專利名稱：管外行走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人，尤其涉及一種在管道或圓柱體外表面上行走的機(jī)器人；主要用于各種工業(yè)管道、民用管道、大橋斜拉索、電纜等圓柱型體的質(zhì)量檢測(cè)、維護(hù)修復(fù)等作業(yè)。
背景技術(shù)：
對(duì)工業(yè)管道、大橋斜拉索、電纜等進(jìn)行定期的檢測(cè)、保養(yǎng)和維修是必不可少的。若使用人工方法，不僅耗費(fèi)大量的人力和物力，效率低，安全性差，而且許多場(chǎng)合根本無法允許人工作業(yè)。目前，也有一些管外行走機(jī)器人研究的報(bào)道或?qū)＠?。在管道外表面上作業(yè)的機(jī)器人一般采用蠕動(dòng)式、螺旋式、滾動(dòng)式、交替攀爬式等多種移動(dòng)方式，但是它們往往都有一些應(yīng)用的局限性，如，它們多數(shù)都只能沿著管線方向行走而不具備繞管子轉(zhuǎn)圈的功能，有的不能跨越管道上的障礙，有的有的只適合爬立桿或水平桿的一種管道狀態(tài)，有的甚至不能連續(xù)、均勻地經(jīng)過管道各處外表面，這樣，它們就不能滿足一些需對(duì)各種姿態(tài)的管道外表面進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)或維護(hù)的要求。為此，迫切需要一種在各種姿態(tài)的管道或圓柱體外表面上行走的機(jī)器人，來滿足對(duì)管道及各種圓柱型體工件的外部連續(xù)檢測(cè)、維護(hù)或修復(fù)等需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，為滿足管道及各種圓柱型體工件的外部連續(xù)檢測(cè)、維護(hù)等需要，發(fā)明一種在管道或圓柱體外表面上行走的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人在豎管道、平管道和斜管道上均可前后行走，以下簡(jiǎn)稱管外行走機(jī)器人。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是—種管外行走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，它由前后兩節(jié)車體組成，兩節(jié)車體通過一個(gè)平面鉸鏈機(jī)構(gòu)鉸連接在一起；所述的平面鉸鏈機(jī)構(gòu)是在一個(gè)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸兩端安裝上擺動(dòng)架，擺動(dòng)架與前節(jié)車體鉸接，舵機(jī)與后節(jié)車體固定，在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)前后兩節(jié)車體間的上下相對(duì)擺動(dòng)；所述的前后兩節(jié)車體的構(gòu)造相同，具體構(gòu)造是，在車體架的底面中心軸線上安裝有前、后支撐輪，在車體架的底面兩側(cè)安裝有抱管行走機(jī)構(gòu)；所述的抱管行走機(jī)構(gòu)的構(gòu)造是，在車體架上固定安裝一個(gè)直線電機(jī)體，直線電機(jī)體的芯部是一根螺桿軸，螺桿軸與車體架垂直關(guān)系，螺桿軸的底端固定安裝有驅(qū)動(dòng)盤，驅(qū)動(dòng)盤頂部套上連桿架，連桿架上左右對(duì)稱鉸接量個(gè)連桿，兩個(gè)連桿的外端分別鉸接上滾輪支架，每個(gè)滾輪支架的頂端各自鉸接在車體架上；滾輪支架上安裝有旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)的行走滾輪；前后兩節(jié)車體的行走滾輪的安裝軸線對(duì)稱呈八字形布置，每節(jié)車體的左右行走滾輪的安裝軸線呈八字形布置，在直線電機(jī)體螺桿軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿架推動(dòng)兩個(gè)連桿向外張開，進(jìn)而推動(dòng)左右行走滾輪支架向外張開，使?jié)L輪脫開管道，反之，左右行走滾輪支架向內(nèi)合攏，使?jié)L輪抱住鋼管，并在旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)下抱管行走，以實(shí)現(xiàn)車體的前后運(yùn)行。
本發(fā)明管外行走機(jī)器人工作方法如下本發(fā)明管外行走機(jī)器人工作方法有以下四種情況第一種情況在直管道上前行或后行操作前后車體的4個(gè)行走滾輪同速度向前滾動(dòng)或向后滾動(dòng),實(shí)現(xiàn)前行或后行；第二種情況繞管道左右轉(zhuǎn)圈操作前車體左行走滾輪和后車體右行走滾輪同速度向前滾動(dòng)，同時(shí)，操作前車體右行走滾輪和后車體左行走滾輪同速度向后滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)圈運(yùn)行；反之，實(shí)現(xiàn)向左轉(zhuǎn)圈運(yùn)行；第三種情況跨越十字型管道節(jié)
