專利名稱：單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構的制作方法
技術領域：
單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構屬于光機電一體化領域，主要應用于石油、天燃氣與自來水工業管道內壁表面缺陷的識別與定位，從而達到工業管道安全性監測與預報。
背景技術：
管道作為油氣和自來水長距離輸送的重要載體，在現代工業建設和生活中的作用日益突出，由于腐蝕、重壓等作用，管道泄漏事故頻頻發生，這樣管道安全性監測顯得愈加重要。管道機器人是一種可沿管道內部或外部自動行走，攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業的機、電、儀一體化系統。管道機器人主要從行走機構、驅動方式、信號電力的傳輸和供給方式以及控制器的微小化等幾方面進行研究與產品開發。管道機器人的驅動源有微型電機、壓電驅動、形狀記憶合金(SMA)、氣動驅動、磁致伸縮驅動、電磁轉換驅動等。在現有能夠應用的管道機器人中，大部分都以電機作為驅動源，而后幾種驅動源在微機電系統(MEMS)中得到了廣泛應用，但是至今還沒有系統化產品，仍處于研究階段。管內移動機器人的可靠性及使用性能直接取決于移動機構，因此移動機構是管道機器人最重要的部分之一.歸納起來有如附圖1所示的單電機三驅動輪移動機構；如附圖2所示的雙電機六驅動輪移動機構；如附圖3所示的三電機三驅動輪移動機構。三電機驅動移動機構和雙電機驅動移動機構雖然理論上分析有很多優點，但是由于采用單蝸桿并聯帶動三個蝸輪，對加工工藝要求較高，很可能導致三個蝸輪之間的干涉進而卡死，影響正常工作。而且，三電機和雙電機驅動移動機構占用空間較大，適合于大管徑管道，其成本也較高，機構復雜，不易實現。
發明內容
本發明為了克服以上缺陷，提出并設計了一種單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構。
本發明設計的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構的技術方案可參見附圖4。如附圖4所示的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構，包括有驅動體部分，連接體部分及支撐體部分，驅動體部分通過連接體部分將直流伺服電機與蝸輪蝸桿副連接，并通過支撐體部分保證驅動過程中提供足夠的摩擦力，其特征在于位于驅動輪支架12內的驅動體部分采用單驅動輪部件3傳遞運動，采用單直流伺服電機9，驅動輪部件3與用來傳動的蝸桿軸2連接通過連接體部分的聯軸器10與單直流伺服電機9相連，與驅動輪支架12或電機支架7相連的上支撐體部分的支撐輪上采用了懸浮的彈簧滑塊結構，從而保證適當的變管徑和徑向伸縮性。
所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構其驅動體部分包括有用來行走的驅動輪部件3和用來傳動的蝸桿軸2，其中驅動輪部件3由蝸輪26和蝸輪26兩側的通過圓周方向分布的螺釘與蝸輪26連接的兩個對稱的驅動外支撐輪27組成。
所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構中的連接體部分位于與驅動輪支架12相連的聯軸器支架4內，包括有連接蝸桿軸2與直流伺服電機9輸出軸的聯軸器10，及連接驅動輪支架12和聯軸器支架4的雙端螺紋聯接件11，及連接電機支架7和聯軸器支架的法蘭盤5，電機支架7內為單直流伺服電機9，其他聯接和固緊采用常規聯接方式，如鍵聯接、螺紋聯接和固緊方式。
所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構中的支撐體部分沿移動機構的徑向分布，包括有上支撐輪部件8和位于電機支架7上的下支撐輪部件6，上支撐輪部件8通過上支撐輪支架21支撐并與驅動輪支架12和電機支架7相連，包括上支撐輪支架21內設有的使上支撐輪19能夠徑向彈性伸縮的彈簧22及彈簧22上部的導槽23內設置的通過彈簧22的伸縮可沿導槽滑動的滑塊20，通過穿過滑塊20的上支撐輪軸24支撐的上支撐輪19，其中滑塊20上端設有控制滑塊行程上限的上支撐輪支架蓋25，滑塊20的行程下限由下端的導槽邊緣限制。
所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構中的蝸桿軸2兩端由角接觸球軸承1支撐，一端的角接觸球軸承1嵌在與驅動輪支架12連接的驅動輪支架軸承端蓋13中，另一端嵌入雙端螺紋聯接件11中，驅動輪部件3套在其中心的蝸輪軸18上，蝸輪軸18的兩端設有固緊在驅動輪支架12上的滑動軸承14，驅動輪支架擋蓋15外套在滑動軸承14上，通過公知連接與驅動輪支架12相連。
