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1、(10)申请公布号 CN 103742755 A (43)申请公布日 2014.04.23 CN 103742755 A (21)申请号 201310692722.3 (22)申请日 2013.12.17 F16L 55/32(2006.01) (71)申请人 西南石油大学 地址 610500 四川省成都市新都区新都大道 8 号 (72)发明人 刘清友 任涛 李雨佳 陈永华 (74)专利代理机构 成都金英专利代理事务所 ( 普通合伙 ) 51218 代理人 袁英 (54) 发明名称 一种软体履带式管道机器人 (57) 摘要 本发明公开了一种软体履带式管道机器人， 它包括一个充气膨胀本体 （1）。
2、 和运动执行装置， 运动执行装置包括驱动电机 （4）和履带 （5） ， 履 带 （5） 呈螺旋形闭合设置于充气膨胀本体 （1） 表 面， 履带 （5） 的下部间隔设置有多个驱动履带运 动的驱动轮 （6） ， 每个驱动轮 （6） 均连接有一个驱 动其旋转、 固设于充气膨胀本体 （1） 上的驱动电 机 （4） 。本发明的有益效果是 ： 结合了履带式和螺 旋式管道机器人的优点， 减小了由于中间机构的 传动而引起的能量损失， 传动效率高， 轴向牵引力 大 ； 机器人运行平稳可靠 ； 机器人行走位置控制 更加精确。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人。
3、民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103742755 A CN 103742755 A 1/1 页 2 1. 一种软体履带式管道机器人， 其特征在于 ： 它包括一个充气膨胀本体 （1） 和运动执 行装置， 充气膨胀本体 （1） 内部为封闭的充气腔， 充气膨胀本体 （1） 连接有充放气装置， 充 气膨胀本体 （1） 的中心设置有一个轴向通道 （3） ， 所述的运动执行装置包括驱动电机 （4） 和 履带 （5） ， 履带 （5） 呈螺旋形闭合设置于充气膨胀本体 （1） 表面， 所述的螺旋形闭合为履带 （5） 从充气膨胀本体。
4、 （1） 的一端呈螺旋形缠绕于充气膨胀本体 （1） 的外表面， 履带 （5） 到达 充气膨胀本体 （1） 的另一端后从轴向通道 （3） 内穿入返回形成闭合履带 （5） ， 履带 （5） 的下 部间隔设置有多个驱动履带运动的驱动轮 （6） ， 每个驱动轮 （6） 均连接有一个驱动其旋转、 固设于充气膨胀本体 （1） 上的驱动电机 （4） 。 2. 根据权利要求 1 所述的一种软体履带式管道机器人， 其特征在于 ： 它还包括控制单 元， 控制单元设置于充气膨胀本体 （1） 内， 控制单元与驱动电机 （4） 连接。 3. 根据权利要求 2 所述的一种软体履带式管道机器人， 其特征在于 ： 所述的控制。
5、单元 包含控制电路板和电缆 （10） ， 控制电路板通过电缆 （10） 与驱动电机 （4） 连接。 4. 根据权利要求 1 所述的一种软体履带式管道机器人， 其特征在于 ： 所述的充气膨胀 本体 （1） 包括外壳 （7） 和设置于外壳 （7） 内的气囊 （8） ， 气囊 （8） 连接充放气装置， 外壳 （7） 上设置有螺旋形凹槽 （9） ， 履带 （5） 设置于螺旋形凹槽 （9） 内。 5.根据权利要求4所述的一种软体履带式管道机器人， 其特征在于 ： 所述的履带 （5） 为 截面为圆形的弹性圆形履带， 所述的驱动轮 （6） 为摩擦滑轮， 弹性圆形履带与固连在驱动电 机 （4） 输出轴上的驱动。
