一种单驱动伸缩式管内机器人
阅读说明：本技术 一种单驱动伸缩式管内机器人 (Single-drive telescopic in-pipe robot ) 是由 李春国 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种单驱动伸缩式管内机器人,所述机器人包含转子、前支撑、后支撑、前导向、后导向和电机。一个电机驱动转子转动,转动一圈为一个周期。在转动的前半个周期内,前支撑处于支撑状态,支撑到管内壁面,后支撑处于非支撑状态,前支撑收缩并驱动转子前进,转子驱动后支撑收缩。在后半个周期内,后支撑处于支撑状态,支撑在管内壁面,前支撑处于非支撑状态,后支撑伸展并驱动转子前进,转子驱动前支撑伸展。在一个周期内,前支撑和后支撑实现一次收缩和伸展,机器人在管内前进一步,在这个过程中,可对管道进行检测和维护清理。(The invention discloses a single-drive telescopic in-pipe robot which comprises a rotor, a front support, a rear support, a front guide, a rear guide and a motor. A motor drives the rotor to rotate, and one rotation is a period. In the first half period of rotation, the front support is in a supporting state and supports the inner wall surface of the pipe, the rear support is in a non-supporting state, the front support contracts and drives the rotor to advance, and the rotor drives the rear support to contract. In the second half period, the rear support is in a supporting state and is supported on the inner wall surface of the pipe, the front support is in a non-supporting state, the rear support extends and drives the rotor to move forwards, and the rotor drives the front support to extend. In a period, the front support and the rear support are contracted and extended once, the robot advances one step in the pipe, and in the process, the pipeline can be detected, maintained and cleaned.)
技术领域
本发明涉及一种单驱动伸缩式管内机器人，属于机械领域。
背景技术
管道被大量应用于各个行业，在使用过程中，需要对管道进行检测和维护。比如管式换热器被广泛应用于循环水冷却，特别是火电厂的凝汽器，就是由大量直径20mm左右、长度20m左右的管束构成，由于流体含有杂质，长期在管内流动会导致管内壁面出现污垢，影响换热效率，降低机组的经济性。对于这类较长且直径较小的管道的检测和清理难度很高。
发明内容
本发明要解决的问题在于提供一种单驱动伸缩式管内机器人，可用于10-50mm较小直径管内进行检测和维护。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种单驱动伸缩式管内机器人，包含转子、前支撑、后支撑、前导向、后导向和电机。
