專利名稱：凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及蠕動式管道機(jī)器人，尤其涉及凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在微管道內(nèi)作業(yè)存在著很大的困難和危險(xiǎn)，微小型管道機(jī)器人為之提供了一種有效的技 術(shù)途徑。目前，微小型管道機(jī)器人主要應(yīng)用于核電站、熱電站、化工、制冷等行業(yè)存在的眾 多細(xì)小管道以及各種復(fù)雜動力系統(tǒng)管道的檢測。眾多國家對微小型管道機(jī)器人的發(fā)展都非常 重視，紛紛投入資金和時間對該類機(jī)器人技術(shù)展開了研究，并且已取得了一定研究成果。日 本DENSO CORP公司的研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種疊層壓電執(zhí)行器微機(jī)器人，該機(jī)器人由四部 分組成60um厚的薄板金屬基體、兩個渦流傳感器檢測管壁缺陷、運(yùn)動機(jī)構(gòu)(運(yùn)動機(jī)構(gòu)包括 三個U形彈簧夾緊單元彈性貼緊管壁、 一個疊層壓電執(zhí)行器和一個質(zhì)量塊)和散熱片，機(jī)器 人直徑僅為5.5mm，適用于8mm管徑的直管或彎管，移動速度10mm/s。上海大學(xué)精密機(jī)械 研究所對兩種壓電執(zhí)行器機(jī)器人進(jìn)行了研究，其中疊層壓電執(zhí)行器機(jī)器人可適于10mm管徑 水平或豎直管道管內(nèi)作業(yè)，前進(jìn)速度2.19mm/s，后退速度2.48mm/s，尺寸為09.8x22mm，具 有0 90度的爬坡能力；雙壓電晶片執(zhí)行器機(jī)器人，適于20mm管徑水平、豎直或彎曲管道 內(nèi)檢測，豎直管內(nèi)上下速度分別為4 6mm/s， 17 22mm/s。
管道機(jī)器人行走裝置是應(yīng)用于管道機(jī)器人中的行走動力部分，目前管道機(jī)器人的行進(jìn)方 式主要有輪式直進(jìn)、輪式螺旋推進(jìn)和蠕動式，無論采用其中任何一種方式，管道機(jī)器人的牽 引力都是由行走機(jī)構(gòu)與管道壁之間的摩擦力提供的，于是欲提高牽引力必須相應(yīng)地增大摩擦 力，但是在實(shí)際應(yīng)用中卻希望能獲得較大的牽引力的同時擁有較小的摩擦力，這是微小型管 道機(jī)器人領(lǐng)域需要解決的一個矛盾。另外一個矛盾是管道機(jī)器人自身直徑大小與其所能適應(yīng) 的管徑變化范圍的大小之間的矛盾，現(xiàn)有的具有較好管徑變化適應(yīng)性的管道機(jī)器人其自身直 徑都在50mm以上，很難適應(yīng)較小的管徑和曲率較大的彎管。同時，微小型管道機(jī)器人(直 徑小于20mm)的管徑變化適應(yīng)性卻很差，在自身外徑附近只能有一很小的變化范圍。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用凸輪的自鎖提高牽 引能力、利用平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)的變形提高對大范圍管徑變化管道的適應(yīng)能力的凸輪式管 道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案。
一種凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，包括圓筒支架，所述圓筒支架上安裝有沿圓周方向等
3間距布置的三組平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)和驅(qū)動三組平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)展開或收攏的驅(qū)動機(jī) 構(gòu)，各平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)包括兩件搖桿和連接于兩件搖桿之間的連接桿，兩件搖桿分別與 圓筒支架鉸接，其中一搖桿與驅(qū)動機(jī)構(gòu)相連，各連接桿中部均裝設(shè)有凸輪機(jī)構(gòu)，所述凸輪機(jī) 構(gòu)包括凸輪、銷軸和套設(shè)于銷軸上的扭簧，凸輪通過銷軸鉸接于連接桿中部，扭簧一端與連 接桿固定連接，另一端與凸輪固定連接，所述凸輪在扭簧的預(yù)緊力作用下，保持伸出連接桿 以外。
所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動電機(jī)、絲杠螺母、滾珠絲杠和二件驅(qū)動連桿，所述驅(qū)動電機(jī)固定 于圓筒支架上，所述滾珠絲杠與圓筒支架同軸心設(shè)置，且其一端與驅(qū)動電機(jī)的輸出端相連， 所述絲杠螺母套裝于滾珠絲杠上，各驅(qū)動連桿一端與平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)中的一件搖桿鉸接， 另一端與絲杠螺母鉸接。
