CN108555894A - 管道蠕动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种管道蠕动机器人，由控制装置和若干个收尾相连的蠕动模块组成，蠕动模块包括：两个径向蠕动关节，任一径向蠕动关节包括环绕分布的若干个连杆机构，所述连杆机构在角度驱动装置的带动下实现径向伸缩；连接两个所述径向蠕动关节且可进行轴向伸缩的伸缩关节；以及，设于一径向蠕动关节外端的变向关节，变向关节与另一蠕动模块端部的径向蠕动关节外端相连接，变向关节两端部分别与两侧的径向蠕动关节进行径向的转动连接，且变向关节两端部以一平行于径向平面的轴为转轴进行相对转动。该管道蠕动机器人精准的模仿了蚯蚓的运动方式，实现曲线运动与直线运动，且适应能力强。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种管道蠕动机器人。
背景技术
随着科技的不断进步，作为新型移动方式的柔性机器人，蠕动机器人以其多步态运动能力和能够适应复杂多变环境的特点，成为机器人领域的研究新热点。传统的移动方式大多基于连续转动原理，其运动比较灵活而且运动效率比较高，但它的缺点是对复杂的路面条件适应能力差，后来出现了履带式运动，其对地面的适应能力有所提高，但其灵活性却显著降低。专利CN206278170U公开的一种可翻滚的蛇形蠕动机器人，该机器人可进行模块化拆卸，由控制装置和至少三个首尾相连的蠕动模块组成，所述蠕动模块包括三个关节、两个舵机和一个旋转模块，按照第一个舵机、第一个关节、第二个舵机、第二关节、旋转模块和第三个关节的顺序连接组成蠕动模块，多个蠕动模块首尾相连组成可翻滚的蛇形蠕动机器人；其结构简单，能实现多种运动。但该蠕动机器人与传统机蠕动机器人实现的均是曲线运动，对空间有一定的要求，机器人的外皮部分直接与地面接触，与地面的摩擦力可严重影响机器人的运动效果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种管道蠕动机器人，为蚯蚓的仿生环节，精准的模仿了蚯蚓的运动方式，实现曲线运动与直线运动，且适应能力强。
本发明具体技术方案如下：
本发明一方面提供了一种管道蠕动机器人，由控制装置和若干个收尾相连的蠕动模块组成，所述蠕动模块包括
两个径向蠕动关节，任一所述径向蠕动关节包括环绕分布的若干个连杆机构，所述连杆机构在角度驱动装置的带动下实现径向伸缩；
连接两个所述径向蠕动关节且可进行轴向伸缩的伸缩关节；以及，
设于一径向蠕动关节外端的变向关节，所述变向关节与另一蠕动模块端部的径向蠕动关节外端相连接，所述变向关节两端部分别与两侧的径向蠕动关节进行径向的转动连接，且所述变向关节两端部以一平行于径向平面的轴为转轴进行相对转动。
进一步的，所述径向蠕动关节还包括平行设于连杆机构两侧且供若干个所述连杆机构环绕连接的两个圆固定盘组；
所述连杆机构包括滚筒连杆以及分别设于所述滚筒连杆两端且与其转动连接的两个外支撑杆，两个所述外支撑杆均为弧形弯曲构造；所述连杆机构中的滚筒连杆置于两个所述圆固定盘组的中间外侧，其两个外支撑杆的另一端部分别转动连接于两侧的圆固定盘组上；两个所述外支撑杆在收缩状态时，连接圆固定盘组的端部在径向平面上的投影是相错的；
所述角度驱动装置包括两个动力输出端，分别连接并驱动两个圆固定盘组做反向转动。
进一步的，每个所述圆固定盘组包括平行设置的两个固定盘以及连接两个所述固定盘的轴孔固定件，所述固定盘中部设有轴孔，所述轴孔固定件穿过两个所述固定盘的轴孔固定，且两个所述固定盘之间留有空间；所述空间恰好容置所述外支撑杆。
进一步的，所述伸缩关节包括电动推杆和硬性连接器，所述电动推杆包括管套、设于管套内的推杆机构以及设于管套一侧且连接所述推杆机构的推杆，所述推杆在推杆机构的驱动下沿管套进行轴向运动；所述硬性连接器包括第一连接器和第二连接器，所述第一连接器和第二连接器均设有固定所述电动推杆的固定部和连接所述径向蠕动关节的连接部；所述第一连接器固定于所述电动推杆的管套上，所述第二连接器固定于所述电动推杆的推杆上。
更进一步的，所述固定部为插设管套或推杆的管状构造，且其一侧边设有开口连通其管道，该开口延伸至偏离所述连接部的一端；所述连接部设有与所述固定部的管道连通的轴向管道；所述管套或推杆自所述固定部的管内插入并固定于连接部的轴向管道。