第一步在十字型管道節(jié)處，將機(jī)器人車體的上平面轉(zhuǎn)到與十字型管道所處平面平行的平面內(nèi)，打開前車體的抱管行走機(jī)構(gòu)，通過舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)，將前車體抬起脫離原來的管道，再驅(qū)動(dòng)后車體向前運(yùn)行，使前車體跨越十字型管道節(jié)；第二步通過舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)，將前車體落下，操作前車體抱管行走機(jī)構(gòu)抱住管道，打開后車體的抱管行走機(jī)構(gòu)，并抬起后車體，再驅(qū)動(dòng)前車體向前運(yùn)行，使后車體跨越十字型管道節(jié)，將后車體落下，操作后車體抱管行走機(jī)構(gòu)抱住管道；繼續(xù)向前行走；第四種情況L型彎管道換道 第一步走到L型彎管道拐彎處，將機(jī)器人整體正直轉(zhuǎn)到與L型彎管處于同一平面內(nèi)，打開前車體的抱管機(jī)構(gòu)，通過舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)將前車體抬起90°，并使前車體的底面對(duì)著彎管另一段，再驅(qū)動(dòng)后車體向前運(yùn)行；第二步當(dāng)前車體接觸到彎管道另一段時(shí)，操作前車體抱管行走機(jī)構(gòu)抱住管道；第三步然后打開后車體的抱管行走機(jī)構(gòu)，再驅(qū)動(dòng)前車體在彎管的另一段上向前運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到前車體身后的空間滿足后車體的長(zhǎng)度時(shí)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)將后車體落下并抱住管道，完成L型管道換道。本發(fā)明的機(jī)器人根據(jù)工作方法要求可合理編排其運(yùn)行程序，可在各種姿態(tài)的管道或圓柱體外表面上行走，來滿足對(duì)管道及各種圓柱型體工件的外部連續(xù)檢測(cè)、維護(hù)或修復(fù)等需要。通過更換不同的支撐滾輪與行走滾輪的直徑，一套機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以滿足不同管徑管道場(chǎng)合的應(yīng)用。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖I是本發(fā)明在直管上運(yùn)行的整體結(jié)構(gòu)視圖。圖2是圖I視圖的A向視圖。圖3是圖2視圖打開抱管行走機(jī)構(gòu)時(shí)的狀態(tài)圖。圖4是本發(fā)明跨越十字型管接頭時(shí)的狀態(tài)仰視立體圖。圖5是本發(fā)明在L型管接頭處換管道時(shí)的狀態(tài)圖。 圖6是本發(fā)明模擬抱管的仰視圖。附圖中I-前車體，2-后車體，3-直線電機(jī)體，4-螺桿軸，5-后支撐輪，6_前支撐輪，7_左行走滾輪，7’ _右行走滾輪，8-左航機(jī),8’ _右航機(jī)，9-管道，10-左行走滾輪支架，10’ _右行走滾輪支架，11-左連桿，11’ -右連桿，12-驅(qū)動(dòng)盤，13-連桿架，14-擺動(dòng)架，15-舵機(jī)，16-車體架。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)DI-圖6對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步說明。為敘述方便，下面以在平管道的頂面上向左行走為前進(jìn)方向，描述本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖I所示，本發(fā)明的管外行走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)由前車體I和后車體2組成，前車體I和后車體2通過一個(gè)平面鉸鏈機(jī)構(gòu)鉸連接在一起；所述的平面鉸鏈機(jī)構(gòu)如圖I所示，它是在一個(gè)舵機(jī)15的驅(qū)動(dòng)軸兩端安裝上擺動(dòng)架14，擺動(dòng)架14與前車體I固接，舵機(jī)15與后車體2固接，在舵機(jī)15的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)前后車體1、2間的上下相對(duì)擺動(dòng)，如圖5所示；所述的前車體I和后車體2構(gòu)造相同，均在車體架16的底面中心軸線上安裝有前支撐輪6和后支撐輪5，在車體架16的底面兩側(cè)安裝有抱管行走機(jī)構(gòu)； 所述的抱管行走機(jī)構(gòu)的構(gòu)造從圖2、圖3更能說明，圖2、圖3僅顯示出后車體2抱管行走機(jī)構(gòu)，前車體I抱管行走機(jī)構(gòu)與后車體2抱管行走機(jī)構(gòu)相對(duì)稱；從圖2、圖3看出，后車體2抱管行走機(jī)構(gòu)是在車體架16上固定安裝一個(gè)直線電機(jī)體3，直線電機(jī)體3的芯部是一根螺桿軸4，螺桿軸4的底端伸到車體架16下面，并在螺桿軸4下端固定安裝有驅(qū)動(dòng)盤12，驅(qū)動(dòng)盤12套上連桿架13，連桿架13上左右對(duì)稱鉸接有左連桿11和右連桿11’，左連桿11和右連桿11’的外端分別鉸接上左行走滾輪支架10和右行走滾輪支架10’，左行走滾輪支架10和右行走滾輪支架10’的頂端各自鉸接在車體架16上；左行走滾輪支架10上安裝 有左舵機(jī)8和左行走滾輪7，右行走滾輪支架10’上安裝有右舵機(jī)8，和右行走滾輪7’，左舵機(jī)8和右舵機(jī)8’可以輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別帶動(dòng)左行走滾輪7和右行走滾輪7’轉(zhuǎn)動(dòng)；從圖2和圖3看出，左行走滾輪7和右行走滾輪V呈八字形布置，向內(nèi)合攏時(shí)左右行走滾輪的底部距離小于被行走管道的直徑；向外張開時(shí)左右行走滾輪的底部距離大于被行走管道的直徑，如圖3所示。