具有导向头的柔性蠕动管道机器人 【技术领域】
本发明涉及一种管道机器人研究领域，尤指一种具有导向头的柔性蠕动管道机器人。
背景技术
管道机器人是一种可沿管道内壁行走的机械。它可以携带各种检测仪器或作业装置(如CCD相机、超声传感器、管道清理设备等)，在操作人员的遥控或自主控制下进入管道内部，完成管道缺陷探伤、管内杂物的识别和清除、管道内防腐涂层的检测及涂敷、管内加工等任务。它是在现代石化、城市建设等管道施工技术的推动下产生的。随着工业化及城市建设的不断发展，各行业所铺设的管道累计长度将越来越多，对管道机器人的需求会越来越广泛，管道机器人所发挥的作用也将越来越大，管道机器人的研究涉及机械、电子、检测等行业领域，它为许多应用技术的研究开拓了道路，目前已经是国内外机器人技术研究的一个热点。
现有技术中公开有相关技术，如申请号200810106352.X专利公开了一种柔性蠕动的管道机器人，这种管道机器人不能实现T型管道转弯，而且对变径管道的适应性较小。
【发明内容】
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种在T形管道中能够顺利实现主动转弯、始终与管道内壁接触的具有导向头的柔性蠕动管道机器人。
为达到上述目的，本发明所提供的一种具有导向头的柔性蠕动管道机器人，它包括：
机器人壳体，其包括左半球壳和右半球壳，左、右半球壳的端部设有左、右法兰盘；
机器人蠕动的驱动传动机构，其包括驱动装置和传动装置，在左半球壳内固设所述驱动装置，传动装置包括一螺纹软轴，其一端通过一传动机构与所述驱动装置连接构成螺旋传动机构，该螺纹软轴的另一端穿过左半球壳中部的管体和左法兰盘而与右法兰盘固连；
导向装置，其包括一在右半球壳的顶端球铰一的导向头，该导向头的底板上设有沿圆周方向均匀分布的至少四个径向滑道，每个该滑道中可滑动地铰接有一导向机构的一端，各个该导向机构的另一端穿过所述右法兰盘上的通孔分别与左法兰盘上设有的相应数量的电磁铁分别对应，每个所述导向机构与所述右法兰盘之间设有相对应的一锁紧止动装置使得所述导向机构当伸出所述右法兰盘设定长度时由所述锁紧止动装置锁固；
行走机构，其包括在所述左、右法兰盘上分别环设的若干连接有推拉轮杆机构可伸缩的电磁轮和若干不可伸缩的支撑轮，所述电磁轮上设有刹车机构限制该电磁轮的转动。
所述驱动装置为电机，所述传动机构包括一传动齿轮和一齿轮螺母，电机固定在一电机安装板上，该电机安装板固定在所述左半球壳内，电机的输出轴连接所述传动齿轮，该传动齿轮与外圆周上设有轮齿中心设有螺孔的所述齿轮螺母的外轮齿相啮合，螺纹软轴与齿轮螺母的内螺纹构成螺旋传动。
该导向机构包括杆轴，该杆轴的左端穿设在右法兰盘上对应的轴向通孔中，与所述左法兰盘上设有的所述电磁铁对应，该杆轴的右端球铰一滑块，该滑块可滑动地固设在所述滑道中固定。
所述锁紧止动装置为当所述导向机构伸出所述设定长度被锁固，而进一步继续伸出即可解除锁固的锁紧止动装置。
具体地，每个所述导向机构与所述右法兰盘之间设有的所述锁紧止动装置包括固定在所述杆轴上的锁紧装置和固设在右法兰盘上相应位置上的止动器，该锁紧装置包括固定把手、弹簧和释放环，所述固定把手固定在所述杆轴上，其朝向右法兰盘一侧的壁面为向右法兰盘方向直径渐小的圆弧面，固定把手的另一端为截止平面，在该截止平面上设有一凹槽，所述释放环套上在杆轴上，其包括两个圆台体，其大端相对固接成一体，形成两个倾斜方向相反的锥面外廓，所述截止平面上的凹槽和与之相邻的一个圆台体的锥形外廓相吻合