CN105015644A - 可壁障式空间管道行走机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可壁障式空间管道行走机器人；包括对称设计的行走结构；所述行走结构通过对开爪式附着空间管道的外管壁。所述行走结构包括由伸缩电机(440)实现相互转动、连接的两个伸缩臂(300)；所述伸缩臂(300)的下端通过底座(200)设置有抓握管道、脱离管道、绕底座(200)旋转的卡爪(100)。本发明解决了机器人在直管行走遇到障碍时的翻越和空间管道上移动的问题，为高压电力、石油等管路的检测、维护和管理提供了解决方案。

Description

可壁障式空间管道行走机器人及方法

技术领域

本发明涉及一种管道爬行机器人领域，特别涉及一种可壁障式空间管道行走机器人及方法。

背景技术

外管爬行机器人一直是机器人研究的热点，外管爬行机器人能够完成许多管壁上的危险作业，极大的降低了操作风险。

已有的外管壁爬行机器人大多只能在直杆上爬行，并且要求管道上表面上无大的凸出障碍，这极大的限制了机器人的运动范围。当需要进行管道变换时需要借助人力。

目前，许多管道探测采用人工检测，如高压油液输送管道、电压输送管道等，由于作业环境危险，所以事故频发，而这些管道表面存在衔接接头，并且有的管道存在90度拐弯连接，这让现有机器人无法完成在上面的爬行工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的可壁障式空间管道行走机器人。为了解决上述技术问题，本发明提供一种可壁障式空间管道行走机器人；包括对称设计的行走结构；所述行走结构通过对开爪式附着空间管道的外管壁。

作为对本发明所述的可壁障式空间管道行走机器人的改进：所述行走结构包括由伸缩电机实现相互转动、连接的两个伸缩臂；所述伸缩臂的下端通过底座设置有抓握管道、脱离管道、绕底座旋转的卡爪。

作为对本发明所述的可壁障式空间管道行走机器人的进一步改进：所述卡爪包括条形的爪架，所述爪架的下侧设置有通过卡爪驱动电机驱动的至少两组对开式机械爪；所述爪架的上侧设置有卡爪旋转电机；该卡爪旋转电机在输出轴向上与底座相互连接。

作为对本发明所述的可壁障式空间管道行走机器人的进一步改进：所述底座包括底盘；所述底盘的上侧面设置有底座架，所述底座架通过由壁摆电机驱动的壁摆减速器与伸缩臂下端转动连接；所述底盘的下侧面设置有通过卡爪旋转电机驱动的底座减速器，底座减速器与卡爪相连接。

作为对本发明所述的可壁障式空间管道行走机器人的进一步改进：壁摆电机和壁摆减速器之间设置有离合器。

作为对本发明所述的可壁障式空间管道行走机器人的进一步改进：所述底座减速器包括爪齿轮；所述爪齿轮通过一个齿轮与底盘的下侧面内壁的齿轮之间啮合传动。

作为对本发明所述的可壁障式空间管道行走机器人的进一步改进：所述对开式机械爪的内侧壁设置有防滑垫。

一种可壁障式空间管道行方法；在空间管道上，设置一端与空间管道相固定，成为固定端Ⅰ，设置另外一端与空间管道分离，成为移动端Ⅰ；以固定端Ⅰ为支点旋转，将移动端Ⅰ运转到目标位置，再将移动端Ⅰ与空间管道相固定成为固定端Ⅱ，而固定端Ⅰ与空间管道相分离，形成移动端Ⅱ；通过固定端Ⅰ与移动端Ⅱ、移动端Ⅰ与固定端Ⅱ之间的不断旋转与切换，形成空间管道上的移动。

作为对本发明所述的可壁障式空间管道行方法的改进：所述固定端Ⅰ、固定端Ⅱ的固定方式如下：通过卡爪驱动电机驱动对开式机械爪紧闭，与空间管道相互固定；移动端Ⅰ、移动端Ⅱ的分离方式如下：在确定有一端固定的前提下，通过卡爪驱动电机驱动对开式机械爪打开，与空间管道分离。