6、轮 （6） 摩擦接触。 6.根据权利要求4所述的一种软体履带式管道机器人， 其特征在于 ： 所述的履带 （5） 为 非弹性履带， 所述的驱动轮 （6） 为与履带 （5） 相配合的带轮， 非弹性履带由固连在驱动电机 （4） 输出轴上的驱动轮 （6） 驱动。 7. 根据权利要求 4 所述的一种软体履带式管道机器人， 其特征在于 ： 所述的驱动电机 （4） 设置于气囊 （8） 外表面。 8. 根据权利要求 4 所述的一种软体履带式管道机器人， 其特征在于 ： 所述的放气装置 为连通气囊 （8） 的通气管线 （2） ， 通气管线 （2） 连接于充气膨胀本体 （1） 的尾部。 9. 根据权利要求 4 所。
7、述的一种软体履带式管道机器人， 其特征在于 ： 所述的充放气装 置为设置于气囊 （8） 内的微型泵， 气囊 （8） 上设置有控制充气膨胀本体 （1） 内部与外界接通 或隔断的阀门。 权 利 要 求 书 CN 103742755 A 2 1/4 页 3 一种软体履带式管道机器人 技术领域 0001 本发明涉及管道中行走装置技术领域， 特别是一种软体履带式管道机器人。 背景技术 0002 管道机器人技术是集自动控制技术、 机械制造技术、 新材料、 人工智能测试技术和 计算机技术于一体的综合性科学技术。 目前管道已广泛应用于石油、 化工、 天然气及核工业 等领域。管道经过一段时间的运行后， 会发生诸。
8、如腐蚀、 裂纹、 凹陷或变形等损坏。为避免 发生意外事故， 延长管道寿命， 对管道进行定期的检查与维护显得尤为重要。 在大多数情况 下， 当管道发生损坏后， 对管道的维修也必须在管道内进行。然而管道内空间狭小， 其输送 的又多为有毒有害物质， 人工检修困难。因此， 需要一种管道工具， 能实现定期对管道进行 检查， 能在管道内部进行修复工作。 0003 近年来， 石油化工、 核工业等行业的发展及管道检测、 维护的需要刺激了管道机器 人的研究， 管道机器人在管道检修方面的应用逐渐广泛。现应用较多的有流动式管道机器 人 （即管道猪） 、 轮式管道机器人以及履带式管道机器人。其中流动式机器人需依靠流体。
9、推 动前行， 无自主行走能力， 因此其移动速度和检测区域均不易控制， 对管道内壁要求较高。 在此基础上， 轮式机器人克服了流动式机器人的某些缺点， 它可以自主行走， 可以转弯。但 由于管道多数是圆形， 机器人的轮子平面不在圆管的径向方向， 因此存在侧滑的可能， 对管 道的倾斜程度也有一定的要求。履带式机器人运动较平稳， 越障性能好， 但其结构复杂， 不 易小型化， 两排履带轮的结构在圆管中容易发生倾覆。 另外有一种螺旋驱动式管道机器人， 如中国专利 CN201210180267.4， 公开一种单一电机、 轮式和变速螺旋式混合驱动的管道机 器人， 其包括螺旋式驱动装置、 轮式驱动装置和电机动力输。
10、出装置。 机器人在行进时阻力较 小的情况下， 可使用轮式驱动方式， 以较大速度前进， 此时螺旋驱动装置轮子的螺旋角调为 90 度。在管道坡度较大或者负载较重的情况下， 机器人可改用螺旋式驱动方式。此时， 电 磁铁组件释放滑移分流轴， 电机的动力通过内啮合的直齿轮带动旋转体转动， 从而引起倾 斜的轮子滚动， 产生向上的牵引力， 机器人成螺旋式前进。但这种驱动存在一些缺点， 由于 倾斜轮是在旋转轮架的带动下旋转， 中间机构的摩擦等会造成较大的能量损耗， 传递运动 不可靠， 机器人的行进速度受到驱动轮的回转轴线与机体轴线的夹角取值的影响， 当该夹 角较小时， 驱动轮运动的螺旋轨迹的螺旋角较小， 驱动。
11、驱动轮旋转的力较大， 驱动轮转速较 快， 机器人运行顺畅， 但由于螺旋轨迹的螺旋角较小前进速度较慢 ； 随着夹角的增大， 驱动 驱动轮旋转的力逐渐变小， 驱动轮转速降低但驱动轮运动的螺旋轨迹的螺旋角增大， 机器 人前进速度会随着该夹角的增大逐渐提高， 但超过一定值时， 由于驱动驱动轮旋转的力减 小至过小导致驱动轮转速进一步降低， 导致机器人前进速度降低， 同时机器人运行稳定性 降低， 甚至出现无法前进的现象。 因此， 现有螺旋移动装置中驱动轮的转速会随着驱动轮的 回转轴线与机体轴线的夹角的变化而变化， 在不同工况下装置的运行稳定性差， 同时， 由于 驱动轮是由驱动轮架带动运转， 因此， 难以实。
