阅读说明：本技术 一种用于天然气管道的防爆行走机器人 (A kind of explosion-proof walking robot for natural gas line ) 是由 桑勇 孙鹏 赵健龙 段富海 于 2019-08-31 设计创作，主要内容包括：一种用于天然气管道的防爆行走机器人,属于机器人技术领域。所述的防爆行走机器人包括底盘、摆动气缸、传动系统、传动控制系统、车轮系统和支撑系统。所述的四个车轮系统通过传动系统和传动控制系统安装在摆动气缸上；本发明通过传动控制系统控制传动齿轮A的啮合位置实现机器人的前进与后退。本发明通过设计双摆动气缸、双向棘轮机构协同工作,可实现天然气管道的防爆行走机器人的可靠连续运行,并且具有工作过程中稳定可靠、控制简单、易于操作的优点。(A kind of explosion-proof walking robot for natural gas line, belongs to robotic technology field.The explosion-proof walking robot includes chassis, oscillating cylinder, transmission system, driving control system, wheel system and support system.Four wheel systems are mounted on oscillating cylinder by transmission system and driving control system；The present invention realizes the advance and retrogressing of robot by the position of engagement that driving control system controls transmission gear A.The present invention by designing double oscillating cylinders, bidirectional ratchet mechanism cooperates, it can be achieved that the explosion-proof walking robot of natural gas line reliable continuous operation, and have the advantages that in the course of work it is reliable and stable, control it is simple, easily operated.)

一种用于天然气管道的防爆行走机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种用于天然气管道的防爆行走机器人。

背景技术

天然气的主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷、丁烷，此外一般还会有硫化氢、二氧化碳、氮、水气和少量一氧化碳及微量的稀有气体，如氦、氩等。

天然气一般采用管道输送的方式将天然气输送到千家万户，管道使用时间较长时，管道的内壁会粘附有污垢，如不对这些污垢进行定期清理，不仅会缩短管道的使用寿命，而且还会影响天然气的输送的效率。一方面，现有的管道清理装置大多只能清理管道外壁，不能对管道内壁的污垢进行有效清理；另一方面，更为重要的是，现有的管道内壁清洗机器人大多借助电机、舵机等电机部件，若是发生线路故障，则有可能引起天然气管道***。

天然气管道并不全是安装在地下，例如随着海洋油气田的发展，出现了越来越多的海洋输气管道，这部分天然气管道是在海水之中的；另外在内陆输气管道中，若遇到河流等特殊情况，这部分天然气管道则安装在水中。若是天然气管道内部进水，则有可能会使得管道机器人的电气部件发生故障，进而引发等危险的天然气事故。

发明内容

本发明针对现有技术中没有用于天然气管道健康检测的专用机器人，本发明提出一种双摆动气缸驱动，无任何电气部件的用于天然气管道的防爆行走机器人。这种机器人相比于电机驱动的机器人，一方面，结构更加简单，在水下具有更高的稳定性，不会因为进水引发线路故障；另一方面，因为不采用电气部件，不会因为线路故障引发天然气管道事故。此外，设计双向棘轮机构配合双摆动气缸驱动。一方面可以双气缸连续交替运动，行走装置可以连续行走；另一方面，因为气缸标准行程一定，可以实现一定程度上的位移精确控制。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于天然气管道的防爆行走机器人，所述的防爆行走机器人包括底盘1、摆动气缸2、传动系统、传动控制系统、车轮系统和支撑系统。

所述的底盘1为方形板结构，四角开有四个方形通孔。

所述的摆动气缸2共有两个，前后(前后方向的定义以机器人前进方向为参考)并列安装在底盘1上表面，每个摆动气缸2有两个输出轴3，输出轴3的轴向与机器人的前进方向垂直、与底盘1平行。

