專利名稱:大牽引力螺旋推進微小管道機器人的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及微小管道機器人,尤其涉及大牽引力螺旋推進微小管道機器人。
背景技術:
在當今社會,各種各樣的微小管道(直徑小于20mm)在冶金、石油、化工、軍事武器 裝備、核電等領域得到了廣泛的應用。這些微小管道絕大部分應用于工作環境非常惡劣的系 統中,容易發生腐蝕、疲勞破壞或潛在的缺陷發展成裂紋等問題,從而引起泄漏事故,甚至 造成重大人員和財產損失,所以在這些管道使用過程中,就需要對其進行檢測,以保障管道 系統安全、暢通和高效運行。但微小管道所處的環境,人一般不能直接到達,或不允許直接 介入,且由于管道內徑較小、內部結構錯綜復雜,使得檢測難度很大。目前關于微小管道的 檢測,通常采用工程量十分大的抽檢方法,不但勞動強度大、效益低,而且由于隨機抽樣法 經常出現漏檢,因而準確率低,效果并不理想。故通常對重要和不允許泄漏的管道采用定期 或提前報廢的辦法,從而造成了很大的人力和物力浪費。因此,研究適用于微小管道這一特 殊環境下的檢測機器人裝置,以減輕人的勞動強度,提高生產效率,減少不必要的損失,有 著極高的學術價值和實用價值。 .
螺旋推進式是現在微小管道機器人較為常用的一種推進方式,其結構簡單,容易實現, 行走效率高,能以一定的速度平穩地運動。微小管道機器人通常用于復雜管道的檢測工作, 需攜帶許多相關檢測傳感器、電源和通訊裝置,有線機器人還需承載線纜重量,這就要求微 小管道機器人具有較大的負載能力,但目前的同類產品中,由于驅動機器人運動的摩擦力不 易增大,造成負載能力受限,機器人牽引能力差;同時,機器人的工作環境中存在大量彎管、 U形管,并由于腐蝕、疲勞破壞、裂紋、管接頭等原因存在變管徑情況,這就要求微小管道 機器人的徑向尺寸小,且具有較好的彎管、U形管處通過性和較強的變管徑適應能力,但目 前同類產品普遍存在結構尺寸不易減小,適應管徑變化的能力差,在彎管、U形管處的通過 性不好等缺陷。
實用新型內容
本實用新型要解決的技術問題是克服現有技術的不足,提供一種負載能力高,管徑變化 適應能力強,且彎管、U形管通過能力強的大牽引力螺旋推進微小管道機器人。 為解決上述技術問題,本實用新型采用以下技術方案-
一種大牽引力螺旋推進微小管道機器人,包括導向機構、 旋推進機構和旋轉驅動裝置, 所述旋轉驅動裝置設于導向機構與螺旋推進機構之間,所述螺旋推進機構包括第一張緊桿、呈套筒狀的螺旋支座和沿螺旋支座周向均勻布置的至少三組螺旋輪組,所述螺旋支座上沿軸 向開設有滑槽,并沿徑向設有與各螺旋輪組對應的第一導向孔,螺旋支座套設于第一張緊桿 外,所述第一張緊桿由第一錐形段、第一螺紋段和第一滑桿段構成,所述第一錐形段小徑端 連接第一螺紋段,大徑端連接第一滑桿段,第一螺紋段與旋轉驅動裝置相連,第一螺紋段上 靠近旋轉驅動裝置的一端裝設有第一張緊螺母,第一張緊螺母與螺旋支座之間設有第一壓縮 彈簧,第一滑桿段上設有置于滑槽內的導向銷,所述螺旋輪組連有螺旋輪組支桿,所述螺旋 輪組支桿穿過第一導向孔與第一錐形段接觸。
所述螺旋輪組包括螺旋輪架和兩件螺旋輪,所述螺旋輪架中部與螺旋輪組支桿鉸接,兩 件螺旋輪分別鉸接于螺旋輪架的兩端,兩件螺旋輪的旋轉軸線相互平行,并且各螺旋輪相對
于螺旋支座的軸線形成螺旋升角a。
所述螺旋支座外套設有對螺旋輪組支桿伸縮限位的第一防護套。
所述螺旋輪組支桿的截面為多邊形,螺旋支座上的導向孔為與螺旋輪組支桿相配合的多 邊形孔。