，所述圆台体的外径与所述固定把手的截止平面的外径相等，在所述截止平面上的凹槽地槽底设有一弹簧容置孔，所述弹簧的两端分别固定在所述固定把手上的弹簧容置孔中和释放环相邻的端面上；所述止动器包括止动器座、止动件和弹簧，所述止动器座固定在所述右法兰盘上，该止动器座上设孔，该孔轴线与所述杆轴的轴线相垂直，孔中可滑动地设置止动件，弹簧的两端分别固定在孔壁和止动件上，使得该止动件的端头在弹簧自由状态下的伸出长度长于固定把手的外表面到制动器座表面的最小距离。
在所述右法兰盘的右端面上的所述通孔上分别固设有容套各导向机构的杆轴的凸管。
该导向头与所述右半球壳相接触的弧形侧壁的弧度和弧长使得所述导向头可相对于所述右半球壳摆动的角度为0～45°。
该推拉轮杆机构包括导向筒、推拉轮杆、刹车器、电磁铁和电磁轮，所述导向筒固定在所述左右半球壳上，例如可通过螺钉固定在左右半球壳的法兰盘上，其轴线与所述法兰盘的轴线垂直，所述推拉轮杆滑动地设置在导向筒内，该推拉轮杆的前端可转动地固设有电磁轮，在推拉轮杆中设有与电磁轮相对应的刹车器，该刹车器可滑动地设置在推拉轮杆内。
本机器人壳体从前端到后端贯通有导流管，供流体穿过本机器人。
所述导流管可以是若干管体，每根管体的一端口设置在右半球壳或左半球壳的壳壁上，其另一端口设置在所述右法兰盘或左法兰盘上开设的穿孔上。
在螺纹软轴的左端设有挡板，以防止左半球壳由软轴上脱落。
本发明提供的具有导向头的柔性蠕动管道机器人具有如下优点：
1、增加了导向头机构，使得机器人能够顺利通过T形管道。
2、采用磁性推拉轮杆机构，使得机器人在运动过程中推拉轮杆的电磁轮可以始终与管道内部接触，即适应不同的变径管道，保证了机器人左右两部分与管道固定时的稳定性。
3、采用一个电机实现行走和导向，其制造成本低廉，在管道检测、管道维护等方面有广阔的应用前景。
【附图说明】
图1是本发明提供的导向头的柔性蠕动管道机器人收缩状态剖面结构示意图。
图1a是本发明提供的导向头的柔性蠕动管道机器人收缩状态的外观结构示意图。
图2是管道机器人中的底板结构示意图。
图2a是图2所示的底板的侧视结构示意图。
图2b为在图2所示的底板上的导向槽中通过铰接滑块连接导向杆的结构示意图。
图2c为图2b的侧视结构示意图。
图3是导向机构的结构示意图。
图3a至图3i是图3所示的导向机构导向过程示意图。
图4a至图4c是本管道机器人在直管道中行进的示意图。
图5a至图5h是本管道机器人在弯管道中转弯的行走过程的示意图。
图6a至图6g是本管道机器人在T型管通道转弯的运动过程的示意图。
图7是本管道机器人中通过支撑轮和电磁轮支撑在管道中的结构示意图。
图8是图1中推拉轮杆机构结构示意图。
图9为图8的侧视结构示意图。
图中标号：1：左半球壳，2：右半球壳，3：螺纹软轴，31：挡板，4：左法兰盘，5：右法兰盘，5a：凸管，6：驱动装置，61：电机，62：齿轮，63：齿轮螺母，7：电机安装板，8：导向机构，81：杆轴，82：锁紧装置，821：固定把手，8211：阶梯圆槽，8211’：槽A，8211”：槽B，822：释放环，822a：弹簧，822b：释放体，83：滑块，8a：电磁铁，9：止动器，91：弹簧，92：止动体，10：推拉轮杆机构，101：电磁轮，101a：支撑轮，102：推拉轮杆，103：导向筒，104：刹车器，103a：滑动销，106：固定螺钉，107：滑槽，10a电磁铁，11：导向头，111：底板，1111：滑道，12：支撑轮，13：导流管。
【具体实施方式】
