基于旋转避障的过弯可控式管道机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体为一种基于旋转避障的过弯可控式管道机器人。

背景技术

管道广泛应用于石油和天然气工业、城市污水系统以及半导体制造厂等领域，为石油、天然气和污水等材料提供低成本运输。管道的维护和检修对于石油、天然气等资源的输送极为重要，但由于管道内部环境恶劣光线匮乏，人类难以进行作业，因此机器人技术应运而生。

管道机器人在管道中运行时，常常会遭遇障碍物以及一些复杂的弯道，而现有的管道机器人在越障以及过弯等方面灵活性较差，具体表现为，现有管道机器人在越障时主要采用改变运动模式，利用自身机构间的间隙通过，但这一方式局限于障碍物的大小。在过弯方面，现有机器人大多数为被动式过弯或采用轮式转向，被动式过弯仅限于圆弧弯道，无法通过T型管等复杂弯管，轮式转向由于驱动轮与管壁接触，转向时需克服巨大的阻力，引起机身振动，影响运动平稳性。

因此，研究一种可根据障碍物大小自适应越障并且可进行主动式过弯的管道机器人具有重要意义。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提出一种基于旋转避障的过弯可控式管道机器人，能够实现灵活越障和过弯，能够在复杂的管道中运动且长远距离平稳行进。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：一种基于旋转避障的过弯可控式管道机器人，包括前主体、后主体、机身盖、转动连接件；所述机身盖通过螺栓连接固定在前主体与后主体上，所述前主体与后主体通过转动连接件相连接，并可以实现左右转动；避障单元，所述避障单元设置于前主体与后主体内部，用以实现机器人避障；变径单元，所述变径单元设置在避障单元上，用以机器人适应管径变化；过弯单元，所述过弯单元设置在后主体两侧，且与前主体连接，用以对前主体进行偏转，实现机器人过弯。

进一步地，所述前主体与后主体内部包括主动锥齿轮、锥齿轮轴、轴承、轴承座、联轴器、传动轴和电机，所述电机固定在机身盖上，所述主动锥齿轮通过键连接固定在传动轴上，并且通过所述联轴器与电机相连，所述前主体内壁、后主体内壁和机身盖上通过螺栓安装有四个轴承座，所述前主体和后主体的上、下壁安装有两个轴承座，所述每个轴承座固定有一个轴承，所述锥齿轮轴的两端固定在轴承内，可实现自身转动。

进一步地，所述每组避障单元包括蜗轮、蜗杆、转动主件、转轴和变径单元，所述蜗轮设有两个，分布在所述蜗杆两侧，并且通过键连接固定在转轴上，所述蜗杆固定在锥齿轮轴的一侧，所述变径单元设置在所述转动主件上，所述转动主件通过焊接固定在转轴上，所述转轴的两端固定在轴承内，可实现转动。根据障碍物大小，所述蜗杆作为主动件，同时带动两个蜗轮转动，所述蜗轮转动的同时便带动变径单元旋转一定的角度，使得相邻两个变径单元之间形成大于障碍物的间隙，实现机器人灵活避障的功能。

进一步地，所述所述每组变径单元包括轮筒、变径滑块、弹簧、电机轮和小连杆，所述变径滑块与弹簧固定在转动主件上，所述小连杆的两端通过销与轮筒和变径滑块相连接，所述电机轮固定在轮筒的末端，所述轮筒在管径变小时，受到管道内壁挤压向下运动，通过小连杆带动变径滑块压缩弹簧，以此适应小管径的管道，当管径变大时，所述弹簧因其复位作用，将变径滑块推回原处，所述变径滑块带动小连杆，使轮筒重新运动到原处位置，实现机器人变径功能。

进一步地，所述过弯单元包括丝杆、滑块、连杆和带轮，所述丝杆设有四个，固定在所述后主体的两侧，一侧上下两个分布，所述丝杆的尾部安装有带轮，所述丝杆上设有一滑块，所述前主体两侧后方焊接有四根圆柱，所述滑块与前主体上的圆柱通过两根连杆连接，所述两根连杆通过销连接在一起，所述带轮通过带动丝杆旋转，使所述滑块在丝杆上向前或向后运动，通过控制运动的距离，使连杆带动前主体向左或向右偏转一定的角度，实现机器人灵活过弯。

