CN108180348B - 一种电液驱动管道机器人、液压驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液驱动管道机器人、液压驱动系统及其控制方法，电液驱动管道机器人包括机器人本体以及两个液压伸缩运动模块，液压伸缩运动模块包括第一往复液压缸、第二往复液压缸和滑动布置于机器人本体内的支撑液压缸，第一往复液压缸、第二往复液压缸均布置于机器人本体内，每组支撑液压缸的缸体分别与复液压缸的活塞杆相连，两组复液压缸的活塞杆、支撑液压缸的活塞杆之间分别铰接有一组支撑臂组件，机器人本体上设有开口，支撑臂组件伸出布置于开口外。本发明能够在不增加液压驱动容量和功率的条件下连续运动以实现快速行走，且具有双向运动能力。

Description

一种电液驱动管道机器人、液压驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及管道机器人，具体涉及电液驱动管道机器人、液压驱动系统及其控制方法。

背景技术

管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下进行一系列管道作业的机、电一体化系统。

目前为止，虽然出现了多种形式的管道机器人，但从其运动方式上主要分为：转动轮爬行式、抓靠臂伸缩式、高压射流反冲式和螺旋桨推进式。综合国内外技术的发展，管道机器人主要面临两大技术难题：一是如何提高机器人的负载拖拽能力，二是如何保证机器人在管道内部快速、稳定地行走。通过分析现有技术，大部分管道机器人采用电机驱动，这样虽然简化了设计过程，但其拖拽能力小，并且行进速度低。为了提高机器人负载能力，一些机器人应用液压驱动，但采用伺服阀或者比例阀为控制元件的液压系统，具有复杂的阀体结构，造成加工精度要求高，并对液压介质的清洁度要求严格，不仅提高机器人运行成本，还加大了液压系统事故发生率。同时，由于传统阀的过流面积开口较小，这样就导致较大的阀口压力损失，造成动力单元发热严重，直接制约机器人的整机可靠性。因此，保证管道机器人的负载能力的同时，如何实现机器人快速稳定得行走已经成为制约管道机器人发展的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种电液驱动管道机器人、液压驱动系统及其控制方法，本发明能够在不增加液压驱动容量和功率的条件下连续运动以实现快速行走，且具有双向运动能力。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种用于前述电液驱动管道机器人的液压驱动系统，包括液压泵和开关阀回路单元，所述开关阀回路单元包括并联布置在液压泵的输出端的两条往复开关液压支路#1～#2和两条支撑开关液压支路#3～#4，一条往复开关液压支路#1上串接有一个第一开关阀、另一条往复开关液压支路#2上串接有一个第二开关阀，一条支撑开关液压支路#3包括第三开关阀、第四开关阀以及第五开关阀，另一条支撑开关液压支路#4包括第六开关阀、第七开关阀以及第八开关阀；往复开关液压支路#1分别与两个液压伸缩运动模块的第一往复液压缸的无杆腔连通，往复开关液压支路#2分别与两个液压伸缩运动模块的第二往复液压缸的无杆腔连通；支撑开关液压支路#3用于控制一个液压伸缩运动模块的支撑液压缸，所述第三开关阀一端与液压泵的输出端连通、另一端包含两条并联的支路，其中一条支路直接通过管路与支撑液压缸的有杆腔连通连、另一条支路通过第四开关阀与支撑液压缸的无杆腔连通，且支撑液压缸的无杆腔还连接有第五开关阀；支撑开关液压支路#4用于控制另一个液压伸缩运动模块的支撑液压缸，所述第六开关阀一端与液压泵的输出端连通、另一端包含两条并联的支路，其中一条支路直接通过管路与支撑液压缸的有杆腔连通连、另一条支路通过第七开关阀与支撑液压缸的无杆腔连通，且支撑液压缸的无杆腔还连接有第八开关阀。

优选地，所述第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀、第四开关阀、第五开关阀、第六开关阀、第七开关阀、第八开关阀均为高频开关阀。

