CN102979989A - 高精度蠕动式管道爬行器及其控制方法 - Google Patents

高精度蠕动式管道爬行器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了提供一种蠕动式管道爬行器，包括三个三爪机构、丝杆(P)和管道参数测量头(H)；丝杆(P)与管道参数测量头(H)之间为万向刚性连接，爪(B1)～爪(B3)形成的三爪机构与丝杆(P)为螺纹式连接，爪(A1)～爪(A3)、爪(C1)～爪(C3)形成的三爪机构与丝杆(P)均为滚轴式连接，爪(A1)～爪(A3)和爪(C1)～爪(C3)形成的三爪机构在丝杆(P)轴向不能相对位移；三个三爪机构支撑丝杆(P)并协调运动；.爬行过程不打滑，爬行进程精度高，误差＜0.1mm；爪子伸缩行程的动态范围大，可在多种不同口径的管道内爬行；爬行器爬行的步长、速率和运动方向等运动状态及其变化都能精确设定和自动控制；爬行器的轴向驱动(或牵引)力大，适用于推(或拉)动重负载；爬行器具有自定中功能。

Description

高精度蠕动式管道爬行器及其控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种高精度蠕动式管道爬行器及其控制方法。
背景技术
国内外对于管道机器人的研究比较多，如德国Zimmermann等研究的基于交变磁场实现的磁变爬行机器人和韩国Kim等开发出的应用SMA的无线控制、无线电源的微小仿蚯蚓机器人。国内对于蠕动机器人的研究主要利用SMA的形状记忆效应使机器人蠕动式前行，移动采用轮式。上述爬行器进深精度不高、难以适应不同口径的管道，工作条件要求高，适应性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种高精度蠕动式管道爬行器。
本发明的技术方案如下：
本发明首先提供一种蠕动式管道爬行器，包括三个三爪机构、丝杆(P)和管道参数测量头(H)；其中电动机(M1)驱动丝杆(P)旋转，电动机(M2)驱动爪(B1)～爪(B3)伸缩；丝杆(P)与管道参数测量头(H)之间为万向刚性连接，爪(A1)～爪(A3)、爪(B1)～爪(B3)、爪(C1)～爪(C3)为三付对称分布、可径向伸缩的三个三爪机构；爪(B1)～爪(B3)形成的三爪机构与丝杆(P)为螺纹式连接，爪(A1)～爪(A3)、爪(C1)～爪(C3)形成的三爪机构与丝杆(P)均为滚轴式连接，爪(A1)～爪(A3)和爪(C1)～爪(C3)形成的三爪机构在丝杆(P)轴向不能相对位移；三个三爪机构支撑丝杆(P)并协调运动；通过采集电动机(M1)上的高精度编码盘发出的脉冲数、经过处理和标定，实现了进深的高精度测量。
其次，本发明提供上述蠕动式管道爬行器运动的控制方法，它包括以下步骤：
第一步、电动机(M2)正转，驱动爪(B1)～爪(B3)伸出，直至爪(B1)～爪(B3)抵紧管壁，电动机(M2)停止；
第二步、电动机(M1)正转，驱动丝杆(P)旋转，由于爪(B1)～爪(B3)抵紧管壁而固定，丝杆(P)拖动爪(A1)～爪(A3)，爪(C1)～爪(C3)同步右进，直至爪(A1)～爪(A3)靠近爪(B1)～爪(B3)，电动机(M1)停止；
第三步、电动机(M2)反转，爪(B1)～爪(B3)收缩，脱离管壁；
第四步、电动机(M1)反转，丝杆驱动爪(B1)～爪(B3)右进，直至靠近爪(C1)～爪(C3)，电动机(M1)停止；完成爬行一步；
重复以上步骤即可实现爬行。
本发明具有以下优点：
1.爬行过程不打滑，爬行进程精度高，误差＜0.1mm。
2.爪子伸缩行程的动态范围大，不仅能在不同内径的管道内爬行，而且能自适应地保持爪对管壁的抵压力一致。
3.爬行器的轴向驱动(或牵引)力大，适用于推(或拉)动重负载。
4.爬行器具有自定中功能，即在径向平面内对称分布、张力均衡的三爪支撑结构可使爬行器躯干始终处于管道的中央位置。
