CN109945013A - 一种蠕动式管道内爬行装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种蠕动式管道内爬行装置及其控制方法，该装置包括推进部和至少两个足部；足部包括：球状气囊、气泵组件以及沿管道径向在球状气囊周围设置的多个支撑杆；支撑杆包括杆身以及连接杆身的滚轮，滚轮部分内置于杆身；气泵组件用于控制球状气囊向四周伸缩，以使支撑杆与管道内壁接触或分离，实现足部与管道内壁的固定或松开；推进部包括：弹性组件和球铰连接件，弹性组件连接于两个足部之间；球铰连接件用于连接两个球状气囊，球状气囊伸缩驱动球铰连接件运动，使弹性组件被拉伸实现蠕动爬行。本发明通过采用气囊的驱动方式，将滚轮部分内置于杆身，增加了爬行装置作业过程中的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种蠕动式管道内爬行装置及其控制方法。
背景技术
管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。管道主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。然而，随着使用年限的增加，管壁会不可避免的出现腐蚀、污垢、堵塞等情况，影响管道的使用。传统维护人工作业清洗难度大、效率低下，近些年来管道机器人的发展十分迅速，这些机器人有轮式、蠕动式、履带式等不同的类型，通过搭载相应的探头和应用工具，可以替代人对管道内的一些情况进行检查、检测及对出现的故障进行相应的维修。
蠕动式管道机器人通常由驱动元件、控制部件、支撑腿组成，采用单电机驱动，控制部件由三个端面滚轮组、滚子组件和杆系组成，支撑腿由后支撑腿组件与前支撑腿组件构成，在爬行装置前部、后部各有一个滚轮组。驱动电动机由三组螺钉、螺母固定在后安装盘上，电动机输出轴与行星减速器连接，行星减速器的输出轴上装有中、后端面滚轮体。这类机器人采用由单一电动机同轴驱动，通过端面滚轮组与杆系等机械传动方式，实现在小管道内蠕动行进过程中的顺序动作及其控制。然而，电机驱动稳定性差，采用滚轮与杆系控制时易发生卡死现象，使装置失控。
发明内容
本发明提供了一种蠕动式管道内爬行装置及其控制方法，旨在改善现有的蠕动式管道机器人稳定性差的技术问题。
本发明是这样实现的：
一种蠕动式管道内爬行装置，包括：推进部和至少两个足部；
所述足部包括：球状气囊；
沿管道径向在所述球状气囊周围设置的多个支撑杆，所述支撑杆包括杆身以及连接所述杆身的滚轮，所述滚轮部分内置于所述杆身；
气泵组件，控制所述球状气囊向四周伸缩，以使所述支撑杆与管道内壁接触或分离，实现所述足部与管道内壁的固定或松开；
所述推进部包括：弹性组件，连接于两个所述足部之间；
球铰连接件，用于连接两个所述球状气囊，所述球状气囊伸缩驱动所述球铰连接件运动，使所述弹性组件被拉伸实现蠕动爬行。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述杆身包括螺纹轴、螺纹套和胶头，所述螺纹轴一端套接于所述螺纹套，另一端连接所述胶头，所述螺纹套连接于所述球状气囊，所述胶头具有一空腔，所述滚轮固定于一滚轮轴并部分内置于所述空腔，所述滚轮轴通过一弹性件连接于所述螺纹轴。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述螺纹轴与所述螺纹套通过一紧固螺栓固定连接，所述螺纹轴远离所述螺纹套的一端设有容置槽，所述滚轮轴一端螺栓连接于所述滚轮，另一端连接所述弹性件并容置于所述容置槽内。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述胶头的端部呈弧状凸起，所述弧状凸起上开设有与所述滚轮相适配的开口。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述胶头由弹性材料制成。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述足部上设有至少三个所述支撑杆，多个所述支撑杆沿所述管道径向均匀布置。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述球铰连接件包括第一连球杆和第二连球杆，所述第一连球杆的一端和所述第二连球杆的一端球铰连接，另一端连接至其中一个所述球状气囊，所述第二连球杆远离所述第一连球杆的一端连接至另一所述球状气囊。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述足部还包括设置于所述球状气囊外部的壳体，所述壳体开设有用于容置所述支撑杆的第一开孔以及容置所述球铰连接件的第二开孔；
