一種軟體履帶式管道機器人的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種軟體履帶式管道機器人，它包括一個充氣膨脹本體（1）和運動執行裝置，運動執行裝置包括驅動電機（4）和履帶（5），履帶（5）呈螺旋形閉合設置于充氣膨脹本體（1）表面，履帶（5）的下部間隔設置有多個驅動履帶運動的驅動輪（6），每個驅動輪（6）均連接有一個驅動其旋轉、固設于充氣膨脹本體（1）上的驅動電機（4）。本發明的有益效果是：結合了履帶式和螺旋式管道機器人的優點，減小了由于中間機構的傳動而引起的能量損失，傳動效率高，軸向牽引力大；機器人運行平穩可靠；機器人行走位置控制更加精確。
【專利說明】一種軟體履帶式管道機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及管道中行走裝置【技術領域】，特別是一種軟體履帶式管道機器人。
【背景技術】
[0002]管道機器人技術是集自動控制技術、機械制造技術、新材料、人工智能測試技術和計算機技術于一體的綜合性科學技術。目前管道已廣泛應用于石油、化工、天然氣及核工業等領域。管道經過一段時間的運行后，會發生諸如腐蝕、裂紋、凹陷或變形等損壞。為避免發生意外事故，延長管道壽命，對管道進行定期的檢查與維護顯得尤為重要。在大多數情況下，當管道發生損壞后，對管道的維修也必須在管道內進行。然而管道內空間狹小，其輸送的又多為有毒有害物質，人工檢修困難。因此，需要一種管道工具，能實現定期對管道進行檢查，能在管道內部進行修復工作。
[0003]近年來，石油化工、核工業等行業的發展及管道檢測、維護的需要刺激了管道機器人的研究，管道機器人在管道檢修方面的應用逐漸廣泛?，F應用較多的有流動式管道機器人(即管道豬)、輪式管道機器人以及履帶式管道機器人。其中流動式機器人需依靠流體推動前行，無自主行走能力，因此其移動速度和檢測區域均不易控制，對管道內壁要求較高。在此基礎上，輪式機器人克服了流動式機器人的某些缺點，它可以自主行走，可以轉彎。但由于管道多數是圓形，機器人的輪子平面不在圓管的徑向方向，因此存在側滑的可能，對管道的傾斜程度也有一定的要求。履帶式機器人運動較平穩，越障性能好，但其結構復雜，不易小型化，兩排履帶輪的結構在圓管中容易發生傾覆。另外有一種螺旋驅動式管道機器人，如中國專利CN201210180267.4，公開一種單一電機、輪式和變速螺旋式混合驅動的管道機器人，其包括螺旋式驅動裝置、輪式驅動裝置和電機動力輸出裝置。機器人在行進時阻力較小的情況下，可使用輪式驅動方式，以較大速度前進，此時螺旋驅動裝置輪子的螺旋角調為90度。在管道坡度較大或者負載較重的情況下，機器人可改用螺旋式驅動方式。此時，電磁鐵組件釋放滑移分流軸，電機的動力通過內嚙合的直齒輪帶動旋轉體轉動，從而引起傾斜的輪子滾動，產生向上的牽引力，機器人成螺旋式前進。但這種驅動存在一些缺點，由于傾斜輪是在旋轉輪架的帶動下旋轉，中間機構的摩擦等會造成較大的能量損耗，傳遞運動不可靠，機器人的行進速度受到驅動輪的回轉軸線與機體軸線的夾角取值的影響，當該夾角較小時，驅動輪運動的螺旋軌跡的螺旋角較小，驅動驅動輪旋轉的力較大，驅動輪轉速較快，機器人運行順暢，但由于螺旋軌跡的螺旋角較小前進速度較慢；隨著夾角的增大，驅動驅動輪旋轉的力逐漸變小，驅動輪轉速降低但驅動輪運動的螺旋軌跡的螺旋角增大，機器人前進速度會隨著該夾角的增大逐漸提高，但超過一定值時，由于驅動驅動輪旋轉的力減小至過小導致驅動輪轉速進一步降低，導致機器人前進速度降低，同時機器人運行穩定性降低，甚至出現無法前進的現象。