CN107191740A - 一种液压驱动定径管道机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种液压驱动定径管道机器人，主要包括支撑前仓、连接仓以及支撑后仓，支撑前仓包括前仓交叉支撑机构、前仓前端盖、二级液压缸、前仓后端盖、第一滑动盘和前仓仓体，支撑后仓包括后仓交叉支撑机构、后仓前端盖、液压缸、后仓仓体、第二滑动盘和后仓后端盖，连接仓包括连接仓仓体。这种液压驱动定径管道机器人可以在各种角度较小管径的管道中直线移动，可搭载摄像头完成管道内部情况的观测任务，同时也能为其它作业管道机器人提供动力。这种机器人具有小型化、轻型化的特点，具有结构简单、动力充足、可靠性高、越障能力强、空间利用率高、行走效率高、行进动力充足、行进方向可变等优点。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种液压驱动定径管道机器人。
背景技术
在现代，无论是水力、火力发电站，还是煤气、自来水、工业用水和供热系统等公共设施，以及石油、化工等工业生产系统，都有纵横交错的管道。管道作为一种有效的物料运输手段而得到广泛的应用，这些管道系统在输送各种液体和气体物质时，由于受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管道本身可能隐藏的内在缺陷(如裂纹、砂眼、接头处连接不良等)，寿命总是有限的。为了提高管道寿命、防止泄露等事故的发生，必须对管道进行有效的检测维护，由于管道系统或者埋在地下，或者架设在高空，或者管道内径很小，内部结构错综复杂，环境恶劣，用人携带仪器检查十分困难，有时甚至根本无法做到，在人工检测方式存在诸多缺点的情况下，开发一种能够深入管道的可移动管道检测装置是十分必要的，因此管道监测机器人作为一种有效的管道检测设备得到了越来越多的应用。
这种检测技术提高了管道检侧的准确性，便于管道工程管理维护人员分析了解管道缺陷产生的原因，开展对缺陷的评估，制订管道维护方案，消除管道安全隐患，在事故发生前就有计划地维修或更换管段，从而节约大量的维修费用，降低管道维护成本，保障人民生活及财产安全。
目前已有的管道检测机器人有多种行进方式，比如轮式、履带式、蠕动式、螺旋式等，现使用较多的主要为以下几种结构：履带车结构，底部采用履带带动所述管道机器人在所述管道内行走；支撑杆结构，采用端部带有轮子的折叠杆结构将所述管道机器人支撑在所述管道中间，然后再实现行走运动；轮式结构，采用传统车轮或特殊结构的车轮与管道内壁面接触，使所述管道机器人在所述管道内行驶。但现有的这几种管道机器人由于自身结构的限制存在很多问题，比如说对管道的适用性差、在管道内转变方向困难、越障能力差等。
与传统的轮式和履带式管道机器人相比，蠕动式管道机器人具有密封性好、横截面积小、越障能力强等特点，但仍存在机器人行走效率低、不连续、更换支撑部位时机身不稳定等问题。
此外，除行进方式外，驱动方式也是评价管道机器人性能的一个方面，目前应用在管道机器人上的驱动方式也有多种，目前较常用的驱动方式为电机驱动与液压驱动，液压驱动方式中主要的驱动元件为液压缸，液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动(或摆动运动)的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成；缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。