12、现机器人的准确定位和微小位移调整， 操控性 差。 说 明 书 CN 103742755 A 3 2/4 页 4 发明内容 0004 本发明的目的在于克服现有技术的缺点， 提供一种传动效率高、 轴向牵引力大、 运 行平稳可靠、 位置控制精确的主动驱动的履带连续螺旋形循环软体履带式管道机器人。 0005 本发明的目的通过以下技术方案来实现 ： 一种软体履带式管道机器人， 它包括一 个充气膨胀本体和运动执行装置， 充气膨胀本体内部为封闭的充气腔， 充气膨胀本体连接 有充放气装置， 充气膨胀本体的中心设置有一个轴向通道， 所述的运动执行装置包括驱动 电机和履带， 履带呈螺旋形闭合设置于充气膨胀本体表面。
13、， 所述的螺旋形闭合为履带从充 气膨胀本体的一端呈螺旋形缠绕于充气膨胀本体的外表面， 履带到达充气膨胀本体的另一 端后从轴向通道内穿入返回形成闭合履带， 履带的下部间隔设置有多个驱动履带运动的驱 动轮， 每个驱动轮均连接有一个驱动其旋转、 固设于充气膨胀本体上的驱动电机。 0006 它还包括控制单元， 控制单元设置于充气膨胀本体内， 控制单元与驱动电机连接。 0007 所述的控制单元包含控制电路板和电缆， 控制电路板通过电缆与驱动电机连接。 0008 所述的充气膨胀本体包括外壳和设置于外壳内的气囊， 气囊连接充放气装置， 外 壳上设置有螺旋形凹槽， 履带设置于螺旋形凹槽内。 0009 所述的履。
14、带为截面为圆形的弹性圆形履带， 所述的驱动轮为摩擦滑轮， 弹性圆形 履带与固连在驱动电机输出轴上的驱动轮摩擦接触。 0010 所述的履带为非弹性履带， 所述的驱动轮为与履带相配合的带轮， 非弹性履带由 固连在驱动电机输出轴上的驱动轮驱动。 0011 所述的驱动电机设置于气囊外表面。 0012 所述的放气装置为连通气囊的通气管线， 通气管线连接于充气膨胀本体的尾部。 0013 所述的充放气装置为设置于气囊内的微型泵， 气囊上设置有控制充气膨胀本体内 部与外界接通或隔断的阀门。 0014 本发明具有以下优点 ： 本发明结合了履带式和螺旋式管道机器人的优点， 履带是 由驱动电机和驱动轮主动驱动运转，。
15、 因此减小了由于中间机构的传动而引起的能量损失， 传动效率高， 轴向牵引力大 ； 同时， 由于履带是螺旋形连续循环， 形成了一条闭合回路， 因此 防止了履带行走时脱离驱动轮现象的发生， 使机器人运行更加平稳可靠 ； 履带主动驱动运 转， 通过控制电机的转速、 启停实现对机器人轴向位置的调节， 能实现机器人行走位置的更 加精确的控制。 附图说明 0015 图 1 为本发明的结构示意图 图 2 为本发明的内部结构示意图 图 3 为本发明的侧向结构示意图 图 4 为本发明的侧剖结构示意图 图 5 为本发明使用时的结构示意图 图 6 为本发明的气囊与电缆配合结构示意图 图中， 1- 充气膨胀本体， 2。
16、- 通气管线， 3- 轴向通道， 4- 驱动电机， 5- 履带， 6- 驱动轮， 7- 外壳， 8- 气囊， 9- 螺旋形凹槽， 10- 电缆。 说 明 书 CN 103742755 A 4 3/4 页 5 具体实施方式 0016 下面结合附图对本发明做进一步的描述， 本发明的保护范围不局限于以下所述 ： 如图 1、 图 2、 图 3、 图 4 所示， 一种软体履带式管道机器人， 它包括一个充气膨胀本体 1 和运动执行装置， 充气膨胀本体 1 采用柔性材料制成， 充气膨胀本体 1 内部为封闭的充气 腔， 充气膨胀本体1连接有连通充气腔的充放气装置， 充气膨胀本体1的中心设置有一个轴 向通道 3。
17、， 所述的运动执行装置包括驱动电机 4 和履带 5， 履带 5 呈螺旋形闭合设置于充气 膨胀本体 1 表面， 所述的螺旋形闭合为履带 5 从充气膨胀本体 1 的一端呈螺旋形缠绕于充 气膨胀本体 1 的外表面， 履带 5 到达充气膨胀本体 1 的另一端后从轴向通道 3 内穿入返回 形成闭合履带 5， 履带 5 的下部间隔设置有多个驱动履带运动的驱动轮 6， 每个驱动轮 6 均 连接有一个驱动其旋转、 固设于充气膨胀本体 1 上的驱动电机 4， 所述的多个驱动电机 4 呈 螺旋形等距分布。 0017 它还包括控制单元， 控制单元设置于充气膨胀本体1内， 控制单元与驱动电机4连 接。所述的控制单元包。
