CN107606383A - 一种单作用气动锁止式柔性管内机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单作用气动锁止式柔性管内机器人及其工作方法。本发明所述单作用气动锁止式柔性管内机器人，通过采用气管将动力源与后支撑机构连接，采用弹簧与气管的组合将前后支撑机构连接，极大地增强了机器人的柔性，使刚性单元(前支撑机构、后支撑机构)尺寸得到了很好的限制；更好的适应管道系统中弯道与分叉口的工作要求。

Description

一种单作用气动锁止式柔性管内机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种单作用气动锁止式柔性管内机器人及其工作方法，属于管内机器人的技术领域。

背景技术

随着现代化工业技术的发展，各种粗细不均、蜿蜒迂回的管路大量存在于石油化工、制冷、核发电和居民日常生活等领域。管内机器人研究技术的发展为管道内部的检测与维修提供了新的途径。管道机器人研制的根本意义在于可以实现管道的穿缆、内窥检测及简单的疏通清理工作；以及改善当前疏通管道时工人恶劣的工作环境、降低工人的劳动强度、保障工人的人身安全和提高排水管道清理的效率。管内机器人也可应用于其他领域如:可以检测管道的老化、破裂、腐蚀和机械损伤、焊缝品质情况；可以在恶劣环境下进行管道的清扫、焊接、内部抛光等维护工作；应用于核反应堆的管道的清扫和维护工作,减少对工作人员的核伤害；以及应用于海洋和陆上油气输送管道方面检测和维护工作等。

虽然管内机器人领域已有许多研究成果，关于管内机器人进入管道内部进行检测与维修的成功案例也多见报道，但大部分仍仅适用于直管、或与管内机器人自身长度相比而言拐弯半径较大的管道环境。然而，实际的管道系统中并不仅仅存在着竖直与水平的直管，与之并存的还有许许多多的弯道与分岔口，这些弯道的存在将直管连接成为一个复杂的管道系统。现有技术中的管内机器人在通过管道弯曲部分时存在刚性单元尺寸大、与管道贴合不充分无法实现有效驱动、动力单元多且控制复杂、拖拽线缆过弯道而导致负载急剧上升等技术问题；无法很好的适应管道系统中弯道的工作要求；例如，中国专利CN105715905A公开了一种螺旋行走方式管内机器人，该机器人是采用螺旋行走方式解决管内机器人容易偏移或侧翻等问题；但是其整体结构依然为刚性结构，可能依然无法克服现有技术中的上述问题。

如何使管内机器人更好地适应弯曲管道工作，成为突破该领域瓶颈的关键所在。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种单作用气动锁止式柔性管内机器人。

本发明还提供一种上述柔性管内机器人的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种单作用气动锁止式柔性管内机器人，包括能源模块和通过伸缩机构连接的后支撑机构、前支撑机构；

所述能源模块包括电机、气囊和气泵；

所述后支撑机构包括第一圆锥台和设置在第一圆锥台圆周上的第一活塞；所述第一活塞的活塞杆连接有第一楔块；

所述伸缩机构包括伸缩弹簧及包覆在伸缩弹簧外侧的第二气管；

所述前支撑机构包括第二圆锥台和设置在第二圆锥台圆周上的第二活塞；所述第二活塞的活塞杆连接有第二楔块；

所述气泵依次通过第一气管、第一活塞的气缸、第二气管与第二活塞的气缸连通；第一活塞的气缸与第二气管之间设置有第一节气门；第二活塞的气缸与第二气管之间设置有第二节气门。

根据本发明优选的，所述能源模块还包括电池或无线能量传输模块。电池和无线能量传输模块为能源模块提供能量。

进一步优选的，所述电机、气泵和无线能量传输模块包裹在所述气囊内。以防在移动过程中与管壁发生刚性碰撞。

根据本发明优选的，所述后支撑机构包括三个第一活塞；三个第一活塞等间隔地设置在第一圆锥台的圆周上；所述前支撑机构包括三个第二活塞；三个第二活塞等间隔地设置在第二圆锥台的圆周上。