液压缸的结构形式多种多样，其分类方法也有多种：按运动方式可分为直线往复运动式和回转摆动式；按受液压力作用情况可分为单作用式、双作用式；按结构形式可分为活塞式、柱塞式、多级伸缩套筒式，齿轮齿条式等；按安装形式可分为拉杆、耳环、底脚、铰轴等；按作用方向可分为二级液压缸与一级液压缸。一级液压缸就是在一个方向上活动，相同缸径的话单级的力量大，耗油多但是如果需要其他方向活动的话需要借助外力，二级液压缸可在两个方向活动，相同缸径来说二级液压缸的力量较小，但耗油相对来说少。而电机驱动体积大，对安装空间要求高且普遍存在动力源不足等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种越障能力强、空间利用率高、行走效率高、行进动力充足、行进方向可变的液压驱动定径管道机器人。
本发明的目的是这样实现的：
一种液压驱动定径管道机器人，包括支撑前仓、连接仓和支撑后仓；支撑前仓包括前仓交叉支撑机构、前仓前端盖1、二级液压缸11、前仓后端盖12、第一滑动盘13和前仓仓体14，其中前仓交叉支撑机构包括第一支撑板2、第一固定连杆座3、第一滑动连杆4、第一固定连杆5、第一防滑垫6、第一滑动连杆座7和第一滑轨8；支撑后仓包括后仓交叉支撑机构、后仓前端盖10、液压缸15、后仓仓体16、第二滑动盘17和后仓后端盖18，其中后仓交叉支撑机构包括第二支撑板19、第二固定连杆座20、第二滑动连杆21、第二固定连杆22、第二防滑垫23、第二滑动连杆座24和第二滑轨25；连接仓包括连接仓仓体9；
支撑前仓中，前仓前端盖1和前仓后端盖12分别通过内六角螺钉固定于前仓仓体14的前后两端，二级液压缸11通过法兰与前仓前端盖1和前仓后端盖12分别连接；
支撑后仓中，后仓前端盖10和后仓后端盖18分别通过内六角螺钉固定于后仓仓体16的前后两端，液压缸15通过法兰与后仓其他部件分别连接；
连接仓中，连接仓仓体9一端通过螺栓螺母与后仓仓体16固定，另一端套在前仓仓体14的外侧。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的二级液压缸11包括第一级液压缸、第一级法兰、第二级液压缸、第二级法兰和尾部法兰，第一级法兰通过螺栓螺母固定在前仓后端盖12上，第二级法兰通过螺栓螺母与第一滑动盘13安装在一起，尾部法兰通过螺栓螺母固定在后仓前端盖10上。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的液压缸15包括液压缸体、第一级法兰、第二级法兰和尾部法兰，第一级法兰通过螺栓螺母与后仓仓体中间端盖固定，第二级法兰通过螺栓螺母与第二滑动盘17安装在一起，尾部法兰通过螺栓螺母与后仓前端盖10固定。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的前仓交叉支撑机构中第一滑轨8的前后两端分别安装在前仓前端盖1和前仓后端盖12上，第一滑轨8上通过嵌装方式安装有第一滑动盘13；第一固定连杆座3的一端通过螺栓螺母安装在前仓前端盖1上，另一端通过铰接的方式与第一固定连杆5的一端安装在一起，第一固定连杆5的另一端通过铰接的方式安装在第一支撑板2上；第一滑动连杆座7一端通过螺栓螺母安装在第一滑动盘13上，另一端通过铰接的方式与第一滑动连杆4的一端安装在一起，第一滑动连杆4的另一端安装在第一支撑板2上；第一滑动连杆4与第一固定连杆5在等长位置通过铰接的方式安装在一起。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的第一支撑板2呈天平状，两端有凸起托板，托板呈中空的倒梯形，中空处形状与防滑垫6相契合，防滑垫6安装在第一支撑板2两端的凸起托板上；第一支撑板2的横向支撑结构上有一段滑道，第一滑动连杆4靠近第一支撑板2的一端安装在第一支撑板2的滑道内。