5.爬行器爬行的步长，速率和(前后)方向均可精确设定和自动控制。
附图说明
图1为蠕动式管道爬行器结构示意图(管道剖面)；
图2为对称分布的可径向伸缩的三爪结构示意图(管道E-E剖面)；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1和图2，蠕动式管道爬行器包括三个三爪机构、丝杆P和管道参数测量头H；其中电动机M1驱动丝杆P旋转，电动机M2驱动爪B1～爪B3伸缩。丝杆P是爬行器的躯干，它与管道参数测量头H之间为万向刚性连接，爪A1～爪A3、爪B1～爪B3、爪C1～爪C3为三付对称分布的可径向伸缩的三爪机构。各个三爪机构与丝杆之间的连接方式不同。爪B1～爪B3形成的三爪机构与丝杆P为螺纹式连接，爪A1～爪A3、爪C1～爪C3形成的三爪机构与丝杆P均为滚轴式连接，爪A1～爪A3和爪C1～爪C3形成的三爪机构在丝杆P轴向不能相对位移。三个三爪机构支撑丝杆P即躯干并协调运动。依据用户要求，调用不同的控制程序，可使爬行器按不同的步长、不同的速率和不同的方向爬行；通过采集驱动电机上的高精度编码盘发出的脉冲数、经过细分处理和现场标定，实现了进深的高精度测量。
爬行器的控制方法可分解为如下四个步骤：
第一步、电动机M2正转，驱动爪B1～爪B3伸出，直至爪B1～爪B3抵紧管壁，电动机M2停止；
第二步、电动机M1正转，驱动丝杆P旋转，由于爪B1～爪B3抵紧管壁而固定，丝杆P拖动爪A1～爪A3，爪C1～爪C3同步右进，直至爪A1～爪A3靠近爪B1～爪B3，电动机M1停止；
第三步、电动机M2反转，爪B1～爪B3收缩，脱离管壁；
第四步、电动机M1反转，丝杆驱动爪B1～爪B3右进，直至靠近爪C1～爪C3，电动机M1停止。完成爬行一步。
如此周而复始地循环，爬行器就可在管道内蠕动地爬行。
依据用户要求，调用不同的控制程序，可使爬行器按不同的步长、不同的速率和不同的方向爬行。
应当理解的是，对本领域的技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种蠕动式管道爬行器，其特征在于，包括三个三爪机构、丝杆(P)和管道参数测量头(H)；其中电动机(M1)驱动丝杆(P)旋转，电动机(M2)驱动爪(B1)～爪(B3)伸缩；丝杆(P)与管道参数测量头(H)之间为万向刚性连接，爪(A1)～爪(A3)、爪(B1)～爪(B3)、爪(C1)～爪(C3)为三付对称分布、可径向伸缩的三个三爪机构；爪(B1)～爪(B3)形成的三爪机构与丝杆(P)为螺纹式连接，爪(A1)～爪(A3)、爪(C1)～爪(C3)形成的三爪机构与丝杆(P)均为滚轴式连接，爪(A1)～爪(A3)和爪(C1)～爪(C3)形成的三爪机构在丝杆(P)轴向不能相对位移；三个三爪机构支撑丝杆(P)并协调运动；通过采集电动机(M1)上的高精度编码盘发出的脉冲数并经过处理和标定，实现了进深的高精度测量。
2.权利要求1所述的蠕动式管道爬行器运动的控制方法，包括以下步骤：
第一步、电动机(M2)正转，驱动爪(B1)～爪(B3)伸出，直至爪(B1)～爪(B3)抵紧管壁，电动机(M2)停止；
第二步、电动机(M1)正转，驱动丝杆(P)旋转，由于爪(B1)～爪(B3)抵紧管壁而固定，丝杆(P)拖动爪(A1)～爪(A3)，爪(C1)～爪(C3)同步右进，直至爪(A1)～爪(A3)靠近爪(B1)～爪(B3)，电动机(M1)停止；
第三步、电动机(M2)反转，爪(B1)～爪(B3)收缩，脱离管壁；
第四步、电动机(M1)反转，丝杆驱动爪(B1)～爪(B3)右进，直至靠近爪(C1)～爪(C3)，电动机(M1)停止；完成爬行一步；
重复以上步骤即可实现爬行。
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