專利名稱：氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
管道的封閉性以及工作環(huán)境決定了管道施工的艱難性。管道機(jī)器人是管道施工中必備的一種工具。時(shí)至今日，經(jīng)過各國學(xué)者的努力，出現(xiàn)了各種各樣的管道機(jī)器人。從結(jié)構(gòu)形式來看，主要分為輪式管道機(jī)器人、腳式管道機(jī)器人、履帶式管道機(jī)器人和蠕動(dòng)式管道機(jī)器人。輪式管道機(jī)器人通常采用氣動(dòng)方式。日本東芝公司于1997年研制了第一臺(tái)輪式管道機(jī)器人，為了增加牽引力該機(jī)器人采用了多輪驅(qū)動(dòng)，但輪徑太小，越障能力有限，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；西門子公司W(wǎng)erner Neubern等人研制的蜘蛛型微管道機(jī)器人有3,6,8支腳三種類型，其原理是用腿推壓管壁來運(yùn)動(dòng)，多腿可以方便地在各種形狀的彎管道內(nèi)移動(dòng)；加拿大 Inuktun和BioVac System Inc公司的履帶式管道機(jī)器人已經(jīng)商業(yè)化；上海交通大學(xué)研發(fā)了小口徑管道蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是模仿昆蟲在地面上爬行時(shí)蠕動(dòng)前進(jìn)和后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有管道內(nèi)行走器的爬坡能力較差的不足，本發(fā)明提供一種提高爬坡能力的氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，包括車架、驅(qū)動(dòng)輪和行走輪，所述車架上沿車架的中心軸方向依次布置兩個(gè)行走輪、驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)行走輪，從軸向上看行走輪位于車架的下半圓，驅(qū)動(dòng)輪位于車架的上半圓；徑向分布為兩個(gè)行走輪關(guān)于Y軸對(duì)稱，行走輪安裝在車架上，所述驅(qū)動(dòng)輪與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括支撐臂、滑套和車架中心軸，驅(qū)動(dòng)輪通過一個(gè)銷軸安裝在支撐臂的一端，支撐臂的另一端通過鉸鏈與滑套聯(lián)接，所述支撐臂可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在其回轉(zhuǎn)軸上，所述回轉(zhuǎn)軸安裝在車架上，所述中心軸座與車架中心軸固定連接，所述車架中心軸安裝在車架上，所述車架中心軸上可滑動(dòng)套裝滑套，所述滑套的下端與第一驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿固定連接，所述第一氣缸安裝在車架上；氣馬達(dá)固定在車架上，所述氣馬達(dá)包括氣馬達(dá)軸，所述氣馬達(dá)軸、回轉(zhuǎn)軸和驅(qū)動(dòng)輪軸上安裝鏈輪，通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力從氣馬達(dá)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。進(jìn)一步，所述中心軸的中孔內(nèi)設(shè)有帶錐形頭的頂桿，所述頂桿與第二氣缸的活塞桿連接，所述第二氣缸安裝在車架上，所述中心軸和滑套上開有徑向夾角相等的至少三個(gè)鍵槽，所述鍵槽的軸向形狀為平行四邊形結(jié)構(gòu)，鍵槽內(nèi)安裝有可以滑動(dòng)的異形鍵，其軸向主要輪廓為平行四邊形，但其中靠中心軸線的一鈍角被圓錐體切除一小部分，切除部分與中心軸線夾角和所述錐形頭頂桿的錐度相同。通常異形鍵位于中心軸的鍵槽及中心軸孔內(nèi)，當(dāng)中心軸和滑套上的鍵槽位置對(duì)上時(shí)，頂桿伸出可以使異形鍵沿徑向向外滑入滑套的鍵槽中，從而將滑套鎖定在中心軸上。采用上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)臂的鎖止。
再進(jìn)一步，所述驅(qū)動(dòng)輪為一個(gè)，從軸向上看，所述驅(qū)動(dòng)輪與行走輪之間的夾角為120。?；蛘呤撬鲵?qū)動(dòng)輪有兩個(gè)，徑向分布為兩個(gè)行走輪的夾角為120°，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的夾角也為120°并關(guān)于Y軸對(duì)稱，從軸向上看，所述驅(qū)動(dòng)輪與相鄰行走輪的夾角為60° ;每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別與其支撐臂連接。再或者是所述驅(qū)動(dòng)輪有4個(gè),所述車架上沿車架的中心軸方向依次布置兩個(gè)行走輪、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)行走輪，徑向分布為兩個(gè)行走輪的夾角為120°，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的夾角也為120°并關(guān)于Y軸對(duì)稱，從軸向上看，所述驅(qū)動(dòng)輪與相鄰行走輪的夾角為60° ;每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別與其支撐臂連接。所述行走輪和驅(qū)動(dòng)輪為履帶式輪。