所述转子，包含前伸缩槽、后伸缩槽、前键轴、后键轴。前伸缩槽和后伸缩槽结构相同，均为绕转子表面的闭环槽道。闭环槽道由两段方向相反的螺旋槽道封闭形成，在两个连接处分别为一小段环形槽道。前键轴和后键轴分别为一段带键的轴，位于转子的外端，用于安装前支撑和后支撑。前键轴和后键轴的外端为光轴，用于固定安装前导向和后导向。
所述后支撑，包含驱动结构、支撑结构、支撑驱动爪和壳体。后支撑安装在转子后端的键轴上。
所述驱动结构为圆柱形状，安装在转子的前键轴上，随轴旋转，并可轴向运动。圆柱表面有两道闭环槽道，分别为轴向同步槽和支撑驱动槽。轴向同步槽为环形槽道。支撑驱动槽为两段轴向位置不同的环形槽拼接而成，在两个拼接处采用螺旋过渡和圆角过渡进行光顺。
所述支撑结构，包含径向滑块、轴向滑块和工字型连接件。工字型连接件的两端分别安装在径向滑块和轴向滑块的凹槽内。轴向滑块做轴向运动，进而通过工字型连接件驱动径向滑块在壳体底部的径向槽内沿径向方向运动。
所述支撑驱动爪，安装在驱动结构和支撑结构的轴向滑块之间，爪头置于驱动结构的支撑驱动槽内。转子带动驱动结构旋转的时候，支撑驱动槽驱动支撑驱动爪轴向运动，进而驱动支撑结构的轴向滑块做轴向运动，进而通过工字型连接件驱动径向滑块在壳体底部的径向槽内径向运动。径向滑块径向运动到最外端时，顶着管内壁面，则支撑固定，处于支撑状态，径向滑块径向运动到最内端时，离开管内壁面，则支撑处于非支撑状态，可以前后移动。
所述壳体为桶状，内壁有轴向同步爪和伸缩驱动爪，分别靠近底部和开口处。轴向同步爪伸入驱动结构的轴向同步槽内，实现后支撑整体的轴向同步运动，并且不影响后支撑旋转部件的转动。伸缩驱动爪伸入转子的伸缩驱动槽内，实现伸缩爬行，当支撑固定的时候，支撑驱动转子前进，当支撑不固定的时候，转子驱动支撑收缩和伸展。壳体底部有径向槽，用于支撑结构的径向滑块在槽内径向运动。
所述前支撑，与后支撑结构相同，安装在转子的前键轴上，相对于转子中间为中心，对称布置。
所述前导向和后导向，结构相同，包含导向架和导向轮，分别安装在前支撑和后支撑的外端，并且有一段距离，用来容纳前、后支撑的伸缩运动。导向轮安装在导向架上，圆周方向均布3个，导向轮与管内壁面接触且有一定的挤压力，导向轮可旋转，允许机器人在管内沿轴向运动，并且阻止机器人在管内沿周向旋转运动。
所述电机，安装在后支撑外侧的后导向的导向架上，给整个机器人提供动力，电机轴与转子的轴连在一起。
本发明利用上述方案，通过电机驱动转子旋转，在转动一圈的周期内，实现一次伸缩前进：
前半个周期内，前支撑的支撑驱动槽在随转子旋转时驱动轴向滑块朝前运动，轴向滑块通过工字型连接件驱动径向滑块沿着前支撑壳体底部的径向槽径向朝外运动，最后径向滑块顶在管内壁面上，此时前支撑固定；同时后支撑的支撑驱动槽在旋转时驱动轴向滑块朝前运动，轴向滑块通过工字型连接件驱动径向滑块沿着后支撑壳体底部的径向槽径向朝内运动，径向滑块远离管内壁面，此时后支撑不固定。在保持前支撑固定、后支撑不固定的状态下，转子继续转动，通过前、后伸缩槽驱动前、后支撑轴向相互收缩靠拢，即前支撑不动，前伸缩槽驱动转子向前运动一步，后伸缩槽驱动后支撑向前运动一步；
后半个周期内，后支撑的支撑驱动槽在旋转时驱动轴向滑块朝后运动，轴向滑块通过工字型连接件驱动径向滑块沿着后支撑壳体底部的径向槽径向朝外运动，最后径向滑块顶在管内壁面上，此时后支撑固定；同时前支撑的支撑驱动槽在旋转时驱动轴向滑块朝后运动，轴向滑块通过工字型连接件驱动径向滑块沿着前支撑壳体底部的径向槽径向朝内运动，径向滑块远离管内壁面，此时前支撑不固定。在保持后支撑固定、前支撑不固定的状态下，转子继续转动，通过前、后伸缩槽驱动前、后支撑轴向相互伸开远离，即后支撑不动，后伸缩槽驱动转子向前运动一步，前伸缩槽驱动前支撑向前运动一步。