作为对本发明所述的可壁障式空间管道行方法的进一步改进：所述固定端Ⅰ与移动端Ⅱ、移动端Ⅰ与固定端Ⅱ之间的旋转过程如下：确认固定端Ⅰ完成固定，将移动端Ⅰ与空间管道分离；以固定端Ⅰ的壁摆电机驱动该侧的伸缩臂抬升，确认移动端Ⅰ与空间管道完全分离；以固定端Ⅰ的卡爪旋转电机驱动该侧的伸缩臂以卡爪为圆心进行角度旋转，运行到需要前进的方向；通过伸缩电机驱动移动端Ⅰ一侧的伸缩臂运转，运转到需要前进的距离；以移动端Ⅰ的卡爪旋转电机驱动该侧的伸缩臂以卡爪为圆心进行角度旋转，将卡爪旋转到需要固定的空间管道的平行方向；以固定端Ⅰ的壁摆电机驱动该侧的伸缩臂下压，同时移动端Ⅰ的离合器分离，通过卡爪驱动电机驱动对开式机械爪与空间管道之间抓握，后移动端Ⅰ的离合器结合，形成固定端Ⅱ；完成固定端Ⅰ与移动端Ⅱ、移动端Ⅰ与固定端Ⅱ之间的切换之后，循环以上步骤。

本发明的可壁障式空间管道行走机器人及方法采用的是对称设计的行走结构，其构造简单，维护保养成本低廉。虽然结构简单，但是其实现的行走方式充分的拟人化，通过关节之间的旋转等配合，实现在空间管道环境下的各种障碍物跨越。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中卡爪100的主要结构示意图；

图3是图1中底座200的主要结构示意图；

图4是图3中底盘220的下侧面结构示意图；

图5是图1在运动流程示意图。

具体实施方式

实施例1、图1～图5给出了一种可壁障式空间管道行走机器人与方法；可壁障式空间管道行走机器人包括卡爪100、底座200、伸缩臂300、驱动电机(包括伸缩电机440、壁摆电机430、卡爪驱动电机410、底座旋转电机420)、减速器、离合器600、控制器。

本发明的可壁障式空间管道行走机器人由两个伸缩臂300构成行走结构，采用近似对称设计的方式进行设置，而其下端通过设置卡爪100实现开爪式附着外管壁，并以此完成前进或者后退的各种运动。

如图1所示，在本发明中，采用两个伸缩臂300，为了表述清楚，将其分别表述为主伸缩臂和副伸缩臂；主伸缩臂和副伸缩臂之间通过伸缩电机440相互连接，并且，通过伸缩电机440驱动，使得主伸缩臂和副伸缩臂之间能够完成相对的转动。通过主伸缩臂和副伸缩臂之间的相对转动，实现本发明的机器人前行或者后退，进一步的可以控制本发明机器人的行走距离。壁摆电机440通过壁摆减速器510驱动伸缩臂绕底座架进行旋转运动。

底座200包括底盘220，在底盘220上设置有底座架210，通过底座架210与伸缩臂300的下端转动连接，而底盘220还设置由壁摆电机430、壁摆减速器510、离合器600构成的动力系统，该壁摆电机430通过壁摆减速器510驱动设置在底座架210上的伸缩臂300绕底座架210进行旋转运动；而壁摆电机430和壁摆减速器510之间设置离合器600，离合器600用于壁摆电机430与壁摆减速器510之间结合与分离。当离合器600结合时，壁摆电机430可控制伸缩臂转动；当离合器600分离时，伸缩臂自由摆动不受壁摆电机430的控制。

卡爪100如如图2所示，用于固定机器人。卡爪100包括条形的爪架110，爪架110的下侧设置有至少两组对开式机械爪130；而爪架110上还设置有底座旋转电机420、卡爪驱动电机410，卡爪驱动电机410驱动对开式机械爪130握紧或放松，实现卡爪100跟空间管道之间的的固定与分离；底座旋转电机420可以驱动卡爪100绕底座200进行360度旋转(底座旋转电机420通过底座减速器520驱动底座200和卡爪100之间的相对旋转运动)，其输出轴向上，通过底座减速器520与底盘220相连接。底座减速器520为底盘220的下侧面设置的带内齿轮的槽，底座旋转电机420的输出轴上设置有爪齿轮120，该爪齿轮120在底盘220的下侧面的槽内，并通过设置一个齿轮实现与其内齿轮之间啮合传动。

