CN109882680A - 一种蠕动式管道机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种蠕动式管道机器人及其控制方法，蠕动式管道机器人包括：至少两个足部，每一足部包括：第一伸缩单元和可拆卸铰接于第一伸缩单元的多个支撑部，第一伸缩单元控制多个支撑部沿管道径向伸缩，以对管壁施加径向力，实现足部与管道内壁的固定或分开；推进部，连接于两个足部之间，包括第二伸缩单元和万向旋转机构，第二伸缩单元用于控制蠕动式管道机器人沿管道轴向伸缩，万向旋转机构一端连接至第二伸缩单元，另一端连接至其中一个足部，以使两个足部能够相对绕动。本发明结构简单，通过更换连杆可快速适应不同管径的管道爬行，方便拆装和维护，适用范围更广。

Description

一种蠕动式管道机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人制造技术领域，具体而言，涉及一种蠕动式管道机器人及其控制方法。

背景技术

近年来，随着石油、天然气和其他流体运输管道的发展，定期对这些管道进行检测和维护显得尤为重要。由于管道自身的局限性，限制了人的操作能动性。微型可蠕动式管道爬行机器人作为一种有效的检测工具载体，可以深入探测许多普通检测工具无法达到的狭小空间内，目前已成为解决管道检测这一工业难题的主要检测体，各种管道机器人也应用而生。由于管道内环境复杂、空间小，要求管道机器人单元结构简单，同时对复杂的管内环境具有自适应能力。

现有蠕动式管道爬行器存在的问题是：1)使用范围小，现有的轮式爬行机构轮轴一般固定设置于机构本体，拆装和维护不便，且轮轴的调节范围有限，因此大多只适用于一定范围的管径，管径过大或者过小时，容易出现轮轴轴向力变小、接触不平稳的现象；2)接触压力不稳定，现已有机器人无有效固定结构，在爬行陡峭一点的管壁时可能会出现下坠现象；无法在复杂的管道中全方位爬行；在复杂轨道如腐蚀严重的石油管道或暖气管道、油污较多，管道摩擦力较小的复杂管道内无法实现有效的爬行工作。

发明内容

本发明提供了一种蠕动式管道机器人及其控制方法，旨在改善现有的管道机器人轮轴不可拆卸、应用范围受限的问题。

本发明是这样实现的：

一种蠕动式管道机器人，包括：

至少两个足部，每一所述足部包括：第一伸缩单元和可拆卸铰接于所述第一伸缩单元的多个支撑部，所述第一伸缩单元控制多个所述支撑部沿管道径向伸缩，以对管壁施加径向力，实现所述足部与管道内壁的固定或分开；

推进部，连接于两个所述足部之间，包括第二伸缩单元和万向旋转机构，所述第二伸缩单元用于控制所述蠕动式管道机器人沿管道轴向伸缩，所述万向旋转机构一端连接至所述第二伸缩单元，另一端连接至其中一个所述足部，以使两个所述足部能够相对绕动。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述第一伸缩单元包括伸缩件和安装在所述伸缩件两端的两块安装板，所述伸缩件能够伸缩控制两块所述安装板相互靠近或远离；

所述支撑部包括支脚单元和连杆单元，所述连杆单元包括呈八字形的两根连接杆，两根所述连接杆的一端均铰接于所述支脚单元，另一端分别铰接至两块所述安装板，以在两块所述安装板相互运动时，使所述支脚单元沿管道径向伸缩。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述支脚单元包括121、连接于所述支脚架的胶块以及相对设置于所述胶块两端两个滚轮，两个所述滚轮分别通过一滚轮架铰接于所述支脚架，并通过一扭簧分别贴合于所述胶块的两个端面，所述扭簧一端抵接所述支脚架，另一端抵接于所述滚轮架，所述滚轮贴合于所述胶块时，所述滚轮具有高出所述胶块的第一状态，所述滚轮受管壁径向力相对于所述支脚架向外绕动至所述胶块与管壁接触时，所述滚轮具有与所述胶块相对齐平的第二状态。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述胶块具有固定端和支撑端，所述固定端连接所述支脚架，所述支撑端呈弧状凸起。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述胶块由弹性材料制成。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述足部上设有至少四个所述支撑部，多个所述支撑部沿所述足部周向均匀布置。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述第二伸缩单元一端连接于所述足部的安装板，另一端连接至所述万向旋转机构，所述万向旋转机构远离所述第二伸缩单元的一端连接至另一所述足部的安装板，所述第二伸缩单元通过伸缩运动控制两个所述足部的安装板相互靠近或远离。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述第一伸缩单元和第二伸缩单元为气缸、液压缸、电推杆或伸缩电磁铁。

