CN109899622A - 一种仿生蠕动型管道内爬行器及其爬行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生蠕动型管道内爬行器及其爬行方法，涉及仿生机器人技术领域。其中，这种仿生蠕动型管道内爬行器包括：推进部和至少两个足部；足部包括：足部气囊；沿足部气囊周向设置的多个轮组；第一气泵组件，控制足部气囊沿管道径向伸缩，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：中轴气囊；第二气泵组件，控制中轴气囊沿管道轴向伸缩。本发明通过利用气泵组件对足部和推进部进行有序的充放气，实现爬行器在管道内的蠕动爬行，具有很好的稳定性和经济性。

Description

一种仿生蠕动型管道内爬行器及其爬行方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体而言，涉及一种仿生蠕动型管道内爬行器及其爬行方法。

背景技术

管道内因为空间狭小、输送距离长的限制导致管内作业非常困难，诸如工业管道内存在污垢清洗或堵塞疏通、防护管内铺设线路等需求，特别是管道长、管径小、分支多等情况下，无法人工进入操作。传统维护需要一个清洗作业班轮流分段拆卸，采用毛刷和清洗剂清洗，存在作业难度大、效率低下等难点。因此亟待开发能适应复杂管道环境的爬行机构，在已有的专利中，爬行机构多半只适用于一定直径的管道，使用范围较小；采用电动机或者摇杆式，不仅成本高，且动力性差，稳定性差，难以应对管道内障碍物。

发明内容

本发明提供了一种仿生蠕动型管道内爬行器及其爬行方法，旨在改善现有的爬行机构动力性和稳定性差的问题。

本发明是这样实现的：

一种仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，包括：推进部和至少两个足部；

所述足部包括：足部气囊；

沿所述足部气囊周向设置的多个轮组；

第一气泵组件，控制所述足部气囊沿管道径向伸缩，实现所述足部与管道内壁的固定或分开；

所述推进部连接于两个所述足部之间，包括：中轴气囊；

第二气泵组件，控制所述中轴气囊沿管道轴向伸缩。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，所述轮组包括连接板、安装于所述连接板上的两根支杆以及设于两根所述支杆之间并可沿所述支杆的轴向进行滑动的滑轮，所述连接板连接至所述足部气囊，所述支杆外套设有弹簧，所述滑轮通过一滑轮轴与两个所述弹簧固定连接，所述滑轮受外力时能够压缩所述弹簧进行径向运动。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，所述支杆远离所述连接板的端部设有支撑块，所述支撑块包括固定端和支撑端，所述固定端连接所述支杆，所述支撑端为弧状凸起。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，所述支撑块由弹性材料制成。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，所述足部上设有至少三个所述轮组，多个所述轮组沿周向均匀布置。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，相邻足部上的所述轮组间隔均匀的交错排布。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，所述推进部包括中轴套管、设置于所述中轴套管内部的中轴气囊和弹簧组件，所述中轴套管设有弹性软管段，所述中轴气囊的两端分别与两个所述足部活动连接，所述弹簧组件的两端分别连接至两个所述足部。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，所述中轴气囊包括伸缩部和连接于所述伸缩部两端的固定部，所述伸缩部能够受力沿轴向伸缩，所述固定部与所述足部相铰接，并可相对于所述足部在水平方向转动。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，每个所述足部气囊外部均设有壳体，所述弹簧组件为至少四根沿所述管道径向伸缩的拉伸弹簧，四根所述拉伸弹簧沿所述中轴气囊的周向均匀布置，且其两端分别连接至两个所述足部气囊的壳体上。

一种仿生蠕动型管道内爬行器的爬行方法，应用上述的仿生蠕动型管道内爬行器，包括以下步骤：

将所述仿生蠕动型管道内爬行器置于管道入口处，沿所述仿生蠕动型管道内爬行器的爬行方向，相邻两足部分别为前足和后足；

重复以下步骤直至所述仿生蠕动型管道内爬行器运动至目标位置：

S1，控制所述后足的第一气泵组件，使所述后足与管道内壁固定；

S2，控制所述第二气泵组件对所述中轴气囊充气，使所述中轴气囊沿轴向延伸，带动所述前足在管道内向前蠕动；

S3，控制所述前足的第一气泵组件，使所述前足与管道内壁固定；

S4，控制所述后足的第一气泵组件，使所述后足与所述管道内壁松开，控制所述第二气泵组件对所述中轴气囊放气，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仿生蠕动型管道内爬行器及其爬行方法，采用气囊的驱动方式，爬行时，通过利用气泵组件对所述足部和推进部进行有序的充放气，实现爬行器在管道内的蠕动爬行，具有很好的稳定性和经济性；