进一步的，所述变向关节包括一舵机、小支架、大支架以及固定连接件；所述舵机的一侧固定连接所述小支架，另一侧转动连接于所述大支架，所述固定连接件为两个，其外侧套设有滚动轴承，所述固定连接件一侧分别连接于小支架和大支架的外侧，另一侧通过滚动轴承连接于所述圆固定盘组上。
在一个改进的方案中，所述机器人还包括头部和头部关节，所述头部为一径向蠕动关节，所述头部关节至少由可进行上下转动和前后转动的转动机构组成。
进一步的，所述头部关节由第一舵机组件和第二舵机组件构成，任一舵机组件由舵机件、设于舵机件一侧的大框型支架和另一侧的小框型支架构成，所述大框型支架与舵机件为可转动连接，小框型支架与舵机件为固定连接，所述第一舵机组件的大框型支架与第二舵机组件的小框型支架固定呈垂直固定连接；使得其中所述第一舵机组件的大框型支架与舵机件之间的转动为上下转动，所述第二舵机组件的大框型支架与舵机件之间的转动为前后转动。
再一个改进的技术方案中，还包括行走机构，所述行走机构包括连接架以及设于连接架下端的滚轮件，所述连接架中部设有通孔，所述通孔通过插设的法兰轴承或轴杆与一侧的径向蠕动关节侧部和另一侧的伸缩关节进行连接。
又一个改进的技术方案，所述控制装置包括主控模块，与所述主控模块连接的舵机驱动模块、电机控制模块以及无线模块；所述舵机驱动模块连接所述径向蠕动关节、变向关节和头部关节的角度驱动装置或舵机，所述电机控制模块连接所述伸缩关节的驱动机构，所述无线模块用于与外部遥控装置通信。
本发明的有益效果如下：本发明蠕动管道机器人利用几何结构的变换实现了蚯蚓的仿生环节，结合电动推杆的使用，精准的模仿了蚯蚓的运动方式，完美实现曲线运动与直线运动的结合，使得本机器可以适应仅等同于自身横截面的洞穴前行，其结构可等比缩放，适应各种洞穴，其中由连杆机构构成的环状缩放部分的蠕动关节结构，可以应用于如矿井等工作环境，其结构的可伸缩性，可有效保护意外发生时井下作业的人们。该蠕动机器人实现多层几何变形实现扩张和支撑，适应性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明管道蠕动机器人的蠕动模块一种实施方式的结构图；
图2为本发明管道蠕动机器人的径向蠕动关节和伸缩关节部分的一种实施方式的结构图；
图3为本发明管道蠕动机器人整体的一种实施方式的主视图；
图4为本发明管道蠕动机器人整体的一种实施方式的左视图；
图5为本发明管道蠕动机器人的固定盘的一种实施方式的结构示意图；
图6为本发明管道蠕动机器人的外支撑杆的一种实施方式的结构示意图；
图7为本发明管道蠕动机器人的硬性连接器的部分结构的一种实施方式示意图；
图8为本发明管道蠕动机器人的硬性连接器的整体结构的一种实施方式示意图；
图9为本发明管道蠕动机器人的变向关节的一种实施方式的结构示意图；
图10为本发明管道蠕动机器人的头部关节的一种实施方式的结构示意图；
图11为本发明管道蠕动机器人的行走机构的一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明非差速转向车管道蠕动机器人的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围；有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各权利要求限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”“下”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的的装置或原件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“连接”“联接”应做广义理解，例如，可以为固定连接，也可以为可拆卸连接或者一体式连接；可以是机械连接、也可以是电连接或可以为相互通讯连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间的相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
图3示出了本发明管道蠕动机器人整体构造的一种实施方式，由控制装置和若干个收尾相连的蠕动模块1组成。在具体的实施例中，所述蠕动模块1包括两个径向蠕动关节2、一伸缩关节3和一变向关节4。具体方案如图1所示。