进一步地，所述轮筒、变径滑块、弹簧、电机轮和小连杆组成变径单元安装在转动主件上，将避障与变径设为一体，可实现机器人在进行避障所旋转成任意姿态的同时也可完成变径，增加机器人运动的灵活性。

进一步地，所述后主体一侧的两根丝杆由带轮驱动，保证运动对中性，实现两根丝杆上滑块的同步运动。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的避障变径模块通过蜗轮蜗杆进行运动，蜗轮蜗杆具有自锁性，可以使驱动轮与管壁有更好的接触，确保旋转避障时避障变径模块不会向内收缩。

2、本发明的避障变径模块由蜗轮带动，根据障碍物的大小，通过蜗轮调整避障变径模块旋转角度的大小，实现机器人灵活避障。

3、本发明通过丝杆传动实现主动式过弯，丝杆具有自锁性，可以使前后主体转向的同时保持机器人的稳定性。通过控制丝杆上滑块的运动距离，可以使前主体偏转不同的角度，以此通过如T、Y型管等复杂的管道，实现机器人灵活过弯。

4、本发明避障变径模块将驱动机构与变径机构设为一体，在驱动机构遇障旋转的同时，机器人还可完成变径的功能，因此可以实现机器人任意运动姿态角下的变径。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明旋转避障模式示意图。

图3为本发明过弯模式示意图。

图4为本发明机身盖单元示意图。

图5为本发明后主体内部结构示意图。

图6为本发明变径机构示意图。

图7为本发明旋转避障模块示意图。

图8为本发明旋转避障模块侧视图。

具体实施方式

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，一种基于旋转避障的过弯可控式管道机器人，包括前主体(1)、后主体(2)、机身盖(3)、转动连接件(4)；所述机身盖(3)通过螺栓连接固定在前主体(1)与后主体(2)上，所述前主体(1)与后主体(2)通过转动连接件(4)相连接，并可以实现左右转动；避障单元，所述避障单元设置于前主体(1)与后主体(2)内部，用以实现机器人避障；变径单元，所述变径单元设置在避障单元上，用以机器人适应管径变化；过弯单元，所述过弯单元设置在后主体(2)两侧，且与前主体(1)连接，用以对前主体(1)进行偏转，实现机器人过弯。

所述前主体(1)与后主体(2)内部包括主动锥齿轮(5)、锥齿轮轴(6)、轴承(7)、轴承座(8)、联轴器(9)、传动轴(10)和电机(11)，所述电机(11)固定在机身盖上(3)，所述主动锥齿轮(5)通过键连接固定在传动轴(10)上，并且通过所述联轴器(9)与电机(11)相连，所述前主体(1)内壁、后主体(2)内壁和机身盖(3)上通过螺栓安装有四个轴承座(8)，所述前主体(1)和后主体(2)的上、下壁安装有两个轴承座(8)，所述每个轴承座(8)固定有一个轴承(7)，所述锥齿轮轴(6)的两端固定在轴承(7)内，可实现自身转动。

所述每组避障单元包括蜗轮(12)、蜗杆(13)、转动主件(14)、转轴(15)和变径单元，所述蜗轮(12)设有两个，分布在所述蜗杆(13)两侧，并且通过键连接固定在转轴(15)上，所述蜗杆(13)固定在锥齿轮轴(6)的一侧，所述变径单元设置在所述转动主件(14)上，所述转动主件(14)通过焊接固定在转轴(15)上，所述转轴(15)的两端固定在轴承(7)内，可实现转动。根据障碍物大小，所述蜗杆(13)作为主动件，同时带动两个蜗轮(12)转动，所述蜗轮(12)转动的同时便带动变径单元旋转一定的角度，使得相邻两个变径单元之间形成大于障碍物的间隙，实现机器人灵活避障的功能。