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的支撑前仓与支撑后仓以后仓前端盖10为对称轴呈对称结构，前仓交叉支撑机构与后仓交叉支撑机构的组成部件类型与连接方式完全相同，但两者在对应端盖上的安装完成后呈一定角度。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的前仓交叉支撑结构有三组，三组前仓交叉支撑结构呈周向间隔120°均匀分布，后仓交叉支撑结构数量和安装方式与前仓交叉支撑结构相同，但前后仓交叉支撑结构对应安装位置的角度间隔60°。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的前仓前端盖1、后仓前端盖10、前仓后端盖12、后仓后端盖18均为六边形结构。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的前仓仓体14与后仓仓体16均为贯通的六面体，前后仓体表面上对应安装交叉支撑结构的位置开有矩形开口，开口长度与交叉支撑结构的长度相同。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的连接仓仓体9为圆柱形结构，内部开有呈六面体状的贯穿通孔。
本发明的有益效果在于：本发明采用蠕动式的前进方式，不仅继承了蠕动式机器人密封性好、横截面积小、越障能力强等特点，同时还克服了蠕动式机器人行走效率低、不连续、更换支撑部位时机身不稳定等问题；再者，从驱动方式来说，本发明采用液压驱动方式，与电机驱动相比，以液压缸为动力源动力更充足，能够携带更多的负载；当管道倾斜角度过大或处于垂直状态时，电机驱动力很可能无法平衡电机自身重力而导致侧翻、撞击损坏等问题，而液压驱动可以使机器人在各种角度的管道内移动；此外，本发明中所提出的交叉支撑机构没有死点，不会被卡死，当支撑机构在管道内遇障碍阻挡时，可通过收缩活塞杆的方式排除障碍；最后，本发明利用二级液压缸来实现移动和支撑两个运动，缩短了结构的整体长度，节省空间。
附图说明
图1为本发明主视方向结构示意图；
图2为本发明侧视方向结构示意图；
图3为本发明主视方向B部分的A-A截面剖面示意图；
图4为本发明主视方向C部分的A-A截面剖面示意图；
图5为本发明主视方向B部分内部结构示意图；
图6为支撑前仓仓体结构示意图；
图7为本发明主视方向C部分内部结构示意图；
图8为支撑后仓仓体结构示意图；
图9为连接仓仓体结构示意图；
图10为滑动连杆座结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
结合图1、图3及图4，本发明所提出的一种液压驱动定径管道机器人包括支撑前仓、连接仓和支撑后仓；支撑前仓包括前仓交叉支撑机构、前仓前端盖1、二级液压缸11、前仓后端盖12、第一滑动盘13和前仓仓体14，其中前仓交叉支撑机构包括第一支撑板2、第一固定连杆座3、第一滑动连杆4、第一固定连杆5、第一防滑垫6、第一滑动连杆座7和第一滑轨8；支撑后仓包括后仓交叉支撑机构、后仓前端盖10、液压缸15、后仓仓体16、第二滑动盘17和后仓后端盖18，其中后仓交叉支撑机构包括第二支撑板19、第二固定连杆座20、第二滑动连杆21、第二固定连杆22、第二防滑垫23、第二滑动连杆座24和第二滑轨25；连接仓包括连接仓仓体9，连接仓仓体9的一端通过螺栓螺母与后仓仓体16固定，另一端套在前仓仓体14的外侧。
结合图3、图5与图6，支撑前仓中，前仓前端盖1和前仓后端盖12分别通过内六角螺钉固定于前仓仓体14的前后两端；二级液压缸11包括第一级液压缸、第一级法兰、第二级液压缸、第二级法兰和尾部法兰，第一级法兰通过螺栓螺母固定在前仓后端盖12上，第二级法兰通过螺栓螺母与第一滑动盘13安装在一起，尾部法兰通过螺栓螺母固定在后仓前端盖10上；二级液压缸11的第一级液压缸带动支撑前仓在连接仓内侧往复移动，以实现管道机器人的前进和后退，第二级液压缸带动第一滑动盘13在第一滑轨8上往复移动，从而控制前仓交叉支撑结构的撑起与回收。