所述滾珠絲杠與絲杠螺母反向自鎖配合。
所述連接桿與圓筒支架的中心軸線平行，圓筒支架上設(shè)有用于容置處于收攏狀態(tài)的平行 四邊形四桿機(jī)構(gòu)的三個容置槽，三個容置槽沿圓周方向等間距布置，各平行四邊形四桿機(jī)構(gòu) 的搖桿鉸接于容置槽內(nèi)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于
1、 凸輪機(jī)構(gòu)利用單向運(yùn)動機(jī)構(gòu)受到正向推力時前進(jìn)，受到反向拉力時鎖緊管道內(nèi)壁的力 學(xué)特性使得管道機(jī)器人牽引力的大小可不受摩擦力的影響，可在大負(fù)載的情況下仍能保持高 速前進(jìn)。使管道機(jī)器人的牽引力可從原理上突破摩擦力的限制，滿足管道機(jī)器人大牽引力需 求。使得管道機(jī)器人在快速前進(jìn)的同時可以提供較大的牽引力，解決了牽引力與摩擦力之間
的矛盾。
2、 平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)的組合使用使得管道機(jī)器人具備了在大范圍變管徑管 道內(nèi)作業(yè)的能力，通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使得管道機(jī)器人所能適應(yīng)的管徑變化范 圍達(dá)到搖桿的臂長，很大程度上改善了管道機(jī)器人對管徑變化的適應(yīng)性，從根本上解決了管 道機(jī)器人管道適應(yīng)能力差的缺陷，使得管道機(jī)器人主動適應(yīng)大范圍管徑變化的能力大大增強(qiáng)。
3、 絲杠螺母沿滾珠絲杠的正向運(yùn)動(即遠(yuǎn)離驅(qū)動電機(jī)的方向)可使凸輪與管道內(nèi)壁產(chǎn)生 接觸，但是，當(dāng)凸輪與管道內(nèi)壁進(jìn)行接觸并逐步鎖緊時，管壁對管道機(jī)器人的作用力會使得 絲杠螺母有向驅(qū)動電機(jī)方向沿管道軸線移動的趨勢，通過將滾珠絲杠與絲杠螺母設(shè)為以反向 自鎖的方式配合，使絲杠螺母不能產(chǎn)生向電機(jī)方向的軸向移動，避免絲杠螺母帶動凸輪機(jī)構(gòu) 沿管道徑向的收縮，防止凸輪被迫與管壁脫離造成自鎖失效。
4、 連接桿與圓筒支架的中心軸線平行，圓筒支架上設(shè)有用于容置處于收攏狀態(tài)的平行四 邊形四桿機(jī)構(gòu)的容置槽，平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)收攏時可以完全置于圓筒支架的容置槽內(nèi)，此結(jié)構(gòu)使行走裝置可以最大限度的縮減徑向占用空間，適于在微小型管道中工作。

圖1是本實(shí)用新型的主視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實(shí)用新型的右視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是驅(qū)動機(jī)構(gòu)拆除驅(qū)動連桿后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是凸輪機(jī)構(gòu)處于自鎖狀態(tài)下的受力分析圖； 圖7是凸輪機(jī)構(gòu)處于滑動狀態(tài)下的受力分析圖。 圖中各標(biāo)號表示
1、圓筒支架 3、平行四邊形四桿機(jī)構(gòu) 5、內(nèi)管壁 21、驅(qū)動電機(jī) 23、絲杠螺母 31、搖桿 41、凸輪 43、銷軸具體實(shí)施方式
如圖1至圖7所示，本實(shí)用新型公開了一種凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，包括圓筒支架 1，圓筒支架1上安裝有沿圓周方向等間距布置的三組平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)3和一組驅(qū)動平行 四邊形四桿機(jī)構(gòu)3展開或收攏的驅(qū)動機(jī)構(gòu)2，圓筒支架1上設(shè)有用于容置處于收攏狀態(tài)的平 行四邊形四桿機(jī)構(gòu)3的容置槽11，各平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)3包括兩件搖桿31和連接于兩件 搖桿31之間的連接桿32，兩件搖桿31分別與圓筒支架1鉸接，連接桿32與圓筒支架1的 中心軸線平行，各連接桿32中部均裝設(shè)有凸輪機(jī)構(gòu)4，凸輪機(jī)構(gòu)4包括凸輪41、銷軸43和 套設(shè)于銷軸43上的扭簧42，凸輪41通過銷軸43鉸接于連接桿32中部，扭簧42—端通過 螺釘與連接桿32固定連接，另一端通過螺釘與凸輪41固定連接，扭簧42給凸輪41 一個預(yù) 緊力，凸輪41在沒有與內(nèi)管壁5接觸前保持伸出連接桿32以外的量最大，使凸輪41與內(nèi)管 壁5接觸式時能夠提供足夠的正壓力，確保自鎖的發(fā)生而不至產(chǎn)生滑動。驅(qū)動機(jī)構(gòu)2包括驅(qū) 動電機(jī)21、絲杠螺母23、滾珠絲杠22和三件驅(qū)動連桿24，驅(qū)動電機(jī)21固定于圓筒支架1 上，滾珠絲杠22與圓筒支架1同軸心設(shè)置，且其一端與驅(qū)動電機(jī)21的輸出端相連，絲杠螺