一种如上所述的蠕动式管道机器人的控制方法，包括以下步骤：

将所述蠕动式管道机器人置于管道入口处，沿所述蠕动式管道机器人的爬行方向，相邻两足部分别为前足和后足；

重复以下步骤直至所述蠕动式管道机器人运动至目标位置：

S1，控制所述后足的第一伸缩单元收缩，所述连接杆对所述支脚单元施加径向力，胶块接触管壁使所述后足固定于管道内壁；

S2，控制所述第二伸缩单元伸长，推动所述前足在管道内向前蠕动；

S3，控制所述前足的第一收缩单元收缩，使所述前足固定于管道内壁；

S4，控制所述后足的第一伸缩单元伸长，所述后足的胶块收缩，在扭簧的扭力下，滚轮相对于所述支脚架向内绕动，然后控制第二伸缩单元收缩，带动所述后足在管道内向前蠕动。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过上述设计得到的蠕动式管道机器人及其控制方法，作业时，所述第一伸缩单元通过伸缩运动可以控制所述支撑部沿管道径向伸缩，适用于不同管道的管道爬行，所述支撑部可拆卸铰接于所述第一伸缩单元，可以与不同形状、规格的连接杆搭配使用，方便拆装和维护，节约了装置成本；

(2)本发明支撑部可拆卸铰接于第一伸缩单元，可通过更换连杆快速适应不同管径的管道爬行，保证足部具有足够的轴向驱动力，与管壁的接触更加平稳，适用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的蠕动式管道机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的蠕动式管道机器人的分解示意图；

图3是本发明实施例1提供的蠕动式管道机器人的侧视图；

图4是图3沿A-A方向的剖面示意图；

图5是本发明实施例1提供的蠕动式管道机器人的支脚单元结构示意图；

图6是图5的剖面示意图；

图7是本发明支脚单元的侧视图；

图8是本发明支脚单元的分解示意图；

图9是本发明滚轮的工作状态图(状态一)；

图10是本发明滚轮的工作状态图(状态二)。

图标：1-足部；11-第一伸缩单元；111-伸缩件；112-安装板；12-支撑部；121-支脚单元；121A-支脚架；121B-胶块；121C-滚轮；121D-滚轮架；121E-扭簧；122-连杆单元；2-推进部；21-第二伸缩单元；22-万向旋转机构。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

参照图1、2所示，本发明提供了一种蠕动式管道机器人，包括至少两个足部1和一个推进部2。

其中每一所述足部1包括：第一伸缩单元11和可拆卸铰接于所述第一伸缩单元11的多个支撑部12。所述第一伸缩单元11控制多个所述支撑部12沿管道径向伸缩，以对管壁施加径向力，实现所述足部1与管道内壁的固定或分开。所述支撑部12铰接于所述第一伸缩单元11，作业时，所述第一伸缩单元11通过伸缩运动可以控制所述支撑部12沿管道径向伸缩，适用于不同管道的管道爬行。所述支撑部12铰接于所述第一伸缩单元11，可以与不同形状、规格的连接杆搭配使用，方便拆装和维护，节约了装置成本。通过更换连杆快速适应不同管径的管道爬行，可保证足部1具有足够的轴向驱动力，与管壁的接触更加平稳，适用范围更广。

