CN110906104B - 一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于软体机器人技术领域，特别涉及一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人。包括支撑模块、清洁模块及多段液动人工肌肉；多段液动人工肌肉依次首尾相连，用以完成管道机器人的蠕动爬行；支撑模块设置于各段液动人工肌肉的两端，支撑模块用于与管道内壁胀紧固定；清洁模块设置于支撑模块上，用于对管道内壁进行清洁作业。本发明适应性强，可以适应不同的管径，而且可以运用于不同类型的管道，可以实现管道的检测、清洁等功能。

Description

一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人

技术领域

本发明属于软体机器人技术领域，特别涉及一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人。

背景技术

管道作为生活中常见的传输工具，在许多方面都有用途，然而由于长期的使用，管道中会出现堵塞的情况，若该管道是传输的是重要的液体如水、石油等，尤其是运输水资源时，管道的堵塞不仅仅会影响水资源的供应，在管道中的沉积物也会导致细菌的滋生，影响人们的安全。为避免这一状况，需要对管道进行定时的清理。

然而，由于管道的狭小限制了人为操作的可能性，所以，管道机器人作为有效的清洁与检测手段，有众多的研究与相关专利，对管道机器人的研究有些已经转入到实际应用中。根据不同类型的管道、不同的运用环境及不同的功能有不同机器人设计方案，各有优缺点，如：日本东京工业大学的ShigeoHirose等设计的THES系列管道机器人，第一种系列通过的管道直径不同，有直径50mm也有直径110mm的机器人，各有特点和应用场景；DaphneD'Zurko等人设计的管道机器人用于检测煤气管道，该机器人呈节状结构，采用轮式移动，整体都为刚性件组成；Bernhard Klaassen等人开发的多关节蠕动式管道机器人能适用于直径在300mm-600mm的管道，采用轮式移动，其整体也是为刚性件构成；其它的还有采用履带式移动的管道机器人。

同时在软体驱动器方面，弯曲人工肌肉的研究较多，实现弯曲的机理不同，弯曲效果不同，目前有奥克兰大学的B.Wang等人设计的弯曲人工肌肉，通过改变编织套管的编织密度，一半的编织密度高，另一半的编织密度低，从而实现人工肌肉的弯曲变形；此外还有英国索尔福德大学的的Hassanin Al-Fahaam等人提出的弯曲人工肌肉，它的实现方式是通过在编织套管的一边缝上一根刚度较大的线从而实现人工肌肉的弯曲变形。对比弯曲人工肌肉，扭转伸长的研究较少，但仍有相关的研究，如：哈佛大学的Fionnuala Connolly等人提出的扭转伸长人工肌肉，结构上，扭转伸长人工肌肉是通过浇注封装外层的纤维绕组，在纤维绕组的引导下发生扭转，同时发生伸长的现象。

综合现有的管道机器人，虽然能实现探测、检测及清洁的功能，但大部分的管道机器人结构复杂、成本过高、由刚性件构成、小型化难等诸多缺点，同时机器人的适应性差，面对不同直径的管道时需要重新设计结构或设计新的一个系列，通用性差。除此之外，这些管道机器人无法解决弯曲的管道的检测与清洁。

发明内容

针对上述的问题，本发明的目的在于提供一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，以解决现有管道机器人存在结构复杂、成本过高、由刚性件构成、小型化难等诸多缺点的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。

一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，包括支撑模块、清洁模块及多段液动人工肌肉；

所述多段液动人工肌肉依次首尾相连，用以完成管道机器人的蠕动爬行；

所述支撑模块设置于各段所述液动人工肌肉的两端，所述支撑模块用于与管道内壁胀紧固定；

所述清洁模块设置于所述支撑模块上，用于对管道内壁进行清洁作业。

所述多段液动人工肌肉包括间隔交替设置的液动扭转伸长人工肌肉和液动扭转收缩人工肌肉，所述液动扭转伸长人工肌肉和所述液动扭转收缩人工肌肉协同作用实现管道机器人的蠕动爬行。