优选地，所述液压泵的输出端还连接有溢流阀。

在此，本发明还提供一种用于前述电液驱动管道机器人的液压驱动系统的控制方法，其实施步骤包括：

1）在开关阀回路单元的控制系统连通油路后，将第一开关阀断开油路、第二开关阀连通油路，使得两个液压伸缩运动模块的两组支撑臂组件向两边推开；将第五开关阀、第八开关阀断开油路，第三开关阀、第四开关阀以及第六开关阀、第七开关阀连通油路，使得两个液压伸缩运动模块的两组支撑臂组件展开靠近管道的管壁；记运动方向前侧的液压伸缩运动模块的一组支撑臂组件为支撑臂组件3#1、后侧的液压伸缩运动模块的一组支撑臂组件为支撑臂组件3#2；

2）将第六开关阀、第八开关阀断开油路，第七开关阀连通油路，使得支撑臂组件3#1单向支撑锁死，将第三开关阀、第五开关阀连通油路，第四开关阀断开油路，使得支撑臂组件3#2收缩；

3）将第一开关阀连通油路，第二开关阀断开油路，使得支撑臂组件3#1和支撑臂组件3#2拉拢，电液驱动管道机器人向前移动；

4）将第五开关阀断开油路，第三开关阀、第四开关阀连通油路，支撑臂组件3#2单向支撑锁死，第六开关阀连通油路，第七开关阀断开油路、第八开关阀连通油路打开，支撑臂组件3#1收缩；

5）将第一开关阀断开油路，第二开关阀连通油路，使得支撑臂组件3#1和支撑臂组件3#2推开，牵引器主体向前移动；

6）判断是否收到停止前进指令，如果尚未收到停止前进指令则跳转执行步骤2），否则如果收到停止前进指令则退出。

本发明的电液驱动管道机器人具有下述优点：

1、本发明的支撑液压缸嵌套在行走的往复液压缸中，使整个电液驱动管道机器人更加简单紧凑，在牵引力一定的情况下，增加管道通过性能。

2、本发明的电液驱动管道机器人的两组支撑臂组件在拉拢状态和推开状态，使得机器人本体都前进L，其推进速度是传统伸缩式管道机器人的2倍。

3、本发明的电液驱动管道机器人在运动时分为两个工作步，且两个工作步的所需功率是相同的，从工程上可实现管道机器人的高效推进。

4、本发明的电液驱动管道机器人可以实现双向爬行，同时，井下遇卡时可以启动卸荷进行解卡支撑臂组件，使用缆线拖拽。

5、本发明包括机器人本体以及沿机器人本体的长度方向布置的两个液压伸缩运动模块，所述液压伸缩运动模块包括第一往复液压缸、第二往复液压缸和滑动布置于机器人本体内的支撑液压缸，两个液压伸缩运动模块形成了差动结构，可采用差动控制，支撑速度快，节省能源。

6、本发明的第一往复液压缸、第二往复液压缸、支撑液压缸的进出油口均独立控制采用独立油口控制，减小节流损失，保证整机工作可靠性。同时，可以随负载变化输出压力与之适应，提高牵引器负载能力。

本发明用于的电液驱动管道机器人的液压驱动系统具有下述优点：本发明的液压驱动系统能够实现对电液驱动管道机器人的差动控制，可实现差动快速运动，提高速度和效率，能够在不增加液压驱动容量和功率的条件下连续运动以实现快速行走，而且通过控制顺序变化可使得两个液压伸缩运动模块可切换前后方向，从而具有双向运动能力；其次，对第一往复液压缸、第二往复液压缸、支撑液压缸的进出油口均独立控制，可对液压执行结构的两腔的压力和流量分别进行控制，当液压缸外部负载在被动力作用下时，连通液压缸有杆腔和无杆腔，减小泵的供油量，从而提高系统效率；再次，开关阀均为高频开关阀，抗污染能力强，没有节流损失，较小液压集成单元发热，提高整机可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例电液驱动管道机器人的原理结构示意图。

