单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构.pdf

单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构属于光机电一体化领域，它包括有驱动体部分，连接体部分及支撑体部分，驱动体部分通过连接体部分将直流伺服电机与蜗轮蜗杆副连接，并通过支撑体部分保证驱动过程中提供足够的摩擦力，特征在于：位于驱动轮支架内的驱动体部分采用单驱动轮部件传递运动，采用单直流伺服电机，驱动轮部件与用来传动的蜗杆轴连接通过连接体部分的联轴器与单直流伺服电机相连，与驱动轮支架或电机支架相连的上支撑体部分的支撑轮上采用了悬浮的弹簧滑块结构，从而保证适当的变管径和径向伸缩性。本发明克服了卡死现象、结构复杂、不易实现的缺陷，适用于小管径管道，具有简单适用、成本较低的特点。

1、  单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，包括有驱动体部分，连接体部分及支撑体部分，驱动体部分通过连接体部分将直流伺服电机与蜗轮蜗杆副连接，并通过支撑体部分保证驱动过程中提供足够的摩擦力，本发明的特征在于：位于驱动轮支架(12)内的驱动体部分采用单驱动轮部件(3)传递运动，采用单直流伺服电机(9)，驱动轮部件(3)与用来传动的蜗杆轴(2)连接通过连接体部分的联轴器(10)与单直流伺服电机(9)相连，与驱动轮支架(12)或电机支架(7)相连的上支撑体部分的支撑轮上采用了悬浮的弹簧滑块结构，从而保证适当的变管径和径向伸缩性。

2、  根据权利1所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，其特征在于：驱动体部分包括有用来行走的驱动轮部件(3)和用来传动的蜗杆轴(2)，其中驱动轮部件(3)由蜗轮(26)和蜗轮(26)两侧的通过圆周方向分布的螺钉与蜗轮(26)连接的两个对称的驱动外支撑轮(27)组成。

3、  根据权利1所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，其特征在于：连接体部分位于与驱动轮支架(12)相连的联轴器支架(4)内，包括有连接蜗杆轴(2)与直流伺服电机(9)输出轴的联轴器(10)，及连接驱动轮支架(12)和联轴器支架(4)的双端螺纹联接件(11)，及连接电机支架(7)和联轴器支架的法兰盘(5)，电机支架(7)内为单直流伺服电机(9)，其他联接和固紧采用常规联接方式和固紧方式，如键联接、螺纹联接。

4、  根据权利1所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，其特征在于：支撑体部分沿移动机构的径向分布，包括有上支撑轮部件(8)和位于电机支架(7)上的下支撑轮部件(6)，上支撑轮部件(8)通过上支撑轮支架(21)支撑并与驱动轮支架(12)和电机支架(7)相连，包括上支撑轮支架(21)内设有的使上支撑轮(19)能够径向弹性伸缩的弹簧(22)及弹簧(22)上部的导槽(23)内设置的通过弹簧(22)的伸缩可沿导槽滑动的滑块(20)，通过穿过滑块(20)的上支撑轮轴(24)支撑的上支撑轮(19)，其中滑块(20)上端设有控制滑块行程上限的上支撑轮支架盖(25)，滑块(20)的行程下限由下端的导槽边缘限制。

5、  根据权利1或2所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，其特征在于：蜗杆轴(2)两端由角接触球轴承(1)支撑，一端的角接触球轴承(1)嵌在与驱动轮支架(12)连接的驱动轮支架轴承端盖(13)中，另一端嵌入双端螺纹联接件(11)中，驱动轮部件(3)套在其中心的蜗轮轴(18)上，蜗轮轴(18)的两端设有固紧在驱动轮支架(12)上的滑动轴承(14)，驱动轮支架挡盖(15)外套在滑动轴承(14)上，通过公知连接与驱动轮支架(12)相连。

6、  根据权利1或4所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，其特征在于：其中两个上支撑轮部件(8)位于驱动轮支架(12)上与驱动轮部件(3)分布在同一圆周平面上，相互间夹角为120°，另两个上支撑轮部件与下支撑轮部件分布在同一圆周平面上，相互间夹角为120°，保证了管道机器人在管道内行走的力封闭和形封闭条件。

7、  根据权利1或4所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，其特征在于：下支撑轮部件(6)包括有支撑其部件的下支撑轮轴(33)，设在下支撑轮轴(33)两端并与电机支架(7)连接的下支撑轮支架(29)，下支撑轮轴(33)中部套有的通过深沟球轴承(28)支撑的下支撑轮(30)，下支撑轮(30)外圆周上的橡胶轮套(31)。