所述的传动系统共有四组，每个转动系统安装在摆动气缸2的输出轴3上；所述的传动系统包括棘轮外壳A4、棘轮外壳B5、圆柱轴A6、圆柱轴B7、棘轮棘爪A8、棘轮棘爪B9、棘轮弹簧A10、棘轮弹簧B11、传动齿轮A12和传动齿轮B13。所述的棘轮外壳A4为变径圆筒结构，棘轮外壳A4的小直径段内直径与输出轴3直径相同，棘轮外壳A4的大直径段末尾处设置有凸台，凸台的厚度为控制套筒14凹槽宽度的二分之一，棘轮外壳A4套装在输出轴3上，棘轮外壳A4与输出轴3间为间隙配合，棘轮外壳A4可以在输出轴3上自由移动；所述的棘轮外壳B5为变径圆筒结构，棘轮外壳B5的小直径段内直径与输出轴3直径相同，棘轮外壳B5的大直径段末尾处设置有凸台，凸台的厚度为控制套筒14凹槽宽度的二分之一；所述的棘轮外壳A4和棘轮外壳B5两个凸台固定安装，棘轮外壳A4和棘轮外壳B5同轴，输出轴3的末端位于棘轮外壳B5大直径段中部，棘轮外壳B5与输出轴3间为间隙配合，棘轮外壳B5可以在输出轴3上自由移动，两个凸台安装在控制套筒14的凹槽内，凸台和控制套筒14间为间隙配合，棘轮外壳A4和棘轮外壳B5可以在凹槽内自由转动；所述的传动齿轮A12固定安装在输出轴13上，传动齿轮A12位于棘轮外壳A4和棘轮外壳B5两个大直径段形成的空间内；所述的棘轮棘爪A8通过圆柱轴A6安装在棘轮外壳A4变直径处内表面，棘轮棘爪A8可以以圆柱轴A6为轴自由转动；所述的棘轮弹簧A10两端分别安装在棘轮外壳A4内表面和棘轮棘爪A8上，用于限制棘轮棘爪A8的空间位置；所述的棘轮棘爪A8安装位置与传动齿轮A12的齿槽位置对应，即传动齿轮A12运动到棘轮外壳A4一侧时，棘轮棘爪A8位于传动齿轮A12的齿槽内，此时传动齿轮A12、棘轮棘爪A8和棘轮外壳A4形成单向棘轮结构，用于将输出轴3的的逆时针转动传递给传动齿轮A12；所述的棘轮棘爪B9通过圆柱轴B7安装在棘轮外壳B5变直径处内表面，棘轮棘爪B9可以以圆柱轴B7为轴自由转动；所述的棘轮弹簧B11两端分别安装在棘轮外壳B5内表面和棘轮棘爪B9上，用于限制棘轮棘爪B9的空间位置；所述的棘轮棘爪B8安装位置与传动齿轮A12的齿槽位置对应，棘轮棘爪B9的安装控制套筒方向与棘轮棘爪A8的安装方向相反，即传动齿轮A12运动到棘轮外壳B5一侧时，棘轮棘爪B9位于传动齿轮A12的齿槽内，此时传动齿轮A12、棘轮棘爪A8和棘轮外壳A4形成单向棘轮结构，用于将输出轴3的顺时针转动传递给传动齿轮A12；通过上述设计传动系统实现双向棘轮功能；所述的传动齿轮B13固定安装在棘轮外壳B5小直径段外侧。

所述的传动控制系统包括控制套筒14、连接机构15、滑块16和双向导轨气动爪17。所述的双向导轨气动爪17安装在底盘1上表面中间处，并位于两个摆动气缸2之间，双向导轨气动爪17安装有两个可以自由滑动的滑块16，滑块16的滑动方向与机器人的前进方向垂直、与底盘1平行；所述的连接机构15为长方形结构，两个连接机构15的一端分别安装在滑块16上，可以随滑块16滑动；所述的控制套筒14由圆环及安装在圆环外表面的长方形安装板组成，圆环的内表面设有凹槽，棘轮外壳A(4)和棘轮外壳B(5)的凸台安装在凹槽内，控制套筒14共有四个，两两一组相对安装在连接机构15的末端，控制套筒14的圆环轴线与输出轴3的轴线重合；当滑块16移动时，可以通过连接机构15和控制套筒14带动传动系统移动。

所述的车轮系统共有四组，每组包括车轮18、传动齿轮C19、轴承20和轴承座21。所述的传动齿轮C19厚度是传动齿轮B13厚度的2-2.5倍，传动齿轮C19固定安装在车轮18的转轴上；所述的车轮18通过两个轴承20和轴承座21安装在底盘1上，车轮18穿过底盘1上的方形通孔；所述的传动齿轮C19和传动齿轮B13啮合，实现传动。