18、含控制电路板和电缆 10， 控制电路板通过电缆 10 与驱动电机 4 连 接。 0018 所述的充气膨胀本体 1 呈球形或椭球形。所述的充气膨胀本体 1 包括外壳 7 和设 置于外壳 7 内的气囊 8。外壳 7 和气囊 8 均由有弹性的柔性材料制成， 外壳 7 上设置有螺旋 形凹槽 9， 履带 5 设置于螺旋形凹槽 9 内， 以使圆形履带截面的一半嵌入其中， 形成密封结 构， 防止管道内的杂质进入机器人内部， 干扰其正常运转， 驱动轮 6 设置于凹槽的底部， 并 连接驱动电机 4 的输出轴。所述的气囊 8 和外壳 7 可以随着输入气压的增大或减小而产生 体积的改变， 从而张紧履带5， 并使履带。
19、5抵紧管道内壁， 履带5在驱动电机4的带动下主动 地螺旋形运转， 从而带动充气膨胀本体 1 沿管道前进或后退 ； 遇到管道截面发生变化的场 合， 因机器人机体是弹性的， 可根据管道的截面改变自身径向尺寸， 从而适应一定范围内的 不同管径的变化， 如图 5 所示。 0019 所述的履带5为截面为圆形的弹性圆形履带， 所述的驱动轮6为摩擦滑轮， 弹性圆 形履带与固连在驱动电机 4 输出轴上的驱动轮 6 摩擦接触， 由驱动轮 6 带动履带运动。所 述的驱动轮 6 凹面半径应与履带 5 的横截面半径保持一致， 以使二者相切的接触面尽可能 增大， 提高摩擦传动的效率。 0020 所述的履带 5 也可为非。
20、弹性履带， 则驱动轮 6 采用与履带 5 相配合的带轮， 由固连 在驱动电机 4 输出轴上的驱动轮 6 驱动履带运动。使用非弹性履带时， 依靠改变管道机器 人轴向的长度， 来改变管道机器人的直径。此时， 充放气是用来改变管道机器人的长度， 而 体积不变， 由于长度的改变， 将使得外径发生改变。 0021 所述的充放气装置为连通气囊 8 的通气管线 2， 通气管线 2 连接于充气膨胀本体 1 的尾部。所述的充放气装置也可为设置于气囊 8 内的微型泵， 微型泵可以向内充气 （或液） ， 气囊 8 上设置有控制充气膨胀本体 1 内部与外界接通或隔断的阀门， 可以释放气体。 0022 控制单元设置于气。
21、囊 8 内， 驱动电机 4 设置于气囊 8 外表面， 连接控制电路板与驱 动电机 4 的电缆 10 通过气囊 8 的部分做增强处理， 且一次性浇筑成型， 如图 6 所示， 这样气 囊与电缆 10 是一体的， 不会存在漏气的可能。电缆 10 采用多芯线。 0023 所述的驱动电机4要保证型号一致、 转速一致， 以确保固连在驱动电机4上的驱动 说 明 书 CN 103742755 A 5 4/4 页 6 轮 6 的转速一致， 使履带 5 平稳匀速地连续循环运转， 防止履带 5 的局部不均匀的张紧与放 松。 0024 本发明的工作过程如下 ： 充气膨胀本体 1 随着充放气装置输入气压的增大或减小 而。
22、产生体积的改变， 从而张紧履带5， 并使履带5抵紧管道内壁， 履带5在驱动电机4的带动 下主动地螺旋形运转， 从而带动充气膨胀本体 1 沿管道前进或后退 ； 遇到管道截面发生变 化的场合， 因机器人机体是弹性的， 可根据管道的截面改变自身径向尺寸， 如图 5 所示， 从 而适应一定范围内的不同管径的变化。 说 明 书 CN 103742755 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103742755 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103742755 A 8 3/3 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103742755 A 9 。