CN107842666A - 一种仿毛虫蠕动管道爬行机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿毛虫蠕动管道爬行机器人及控制方法。该机器人包括夹持模块、位移模块、蠕动关节和一个转动关节；其中，夹持模块通过锥齿轮传动机构把电机的转矩传递到丝杆上，从而使得丝母滑块沿丝杆方向移动，通过剪式机构通过杠杆原理夹紧力大和夹紧时往前收缩的特点，实现手爪在管外的夹紧和在管内的支撑；位移模块分别与蠕动关节刚性相连，位移模块通过两个气缸伸长距离不同和电机带动主动连板转动的组合运动，使夹持模块在平面内灵活转动；然后通过两手爪的交替夹持运动和伸缩关节电缸的往复直线运动，使机器人沿管道蠕动爬行。本发明环境适应能力强，具有管内爬行和管外爬行的两种工作模式，可广泛应用于多种管道的复杂环境的探测工作。

Description

一种仿毛虫蠕动管道爬行机器人及控制方法

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，设计一种用于兼顾管道外和管道内蠕动爬行的仿毛虫蠕动的管道爬行机器人及爬行方法。

背景技术

管道广泛应用于石油、化工、天然气、建筑等多个领域，加强在役管道的定期维护、检测是管道安全运营的重要措施。目前，管道检测多采用人工执行，而管道多位于高空、下水道等特殊环境下，因此检测过程难、检测效率低，且具有一定危险。仿生管道机器人能够携带检测设备从而替代人工进入特殊环境，对管道进行更全面、有效的检测。

我国今年来针对上述问题展开了诸多研究,中国发明专CN201110100766.3申请公开了一种管道内蠕动的机器人，其包括行走单元、电机固定架、滚子和波纹管；行走单元包括硬质橡胶、保护罩、直线电机、电机次级和连杆，硬质橡胶通过连杆与电机次级相连，电机次级还与直线电机相连，保护罩位于电机次级的外面；所述的行走单元有两个，两个行走单元通过各自的直线电机相连、且连接处位于电机固定架里，波纹管位于直线电机的外面、保护罩与电机固定架之间，电机固定架和保护罩上均安装滚子。该发明结构简单，成本低廉，能在管道内稳定运行。然而其机械结构无法应对管道内障碍物，并且只能应用于一定直径管道，所以其使用范围小、难以应对复杂管道环境。

中国发明专利CN200510130338申请公开了一种石油管道超声波检测机器人，其采用从动式结构，轮式载体，由机身、行驶机构和检测装置组成，检测装置是超声波探头，安装在机器人的机身前端，机器人尾部有一橡胶圆盘，机身由两个圆柱体构成，其前后部由万向节构成。该发明能耗低，结构简单，能满足管道检测需求。但是其只能检测单个管道，无法跨管道检测，无法通过一定角度的管道。

综上所述，管道爬行机器人无论是管道外还是管道内都有显著成效。但是能够同时用于管道内和管道外，适应多种管道环境的机器人，就需要研制新的机械爬行结构。如何设计高效和检测全面的管道爬行机器人是当下管道爬行机器人的研究方向和发展趋势。

发明内容

本发明针对现有管道机器人所存在的技术问题，提出了一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人。该机器人通过剪式机构通过杠杆原理夹紧力大和夹紧时往前收缩的特点和蠕动原理实现了再管道内和管道外的爬行，并且通过气缸和电机的组合运动使机器人能够越过障碍、通过一定角度的管道和跨越一定距离管道，以面对多种复杂环境和管道检测要求。

本发现的上述技术问题主要通过下属技术方案得以解决：

一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人，其特征在于，包括至少两组运动机构，每组运动机构结构相同，两组运动机构通过旋转机构连接；每组运动机构包括夹持模块，使夹持模块实现平面运动的位移模块，使机器人直线运动的两个蠕动关节，旋转机构两端连接两个蠕动关节；所述的连接夹持模块的移动模块通过两个气缸和一个主动滑块与夹持模块相连，使夹持模块能进行两个自由度的平面运动；所述旋转机构，通过带动两个电缸大小连板旋转，使机器人具有一个俯仰自由度；