所述液动扭转收缩人工肌肉包括编织套管、纤维绕组及弹性体；

所述弹性体为中空结构；所述弹性体的两端分别设有堵头和接头，所述接头用于与外部供液管连接；

所述纤维绕组为螺旋结构，且设置于所述弹性体的外表面上；当所述弹性体内充入驱动液时，所述纤维绕组引导所述弹性体扭动；

所述编织套管设于所述纤维绕组与弹性体的外侧，用于限制所述弹性体轴向伸出，并且引导所述弹性体进行轴向收缩及径向膨胀。

所述多段液动人工肌肉还包括设置于所述模块化管道机器人一端端部的液动Mckibben人工肌肉。

所述多段液动人工肌肉还包括设置于所述模块化管道机器人另一端端部的液动弯曲人工肌肉。

所述支撑模块包括支撑轮架及设置于所述支撑轮架外圆周上的胀紧装置，所述胀紧装置通过其内部充入驱动液与所述管道的内壁胀紧固定。

所述清洁模块包括清扫机构；

所述清扫机构包括沿圆周方向设置于所述支撑轮架外圆周上的清洗刷，所述清洗刷通过所述液动扭转伸长人工肌肉和所述液动扭转收缩人工肌肉的扭转运动，实现对管道壁的清扫。

所述清洁模块还包括管道擦拭机构；

所述管道擦拭机构位于所述清扫机构的后侧，所述管道擦拭机构通过所述液动扭转伸长人工肌肉和所述液动扭转收缩人工肌肉的扭转运动，实现对管道内壁的二次清洁。

位于所述模块化管道机器人两端端部的支撑轮架上设有轮子支架模块，所述轮子支架模块包括多个支撑腿及设置于各所述支撑腿端部的滚轮，所述滚轮与管道内壁接触。

相邻两个所述液动人工肌肉之间设有检测装置或喷水装置，所述检测装置或所述喷水装置可安装在所述液动人工肌肉的端部。

本发明的优点及有益效果是：

本发明应用前景广泛：本发明的液动人工肌肉模块化管道机器人适应性强，可以适应不同的管径，而且可以运用于不同类型的管道，可以实现管道的检测、清洁等功能。

本发明采用模块化结构，根据不同的管径只需更换对应直径支撑机构与清洗机构即可。

本发明可以实现管道的检测、探测及清洁等功能，只需要增加相应的检测装置即可实现相应的功能，结构简单。

本发明成本低，本发明的主体部分由不同变形形式的人工肌肉组合而成，制备成本低，其它的机构如支撑模块、清洁模块等也是结构简单，成本相对较低。

本发明具有多种组合方式，根据不同的管道进行不同的组合，在直管时可以组合：液动Mckibben人工肌肉、液动扭转收缩人工肌肉及液动扭转伸长人工肌肉；在具有复杂的管道如需要拐弯的管道情况下，可以组合：液动弯曲人工肌肉、液动扭转收缩人工肌肉及液动扭转伸长人工肌肉。

附图说明

图1为本发明一实施例中基于液动人工肌肉的模块化管道机器人的立体示意图；

图2为本发明一实施例中清扫机构的结构示意图；

图3为本发明一实施例中管道擦拭机构的结构示意图；

图4为本发明一实施例中检测装置的结构示意图；

图5为本发明一实施例中液动扭转收缩人工肌肉的结构示意图；

图6为本发明一实施例中液动扭转收缩人工肌肉的剖视图；

图7为本发明一实施例中纤维绕组的缠绕方式示意图；

图8为本发明一实施例中编织套管的结构示意图；

图9为本发明一实施例中编织套管变形前的结构示意图；

图10为本发明一实施例中编织套管的变形后的结构示意图；

图11为本发明一实施例中基于液动人工肌肉的模块化管道机器人的主视图；

图12为本发明一实施例中模块化管道机器人的运动步骤示意图；

图13为本发明另一实施例中基于液动人工肌肉的模块化管道机器人的立体示意图。

其中：1-支撑腿，2-液动人工肌肉接头，3-滚轮，4-胀紧装置，5-管道擦拭机构，6-液动Mckibben人工肌肉，7-支撑轮架，8-喷水装置，9-液动扭转收缩人工肌肉，91-接头，92-卡箍，93-编织套管，94-堵头，95-纤维绕组，96-弹性体，97-支撑杆，10-清扫机构，11-检测装置，12-清洗刷，13-液动扭转伸长人工肌肉，14-液动人工肌肉堵头,17-位置传感器，18-缝隙检测传感器，19为液动弯曲人工肌肉，A-第一节点，B-第二节点，C-第三节点，D-第四节点，E-第五节点，M-固定面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述。