在直線電機(jī)體3驅(qū)動(dòng)電機(jī)螺桿軸4向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿架13推動(dòng)左11和右連桿11’向外張開，進(jìn)而推動(dòng)左行走滾輪7和右行走滾輪7’向外張開，使?jié)L輪脫開行走管道9，反之，左右行走滾輪向內(nèi)合攏，抱住管道9，并在左舵機(jī)8和右舵機(jī)8’帶動(dòng)下抱管行走，以實(shí)現(xiàn)車體的前后運(yùn)行。如圖I、圖2所示，車體頂部的后支撐輪5與左行走滾輪7和右行走滾輪7’形成三個(gè)支撐點(diǎn)；車體頂部的前支撐輪6與左行走滾輪7和右行走滾輪V形成三個(gè)支撐點(diǎn)；三點(diǎn)在管道圓周上呈三角布置，以保證抱緊管道與行走的穩(wěn)定性。從圖I、圖6看出，前車體I和后車體2組裝后，前后車體左行走滾輪呈八字形布置；而且前車體I的后支撐輪5和后車體2的前支撐輪6之間留有一定的距離，以保證本發(fā)明能跨越一定尺寸的管道障礙。本發(fā)明管外行走機(jī)器人工作方法有以下四種情況第一種情況在直管道上前行或后行操作前車體I和后車體2的四個(gè)行走滾輪同速度向前滾動(dòng)或向后滾動(dòng),實(shí)現(xiàn)前行或后行；第二種情況繞管道左右轉(zhuǎn)圈操作前車體的左行走滾輪7和后車體和右行走滾輪7’同速度向前滾動(dòng)，同時(shí),操作前車體的右行走滾輪7’和后車體的左行走滾輪7同速度向后滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)圈運(yùn)行；反之，實(shí)現(xiàn)向左轉(zhuǎn)圈運(yùn)行；第三種情況跨越十字型管道節(jié)第一步在十字型管道節(jié)處，將機(jī)器人車體的上平面轉(zhuǎn)到與十字型管道所處平面平行的平面內(nèi)，打開前車I體的抱管行走機(jī)構(gòu)，通過舵機(jī)15的驅(qū)動(dòng)，將前車體I抬起脫離原來的管道，再驅(qū)動(dòng)后車體2向前運(yùn)行，使前車體I跨越十字型管道節(jié)；第二步通過舵機(jī)15的驅(qū)動(dòng),將前車體I落下，操作前車體I抱管行走機(jī)構(gòu)抱住管道9,打開后車體2的抱管行走機(jī)構(gòu)，并抬起后車體2,再驅(qū)動(dòng)前車體I向前運(yùn)行,使后車體2跨越十字型管道節(jié)，將后車體2落下，操作后車體2抱管行走機(jī)構(gòu)抱住管道9 ;繼續(xù)向前行走。如圖4所示。
第四種情況在L型彎管道換道第一步當(dāng)走到L型彎管道拐彎處，將機(jī)器人整體正直轉(zhuǎn)到與L型彎管處于同一平面內(nèi)，打開前車體I的抱管行走機(jī)構(gòu)，通過舵機(jī)15的驅(qū)動(dòng)將前車體I抬起90°，并使前車體I的底面對(duì)著彎管另一段，再驅(qū)動(dòng)后車體2向前運(yùn)行；第二步當(dāng)前車體I接觸到彎管道另一段時(shí)，操作前車體I抱管行走機(jī)構(gòu)抱住管道17 ；第三步然后打開后車體2的抱管行走機(jī)構(gòu)，再驅(qū)動(dòng)前車體I在彎管的另一段上向前運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到前車體I身后的空間滿足后車體2的長(zhǎng)度時(shí)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)15將后車體2落下并抱住管道，完成L型管道換道。如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種管外行走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于，它由前后兩節(jié)車體組成，兩節(jié)車體通過一個(gè)平面鉸鏈機(jī)構(gòu)鉸連接在一起；其中 所述的平面鉸鏈機(jī)構(gòu)是在一個(gè)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸兩端安裝上擺動(dòng)架，擺動(dòng)架與前節(jié)車體鉸接，舵機(jī)與后節(jié)車體固定，在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)前后兩節(jié)車體間的上下相對(duì)擺動(dòng)； 所述的前后兩節(jié)車體的構(gòu)造相同，具體構(gòu)造是，在車體架的底面中心軸線上安裝有前、后支撐輪，在車體架的底面兩側(cè)安裝有抱管行走機(jī)構(gòu)； 