可选的，本发明所述仿生蠕动型管道内爬行器可以设置若干足部1和推进部2，若干所述推进部2和所述足部1相间设置串联构成多段式蠕动爬行结构，可以增加其运动稳定性和灵活性。

推进部2连接于两个所述足部1之间，包括第二伸缩单元21和万向旋转机构22。所述第二伸缩单元21用于控制所述蠕动式管道机器人沿管道轴向伸缩，适用于应对不同管径、不同形状以及复杂的管道环境。所述万向旋转机构22一端连接至所述第二伸缩单元21，另一端连接至其中一个所述足部1，以使两个所述足部1能够相对绕动，能够在管道管路的倾斜和弯角处灵活的弯曲。可选的，在不偏离本发明实质性内容的基础上，现有的万向传动装置，如万向连接杆、关节轴承、球铰连接件等均可应用于本发明。

可选的，参考图1-4所示，所述第一伸缩单元11包括伸缩件111和安装在所述伸缩件111两端的两块安装板112，所述伸缩件111能够伸缩控制两块所述安装板112相互靠近或远离。

所述支撑部12包括支脚单元121和连杆单元122。所述连杆单元122包括呈八字形的两根连接杆，两根所述连接杆的一端均铰接于所述支脚单元121，另一端分别铰接至两块所述安装板112，以在所述安装板112相互运动时相对于所述支脚单元121绕动一个空间角度，使所述支脚单元121沿管道径向伸缩。从而该机器人在一定管径范围内，通过控制所述伸缩件111的伸缩运动限制所述支脚单元121的径向伸展幅度，与管道管径等管内环境相适配，具有很好的自适应能力。

可选的，参考图5-8所示，所述支脚单元121包括支脚架121A、连接于所述支脚架121A的胶块121B以及相对设置于所述胶块121B两端的两个滚轮121C。两个所述滚轮121C分别通过一滚轮架121D铰接于所述支脚架121A，并通过一扭簧121E分别贴合于所述胶块121B的两个端面。所述扭簧121E一端抵接所述支脚架121A，另一端抵接于所述滚轮架121D。所述滚轮121C贴合于所述胶块121B时，所述滚轮121C具有高出所述胶块121B的第一状态，所述滚轮121C受管壁径向力相对于所述支脚架121A向外绕动至所述胶块121B与管壁接触时，所述滚轮121C具有与所述胶块121B相对齐平的第二状态。

具体的，参考图9所示，α为支脚单元121上两滚轮121C之间的夹角，h为胶块121B顶端与滚轮架121D旋转中心的距离，s为滚轮121C顶端与滚轮架121D旋转中心的距离。当机器人在管道内移动时，所述伸缩件111处于伸长状态，两块所述安装板112相互远离，分别铰接在两块所述安装板112的两根所述连接杆均向内部绕动一定的角度，使所述支脚单元121沿管道径向受力减小，相对于管壁向内回缩，在扭簧121E的作用下，支脚单元121上两滚轮121C之间的夹角。此时，所述滚轮121C贴合于所述胶块121B(h<S),所述滚轮121C具有高出所述胶块121B的第一状态，滚轮121C可在管道管壁上自由滚动。

参考图10所示，当所述伸缩件111处于收缩状态时，所述两块所述安装板112相互靠近，连接两块所述安装板112的两根所述连接杆均向外绕动一定的角度，使所述支脚单元121沿管道径向受力增大，胶块121B两端的两个滚轮121C被撑开(α变大)。这时，所述滚轮121C受管壁径向力，并克服所述扭簧121E弹性力相对于所述支脚架121A向外绕动至所述胶块121B与管壁接触(h＝S)，使所述支脚单元121固定于管壁。

可选的，参考图5所示，所述胶块121B具有固定端和支撑端，所述固定端连接所述支脚架121A，所述支撑端呈弧状凸起。弧状的支撑端使得所述机器人在爬行过程中遇到破裂、堵塞、积污的管路段时，所述足部1与管壁的固定更加稳固，降低了清理维护的难度。