所述車架為圓柱籠形車架。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在(I)采用壓縮空氣作動(dòng)力，清潔高效，符合HSE施工管理要求，適合在危險(xiǎn)、野外場合工作。(2)這種驅(qū)動(dòng)輪的連桿滑套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以大大增加輪與管道壁的正壓力，輪作用在管道壁上的壓力值不僅取決于氣缸的推力，而且隨著支撐臂和管道壁的法向夾角的減小而增大數(shù)倍甚至更多。(3)采用一種異形鍵實(shí)現(xiàn)滑套位置鎖定的機(jī)構(gòu)，當(dāng)中心頂桿離開異形鍵后，在異形鍵受到的徑向力作用下，異形鍵能夠自動(dòng)縮回到中心軸孔內(nèi)，從而釋放滑套。(4)當(dāng)滑套鎖定后，可以使氣缸卸荷，更節(jié)能。(5)采用履帶輪比普通的滾輪增加了附著系數(shù)和接觸面積，增加了附著力，減少了單位表面上的壓力，避免破壞管道內(nèi)表面的涂層。(6)履帶輪有多個(gè)負(fù)重輪，單個(gè)負(fù)重輪直徑比相當(dāng)整個(gè)履帶輪大小的滾輪直徑小很多，因此，同等驅(qū)動(dòng)力矩下，履帶輪能提供的牽引力更大。


圖I是氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)的示意圖。圖2是圖I的A向各輪位置示意圖。圖3是驅(qū)動(dòng)輪的支撐與鎖止機(jī)構(gòu)的示意圖。圖4是行走輪的示意圖。圖5是圖4的截面圖。圖6是驅(qū)動(dòng)輪的示意圖。圖7是驅(qū)動(dòng)輪的截面圖。圖8是齒形帶的剖面圖。圖9是單輪驅(qū)動(dòng)時(shí)的布局圖。圖10是圖9的各輪位置軸向示意圖。圖11是兩輪驅(qū)動(dòng)時(shí)的布局圖。圖12是圖11的各輪位置軸向示意圖。圖13是四輪驅(qū)動(dòng)時(shí)的布局圖。圖14是圖13的各輪位置軸向示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照?qǐng)DI 圖14，一種氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，包括車架I、驅(qū)動(dòng)輪2和行走輪3，所述車架I上沿車架的中心軸方向依次布置兩個(gè)行走輪3、驅(qū)動(dòng)輪2和兩個(gè)行走輪3，從軸向上看行走輪3位于車架的下半圓，驅(qū)動(dòng)輪2位于車架的上半圓；徑向分布為兩個(gè)行走輪關(guān)于Y軸對(duì)稱，行走輪3安裝在車架I上，所述驅(qū)動(dòng)輪2與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括支撐臂4、滑套6和車架中心軸9，驅(qū)動(dòng)輪2通過一個(gè)銷軸安裝在支撐臂4的一端，支撐臂4的另一端通過鉸鏈與滑套6聯(lián)接，所述支撐臂4可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在回轉(zhuǎn)軸7上，所述回轉(zhuǎn)軸7安裝在車架I上，中心軸座8與車架中心軸9固定連接，所述中心軸座8安裝在車架上，所述車架中心軸9上可滑動(dòng)套裝滑套6，所述滑套6的下端與第一氣缸10活塞桿固定連接，所述第一氣缸10安裝在中心軸座8上；氣馬達(dá)5固定在車架I上，所述氣馬達(dá)5包括氣馬達(dá)軸，所述氣馬達(dá)軸、回轉(zhuǎn)軸7和驅(qū)動(dòng)輪軸上安裝鏈輪，通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力從氣馬達(dá)5傳遞到驅(qū)動(dòng)輪3上。
進(jìn)一步，所述中心軸9的中孔內(nèi)設(shè)有帶錐形頭的頂桿11，所述頂桿11與第二氣缸12連接，所述第二氣缸12安裝在車架上1，所述中心軸和滑套上開有徑向夾角相等的至少三個(gè)鍵槽，所述鍵槽的軸向形狀為平行四邊形結(jié)構(gòu)，鍵槽內(nèi)安裝有可以滑動(dòng)的異形鍵13，其軸向主要輪廓為平行四邊形，但其中靠中心軸線的一鈍角被圓錐體切除一小部分，切除部分與中心軸線夾角和所述錐形頭頂桿11的錐度相同。通常異形鍵13位于中心軸的鍵槽及中心軸孔內(nèi)，當(dāng)中心軸和滑套上的鍵槽位置對(duì)上時(shí)，頂桿11伸出可以使異形鍵13沿徑向向外滑入滑套的鍵槽中，從而將滑套鎖定在中心軸上。采用上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)臂的鎖止。再進(jìn)一步，所述驅(qū)動(dòng)輪3為一個(gè)，從軸向上看，所述驅(qū)動(dòng)輪與行走輪之間的夾角為120。。或者是所述驅(qū)動(dòng)輪2有兩個(gè)，徑向分布為兩個(gè)行走輪的夾角為120°，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的夾角也為120°并關(guān)于Y軸對(duì)稱，從軸向上看，所述驅(qū)動(dòng)輪與相鄰行走輪的夾角為60° ;每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別與其支撐臂連接。