2、驅(qū)動機(jī)構(gòu) 4、凸輪機(jī)構(gòu) 11、容置槽 22、滾珠絲杠 24、驅(qū)動連桿 32、連接桿 42、扭簧母23套裝于滾珠絲杠22上，并且滾珠絲杠22與絲杠螺母23反向自鎖配合，可以防止凸輪 機(jī)構(gòu)的自鎖功能失效，各驅(qū)動連桿24 —端與平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)3中的一件搖桿31鉸接， 另一端與絲杠螺母23鉸接。驅(qū)動電機(jī)21開啟，絲杠螺母23在滾珠絲杠22上平動，由絲杠 螺母23帶著三件驅(qū)動連桿24驅(qū)動三組平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)3作展開或收攏運(yùn)動，并且平行 四邊形四桿機(jī)構(gòu)3收攏時可以完全置于圓筒支架1的容置槽11內(nèi)，此結(jié)構(gòu)使行走裝置可以最 大限度的縮減徑向占用空間，適于在微小型管道中工作，通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動四桿機(jī)構(gòu)3運(yùn)動， 使得管道機(jī)器人所能適應(yīng)的管徑變化范圍達(dá)到搖桿31的臂長，使管道機(jī)器人具備了在大范圍 變管徑管道內(nèi)作業(yè)的能力，很大程度上改善了管道機(jī)器人對管徑變化的適應(yīng)性，從根本上解 決了管道機(jī)器人管道適應(yīng)能力差的缺陷，使得管道機(jī)器人主動適應(yīng)大范圍管徑變化的能力大 大增強(qiáng)。
工作原理管道機(jī)器人中的伸縮單元將對凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)施加一個沿管道軸
向的軸向牽引力，當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)4通過平形四邊形四桿機(jī)構(gòu)3的運(yùn)動與內(nèi)管壁5產(chǎn)生接觸后， 由于軸向牽引力的存在會使凸輪41與管道的內(nèi)管壁5之間產(chǎn)生摩擦力。此時，根據(jù)管道機(jī)器 人的進(jìn)行方向不同，將會有如圖6和圖7所示的兩種情況發(fā)生。圖6和圖7中，A點(diǎn)為凸輪 41與內(nèi)管壁5的接觸點(diǎn)，B點(diǎn)為凸輪41與圓筒支架l的鉸接點(diǎn)，f表示摩擦力，F(xiàn)表示內(nèi)管 壁5作用在凸輪41上的支撐力，F(xiàn)l、 F2表示正壓力，w為扭簧42對凸輪41的旋轉(zhuǎn)力矩， 角b為壓力角，角a為旋轉(zhuǎn)角，g為A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的橫向距離，h為A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的 縱向距離。當(dāng)管道機(jī)器人沿圖6中箭頭C所示方向運(yùn)動時，w + #>i^，旋轉(zhuǎn)角a有減小趨 勢，A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的縱向距離h有增大趨勢，壓力角b保持不變，凸輪41實(shí)現(xiàn)自鎖，使軸 向牽引力可以達(dá)到足夠大，大幅提高管道機(jī)器人牽引負(fù)載的能力。當(dāng)管道機(jī)器人沿圖7中箭 頭D所示方向運(yùn)動時，w〈i^ + ^，旋轉(zhuǎn)角a有增大趨勢，A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的縱向距離h有 減小趨勢，壓力角b保持不變，凸輪41將沿內(nèi)管壁5發(fā)生滑動，使得凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動 機(jī)構(gòu)移動行走時的摩擦力大大減小，從而實(shí)現(xiàn)了快速行進(jìn)。凸輪機(jī)構(gòu)4利用單向運(yùn)動機(jī)構(gòu)受 到正向推力時前進(jìn)，受到反向拉力時鎖緊管道內(nèi)壁的力學(xué)特性，使管道機(jī)器人的牽引力可從 原理上突破摩擦力的限制，可在大負(fù)載的情況下仍能保持高速前進(jìn)，滿足管道機(jī)器人大牽引 力需求。使得管道機(jī)器人在快速前進(jìn)的同時可以提供較大的牽引力，解決了牽引力與摩擦力 之間的矛盾。