两个径向蠕动关节2中，任一所述径向蠕动关节2包括环绕分布的若干个连杆机构21，所述连杆机构21在角度驱动装置22的带动下实现径向伸缩。
所述伸缩关节3连接两个所述径向蠕动关节2且可进行轴向伸缩。
变向关节4设于一径向蠕动关节2外端，所述变向关节4与另一蠕动模块1端部的径向蠕动关节2外端相连接，所述变向关节4两端部分别与两侧的径向蠕动关节2进行径向的转动连接，且所述变向关节4两端部以一平行于径向平面的轴为转轴进行相对转动。
该机器人实现蚯蚓的精准仿生，通过径向蠕动关节的径向伸缩、伸缩关节的轴向伸缩以及变向关节的转动使得运行方式多变，适应能力强；可多方位多角度扩张洞穴，且扩张同时还有支撑的作用。下述对机器人各个关节进行详细描述。
图1-2所示，所述径向蠕动关节2还包括平行设于连杆机构21两侧且供若干个所述连杆机构21环绕连接的两个圆固定盘组23；所述连杆机构21亦可视为是四连杆机构的变形，以其能实现相对于固定点的伸缩为准。而再具体的示例中，所述连杆机构包括滚筒连杆210以及分别设于所述滚筒连杆210两端且与其转动连接的两个外支撑杆211，两个所述外支撑杆211均为弧形弯曲构造，如图6所示。所述连杆机构21中的滚筒连杆210置于两个所述圆固定盘组23的中间外侧，其两个外支撑杆211的另一端部分别转动连接于两侧的圆固定盘组23上；两个所述外支撑杆211在收缩状态时，连接圆固定盘组23的端部在径向平面上的投影为相错的。本发明所述的外支撑杆211与滚筒连杆210为相互转动的关系，其具体的转动位置可设于滚筒连杆210和外支撑杆211的连接处，如滚筒连杆210两端通过滚动轴承连接于外支撑杆211一端设置的轴孔212；又如滚筒连杆210为转轴上套设有滚筒的结构，转轴两端固定连接于外支撑杆211一端设置的轴孔212上；由此可知，在发明理念基础上，实现外支撑杆211与滚筒连杆210的相互转动的常规技术方案均在本发明的保护范围内。
所述角度驱动装置22包括两个动力输出端，分别连接并驱动两个圆固定盘组23做反向转动。需要说明的是，该处所述的角度驱动装置22在一些具体实例中选用舵机，所述两个动力输出轴可通过两个舵机的转动来实现，例如在控制上通过arduino控制两个舵机反向转动，该技术特征可通过本领域技术人员的常规操作以实现，再此不作具体描述。
图5示出的是一个圆固定盘组的部分组件的示例，每个所述圆固定盘组23包括平行设置的两个固定盘230以及连接两个所述固定盘230的轴孔固定件232(如图4所示)，所述固定盘230中部设有轴孔231，周边设有对应外支撑杆安装数量的安装孔234；所述轴孔固定件232穿过两个所述固定盘230的轴孔231固定，且两个所述固定盘230之间留有空间233；所述空间233恰好容置所述外支撑杆211。
如图7-8所示，所述伸缩关节3包括电动推杆30和硬性连接器，所述电动推杆30包括管套、设于管套内的推杆机构以及设于管套一侧且连接所述推杆机构的推杆，所述推杆在推杆机构的驱动下沿管套进行轴向运动；本发明所述的电动推杆30采用常规电动推杆即可，其具体结构在此不做详细描述。
所述硬性连接器包括第一连接器32和第二连接器33，所述第一连接器32和第二连接器33均设有固定所述电动推杆30的固定部320、330和连接所述径向蠕动关节2的连接部321、331；所述第一连接器32固定于所述电动推杆30的管套上，所述第二连接器33固定于所述电动推杆30的推杆上。
所述固定部320、330为插设管套或推杆的管状构造，且其一侧边设有开口323连通管内，该开口323延伸至偏离所述连接部321、331的一端；所述连接部321、331设有与所述固定部320的管道连通的轴向管道325；所述管套或推杆自所述固定部320的管内插入并固定于连接部321、331的轴向管道325。
图9示出了本发明变向关节的一个实施方式，具体的，所述变向关节4包括一舵机40、小支架41、大支架42以及固定连接件43；所述舵机40的一侧固定连接所述小支架41，另一侧转动连接于所述大支架42，所述固定连接件43为两个，其外侧套设有滚动轴承430，所述固定连接件43一侧分别连接于小支架41和大支架42的外侧，另一侧通过滚动轴承430连接于所述圆固定盘组23上。上述结构中，通过关节一侧的大支架与舵机的机体通过法兰盘与螺钉固定连接，关节另一侧的小支架与舵机的机体也通过法兰盘与螺钉固定连接，其中经上述结构组装的大支架与小支架之间、固定连接件与圆固定盘之间为相对转动，可实现变向关节的上下转动和左右扭动。