所述導向機構包括第二張緊桿、呈套筒狀的導向支座和沿導向支座周向均勻布置的至少 三組導向輪組,所述導向支座上沿徑向設有與各導向輪組對應的第二導向孔,導向支座套設 于第二張緊桿外,并與旋轉驅動裝置相連,所述第二張緊桿由第二錐形段、第二螺紋段和第 二滑桿段構成,第二錐形段小徑端連接第二螺紋段,大徑端連接第二滑桿段,第二螺紋段上 遠離旋轉驅動裝置的一端裝設有第二張緊螺母,第二張緊螺母與導向支座之間設有第二壓縮 彈簧,導向輪組上連有導向輪組支桿,所述導向輪組支桿穿過第二導向孔與第二錐形段接觸。
所述導向輪組包括導向輪架和兩件導向輪,所述導向輪架中部與導向輪組支桿鉸接,兩 件導向輪分別鉸接于導向輪架的兩端。
所述導向支座外套設有對導向輪組支桿伸縮限位的第二防護套。
所述導向輪組支桿的截面為圓形,導向支座上的第二導向孔為與螺旋輪組支桿相配合的 圓形孔。
與現有技術相比,本實用新型的優點在于使螺旋輪組支桿與第一張緊桿的第一錐形段 接觸配合,在第一壓縮彈簧的彈力作用下,第一錐形段可推動螺旋輪組支桿沿軸向伸縮,使 螺旋輪組獲得相對螺旋支座沿螺旋輪組支桿軸線方向的移動自由度,使機器人的螺旋推進機 構具有較好的變管徑適應能力;并且螺旋輪組支桿與第一錐形段的接觸配合形成楔塊結構, 當機器人負載增大時,負載力傳遞到第一錐形段,在楔塊結構的作用下,可使螺旋輪組對管 壁的正壓力增大,從而增大螺旋輪組與管壁之間的摩擦力,即實現螺旋輪組與管道間的摩擦 力隨負載的增大而增大,提高機器人行進牽引力,解決了用于驅動機器人運動的摩擦力不易增大,造成負載能力受限的問題;螺旋輪組的螺旋輪架中部與螺旋輪組支桿鉸接,使得螺旋 輪組獲得一繞該鉸接點的轉動自由度,螺旋輪組在移動自由度和轉動自由度的共同支持下, 更容易滿足微小管道機器人在彎管、U形管和變管徑處的幾何通過條件和運動約束條件;螺 旋輪組支桿的截面為多邊形,螺旋支座上的導向孔為與螺旋輪組支桿相配合的多邊形孔,可 以限制螺旋輪組繞螺旋輪組支桿軸線的轉動自由度,避免了過多自由度容易造成螺旋輪組的 螺旋升角產生變化,保證機器人的正常運動;使導向輪組支桿與第二張緊桿的第二錐形段接 觸配合,在第二壓縮彈簧的彈力作用下,第二錐形段可推動導向輪組支桿沿軸向伸縮,使導 向輪組獲得相對導向支座沿導向輪組支桿軸線方向的移動自由度,使機器人的導向推進機構 具有較好的變管徑適應能力;并且導向輪組支桿與第二錐形段的接觸配合形成楔塊結構,當 機器人有后退的趨勢時,負載力傳遞到第二錐形段,在楔塊結構的作用下,可使導向輪組對 管壁的正壓力增大,從而增大導向輪組與管壁之間的摩擦力,即實現導向輪組與管道間的摩 擦力隨負載的增大而增大,阻礙機器人后退,解決了機器人在運動過程中容易后退的問題; 導向輪組的導向輪架中部與導向輪組支桿鉸接,使得導向輪組獲得一繞該鉸接點的轉動自由 度,導向輪組支桿的截面為圓形,導向支座上的第二導向孔為與螺旋輪組支桿相配合的圓形 孔,使導向輪組具有繞導向輪組支桿軸線的轉動自由度,導向輪組在一個移動自由度和兩個 轉動自由度的共同支持下,更容易滿足微小管道機器人在彎管、U形管和變管徑處的幾何通 過條件和運動約束條件,提高了微小管道機器人在彎管、U形管和變管徑處的通過能力。本 實用新型的大牽引力螺旋推進微小管道機器人中螺旋輪組和導向輪組的多自由度設計、第一 張緊桿和第二張緊桿的錐形段結構設計以及第一壓縮彈簧和第二壓縮彈簧的預壓緊設計,使 導向機構和螺旋推進機構能夠主動適應彎管、U形管和變管徑處的管徑變化情況,改善了微 小管道機器人對復雜管道的通過能力,并使機器人徑向尺寸減小,更適于在微小管道中工作。
圖1是本實用新型的結構示意圖2是本實用新型的立體結構示意圖3是圖1的A—A剖面視圖