權(quán)利要求1、一種凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，包括圓筒支架(1)，其特征在于所述圓筒支架(1)上安裝有沿圓周方向等間距布置的三組平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)(3)和驅(qū)動三組平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)(3)展開或收攏的驅(qū)動機(jī)構(gòu)(2)，各平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)(3)包括兩件搖桿(31)和連接于兩件搖桿(31)之間的連接桿(32)，兩件搖桿(31)分別與圓筒支架(1)鉸接，其中一搖桿(31)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)(2)相連，各連接桿(32)中部均裝設(shè)有凸輪機(jī)構(gòu)(4)，所述凸輪機(jī)構(gòu)(4)包括凸輪(41)、銷軸(43)和套設(shè)于銷軸(43)上的扭簧(42)，凸輪(41)通過銷軸(43)鉸接于連接桿(32)中部，扭簧(42)一端與連接桿(32)固定連接，另一端與凸輪(41)固定連接，所述凸輪(41)在扭簧(42)的預(yù)緊力作用下，保持伸出連接桿(32)以外。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其特征在于所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)(2) 包括驅(qū)動電機(jī)(21)、滾珠絲杠(22)、絲杠螺母(23)和三件驅(qū)動連桿(24)，所述驅(qū)動電機(jī)(21)固定于圓筒支架(1)上，所述滾珠絲杠(22)與圓筒支架(1)同軸設(shè)置，且其一端 與驅(qū)動電機(jī)(21)的輸出端相連，所述絲杠螺母(23)套裝于滾珠絲杠(22)上，各驅(qū)動連 桿(24) —端與平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)(3)中的一件搖桿(31)鉸接，另一端與絲杠螺母(23) 鉸接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其特征在于所述滾珠絲杠(22) 與絲杠螺母(23)反向自鎖配合。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其特征在于所述連接 桿(32)與圓筒支架(1)的中心軸線平行，圓筒支架(1)上設(shè)有三個用于容置處于收攏狀 態(tài)的平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)(3)的容置槽(11)，三個容置槽(11)沿圓周方向等間距布置， 各平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)(3)的搖桿(31)鉸接于容置槽(11)內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種凸輪式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，包括圓筒支架，所述圓筒支架上安裝有沿圓周方向等間距布置的三組平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)和驅(qū)動三組平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)展開或收攏的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，各平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)包括兩件搖桿和連接于兩件搖桿之間的連接桿，兩件搖桿分別與圓筒支架鉸接，其中一搖桿與驅(qū)動機(jī)構(gòu)相連，各連接桿中部均裝設(shè)有凸輪機(jī)構(gòu)，所述凸輪機(jī)構(gòu)包括凸輪、銷軸和套設(shè)于銷軸上的扭簧，凸輪通過銷軸鉸接于連接桿中部，扭簧一端與連接桿固定連接，另一端與凸輪固定連接，所述凸輪在扭簧的預(yù)緊力作用下，保持伸出連接桿以外。該裝置利用凸輪的自鎖提高牽引能力、利用平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)的變形提高對管徑變化的適應(yīng)能力。
文檔編號F16L55/26GK201306579SQ200820210879
公開日2009年9月9日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者喬晉崴, 尚建忠, 張?jiān)斊? 楊軍宏, 羅自榮 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)