因此，現有螺旋移動裝置中驅動輪的轉速會隨著驅動輪的回轉軸線與機體軸線的夾角的變化而變化，在不同工況下裝置的運行穩定性差，同時，由于驅動輪是由驅動輪架帶動運轉，因此，難以實現機器人的準確定位和微小位移調整，操控性差。
【發明內容】

[0004]本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種傳動效率高、軸向牽引力大、運行平穩可靠、位置控制精確的主動驅動的履帶連續螺旋形循環軟體履帶式管道機器人。
[0005]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種軟體履帶式管道機器人，它包括一個充氣膨脹本體和運動執行裝置，充氣膨脹本體內部為封閉的充氣腔，充氣膨脹本體連接有充放氣裝置，充氣膨脹本體的中心設置有一個軸向通道，所述的運動執行裝置包括驅動電機和履帶，履帶呈螺旋形閉合設置于充氣膨脹本體表面，所述的螺旋形閉合為履帶從充氣膨脹本體的一端呈螺旋形纏繞于充氣膨脹本體的外表面，履帶到達充氣膨脹本體的另一端后從軸向通道內穿入返回形成閉合履帶，履帶的下部間隔設置有多個驅動履帶運動的驅動輪，每個驅動輪均連接有一個驅動其旋轉、固設于充氣膨脹本體上的驅動電機。
[0006]它還包括控制單元，控制單元設置于充氣膨脹本體內，控制單元與驅動電機連接。
[0007]所述的控制單元包含控制電路板和電纜，控制電路板通過電纜與驅動電機連接。
[0008]所述的充氣膨脹本體包括外殼和設置于外殼內的氣囊，氣囊連接充放氣裝置，外殼上設置有螺旋形凹槽，履帶設置于螺旋形凹槽內。
[0009]所述的履帶為截面為圓形的彈性圓形履帶，所述的驅動輪為摩擦滑輪，彈性圓形履帶與固連在驅動電機輸出軸上的驅動輪摩擦接觸。
[0010]所述的履帶為非彈性履帶，所述的驅動輪為與履帶相配合的帶輪，非彈性履帶由固連在驅動電機輸出軸上的驅動輪驅動。
[0011 ] 所述的驅動電機設置于氣囊外表面。
[0012]所述的放氣裝置為連通氣囊的通氣管線，通氣管線連接于充氣膨脹本體的尾部。
[0013]所述的充放氣裝置為設置于氣囊內的微型泵，氣囊上設置有控制充氣膨脹本體內部與外界接通或隔斷的閥門。
[0014]本發明具有以下優點:本發明結合了履帶式和螺旋式管道機器人的優點，履帶是由驅動電機和驅動輪主動驅動運轉，因此減小了由于中間機構的傳動而引起的能量損失，傳動效率高，軸向牽引力大；同時，由于履帶是螺旋形連續循環，形成了一條閉合回路，因此防止了履帶行走時脫離驅動輪現象的發生，使機器人運行更加平穩可靠；履帶主動驅動運轉，通過控制電機的轉速、啟停實現對機器人軸向位置的調節，能實現機器人行走位置的更加精確的控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的結構示意圖 圖2為本發明的內部結構示意圖 圖3為本發明的側向結構示意圖 圖4為本發明的側剖結構示意圖 圖5為本發明使用時的結構示意圖
圖6為本發明的氣囊與電纜配合結構示意圖