所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構，其中兩個上支撐輪部件8位于驅動輪支架12上與驅動輪部件3分布在同一圓周平面上，相互間夾角為120°，另兩個上支撐輪部件與下支撐輪部件分布在同一圓周平面上，相互間夾角為120°，保證了管道機器人在管道內行走的力封閉和形封閉條件。
所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構中的下支撐輪部件6包括有支撐其部件的下支撐輪軸33，設在下支撐輪軸33兩端并與電機支架7連接的下支撐輪支架29，下支撐輪軸33中部套有的通過深溝球軸承28支撐的下支撐輪30，下支撐輪30外圓周上的橡膠輪套31。
本發明采用了單直流伺服電機和單驅動輪傳遞運動，并在支撐輪上采用了懸浮的彈簧滑塊結構，從而保證適當的變管徑和徑向伸縮性，尤其可適用于小管徑管道，具有簡單適用、成本較低的特點。
圖1單電機三驅動輪移動機構示意圖；
圖2雙電機六驅動輪移動機構示意圖；圖3三電機三驅動輪移動機構示意圖；圖4本發明提出的單電機直進輪式管道機器人移動機構主視中1、角接觸球軸承 2、蝸桿軸 3、驅動輪部件 4、聯軸器支架 5、法蘭盤 6、下支撐輪部件 7、電機支架 8、上支撐輪部件9、直流伺服電機 10、聯軸器 11、雙端螺紋聯接件 12、驅動輪支架 13、驅動輪架軸承端蓋；圖5本發明單電機直進輪式管道機器人移動機構驅動輪徑向截面圖14、滑動軸承 15、驅動輪支架擋蓋 16、上支撐輪軸左套筒 17、上支撐輪軸右套筒 18、蝸輪軸；圖6本發明單電機直進輪式管道機器人移動機構上支撐輪部件圖19、上支撐輪 20、滑塊 21、上支撐輪支架 22、彈簧 23、導槽24、上支撐輪軸 25、上支撐輪支架蓋；圖7本發明單電機直進輪式管道機器人移動機構驅動輪部件圖26、蝸輪 27、驅動外支撐輪；圖8本發明單電機直進輪式管道機器人移動機構下支撐輪部件圖28、深溝球軸承 29、下支撐輪支架 30、下支撐輪 31、支撐輪橡膠套 32、下支撐輪軸套筒 33、下支撐輪軸圖9實施例說明圖即為基于DSP的小型管道機器人檢測系統機器人在金屬管道內運動原理圖。
具體實施例方式根據圖4-圖8所述結構，采用常規機械聯接件，按公知技術設計構成。
本發明所設計的單電機直進輪式小型管道機器人移動機構已經成功的應用到本實驗室基于DSP的小型管道機器人檢測系統中，其總體結構見附圖9，包括計算機，圖像采集卡，機器人控制卡，輪式移動機器人，直流伺服電機，小型CCD傳感器和LED光源。
本系統實現以下功能(1)輪式移動機器人按照預定的要求在管道內運動，這是作為一個機器人最起碼的要求；(2)通過CCD圖像傳感器、圖像采集卡及相關的圖像處理算法計算機能夠監測到管道內壁比較明顯的缺陷(如1mm寬的裂紋)，這是構建整個系統的最重要的一個目的；(3)通過電機的測速系統能夠在監測到缺陷的基礎上，通過軟硬件加之一些必要的算法，能夠初步確定缺陷的位置，并給出返回數據結果，這是對整個系統進行檢驗的一個重要判據；其工作原理如下當將機器人放入管道，通過撐緊機構將機器人的輪撐到緊貼管道內壁后，通過計算機發出指令讓機器人在管道中以一定速度運動，這時驅動CCD使之工作，可以使CCD及其光源沿著機器人的軸線運動，利用多個LED發光在中心的CCD傳感器采集信號，快速處理后，當發現所采的信號與現在計算機中存的缺陷信號(圖像)一致或相差不多時，這時計算機發出指令，將此時的圖像記錄下來，并傳到計算機的人機界面，利用已編制的軟件給出缺陷的位置和圖像。這樣運行下去，直到計算機發出停止指令為止；將缺陷式樣做一個常見缺陷的圖庫，存到計算機中作為機器人的運行判據。
使用本發明設計的單電機直進輪式小型管道機器人移動機構，設計實現簡單，在現有加工工藝條件下一次性成功率高。而且，由于采用單電機使得成本降低，機器人在管道內占用的空間小，達到小型化的目的。采用此種移動機構的機器人經驗證在管道內運行平穩，性能良好，為后期的圖像采集和處理識別打下了良好基礎。
權利要求
