接板通过销带动后端抱紧单元的复位盘转动，并通过后端抱紧单元的复位盘上的圆弧形凸起压缩一侧弧形弹簧并拉伸另一侧弧形弹簧；当机器人爬行离开弯管时，通过前端抱紧单元中的车轮与弧形弹簧带动复位盘反转到初始位置，前端抱紧单元的复位盘通过销带动前端抱紧单元的连接板反转，进而通过驱动单元带动后端抱紧单元的连接板复位，通过后侧抱紧单元的车轮，弧形弹簧带动后侧抱紧单元的复位盘反转回到初始位置，完成复位。
13.作为本发明进一步的方案：当机器人前进时，位于伸缩单元前端抱紧单元中的电磁组件外壳解除吸附，前端抱紧单元中的抱紧电机通过齿轮副驱动柱形凸轮转动，柱形凸轮上的螺旋形凹槽带动推杆和滑块向内收回，并通过连杆带动抱紧杆向上抬起，此时前端抱紧单元只有车轮与管道接触；然后由驱动电机带动丝杠转动，螺母向前移动带动伸缩杆组向前伸出，从而推动前端抱紧单元向前运动，当伸缩杆组伸长到最大长度后，丝杠停止转动；此时，前端抱紧单元的抱紧电机反转，通过齿轮副驱动柱形凸轮反转，柱形凸轮的螺旋形凹槽带动推杆和滑块向外伸出，并通过连杆带动抱紧杆向下回落，前端抱紧单元的电磁组件外壳重新吸附管道；然后，位于伸缩单元后端的抱紧单元中的电磁组件外壳解除吸附，
由后端抱紧单元的抱紧电机带动柱形凸轮转动，柱形凸轮上的螺旋形凹槽带动推杆和滑块向内收回，并通过连杆带动抱紧杆向上抬起，此时后端抱紧单元只有车轮与管道接触；然后，驱动电机带动丝杠反转，螺母带动伸缩杆组收缩，并带动后端抱紧单元向前运动，当伸缩杆组收缩到最小长度后，后端抱紧单元的的抱紧电机反转，通过齿轮副驱动柱形凸轮反转，柱形凸轮的螺旋形凹槽带动推杆和滑块向外伸出，并通过连杆带动抱紧杆向下回落，后端抱紧单元的电磁组件外壳重新吸附管道，机器人完成单次爬行动作。
14.本发明的有益效果：
15.本发明一种电磁吸附式外管道爬行机器人，采用电磁吸附结构，使用柱形凸轮机构与滑块摇杆机构带动电磁铁抬落，使机器人可以稳定地吸附在大直径金属管道表面，采用丝杠螺母以及伸缩杆组，使机器人可以在管道上平稳运行，采用弧形弹簧的转向复位装置可使机器人更加灵活地通过各种弯道，且不需要额外控制，机器人整体结构简单可靠，可适应大直径石油、天然气等金属管道，能量损耗小，可适应长距离工作。
附图说明
16.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
17.图1是本发明外管道爬行机器人的总体结构示意图；
18.图2是本发明外管道爬行机器人驱动单元的结构示意图；
19.图3是本发明外管道爬行机器人抱紧单元的部分结构示意图；
20.图4是本发明外管道爬行机器人抱紧单元的结构示意图；
21.图5是本发明外管道爬行机器人电磁组件的结构示意图；
22.图6是本发明外管道爬行机器人转向复位装置的结构示意图；
23.图7是本发明外管道爬行机器人在r1＝900mm圆柱管壁上的爬行应用示意图；
24.图8是本发明外管道爬行机器人在r2＝2100mm圆柱管壁上的爬行应用示意图；
25.图9是本发明外管道爬行机器人通过弯管的示意图；
26.图10是本发明外管道爬行机器人行走过程的示意图。