所述的支撑系统包括支撑轮22、支撑杆A23、支撑杆B24、支撑弹簧25、支撑连接杆26和支撑杆座27。所述的支撑杆座27共有四个，分别固定安装在底盘1的四角处；所述的支撑杆A23共有两个，分别安装在位于前侧(或后侧)的两个支撑杆座27上，支撑杆A23可以在底盘1的垂直面内自由转动，每个支撑杆A23末端安装有一个支撑轮22；两个支撑杆A23之间安装有支撑连接杆26；所述的支撑杆B24共有两个，分别安装在位于后侧(或前侧)的两个支撑杆座27上，支撑杆B24可以在底盘1的垂直面内自由转动，每个支撑杆B24末端安装有一个支撑轮22，支撑杆B24中间设有开槽，支撑连接杆26穿过支撑杆B24的开槽，支撑连接杆26可以在支撑杆B24的开槽内自由移动；位于同一转动平面内的支撑杆A23和支撑杆B24之间安装有支撑弹簧25，用于收紧支撑系统，使支撑轮22支撑在管道内壁。

一种用于天然气管道的防爆行走机器人，其行走方法为：

1、向前行走

安装在双向导轨气动爪17上的两个滑块16向外侧滑动，带动四个传动系统移动，棘轮外壳A4靠近传动齿轮A12，传动齿轮A12与棘轮棘爪A8啮合；摆动气缸2的输出轴3做往复转动，当输出轴3顺时针转动时，传动齿轮A12空转，当输出轴3逆时针转动时，传动齿轮A12带动传动转动，进而带动车轮18转动，机器人向前运动；前后两个摆动气缸2的输出轴3交替工作，实现机器人连续向前运动。

2、向后行走

安装在双向导轨气动爪17上的两个滑块16向内侧滑动，带动四个传动系统移动，外壳B5靠近传动齿轮A12棘轮，传动齿轮A12与棘轮棘爪B9啮合；摆动气缸2的输出轴3做往复转动，当输出轴3逆时针转动时，传动齿轮A12空转，当输出轴3顺时针转动时，传动齿轮A12带动传动转动，进而带动车轮18转动，机器人向后运动；前后两个摆动气缸2的输出轴3交替工作，实现机器人连续向后运动。

本发明的有益效果是：

(1)设置支撑系统。一方面，在水下管道机器人采用轮式结构，主要摩擦力运动。支撑架顶住管道内壁顶部时，会给水下管道机器人反向作用力，压力增加，机器人前进的摩擦力增加，行走会更加可靠准确；另一方面，采用支撑架可以使得小车管道内部运行更加稳定。

(2)设计双摆动气缸协同工作，选用相同标准摆动角度的两个摆动气缸，设计双向棘轮机构，将摆动气缸的输出轴摆动转化为转动；同时两个摆动气缸交替运动，从而使小车连续前进。

(3)设计双摆动气缸协同工作，可以保证每次前进距离的最小单位是气缸的标准行程，在一定程度上实现了位移的精确控制。

(4)设计摆动气缸作为机器人的驱动部件，不涉及电气部件。一方面，可以将设备进水的危害降低到最小，提高了设备的稳定性；另一方面，用途更为重要的是，可以将设备用于燃气管道等易燃易爆的场景中，因为不涉及电气部件，不会因为水下管道机器人的问题引起电火花，从而引起二次灾害。

本发明通过设计双摆动气缸、双向棘轮机构协同工作，可实现天然气管道的防爆行走机器人的可靠连续运行，并且具有工作过程中稳定可靠、控制简单、易于操作的优点。

附图说明

图1为天然气管道的防爆行走机器人运行整体三维图；

图2为天然气管道的防爆行走机器人的整体结构图；

图3为去掉支撑架的天然气管道的防爆行走机器人的整体结构图；

图4为双向棘轮机构10A的局部剖视图；

图5为双向棘轮机构10A的外侧三维图；

图6为双向棘轮机构10A的内侧三维图；

图7为去掉支撑架的天然气管道的防爆行走机器人的俯视图；

图8为控制套筒的三维图。

图中：1底盘；2摆动气缸；3输出轴；4棘轮外壳A；5棘轮外壳B；6圆柱轴A；7圆柱轴B；8棘轮棘爪A；9棘轮棘爪B；10棘轮弹簧A；11棘轮弹簧B；12传动齿轮A；13传动齿轮B；14控制套筒；15连接机构；16滑块；17双向导轨气动爪；18车轮；19传动齿轮C；20轴承；21轴承座；22支撑轮；23支撑杆A；24支撑杆B；25支撑弹簧；26支撑连接杆；27支撑杆座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、图2、图3、图7所示的一种用于天然气管道的防爆行走机器人，所述的机器人包括底盘1、摆动气缸2、传动系统、传动控制系统、车轮系统和支撑系统。