控制器可安装在主伸缩臂的底座200或副伸缩臂的底座200上。控制器控制驱动电机、离合器500的工作，包括对驱动电机旋转方向、转速、转角的控制；离合器500的结合、分离控制。控制器的控制主体芯片可以是单片机或者PLC控制器。根据作业环境，控制器可以做成无线传输集成电源式和有线传输脱离供电式。无线传输集成电源式是指：控制器里面集成了机器人的工作的供电电源，采用无线传输的方式与操作人员交流控制数据；有线传输脱离供电式：控制器不包含电源，通过有线传输的方式给机器人供电和传送数据。

可壁障式空间管道行走机器人移动动作：主伸缩臂和副伸缩臂

1.直管行走：初始条件如图5(a)所示，首先，副伸缩臂底座200上的卡爪100打开，主伸缩臂和副伸缩臂产生相对运动使得副伸缩臂底座200上的卡爪100离开管壁。

然后，主伸缩臂和副伸缩臂舒展，增大主伸缩臂底座200和副伸缩臂底座200之间的相对距离，到达图5(b)所示位置，同时副伸缩臂底座200绕副伸缩臂转动调整位置使得副伸缩臂底座200上的卡爪100与管道轴线平行，当卡爪100再次贴上管壁后卡爪100抱紧。

之后，主伸缩臂底座200的卡爪100打开，主伸缩臂和副伸缩臂产生相对运动使得主伸缩臂底座200的卡爪100离开管壁，同时主伸缩臂和副伸缩臂收缩，减小主伸缩臂底座200和副伸缩臂底座200相对距离，同时副伸缩臂底座200绕副伸缩臂转动调整位置使得主伸缩臂底座200上的卡爪100与管道轴线平行，当卡爪100再次贴上管壁后卡爪100抱紧。运动完成后如图5(c)。

2.空间管行走：初始条件如图所示5(d)，副伸缩臂底座200上的卡爪100打开，主伸缩臂和副伸缩臂产生相对运动使得副伸缩臂底座200上的卡爪100离开管壁。

然后，主伸缩臂和副伸缩臂舒展，增大主伸缩臂底座200和副伸缩臂底座200相对距离，到达如图5(e)所示位置，同时主伸缩臂底座200绕其卡爪100旋转；旋转到一定位置后副伸缩臂底座200绕副伸缩臂转动、副伸缩臂底座200上的卡爪100绕副伸缩臂底座200转动，使得卡爪100轴线与管道轴线平行，当卡爪100再次贴上管壁后卡爪100抱紧。

之后，主伸缩臂底座200卡爪100打开，主伸缩臂和副伸缩臂产生相对运动使得主伸缩臂底座200上的卡爪100离开管壁，同时主伸缩臂和副伸缩臂收缩，减小主伸缩臂底座200和副伸缩臂底座200相对距离。

接着，副伸缩臂底座200绕其卡爪100转动使得主伸缩臂和副伸缩臂所在的平面过目标管道的所在位置的切线，后主伸缩臂底座200上的卡爪100转动使得卡爪100轴线与目标位置管道平行。最后当主伸缩臂底座200上的卡爪100再次贴上管壁后卡爪100抱紧。运动完成后如图5(f)。

以上所述的过程中，机器人各关节的相对调整均通过驱动电机(包括伸缩电机440、壁摆电机430、卡爪驱动电机410、底座旋转电机420)进行，；主伸缩臂底座200的卡爪100通过卡爪驱动电机410驱动对开式机械爪130与空间管道固定，此时，为固定端Ⅰ，主伸缩臂底座200的卡爪100通过卡爪驱动电机410驱动对开式机械爪130与空间管道分离，此时，为移动端Ⅱ；副伸缩臂底座200的卡爪100通过卡爪驱动电机410驱动对开式机械爪130与空间管道固定，此时，为固定端Ⅱ，副伸缩臂底座200的卡爪100通过卡爪驱动电机410驱动对开式机械爪130与空间管道分离，此时，为移动端Ⅰ。通过固定端Ⅰ与移动端Ⅱ、移动端Ⅰ与固定端Ⅱ之间的切换与循环，实现本发明所述的空间管道运动。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可壁障式空间管道行走机器人；其特征是：包括对称设计的行走结构；