如图1、图2和图3所示，一种具有导向头的柔性蠕动管道机器人，它包括：左半球壳1和右半球壳2，右半球壳2的左端设有右法兰盘5、左半球壳1的右端设有左法兰盘4、左半球壳1内设有驱动装置6，该驱动装置6与螺纹软轴3构成螺旋传动，螺纹软轴3的一端穿过左半球壳1中部的管体和左法兰盘4与右法兰盘5固连，螺纹软轴3的左端设有挡板31，该挡板31防止左半球壳1脱离螺纹软轴3，该驱动装置6包括电机61、齿轮62和在螺母的外圆周面上设置轮齿的齿轮螺母63，电机61固定在电机安装板7上，电机安装板7固定在左半球壳1内，电机61的输出轴连接一齿轮62，该齿轮62与齿轮螺母63的外轮齿相啮合，螺纹软轴3与齿轮螺母63的内螺纹构成螺旋传动；在右半球壳2的顶端球铰一导向头11，该导向头11的底板111(见图2、2a)设有沿圆周方向均匀分布的四个滑道1111，该滑道1111为矩形通孔，各滑道1111中均滑动连接有导向机构8，该导向机构8包括杆轴81，杆轴81上套设有锁紧装置82、杆轴81的右端球铰一滑块83，该滑块83与滑道1111滑动连接(见图2b、2c)，该滑块83的头部搭在滑道1111两侧的底板111上，杆轴81的左端插设在右法兰盘5上开设的通孔中，杆轴的左端面与左法兰盘4中的电磁铁8a相对应。该锁紧装置82包括固套在杆轴81上的固定把手821和与固定把手821配对的释放环822，该释放环822套上在杆轴81上，该固定把手821呈半球体状，其大端朝右；固定把手821的右侧平面形的端面表面上开有阶梯圆槽8211，该阶梯圆槽包括槽8211和槽8211’，在杆轴81上套设弹簧822a，其一端固定在固定把手821上的阶梯孔8211’中，其另一端与释放体822b的左端面固连，该释放体822b在弹簧822a伸缩带动下在杆轴81上滑动，该释放体822b由两个圆台体大端相对固接而成，如图3所示。释放体822b左侧的圆台体容纳在槽8211中(见图3g)。
四个导向机构8的左端与左法兰盘4上的四个电磁铁8a分别对应(见图1)，右法兰盘5中部的凸起侧壁上容设有与导向机构8相对应的止动器9的四个盲孔，止动器9包括止动体9 1和弹簧92，弹簧92的一端固定在盲孔内端壁上，其另一端固定在止动体91一端，止动体91的另一端为圆锥体状。左、右法兰盘4、5上分别交错环设有若干推拉轮杆机构10和若干支撑轮12(见图1、2、7)，该推拉轮杆机构10和该支撑轮12与管道内壁接触，推拉轮杆机构10和支撑轮12在本实施例中分别为四个。
为了使导向机构8更加稳定，在右法兰盘5的右端面分别固设有容套各杆轴81的凸管5a。
如图8、9所示，该推拉轮杆机构10包括导向筒103、推拉轮杆102、刹车器104、电磁铁10a和电磁轮101，推拉轮杆102通过其上设有的滑动销103a滑动地设置在导向筒103的筒壁上开设的轴向滑动槽103b中内，使得推杆轮杆102相对于导向筒滑动，但不会脱离导向筒103，推拉轮杆102的前端可转动地固设一电磁轮101，该推拉轮杆102在导向筒103中根据管道A直径的变化伸缩，使电磁轮101始终与管道内壁接触(见图7)，机器人行走更加稳定；在推拉轮杆102中设有与电磁轮101相对应的刹车器104和电磁铁10a，该刹车器104的一端在推拉轮杆102的筒体内可滑动地设置，其另一端固设有刹车片104a，其为与电磁论的外廓相匹配的弧形板。在推拉轮杆102的筒体内相对于刹车器104的一端的位置上设有电磁铁10a，刹车器104是由电磁铁10a控制的，当电磁铁10a通电后，对刹车器104的永磁铁产生斥力，刹车器104在斥力的作用下固定住电磁轮101，使电磁轮101静止。