图1所示，本发明一实施例中提供的一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，包括支撑模块、清洁模块及多段液动人工肌肉；多段液动人工肌肉依次首尾相连，用以完成管道机器人的蠕动爬行；支撑模块设置于各段液动人工肌肉的两端，支撑模块用于与管道内壁胀紧固定；清洁模块设置于支撑模块上，用于对管道内壁进行清洁作业。

多段液动人工肌肉包括间隔交替设置的液动扭转伸长人工肌肉13和液动扭转收缩人工肌肉9，液动扭转伸长人工肌肉13和液动扭转收缩人工肌肉9协同作用实现管道机器人的蠕动爬行。

进一步地，多段液动人工肌肉还包括设置于模块化管道机器人一端端部的液动Mckibben人工肌肉6。

如图1所示，支撑模块包括支撑轮架7及设置于支撑轮架7外圆周上的胀紧装置4，胀紧装置4通过其内部充入驱动液与管道的内壁胀紧固定。

胀紧装置4的内部为空心结构，当充液时，胀紧装置膨胀(类似于轮胎充气膨胀效果)与管道接触，使之固定机器人；当不充液时胀紧装置4的直径低于清洁模块的高度，不影响清洁模块的工作。

清洁模块包括清扫机构10；如图2所示，清扫机构10包括沿周向设置于支撑轮架7外圆周上的清洗刷12，清洗刷12通过液动扭转伸长人工肌肉13和液动扭转收缩人工肌肉9的扭转运动，实现对管道壁的清扫。

进一步地，如图1所示，清洁模块还包括管道擦拭机构5。

如图3所示，管道擦拭机构5位于清扫机构10的后侧，管道擦拭机构5通过液动扭转伸长人工肌肉13和液动扭转收缩人工肌肉9的扭转运动，实现对管道内壁的二次清洁。

本实施例中，管道擦拭机构5主要由海棉组成，用于对清洗后的管道进行表面的刮擦，使表面更加干净。清扫机构10和管道擦拭机构5通过液动人工肌肉的正反向扭动实现正反向的清洗作业。

进一步地，位于模块化管道机器人两端端部的支撑轮架7上设有轮子支架模块，轮子支架模块包括多个支撑腿1及设置于各支撑腿1端部的滚轮3，滚轮3与管道内壁接触，管道机器人的蠕动爬行时，滚轮3在管道内壁上行走。

进一步地，相邻两个液动人工肌肉之间设有检测装置11或喷水装置8，检测装置11或喷水装置8安装在其中一液动人工肌肉的端部。喷水装置8用于往管道内壁上喷射水，辅助清扫模块的清洁，以便清洁模块清洁的效果更好。

如图4所示，检测装置11包括检测基座及设置于所述检测基座上的位置传感器17和缝隙检测传感器18。

如图5、图6所示，液动扭转收缩人工肌肉9包括编织套管93、纤维绕组95及弹性体96；其中弹性体96为中空结构；弹性体96的两端通过卡箍92连接有堵头91和接头91，接头91用于与外部供液管连接；纤维绕组95为螺旋结构，且设置于弹性体96的外表面上；当弹性体96内充入驱动液时，纤维绕组95引导弹性体96扭动；编织套管93设于纤维绕组95与弹性体96的外侧，用于限制弹性体96轴向伸出，并且引导弹性体96进行轴向收缩及径向膨胀。