所述第一连球杆包括固定部和铰接部，所述固定部抵接于所述球状气囊，所述铰接部包括一球状铰接头，所述铰接头与所述第二连球杆相配合，以实现相对绕动。
一种如上所述的蠕动式管道内爬行装置的控制方法，包括以下步骤：
将所述蠕动式管道内爬行装置置于管道入口处，沿所述蠕动式管道内爬行装置的爬行方向，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内爬行装置运动至目标位置：
S1，控制所述后足的气泵组件对所述球状气囊充气，使所述后足与管道内壁固定，推动球铰连接件使弹性组件拉伸，进而推动前足向前蠕动；
S2，控制所述前足的气泵组件对所述球状气囊充气，使所述前足与管道内壁固定；
S3，控制所述后足的气泵组件对所述球状气囊放气，使所述后足与管道内壁松开，弹性组件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内爬行装置及其控制方法，通过将滚轮部分内置于杆身，避免了采用杆系等传动方式作业时，支撑杆采用杆系控制端面滚轮组出现卡死等失控现象，使爬行装置在作业过程中更加灵活，降低了故障发生率；
(2)本发明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，实现爬行装在管道内的蠕动爬行，较传统的气缸耗能少、控制成本更低，具有很好的稳定性和经济性。
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提供的蠕动式管道内爬行装置的立体结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的蠕动式管道内爬行装置的主视图；
图3是图2沿A-A方向的剖面示意图；
图4是本发明实施例1提供的蠕动式管道内爬行装置的侧视图；
图5是图4沿B-B方向的剖面示意图；
图6是支撑杆的结构示意图；
图7是支撑杆的分解示意图；
图8是支撑杆的剖面示意图；
图9是本发明实施例1提供的蠕动式管道内爬行装置的分解示意图；
图10是推进部的结构示意图；
图11是推进部的分解示意图；
图12是本发明实施例1提供的蠕动式管道内爬行装置的工作状态图(状态一)；
图13是本发明实施例1提供的蠕动式管道内爬行装置的工作状态图(状态二)。
图标：1-推进部；11-弹性组件；12-球铰连接件；121-第一连球杆；121A-固定部；121B-铰接部；122-第二连球杆；2-足部；21-球状气囊；22-支撑杆；221-杆身；221A-螺纹轴；221B-螺纹套；221C-胶头；221D-滚轮轴；221E-弹性件；221F-紧固螺栓；222-滚轮；23-壳体；231-第一开孔；232-第二开孔。
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1-5所示，本发明实施例提供了一种蠕动式管道内爬行装置，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蠕动型爬行结构，依靠足部2与管道的摩擦力使该爬行装置在管道内蠕动式行走。可选的，所述仿生蠕动型管道内爬行装置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：球状气囊21、沿管道径向在所述球状气囊21周围设置的多个支撑杆22以及气泵组件(图中未示出)。所述支撑杆22包括杆身221以及连接所述杆身221的滚轮222，所述滚轮222部分内置于所述杆身221，从而使得所述爬行装置在腐蚀、污垢、堵塞的复杂管道环境中作业时更加灵活，避免了采用杆系等传动方式作业，例如支撑杆22采用杆系控制端面滚轮组出现卡死等失控现象，降低了故障发生率。所述气泵组件用于控制所述球状气囊21向四周伸缩，以使所述支撑杆22与管道内壁接触或分离，实现所述足部2与管道内壁的固定或松开。在作业过程中，可根据管道的径向变化自适应调整所述支撑杆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包括：弹性组件11和球铰连接件12。所述弹性组件11连接于两个所述足部2之间；所述球铰连接件12用于连接两个所述球状气囊21，所述球状气囊21伸缩驱动所述球铰连接件12运动，使所述弹性组件11被拉伸实现蠕动爬行。本发明提供的蠕动式管道内爬行装置通过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，实现爬行装置在管道内的蠕动爬行，具有很好的稳定性和经济性。可选的，所述爬行装置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6-8所示，所述杆身221包括螺纹轴221A、螺纹套221B和胶头221C，所述螺纹轴221A一端套接于所述螺纹套221B，另一端连接所述胶头221C。所述螺纹套221B连接于所述球状气囊21，所述胶头221C具有一空腔，所述滚轮222固定于一滚轮轴221D并部分内置于所述空腔。所述滚轮轴221D通过一弹性件221E连接于所述螺纹轴221A。通过气泵组件对所述球状气囊21充放气，该爬行装置可在一定范围内，通过伸缩所述杆身221调整所述支撑杆22的长度，适用于不同尺寸及复杂的管路结构，方便进行清洗维护。