圖中，1-充氣膨脹本體，2-通氣管線，3-軸向通道，4-驅動電機，5-履帶，6-驅動輪，7-外殼，8-氣囊，9-螺旋形凹槽，10-電纜?！揪唧w實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明做進一步的描述，本發明的保護范圍不局限于以下所述: 如圖1、圖2、圖3、圖4所示，一種軟體履帶式管道機器人，它包括一個充氣膨脹本體I
和運動執行裝置，充氣膨脹本體I采用柔性材料制成，充氣膨脹本體I內部為封閉的充氣腔，充氣膨脹本體I連接有連通充氣腔的充放氣裝置，充氣膨脹本體I的中心設置有一個軸向通道3，所述的運動執行裝置包括驅動電機4和履帶5，履帶5呈螺旋形閉合設置于充氣膨脹本體I表面，所述的螺旋形閉合為履帶5從充氣膨脹本體I的一端呈螺旋形纏繞于充氣膨脹本體I的外表面，履帶5到達充氣膨脹本體I的另一端后從軸向通道3內穿入返回形成閉合履帶5，履帶5的下部間隔設置有多個驅動履帶運動的驅動輪6，每個驅動輪6均連接有一個驅動其旋轉、固設于充氣膨脹本體I上的驅動電機4，所述的多個驅動電機4呈螺旋形等距分布。
[0017]它還包括控制單元，控制單元設置于充氣膨脹本體I內，控制單元與驅動電機4連接。所述的控制單元包含控制電路板和電纜10，控制電路板通過電纜10與驅動電機4連接。
[0018]所述的充氣膨脹本體I呈球形或橢球形。所述的充氣膨脹本體I包括外殼7和設置于外殼7內的氣囊8。外殼7和氣囊8均由有彈性的柔性材料制成，外殼7上設置有螺旋形凹槽9，履帶5設置于螺旋形凹槽9內，以使圓形履帶截面的一半嵌入其中，形成密封結構，防止管道內的雜質進入機器人內部，干擾其正常運轉，驅動輪6設置于凹槽的底部，并連接驅動電機4的輸出軸。所述的氣囊8和外殼7可以隨著輸入氣壓的增大或減小而產生體積的改變，從而張緊履帶5，并使履帶5抵緊管道內壁，履帶5在驅動電機4的帶動下主動地螺旋形運轉，從而帶動充氣膨脹本體I沿管道前進或后退；遇到管道截面發生變化的場合，因機器人機體是彈性的，可根據管道的截面改變自身徑向尺寸，從而適應一定范圍內的不同管徑的變化，如圖5所示。
[0019]所述的履帶5為截面為圓形的彈性圓形履帶，所述的驅動輪6為摩擦滑輪，彈性圓形履帶與固連在驅動電機4輸出軸上的驅動輪6摩擦接觸，由驅動輪6帶動履帶運動。所述的驅動輪6凹面半徑應與履帶5的橫截面半徑保持一致，以使二者相切的接觸面盡可能增大，提高摩擦傳動的效率。
[0020]所述的履帶5也可為非彈性履帶,則驅動輪6采用與履帶5相配合的帶輪，由固連在驅動電機4輸出軸上的驅動輪6驅動履帶運動。使用非彈性履帶時，依靠改變管道機器人軸向的長度，來改變管道機器人的直徑。此時，充放氣是用來改變管道機器人的長度，而體積不變，由于長度的改變，將使得外徑發生改變。
[0021]所述的充放氣裝置為連通氣囊8的通氣管線2，通氣管線2連接于充氣膨脹本體I的尾部。所述的充放氣裝置也可為設置于氣囊8內的微型泵，微型泵可以向內充氣(或液)，氣囊8上設置有控制充氣膨脹本體I內部與外界接通或隔斷的閥門，可以釋放氣體。
[0022]控制單元設置于氣囊8內，驅動電機4設置于氣囊8外表面，連接控制電路板與驅動電機4的電纜10通過氣囊8的部分做增強處理，且一次性澆筑成型，如圖6所示，這樣氣囊與電纜10是一體的，不會存在漏氣的可能。電纜10采用多芯線。