本发明在一些改进示例中，所述机器人还包括头部和头部关节5，所述头部为一径向蠕动关节2，即其结构为一个的径向蠕动关节2。所述头部关节5至少由可进行上下转动和前后转动的转动机构组成。
如图10所示，所述头部关节由第一舵机组件50和第二舵机组件51构成，任一舵机组件50、51由舵机件501、511、设于舵机件501、511一侧的大框型支架502、512和另一侧的小框型支架503、513构成，所述大框型支架502、512与舵机件501、511为可转动连接，小框型支架503、513与舵机件501、511为固定连接，所述第一舵机组件50的大框型支架502与第二舵机组件51的小框型支架513固定呈垂直固定连接；使得其中所述第一舵机组件50的大框型支架502与舵机件501之间的转动为上下转动，所述第二舵机组件51的大框型支架512与舵机件511之间的转动为前后转动。
在一些改进的示例中，本发明的管道蠕动机器人还包括行走机构6，如图11所示，所述行走机构6包括连接架60以及设于连接架60下端的滚轮件61，所述连接架60中部设有通孔62，所述通孔62通过插设的法兰轴承或轴杆与一侧的径向蠕动关节2侧部和另一侧的伸缩关节3进行连接。
又一些示例中，所述控制装置包括主控模块，与所述主控模块连接的舵机驱动模块、电机控制模块以及无线模块；所述舵机驱动模块连接所述径向蠕动关节2、变向关节4和头部关节5的角度驱动装置22或舵机，所述电机控制模块连接所述伸缩关节3的驱动机构，所述无线模块用于与外部遥控装置通信。
需要说明的是，本发明控制装置是通过单片机编程控制，以关节为单位实现蚯蚓的仿生运动，在一些示例中，可使用ARDUINO作为主控板，连接各关节的舵机驱动板，用于专门控制舵机，实现径向收缩，及左右扭动，还有头部的上下运动。用电机控制板连接电动推杆，实现前后伸缩，直线前行；在主控模块上连接由无线控制器，用于接受PS2遥控手柄传达出的指令，实现人机交互。
本发明所述管道蠕动机器人完全实现蚯蚓的仿生运动，实现蚯蚓的环节运动，通过环节的扩张，收缩，以及身体的直线型缩放，实现运动，机器整体都是机械结构，每一个径向蠕动关节都是由六个四连杆结构圆周排列构成，可实现有效抓地，能克服多种环境，并且环形结构的可实现缩放，可以通过环形结构的缩放对狭小的管道空间进行扩张，实现通道扩张，并支撑内部，且头部实现双自由度，身体也是根据头部探索角度，调整行进方向。此外，其还结合电动推杆的使用，精准的模仿蚯蚓的运动方式，完美实现曲线运动与直线运动，使得本机器可以适应仅等同于自身横截面的洞穴前行，其结构可等比缩放，适应各种洞穴。本发明管道蠕动机器人可以应用于如矿井等工作环境，其结构的可伸缩性，可有效保护意外发生时井下作业的人们。对于震后以及部分枯井无法作业的情况，本机器人大大提高了其便利性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”“一些实施方式”“示意性实施方式”“示例”“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出了或描述了本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种管道蠕动机器人，由控制装置和若干个收尾相连的蠕动模块(1)组成，其特征在于，所述蠕动模块(1)包括
两个径向蠕动关节(2)，任一所述径向蠕动关节(2)包括环绕分布的若干个连杆机构(21)，所述连杆机构(21)在角度驱动装置(22)的带动下实现径向伸缩；
连接两个所述径向蠕动关节(2)且可进行轴向伸缩的伸缩关节(3)；以及，
设于一径向蠕动关节(2)外端的变向关节(4)，所述变向关节(4)与另一蠕动模块(1)端部的径向蠕动关节(2)外端相连接，所述变向关节(4)两端部分别与两侧的径向蠕动关节(2)进行径向的转动连接，且所述变向关节(4)两端部以一平行于径向平面的轴为转轴进行相对转动。
2.如权利要求1所述的管道蠕动机器人，其特征在于，所述径向蠕动关节(2)还包括平行设于连杆机构(21)两侧且供若干个所述连杆机构(21)环绕连接的两个圆固定盘组(23)；