蠕动关节由电缸构成，电缸轴与固定板通过螺纹紧固连接，固定板穿过位移连接杆的两端点孔，连接杆通过螺纹连接固定在位移模块上，通过电缸轴的伸缩运动使机器人实现蠕动；

位移模块包括：手爪上夹板、主动滑块、主动连板、气缸、直流电机、位移电机座、固定板、位移连接杆、底座；其中两个位移连接杆和底座通过螺纹连接固定，固定板上的两圆孔被两个位移连接杆穿过，电缸轴和固定板通过螺钉连接，使电缸轴固定在底座上；两个气缸通过位移连接杆固定在底座上，产生一个沿连接杆的轴向旋转自由度，气缸轴通过螺杆和手爪上夹板相连接，从而产生一个沿螺杆轴向的旋转自由度；电机与电机座通过螺纹紧固连接，电机座再与底座通过螺纹紧固连接；主动连板通过楔子固定在电机上，然后通过主动滑块连接在手爪上夹板上，通过电机转动带动夹持模块在平面上转动，同时通过气缸其气缸杆伸出距离不同，使夹持模块能在平面内偏移不同角度。

在上述的一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人，所述的夹持模块与手爪上连板通过螺纹紧固连接，夹持模块包括：手爪下夹板、手爪连杆、丝母滑块、丝杆、锥齿轮传动机构、夹持电机座、直流电机、手爪；

其中直流电机与夹持电机座通过螺纹紧固连接，夹持电机座通过螺纹紧固连接在手爪下夹板上；锥齿轮传动机构分别通过楔子固定在电机和丝杆上，使电机通过锥齿轮传动机构带动丝杆旋转使丝母滑块滑动；手爪连杆通过螺纹紧固在丝母上，通过丝母的滑动控制手爪张合从而分别实现机器人的管外夹持和管内支撑。

在上述的一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人，两组运动机构分别为第一运动机构和第二运动机构，所述第一运动机构包括第一夹持模块，第一位移模块，第一蠕动关节，所述第二运动机构包括第二夹持模块，第二位移模块，第二蠕动关节；第一蠕动关节通过旋转机构与第二蠕动关节连接。

一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人的管外爬行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，第一蠕动关节和第二蠕动关节收缩，第一夹持模块和第二夹持模块夹紧在管道上，此时机器人处于初始状态；

步骤2，第二夹持模块通过直流电机带动丝杆正向旋转使手爪闭合夹紧管道，第一夹持模块通过直流电机带动丝杆反向旋转张开手爪，蠕动关节启动使机器人沿管道向第一夹持模块方向伸长一定距离；

步骤3，第一夹持模块通过直流电机带动丝杆正向旋转使手爪闭合夹紧管道，第二夹持模块通过直流电机带动丝杆反向旋转使手爪张开，蠕动关节启动使机器人沿管道方向向第一夹持模块收缩；

步骤4，第二夹持模块通过直流电机带动丝杆反向旋转使手爪夹紧管道；

步骤5，循环依次进行的步骤1-步骤2-步骤3；

步骤6，当机器人遇到障碍物时，第一夹持机构张开，第二夹持机构夹紧管道，旋转关节转动使机器人上半部分抬起，使机器人上半部高于障碍物，第一蠕动关节伸长从越过障碍物，然后转动关节使第一夹持机构垂直管道后，第一夹持机构夹紧管道。

一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人的管内爬行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，第一蠕动关节和第二蠕动关节收缩，第一夹持模块和第二夹持模块支撑在管道上，此时机器人处于初始状态；

步骤2，第二夹持模块通过直流电机带动丝杆正向旋转使手爪闭合，通过手爪4个点紧贴在管道内壁上；第一夹持模块通过直流电机带动丝杆反向旋转使手爪张开与管道松开，蠕动关节启动使机器人整体沿管道方向向第一夹持模块伸长一定距离；

步骤3，第一夹持模块通过直流电机带动丝杆正向旋转使手爪闭合，通过手爪4个点紧贴在管道内壁上；第二夹持模块通过直流电机带动丝杆反向旋转使手爪张开与管道产生间隙，蠕动关节)启动使机器人整体沿管道方向向第一夹持模块收缩；