本发明采用一个电机，结构简单，可靠性高。传动部件考虑了弹簧高频率工作下的寿命问题以及微小尺寸的齿轮寿命和传动力小的问题，摒弃了齿轮和弹簧，在水环境下也可长期稳定运行。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
附图1是本发明实施例中的机器人。
附图2是本发明实施例中的机器人内部图。
附图3是本发明实施例中的机器人导向。
附图4是本发明实施例中的机器人转子。
附图5是本发明实施例中的机器人的后支撑。
附图6是本发明实施例中的后支撑的壳体。
附图7是本发明实施例中的后支撑的支撑机构。
附图8是本发明实施例中的后支撑的支撑机构的轴向滑块。
附图9是本发明实施例中的后支撑的支撑机构的工字型连接件。
附图10是本发明实施例中的后支撑的驱动结构。
附图11是本发明实施例中的后支撑的支撑驱动爪。
附图12是本发明实施例中的机器人的前支撑。
附图13是本发明实施例中的前支撑的壳体。
附图14是本发明实施例中的前支撑的支撑机构。
附图15是本发明实施例中的前支撑的支撑机构的轴向滑块。
附图16是本发明实施例中的前支撑的支撑机构的工字型连接件。
附图17是本发明实施例中的前支撑的驱动结构。
附图18是本发明实施例中的前支撑的支撑驱动爪。
附图19是本发明实施例中的所有驱动槽在一个伸缩周期的展开图。
图中：1-转子；2-前支撑；3-前导向；4-后支撑；5-后导向；6-电机；7-导向架；8-导向轮；9-前伸缩槽；10-前键轴；11-后伸缩槽；12-后键轴；13-壳体；14-驱动结构；15-支撑驱动爪；16-支撑结构；17-伸缩驱动爪；18-轴向同步爪；19-径向槽；20-轴向滑块；21-工字型连接件；22-径向滑块；23-支撑驱动槽；24-轴向同步槽；25-爪头；33-壳体；34-驱动结构；35-支撑驱动爪；36-支撑结构；37-伸缩驱动爪；38-轴向同步爪；39-径向槽；40-轴向滑块；41-工字型连接件；42-径向滑块；43-支撑驱动槽；44-轴向同步槽；45-爪头；50-前支撑段；51-收缩段；52-后支撑段；53-伸展段。
具体实施方式
如图1和图2所示的机器人，包含转子1、前支撑2、前导向3、后支撑4、后导向5和和电机6。前支撑2和后支撑4分别安装在转子1的中部靠前和靠后位置。前导向3和后导向4分别安装在前支撑2和后支撑4的外端，并且距离一段距离，用来容纳前、后支撑的伸缩运动。
前导向3和后导向4的结构相同，包含导向架7和导向轮8，如图3所示，圆周方向均布的3个导向轮8安装在导向架7上，导向轮8与管内壁面保持接触且有一定的挤压力，可旋转允许机器人在管内沿轴向运动，并且阻止机器人在管内沿周向运动。
如图4所示的机器人转子1，包含前伸缩槽9、后伸缩槽11、前键轴10、后键轴12。前伸缩槽和9后伸缩槽11均为绕转子表面的闭环槽道。槽道由两段方向相反的螺旋槽道封闭形成，两个连接处均为一小段环形槽道，将其沿周向展开后，如图19所示。前键轴和后键轴分别为一段带键的轴，位于转子的外端，用于安装前支撑和后支撑。
如图5所示的机器人的后支撑4，包含壳体13、驱动结构14、支撑驱动爪15和支撑结构16。壳体13包含伸缩驱动爪17、轴向同步爪18和底部的径向槽19，如图6所示。支撑结构16包含轴向滑块20、工字型连接件21和径向滑块22，如图7所示。轴向滑块20如图8所示。工字型连接件21如图10所示，两端分别安装在轴向滑块20和径向滑块22的凹槽内。轴向滑块20轴向运动时，通过工字型连接件21驱动径向滑块22沿着壳体13底部的径向槽19沿径向方向运动。
如图10所示的后支撑4的驱动结构14，为圆柱状，表面有两道闭环槽到，分别为支撑驱动槽23和轴向同步槽24。支撑驱动槽23为两段轴向位置不同的环形槽道连接而成，连接处采用螺旋和圆弧过渡，将其沿周向展开后，如图19所示。轴向同步槽24为环形槽道，壳体13的轴向同步爪18伸入槽内，壳体13轴向运动时，支撑驱动结构14则同步轴向运动，同时支撑驱动结构14的旋转运动不会影响壳体13。