所述行走结构通过对开爪式附着空间管道的外管壁。

2.根据权利要求1所述的可壁障式空间管道行走机器人，其特征是：所述行走结构包括由伸缩电机(440)实现相互转动、连接的两个伸缩臂(300)；

所述伸缩臂(300)的下端通过底座(200)设置有抓握管道、脱离管道、绕底座(200)旋转的卡爪(100)。

3.根据权利要求2所述的可壁障式空间管道行走机器人，其特征是：所述卡爪(100)包括条形的爪架(110)，所述爪架(110)的下侧设置有通过卡爪驱动电机(410)驱动的至少两组对开式机械爪(130)；

所述爪架(110)的上侧设置有卡爪旋转电机(420)；

该卡爪旋转电机(420)在输出轴向上与底座(200)相互连接。

4.根据权利要求3所述的可壁障式空间管道行走机器人，其特征是：所述底座(200)包括底盘(220)；

所述底盘(220)的上侧面设置有底座架(210)，所述底座架(210)通过由壁摆电机(430)驱动的壁摆减速器(510)与伸缩臂(300)下端转动连接；

所述底盘(220)的下侧面设置有通过卡爪旋转电机(420)驱动的底座减速器(520)，底座减速器(520)与卡爪(100)相连接。

5.根据权利要求4所述的可壁障式空间管道行走机器人，其特征是：壁摆电机(430)和壁摆减速器(510)之间设置有离合器(600)。

6.根据权利要求5所述的可壁障式空间管道行走机器人，其特征是：所述底座减速器(520)包括爪齿轮(120)；所述爪齿轮(120)通过一个齿轮与底盘(220)的下侧面内壁的齿轮之间啮合传动。

7.根据权利要求6所述的可壁障式空间管道行走机器人，其特征是：所述对开式机械爪(130)的内侧壁设置有防滑垫。

8.一种可壁障式空间管道行方法；其特征是：在空间管道上，设置一端与空间管道相固定，成为固定端Ⅰ，设置另外一端与空间管道分离，成为移动端Ⅰ；

以固定端Ⅰ为支点旋转，将移动端Ⅰ运转到目标位置，再将移动端Ⅰ与空间管道相固定成为固定端Ⅱ，而固定端Ⅰ与空间管道相分离，形成移动端Ⅱ；

通过固定端Ⅰ与移动端Ⅱ、移动端Ⅰ与固定端Ⅱ之间的不断旋转与切换，形成空间管道上的移动。

9.根据权利要求8所述的可壁障式空间管道行方法，其特征是：所述固定端Ⅰ、固定端Ⅱ的固定方式如下：

通过卡爪驱动电机(410)驱动对开式机械爪(130)紧闭，与空间管道相互固定；

移动端Ⅰ、移动端Ⅱ的分离方式如下：

在确定有一端固定的前提下，通过卡爪驱动电机(410)驱动对开式机械爪(130)打开，与空间管道分离。

10.根据权利要求9所述的可壁障式空间管道行方法，其特征是：所述固定端Ⅰ与移动端Ⅱ、移动端Ⅰ与固定端Ⅱ之间的旋转过程如下：

确认固定端Ⅰ完成固定，将移动端Ⅰ与空间管道分离；

以固定端Ⅰ的壁摆电机(430)驱动该侧的伸缩臂(300)抬升，确认移动端Ⅰ与空间管道完全分离；

以固定端Ⅰ的卡爪旋转电机(420)驱动该侧的伸缩臂(300)以卡爪(100)为圆心进行角度旋转，运行到需要前进的方向；

通过伸缩电机(440)驱动移动端Ⅰ一侧的伸缩臂(300)运转，运转到需要前进的距离；

以移动端Ⅰ的卡爪旋转电机(420)驱动该侧的伸缩臂(300)以卡爪(100)为圆心进行角度旋转，将卡爪(100)旋转到需要固定的空间管道的平行方向；

以固定端Ⅰ的壁摆电机(430)驱动该侧的伸缩臂(300)下压，同时移动端Ⅰ的离合器(600)分离，通过卡爪驱动电机(410)驱动对开式机械爪(130)与空间管道之间抓握，后移动端Ⅰ的离合器(600)结合，形成固定端Ⅱ；

完成固定端Ⅰ与移动端Ⅱ、移动端Ⅰ与固定端Ⅱ之间的切换之后，循环以上步骤。