图2为本发明实施例中单个液压伸缩运动模块的结构示意图。

图3为本发明实施例中液压驱动系统的原理结构示意图。

图例说明：1、机器人本体；11、开口；2、液压伸缩运动模块；21、第一往复液压缸；22、第二往复液压缸；23、支撑液压缸；231、第一活塞端盖；232、液压缸体；233、第二活塞端盖；234、活塞；3、支撑臂组件；31、第一连接杆；32、第二连接杆；33、支撑轮；4、液压泵；41、溢流阀；5、开关阀回路单元；51、第一开关阀；52、第二开关阀；53、第三开关阀；54、第四开关阀；55、第五开关阀；56、第六开关阀；57、第七开关阀；58、第八开关阀。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例的电液驱动管道机器人包括机器人本体1以及沿机器人本体1的长度方向布置的两个液压伸缩运动模块2，液压伸缩运动模块2包括第一往复液压缸21、第二往复液压缸22和滑动布置于机器人本体1内的支撑液压缸23，第一往复液压缸21、第二往复液压缸22均布置于机器人本体1内，支撑液压缸23的缸体与第二往复液压缸22的活塞杆相连，第一往复液压缸21的活塞杆、支撑液压缸23的活塞杆之间铰接布置有一组支撑臂组件3，机器人本体1上设有开口11，支撑臂组件3伸出布置于开口11外。

本实施例中，沿机器人本体1的长度方向布置的两个支撑液压缸23实质上构成了一个差动液压缸，差动液压缸是由单活塞杆液压缸将压力油同时供给单活塞杆液压缸左右两腔，使活塞运动速度提高，差动液压缸在实际应用中可以实现差动快速运动，提高速度和效率。当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，由于无杆腔有效作用面积大于有杆腔的有效作用面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右运动，活塞杆向外伸出；与此同时，又将有杆腔的油液挤出，使其流进无杆腔，从而加快了活塞杆的伸出速度。差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的有效办法，可实现连续双向运动的运动形式。

本实施例中，一组支撑臂组件3包含支撑臂组件3的数量为三个，且三个支撑臂组件3相对机器人本体1的径向均匀分布，使得任意相邻支撑臂组件3之间的夹角为120度。需要说明的是，本实施例中仅仅是以三个支撑臂组件3为例，此外也可以采用更多个支撑臂组件3，同样也可以实现在管道内的运动支撑。

如图2所示，支撑臂组件3包括第一连接杆31、第二连接杆32和支撑轮33，第一连接杆31一端和第一往复液压缸21的活塞杆铰接、另一端和支撑轮33铰接，第二连接杆32一端和支撑液压缸23的活塞杆铰接、另一端和支撑轮33铰接。

本实施例中，第一往复液压缸21、第二往复液压缸22、支撑液压缸23的进出油口均独立控制，分别利用两个两位三通开关阀与四个两位两通开关阀，对液压执行结构的两腔的压力和流量分别进行控制。

如图1和图2所示，第一往复液压缸21、第二往复液压缸22、支撑液压缸23的活塞和缸体内壁之间均设有组合密封。

如图1和图2所示，支撑液压缸23包括第一活塞端盖231、液压缸体232、第二活塞端盖233和布置于液压缸体232内的活塞234，第一活塞端盖231、液压缸体232、第二活塞端盖233依次固定连接，活塞234的活塞杆插设布置于第一活塞端盖231中且与第一活塞端盖231的内孔内壁之间设有组合密封，第一活塞端盖231和机器人本体1的内壁之间设有组合密封，第二活塞端盖233与第二往复液压缸22的活塞杆相连，第二活塞端盖233和机器人本体1的内壁之间设有组合密封，液压缸体232和机器人本体1的内壁之间间隙布置。