该导向头11可相对于右半球壳左右上下摆动的角度为0～45°，该导向头11摆动角度的大小由锁紧装置82与止动器9之间的距离决定的。
在左、右半球壳1、2与左、右法兰盘4、5之间设有导流管13，该导流管13穿透左、右半球壳1、2及其相应的法兰盘，即该导流管13与管道相通，该导流管13可调节管道流体对机器人的作用力。
如图4a、4b和4c所示，机器人蠕动行走过程如下：当右半球壳法兰盘上的推拉轮杆上的刹车器在电磁铁的控制下，其刹车器上的永磁铁10a产生斥力，在斥力的作用下刹车器伸出贴合到电磁轮上，阻碍电磁轮转动，从而实现机器人右半部分与管道内壁固定，在电机的带动下，左半球壳沿着管道向右半球壳靠近，电机输出轴带动齿轮转动，该齿轮带动齿轮螺母转动，该齿轮螺母与螺纹软轴构成螺旋传动，即螺纹软轴不动，齿轮螺母回转并作直线运动，实现机器人左半部分向右移动，当机器人左右两部分将要触碰时，机器人左半部分停止运动，即其推拉轮杆上的刹车器贴合到电磁轮上，阻碍其电磁轮转动，右半部分推拉轮杆上的刹车器离合，其电磁轮自由转动，电机反转，其带动齿轮螺母反转，螺纹软轴在齿轮螺母的带动下向右移动，从而带动机器人右半部分向右运动。这两种运动方式循环往复，即可以实现机器人在直管道中的蠕动行走。
如图5a至5h和图6a至6g所示，分别是机器人在90°弯管和T型弯管中转弯行走状态结构示意图及导向机构与止动器的工作过程。
当机器人检测到将要通过T型弯管时，其状态如图6a和6b所示，图6b所示为机器人开始进入转弯状态示意图，图3a为导向机构无移动时的初始状态，在机器人进入图6b所示状态之前，左半球壳固定在管壁上，右半球壳向右移动，同时导向机构与所对应的电磁铁吸合，其导向机构由如图3a运动到图3c所示，导向机构被拉出相对于右球壳向左移动，即固定把手821在导向机构的带动下相对于右球壳向左移动，其上的圆锥形表面滑过止动器9的止动体92，止动器的弹簧91被压缩(如图3b所示)，在到图3c的状态，即止动体92卡在固定把手821的右侧端面上卡固，导向头转过一个角度并固定；当机器人由图6c状态运动到图6d状态的过程中，电磁铁8a断电，导向机构与所对应的电磁铁断开，导向机构的状态如图3c所示，导向机构被止动器止动，使导向机构不能向右移动，即止动器对导向机构起到向右的定位作用；机器人由图6c运动到图6d状态过程，导向头仍保持原有状态，其右半球壳固定，左半球壳向右移动，当左半球壳运动到与伸出的导向机构接触吸合时，机器人由6d运动到图6e状态前，左半球壳静止，右半球壳移动，电磁铁8a又拉动杆轴81，使得导向机构由图3d状态运动到图3g所示的状态，导向机构与电磁铁吸合，导向机构继续左移，该释放环滑过止动器，该释放体的左圆台体容纳在固定把手821的凹槽8211中，该导向头又转动了一定的角度，导向机构相对静止，机器人进入如图6f所示状态时，导向机构由图3g运动到图3i状态，导向机构与所对应的电磁铁断开，导向杆向右移动，导向机构解锁，此时导向机构可在左半球壳的推压下，恢复初始状态。即导向头11也恢复到如图6g的初始向前而非偏转的状态；之后机器人进入正常蠕动工作状态，由于机器人的螺纹软轴可任意弯曲，因此机器人可顺利通过T形管道，如图6c、6d所示，推拉轮杆机构中的推拉轮杆可在电磁轮的带动下伸出来适应的管道径的变化。
一个导向机构移动可控制一个方向，两个相邻的导向机构同时移动可控制另一方向，该四个导向机构可控制任意方向的摆动。