可选的，参考图6-8所示，所述螺纹轴221A与所述螺纹套221B通过一紧固螺栓221F固定连接，所述螺纹轴221A远离所述螺纹套221B的一端设有容置槽，所述滚轮轴221D一端螺栓连接于所述滚轮222，另一端连接所述弹性件221E并容置于所述容置槽内。所述滚轮222能够受外力压缩所述弹性件221E进行径向运动。当所述球状气囊21填充至一定程度时，所述杆身221沿管道径向伸长直至所述滚轮222与管壁接触并产生径向压力，这时随着压力的增大，所述弹性件221E回缩，所述滚轮222反向运动直至所述杆身221端部的胶头221C与管壁接触，使所述足部2固定于管壁。
可选的，参考图6-8所示，所述胶头221C的端部呈弧状凸起。弧状胶头221C使得所述爬行装置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。所述弧状凸起上开设有与所述滚轮222相适配的开口，使所述滚轮222相对于所述胶头221C方便的伸缩，所述开口周围形成支撑面，所述支撑面用于增大其与管壁的摩擦力。
可选的，参考图6-8所示，所述胶头221C由弹性材料制成。弹性材料可保证所述爬行装置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支撑杆22，多个所述支撑杆22沿所述管道径向均匀布置。优选的，所述足部2上设有四个所述支撑杆22，四个所述支撑杆22之间的间隔均为90°。这样不仅节约了装置成本，而且四个支撑杆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9-11所示，所述球铰连接件12包括第一连球杆121和第二连球杆122。所述第一连球杆121的一端和所述第二连球杆122的一端球铰连接，另一端连接至其中一个所述球状气囊21，所述第二连球杆122远离所述第一连球杆121的一端连接至另一所述球状气囊21。所述第一连球杆121和所述第二连球杆122通过两个所述球状气囊21相互作用，并可随管路倾角或形状的变化而相对绕动，带动爬行装置灵活地弯曲。可选的，在不偏离本发明实质性内容的基础上，其他的万向传动装置，如万向连接杆、关节轴承等均可应用于本发明。
可选的，参考图9-11所示，所述足部2还包括设置于所述球状气囊21外部的壳体23，所述壳体23开设有用于容置所述支撑杆22的第一开孔231以及容置所述球铰连接件12的第二开孔232。当所述球状气囊21充气时，所述支撑杆22随所述球状气囊21在所述第一开孔231处向外隆起，使所述滚轮222与管壁接触并产生相互作用。
所述第一连球杆121包括固定部121A和铰接部121B，所述固定部121A抵接于所述球状气囊21，并可在所述球状气囊21充气时，相对于所述第二开孔232沿管道轴向运动。所述铰接部121B包括一球状铰接头，所述铰接头与所述第二连球杆122相配合，从而使连接于所述球铰连接件12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9-11所示，所述弹簧组件11为拉伸弹簧，所述拉伸弹簧可以根据所述球铰连接件12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如上所述的蠕动式管道内爬行装置的控制方法，包括以下步骤：
将所述蠕动式管道内爬行装置置于管道入口处，将所述蠕动式管道内爬行装置置于管道入口处，沿所述蠕动式管道内爬行装置的爬行方向，相邻两足部2分别为前足和后足。
重复以下步骤直至所述蠕动式管道内爬行装置运动至目标位置：
S1，参考图12所示，控制所述后足的气泵组件对所述球状气囊21充气，使所述后足与管道内壁固定。具体的，开启所述后足的气泵组件气阀，当所述后足的球状气囊21填充至一定程度时，所述后足的支撑杆22沿管道径向伸长直至所述滚轮222与管壁接触并产生径向压力。这时随着压力的增大，所述弹性件221E回缩，所述滚轮222反向运动直至所述杆身221端部的胶头221C与管壁接触，使所述后足固定于管壁。同时所述后足的球状气囊21推动球铰连接件12使弹性组件11拉伸，进而推动前足向前蠕动。
S2，参考图13所示，控制所述前足的气泵组件对所述球状气囊21充气，使所述前足与管道内壁固定。具体的，开启所述前足的气泵组件气阀，当所述前足的球状气囊21填充至一定程度时，所述前足的支撑杆22沿管道径向伸长直至所述滚轮222与管壁接触并产生径向压力。这时随着压力的增大，所述弹性件221E回缩，所述滚轮222反向运动直至所述杆身221端部的胶头221C与管壁接触，使所述前足固定于管壁。同时所述前足的球状气囊21推动球铰连接件12使弹性组件11拉伸。