单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构
技术领域：
单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构属于光机电一体化领域，主要应用于石油、天燃气与自来水工业管道内壁表面缺陷的识别与定位，从而达到工业管道安全性监测与预报。
背景技术：
管道作为油气和自来水长距离输送的重要载体，在现代工业建设和生活中的作用日益突出，由于腐蚀、重压等作用，管道泄漏事故频频发生，这样管道安全性监测显得愈加重要。管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走，携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。管道机器人主要从行走机构、驱动方式、信号电力的传输和供给方式以及控制器的微小化等几方面进行研究与产品开发。管道机器人的驱动源有：微型电机、压电驱动、形状记忆合金(SMA)、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动等。在现有能够应用的管道机器人中，大部分都以电机作为驱动源，而后几种驱动源在微机电系统(MEMS)中得到了广泛应用，但是至今还没有系统化产品，仍处于研究阶段。管内移动机器人的可靠性及使用性能直接取决于移动机构，因此移动机构是管道机器人最重要的部分之一.归纳起来有如附图1所示的单电机三驱动轮移动机构；如附图2所示的双电机六驱动轮移动机构；如附图3所示的三电机三驱动轮移动机构。三电机驱动移动机构和双电机驱动移动机构虽然理论上分析有很多优点，但是由于采用单蜗杆并联带动三个蜗轮，对加工工艺要求较高，很可能导致三个蜗轮之间的干涉进而卡死，影响正常工作。而且，三电机和双电机驱动移动机构占用空间较大，适合于大管径管道，其成本也较高，机构复杂，不易实现。
发明内容：
本发明为了克服以上缺陷，提出并设计了一种单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构。
本发明设计的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构的技术方案可参见附图4。如附图4所示的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，包括有驱动体部分，连接体部分及支撑体部分，驱动体部分通过连接体部分将直流伺服电机与蜗轮蜗杆副连接，并通过支撑体部分保证驱动过程中提供足够的摩擦力，其特征在于：位于驱动轮支架12内的驱动体部分采用单驱动轮部件3传递运动，采用单直流伺服电机9，驱动轮部件3与用来传动的蜗杆轴2连接通过连接体部分的联轴器10与单直流伺服电机9相连，与驱动轮支架12或电机支架7相连的上支撑体部分的支撑轮上采用了悬浮的弹簧滑块结构，从而保证适当的变管径和径向伸缩性。
所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构其驱动体部分包括有用来行走的驱动轮部件3和用来传动的蜗杆轴2，其中驱动轮部件3由蜗轮26和蜗轮26两侧的通过圆周方向分布的螺钉与蜗轮26连接的两个对称的驱动外支撑轮27组成。
所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构中的连接体部分位于与驱动轮支架12相连的联轴器支架4内，包括有连接蜗杆轴2与直流伺服电机9输出轴的联轴器10，及连接驱动轮支架12和联轴器支架4的双端螺纹联接件11，及连接电机支架7和联轴器支架的法兰盘5，电机支架7内为单直流伺服电机9，其他联接和固紧采用常规联接方式，如键联接、螺纹联接和固紧方式。
所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构中的支撑体部分沿移动机构的径向分布，包括有上支撑轮部件8和位于电机支架7上的下支撑轮部件6，上支撑轮部件8通过上支撑轮支架21支撑并与驱动轮支架12和电机支架7相连，包括上支撑轮支架21内设有的使上支撑轮19能够径向弹性伸缩的弹簧22及弹簧22上部的导槽23内设置的通过弹簧22的伸缩可沿导槽滑动的滑块20，通过穿过滑块20的上支撑轮轴24支撑的上支撑轮19，其中滑块20上端设有控制滑块行程上限的上支撑轮支架盖25，滑块20的行程下限由下端的导槽边缘限制。