(2)本发明通过足部气囊的充放气，使足部气囊周向的轮组沿管道径向伸缩，实现足部与管道内壁的固定和松开，从而适用于不同的形状和大小的管径，拓宽了其适用范围。

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提供的仿生蠕动型管道内爬行器的立体结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的仿生蠕动型管道内爬行器的侧视图；

图3是图2沿A-A方向的剖面示意图；

图4本发明实施例1提供的仿生蠕动型管道内爬行器的分解示意图；

图5本发明实施例1提供的仿生蠕动型管道内爬行器的足部的分解示意图；

图6是本发明实施例1提供的仿生蠕动型管道内爬行器的支撑块结构示意图；

图7是本发明实施例1提供的仿生蠕动型管道内爬行器的管内工作状态图；

图8是本发明实施例1提供的仿生蠕动型管道内爬行器的工作状态图(状态一)；

图9是本发明实施例1提供的仿生蠕动型管道内爬行器的工作状态图(状态二)。

图标：1-推进部；11-中轴气囊；111-伸缩部；112-固定部；12-中轴套管；13-弹簧组件；2-足部；21-足部气囊；22-轮组；221-连接板；222-支杆；223-滑轮；224-弹簧；225-支撑块；225A-固定端；225B-支撑端；23-壳体。

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所示，本发明实施例提供了一种仿生蠕动型管道内爬行器，包括：推进部1和至少两个足部2。所述推进部1与至少两个所述足部2组成仿蠕动型动物的爬行结构，依靠足部2与管道的摩擦力使该爬行器在管道内蠕动式行走。可选的，所述仿生蠕动型管道内爬行器可以设置若干推进部1和足部2，若干所述推进部1和所述足部2相间设置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。

所述足部2包括：足部气囊21、沿所述足部气囊21周向设置的多个轮组22以及第一气泵组件(图中未示出)。所述第一气泵组件控制所述足部气囊21沿管道径向伸缩，实现所述足部2与管道内壁的固定或分开。在作业过程中，可根据管道的径向变化自适应调整所述轮组22沿径向伸缩，有利于应对管径变化、封堵等复杂的管道环境。

所述推进部1连接于两个所述足部2之间，包括：中轴气囊11以及第二气泵组件(图中未示出)。所述第二气泵组件用于控制所述中轴气囊11沿管道轴向伸缩。所述仿生蠕动型管道内爬行器采用气囊的驱动方式，爬行时，通过利用气泵组件对所述足部2和推进部1进行有序的充放气，实现爬行器在管道内的蠕动爬行，具有很好的稳定性和经济性。可选的，所述爬行器可以与气泵集成到一起，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，参考图5、6所示，所述轮组22包括连接板221、安装于所述连接板221上的两根支杆222以及设于两根所述支杆222之间并可沿所述支杆222的轴向进行滑动的滑轮223。所述连接板221连接至所述足部气囊21，并可随在所述足部气囊21充气时受力沿管道径向运动。所述支杆222外套设有弹簧224，所述滑轮223通过一滑轮轴与两个所述弹簧224固定连接。从而该爬行器可在一定范围内，通过伸缩所述滑轮223适用于不同尺寸及复杂的管路结构，方便进行清洗维护。所述滑轮223受外力时能够压缩所述弹簧224进行径向运动。当所述足部气囊21充气至一定程度时，所述滑轮223沿管道径向伸长直至所述滑轮223与管壁接触并产生径向压力，这时随着压力的增大，滑轮223反向运动带动弹簧224回缩，直至所述支杆222端部与管壁接触，使所述足部2固定于管壁。