圖4是螺旋推進機構的放大結構示意圖5是圖4的B—B剖面視圖6是螺旋推進機構的立體結構示意圖7是螺旋推進機構拆除螺旋輪組后的結構示意圖8是導向機構的放大結構示意圖9是圖8的C一C局部剖面6圖IO是導向機構的立體結構示意圖11是導向機構拆除導向輪組后的結構示意圖。
圖中各標號表示
1、導向機構 2、螺旋推進機構
3、旋轉驅動裝置 4、萬向節
100、第二張緊桿101、第二錐形段
102、第二螺紋段103、第二滑桿段
110、導向支座m、第二導向孔
120、導向輪組121、導向輪架
122、導向輪130、第二張緊螺母
140、第二壓縮彈簧150、導向輪組支桿
160、第二防護套170、第二彈簧墊片
200、第一張緊桿201、第一錐形段
202、第一螺紋段203、第一滑桿段
204、導向銷210、螺旋支座
211、滑槽212、第一導向孔
220、螺旋輪組221、螺旋輪架
222、螺旋輪230、第一張緊螺母
240、第一壓縮彈簧250、螺旋輪組支桿
260、第一防護套270、第一彈簧墊片
300、輸出軸301、座體
具體實施方式
如圖l、圖2和圖3所示,本實用新型的一種大牽引力螺旋推進微小管道機器人,包括 導向機構l、螺旋推進機構2和旋轉驅動裝置3,旋轉驅動裝置3設于導向機構1與螺旋推進 機構2之間,本實施例中,導向機構1和螺旋推進機構2分別通過一件萬向節4與旋轉驅動
裝置3連接。
如圖4至圖7所示,螺旋推進機構2包括第一張緊桿200、呈套筒狀的螺旋支座210和 沿螺旋支座210周向均勻布置的至少三組螺旋輪組220。本實施例中,螺旋輪組220設有三 組,螺旋支座210上沿軸向開設有滑槽211,并沿徑向設有與各螺旋輪組220對應的第一導 向孔212,螺旋支座210套設于第一張緊桿200外,第一張緊桿200由第一錐形段201、第一 螺紋段202和第一滑桿段203構成,第一錐形段201小徑端連接第一螺紋段202,大徑端連接第一滑桿段203,第一螺紋段202通過一萬向節4與旋轉驅動裝置3的輸出軸300相連, 第一螺紋段202上靠近旋轉驅動裝置3的一端裝設有第一張緊螺母230和第一彈簧墊片270, 第一張緊螺母230與螺旋支座210之間設有第一壓縮彈簧240,第一壓縮彈簧240 —端通過 第一彈簧墊片270定位,另一端通過螺旋支座210定位,通過調節第一張緊螺母230的位置, 可以調節第一壓縮彈簧240的預壓緊力大小。第一錐形段201和第一滑桿段203位于螺旋支 座210內,第一滑桿段203上設有與之固定的導向銷204,導向銷204的一部分滑設于螺旋 支座210的滑槽211內,第一滑桿段203通過導向銷204與螺旋支座21O的滑槽211滑動配 合,當旋轉驅動裝置3的旋轉輸出軸通過萬向節4帶動第一張緊桿200作旋轉運動時,可通 過導向銷204將旋轉運動傳遞給整個螺旋推進機構2,使螺旋推進機構2在管道內螺旋運動, 從而帶動整個機器人運動。螺旋支座210上的第一導向孔212內套設有螺旋輪組支桿250, 螺旋輪組支桿250 —端與對應的螺旋輪組220相連,另一端呈球頭狀,并延伸至螺旋支座210 內與第一錐形段201接觸配合,在第一壓縮彈簧240的彈力作用下,第一錐形段201可推動 螺旋輪組支桿250沿軸向伸縮,改變螺旋推進機構2的外徑,使螺旋推進機構2張緊在管道 內,同時,螺旋輪組220可獲得相對螺旋支座210沿螺旋輪組支桿250軸線方向的移動自由 度,使機器人的螺旋推進機構2具有較好的變管徑適應能力,并且螺旋輪組支桿250與第一 錐形段201的接觸配合形成楔塊結構,當機器人負載增大時,負載力傳遞到第一錐形段201, 在楔塊結構的作用下,可使螺旋輪組220對管壁的正壓力增大,從而增大螺旋輪組220與管 壁之間的摩擦力,即實現螺旋輪組220與管道間的摩擦力隨負載的增大而增大,提高機器人 行進牽引力,解決了用于驅動機器人運動的摩擦力不易增大,造成負載能力受限的問題。