[0023]所述的驅動電機4要保證型號一致、轉速一致，以確保固連在驅動電機4上的驅動輪6的轉速一致，使履帶5平穩勻速地連續循環運轉，防止履帶5的局部不均勻的張緊與放松。
[0024]本發明的工作過程如下:充氣膨脹本體I隨著充放氣裝置輸入氣壓的增大或減小而產生體積的改變，從而張緊履帶5，并使履帶5抵緊管道內壁，履帶5在驅動電機4的帶動下主動地螺旋形運轉，從而帶動充氣膨脹本體I沿管道前進或后退；遇到管道截面發生變化的場合，因機器人機體是彈性的，可根據管道的截面改變自身徑向尺寸，如圖5所示，從而適應一定范圍內的不同管徑的變化。
【權利要求】
1.一種軟體履帶式管道機器人，其特征在于:它包括一個充氣膨脹本體(I)和運動執行裝置，充氣膨脹本體(I)內部為封閉的充氣腔，充氣膨脹本體(I)連接有充放氣裝置，充氣膨脹本體(I)的中心設置有一個軸向通道(3 )，所述的運動執行裝置包括驅動電機(4 )和履帶(5)，履帶(5)呈螺旋形閉合設置于充氣膨脹本體(I)表面，所述的螺旋形閉合為履帶(5)從充氣膨脹本體(I)的一端呈螺旋形纏繞于充氣膨脹本體(I)的外表面，履帶(5)到達充氣膨脹本體(I)的另一端后從軸向通道(3)內穿入返回形成閉合履帶(5)，履帶(5)的下部間隔設置有多個驅動履帶運動的驅動輪(6)，每個驅動輪(6)均連接有一個驅動其旋轉、固設于充氣膨脹本體(I)上的驅動電機(4 )。
2.根據權利要求1所述的一種軟體履帶式管道機器人，其特征在于:它還包括控制單元，控制單元設置于充氣膨脹本體(I)內，控制單元與驅動電機(4)連接。
3.根據權利要求2所述的一種軟體履帶式管道機器人，其特征在于:所述的控制單元包含控制電路板和電纜(10 )，控制電路板通過電纜(10 )與驅動電機(4 )連接。
4.根據權利要求1所述的一種軟體履帶式管道機器人，其特征在于:所述的充氣膨脹本體(I)包括外殼(7)和設置于外殼(7)內的氣囊(8)，氣囊(8)連接充放氣裝置，外殼(7)上設置有螺旋形凹槽(9)，履帶(5)設置于螺旋形凹槽(9)內。
5.根據權利要求4所述的一種軟體履帶式管道機器人，其特征在于:所述的履帶(5)為截面為圓形的彈性圓形履帶，所述的驅動輪(6)為摩擦滑輪，彈性圓形履帶與固連在驅動電機(4)輸出軸上的驅動輪(6)摩擦接觸。
6.根據權利要求4所述的一種軟體履帶式管道機器人，其特征在于:所述的履帶(5)為非彈性履帶，所述的驅動輪(6)為與履帶(5)相配合的帶輪，非彈性履帶由固連在驅動電機(4)輸出軸上的驅動輪(6)驅動。
7.根據權利要求4所述的一種軟體履帶式管道機器人，其特征在于:所述的驅動電機(4)設置于氣囊(8)外表面。
8.根據權利要求4所述的一種軟體履帶式管道機器人，其特征在于:所述的放氣裝置為連通氣囊(8)的通氣管線(2)，通氣管線(2)連接于充氣膨脹本體(I)的尾部。
9.根據權利要求4所述的一種軟體履帶式管道機器人，其特征在于:所述的充放氣裝置為設置于氣囊(8)內的微型泵，氣囊(8)上設置有控制充氣膨脹本體(I)內部與外界接通或隔斷的閥門。
【文檔編號】F16L55/32GK103742755SQ201310692722
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】劉清友, 任濤, 李雨佳, 陳永華 申請人:西南石油大學