所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构中的蜗杆轴2两端由角接触球轴承1支撑，一端的角接触球轴承1嵌在与驱动轮支架12连接的驱动轮支架轴承端盖13中，另一端嵌入双端螺纹联接件11中，驱动轮部件3套在其中心的蜗轮轴18上，蜗轮轴18的两端设有固紧在驱动轮支架12上的滑动轴承14，驱动轮支架挡盖15外套在滑动轴承14上，通过公知连接与驱动轮支架12相连。
所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，其中两个上支撑轮部件8位于驱动轮支架12上与驱动轮部件3分布在同一圆周平面上，相互间夹角为120°，另两个上支撑轮部件与下支撑轮部件分布在同一圆周平面上，相互间夹角为120°，保证了管道机器人在管道内行走的力封闭和形封闭条件。
所述的单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构中的下支撑轮部件6包括有支撑其部件的下支撑轮轴33，设在下支撑轮轴33两端并与电机支架7连接的下支撑轮支架29，下支撑轮轴33中部套有的通过深沟球轴承28支撑的下支撑轮30，下支撑轮30外圆周上的橡胶轮套31。
本发明采用了单直流伺服电机和单驱动轮传递运动，并在支撑轮上采用了悬浮的弹簧滑块结构，从而保证适当的变管径和径向伸缩性，尤其可适用于小管径管道，具有简单适用、成本较低的特点。
附图说明：
图1单电机三驱动轮移动机构示意图；
图2双电机六驱动轮移动机构示意图；
图3三电机三驱动轮移动机构示意图；
图4本发明提出的单电机直进轮式管道机器人移动机构主视图
图中1、角接触球轴承  2、蜗杆轴  3、驱动轮部件  4、联轴器支架  5、法兰盘  6、下支撑轮部件  7、电机支架  8、上支撑轮部件9、直流伺服电机  10、联轴器  11、双端螺纹联接件  12、驱动轮支架  13、驱动轮架轴承端盖；
图5本发明单电机直进轮式管道机器人移动机构驱动轮径向截面图
14、滑动轴承  15、驱动轮支架挡盖  16、上支撑轮轴左套筒  17、上支撑轮轴右套筒  18、蜗轮轴；
图6本发明单电机直进轮式管道机器人移动机构上支撑轮部件图
19、上支撑轮  20、滑块  21、上支撑轮支架  22、弹簧  23、导槽24、上支撑轮轴  25、上支撑轮支架盖；
图7本发明单电机直进轮式管道机器人移动机构驱动轮部件图
26、蜗轮  27、驱动外支撑轮；
图8本发明单电机直进轮式管道机器人移动机构下支撑轮部件图
28、深沟球轴承  29、下支撑轮支架  30、下支撑轮  31、支撑轮橡胶套  32、下支撑轮轴套筒  33、下支撑轮轴
图9实施例说明图
即为基于DSP的小型管道机器人检测系统机器人在金属管道内运动原理图。
具体实施方式：
根据图4-图8所述结构，采用常规机械联接件，按公知技术设计构成。
本发明所设计的单电机直进轮式小型管道机器人移动机构已经成功的应用到本实验室基于DSP的小型管道机器人检测系统中，其总体结构见附图9，包括计算机，图像采集卡，机器人控制卡，轮式移动机器人，直流伺服电机，小型CCD传感器和LED光源。
本系统实现以下功能：
(1)轮式移动机器人按照预定的要求在管道内运动，这是作为一个机器人最起码地要求；
(2)通过CCD图像传感器、图像采集卡及相关的图像处理算法计算机能够监测到管道内壁比较明显的缺陷(如：1mm宽的裂纹)，这是构建整个系统的最重要的一个目的；
(3)通过电机的测速系统能够在监测到缺陷的基础上，通过软硬件加之一些必要的算法，能够初步确定缺陷的位置，并给出返回数据结果，这是对整个系统进行检验的一个重要判据；
其工作原理如下：当将机器人放入管道，通过撑紧机构将机器人的轮撑到紧贴管道内壁后，通过计算机发出指令让机器人在管道中以一定速度运动，这时驱动CCD使之工作，可以使CCD及其光源沿着机器人的轴线运动，利用多个LED发光在中心的CCD传感器采集信号，快速处理后，当发现所采的信号与现在计算机中存的缺陷信号(图像)一致或相差不多时，这时计算机发出指令，将此时的图像记录下来，并传到计算机的人机界面，利用已编制的软件给出缺陷的位置和图像。这样运行下去，直到计算机发出停止指令为止；将缺陷式样做一个常见缺陷的图库，存到计算机中作为机器人的运行判据。
使用本发明设计的单电机直进轮式小型管道机器人移动机构，设计实现简单，在现有加工工艺条件下一次性成功率高。而且，由于采用单电机使得成本降低，机器人在管道内占用的空间小，达到小型化的目的。采用此种移动机构的机器人经验证在管道内运行平稳，性能良好，为后期的图像采集和处理识别打下了良好基础。