管道机器人的多模式麦克那姆式行动装置及辊子设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种管道机器人的多模式麦克那姆式行动装置及辊子设计方法，该行动装置包括：支架及并列安装在支架上的麦克纳姆驱动轮和全向负重轮；麦克那姆驱动轮包括：驱动轮轴、驱动轮外壳及若干辊子A；全向负重轮包括：负重轮轴、负重轮外壳及若干辊子B；麦克那姆驱动轮的若干辊子A安装在驱动轮外壳的外圆周面上，辊子A采用麦克纳姆轮式布局，即辊子A轴线与对应柱形外壳或锥形外壳的母线呈45

【技术实现步骤摘要】
管道机器人的多模式麦克那姆式行动装置及辊子设计方法


[0001]本专利技术属于麦克纳姆轮
，具体涉及一种管道机器人的多模式麦克那姆式行动装置及辊子设计方法。

技术介绍

[0002]随着社会生产力的发展，国家工业化的进步及人民生活水平的提高，越来越多的管道出现在生产与生活当中，如石油天然气管道、工业液压管道、下水管道、自来水管道、空调管道等。随着使用时间的增加，这些管道会出现阻塞，泄露，老化等问题，需要一种合适的维护工具，发生各种紧急事态时也急需一种可以在管道中穿行的运输装备。在此需求之下，各类管道机器人应运而生。
[0003]比较成熟的管道机器人往往将若干(一般为2
‑
4个)行动装置辐射状分布，如附图1和图2中所示，在圆形管道中行进时，使用变径装置将各行动装置沿管道径向向外张开，附着在管道内壁，利用内壁的摩擦力驱动机器人前进。作为与管道接触并提供驱动力的部分，行动装置往往在整个机器人中拥有较为重要的地位。
[0004]麦克纳姆轮是一种特殊的车轮，由瑞典麦克纳姆公司的工程师BentIlon于1973年专利技术，如附图3所示。这种车轮有中央的主轮和主轮外围的一圈辊子组成，这些辊子既可跟随主轮公转，又可绕自身的轮轴自转，各辊子的轮轴与主轮在相应位置的母线呈一个夹角，一般为45
°
，由于这个夹角的存在，麦克纳姆轮在运动时有平行于主轮轮轴方向的运动趋势，通过合理的结构设计与控制，便可以利用这种运动趋势使装有麦克纳姆轮的载具实现地面全向运动。
[0005]麦克纳姆轮带来的地面全向运动能力非常适合包括管道在内的狭小，复杂的环境，在管道机器人领域中有着巨大的应用空间。目前，国内外对于麦克纳姆式行动装置应用于机器人，尤其是管道机器人的研究拥有较高的热度，并产生了一定的成果，如在专利一种预制舱清洁除尘机器人(CN 218610784U，2023.03.14)中采用了麦克纳姆式驱动装置。该机器人在主体两侧各布置了两个麦克纳姆轮，各轮相互平行，通过轮轴与主体连接，通过电机进行驱动。
[0006]但是当前的麦克纳姆式行动装置都具有一些难以解决的问题：
[0007]1.目前，麦克那姆式行动装置中的麦克那姆轮往往是以圆柱面为外包络面进行设计的，这种结构致使其在行驶时必须与管壁或地面垂直，否则麦克那姆轮将不再具有全向运动的功能，同时磨损加剧。上述问题使得使用麦克那姆式行动装置的管道机器人在地面上行驶时必须将至少两个行动装置平行布置，而在管道中行驶时必须将各行动装置成夹角布置，在两种路况间转换时需要改变两个或更多行动装置的布置角度，如附图4所示。这种机器人需要额外添加控制行动装置布置角度的机构，导致体积的增大和控制难度的增加，另外，由于计算机控制不可避免的延时，这种机器人对于管道直径变化的适应能力会大幅下降，难以满足实际工作或作战的需求。
[0008]2.管道环境十分复杂，在行动中，管道机器人经常发生姿态变化，很多时候具有较
大的倾角，容易发生侧翻。发生侧翻后，现有的麦克那姆式管道机器人往往无法继续正常工作，需要人工取出后重新部署，具有很大的局限性。