所述每组变径单元包括轮筒(16)、变径滑块(17)、弹簧(18)、电机轮(19)和小连杆(20)，所述变径滑块(17)与弹簧(18)固定在转动主件(14)上，所述小连杆(20)的两端通过销与轮筒(16)和变径滑块(17)相连接，所述电机轮(19)固定在轮筒(16)的末端，所述轮筒(16)在管径变小时，受到管道内壁挤压向下运动，通过小连杆(20)带动变径滑块(17)压缩弹簧(18)，以此适应小管径的管道，当管径变大时，所述弹簧(18)因其复位作用，将变径滑块(17)推回原处，所述变径滑块(17)带动小连杆(20)，使轮筒(16)重新运动到原处位置，实现机器人变径功能。

所述过弯单元包括丝杆(21)、滑块(22)、连杆(23)和带轮(24)，所述丝杆(21)设有四个，固定在所述后主体(2)的两侧，一侧上下两个分布，所述丝杆(21)的尾部安装有带轮(24)，所述丝杆(21)上设有一滑块(22)，所述前主体(1)两侧后方焊接有四根圆柱，所述滑块(22)与前主体(1)上的圆柱通过两根连杆(23)连接，所述两根连杆(23)通过销连接在一起，所述带轮(24)通过带动丝杆(21)旋转，使所述滑块(22)在丝杆(21)上向前或向后运动，通过控制运动的距离，使连杆(23)带动前主体(1)向左或向右偏转一定的角度，实现机器人灵活过弯。

所述轮筒(16)、变径滑块(17)、弹簧(18)、电机轮(19)和小连杆(20)组成变径单元安装在转动主件(14)上，将避障与变径设为一体，可实现机器人在进行避障所旋转成任意姿态的同时也可完成变径，增加机器人运动的灵活性。

所述后主体(2)一侧的两根丝杆(21)由带轮(24)驱动，保证运动对中性，实现两根丝杆(21)上滑块(22)的同步运动。

在使用时，将机器人放置在管道内，初始状态下，机器人整体尺寸与管径相适应，转动主件(14)上的弹簧(18)没有被压缩，并且因其复位作用，将变径滑块(17)抵在限位块处。此时，前主体(1)与后主体(2)内的蜗轮(12)并未转动，轮筒(16)相对于机器人竖直放置，轮筒(16)上的电机轮(19)在轮毂电机的驱动下，带动机器人向前运动。当机器人遇到障碍物时，前主体(1)与后主体(2)内部的电机(11)开始工作，通过联轴器(9)与传动轴(10)带动主动锥齿轮(5)旋转，进一步带动锥齿轮轴(6)，此时安装在锥齿轮轴(6)上的蜗杆(13)开始转动，进一步带动两侧的蜗轮(12)，根据障碍物的大小，通过控制电机工作时间使得变径单元偏转合适的角度，使机器人通过障碍物。

在使用时，当管径变小时，机器人轮筒(16)受到管壁的挤压作用开始向下运动，同时带动小连杆(20)所连接的变径滑块(17)压缩弹簧(18)，使轮筒(16)相对于机器人主平面呈一定角度，以此适应小管径的管道。当管径重新变大时，由于弹簧(18)的复位作用，将变径滑块(17)推回原处，此时小连杆(20)在变径滑块(17)的作用下，带动轮筒(16)复位，使电机轮(19)重新与管壁紧密接触。重复上述运动，实现机器人在管道内的变径功能。

在使用时，当机器人运动至转弯处时，后主体(2)两侧的带轮(24)在电机作用下带动两侧丝杆(21)旋转，如需左转弯，那么后主体(2)左侧带轮(24)带动左侧上下两根丝杆(21)旋转，进一步带动丝杆(21)上的滑块(22)向后运动，使滑块(22)上的连杆(23)给前主体(1)左侧一个向后的拉力，后主体(2)右侧的带轮(24)带动右侧上下两根丝杆(21)反方向旋转，进一步带动丝杆(21)上的滑块(22)向前运动，使滑块(22)上的连杆(23)给前主体(1)右侧一个向前的推力，通过两种运动，使机器人前主体(1)向左偏转，根据弯道角度，通过控制滑块(17)向前和向后运动的距离，使机器人前主体(1)偏转到合适的角度，以此通过弯管。同理，如需右转弯，只需改变两侧带轮(24)的转向即可。