根据本发明优选的，所述第一楔块滑动设置在第一圆锥台的锥面上；所述第二楔块滑动设置在第二圆锥台的锥面上。

根据本发明优选的，所述第一节气门和第二节气门均为设置在气管管壁上的凸起结构。第一节气门和第二节气门防止气体快速进入下侧管路。

根据本发明优选的，所述第一节气门和第二节气门均为电控阀门。

一种上述柔性管内机器人的工作方法，包括步骤如下：

1)电机不工作，仅气囊内充满气体，使气囊膨胀支撑于管道内壁；弹簧处于自由状态；第一楔块和第二楔块也均处于自由状态，可沿第一圆锥台自由滑动；

2)电机正向旋转，驱动气泵将气囊内的气体通过第一气管压入第一活塞的气缸内，进而推动第一活塞的活塞杆及第一楔块向第一圆锥台的大端上移；最终第一楔块与管壁产生接触；在第一节气门的作用下气体先充满第一活塞的气缸，然后逐步进入第二气管；

3)第二气管在气体的作用下克服弹簧的作用力使弹簧伸直；在此过程中，后支撑机构中的第一楔块与管壁紧贴，当第一圆锥台的锥角满足自锁条件时，第一楔块与管壁锁止；在第二节气门的作用下气体未完全充满第二活塞的气缸，第二楔块沿管道滑动，前支撑机构在伸缩机构的推动下向前运动；另一方面前支撑机构中第二圆锥台受到的作用力是向前的，即使第二活塞的气缸被高压气体充满，第二楔块也只能沿管道滑动而无法锁止固定。

4)气体充满第二活塞的气缸后电机反向旋转，气泵将气体从机器人本体中抽回至气囊中，第一楔块与管壁解锁；然后伸缩机构在弹簧收缩力的作用下开始收缩，的前支撑机构受到弹簧向后的拉力，第二楔块与管壁锁止，保持不动，弹簧带动后支撑机构及能源模块向前移动；在此过程中，第一节气门和第二节气门保证气泵的抽气顺序依次为第一活塞的气缸、第二气管、第二活塞的气缸；

5)电机继续反向旋转，最后将第二活塞的气缸内的气体抽回气囊中；

6)重复步骤1)～5)实现机器人的在管道内的移动。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述单作用气动锁止式柔性管内机器人，通过采用气管将动力源与后支撑机构连接，采用弹簧与气管的组合将前后支撑机构连接，极大地增强了机器人的柔性，使刚性单元(前、后支撑机构)尺寸得到了很好的限制；更好的适应管道系统中弯道与分叉口的工作要求；

2.本发明所述单作用气动锁止式柔性管内机器人，将电机的刚性转动转化为气缸的柔性伸缩，完成了电力动力向气动能量形式的转化，使楔块与管壁的贴合在具备足够驱动力的同时获得更好的自适应性；

3.本发明所述单作用气动锁止式柔性管内机器人，通过一条连通的气管实现了前后支撑机构和伸缩机构的动力传输和单元间的连接，结构紧凑可靠；

4.本发明所述单作用气动锁止式柔性管内机器人，借助无线能量传输技术实现了管内机器人的无缆化，大幅减少了机器人需要牵引的负载。

附图说明

图1为本发明所述单作用气动锁止式柔性管内机器人的结构示意图；

图2为实施例1步骤1)中机器人的状态示意图；

图3为实施例1步骤2)中机器人的状态示意图；

图4为实施例1步骤3)中机器人的状态示意图；

图5为实施例1步骤4)中机器人的第二楔块与管壁锁止状态示意图；

图6为实施例1步骤4)中机器人的后支撑机构及能源模块向前移动的状态示意图；

其中，1、能源模块；1-1、电机；1-2、气囊；1-3、气泵；1-4、第一气管；1-5、无线能量传输模块；2、后支撑机构；2-1、第一圆锥台；2-2、第一节气门；2-3、第一活塞的气缸；2-4、第一活塞的活塞杆；2-5、第一楔块；3、伸缩机构；3-1、弹簧；3-2、第二气管；4、前支撑机构；4-1、第二圆锥台；4-2、第二节气门；4-3、第二活塞的气缸；4-4、第二活塞的活塞杆；4-5、第二楔块。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1所示。

