CN109084119A - 一种多运动模式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多运动模式管道机器人，涉及管道机器人领域，主要用以解决管道机器人在使用过程中无法适配多种工况的问题，其技术要点主要包括两个对称布置的机身，每个所述机身的侧边均布有若干车轮，两所述机身通过弯曲机构相连，每个所述机身与车轮之间均设有与机身距离同步调整的变径机构，所述车轮与自适应变径机构之间还设有舵机驱动的车轮变位机构，本发明可作为各种管道装置的运动载体，通过添加各种传感器或操作装置，实现管道内清洗、探测、修复等作业任务。

Description

一种多运动模式管道机器人

技术领域

本发明涉及管道机器人领域，具体地说一种适应管道能力强、越障效果好、具有多种运动模式的管道机器人。

背景技术

管道机器人集机、电、仪于一身，能在工作人员遥控或者计算机自动控制下，进行一系列管道内外作业。应用非常广泛。目前常见的管道机器人按行走方式分主要有轮式管道机器人、履带式管道机器人、蠕动式管道机器人和螺旋上升式管道机器人等几种。

然而这些管道机器人大都只有一种行走方式，普遍存在行走方式单一，驱动能力有限，难以适应管道内避障、爬升、变径等多种使用工况问题，因此如何有效提高管道机器人适应能力，应对各种使用工况，并保证机器人在管道内能够顺畅移动成为值得研究的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述管道机器人运动形式单一、适应能力差的不足，提供一种具有多种运动模式，能够有效适配各种不同工况，保证在管道内能够顺畅行走的管道机器人。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种多运动模式管道机器人，包括两个对称布置的机身，每个所述机身的侧边均布有若干车轮，两所述机身通过弯曲机构相连，每个所述机身与车轮之间均设有与机身距离同步调整的自适应变径机构；所述车轮与自适应变径机构之间还设有舵机驱动的车轮变位机构，其中：

1）机身：所述机身近弯曲机构端为一方形的基座，所述基座侧面开有中心孔，所述中心孔四周均布有若干安装孔，所述机身上远离弯曲机构的一端为一圆形法兰盘，所述法兰盘中心及周围开有与基座对应的安装孔，所述基座与法兰盘通过若干穿过基座及法兰盘上的安装孔的光杆固连；

2）自适应变径机构：包括带丝杠的步进电机、第一被动滑块、第二被动滑块、第三主动滑块、弹簧、支撑杆件及舵机安装架；所述步进电机与基座固定，所述丝杠从基座侧边中心孔伸出至另一端法兰盘中心位置处，所述丝杠与光杆平行，且所述第一被动滑块与第二被动滑块依次滑动设置于丝杆及光杆上，所述第一被动滑块与基座之间布置有弹簧，所述第一被动滑块和第二被动滑块四周均布有若干等长的第一支撑杆件，所述第一支撑杆件一端与第一滑块或第二滑块铰连，另一端与舵机安装架铰连；所述第三主动滑块与丝杆转动连接，且所述第三主动滑块四周均布有若干铰连的第二支撑杆件，所述第二支撑杆件一端与第三主动滑块铰连，另外一端与舵机安装架铰连；

3）弯曲机构：包括第一舵机、第二舵机、第一U形架、第二U形架，所述第一U形架横边与所述第二U形架横边十字交叉固连，所述第一U形架两竖边一边与所述第一舵机的输出轴法兰连接，另一边通过轴承与所述第一舵机机体固连，所述第一舵机与基座固连；所述第二U形架一竖边与第二舵机的输出轴法兰连接，另一竖边通过轴承与所述第二舵机机体固连，所述第二舵机与基座固连；

4）车轮变位机构：包括驱动舵机、车轮驱动电机、固定盒；所述驱动舵机固定在舵机安装架内，所述驱动舵机输出轴通过法兰与固定盒固连，以带动电机固定盒旋转变位，所述固定盒内固定有直流伺服电机，所述直流伺服电机的输出轴连接车轮。

进一步的，所述弹簧的一端与机身之间设有压力传感器，若干车轮驱动电机设有编码器，所述编码器和所述压力传感器还连接控制单元。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、通过驱动舵机驱动的车轮变位机构，可以改变车轮方向，实现管道机器人多种行走模式，并能够在多种运动模式间切换，这增加了管道机器人的运动灵活性和适应性；

2、在需要爬升竖直管道时，通过车轮变位机构精确调整车轮角度，使车轮与管道轴线间成一定夹角，可实现管道机器人在竖直管道内螺旋爬升；

3、通过丝杠旋转带动主动滑块移动，同步调整车轮与机身的距离，使管道机器人能够适应不同的管径；

4、通过步进电机带动丝杠旋转压紧第一被动滑块和电机基座间布置的弹簧以及压力传感器的反馈，实现车轮与管壁间压紧力的动态调整；

5、采用两节机身对称布置方式，在变径时，通过调整两丝杠旋转方向，能够保证前后两节车轮距离不变，可令机器人整体更加平稳，同时，两节机身之间连有可控制的主动弯曲机构，确保机器人在管道中能够顺利转弯。