所述的底盘1为方形板结构，四角开有四个方形通孔。

如图2所示的摆动气缸2共有两个，前后(前后方向的定义以机器人前进方向为参考)并列安装在底盘1上表面，每个摆动气缸2有两个输出轴3，输出轴3的轴向与机器人的前进方向垂直、与底盘1平行。

如图3、图4所示的传动系统共有四组，每个转动系统安装在摆动气缸2的输出轴3上；所述的传动系统包括棘轮外壳A4、棘轮外壳B5、圆柱轴A6、圆柱轴B7、棘轮棘爪A8、棘轮棘爪B9、棘轮弹簧A10、棘轮弹簧B11、传动齿轮A12和传动齿轮B13。所述的棘轮外壳A4为变径圆筒结构，棘轮外壳A4的小直径段内直径与输出轴3直径相同，棘轮外壳A4的大直径段末尾处设置有凸台，凸台的厚度为控制套筒14凹槽宽度的二分之一，棘轮外壳A4套装在输出轴3上，棘轮外壳A4与输出轴3间为间隙配合，棘轮外壳A4可以在输出轴3上自由移动；所述的棘轮外壳B5为变径圆筒结构，棘轮外壳B5的小直径段内直径与输出轴3直径相同，棘轮外壳B5的大直径段末尾处设置有凸台，凸台的厚度为控制套筒14凹槽宽度的二分之一；所述的棘轮外壳A4和棘轮外壳B5两个凸台固定安装，棘轮外壳A4和棘轮外壳B5同轴，输出轴3的末端位于棘轮外壳B5大直径段中部，棘轮外壳B5与输出轴3间为间隙配合，棘轮外壳B5可以在输出轴3上自由移动，两个凸台安装在控制套筒14的凹槽内，凸台和控制套筒14间为间隙配合，棘轮外壳A4和棘轮外壳B5可以在凹槽内自由转动；所述的传动齿轮A12固定安装在输出轴13上，传动齿轮A12位于棘轮外壳A4和棘轮外壳B5两个大直径段形成的空间内；所述的棘轮棘爪A8通过圆柱轴A6安装在棘轮外壳A4变直径处内表面，棘轮棘爪A8可以以圆柱轴A6为轴自由转动；所述的棘轮弹簧A10两端分别安装在棘轮外壳A4内表面和棘轮棘爪A8上，用于限制棘轮棘爪A8的空间位置；所述的棘轮棘爪A8安装位置与传动齿轮A12的齿槽位置对应，即传动齿轮A12运动到棘轮外壳A4一侧时，棘轮棘爪A8位于传动齿轮A12的齿槽内，此时传动齿轮A12、棘轮棘爪A8和棘轮外壳A4形成单向棘轮结构，用于将输出轴3的的逆时针转动传递给传动齿轮A12；所述的棘轮棘爪B9通过圆柱轴B7安装在棘轮外壳B5变直径处内表面，棘轮棘爪B9可以以圆柱轴B7为轴自由转动；所述的棘轮弹簧B11两端分别安装在棘轮外壳B5内表面和棘轮棘爪B9上，用于限制棘轮棘爪B9的空间位置；所述的棘轮棘爪B8安装位置与传动齿轮A12的齿槽位置对应，棘轮棘爪B9的安装控制套筒方向与棘轮棘爪A8的安装方向相反，即传动齿轮A12运动到棘轮外壳B5一侧时，棘轮棘爪B9位于传动齿轮A12的齿槽内，此时传动齿轮A12、棘轮棘爪A8和棘轮外壳A4形成单向棘轮结构，用于将输出轴3的顺时针转动传递给传动齿轮A12；通过上述设计传动系统实现双向棘轮功能；所述的传动齿轮B13固定安装在棘轮外壳B5小直径段外侧。

所述的传动控制系统包括控制套筒14、连接机构15、滑块16和双向导轨气动爪17。所述的双向导轨气动爪17安装在底盘1上表面中间处，并位于两个摆动气缸2之间，双向导轨气动爪17安装有两个可以自由滑动的滑块16，滑块16的滑动方向与机器人的前进方向垂直、与底盘1平行；所述的连接机构15为长方形结构，两个连接机构15的一端分别安装在滑块16上；如图8所示的控制套筒14由圆环及安装在圆环外表面的长方形安装板组成，圆环的内表面设有凹槽，棘轮外壳A(4)和棘轮外壳B(5)的凸台安装在凹槽内，控制套筒14共有四个，两两一组相对安装在连接机构15的末端，控制套筒14的圆环轴线与输出轴3的轴线重合；当滑块16移动时，可以通过连接机构15和控制套筒14带动传动系统移动。