螺 旋支座210外套設有對螺旋輪組支桿250伸縮限位的第一防護套260,可防止螺旋輪組支桿 250脫離螺旋支座210。螺旋輪組220包括螺旋輪架221和兩件螺旋輪222,螺旋輪架221中 部通過銷軸與螺旋輪組支桿250鉸接,螺旋輪架221可繞銷軸靈活旋轉,使得螺旋輪組220 獲得一繞該鉸接點的轉動自由度,螺旋輪組220在移動自由度和轉動自由度的共同支持下, 更容易滿足微小管道機器人在彎管、U形管和變管徑處的幾何通過條件和運動約束條件;兩 件螺旋輪222分別通過銷軸鉸接于螺旋輪架221的兩端,兩件螺旋輪222的旋轉軸線相互平 行,并且各螺旋輪222相對于螺旋支座210的軸線形成螺旋升角a,螺旋升角a的取值主要 影響機器人的運動速度與負載能力,螺旋升角a增大,則機器人行進速度增大,負載能力減 小,反之螺旋升角a減小,則行進速度減小,負載能力增大,螺旋升角a可以取為0° 卯° 中的任意值,本實施例中,螺旋升角a為7。。螺旋輪組支桿250的截面為多邊形,螺旋支座 210上的第一導向孔212為與螺旋輪組支桿250相配合的多邊形孔,可以限制螺旋輪組220 繞螺旋輪組支桿250軸線的轉動自由度,避免了過多自由度容易造成螺旋輪組220的螺旋升
8角a產生變化,保證機器人的正常運動。
如圖8至圖11所示,導向機構1包括第二張緊桿100、呈套筒狀的導向支座110和沿導 向支座110周向均勻布置的至少三組導向輪組120。本實施例中,導向輪組120設有三組, 導向支座110通過一萬向節4與旋轉驅動裝置3的座體301相連,導向支座110上沿徑向設 有與各導向輪組120對應的第二導向孔111,導向支座110套設于第二張緊桿100外,并與旋 轉驅動裝置3相連,第二張緊桿100由第二錐形段101、第二螺紋段102和第二滑桿段103 構成,第二錐形段101小徑端連接第二螺紋段102,大徑端連接第二滑桿段103,第二螺紋段 102上遠離旋轉驅動裝置3的一端裝設有第二張緊螺母130和第二彈簧墊片170,第二壓縮彈 簧140 —端通過第二彈簧墊片170定位,另一端通過導向支座110定位,通過調節第二張緊 螺母130的位置,可以調節第二壓縮彈簧140的預壓緊力大小。第二錐形段101和第二滑桿 段103位于導向支座110內,導向支座110上的第二導向孔111內套設有導向輪組支桿150, 導向輪組支桿150 —端與對應的導向輪組120相連,另一端呈球頭狀,并延伸至導向支座110 內與第二錐形段101接觸,在第二壓縮彈簧140的彈力作用下,第二錐形段101可推動導向 輪組支桿150沿軸向伸縮,改變導向機構l的外徑,使導向機構l張緊在管道內,同時,導 向輪組120可獲得相對導向支座IIO沿導向輪組支桿150軸線方向的移動自由度,使機器人 的導向機構1具有較好的變管徑適應能力,并且導向輪組支桿150與第二錐形段101的接觸 配合形成楔塊結構,當機器人負載增大時,負載力傳遞到第二錐形段101,在楔塊結構的作 用下,可使導向輪組120對管壁的正壓力增大,從而增大導向輪組120與管壁之間的摩擦力, 即實現導向輪組120與管道間的摩擦力隨負載的增大而增大,阻礙機器人后退,解決了機器 人在運動過程中容易后退的問題。導向支座IIO外套設有對導向輪組支桿150伸縮限位的第 二防護套160,可防止導向輪組支桿150脫離導向支座110。