如图11所示的是后支撑的支撑驱动爪15，安装在驱动结构14和支撑结构16之间，如图5所示。爪头25伸入驱动结构14的支撑驱动槽23内。当驱动结构14旋转的时候，爪头25在支撑驱动槽23内运动到靠近支撑结构16的环形槽段内的过程中，支撑驱动爪15顶着轴向滑块20轴向向后运动，进一步通过工作工字型连接件21顶着径向滑块22沿着壳体13底部的径向槽19径向朝外运动，最后滑块22顶着管内壁面，则后支撑4处于支撑状态；当驱动结构14继续旋转，爪头25在支撑驱动槽23内运动到远离支撑结构16的环形槽段内时，支撑驱动爪15拉着轴向滑块20轴向往前运动，进一步通过工作工字型连接件21拉着径向滑块22沿着壳体13底部的径向槽19径向朝内运动，滑块19远离管内壁面，则后支撑4处于非支撑状态；
前支撑2的结构和工作原理与后支撑4相同，布置方向相反，如图12所示，同样包含壳体33、驱动结构34、驱动爪35和支撑结构36。壳体33包含伸缩驱动爪37、轴向同步爪38和底部的径向槽39，如图13所示。支撑结构36如图14所示，包含轴向滑块40、工字型连接件41和径向滑块42。轴向滑块40如图15所示。工字型连接件41如图16所示。驱动结构34如图17所示，有支撑驱动槽43和轴向同步槽44。驱动爪35如图18所示。
本发明完整的工作原理和过程如下：
如图19所示，将前伸缩槽9、后伸缩槽11、前支撑2的支撑驱动槽43和后支撑4的支撑驱动槽23沿圆周方向一个旋转周期360°展开，一个周期分成4个过程段：前支撑段50、收缩段51、后支撑段52、伸展段53。
在前支撑段50：前支撑2的支撑驱动槽43驱动爪头45向前运动，进一步通过支撑驱动爪35驱动支撑结构36的轴向滑块40向前运动，进一步通过工字型连接件41驱动径向滑块42沿着壳体33底部的径向槽39径向滑动到最外端，径向滑块42顶着管内壁面，则前支撑2处于支撑状态，不可轴向移动。同时，后支撑4的支撑驱动槽23驱动爪头25向前运动，进一步通过支撑驱动爪15驱动支撑结构16的轴向滑块20向前运动，进一步通过工字型连接件21驱动径向滑块22沿着壳体13底部的径向槽19径向滑动到最内端，径向滑块22远离管内壁面，则后支撑2处于非支撑状态，可轴向移动。在这个过程段，前伸缩槽9和后伸缩槽11没有作用力。
在收缩段51：前支撑2保持支撑状态，不可轴向移动，后支撑4保持非支撑状态，可轴向移动。在转子1旋转时，前支撑2壳体33上的伸缩驱动爪37在转子1的前伸缩槽9内运动，由于前支撑固定，则驱动转子1向前运动。同时，由于后支撑4可前后移动，在转子1旋转时，后伸缩槽11驱动伸入槽内的伸缩驱动爪17向前运动，即驱动后支撑壳体13向前运动，由于壳体13的轴向同步爪18在后支撑4的支撑驱动结构15的轴向同步槽24内，即驱动支撑驱动结构15同步向前运动，进一步通过支撑驱动槽23驱动支撑驱动爪15同步向前运动，进一步驱动支撑结构16同步向前运动，也就是后支撑4整体向前运动。在这个阶段，前支撑2的支撑驱动槽43和后支撑4的支撑驱动槽23没有作用力，即不工作。
在后支撑段52：前支撑驱动槽43和后支撑驱动槽23的作用与前支撑段50相反，结果是前支撑2变为非支撑状态，可轴向移动，后支撑4处于支撑状态，不可轴向移动。
在伸展段53：前伸缩9和后伸缩槽11的作用与收缩段51相反。即使前支撑2伸展开整体向前运动，后支撑4伸展开驱动转子1向前运动。在这个阶段，前支撑2的支撑驱动槽43和后支撑4的支撑驱动槽23没有作用力，即不工作。
上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的创新点所为的等效实施或者变更，均应包含在专利范围内。
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