所述连杆机构(21)包括滚筒连杆(210)以及分别设于所述滚筒连杆(210)两端且与其转动连接的两个外支撑杆(211)，两个所述外支撑杆(211)均为弧形弯曲构造；所述连杆机构(21)中的滚筒连杆(210)置于两个所述圆固定盘组(23)的中间外侧，其两个外支撑杆(211)的另一端部分别转动连接于两侧的圆固定盘组(23)上；两个所述外支撑杆(211)在收缩状态时，连接圆固定盘组(23)的端部在径向平面上的投影为相错的；
所述角度驱动装置(22)包括两个动力输出端，分别连接并驱动两个圆固定盘组(23)做反向转动。
3.如权利要求2所述的管道蠕动机器人，其特征在于，每个所述圆固定盘组(23)包括平行设置的两个固定盘(230)以及连接两个所述固定盘(230)的轴孔固定件(232)，所述固定盘(230)中部设有轴孔(231)，所述轴孔固定件(232)穿过两个所述固定盘(230)的轴孔(231)固定，且两个所述固定盘(230)之间留有空间(233)；所述空间(233)恰好容置所述外支撑杆(211)。
4.如权利要求1所述的管道蠕动机器人，其特征在于，所述伸缩关节(3)包括电动推杆(30)和硬性连接器，所述电动推杆(30)包括管套、设于管套内的推杆机构以及设于管套一侧且连接所述推杆机构的推杆，所述推杆在推杆机构的驱动下沿管套进行轴向运动；
所述硬性连接器包括第一连接器(32)和第二连接器(33)，所述第一连接器(32)和第二连接器(33)均设有固定所述电动推杆(30)的固定部(320、330)和连接所述径向蠕动关节(2)的连接部(321、331)；所述第一连接器(32)固定于所述电动推杆(30)的管套上，所述第二连接器(33)固定于所述电动推杆(30)的推杆上。
5.如权利要求4所述的管道蠕动机器人，其特征在于，所述固定部(320、330)为插设管套或推杆的管状构造，且其一侧边设有开口(323)连通管内，该开口(323)延伸至偏离所述连接部(321、331)的一端；所述连接部(321、331)设有与所述固定部(320)的管道连通的轴向管道(325)；所述管套或推杆自所述固定部(320)的管内插入并固定于连接部(321、331)的轴向管道(325)。
6.如权利要求2所述的管道蠕动机器人，其特征在于，所述变向关节(4)包括一舵机(40)、小支架(41)、大支架(42)以及固定连接件(43)；所述舵机(40)的一侧固定连接所述小支架(41)，另一侧转动连接于所述大支架(42)，所述固定连接件(43)为两个，其外侧套设有滚动轴承(430)，所述固定连接件(43)一侧分别连接于小支架(41)和大支架(42)的外侧，另一侧通过滚动轴承(430)连接于所述圆固定盘组(23)上。
7.如权利要求1所述的管道蠕动机器人，其特征在于，所述机器人还包括头部和头部关节(5)，所述头部为一径向蠕动关节(2)，所述头部关节(5)至少由可进行上下转动和前后转动的转动机构组成。
8.如权利要求7所述的管道蠕动机器人，其特征在于，所述头部关节由第一舵机组件(50)和第二舵机组件(51)构成，任一舵机组件(50、51)由舵机件(501、511)、设于舵机件(501、511)一侧的大框型支架(502、512)和另一侧的小框型支架(503、513)构成，所述大框型支架(502、512)与舵机件(501、511)为可转动连接，小框型支架(503、513)与舵机件(501、511)为固定连接，所述第一舵机组件(50)的大框型支架(502)与第二舵机组件(51)的小框型支架(513)固定呈垂直固定连接；使得其中所述第一舵机组件(50)的大框型支架(502)与舵机件(501)之间的转动为上下转动，所述第二舵机组件(51)的大框型支架(512)与舵机件(511)之间的转动为前后转动。
9.如权利要求1所述的管道蠕动机器人，其特征在于，还包括行走机构(6)，所述行走机构(6)包括连接架(60)以及设于连接架(60)下端的滚轮件(61)，所述连接架(60)中部设有通孔(62)，所述通孔(62)通过插设的法兰轴承或轴杆与一侧的径向蠕动关节(2)侧部和另一侧的伸缩关节(3)进行连接。
10.如权利要求7所述的管道蠕动机器人，其特征在于，所述控制装置包括主控模块，与所述主控模块连接的舵机驱动模块、电机控制模块以及无线模块；所述舵机驱动模块连接所述径向蠕动关节(2)、变向关节(4)和头部关节(5)的角度驱动装置(22)或舵机，所述电机控制模块连接所述伸缩关节(3)的驱动机构，所述无线模块用于与外部遥控装置通信。
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