步骤4，第二夹持模块通过直流电机带动丝杆反向旋转使手爪4个面紧贴在管道上；

步骤5，循环步骤1至步骤3。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：1、采用电缸伸缩的驱动方式，无论在管外还是管内爬行时都具有简单、高效的特点，并且应电缸驱动运动过程能够做到精准速度的控制，适用于管内和管外的双重环境。2、剪式手抓机构可以通过丝母之间的不同距离，伸长和夹紧不同宽度的管道，使其能够适用于不同的管径，并且在面对障碍使可调整手抓距离从而拥有一定的越障能力。采用双气缸和电机带动的位移模块，可使机器人能够在平面运动如同蛇形机器人一样灵活，可以跨越和通过不同的平面管道环境。3、夹持模块内部有一定空间可以安装检测设备和传感器，使机器人能够自主运行和检测管道环境。

附图说明

图1为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的立体结构示意图。

图2为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的主视图。

图3为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的夹持模块的传动原理图。

图4为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的运动机构的主视图。

图5为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的夹持模块的局部放大图。

图6为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的位移模块的主视图。

图7为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的夹持模块的主视图

图8为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的管外工作状态图。

图9为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的夹持模块的管内支撑示意图。

图10为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的管内支撑状态图。

图11a为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的位移模块的工作状态图(状态一)。

图11b为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的位移模块的工作状态图(状态二)。

图11c为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的位移模块的工作状态图(状态三)。

图11d为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的位移模块的工作状态图(状态四)。

图11e为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的位移模块的工作状态图(状态五)。

图11f为本发明的仿毛虫蠕动的爬行机器人的位移模块的工作状态图(状态六)。

具体实施方案

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明在整体结构设计方面，提供一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人，如图 2所示，包含两个位移模块B，通过螺纹连接在位移模块B上的夹持模块A1；通过电缸轴固定位移模块B的蠕动关节C1；给机器人提供一个俯仰自由度的旋转模块D。

所述夹持模块如图3所示，两个夹持模块相同，包括手爪下夹板1、手爪连杆2、丝母滑块3、丝杆4、锥齿轮传动机构5、夹持电机座6、直流电机7、手爪20；其中通过电机7带动锥齿轮传动机构5旋转，使得丝杆4转动，让丝母滑块3沿丝杆4方向滑动，从而使得手爪20张合。

所述夹持模块如图4、5、6所示，包括手爪上夹板7、主动滑块8、主动连板9、气缸10、直流电机11、位移电机座12、固定板13、连接杆18、底座19；其中两个连接杆18通过螺纹紧固连接在底座19上，电缸轴17和固定板13通过螺钉紧固连接，固定板19两圆管穿过两个连接杆18，使电缸轴17固定在底座上；两个气缸10通过连接杆18固定在底座19上，产生一个沿连接杆18的轴向旋转自由度，气缸轴通过螺杆和手爪上夹板7相连接，从而有一个沿螺杆转动的轴向旋转自由度；电机11与电机座12通过螺纹紧固连接，电机座12通过螺纹紧固与底座18连接；主动连板9通过楔子固定在电机11上，然后通过主动滑块 8连接在手爪上夹板7上，通过电机11转动带动夹持模块A1在平面上转动，同时通过气缸10其气缸杆伸出距离不同，使夹持模块能在平面内偏移不同角度，如图11a所示，右边气缸比左边气缸伸长更多距离，电机旋转带动主动连板转动，使夹持模块向左移动并转过一定的角度；如图11d所示，两气缸伸长距离相同，同时电机带动主动连板转动，使夹持模块实现向左的平动。

根据本发明工作环境，提供了仿毛虫蠕动管道爬行机器人的管道外爬行方法，管外工作状态如图8所示，其特征在于包括：

步骤1，第一蠕动关节C1和第二蠕动关节C2收缩，第一夹持模块A1和第二夹持模块A2夹紧在管道上，此时机器人处于初始状态。

步骤2，第二夹持模块A2通过直流电机7带动丝杆4正向旋转使手爪闭合夹紧管道，第一夹持模块A1通过直流电机7带动丝杆4反向旋转张开手爪，蠕动关节C1、C2启动使机器人沿管道向第一夹持模块A1方向伸长一定距离。