所述的抱管行走機(jī)構(gòu)的構(gòu)造是，在車體架上固定安裝一個(gè)直線電機(jī)體，直線電機(jī)體的芯部是一根螺桿軸，螺桿軸與車體架垂直關(guān)系，螺桿軸的底端固定安裝有驅(qū)動(dòng)盤，驅(qū)動(dòng)盤頂部套上連桿架，連桿架上左右對(duì)稱鉸接量個(gè)連桿，兩個(gè)連桿的外端分別鉸接上滾輪支架，每個(gè)滾輪支架的頂端各自鉸接在車體架上；滾輪支架上安裝有旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)的行走滾輪；前后兩節(jié)車體的行走滾輪的安裝軸線對(duì)稱呈八字形布置，每節(jié)車體的左右行走滾輪的安裝軸線呈八字形布置，在直線電機(jī)體螺桿軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿架推動(dòng)兩個(gè)連桿向外張開，進(jìn)而推動(dòng)左右行走滾輪支架向外張開，使?jié)L輪脫開管道，反之，左右行走滾輪支架向內(nèi)合攏，使?jié)L輪抱住鋼管，并在旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)下抱管行走，以實(shí)現(xiàn)車體的前后運(yùn)行。
2.如權(quán)利要求I所述的管外行走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作方法，其特征在于，它包括以下四種情況 第一種情況在直管道上前行或后行 操作前后車體的四個(gè)行走滾輪同速度向前滾動(dòng)或向后滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前行或后行； 第二種情況繞管道左右轉(zhuǎn)圈 操作前車體左行走滾輪和后車體右行走滾輪同速度向前滾動(dòng)，同時(shí)，操作前車體右行走滾輪和后車體左行走滾輪同速度向后滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)圈運(yùn)行；反之，實(shí)現(xiàn)向左轉(zhuǎn)圈運(yùn)行； 第三種情況跨越十字型管道節(jié) 第一步在十字型管道節(jié)處，將機(jī)器人車體的上平面轉(zhuǎn)到與十字型管道所處平面平行的平面內(nèi)，打開前車體的抱管行走機(jī)構(gòu)，通過舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)，將前車體抬起脫離原來的管道，再驅(qū)動(dòng)后車體向前運(yùn)行，使前車體跨越十字型管道節(jié)； 第二步通過舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)，將前車體落下，操作前車體抱管行走機(jī)構(gòu)抱住管道，打開后車體的抱管行走機(jī)構(gòu)，并抬起后車體，再驅(qū)動(dòng)前車體向前運(yùn)行，使后車體跨越十字型管道節(jié)，將后車體落下，操作后車體抱管行走機(jī)構(gòu)抱住管道；繼續(xù)向前行走； 第四種情況L型彎管道換道 第一步走到L型彎管道拐彎處，將機(jī)器人整體正直轉(zhuǎn)到與L型彎管處于同一平面內(nèi)，打開前車體的抱管機(jī)構(gòu)，通過舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)將前車體抬起90°，并使前車體的底面對(duì)著彎管另一段，再驅(qū)動(dòng)后車體向前運(yùn)行； 第二步當(dāng)前車體接觸到彎管道另一段時(shí)，操作前車體抱管行走機(jī)構(gòu)抱住管道； 第三步然后打開后車體的抱管行走機(jī)構(gòu)，再驅(qū)動(dòng)前車體在彎管的另一段上向前運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到前車體身后的空間滿足后車體的長(zhǎng)度時(shí)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)將后車體落下并抱住管道，完成L型管道換道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種管外行走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及其工作方法，它由前后兩節(jié)車體組成，兩節(jié)車體通過一個(gè)平面鉸鏈機(jī)構(gòu)鉸連接在一起，在在車體架的底面兩側(cè)安裝有抱管行走機(jī)構(gòu)。通過前后兩節(jié)車體和抱管行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)管外行走機(jī)器人可在各種姿態(tài)的管道或圓柱體外表面上行走，來滿足對(duì)管道及各種圓柱型體工件的外部連續(xù)檢測(cè)、維護(hù)或修復(fù)等需要。通過更換不同的支撐滾輪與行走滾輪的直徑，一套機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以滿足不同管徑管道場(chǎng)合的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B62D57/02GK102700643SQ20121016462
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者劉登彪, 張發(fā), 樊炳輝, 袁呈芝, 趙建建, 鄭義, 閔鳳 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)