再或者是所述驅(qū)動(dòng)輪3有4個(gè)，所述車架上沿車架的中心軸線依次布置兩個(gè)行走輪、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)行走輪，徑向分布為兩個(gè)行走輪的夾角為120°，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的夾角也為120°并關(guān)于Y軸對(duì)稱，從軸向上看，所述驅(qū)動(dòng)輪與相鄰行走輪的夾角為60° ;每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別與其支撐臂連接。所述行走輪2和驅(qū)動(dòng)輪3為履帶式輪。所述車架I為圓柱籠形車架。本實(shí)施例中，該行走裝置的圓柱籠形車架上布置6個(gè)輪子，沿車架的中心軸線依次布置兩個(gè)行走輪、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)行走輪，徑向分布為兩個(gè)行走輪的夾角為120°并關(guān)于Y軸對(duì)稱，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的夾角也為120°并關(guān)于Y軸對(duì)稱，驅(qū)動(dòng)輪與行走輪的夾角為60°。行走輪直接安裝在車架上，驅(qū)動(dòng)輪通過一個(gè)銷軸安裝在支撐臂的一端。車架安裝了 2套驅(qū)動(dòng)輪及其支撐臂。支撐臂可以繞固定在車架上的回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其中一端通過銷軸與驅(qū)動(dòng)輪聯(lián)接，支撐臂的另一端通過鉸鏈與滑套聯(lián)接。氣馬達(dá)安裝在機(jī)架上，氣馬達(dá)軸、支撐臂回轉(zhuǎn)軸和驅(qū)動(dòng)輪軸上安裝鏈輪，通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力從氣馬達(dá)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。有一個(gè)空心的車架中心軸安裝在機(jī)座上，軸上滑套通過鉸鏈與支撐臂聯(lián)接，中心軸孔內(nèi)有一個(gè)錐形頭頂桿，中心軸與滑套上開有徑向夾角為90°的4個(gè)鍵槽，鍵槽的軸向形狀為平行四邊形結(jié)構(gòu)，4個(gè)異形鍵安裝在鍵槽中。當(dāng)固定在機(jī)架上的氣缸I活塞桿伸出時(shí)，推動(dòng)滑套并使支撐臂轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪隨著支撐臂的運(yùn)動(dòng)壓在管道壁上，當(dāng)滑套與中心軸鍵槽對(duì)上后，氣缸2伸出推動(dòng)錐形頭頂桿使異形鍵插入滑套鍵槽中，從而鎖定支撐壁位置。這時(shí)，車架上的6個(gè)輪子都牢牢地壓在管道壁上。當(dāng)氣馬 達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而牽引車架在管道內(nèi)行走。當(dāng)氣缸2活塞桿先退回后，若氣缸I活塞桿退回，在徑向力的作用下使異形鍵縮回到中心軸孔內(nèi)，滑套隨著活塞桿的退回拉動(dòng)支撐臂使驅(qū)動(dòng)輪脫離管道壁。參照?qǐng)D4和圖5，行走輪為履帶式輪，包括多個(gè)小帶輪、軸承、輪架、帶張緊機(jī)構(gòu)、齒形帶。參照?qǐng)D6和圖7，驅(qū)動(dòng)輪為履帶式輪，包括多個(gè)承重小帶輪、驅(qū)動(dòng)帶輪、軸承、輪架、帶張緊機(jī)構(gòu)、齒形帶。參照?qǐng)D8，帶分三層，橡膠層外面為硬材料層14 (如使用聚氨脂)，按圖示結(jié)構(gòu)將硬材料層沿帶的寬度方向切割，使其成為若干平行四邊形條，聚氨脂層與橡膠層15用膠粘接。硬材料層切割后能夠彎曲并最大限度地使帶上的壓力分布均勻。硬材料層外面是膠層16用于增加帶的摩擦力。參照?qǐng)D9和圖10，行走裝置驅(qū)動(dòng)輪及支撐機(jī)構(gòu)的布局方案，適合拖動(dòng)小直徑重量輕的裝置。參照?qǐng)D11和圖12，適合拖動(dòng)中等直徑重量IOOOKg的裝置。參照?qǐng)D13和圖14，適合拖動(dòng)大直徑重量IOOOKg以上的裝置。
權(quán)利要求
1.一種氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所述行走器包括車架、驅(qū)動(dòng)輪和行走輪，所述車架上沿車架的中心軸方向依次布置2個(gè)行走輪、驅(qū)動(dòng)輪和2個(gè)行走輪，從軸向上看行走輪位于車架的下半圓，驅(qū)動(dòng)輪位于車架的上半圓；徑向分布為2個(gè)行走輪關(guān)于Y軸對(duì)稱，行走輪安裝在車架上，所述驅(qū)動(dòng)輪與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括支撐臂、滑套和車架中心軸，驅(qū)動(dòng)輪通過一個(gè)銷軸安裝在支撐臂的一端，支撐臂的另一端通過鉸鏈與滑套聯(lián)接，所述支撐臂可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在回轉(zhuǎn)軸上，所述回轉(zhuǎn)軸安裝在車架上，所述中心軸座與車架中心軸固定連接，所述車架中心軸安裝在車架上，所述車架中心軸上可滑動(dòng)套裝滑套，所述滑套與第一氣缸連接，所述第一氣缸安裝在車架上；氣馬達(dá)固定在車架上，所述氣馬達(dá)包括氣馬達(dá)軸，所述氣馬達(dá)軸、回轉(zhuǎn)軸和驅(qū)動(dòng)輪軸上安裝鏈輪，通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力從氣馬達(dá)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。