一种单作用气动锁止式柔性管内机器人，包括能源模块1和通过伸缩机构3连接的后支撑机构2、前支撑机构4；

所述能源模块1包括电机1-1、气囊1-2和气泵1-3；

所述后支撑机构2包括第一圆锥台2-1和设置在第一圆锥台2-1圆周上的第一活塞；所述第一活塞的活塞杆2-4连接有第一楔块2-5；

所述伸缩机构2包括伸缩弹簧3-1及包覆在伸缩弹簧3-1外侧的第二气管3-2；

所述前支撑机构4包括第二圆锥台4-1和设置在第二圆锥台4-1圆周上的第二活塞；所述第二活塞的活塞杆4-4连接有第二楔块4-5；

所述气泵1-3依次通过第一气管1-4、第一活塞的气缸2-3、第二气管3-2与第二活塞的气缸4-3连通；第一活塞的气缸2-3与第二气管3-2之间设置有第一节气门2-2；第二活塞的气缸4-3与第二气管3-2之间设置有第二节气门4-2。

实施例2

如实施例1所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，所不同的是，所述能源模块还包括无线能量传输模块1-5。无线能量传输模块1-5为能源模块1提供能量。所述电机1-1、气泵1-3和无线能量传输模块1-5包裹在所述气囊1-2内。以防在移动过程中与管壁发生刚性碰撞。

实施例3

如实施例1所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，所不同的是，所述后支撑机构2包括三个第一活塞；三个第一活塞等间隔地设置在第一圆锥台2-1的圆周上；所述前支撑机构4包括三个第二活塞；三个第二活塞等间隔地设置在第二圆锥台4-1的圆周上。

实施例4

如实施例1所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，所不同的是，所述第一楔块2-5滑动设置在第一圆锥台2-1的锥面上；所述第二楔块4-5滑动设置在第二圆锥台4-1的锥面上。

实施例5

如实施例1所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，进一步的，所述第一节气门2-2和第二节气门4-2均为设置在气管管壁上的凸起结构。第一节气门2-2和第二节气门4-2防止气体快速进入下侧管路。

实施例6

如实施例1所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，所不同的是，所述第一节气门和第二节气门均为电控阀门。

实施例7

一种如实施例1-6所述柔性管内机器人的工作方法，包括步骤如下：

1)电机1-1不工作，仅气囊1-2内充满气体，使气囊1-2膨胀支撑于管道内壁；弹簧3-1处于自由状态；第一楔块2-5和第二楔块4-5也均处于自由状态，可沿第一圆锥台2-1自由滑动；如图2所示。

2)电机1-1正向旋转，驱动气泵1-3将气囊1-2内的气体通过第一气管1-4压入第一活塞的气缸2-3内，进而推动第一活塞的活塞杆2-4及第一楔块2-5向第一圆锥台2-1的大端上移；最终第一楔块2-5与管壁产生接触；在第一节气门2-2的作用下气体先充满第一活塞的气缸2-3，然后逐步进入第二气管3-2；如图3所示。

3)第二气管3-2在气体的作用下克服弹簧3-1的作用力使弹簧3-1伸直；在此过程中，后支撑机构2中的第一楔块2-5与管壁紧贴，当第一圆锥台2-1的锥角满足自锁条件时，第一楔块2-5与管壁锁止；在第二节气门的作用下气体未完全充满第二活塞的气缸4-3，第二楔块4-5沿管道滑动，前支撑机构4在伸缩机构3的推动下向前运动ΔL；另一方面前支撑机构4中第二圆锥台4-1受到的作用力是向前的，即使第二活塞的气缸4-3被高压气体充满，第二楔块4-5也只能沿管道滑动而无法锁止固定。如图4所示。

