CN111845988A - 一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿生机器人技术领域，为解决现有机器人难以兼顾灵活性及刚性的问题，提供了一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，包括气动柔性驱动模块和刚性从动模块；所述气动柔性驱动模块包括柔性驱动管，所述刚性从动模块包括第一运动机构和第二运动机构；所述第一运动机构包括第一固定支架和若干个第一爬管组件；所述第一固定支架内设有第一气动凸台；所述第一爬管组件与第一气动凸台固定连接；所述第二运动机构包括第二固定支架和若干个第二爬管组件，所述第二固定支架内设有第二气动凸台，所述第二爬管组件与第二气动凸台固定连接。本发明为单控制器操作模式，刚柔结合，能够在狭小管道爬行，兼顾灵活性及刚性。

Description

一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人。

背景技术

如今，传统刚性机器人在工业、医疗等诸多领域已经有了广泛的积累和运用。刚性机器人能够准确控制，但实现控制方法复杂，成本也较高。且随着环境要求的不断提高，在一些特殊的应用场景，如狭窄空间作用中，传统刚性机构由于其灵活性较差，不能很好地完成任务。

近期，由于新型智能材料的发展，针对于软体机器人的研究逐渐开始兴起，其拥有在极端情况下工作的能力，且具有良好的柔韧性以及灵活性。但由于材料限制，其刚性不足以及难以精确控制的缺陷仍未完全克服。因此，研发一种刚柔结合的机器人具有重要的研究意义。

发明内容

本发明为了克服现有机器人难以兼顾灵活性及刚性的问题，提供了一种能够在窄小管道中向上爬升的基于单控制器的刚柔结合爬管机器人。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，包括气动柔性驱动模块和刚性从动模块；所述气动柔性驱动模块包括柔性驱动管，所述柔性驱动管的一端设有气动通气管，另一端为封闭结构；所述刚性从动模块包括第一运动机构和第二运动机构；所述第一运动机构包括第一固定支架和若干个第一爬管组件；所述第一固定支架内设有第一气动凸台，所述第一气动凸台与柔性驱动管的封闭端相连接；所述第一爬管组件与第一气动凸台固定连接；所述第二运动机构包括第二固定支架和若干个第二爬管组件，所述第二固定支架内设有第二气动凸台，所述第二固定支架的一端套设于气动通气管外，另一端通过第二气动凸台与柔性驱动管的开口端相连接，所述第二爬管组件与第二气动凸台固定连接；所述第一爬管组件包括第一装配套筒，弹性件，第一伸缩脚和支撑板；所述第二爬管组件包括第二装配套筒，传递脚和第二伸缩脚，所述第二装配套筒内叠放有左扭簧和右扭簧。

作为优选，所述柔性驱动管包括若干根气动肌肉和包裹在气动肌肉外的柔性管。

本发明的爬管机器人以具有气动肌肉的柔性驱动管作为主驱动机构，其余部件均为从动，实现了单控制器操作模式，降低了成本与控制难度。本发明的爬管机器人利用柔性驱动管的驱动具有良好的柔韧性以及灵活性，能够在狭小管道爬行；刚性从动模块设计赋予爬管机器人较高的刚性，第一气动凸台在柔性驱动管的驱动下带动第一爬管组件运动，第二气动凸台在柔性驱动管的驱动下带动第二爬管组件运动，刚柔结合，兼顾灵活性及刚性，增加了作业过程中的控制精度。

当发明的基于单控制器的刚柔结合爬管机器人进入初始状态时，柔性驱动管内未充入气体，第一爬管组件处于松弛状态，第二爬管组件处于卡紧状态。当通过气动通气管对具有驱动轴的柔性驱动管进行充气时，气体进入柔性驱动管，使其在轴向以及径向膨胀，带动第一运动机构运动，此时单控制器的刚柔结合爬管机器人的上端沿向上运动。当进入放气状态时，柔性驱动管轴向以及径向收缩，带动第二运动机构运动，此时单控制器的刚柔结合爬管机器人下端向上运动。

作为优选，所述第一固定支架为圆锥体结构且与柔性驱动管同轴固定；所述第一固定支架的锥角端与柔性驱动管的封闭端固定连接，所述第一固定支架的锥体端朝向柔性驱动管中部，所述第一爬管组件均匀设于第一固定支架的锥体端面。所述第一固定支架的锥体侧面设有若干减重孔。

第一固定支架采用圆锥体结构且锥角端朝向运动方向，第一爬管组件设于第一固定支架的锥体端面，该结构可以减小爬管机器人在窄小管道中运动时的空气阻力，增加作用效率及灵活性。减重孔设计一方面可以减轻爬管机器人的自重，防止脱落，另一方面可以降低爬管机器人在窄小管道中运动时的空气阻力，增加作用效率及灵活性。