本发明的实施例中，弹性体96为乳胶管。

如图7所示，纤维绕组95由多根纤维绳螺旋缠绕在弹性体96上而形成，纤维绕组95与弹性体96通过粘接的方式固定连接为一体式结构。

进一步地，多根纤维绳相互平行，且间距相等。

本发明的实施例中，纤维绳为市购产品，采用美国杜邦(DuPont)公司研制的Kevlar(凯夫拉)纤维。

本发明的实施例中，如图8所示，编织套管93的材料刚度较大限制了人工肌肉的轴向方向的运动，但径向方向未受到限制。编织套管93的编织纤维在径向方向交叉，具有一定的交叉角度。如图9所示，在非工作状态下，编织套管93的编织纤维之间的交叉角度为60度；如图10所示，当编织套管93随弹性体96进行径向膨胀、轴向收缩时，编织丝线之间的交叉角度变为45度。

本发明的实施例中，编织套管93采用Kevlar纤维绳或尼龙绳编织而成。

本发明中液动扭转收缩人工肌肉9的变形原理：由于扭转收缩人工肌肉是结合Mckibben人工肌肉及扭转伸长人工肌肉的变形原理。因此，扭转收缩人工肌肉的变形原理可以理解为：在内部压力作用下，由于内层的并行缠绕的8-12根纤维绕组95与弹性体96是绑定的关系(纤维绕组与弹性体不存在相对位移)，因此纤维绕组95可以引导弹性体96进行扭转运动以及具有膨胀趋势。然而，编织套管93的材料由于刚度大、长度固定等原因限制了人工肌肉的轴向方向的伸长运动，因此，类似于一根没有弹性的固定长度绳子不能伸长，但反向是自由运动的。同时，如图9所示，由于编织套管93是通过编织纤维编织成的在径向方向交叉且具有一定的交叉角度编织结构，因此径向方向未受到限制，编织套管93可以引导弹性体的收缩变形。因此，当弹性体96与外层编织套管93接触时，表现出径向膨胀及轴向收缩的现象，这一过程与Mckibben肌肉的变形相似，从而实现人工肌肉的扭转收缩现象。

本发明实施例中，液动扭转收缩人工肌肉9的具体制备工艺如下：

将支撑杆97放入弹性体96的内部同时与定位器配合，如图7所示。在弹性体96的表面上标识定位点，标识定位点的方法有多种，为了加快制备人工肌肉的过程，在得到上述装配体后通过喷涂的方法实现标准的螺旋标记；在得到标准的螺旋标记后，使用复数根Kevlar纤维并行沿着弹性体96上的定位标识螺旋线缠绕，每根Kevlar纤维在圆周方向上距离是等距的。Kevlar纤维缠绕完成后，将支撑杆97去除并使用柔性胶水将Kevlar纤维与弹性体96粘接在一起，使之关系为绑定约束。根据扭转伸长人工肌肉的变形原理，此时，在没有外围编织套管93的情况下，此时的人工肌肉在通入压力时，表现出扭转伸长的现象，并可能伴有局部起泡的现象。因此，在得到扭转伸长的人工肌肉后进一步增加外围的编织套管93来封装人工肌肉，不仅可以实现扭转的特性，而且能使人工肌肉运动方向由伸长运动变为收缩运动。最后，通过接头91和堵头94封堵弹性体96的两端，编织套管93通过卡箍92与弹性体96绑定在一起实现封装。

本实施中，基于液动人工肌肉的模块化管道机器人的工作原理是：

如图11-12所示，在初始状态(1)时，在第三节点C及第五节点E处通过胀紧装置4进行充液胀紧，使模块化管道机器人在固定面M处固定；在对液动扭转收缩人工肌肉9进行通液，使液动扭转收缩人工肌肉9收缩膨胀，机器人进入状态(2)；在模块化管道机器人不变形的情况下进入状态(3)，在这一状态下，第一节点A及第四节点D的胀紧装置4工作，而在第三节点C及第五节点E处的胀紧装置4停止工作；最后进入状态(4)，释放各人工肌肉中的压力，进入排液工作，此时模块化管道机器人回到原来状态，之后再进行状态(1)的动作。从状态(1)到状态(4)的过程中，模块化管道机器人进行了前进的运动。在整个运动过程中，除了状态(3)时没有扭转运动，其它过程都有进行扭转运动，在扭转过程中清扫模块会对管道内部进行螺旋清扫。