步骤3，第一夹持模块A1通过直流电机7带动丝杆4正向旋转使手爪闭合夹紧管道，第二夹持模块A2通过直流电机7带动丝杆4反向旋转使手爪张开，蠕动关节C1、C2启动使机器人沿管道方向向第一夹持模块A1收缩。

步骤4，第二夹持模块A2通过直流电机7带动丝杆4反向旋转使手爪夹紧管道。

步骤5，循环依次进行的步骤1-步骤2-步骤3。

步骤6，当机器人遇到障碍物时，第一夹持机构A1张开,第二夹持机构A2 夹紧管道，旋转关节D转动使机器人上半部分抬起，使机器人上半部高于障碍物，第一蠕动关节C1伸长从越过障碍物，然后转动关节D使第一夹持机构A1 垂直管道后，第一夹持机构A1夹紧管道。

根据本发明工作环境，提供了仿毛虫蠕动管道爬行机器人的管道内爬行方法，剪式机构支撑管道的方法如图9、10所示，其特征在于：

步骤1，第一蠕动关节C1和第二蠕动关节C2收缩，第一夹持模块A1和第二夹持模块A2支撑在管道上，此时机器人处于初始状态。

步骤2，第二夹持模块A2通过直流电机7带动丝杆4正向旋转使手爪闭合，通过手爪4个点紧贴在管道内壁上；第一夹持模块A1通过直流电机7带动丝杆 4反向旋转使手爪张开与管道松开，蠕动关节C1、C2启动使机器人整体沿管道方向向第一夹持模块A1伸长一定距离。

步骤3，第一夹持模块A1通过直流电机7带动丝杆4正向旋转使手爪闭合，通过手爪4个点紧贴在管道内壁上；第二夹持模块A2通过直流电机7带动丝杆 4反向旋转使手爪张开与管道产生间隙，蠕动关节C1、C2启动使机器人整体沿管道方向向第一夹持模块A1收缩。

步骤4，第二夹持模块A2通过直流电机7带动丝杆4反向旋转使手爪4个面紧贴在管道上。

步骤5，循环依次进行的步骤1-步骤2-步骤3。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人，其特征在于，包括至少两组运动机构，每组运动机构结构相同，两组运动机构通过旋转机构(D)连接；每组运动机构包括夹持模块(A)，使夹持模块实现平面运动的位移模块(B)，使机器人直线运动的两个蠕动关节(C)，旋转机构(D)两端连接两个蠕动关节(C)；所述的连接夹持模块的移动模块通过两个气缸(10)和一个主动滑块(8)与夹持模块(A)相连，使夹持模块(A)能进行两个自由度的平面运动；所述旋转机构(D)，通过带动两个电缸大小连板(16)旋转，使机器人具有一个俯仰自由度；

蠕动关节(C)由电缸(15)构成，电缸轴(17)与固定板(13)通过螺纹紧固连接，固定板(13)穿过位移连接杆(18)的两端点孔，连接杆(18)通过螺纹连接固定在位移模块(B)上，通过电缸轴(17)的伸缩运动使机器人实现蠕动；

位移模块(B)包括：手爪上夹板(7)、主动滑块(8)、主动连板(9)、气缸(10)、直流电机(11)、位移电机座(12)、固定板(13)、位移连接杆(18)、底座(19)；其中两个位移连接杆(18)和底座(19)通过螺纹连接固定，固定板(19)上的两圆孔被两个位移连接杆(18)穿过，电缸轴(17)和固定板(13)通过螺钉连接，使电缸轴(17)固定在底座上；两个气缸(10)通过位移连接杆(18)固定在底座(19)上，产生一个沿连接杆(18)的轴向旋转自由度，气缸轴通过螺杆和手爪上夹板(7)相连接，从而产生一个沿螺杆轴向的旋转自由度；电机(11)与电机座(12)通过螺纹紧固连接，电机座(12)再与底座(18)通过螺纹紧固连接；主动连板(9)通过楔子固定在电机(11)上，然后通过主动滑块(8)连接在手爪上夹板(7)上，通过电机(11)转动带动夹持模块(A)在平面上转动，同时通过气缸(10)其气缸杆伸出距离不同，使夹持模块能在平面内偏移不同角度。