可选的，参考图5、6所示，所述支杆222远离所述连接板221的端部设有支撑块225，所述支撑块225包括固定端225A和支撑端225B。所述固定端225A连接所述支杆222，所述支撑端225B为弧状凸起。弧状支撑端225B使得所述爬行器在爬行过程中遇到破裂、堵塞、积污的管路段时，所述足部2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6所示，所述支撑块225由弹性材料制成。弹性材料可保证所述爬行器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，使其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、2所示，所述足部2上设有至少三个所述轮组22，多个所述轮组22沿周向均匀布置。优选的，所述足部2上设有三个所述轮组22，三个所述轮组22之间的间隔均为120°。这样不仅节约了装置成本，而且三个轮组22的设置使其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，相邻足部2上的所述轮组22间隔均匀的交错排布，这样爬行运动过程中更加的稳固。

可选的，参考图3、4所示，所述推进部1包括中轴套管12、设置于所述中轴套管12内部的中轴气囊11和弹簧组件13。所述中轴套管12设有弹性软管段，所述弹性软管段可随所述中轴气囊11沿管道轴向伸缩，并可随管路倾角或形状的变化灵活地弯曲。所述中轴气囊11的两端分别与两个所述足部2活动连接，所述弹簧组件13的两端分别连接至两个所述足部2，从而通过中轴气囊11的伸缩推进两个所述足部2向前蠕动。

可选的，参考图3、4所示，所述中轴气囊11包括伸缩部111和连接于所述伸缩部111两端的固定部112。所述伸缩部111能够受力沿轴向伸缩，所述固定部112与所述足部2相铰接(例如通过销轴连接)，并可相对于所述足部2在水平方向转动，从而使连接于所述中轴气囊11的两个所述足部2可以相对绕动，适用于爬行弯曲、变形、凹凸等复杂管路情况。

可选的，参考图4所示，每个所述足部气囊21外部均设有壳体23。所述壳体23开设有容置所述轮组22连接板221的开口，当所述足部气囊21充气时，所述连接板221随所述足部气囊21在所述开口处向外隆起，使所述轮组22与管壁接触并产生相互作用。所述弹簧组件13为至少四根沿所述管道径向伸缩的拉伸弹簧，四根所述拉伸弹簧沿所述中轴气囊11的周向均匀布置，且其两端分别连接至两个所述足部气囊21的壳体23上。可选的，所述弹簧组件13还可以根据所述中轴气囊11的形状进行适应性的设置，例如可以是圆柱型，中凸型等，其数量可以是一个或多个，只要能实现本发明的拉伸蠕动效果，均可应用于本发明。

本发明还提供了一种仿生蠕动型管道内爬行器的爬行方法，应用前述的仿生蠕动型管道内爬行器，包括以下步骤：

参考图7-9所示，将所述仿生蠕动型管道内爬行器置于管道入口处，沿所述仿生蠕动型管道内爬行器的爬行方向，相邻两足部2分别为前足和后足；

重复以下步骤直至所述仿生蠕动型管道内爬行器运动至目标位置：

S1，参考图8所示，控制所述后足的第一气泵组件，使所述后足与管道内壁固定。具体的，开启所述第一气泵组件的气阀，当所述后足的足部气囊21填充至一定程度时，所述后足的轮组22将会与管壁接触并产生径向压力，这时随着压力的增大滑轮223反向运动使弹簧224回缩，直至所述支杆222端部与管壁接触，这时轮组22的支撑块225与管壁产生静摩擦力产生制动作用，使后足固定于管壁。

S2，参考图8所示，控制所述第二气泵组件对所述中轴气囊11充气，使所述中轴气囊11沿轴向延伸，由于前足的足部气囊21处于未充气状态，前足的轮组22可相对于管壁自由运动，这时中轴气囊11的弹簧组件13压缩并带动所述前足在管道内向前蠕动。

S3，参考图9所示，控制所述前足的第一气泵组件，使所述前足与管道内壁固定。具体的，开启所述第一气泵组件的气阀，当所述前足的足部气囊21填充至一定程度时，所述前足的轮组22将会与管壁接触并产生径向压力，这时随着压力的增大滑轮223反向运动使弹簧224回缩，直至所述支杆222端部与管壁接触，这时轮组22的支撑块225与管壁产生静摩擦力产生制动作用，使前足固定于管壁。