如图3所示，用于本实施例电液驱动管道机器人的液压驱动系统包括液压泵4和开关阀回路单元5，开关阀回路单元5包括并联布置在液压泵4的输出端的两条往复开关液压支路#1～#2和两条支撑开关液压支路#3～#4，一条往复开关液压支路#1上串接有一个第一开关阀51、另一条往复开关液压支路#2上串接有一个第二开关阀52，一条支撑开关液压支路#3包括第三开关阀53、第四开关阀54以及第五开关阀55，另一条支撑开关液压支路#4包括第六开关阀56、第七开关阀57以及第八开关阀58；往复开关液压支路#1分别与两个液压伸缩运动模块2的第一往复液压缸21的无杆腔连通，往复开关液压支路#2分别与两个液压伸缩运动模块2的第二往复液压缸22的无杆腔连通；支撑开关液压支路#3用于控制一个液压伸缩运动模块2的支撑液压缸23，第三开关阀53一端与液压泵4的输出端连通、另一端包含两条并联的支路，其中一条支路直接通过管路与支撑液压缸23的有杆腔连通连、另一条支路通过第四开关阀54与支撑液压缸23的无杆腔连通，且支撑液压缸23的无杆腔还连接有第五开关阀55；支撑开关液压支路#4用于控制另一个液压伸缩运动模块2的支撑液压缸23，第六开关阀56一端与液压泵4的输出端连通、另一端包含两条并联的支路，其中一条支路直接通过管路与支撑液压缸23的有杆腔连通连、另一条支路通过第七开关阀57与支撑液压缸23的无杆腔连通，且支撑液压缸23的无杆腔还连接有第八开关阀58

参见图3，本实施例中第一开关阀51和第二开关阀52均为两位三通高频开关阀，第三开关阀53、第四开关阀54、第五开关阀55、第六开关阀56、第七开关阀57、第八开关阀58均为两位两通高频开关阀；此外，上述开关阀也可以根据需要采用其他类型的开关阀以实现液压油路的通断控制，其原理与本实施例相同，故在此不再赘述。

如图3所示，液压泵4的输出端还连接有溢流阀41。

本实施例电液驱动管道机器人的液压驱动系统的控制原理为，第三开关阀53、第四开关阀54、第五开关阀55与第六开关阀56、第七开关阀57、第八开关阀58分别控制支撑臂的展开、保持和松懈，通过第一开关阀51、第二开关阀52两个开关阀控制机器人本体1向前运动或向后运动，从而实现机器人本体1的前进和退回。具体地，本实施例电液驱动管道机器人的液压驱动系统的控制方法的实施步骤包括：

1）在开关阀回路单元5的控制系统连通油路后，将第一开关阀51断开油路、第二开关阀52连通油路，使得两个液压伸缩运动模块2的两组支撑臂组件3均向两边推开；将第五开关阀55、第八开关阀58断开油路，第三开关阀53、第四开关阀54以及第六开关阀56、第七开关阀57连通油路，使得两个液压伸缩运动模块2的两组支撑臂组件3展开靠近管道的管壁。记运动方向前侧（图3为右侧）的液压伸缩运动模块2的一组支撑臂组件3为支撑臂组件3#1、后侧的液压伸缩运动模块2的一组支撑臂组件3为支撑臂组件3#2；

2）将第六开关阀56、第八开关阀58断开油路，第七开关阀57连通油路，使得支撑臂组件3#1单向支撑锁死，将第三开关阀53、第五开关阀55连通油路，第四开关阀54断开油路，使得支撑臂组件3#2收缩；

3）将第一开关阀51连通油路，第二开关阀52断开油路，使得支撑臂组件3#1和支撑臂组件3#2拉拢，电液驱动管道机器人向前移动（工作步1）；

4）将第五开关阀55断开油路，第三开关阀53、第四开关阀54连通油路，支撑臂组件3#2单向支撑锁死，第六开关阀56连通油路，第七开关阀57断开油路、第八开关阀58连通油路打开，支撑臂组件3#1收缩；