導向輪組120包括導向輪架121 和兩件導向輪122,導向輪架121中部通過銷軸與導向輪組支桿150鉸接,導向輪架121可 繞銷軸靈活旋轉,使得導向輪組120獲得一繞該鉸接點的轉動自由度,同時,導向輪組支桿 150的截面為圓形,導向支座110上的第二導向孔111為與螺旋輪組支桿150相配合的圓形孔, 使導向輪組120具有繞導向輪組支桿150軸線的轉動自由度,導向輪組120在一個移動自由 度和兩個轉動自由度的共同支持下,更容易滿足微小管道機器人在彎管、U形管和變管徑處 的幾何通過條件和運動約束條件,提高了微小管道機器人在彎管、U形管和變管徑處的通過 能力。
本實用新型的大牽引力螺旋推進微小管道機器人啟動后,由旋轉驅動裝置3輸出旋轉力 矩,驅動螺旋推進機構2旋轉,通過螺旋輪組220沿管壁的螺旋前進帶動機器人整體向前運 動,導向機構l在機器人另一端起支承作用,螺旋輪組220和導向輪組120的多自由度設計、第一張緊桿200和第二張緊桿100的錐形段結構設計以及第一壓縮彈簧240和第二壓縮彈簧 140的預壓緊設計,使導向機構1和螺旋推進機構2能夠主動適應彎管、U形管和變管徑處 的管徑變化情況,改善了微小管道機器人對復雜管道的通過能力,并使機器人徑向尺寸減小, 更適于在微小管道中工作。
權利要求1、一種大牽引力螺旋推進微小管道機器人,包括導向機構(1)、螺旋推進機構(2)和旋轉驅動裝置(3),所述旋轉驅動裝置(3)設于導向機構(1)與螺旋推進機構(2)之間,其特征在于所述螺旋推進機構(2)包括第一張緊桿(200)、呈套筒狀的螺旋支座(210)和沿螺旋支座(210)周向均勻布置的至少三組螺旋輪組(220),所述螺旋支座(210)上沿軸向開設有滑槽(211),并沿徑向設有與各螺旋輪組(220)對應的第一導向孔(212),螺旋支座(210)套設于第一張緊桿(200)外,所述第一張緊桿(200)由第一錐形段(201)、第一螺紋段(202)和第一滑桿段(203)構成,所述第一錐形段(201)小徑端連接第一螺紋段(202),大徑端連接第一滑桿段(203),第一螺紋段(202)與旋轉驅動裝置(3)相連,第一螺紋段(202)上靠近旋轉驅動裝置(3)的一端裝設有第一張緊螺母(230),第一張緊螺母(230)與螺旋支座(210)之間設有第一壓縮彈簧(240),第一滑桿段(203)上設有置于滑槽(211)內的導向銷(204),所述螺旋輪組(220)連有螺旋輪組支桿(250),所述螺旋輪組支桿(250)穿過第一導向孔(212)與第一錐形段(201)接觸。
2、 根據權利要求l所述的大牽引力螺旋推進微小管道機器人,其特征在于所述螺旋輪 組(220)包括螺旋輪架(221)和兩件螺旋輪(222),所述螺旋輪架(221)中部與螺旋輪組 支桿(250)鉸接,兩件螺旋輪(222)分別鉸接于螺旋輪架(221)的兩端,兩件螺旋輪(222) 的旋轉軸線相互平行,并且各螺旋輪(222)相對于螺旋支座(210)的軸線形成螺旋升角(a)。
3、 根據權利要求2所述的大牽引力螺旋推進微小管道機器人,其特征在于所述螺旋支 座(210)外套設有對螺旋輪組支桿(250)伸縮限位的第一防護套(260)。
4、 根據權利要求1至3中任一項所述的大牽引力螺旋推進微小管道機器人,其特征在于 所述螺旋輪組支桿(250)的截面為多邊形,螺旋支座(210)上的第一導向孔(212)為與螺 旋輪組支桿(250)相配合的多邊形孔。