可选的，参考图5所示，所述胶块121B由弹性材料制成。弹性材料可保证所述机器人在爬行过程中与管壁弹性接触，起到一定缓冲震荡的作用，减少装置的磕损和压迫，延长其使用寿命。同时弹性材料具有较大的静摩擦系数，可以提供较大的摩擦力，使机器人与管壁的固定更加稳固。可选的，所述弹性材料可以是弹性橡胶，也可以是聚氨酯、PVC等其他具有减震耐磨性能的软材料，本发明不做具体限定。

可选的，参考图1所示，所述足部1上设有至少四个所述支撑部12，多个所述支撑部12沿所述足部1周向均匀布置，使所述支撑部12在管道周向上具有足够的支点进行固定，避免了因环路环境变化引起装置重心的偏置。

可选的，参考图1、2所示，所述第二伸缩单元21一端连接于所述足部1的安装板112，另一端连接至所述万向旋转机构22，所述万向旋转机构22远离所述第二伸缩单元21的一端连接至另一所述足部1的安装板112，所述第二伸缩单元21通过伸缩运动控制两个所述足部1的安装板112相互靠近或远离，通过有序的伸缩运动推动机器人机身沿管壁轴向蠕动。

可选的，参考图1、2所示，所述第一伸缩单元11和第二伸缩单元21为气缸、液压缸、电推杆或伸缩电磁铁。可选的，所述爬行器可以与动力源或控制器集成到一起，也可以通过外接的方式提供动力，本发明不做具体限定。可选的，在不偏离本发明实质性内容的基础上，其他具有可伸缩调节功能的机构均可适用于本发明。

本发明还提供了一种如上所述的蠕动式管道机器人的控制方法，包括以下步骤：

将所述蠕动式管道机器人置于管道入口处，沿所述蠕动式管道机器人的爬行方向，相邻两足部1分别为前足和后足；

重复以下步骤直至所述蠕动式管道机器人运动至目标位置：

S1，控制所述后足的第一伸缩单元11收缩，所述连接杆均相对于所述安装板112向外绕动，并对所述支脚单元121施加径向力。这时，滚轮121C受管壁径向力，并克服所述扭簧121E弹性力相对于所述支脚架121A向外绕动至所述胶块121B与管壁接触(h＝S)，固定于管壁。

S2，控制所述第二伸缩单元21伸长，推动所述前足在管道内向前蠕动。

S3，控制所述前足的第一伸缩单元11收缩，所述连接杆均相对于所述安装板112向外绕动，并对所述支脚单元121施加径向力。这时，滚轮121C受管壁径向力，并克服所述扭簧121E弹性力相对于所述支脚架121A向外绕动至所述胶块121B与管壁接触(h＝S)，固定于管壁使所述前足固定于管道内壁。

S4，控制所述后足的第一伸缩单元11伸长，连接两块所述安装板112的两根所述连接杆均向内部绕动一定的角度，使所述支脚单元121沿管道径向受力减小，所述后足的胶块121B收缩，在扭簧121E的扭力下，滚轮121C相对于所述支脚架121A向内绕动，然后控制第二伸缩单元21收缩，带动所述后足在管道内向前蠕动，从而实现一个步进的位移。

当所述蠕动型管道机器人按照控制程序完成爬行任务以及其他复杂的勘探任务后，可通过反向程序控制机器人反向移动，退出管道。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种蠕动式管道机器人，其特征在于，包括：

至少两个足部(1)，每一所述足部(1)包括：第一伸缩单元(11)和可拆卸铰接于所述第一伸缩单元(11)的多个支撑部(12)，所述第一伸缩单元(11)控制多个所述支撑部(12)沿管道径向伸缩，以对管壁施加径向力，实现所述足部(1)与管道内壁的固定或分开；