2.如權(quán)利要求I所述的氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所述中心軸的中孔內(nèi)設(shè)有帶錐形頭的頂桿，所述頂桿與第二氣缸連接，所述第二氣缸安裝在車架上，所述中心軸和滑套上開有徑向夾角相等的至少三個(gè)鍵槽，所述鍵槽的軸向形狀為平行四邊形結(jié)構(gòu)，鍵槽內(nèi)安裝有可以滑動(dòng)的異形鍵，其軸向主要輪廓為平行四邊形，但其中靠中心軸線的一鈍角被圓錐體切除一小部分，切除部分與中心軸線夾角和所述錐形頭頂桿的錐度相同。
3.如權(quán)利要求I或2所述的氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)輪為一個(gè)，從軸向上看，所述驅(qū)動(dòng)輪與行走輪之間的夾角為120°。
4.如權(quán)利要求I或2所述的氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)輪有2個(gè)，徑向分布為2個(gè)行走輪的夾角為120°，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的夾角也為120°并關(guān)于Y軸對(duì)稱，從軸向上看，所述驅(qū)動(dòng)輪與相鄰行走輪的夾角為60° ;每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別與支撐臂連接。
5.如權(quán)利要求I或2所述的氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)輪有4個(gè)，所述車架上沿車架的中心軸方向依次布置2個(gè)行走輪、2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和2個(gè)行走輪，徑向分布為2個(gè)行走輪的夾角為120°，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的夾角也為120°并關(guān)于Y軸對(duì)稱，從軸向上看，所述驅(qū)動(dòng)輪與相鄰行走輪的夾角為60° ;每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別與支撐臂連接。
6.如權(quán)利要求I或2所述的氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所述行走輪和驅(qū)動(dòng)輪為履帶式輪。
7.如權(quán)利要求I或2所述的氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的履帶為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為有齒形的橡膠層，中間為硬質(zhì)材料層，外側(cè)為膠層，各層通過膠粘接。
8.如權(quán)利要求7所述的氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所述硬質(zhì)材料層與膠層沿帶的寬度方向切割成為平行四邊形條。
全文摘要
一種氣動(dòng)履帶式管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，包括車架、驅(qū)動(dòng)輪和行走輪，車架上沿車架的中心軸方向依次布置兩個(gè)行走輪、驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)行走輪，從軸向上看行走輪位于車架的下半圓，驅(qū)動(dòng)輪位于車架的上半圓；徑向分布為兩個(gè)行走輪關(guān)于Y軸對(duì)稱，行走輪安裝在車架上，驅(qū)動(dòng)輪通過一個(gè)銷軸安裝在支撐臂的一端，支撐臂的另一端通過鉸鏈與滑套聯(lián)接，支撐臂可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在回轉(zhuǎn)軸上，中心軸座與車架中心軸固定連接，車架中心軸上可滑動(dòng)套裝滑套，滑套與第一驅(qū)動(dòng)氣缸連接。氣馬達(dá)安裝在機(jī)架上，氣馬達(dá)軸、回轉(zhuǎn)軸和驅(qū)動(dòng)輪軸上安裝鏈輪，通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力從氣馬達(dá)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。本發(fā)明采用履帶式輪，提高了驅(qū)動(dòng)輪和行走輪與管道壁的正壓力，適應(yīng)在大坡度管道內(nèi)行走。
文檔編號(hào)F16L55/32GK102705631SQ201210169559
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者孟彬, 邢彤 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)