27.图中：1、第一箱体；2、驱动电机；3、螺母；4、丝杠；5、第一驱动齿轮；6、第二驱动齿轮；7、第一连杆；8、第二连杆；9、第三连杆；10、第四连杆；11、第五连杆；12、第六连杆；13、连接件；14、滑块；15、顶部支撑板；16、滑轨；17、推杆；18、传动轴；19、柱形凸轮；20、第一抱紧传动齿轮；21、第二抱紧传动齿轮；22、抱紧电机；23、第二箱体；24、连杆；25、抱紧杆；26、车轮；27、连接板；28、车架；29、电磁组件外壳；30、电磁电源组件；31、电磁线圈；32、电磁铁芯；33、复位盘；34、弧形弹簧；2801、圆形凹槽；2802、凸起；2803、通孔；2804、固定铰座一；2805、固定铰座二。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例1：
30.如图1-8所示，本实施例的一种电磁吸附式外管道爬行机器人，包括一个驱动单元和两个抱紧单元，其中两个相同的抱紧单元分别安装于驱动单元的前后两侧，驱动单元包括伸缩驱动装置和伸缩杆组，抱紧单元包括支撑装置、抱紧装置和转向复位装置。
31.本实施例中伸缩驱动装置包括第一箱体1，驱动电机2，螺母3，丝杠4，第一驱动齿轮5，第二驱动齿轮6，其中第一箱体1分为前后两部分，并通过螺栓连接，第一箱体1前部设有固定铰座，驱动电机2安装在第一箱体1的前端面，第一驱动齿轮5安装在驱动电机2输出轴上，丝杠4光轴段通过轴承组件安装在第一箱体1中，螺母3安装在丝杠4螺纹段，螺母3底部设有铰接用的销轴，第二驱动齿轮6安装在丝杠4光轴段上，第二驱动齿轮6与第一驱动齿轮5啮合。
32.本实施例中伸缩杆组包括第一连杆7，第二连杆8，第三连杆9，第四连杆10，第五连杆11，第六连杆12，连接件13，其中第一连杆7和第二连杆8一端通过铰链安装于第一箱体1前部的固定铰座上，第一连杆7另一端通过铰链与第四连杆10一端相连，第二连杆8另一端通过铰链与第三连杆9一端相连，第三连杆9中部孔和第四连杆10中部孔与螺母3底部的销轴一起组成铰接关节，第三连杆9另一端通过铰链与第五连杆11一端相连，第四连杆10另一端通过铰链与第六连杆12一端相连，第五连杆11和第六连杆12另一端通过铰链与连接件13相连。
33.本实施例中支撑装置包括顶部支撑板15，滑轨16，第二箱体23，车轮26，车架28，其中车架28整体呈h型结构，车架28顶部的中心设有圆形凹槽2801，车架28的圆形凹槽2801侧面一侧有一段凸起2802，车架28的圆形凹槽2801底部设有通孔2803，车架28顶部两侧凸缘处对称设有固定铰座一2804，车架28底部两侧凸缘处对称设有固定铰座二2805，车架28前部侧面装有激光测距装置和摄像头等检测装置，车轮26通过铰链安装于车架28底部两侧凸缘处的固定铰座二2805上；第二箱体23整体呈工字型，由左右对称两部分组成，第二箱体23通过螺栓安装于车架28顶部，顶部支撑板15通过螺栓组件安装于第二箱体23顶部，滑轨16固连于顶部支撑板15两侧的u型凹槽中。
34.本实施例中抱紧装置包滑块14，推杆17，传动轴18，柱形凸轮19，第一抱紧传动齿轮20，第二抱紧传动齿轮21，抱紧电机22，连杆24，抱紧杆25，电磁组件外壳29，电磁电源组件30，电磁线圈31，电磁铁芯32，其中传动轴18通过轴承组件安装于第二箱体23中，两个柱形凸轮19对称固连安装在传动轴18两侧，并通过弹性挡圈轴向固定，第一抱紧传动齿轮20固连安装于传动轴18中段，推杆17一端的底面设有滚子，所述滚子安装在柱形凸轮19表面的螺旋形凹槽中，推杆17另一端设有铰座孔，推杆17的上端面与滑块14底面固连，滑块14安装于滑轨16内；抱紧电机22安装于第二箱体23的外侧端面，第二抱紧传动齿轮21安装在抱紧电机22的输出轴上，并与第一抱紧传动齿轮20啮合；连杆24的一端与推杆17的铰座孔进行铰接，连杆24的另一端通过铰链与抱紧杆25中部连接；抱紧杆25为弧形结构，两个抱紧杆25的一端分别通过铰链安装于车架28顶部两侧的固定铰座一2804上，两个抱紧杆25另一端分别铰接安装有电磁组件外壳29，电磁组件外壳29内装有电磁电源组件30，电磁线圈31，电磁铁芯32，通过控制抱紧杆25的开合度与车轮26的角度，可使机器人在900mm至2100mm的圆柱形金属管道外壁稳定运行。