如图13所示，本发明的另一实施例中，针对复杂管道下的实施方案，在针对直管情况下的组合基础上前端在安装液动弯曲人工肌肉19，通过液动弯曲人工肌肉19进行控制模块化管道机器人的转弯问题，只有在遇到转弯的情况下，液动弯曲人工肌肉19才进行工作，否则不进行工作。

本发明由液动Mckibben人工肌肉、液动扭转收缩人工肌肉及液动扭转伸长人工肌肉三种人工肌肉组合而成，在这些液动人工肌肉的牵引下可以实现管道机器人的蠕动爬行、复杂管道的转向及旋转清洁等功能。同时采用模块化设计，针对不同管径时，可采用不同直径的支撑模块，在各部分人工肌肉连接处是安装不同尺寸的支撑模块和清扫模块，以适应不同管径的清洁与检测。本发明的实施例中，液动Mckibben人工肌肉及液动弯曲人工肌肉为现有技术，在此不在赘述。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，其特征在于，包括支撑模块、清洁模块及多段液动人工肌肉；

所述多段液动人工肌肉依次首尾相连，用以完成管道机器人的蠕动爬行；

所述支撑模块设置于各段所述液动人工肌肉的两端，所述支撑模块用于与管道内壁胀紧固定；

所述清洁模块设置于所述支撑模块上，用于对管道内壁进行清洁作业；

所述多段液动人工肌肉包括间隔交替设置的液动扭转伸长人工肌肉和液动扭转收缩人工肌肉，所述液动扭转伸长人工肌肉和所述液动扭转收缩人工肌肉协同作用实现管道机器人的蠕动爬行；

所述液动扭转收缩人工肌肉包括编织套管、纤维绕组及弹性体；

所述弹性体为中空结构；所述弹性体的两端分别设有堵头和接头，所述接头用于与外部供液管连接；

所述纤维绕组为螺旋结构，且设置于所述弹性体的外表面上；当所述弹性体内充入驱动液时，所述纤维绕组引导所述弹性体扭动；

所述编织套管设于所述纤维绕组与弹性体的外侧，用于限制所述弹性体轴向伸出，并且引导所述弹性体进行轴向收缩及径向膨胀；

所述支撑模块包括支撑轮架及设置于所述支撑轮架外圆周上的胀紧装置，所述胀紧装置通过其内部充入驱动液与所述管道的内壁胀紧固定。

2.根据权利要求1所述的基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，其特征在于，所述多段液动人工肌肉还包括设置于所述模块化管道机器人一端端部的液动Mckibben人工肌肉。

3.根据权利要求2所述的基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，其特征在于，所述多段液动人工肌肉还包括设置于所述模块化管道机器人另一端端部的液动弯曲人工肌肉。

4.根据权利要求1所述的基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，其特征在于，所述清洁模块包括清扫机构；

所述清扫机构包括沿圆周方向设置于所述支撑轮架外圆周上的清洗刷，所述清洗刷通过所述液动扭转伸长人工肌肉和所述液动扭转收缩人工肌肉的扭转运动，实现对管道壁的清扫。

5.根据权利要求4所述的基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，其特征在于，所述清洁模块还包括管道擦拭机构；

所述管道擦拭机构位于所述清扫机构的后侧，所述管道擦拭机构通过所述液动扭转伸长人工肌肉和所述液动扭转收缩人工肌肉的扭转运动，实现对管道内壁的二次清洁。

6.根据权利要求1所述的基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，其特征在于，位于所述模块化管道机器人两端端部的支撑轮架上设有轮子支架模块，所述轮子支架模块包括多个支撑腿及设置于各所述支撑腿端部的滚轮，所述滚轮与管道内壁接触。

7.根据权利要求1所述的基于液动人工肌肉的模块化管道机器人，其特征在于，相邻两个所述液动人工肌肉之间设有检测装置或喷水装置，所述检测装置或所述喷水装置可安装在所述液动人工肌肉的端部。