2.根据权利要求1所述的一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人，其特征在于，所述的夹持模块(A)与手爪上连板(7)通过螺纹紧固连接，夹持模块(A)包括：手爪下夹板(1)、手爪连杆(2)、丝母滑块(3)、丝杆(4)、锥齿轮传动机构(5)、夹持电机座(6)、直流电机(7)、手爪(20)；

其中直流电机(7)与夹持电机座(6)通过螺纹紧固连接，夹持电机座(6)通过螺纹紧固连接在手爪下夹板(1)上；锥齿轮传动机构(5)分别通过楔子固定在电机和丝杆(4)上，使电机(8)通过锥齿轮传动机构(5)带动丝杆(4)旋转使丝母滑块(3)滑动；手爪连杆(2)通过螺纹紧固在丝母(3)上，通过丝母(3)的滑动控制手爪(20)张合从而分别实现机器人的管外夹持和管内支撑。

3.根据权利要求1所述的一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人，其特征在于，两组运动机构分别为第一运动机构和第二运动机构，所述第一运动机构包括第一夹持模块(A1)，第一位移模块(B1)，第一蠕动关节(C1)，所述第二运动机构包括第二夹持模块(A2)，第二位移模块(B2)，第二蠕动关节(C1)；第一蠕动关节(C1)通过旋转机构(D)与第二蠕动关节(C1)连接。

4.一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人的管外爬行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，第一蠕动关节(C1)和第二蠕动关节(C2)收缩，第一夹持模块(A1)和第二夹持模块(A2)夹紧在管道上，此时机器人处于初始状态；

步骤2，第二夹持模块(A2)通过直流电机(7)带动丝杆(4)正向旋转使手爪闭合夹紧管道，第一夹持模块(A1)通过直流电机(7)带动丝杆(4)反向旋转张开手爪，蠕动关节(C1、C2)启动使机器人沿管道向第一夹持模块(A1)方向伸长一定距离；

步骤3，第一夹持模块(A1)通过直流电机(7)带动丝杆(4)正向旋转使手爪闭合夹紧管道，第二夹持模块(A2)通过直流电机(7)带动丝杆(4)反向旋转使手爪张开，蠕动关节(C1、C2)启动使机器人沿管道方向向第一夹持模块(A1)收缩；

步骤4，第二夹持模块(A2)通过直流电机(7)带动丝杆(4)反向旋转使手爪夹紧管道；

步骤5，循环依次进行的步骤1‐步骤2‐步骤3；

步骤6，当机器人遇到障碍物时，第一夹持机构(A1)张开，第二夹持机构(A2)夹紧管道，旋转关节(D)转动使机器人上半部分抬起，使机器人上半部高于障碍物，第一蠕动关节(C1)伸长从越过障碍物，然后转动关节(D)使第一夹持机构(A1)垂直管道后，第一夹持机构(A1)夹紧管道。

5.一种仿毛虫蠕动的管道爬行机器人的管内爬行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，第一蠕动关节(C1)和第二蠕动关节(C2)收缩，第一夹持模块(A1)和第二夹持模块(A2)支撑在管道上，此时机器人处于初始状态；

步骤2，第二夹持模块(A2)通过直流电机(7)带动丝杆(4)正向旋转使手爪闭合，通过手爪4个点紧贴在管道内壁上；第一夹持模块(A1)通过直流电机(7)带动丝杆(4)反向旋转使手爪张开与管道松开，蠕动关节(C1、C2)启动使机器人整体沿管道方向向第一夹持模块(A1)伸长一定距离；

步骤3，第一夹持模块(A1)通过直流电机(7)带动丝杆(4)正向旋转使手爪闭合，通过手爪4个点紧贴在管道内壁上；第二夹持模块(A2)通过直流电机(7)带动丝杆(4)反向旋转使手爪张开与管道产生间隙，蠕动关节(C1、C2)启动使机器人整体沿管道方向向第一夹持模块(A1)收缩；

步骤4，第二夹持模块(A2)通过直流电机(7)带动丝杆(4)反向旋转使手爪4个面紧贴在管道上；

步骤5，循环步骤1至步骤3。