35.转向复位装置包括连接板27、复位盘33、弧形弹簧34，其中复位盘33顶部设有一段圆弧形凸起，复位盘33安装于车架28中间的圆形凹槽2801和通孔2803中，复位盘33底部通
过销与连接板27连接，两个弧形弹簧34分别安装在车架28圆形凹槽2801中的凸起2802与复位盘33顶部的圆弧形凸起所形成的两个弧形空间内；位于伸缩单元前端抱紧单元中的连接板27通过螺栓组件与连接件13固连，位于伸缩单元后端抱紧单元中的连接板27通过螺栓组件与第一箱体1的后端面固连。
36.实施例2：
37.在实施例1的基础上，如图6和图9所示，当机器人爬行遇到弯管时，通过前端抱紧单元中与管壁接触的车轮26带动车架28转动，此时前端抱紧单元中的复位盘33转动偏离初始位置，此时复位盘33上的凸起压缩一侧弧形弹簧34并拉伸另一侧弧形弹簧34；同时，复位盘33通过销带动前端抱紧单元的连接板27转动，进而通过驱动单元带动后端抱紧单元的连接板27转动，后端抱紧单元的连接板27通过销带动后端抱紧单元的复位盘33转动，并通过后端抱紧单元的复位盘33上的凸起压缩一侧弧形弹簧34并拉伸另一侧弧形弹簧34。
38.本实施例中当机器人爬行离开弯管时，通过前端抱紧单元中的车轮28与弧形弹簧34带动复位盘33反转到初始位置，前端抱紧单元的复位盘33通过销带动前端抱紧单元的连接板27反转，进而通过驱动单元带动后端抱紧单元的连接板27复位，通过后侧抱紧单元的车轮28，弧形弹簧34带动后侧抱紧单元的复位盘33反转回到初始位置，完成复位。
39.实施例3：
40.在上述任一实施例的基础上，如图10所示，当机器人前进时，位于伸缩单元前端抱紧单元中的电磁组件外壳29解除吸附，前端抱紧单元中的抱紧电机22通过齿轮副驱动柱形凸轮19转动，柱形凸轮19上的螺旋形凹槽带动推杆17和滑块14向内收回，并通过连杆24带动抱紧杆25向上抬起，此时前端抱紧单元只有车轮26与管道接触；然后由驱动电机2带动丝杠4转动，螺母3向前移动带动伸缩杆组向前伸出，从而推动前端抱紧单元向前运动，当伸缩杆组伸长到最大长度后，丝杠4停止转动；此时，前端抱紧单元的抱紧电机22反转，通过齿轮副驱动柱形凸轮19反转，柱形凸轮19的螺旋形凹槽带动推杆17和滑块14向外伸出，并通过连杆24带动抱紧杆25向下回落，前端抱紧单元的电磁组件外壳29重新吸附管道；然后，位于伸缩单元后端的抱紧单元中的电磁组件外壳29解除吸附，由后端抱紧单元的抱紧电机22带动柱形凸轮19转动，柱形凸轮19上的螺旋形凹槽带动推杆17和滑块14向内收回，并通过连杆24带动抱紧杆25向上抬起，此时后端抱紧单元只有车轮26与管道接触；然后，驱动电机2带动丝杠4反转，螺母3带动伸缩杆组收缩，并带动后端抱紧单元向前运动，当伸缩杆组收缩到最小长度后，后端抱紧单元的的抱紧电机22反转，通过齿轮副驱动柱形凸轮19反转，柱形凸轮19的螺旋形凹槽带动推杆17和滑块14向外伸出，并通过连杆24带动抱紧杆25向下回落，后端抱紧单元的电磁组件外壳29重新吸附管道，机器人完成单次爬行动作。
41.以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。