所述的车轮系统共有四组，每组包括车轮18、传动齿轮C19、轴承20和轴承座21。所述的传动齿轮C19厚度是传动齿轮B13厚度的2-2.5倍，传动齿轮C19固定安装在车轮18的转轴上；所述的车轮18通过两个轴承20和轴承座21安装在底盘1上，车轮18穿过底盘1上的方形通孔；所述的传动齿轮C19和传动齿轮B13啮合，实现传动。

所述的支撑系统包括支撑轮22、支撑杆A23、支撑杆B24、支撑弹簧25、支撑连接杆26和支撑杆座27。所述的支撑杆座27共有四个，分别固定安装在底盘1的四角处；所述的支撑杆A23共有两个，分别安装在位于前侧(或后侧)的两个支撑杆座27上，支撑杆A23可以在底盘1的垂直面内自由转动，每个支撑杆A23末端安装有一个支撑轮22；两个支撑杆A23之间安装有支撑连接杆26；所述的支撑杆B24共有两个，分别安装在位于后侧(或前侧)的两个支撑杆座27上，支撑杆B24可以在底盘1的垂直面内自由转动，每个支撑杆B24末端安装有一个支撑轮22，支撑杆B24中间设有开槽，支撑连接杆26穿过支撑杆B24的开槽，支撑连接杆26可以在支撑杆B24的开槽内自由移动；位于同一转动平面内的支撑杆A23和支撑杆B24之间安装有支撑弹簧25，用于收紧支撑系统，使支撑轮22支撑在管道内壁。

一种用于天然气管道的防爆行走机器人，行走方法为：

1、向前行走

安装在双向导轨气动爪17上的两个滑块16向外侧滑动，带动四个传动系统移动，棘轮外壳A4靠近传动齿轮A12，传动齿轮A12与棘轮棘爪A8啮合；摆动气缸2的输出轴3做往复转动，当输出轴3顺时针转动时，传动齿轮A12空转，当输出轴3逆时针转动时，传动齿轮A12带动传动转动，进而带动车轮18转动，机器人向前运动；前后两个摆动气缸2的输出轴3交替工作，实现机器人连续向前运动。

2、向后行走

安装在双向导轨气动爪17上的两个滑块16向内侧滑动，带动四个传动系统移动，外壳B5靠近传动齿轮A12棘轮，传动齿轮A12与棘轮棘爪B9啮合；摆动气缸2的输出轴3做往复转动，当输出轴3逆时针转动时，传动齿轮A12空转，当输出轴3顺时针转动时，传动齿轮A12带动传动转动，进而带动车轮18转动，机器人向后运动；前后两个摆动气缸2的输出轴3交替工作，实现机器人连续向后运动。

本发明设置支撑系统。一方面，在水下管道机器人采用轮式结构，主要摩擦力运动。支撑架顶住管道内壁顶部时，会给水下管道机器人反向作用力，压力增加，机器人前进的摩擦力增加，行走会更加可靠准确；另一方面，采用支撑架可以使得小车管道内部运行更加稳定。

本发明设计双摆动气缸协同工作，选用相同标准摆动角度的两个摆动气缸，设计双向棘轮机构，将摆动气缸的输出轴摆动转化为转动；同时两个摆动气缸交替运动，从而使小车连续前进。

本发明设计双摆动气缸协同工作，可以保证每次前进距离的最小单位是气缸的标准行程，在一定程度上实现了位移的精确控制。

本发明设计摆动气缸作为机器人的驱动部件，不涉及电气部件。一方面，可以将设备进水的危害降低到最小，提高了设备的稳定性；另一方面，用途更为重要的是，可以将设备用于燃气管道等易燃易爆的场景中，因为不涉及电气部件，不会因为水下管道机器人的问题引起电火花，从而引起二次灾害。

本发明通过设计双摆动气缸、双向棘轮机构协同工作，可实现天然气管道的防爆行走机器人的可靠连续运行，并且具有工作过程中稳定可靠、控制简单、易于操作的优点。