前仓交叉支撑机构中第一滑轨8的前后两端分别安装在前仓前端盖1和前仓后端盖12上，第一滑轨8上通过嵌装方式安装有第一滑动盘13，第一滑动盘13可在第一滑轨8上来回滑动；第一固定连杆座3的一端通过螺栓螺母安装在前仓前端盖1上，另一端通过铰接的方式与第一固定连杆5的一端安装在一起，第一固定连杆5的另一端通过铰接的方式安装在第一支撑板2上；第一滑动连杆座7一端通过螺栓螺母安装在第一滑动盘13上，另一端通过铰接的方式与第一滑动连杆4的一端安装在一起，第一滑动连杆4的另一端安装在第一支撑板2上；第一滑动连杆4与第一固定连杆5在等长位置通过铰接的方式安装在一起。
结合图4、图7及图8，支撑后仓中，后仓前端盖10和后仓后端盖18分别通过内六角螺钉固定于后仓仓体16的前后两端，液压缸15包括液压缸体、第一级法兰、第二级法兰和尾部法兰，第一级法兰通过螺栓螺母与后仓仓体中间端盖固定，第二级法兰通过螺栓螺母与第二滑动盘17安装在一起，尾部法兰通过螺栓螺母与后仓前端盖10固定；液压缸15的液压缸体内的活塞杆带动第二滑动盘17在滑轨8上往复移动，从而控制前仓交叉支撑结构的撑起与回收。
对于一种液压驱动定径管道机器人，所述的支撑前仓与支撑后仓以后仓前端盖10为对称轴呈对称结构，后仓交叉支撑机构与前仓交叉支撑机构的组成部件类型与连接方式完全相同，但两者在对应端盖上的安装完成后呈一定角度。
结合图2、图5及图7，本发明中前仓交叉支撑结构有三组，三组前仓交叉支撑结构呈周向间隔120°均匀分布，后仓交叉支撑结构数量和安装方式与前仓交叉支撑结构相同，但前后仓交叉支撑结构对应安装位置的角度间隔60°。
结合图1及图5，本发明中所述的第一支撑板2呈天平状，两端有凸起托板，托板呈中空的倒梯形，中空处形状与防滑垫6相契合，防滑垫6安装在第一支撑板2两端的凸起托板上；第一支撑板2的横向支撑结构上有一段滑道，第一滑动连杆4靠近第一支撑板2的一端安装在第一支撑板2的滑道内，第一滑动连杆4可在第一支撑板2的滑道内来回滑动。第二支撑板19的结构形态和联接方式与第一支撑板2相同。
结合图5及图7，本发明中所述的前仓前端盖1、后仓前端盖10、前仓后端盖12、后仓后端盖18均为六边形结构。
结合图6及图8，本发明中所述的前仓仓体14与后仓仓体16均为贯通的六面体，前后仓体表面上对应安装交叉支撑结构的位置开有矩形开口，开口长度与交叉支撑结构的长度相同。
结合图9，本发明中所述的连接仓仓体9为圆柱形结构，内部开有呈六面体状的贯穿通孔。
对于一种液压驱动定径管道机器人，其整个工作过程如下：
(1)液压缸15液压缸体中的活塞杆伸出，支撑后仓的交叉支撑机构撑起，支撑板与管道内壁充分接触，将整个装置固定于管道中心，此时支撑前仓的交叉支撑机构为回收状态；
(2)二级液压缸11的第一级液压缸中的活塞杆伸出，推动支撑前仓，使支撑前仓整体在连接仓仓体9内侧向前或向上移动一段距离；
(3)二级液压缸11的第二级液压缸中的活塞杆伸出，支撑前仓的交叉支撑机构撑起，支撑板与管道内壁充分接触；
(4)液压缸15液压缸体中的活塞杆缩回，支撑后仓的支撑机构回收，支撑板与管道内壁脱离；
(5)二级液压缸11的第一级液压缸中的活塞杆缩回，拉动支撑后仓，使支撑后仓以及连接仓仓体9在前仓仓体14外侧向前或向上移动一段距离；
(6)液压缸15液压缸体中的活塞杆伸出，支撑后仓的交叉支撑机构撑起，支撑板与管道内壁充分接触，如此往复循环，即可实现该管道机器人在管道中的移动。
实施例2