推进部(2)，连接于两个所述足部(1)之间，包括第二伸缩单元(21)和万向旋转机构(22)，所述第二伸缩单元(21)用于控制所述蠕动式管道机器人沿管道轴向伸缩，所述万向旋转机构(22)一端连接至所述第二伸缩单元(21)，另一端连接至其中一个所述足部(1)，以使两个所述足部(1)能够相对绕动。

2.根据权利要求1所述的蠕动式管道机器人，其特征在于，所述第一伸缩单元(11)包括伸缩件(111)和安装在所述伸缩件(111)两端的两块安装板(112)，所述伸缩件(111)能够伸缩控制两块所述安装板(112)相互靠近或远离；

所述支撑部(12)包括支脚单元(121)和连杆单元(122)，所述连杆单元(122)包括呈八字形的两根连接杆，两根所述连接杆的一端均铰接于所述支脚单元(121)，另一端分别铰接至两块所述安装板(112)，以在两块所述安装板(112)相互运动时，使所述支脚单元(121)沿管道径向伸缩。

3.根据权利要求2所述的蠕动式管道机器人，其特征在于，所述支脚单元(121)包括支脚架(121A)、连接于所述支脚架(121A)的胶块(121B)以及相对设置于所述胶块(121B)两端两个滚轮(121C)，两个所述滚轮(121C)分别通过一滚轮架(121D)铰接于所述支脚架(121A)，并通过一扭簧(121E)分别贴合于所述胶块(121B)的两个端面，所述扭簧(121E)一端抵接所述支脚架(121A)，另一端抵接于所述滚轮架(121D)，所述滚轮(121C)贴合于所述胶块(121B)时，所述滚轮(121C)具有高出所述胶块(121B)的第一状态，所述滚轮(121C)受管壁径向力相对于所述支脚架(121A)向外绕动至所述胶块(121B)与管壁接触时，所述滚轮(121C)具有与所述胶块(121B)相对齐平的第二状态。

4.根据权利要求3所述的蠕动式管道机器人，其特征在于，所述胶块(121B)具有固定端和支撑端，所述固定端连接所述支脚架(121A)，所述支撑端呈弧状凸起。

5.根据权利要求3所述的蠕动式管道机器人，其特征在于，所述胶块(121B)由弹性材料制成。

6.根据权利要求2所述的蠕动式管道机器人，其特征在于，所述足部(1)上设有至少四个所述支撑部(12)，多个所述支撑部(12)沿所述足部(1)周向均匀布置。

7.根据权利要求2所述的蠕动式管道机器人，其特征在于，所述第二伸缩单元(21)一端连接于所述足部(1)的安装板(112)，另一端连接至所述万向旋转机构(22)，所述万向旋转机构(22)远离所述第二伸缩单元(21)的一端连接至另一所述足部(1)的安装板(112)，所述第二伸缩单元(21)通过伸缩运动控制两个所述足部(1)的安装板(112)相互靠近或远离。

8.根据权利要求2所述的蠕动式管道机器人，其特征在于，所述第一伸缩单元(11)和第二伸缩单元(21)为气缸、液压缸、电推杆或伸缩电磁铁。

9.一种如权利要求2-8任一项所述的蠕动式管道机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述蠕动式管道机器人置于管道入口处，沿所述蠕动式管道机器人的爬行方向，相邻两足部分别为前足和后足；

重复以下步骤直至所述蠕动式管道机器人运动至目标位置：

S1，控制所述后足的第一伸缩单元(11)收缩，所述连接杆对所述支脚单元(121)施加径向力，胶块(121B)接触管壁使所述后足固定于管道内壁；

S2，控制所述第二伸缩单元(21)伸长，推动所述前足在管道内向前蠕动；

S3，控制所述前足的第一收缩单元(11)收缩，使所述前足固定于管道内壁；

S4，控制所述后足的第一伸缩单元(11)伸长，所述后足的胶块收缩，在扭簧(121D)的扭力下，滚轮(121C)相对于所述支脚架(121A)向内绕动，然后控制第二伸缩单元(21)收缩，带动所述后足在管道内向前蠕动。