技术实现思路

[0009]有鉴于此，本专利技术提供了一种管道机器人的多模式麦克那姆式行动装置及辊子设计方法，能够将柱形麦克那姆轮和锥形麦克那姆轮结合，提高行动装置的适应性。
[0010]本专利技术是通过下述技术方案实现的：
[0011]一种管道机器人的多模式麦克那姆式行动装置，包括：支架及并列安装在支架上的麦克纳姆驱动轮和全向负重轮；麦克纳姆驱动轮和全向负重轮轴线平行；
[0012]麦克那姆驱动轮包括：驱动轮轴、驱动轮外壳及若干辊子A；
[0013]全向负重轮包括：负重轮轴、负重轮外壳及若干辊子B；
[0014]驱动轮轴、负重轮轴均与支架固连；驱动轮外壳通过轴承同轴套装在驱动轮轴上，负重轮外壳通过轴承同轴套装在驱负重轮轴上；驱动轮轴通过电机驱动驱动轮外壳旋转；
[0015]驱动轮外壳和负重轮外壳均包括中间的柱形外壳和两侧的锥形外壳；
[0016]若干辊子A安装在驱动轮外壳的外圆周面上，辊子A采用麦克纳姆轮式布局，即辊子A轴线与对应柱形外壳或锥形外壳的母线呈45
°
夹角；辊子A共排列为三圈，三圈分别对应驱动轮外壳中间的柱形外壳和两侧的锥形外壳，构成了中间的柱形麦克纳姆轮和两侧的锥形麦克纳姆轮；
[0017]若干辊子B安装在负重轮外壳的外圆周面上，辊子B采用全向轮式布局，即辊子B轴线与对应的柱形外壳或锥形外壳的母线垂直。
[0018]进一步的，所述驱动轮轴的中部固定有电机定子，驱动轮外壳上固定有电机转子；电机定子和电机转子组成电机，电机工作时，电机转子带动驱动轮外壳绕驱动轮轴的轴线旋转。
[0019]一种锥形麦克那姆轮辊子的设计方法，所述锥形麦克那姆轮辊子为位于驱动轮外壳的锥形外壳处的辊子A，该设计方法的具体步骤如下：
[0020]步骤一，以O为原点建立直角坐标系Oxyz，圆锥OP为锥形麦克那姆轮的理论设计圆锥，直线m为辊子轴线，点C为与地面接触的半径最大点，该点到圆锥轴线的距离为R，R的值由总体设计决定，辊子轴线与辊子母线共面的平面为平面α，曲线AB为辊子母线，点D、E、F分别为点A、B、C在直线m上的投影，线段CF、线段DF、线段EF的长度由总体设计决定，其中，线段CF的长度决定了辊子的最大半径，线段DF和线段EF的长度决定了辊子的轴向长度；
[0021]因此，圆锥OP侧面在坐标系Oxyz中的方程为：
[0022][0023]步骤二，以C为原点，以方向为x轴正方向，以方向为y轴正方向，建立直角坐标系Cxyz，并将公式(1
‑
1)由坐标系Oxyz变换到坐标系Cxyz，得到圆锥OP侧面在坐标系Cxyz中的方程：
[0024]由坐标系Oxyz在坐标系Cxyz中的位置得到坐标变换方程：
[0025][0026]整理得：
[0027][0028]将公式(1
‑
3)带入公式(1
‑
1)，得到圆锥OP侧面在坐标系Cxyz中的方程：
[0029][0030]步骤三，由于平面α在坐标系Cxyz中的方程为：
[0031]z＝0公式(1
‑
5)
[0032]联立公式(1
‑
4)与公式(1
‑
5)，得到曲线AB，即辊子母线的方程为：
[0033][0034]根据辊子母线的方程，可得到辊子的模型。
[0035]一种管道机器人包括：主体、四个行动装置及四个变径装置；所述行动装置采用上述行动装置；
[0036]所述主体为圆柱状结构的支架，四个行动装置分别一一对应通过四个变径装置与主体连接；四个行动装置以主体为中心呈辐射状等角度分布；行动装置用于提供驱动管道机器人前进的驱动力，变径装置用于改变行动装置与主体之间的距离，以适应不同管径的管道。