4)气体充满第二活塞的气缸4-3后电机1-1反向旋转，气泵1-3将气体从机器人本体中抽回至气囊1-2中，第一楔块2-5与管壁解锁；然后伸缩机构3在弹簧3-1收缩力的作用下开始收缩，前支撑机构4受到弹簧3-1向后的拉力，第二楔块4-5与管壁锁止，保持不动，弹簧3-1带动后支撑机构2及能源模块1向前移动ΔL；在此过程中，第一节气门2-2和第二节气门4-2保证气泵1-3的抽气顺序依次为第一活塞的气缸2-3、第二气管3-2、第二活塞的气缸4-3；如图5、图6所示。

5)电机1-1继续反向旋转，最后将第二活塞的气缸4-3内的气体抽回气囊1-2中；

6)重复步骤1)～5)实现机器人的在管道内的移动。

Claims (7)

1.一种单作用气动锁止式柔性管内机器人，其特征在于，包括能源模块和通过伸缩机构连接的后支撑机构、前支撑机构；

所述能源模块包括电机、气囊和气泵；

所述后支撑机构包括第一圆锥台和设置在第一圆锥台圆周上的第一活塞；所述第一活塞的活塞杆连接有第一楔块；

所述伸缩机构包括伸缩弹簧及包覆在伸缩弹簧外侧的第二气管；

所述前支撑机构包括第二圆锥台和设置在第二圆锥台圆周上的第二活塞；所述第二活塞的活塞杆连接有第二楔块；

所述气泵依次通过第一气管、第一活塞的气缸、第二气管与第二活塞的气缸连通；第一活塞的气缸与第二气管之间设置有第一节气门；第二活塞的气缸与第二气管之间设置有第二节气门。

2.根据权利要求1所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，其特征在于，所述能源模块还包括电池或无线能量传输模块。

3.根据权利要求2所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，其特征在于，所述电机、气泵和无线能量传输模块包裹在所述气囊内。

4.根据权利要求1所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，其特征在于，所述后支撑机构包括三个第一活塞；三个第一活塞等间隔地设置在第一圆锥台的圆周上；所述前支撑机构包括三个第二活塞；三个第二活塞等间隔地设置在第二圆锥台的圆周上。

5.根据权利要求1所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，其特征在于，所述第一楔块滑动设置在第一圆锥台的锥面上；所述第二楔块滑动设置在第二圆锥台的锥面上。

6.根据权利要求1所述的单作用气动锁止式柔性管内机器人，其特征在于，所述第一节气门和第二节气门的具体结构为一下结构之一：

(a)所述第一节气门和第二节气门均为设置在气管管壁上的凸起结构；

(b)根据本发明优选的，所述第一节气门和第二节气门均为电控阀门。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述柔性管内机器人的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)电机不工作，仅气囊内充满气体，使气囊膨胀支撑于管道内壁；弹簧处于自由状态；第一楔块和第二楔块也均处于自由状态，可沿第一圆锥台自由滑动；

2)电机正向旋转，驱动气泵将气囊内的气体通过第一气管压入第一活塞的气缸内，进而推动第一活塞的活塞杆及第一楔块向第一圆锥台的大端上移；最终第一楔块与管壁产生接触；在第一节气门的作用下气体先充满第一活塞的气缸，然后逐步进入第二气管；

3)第二气管在气体的作用下克服弹簧的作用力使弹簧伸直；在此过程中，后支撑机构中的第一楔块与管壁紧贴，当第一圆锥台的锥角满足自锁条件时，第一楔块与管壁锁止；在第二节气门的作用下气体未完全充满第二活塞的气缸，第二楔块沿管道滑动，前支撑机构在伸缩机构的推动下向前运动；

4)气体充满第二活塞的气缸后电机反向旋转，气泵将气体从机器人本体中抽回至气囊中，第一楔块与管壁解锁；然后伸缩机构在弹簧收缩力的作用下开始收缩，的前支撑机构受到弹簧向后的拉力，第二楔块与管壁锁止，保持不动，弹簧带动后支撑机构及能源模块向前移动；

5)电机继续反向旋转，最后将第二活塞的气缸内的气体抽回气囊中；

6)重复步骤1)～5)实现机器人的在管道内的移动。