结合图1至图10，液压驱动定径蠕动管道机器人结构主要组成包括支撑前仓、支撑后仓和连接仓。支撑前仓主要包括前仓前端盖1、支撑板2、固定连杆座3、滑动连杆4、固定连杆5、防滑垫6、滑动连杆座7、滑轨8、二级液压缸11、前仓后端盖12、滑动盘13和前仓仓体14；连接仓主要包括连接仓仓体9和液压缸11；支撑后仓主要包括后仓前端盖10、液压缸15、后仓仓体16、滑动盘17、后仓后端盖18、支撑板19、固定连杆座20、滑动连杆21、固定连杆22、防滑垫23、滑动连杆座24和滑轨25。
如图3、图5、图6所示，在支撑前仓中，前仓前端盖1和前仓后端盖12通过内六角螺钉固定于前仓仓体14的两端，滑轨8的两端分别固定于前仓前端盖1和前仓后端盖12，滑动盘13可以在滑轨8上往复滑动，固定连杆座3固定于前仓前端盖1，滑动连杆座7固定于滑动盘13，固定连杆5一端与固定连杆座3铰接，另一端与支撑板2铰接，滑动连杆4一端与滑动连杆座7铰接，另一端在支撑板2的滑道内滑动，固定连杆5与滑动连杆4在等长位置铰接，二级液压缸11的第二级套环与滑动盘13固定，二级液压缸11的第二级带动滑动盘13在滑轨8上往复滑动，从而带动前仓支撑机构的撑起和回收，支撑机构周向间隔120°均布三组。支撑后仓与支撑前仓结构相同。
连接仓中，连接仓仓体9一端通过螺栓螺母与后仓仓体16固定，另一端套在前仓仓体14的外侧，二级液压缸11的尾部法兰通过螺栓螺母与仓前端盖10固定，第一级法兰通过螺栓螺母与前仓后端盖12固定。二级液压缸11的第一级可以保证支撑前仓在连接仓内侧往复移动，以实现管道机器人的前进和后退。
液压驱动定径蠕动管道机器人工作的整个过程：液压缸15活塞杆伸出，支撑后仓的支撑机构撑起，支撑板与管道内壁充分接触，将整个装置固定于管道中心，此时支撑前仓的支撑机构为回收状态，二级液压缸11的第一级活塞杆伸出，推动支撑前仓，使支撑前仓整体在连接仓仓体9内侧向前或向上移动一段距离，二级液压缸11的第二级活塞杆伸出，支撑前仓的支撑机构撑起，支撑板与管道内壁充分接触，液压缸15活塞杆缩回，支撑后仓的支撑机构回收，支撑板与管道内壁脱离，二级液压缸11的第一级活塞杆缩回，拉动支撑后仓，使支撑后仓以及连接仓仓体9在前仓仓体14外侧向前或向上移动一段距离，液压缸15活塞杆伸出，支撑后仓的支撑机构撑起，支撑板与管道内壁充分接触，如此往复循环，即可实现该管道机器人在管道中的移动。
本发明包括：机器人的行进装置，即支撑前仓、连接仓、支撑后仓的合理连接；利用一个二级液压缸完成支撑和行进两个动作；由液压缸驱动的无死点前后仓交叉支撑机构。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：包括支撑前仓、连接仓和支撑后仓；支撑前仓包括前仓交叉支撑机构、前仓前端盖(1)、二级液压缸(11)、前仓后端盖(12)、第一滑动盘(13)和前仓仓体(14)，其中前仓交叉支撑机构包括第一支撑板(2)、第一固定连杆座(3)、第一滑动连杆(4)、第一固定连杆(5)、第一防滑垫(6)、第一滑动连杆座(7)和第一滑轨(8)；支撑后仓包括后仓交叉支撑机构、后仓前端盖(10)、液压缸(15)、后仓仓体(16)、第二滑动盘(17)和后仓后端盖(18)，其中后仓交叉支撑机构包括第二支撑板(19)、第二固定连杆座(20)、第二滑动连杆(21)、第二固定连杆(22)、第二防滑垫(23)、第二滑动连杆座(24)和第二滑轨(25)；连接仓包括连接仓仓体(9)；
支撑前仓中，前仓前端盖(1)和前仓后端盖(12)分别通过内六角螺钉固定于前仓仓体(14)的前后两端，二级液压缸(11)通过法兰与前仓前端盖(1)和前仓后端盖(12)分别连接；
支撑后仓中，后仓前端盖(10)和后仓后端盖(18)分别通过内六角螺钉固定于后仓仓体(16)的前后两端，液压缸(15)通过法兰与后仓其他部件分别连接；