5）将第一开关阀51断开油路，第二开关阀52连通油路，使得支撑臂组件3#1和支撑臂组件3#2推开，牵引器主体向前移动（工作步2）；

6）判断是否收到停止前进指令，如果尚未收到停止前进指令则跳转执行步骤2），否则如果收到停止前进指令则退出。

通过本实施例电液驱动管道机器人的液压驱动系统的控制方法，可以实现本实施例电液驱动管道机器人的双向爬行运动，其中步骤1）为初始状态，两个液压伸缩运动模块的支撑臂组件向两边推开，支撑臂组件3#1和支撑臂组件3#2都处于伸展状态，但没有锁主管内壁；步骤2）～5）为一个爬行的连续推进过程，其可细分为包含工作步1和工作步2。工作步1：当电液驱动管道机器人开始动作，首先油口C1、D1导入压力油，支撑液压缸23#1（图3中右侧的支撑液压缸23）的活塞向右运动使支撑臂组件3#1张开撑紧管壁，随后油口D2导入压力油，支撑液压缸23#2（图3中左侧的支撑液压缸23）的活塞向右运动使支撑臂组件3#2被收拢脱离管壁；然后将油口B导入压力油，机器人本体1向前移动一个行程L，同时油口D导入压力油支撑臂组件3#2相对机器人本体1向前移动了一个行程L。工作步2：当电液驱动管道机器人向前移动一个行程后，油口C2、D2先导通，支撑液压缸23#2的活塞向右运动使支撑臂组件3#2张开撑紧管壁，随后油口D1导通，支撑液压缸23#1的缸活塞向左运动使支撑臂组件3#1被收拢脱离管壁。然后将油口A导入压力油，机器人本体1向前移动一个行程L，同时支撑臂组件3#1相对机器人本体1向前移动了一个行程L。

可见，通过工作步1和工作步2，机器人本体1均向前推进了L，如此周期循环，则可实现电液驱动管道机器人的快速高效运动，而且电液驱动管道机器人在工作步1和工作步2的所需功率是相同的，从工程上可实现水平井牵引器的高效推进。如果在工作步1时，首先油口C2、D2导入压力油，随后油口D1导入压力油，随后使油口B、D导入压力油，机器人本体1则可以向后退回ΔL；工作步2时，油口C1、D1导入压力油，随后油口D2导入压力油，随后使油口A导入压力油，机器人本体1则可以向后退回L。这样，电液驱动管道机器人就可以实现向后移动。其原理与上述过程相反，在此不再赘述。本次液压驱动原理方案，开关阀每动作一次机器人本体1整体都会向前移动一个行程。同时，在断电情况下，两个支撑液压缸23的无杆腔始终连着油箱，两个支撑臂组件3均保持松懈状态，可以确保系统突发情况，在外力作用下将牵引器从井下拉上来。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于电液驱动管道机器人的液压驱动系统，其特征在于：所述电液驱动管道机器人包括机器人本体（1）以及沿机器人本体（1）的长度方向布置的两个液压伸缩运动模块（2），所述液压伸缩运动模块（2）包括第一往复液压缸（21）、第二往复液压缸（22）和滑动布置于机器人本体（1）内的支撑液压缸（23），所述第一往复液压缸（21）、第二往复液压缸（22）均布置于机器人本体（1）内，所述支撑液压缸（23）的缸体与第二往复液压缸（22）的活塞杆相连，所述第一往复液压缸（21）的活塞杆、支撑液压缸（23）的活塞杆之间铰接布置有一组支撑臂组件（3），所述机器人本体（1）上设有开口（11），所述支撑臂组件（3）伸出布置于开口（11）外；所述液压驱动系统包括液压泵（4）和开关阀回路单元（5），所述开关阀回路单元（5）包括并联布置在液压泵（4）的输出端的两条往复开关液压支路#1~#2和两条支撑开关液压支路#3~#4，一条往复开关液压支路#1上串接有一个第一开关阀（51）、另一条往复开关液压支路#2上串接有一个第二开关阀（52），一条支撑开关液压支路#3包括第三开关阀（53）、第四开关阀（54）以及第五开关阀（55），另一条支撑开关液压支路#4包括第六开关阀（56）、第七开关阀（57）以及第八开关阀（58）；往复开关液压支路#1分别与两个液压伸缩运动模块（2）的第一往复液压缸（21）的无杆腔连通，往复开关液压支路#2分别与两个液压伸缩运动模块（2）的第二往复液压缸（22）的无杆腔连通；支撑开关液压支路#3用于控制一个液压伸缩运动模块（2）的支撑液压缸（23），所述第三开关阀（53）一端与液压泵（4）的输出端连通、另一端包含两条并联的支路，其中一条支路直接通过管路与支撑液压缸（23）的有杆腔连通连、另一条支路通过第四开关阀（54）与支撑液压缸（23）的无杆腔连通，且支撑液压缸（23）的无杆腔还连接有第五开关阀（55）；支撑开关液压支路#4用于控制另一个液压伸缩运动模块（2）的支撑液压缸（23），所述第六开关阀（56）一端与液压泵（4）的输出端连通、另一端包含两条并联的支路，其中一条支路直接通过管路与支撑液压缸（23）的有杆腔连通连、另一条支路通过第七开关阀（57）与支撑液压缸（23）的无杆腔连通，且支撑液压缸（23）的无杆腔还连接有第八开关阀（58）。