1.單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構，包括有驅動體部分，連接體部分及支撐體部分，驅動體部分通過連接體部分將直流伺服電機與蝸輪蝸桿副連接，并通過支撐體部分保證驅動過程中提供足夠的摩擦力，本發明的特征在于位于驅動輪支架(12)內的驅動體部分采用單驅動輪部件(3)傳遞運動，采用單直流伺服電機(9)，驅動輪部件(3)與用來傳動的蝸桿軸(2)連接通過連接體部分的聯軸器(10)與單直流伺服電機(9)相連，與驅動輪支架(12)或電機支架(7)相連的上支撐體部分的支撐輪上采用了懸浮的彈簧滑塊結構，從而保證適當的變管徑和徑向伸縮性。
2.根據權利1所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構，其特征在于驅動體部分包括有用來行走的驅動輪部件(3)和用來傳動的蝸桿軸(2)，其中驅動輪部件(3)由蝸輪(26)和蝸輪(26)兩側的通過圓周方向分布的螺釘與蝸輪(26)連接的兩個對稱的驅動外支撐輪(27)組成。
3.根據權利1所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構，其特征在于連接體部分位于與驅動輪支架(12)相連的聯軸器支架(4)內，包括有連接蝸桿軸(2)與直流伺服電機(9)輸出軸的聯軸器(10)，及連接驅動輪支架(12)和聯軸器支架(4)的雙端螺紋聯接件(11)，及連接電機支架(7)和聯軸器支架的法蘭盤(5)，電機支架(7)內為單直流伺服電機(9)，其他聯接和固緊采用常規聯接方式和固緊方式，如鍵聯接、螺紋聯接。
4.根據權利1所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構，其特征在于支撐體部分沿移動機構的徑向分布，包括有上支撐輪部件(8)和位于電機支架(7)上的下支撐輪部件(6)，上支撐輪部件(8)通過上支撐輪支架(21)支撐并與驅動輪支架(12)和電機支架(7)相連，包括上支撐輪支架(21)內設有的使上支撐輪(19)能夠徑向彈性伸縮的彈簧(22)及彈簧(22)上部的導槽(23)內設置的通過彈簧(22)的伸縮可沿導槽滑動的滑塊(20)，通過穿過滑塊(20)的上支撐輪軸(24)支撐的上支撐輪(19)，其中滑塊(20)上端設有控制滑塊行程上限的上支撐輪支架蓋(25)，滑塊(20)的行程下限由下端的導槽邊緣限制。
5.根據權利1或2所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構，其特征在于蝸桿軸(2)兩端由角接觸球軸承(1)支撐，一端的角接觸球軸承(1)嵌在與驅動輪支架(12)連接的驅動輪支架軸承端蓋(13)中，另一端嵌入雙端螺紋聯接件(11)中，驅動輪部件(3)套在其中心的蝸輪軸(18)上，蝸輪軸(18)的兩端設有固緊在驅動輪支架(12)上的滑動軸承(14)，驅動輪支架擋蓋(15)外套在滑動軸承(14)上，通過公知連接與驅動輪支架(12)相連。
6.根據權利1或4所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構，其特征在于其中兩個上支撐輪部件(8)位于驅動輪支架(12)上與驅動輪部件(3)分布在同一圓周平面上，相互間夾角為120°，另兩個上支撐輪部件與下支撐輪部件分布在同一圓周平面上，相互間夾角為120°，保證了管道機器人在管道內行走的力封閉和形封閉條件。
7.根據權利1或4所述的單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構，其特征在于下支撐輪部件(6)包括有支撐其部件的下支撐輪軸(33)，設在下支撐輪軸(33)兩端并與電機支架(7)連接的下支撐輪支架(29)，下支撐輪軸(33)中部套有的通過深溝球軸承(28)支撐的下支撐輪(30)，下支撐輪(30)外圓周上的橡膠輪套(31)。
全文摘要
單電機單驅動直進輪式小型管道機器人移動機構屬于光機電一體化領域，它包括有驅動體部分，連接體部分及支撐體部分，驅動體部分通過連接體部分將直流伺服電機與蝸輪蝸桿副連接，并通過支撐體部分保證驅動過程中提供足夠的摩擦力，特征在于位于驅動輪支架內的驅動體部分采用單驅動輪部件傳遞運動，采用單直流伺服電機，驅動輪部件與用來傳動的蝸桿軸連接通過連接體部分的聯軸器與單直流伺服電機相連，與驅動輪支架或電機支架相連的上支撐體部分的支撐輪上采用了懸浮的彈簧滑塊結構，從而保證適當的變管徑和徑向伸縮性。本發明克服了卡死現象、結構復雜、不易實現的缺陷，適用于小管徑管道，具有簡單適用、成本較低的特點。
文檔編號B60K17/00GK1586942SQ20041006885
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月9日 優先權日2004年7月9日
發明者何存富, 何守印, 吳斌, 王秀彥 申請人:北京工業大學