连接仓中，连接仓仓体(9)一端通过螺栓螺母与后仓仓体(16)固定，另一端套在前仓仓体(14)的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：所述的二级液压缸(11)包括第一级液压缸、第一级法兰、第二级液压缸、第二级法兰和尾部法兰，第一级法兰通过螺栓螺母固定在前仓后端盖(12)上，第二级法兰通过螺栓螺母与第一滑动盘(13)安装在一起，尾部法兰通过螺栓螺母固定在后仓前端盖(10)上。
3.根据权利要求1所述的一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：所述的液压缸(15)包括液压缸体、第一级法兰、第二级法兰和尾部法兰，第一级法兰通过螺栓螺母与后仓仓体中间端盖固定，第二级法兰通过螺栓螺母与第二滑动盘(17)安装在一起，尾部法兰通过螺栓螺母与后仓前端盖(10)固定。
4.根据权利要求1所述的一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：所述的前仓交叉支撑机构中第一滑轨(8)的前后两端分别安装在前仓前端盖(1)和前仓后端盖(12)上，第一滑轨(8)上通过嵌装方式安装有第一滑动盘(13)；第一固定连杆座(3)的一端通过螺栓螺母安装在前仓前端盖(1)上，另一端通过铰接的方式与第一固定连杆(5)的一端安装在一起，第一固定连杆(5)的另一端通过铰接的方式安装在第一支撑板(2)上；第一滑动连杆座(7)一端通过螺栓螺母安装在第一滑动盘(13)上，另一端通过铰接的方式与第一滑动连杆(4)的一端安装在一起，第一滑动连杆(4)的另一端安装在第一支撑板(2)上；第一滑动连杆(4)与第一固定连杆(5)在等长位置通过铰接的方式安装在一起。
5.根据权利要求1或4所述的一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：所述的第一支撑板(2)呈天平状，两端有凸起托板，托板呈中空的倒梯形，中空处形状与防滑垫(6)相契合，防滑垫(6)安装在第一支撑板(2)两端的凸起托板上；第一支撑板(2)的横向支撑结构上有一段滑道，第一滑动连杆(4)靠近第一支撑板(2)的一端安装在第一支撑板(2)的滑道内。
6.根据权利要求1所述的一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：所述的支撑前仓与支撑后仓以后仓前端盖(10)为对称轴呈对称结构，前仓交叉支撑机构与后仓交叉支撑机构的组成部件类型与连接方式完全相同，但两者在对应端盖上的安装完成后呈一定角度。
7.根据权利要求1所述的一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：所述的前仓交叉支撑结构有三组，三组前仓交叉支撑结构呈周向间隔120°均匀分布，后仓交叉支撑结构数量和安装方式与前仓交叉支撑结构相同，但前后仓交叉支撑结构对应安装位置的角度间隔60°。
8.根据权利要求1所述的一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：所述的前仓前端盖(1)、后仓前端盖(10)、前仓后端盖(12)、后仓后端盖(18)均为六边形结构。
9.根据权利要求1所述的一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：所述的前仓仓体(14)与后仓仓体(16)均为贯通的六面体，前后仓体表面上对应安装交叉支撑结构的位置开有矩形开口，开口长度与交叉支撑结构的长度相同。
10.根据权利要求1所述的一种液压驱动定径管道机器人，其特征在于：所述的连接仓仓体(9)为圆柱形结构，内部开有呈六面体状的贯穿通孔。
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