[0037]进一步的，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管道机器人的多模式麦克那姆式行动装置，其特征在于，包括：支架及并列安装在支架上的麦克纳姆驱动轮和全向负重轮；麦克纳姆驱动轮和全向负重轮轴线平行；麦克那姆驱动轮包括：驱动轮轴、驱动轮外壳及若干辊子A；全向负重轮包括：负重轮轴、负重轮外壳及若干辊子B；驱动轮轴、负重轮轴均与支架固连；驱动轮外壳通过轴承同轴套装在驱动轮轴上，负重轮外壳通过轴承同轴套装在驱负重轮轴上；驱动轮轴通过电机驱动驱动轮外壳旋转；驱动轮外壳和负重轮外壳均包括中间的柱形外壳和两侧的锥形外壳；若干辊子A安装在驱动轮外壳的外圆周面上，辊子A采用麦克纳姆轮式布局，即辊子A轴线与对应柱形外壳或锥形外壳的母线呈45
°
夹角；辊子A共排列为三圈，三圈分别对应驱动轮外壳中间的柱形外壳和两侧的锥形外壳，构成了中间的柱形麦克纳姆轮和两侧的锥形麦克纳姆轮；若干辊子B安装在负重轮外壳的外圆周面上，辊子B采用全向轮式布局，即辊子B轴线与对应的柱形外壳或锥形外壳的母线垂直。2.如权利要求1所述的一种管道机器人的多模式麦克那姆式行动装置，其特征在于，所述驱动轮轴的中部固定有电机定子，驱动轮外壳上固定有电机转子；电机定子和电机转子组成电机，电机工作时，电机转子带动驱动轮外壳绕驱动轮轴的轴线旋转。3.一种锥形麦克那姆轮辊子的设计方法，所述锥形麦克那姆轮辊子为权利要求1或2中位于驱动轮外壳的锥形外壳处的辊子A，该设计方法的具体步骤如下：步骤一，以O为原点建立直角坐标系Oxyz，圆锥OP为锥形麦克那姆轮的理论设计圆锥，直线m为辊子轴线，点C为与地面接触的半径最大点，该点到圆锥轴线的距离为R，R的值由总体设计决定，辊子轴线与辊子母线共面的平面为平面α，曲线AB为辊子母线，点D、E、F分别为点A、B、C在直线m上的投影，线段CF、线段DF、线段EF的长度由总体设计决定，其中，线段CF的长度决定了辊子的最大半径，线段DF和线段EF的长度决定了辊子的轴向长度；因此，圆锥OP侧面在坐标系Oxyz中的方程为：步骤二，以C为原点，以方向为x轴正方向，以方向为y轴正方向，建立直角坐标系Cxyz，并将公式(1
‑
1)由坐标系Oxyz变换到坐标系Cxyz，得到圆锥OP侧面在坐标系Cxyz中的方程：由坐标系Oxyz在坐标系Cxyz中的位置得到坐标变换方程：整理得：
将公式(1
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3)带入公式(1
‑
1)，得到圆锥OP侧面在坐标系Cxyz中的方程：步骤三，由于平面α在坐标系Cxyz中的方程为：z＝0公式(1
‑
5)联立公式(1
‑
4)与公式(1
‑
5)，得到曲线AB，即辊子母线的方程为：根据辊子母线的方程，可得到辊子的模型。4.一种管道机器人，其特征在于，包括：主体、四个行动装置及四个变径装置；所述行动装置采用权利要求1或2的行动装置；所述主体为圆柱状结构的支...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘城，袁筝，李睿，田哲，闫清东，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：