S3，参考图13所示，控制所述后足的气泵组件对所述球状气囊21放气，使所述后足与管道内壁松开，弹性组件11沿管道轴向收缩，带动所述后足在管道内向前蠕动。
本方案应该具备以下的隐含条件才能实施：当后足开始充气，但尚未达到后足与管道固定时，后足的连球杆不会伸缩。如果后足未与管道固定的状态下，后足的连球杆就开始使弹性组件11拉伸，则会导致后足后退。
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)
1.一种蠕动式管道内爬行装置，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：球状气囊(21)；
沿管道径向在所述球状气囊(21)周围设置的多个支撑杆(22)，所述支撑杆(22)包括杆身(221)以及连接所述杆身(221)的滚轮(222)，所述滚轮(222)部分内置于所述杆身(221)；
气泵组件，控制所述球状气囊(21)向四周伸缩，以使所述支撑杆(22)与管道内壁接触或分离，实现所述足部(2)与管道内壁的固定或松开；
所述推进部(1)包括：弹性组件(11)，连接于两个所述足部(2)之间；
球铰连接件(12)，用于连接两个所述球状气囊(21)，所述球状气囊(21)伸缩驱动所述球铰连接件(12)运动，使所述弹性组件(11)被拉伸实现蠕动爬行。
2.根据权利要求1所述的蠕动式管道内爬行装置，其特征在于，所述杆身(221)包括螺纹轴(221A)、螺纹套(221B)和胶头(221C)，所述螺纹轴(221A)一端套接于所述螺纹套(221B)，另一端连接所述胶头(221C)，所述螺纹套(221B)连接于所述球状气囊(21)，所述胶头(221C)具有一空腔，所述滚轮(222)固定于一滚轮轴(221D)并部分内置于所述空腔，所述滚轮轴(221D)通过一弹性件(221E)连接于所述螺纹轴(221A)。
3.根据权利要求2所述的蠕动式管道内爬行装置，其特征在于，所述螺纹轴(221A)与所述螺纹套(221B)通过一紧固螺栓(221F)固定连接，所述螺纹轴(221A)远离所述螺纹套(221B)的一端设有容置槽，所述滚轮轴(221D)一端螺栓连接于所述滚轮(222)，另一端连接所述弹性件(221E)并容置于所述容置槽内。
4.根据权利要求2所述的蠕动式管道内爬行装置，其特征在于，所述胶头(221C)的端部呈弧状凸起，所述弧状凸起上开设有与所述滚轮(222)相适配的开口。
5.根据权利要求2所述的蠕动式管道内爬行装置，其特征在于，所述胶头(221C)由弹性材料制成。
6.根据权利要求1所述的蠕动式管道内爬行装置，其特征在于，所述足部(2)上设有至少三个所述支撑杆(22)，多个所述支撑杆(22)沿所述管道径向均匀布置。
7.根据权利要求1所述的蠕动式管道内爬行装置，其特征在于，所述球铰连接件(12)包括第一连球杆(121)和第二连球杆(122)，所述第一连球杆(121)的一端和所述第二连球杆(122)的一端球铰连接，另一端连接至其中一个所述球状气囊(21)，所述第二连球杆(122)远离所述第一连球杆(121)的一端连接至另一所述球状气囊(21)。
8.根据权利要求7所述的蠕动式管道内爬行装置，其特征在于，所述足部(2)还包括设置于所述球状气囊(21)外部的壳体(23)，所述壳体(23)开设有用于容置所述支撑杆(22)的第一开孔(231)以及容置所述球铰连接件(12)的第二开孔(232)；
所述第一连球杆(121)包括固定部(121A)和铰接部(121B)，所述固定部(121A)抵接于所述球状气囊(21)，所述铰接部(121B)包括一球状铰接头，所述铰接头与所述第二连球杆(122)相配合，以实现相对绕动。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的蠕动式管道内爬行装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述蠕动式管道内爬行装置置于管道入口处，沿所述蠕动式管道内爬行装置的爬行方向，相邻两足部(2)分别为前足和后足；
重复以下步骤直至所述蠕动式管道内爬行装置运动至目标位置：
S1，控制所述后足的气泵组件对所述球状气囊(21)充气，使所述后足与管道内壁固定，推动球铰连接件(12)使弹性组件(11)拉伸，进而推动前足向前蠕动；
S2，控制所述前足的气泵组件对所述球状气囊(21)充气，使所述前足与管道内壁固定；
S3，控制所述后足的气泵组件对所述球状气囊(21)放气，使所述后足与管道内壁松开，弹性组件(11)带动所述后足在管道内向前蠕动。
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