2.根据权利要求1所述的用于电液驱动管道机器人的液压驱动系统，其特征在于：所述第一开关阀（51）、第二开关阀（52）、第三开关阀（53）、第四开关阀（54）、第五开关阀（55）、第六开关阀（56）、第七开关阀（57）、第八开关阀（58）均为高频开关阀。

3.根据权利要求1所述的用于电液驱动管道机器人的液压驱动系统，其特征在于：所述液压泵（4）的输出端还连接有溢流阀（41）。

4.一种用于权利要求1或2或3所述的用于电液驱动管道机器人的液压驱动系统的控制方法，其特征在于实施步骤包括：

1）在开关阀回路单元（5）的控制系统连通油路后，将第一开关阀（51）断开油路、第二开关阀（52）连通油路，使得两个液压伸缩运动模块（2）的两组支撑臂组件（3）向两边推开；将第五开关阀（55）、第八开关阀（58）断开油路，第三开关阀（53）、第四开关阀（54）以及第六开关阀（56）、第七开关阀（57）连通油路，使得两个液压伸缩运动模块（2）的两组支撑臂组件（3）展开靠近管道的管壁；记运动方向前侧的液压伸缩运动模块（2）的一组支撑臂组件（3）为支撑臂组件3#1、后侧的液压伸缩运动模块（2）的一组支撑臂组件（3）为支撑臂组件3#2；

2）将第六开关阀（56）、第八开关阀（58）断开油路，第七开关阀（57）连通油路，使得支撑臂组件3#1单向支撑锁死，将第三开关阀（53）、第五开关阀（55）连通油路，第四开关阀（54）断开油路，使得支撑臂组件3#2收缩；

3）将第一开关阀（51）连通油路，第二开关阀（52）断开油路，使得支撑臂组件3#1和支撑臂组件3#2拉拢，电液驱动管道机器人向前移动；

4）将第五开关阀（55）断开油路，第三开关阀（53）、第四开关阀（54）连通油路，支撑臂组件3#2单向支撑锁死，第六开关阀（56）连通油路，第七开关阀（57）断开油路、第八开关阀（58）连通油路打开，支撑臂组件3#1收缩；

5）将第一开关阀（51）断开油路，第二开关阀（52）连通油路，使得支撑臂组件3#1和支撑臂组件3#2推开，牵引器主体向前移动；

6）判断是否收到停止前进指令，如果尚未收到停止前进指令则跳转执行步骤2），否则如果收到停止前进指令则退出。

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