S4，控制所述后足的第一气泵组件，使所述后足与所述管道内壁松开，控制所述第二气泵组件对所述中轴气囊11放气，这时，中轴气囊11沿管道径向收缩，弹簧组件13带动所述后足在管道内向前蠕动。

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 (10)

1.一种仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，包括：推进部(1)和至少两个足部(2)；

所述足部(2)包括：足部气囊(21)；

沿所述足部气囊(21)周向设置的多个轮组(22)；

第一气泵组件，控制所述足部气囊(21)沿管道径向伸缩，实现所述足部(2)与管道内壁的固定或分开；

所述推进部(1)连接于两个所述足部(2)之间，包括：中轴气囊(11)；

第二气泵组件，控制所述中轴气囊(11)沿管道轴向伸缩。

2.根据权利要求1所述的仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，所述轮组(22)包括连接板(221)、安装于所述连接板(221)上的两根支杆(222)以及设于两根所述支杆(222)之间并可沿所述支杆(222)的轴向进行滑动的滑轮(223)，所述连接板(221)连接至所述足部气囊(21)，所述支杆(222)外套设有弹簧(224)，所述滑轮(223)通过一滑轮轴与两个所述弹簧(224)固定连接，所述滑轮(223)受外力时能够压缩所述弹簧(224)进行径向运动。

3.根据权利要求2所述的仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，所述支杆(222)远离所述连接板(221)的端部设有支撑块(225)，所述支撑块(225)包括固定端(225A)和支撑端(225B)，所述固定端(225A)连接所述支杆(222)，所述支撑端(225B)为弧状凸起。

4.根据权利要求3所述的仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，所述支撑块(225)由弹性材料制成。

5.根据权利要求1所述的仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，所述足部(2)上设有至少三个所述轮组(22)，多个所述轮组(22)沿周向均匀布置。

6.根据权利要求1所述的仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，相邻足部(2)上的所述轮组(22)间隔均匀的交错排布。

7.根据权利要求1所述的仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，所述推进部(1)包括中轴套管(12)、设置于所述中轴套管内部的中轴气囊(11)和弹簧组件(13)，所述中轴套管(12)设有弹性软管段，所述中轴气囊(11)的两端分别与两个所述足部(2)活动连接，所述弹簧组件(13)的两端分别连接至两个所述足部(2)。

8.根据权利要求1所述的仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，所述中轴气囊(11)包括伸缩部(111)和连接于所述伸缩部(111)两端的固定部(112)，所述伸缩部(111)能够受力沿轴向伸缩，所述固定部(112)与所述足部(2)相铰接，并可相对于所述足部(2)在水平方向转动。

9.根据权利要求7所述的仿生蠕动型管道内爬行器，其特征在于，每个所述足部气囊(21)外部均设有壳体(23)，所述弹簧组件(13)为至少四根沿所述管道径向伸缩的拉伸弹簧，四根所述拉伸弹簧沿所述中轴气囊(11)的周向均匀布置，且其两端分别连接至两个所述足部气囊(21)的壳体(23)上。

10.一种仿生蠕动型管道内爬行器的爬行方法，其特征在于，应用如权利要求1-9任意一项所述的仿生蠕动型管道内爬行器，包括以下步骤：

将所述仿生蠕动型管道内爬行器置于管道入口处，沿所述仿生蠕动型管道内爬行器的爬行方向，相邻两足部(2)分别为前足和后足；

重复以下步骤直至所述仿生蠕动型管道内爬行器运动至目标位置：

S1，控制所述后足的第一气泵组件，使所述后足与管道内壁固定；

S2，控制所述第二气泵组件对所述中轴气囊(11)充气，使所述中轴气囊(11)沿轴向延伸，带动所述前足在管道内向前蠕动；

S3，控制所述前足的第一气泵组件，使所述前足与管道内壁固定；

S4，控制所述后足的第一气泵组件，使所述后足与所述管道内壁松开，控制所述第二气泵组件对所述中轴气囊(11)放气，带动所述后足在管道内向前蠕动。