附图说明

图1是本发明一种多运动模式管道机器人的整体结构示意图；

图2是本发明一种多运动模式管道机器人在竖直的管道中爬升的工作示意图。

图中，1、机身；11、车轮；12、直流伺服电机；13、基座；131、中心孔；132、安装孔；14、法兰盘；15、光杆；2、步进电机；21、第一被动滑块；22、第二被动滑块；23、第三主动滑块；24、弹簧；25、第一支撑杆件；26、舵机安装架；27、丝杆；28、第二支撑杆件；31、第一舵机；32、第二舵机；33、第一U形架；34、第二U形架；4、驱动舵机；5、固定盒；6、压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。

一种多运动模式管道机器人，参照图1，包括两个对称布置的机身1，每个机身1的侧边均布有若干车轮11，本实施例中，每个机身1周边均布三个车轮11，两段机身1通过弯曲结构相连，机身1上靠近近弯曲机构的一端为一方形基座13，基座13侧面开有中心孔131，中心孔131四周均布有若干安装孔132，远离弯曲机构一端为一圆形法兰盘14，法兰盘14中心及周围开有与基座13对应的安装孔132，方形基座13与法兰盘14通过三根平行的光杆15连接，以保证机器人整体结构稳定。两段机身1通过舵机驱动的可控弯曲机构连接，使得机器人在通过管道转弯处时，两段机身1能够弯曲使机器人转向。

参照图1，为了适配不同直径的管道，在每个车轮11与机身1之间设有对车轮11与机身1之间距离同步调整的自适应变径机构。本实施例中，自适应变径机构包括：步进电机2、丝杆27、第一被动滑块21、第二被动滑块22和第三主动滑块23、弹簧24及舵机安装架26。步进电机2与方形基座13固定，丝杆27从基座13侧边中心孔131伸出，至另一端法兰盘14中心，法兰盘14中心孔131内装有轴承以支撑丝杆27。丝杆27和光杆15上依次装有可在其上可滑动的第一被动滑块21，第二被动滑块22和第三主动滑块23，第一被动滑块21与方形基座13之间布置有弹簧24。第一被动滑块21和第二被动滑块22四周均布有铰连的6根第一支撑杆件25，第一支撑杆件25一端分别与第一被动滑块21和第二被动滑块22铰连，另一端与舵机安装架26铰连，因此无论舵机安装架26位置如何变动，舵机安装架26始终处于平行于管道轴线位置，因此，车轮11也始终与管道的管壁保持垂直状态，确保车轮11与管道内壁具有较大的接触面积；第三主动滑块23与丝杆27转动连接，并且四周也均布有三根铰连的第二支撑杆件28，第二支撑杆件28一端与所述第三主动滑块23铰连，另一端与舵机安装架26铰连。因此，将第三主动滑块23沿着机身1的轴线方向前后滑移即可调整车轮11与机身1之间的距离，使其满足不同直径管道的使用需求，调整第三主动滑块23的位置时，转动步进电机2带动丝杆27转动，丝杆27转动后即可带动与其转动连接的第三主动滑块23的位置调整。

参照图1，第一被动滑块21与基座13之间设有弹簧24，弹簧24靠近基座13一端与基座13之间设有压力传感器6，压力传感器6连接控制单元（图中未画出），并且控制单元也连接步进电机2。弹簧24被压缩时，弹簧24的弹簧力反作用于第一被动滑块21，进而将车轮11压紧在管壁，提供运行摩擦力。通过压力传感器6反馈给控制单元，控制单元再驱动步进电机2转动，可动态调整车轮11与管壁之间的压紧力。

参照图1，本实施例中，弯曲结构包括第一舵机31、第二舵机32、第一U形架33及第二U形架34，第一U形架33及第二U形架34的横边十字交叉固连，第一U形架33的两个竖边一侧与第一舵机31的输出轴法兰连接，另一侧通过轴承与第一舵机31固连，而第一舵机31与基座13固连，相应的，第二U形架34的两个竖边一侧与第二舵机32的输出轴法兰连接，另一侧通过轴承与第二舵机32固连，第二舵机32与该侧的基座13固连。因此，在本机器人在管道中前进过程中，根据管道的实际情况对第一舵机31及第二舵机32进行角度的调整，即可适应性的带动两分段进行弯曲，从而能够顺利的在弯曲管道中通行。

参照图1，每个机身1的侧边都均匀布置有三个车轮11，每个车轮11下方均设有舵机驱动的车轮11变位机构，车轮11变为结构包括驱动舵机4、直流伺服电机12及固定盒5，驱动舵机4的输出轴连接固定盒5，固定盒5内固定安装有直流伺服电机12，直流伺服电机12驱使车轮11转动，当驱动舵机4转动时，可令车轮11改变转动方向，实现管道机器人的直线、旋转、螺旋等多种运动模式。