5、 根據權利要求1至3中任一項所述的大牽引力螺旋推進微小管道機器人,其特征在于 所述導向機構(1)包括第二張緊桿(100)、呈套筒狀的導向支座(110)和沿導向支座(110) 周向均勻布置的至少三組導向輪組(120),所述導向支座(110)上沿徑向設有與各導向輪組(120)對應的第二導向孔(111),導向支座(110)套設于第二張緊桿(100)夕卜,并與旋轉 驅動裝置(3)相連,所述第二張緊桿(100)由第二錐形段(101)、第二螺紋段(102)和第 二滑桿段(103)構成,第二錐形段(101)小徑端連接第二螺紋段(102),大徑端連接第二 滑桿段(103),第二螺紋段(102)上遠離旋轉驅動裝置(3)的一端裝設有第二張緊螺母(130), 第二張緊螺母(130)與導向支座(110)之間設有第二壓縮彈簧(140),導向輪組(120)上 連有導向輪組支桿(150),所述導向輪組支桿(150)穿過第二導向孔(111)與第二錐形段(101)接觸。
6、 根據權利要求4所述的大牽引力螺旋推進微小管道機器人,其特征在于所述導向機 構(1)包括第二張緊桿(100)、呈套筒狀的導向支座(110)和沿導向支座(110)周向均勻 布置的至少三組導向輪組(120),所述導向支座(110)上沿徑向設有與各導向輪組(120) 對應的第二導向孔(111),導向支座(110)套設于第二張緊桿(100)夕卜,并與旋轉驅動裝 置(3)相連,所述第二張緊桿(100)由第二錐形段(101)、第二螺紋段(102)和第二滑桿 段(103)構成,第二錐形段(101)小徑端連接第二螺紋段(102),大徑端連接第二滑桿段(103),第二螺紋段(102)上遠離旋轉驅動裝置(3)的一端裝設有第二張緊螺母(130), 第二張緊螺母(130)與導向支座(110)之間設有第二壓縮彈簧(140),導向輪組(120)上 連有導向輪組支桿(150),所述導向輪組支桿(150)穿過第二導向孔(111)與第二錐形段(101)接觸。
7、 根據權利要求6所述的大牽引力螺旋推進微小管道機器人,其特征在于所述導向輪 組(120)包括導向輪架(121)和兩件導向輪(122),所述導向輪架(121)中部與導向輪組 支桿(150)鉸接,兩件導向輪(122)分別鉸接于導向輪架(121)的兩端。
8、 根據權利要求7所述的大牽引力螺旋推進微小管道機器人,其特征在于所述導向支 座(110)外套設有對導向輪組支桿(150)伸縮限位的第二防護套(160)。
9、 根據權利要求8所述的大牽引力螺旋推進微小管道機器人,其特征在于所述導向輪 組支桿(150)的截面為圓形,導向支座(110)上的第二導向孔(111)為與螺旋輪組支桿(150) 相配合的圓形孔。
專利摘要大牽引力螺旋推進微小管道機器人,包括導向機構、螺旋推進機構和設于導向機構與螺旋推進機構間的旋轉驅動裝置,螺旋推進機構包括第一張緊桿、螺旋支座和螺旋輪組,螺旋支座上沿軸向設有滑槽,并沿徑向設有第一導向孔,螺旋支座套于第一張緊桿外,第一張緊桿由第一錐形段、第一螺紋段和第一滑桿段構成,第一錐形段小徑端連第一螺紋段,大徑端連第一滑桿段,第一螺紋段與旋轉驅動裝置相連,第一螺紋段上裝設第一張緊螺母,第一張緊螺母與螺旋支座間設第一壓縮彈簧,第一滑桿段上有置于滑槽內的導向銷,螺旋輪組連螺旋輪組支桿,螺旋輪組支桿穿過第一導向孔與第一錐形段接觸。該機器人具有負載能力高,管徑變化適應能力強,且彎管通過能力強的優點。
文檔編號F16L55/32GK201407460SQ200920064549
公開日2010年2月17日 申請日期2009年5月22日 優先權日2009年5月22日
發明者尚建忠, 張祥坡, 徐小軍, 王曉明, 羅自榮, 謝惠祥, 沫 黑 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學