工作原理：

在本实施例中，可通过车轮变位机构实现车轮11位置调整改变机器人运动模式，对称布置的两个机身1周边布置有六个车轮11，每个车轮11均由直流伺服电机12独立驱动运行，需要管道机器人改变运动模式时，驱动舵机4驱动固定盒5转动改变车轮11方向。当车轮11旋转方向与管道轴线平行时，可实现机器人直线运动，当车轮11旋转方向与管道轴线垂直时，可实现机器人原地旋转。当车轮11旋转方向与管道轴线成一定夹角时，可实现机器人在管道内螺旋行走。

针对不同直径的管道，可以通过步进电机2、丝杆27、第一被动滑块21、第二被动滑块22、第三主动滑块23、弹簧24、第一支撑杆件25、第二支撑杆件28等实现自适应变径以适配不同直径的管道。在进入管道前，管道机器人根据管径做出初步调整，进入管道后，车轮11接触管道内壁，车轮11所受反作用力通过第一支撑杆件25传递给弹簧24，并由布置在弹簧24另一端的压力传感器6检测获得，控制单元获取传感器数据并根据控制要求经过控制运算驱动步进电机2自动调整车轮11与机身1之间的距离，使得车轮11能够以稳定的压力作用于管道内壁，为机器人不同的行走模式提供稳定的摩擦力。

需要转弯时，由于管道机器人被设置为两个对称机身1，两机身1之间通过舵机驱动的弯曲机构相连。因此，当机器人需要在管道内转弯时，通过对第一舵机31及第二舵机32的角度的调整即可实现弯曲机构的主动弯曲及前后两机身1车轮11转速的配合，管道机器人两机身1即可在弯曲机构处产生弯曲，从而确保管道机器人能够转弯并整体顺利通过管道。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种多运动模式管道机器人，其特征在于：包括两个对称布置的机身(1)，每个所述机身(1)的侧边均布有若干车轮(11)，两所述机身(1)通过弯曲机构相连，每个所述机身(1)与车轮(11)之间均设有与机身(1)距离同步调整的自适应变径机构；所述车轮(11)与自适应变径机构之间还设有舵机驱动的车轮变位机构，其中：

1）机身（1）：所述机身(1)近弯曲机构端为一方形的基座(13)，所述基座(13)侧面开有中心孔(131)，所述中心孔(131)四周均布有若干安装孔(132)，所述机身(1)上远离弯曲机构的一端为一圆形法兰盘(14)，所述法兰盘(14)中心及周围开有与基座(13)对应的安装孔(132)，所述基座(13)与法兰盘(14)通过若干穿过基座(13)及法兰盘(14)上的安装孔(132)的光杆(15)固连；

2）自适应变径机构：包括带丝杆（27）的步进电机(2)、第一被动滑块(21)、第二被动滑块(22)、第三主动滑块(23)、弹簧(24)及舵机安装架(26)；所述步进电机(2)与基座(13)固定，所述丝杆（27）从基座(13)侧边中心孔(131)伸出至另一端法兰盘(14)中心位置处，所述丝杆（27）与光杆(15)平行，且所述第一被动滑块(21)与第二被动滑块(22)依次滑动设置于丝杆(27)及光杆(15)上，所述第一被动滑块(21)与基座(13)之间布置有弹簧(24)，所述第一被动滑块(21)和第二被动滑块(22)四周均布有若干等长的第一支撑杆件(25)，所述第一支撑杆件(25)一端与第一被动滑块(21)或第二被动滑块(22)铰连，另一端与舵机安装架(26)铰连；所述第三主动滑块(23)与丝杆(27)转动连接，且所述第三主动滑块(23)四周均布有若干铰连的第二支撑杆件(28)，所述第二支撑杆件(28)一端与第三主动滑块(23)铰连，另外一端与舵机安装架(26)铰连；

3）弯曲机构：包括第一舵机(31)、第二舵机(32)、第一U形架(33)、第二U形架(34)，所述第一U形架(33)横边与所述第二U形架(34)横边十字交叉固连，所述第一U形架(33)两竖边一边与所述第一舵机(31)的输出轴法兰连接，另一边通过轴承与所述第一舵机(31)机体固连，所述第一舵机(31)与基座(13)固连；所述第二U形架(34)一竖边与第二舵机(32)的输出轴法兰连接，另一竖边通过轴承与所述第二舵机(32)机体固连，所述第二舵机(32)与基座(13)固连；

4）车轮变位机构：包括驱动舵机(4)、直流伺服电机(12)、固定盒(5)；所述驱动舵机(4)固定在舵机安装架(26)内，所述驱动舵机(4)输出轴通过法兰与固定盒(5)固连，以带动电机固定盒(5)旋转变位，所述固定盒(5)内固定有直流伺服电机(12)，所述直流伺服电机(12)的输出轴连接车轮(11)。

2.根据权利要求1所述的一种多运动模式管道机器人，所述弹簧(24)的一端与机身(1)之间设有压力传感器(6)，若干直流伺服电机(12)设有编码器，所述编码器和所述压力传感器(6)还连接控制单元。