作为优选，所述第一气动凸台外设有若干个装配凸台，所述装配凸台设有沉孔，第一爬管组件通过装配凸台与第一气动凸台固定连接。在运动过程中，第一气动凸台在柔性驱动管的驱动下带动第一爬管组件运动。

作为优选，所述第一装配套筒内设有卡紧凸台，所述弹性件的一端通过卡紧凸台与装配套筒固定，另一端通过沉孔与装配凸台固定，所述第一伸缩脚的一端通过第一装配套筒与装配凸台固定连接。沉孔及卡紧凸台设计增加弹性件的装配稳固性。

作为优选，所述支撑板设于第一装配套筒下端，所述支撑板为弧形片状结构，所述支撑板的弧度与柔性驱动管相适配；所述支撑板在弹性件的作用下与柔性驱动管的管壁相贴合。所述弹性件优选为伸缩弹簧或弹性橡胶柱。

作为优选，所述第二装配套筒上设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔用于固定左扭簧的一端引脚，所述第二通孔用于固定右扭簧的一端引脚；所述传递脚的一端与左扭簧的另一端引脚相连接，另一端与柔性驱动管相接触；所述第二伸缩脚的一端与右扭簧的另一端引脚相连接；所述固定销安装于左扭簧和右扭簧内，所述固定销的两端各设有通孔。

作为优选，传递脚的端部设有卡脚，所述卡脚设有与柔性驱动管管壁贴合的圆弧面。该机构有利于传递脚与柔性驱动管的管壁卡紧，便于传递运动。

当基于单控制器的刚柔结合爬管机器人进入初始状态时，柔性驱动管内未充入气体，此时弹性件、左扭簧和右扭簧均具有预紧力，支撑板在弹性件的预紧力的作用下，向柔性驱动管方向内缩，由于传递作用，第一伸缩脚处于脱离外管壁状态；传递脚在左扭簧的预紧力的作用下，向柔性驱动管方向内缩，由于传递作用，第二伸缩脚反向向外卡紧外管壁，使单控制器的刚柔结合爬管机器人可以悬停在管道中。

当通过气动通气管对具有驱动轴的柔性驱动管进行充气时，气体进入柔性驱动管，使其在轴向以及径向膨胀，弹性件受力收缩，左扭簧和右扭簧受力弯曲，此时支撑板和传递脚均向外膨胀，由于传递作用，此时第二伸缩脚反向向内收缩，逐渐脱离外管壁，而第一伸缩脚逐渐卡紧外管壁。当充气状态结束时，第一伸缩脚完全卡紧外管壁，而第二伸缩脚已完全脱离外管壁。

当进入放气状态时，弹性件、左扭簧和右扭簧由于回复作用均回到初始状态，此时第一伸缩脚仍处于卡紧外管壁的状态，第二伸缩脚仍处于脱离外管壁的状态，随着柔性驱动管轴向以及径向的缓慢收缩，第二气动凸台带动第二固定支架向上运动；当放气结束时，第一伸缩脚脱离外管壁，同时第二伸缩脚卡紧外管壁，收缩完成后，上、下端均已完成向上运动，一个攀升过程结束，与此同时单控制器的刚柔结合爬管机器人再次进入初试状态，然后重复上述运动进行下一阶段的攀升。

作为优选，所述第二固定支架为圆锥体结构且与柔性驱动管同轴固定，所述气动通气管从第二固定支架的锥角端穿出，所述第二固定支架的锥体端朝向柔性驱动管中部。

第二固定支架采用圆锥体结构且锥角端朝向运动方向，该结构可以减小爬管机器人在窄小管道中运动时的空气阻力，增加作用效率及灵活性。

作为优选，所述第二固定支架设有若干个吊耳，相邻吊耳的间距大于所述第二装配套筒的长度。

作为优选，所述吊耳设有横向通孔和纵向通孔，所述横向通孔用于横向固定定位销，所述纵向通孔用于纵向固定定位销。

作为优选，所述第二固定支架的锥体侧面设有若干减重孔；所述第二固定支架的锥体底面圆周处设有第三通孔和第四通孔，所述第三通孔用于插入固定销；所述第四通孔用于固定左扭簧和右扭簧的伸出端。

减重孔设计一方面可以减轻爬管机器人的自重，防止脱落，另一方面可以降低爬管机器人在窄小管道中运动时的空气阻力，增加作用效率及灵活性。

作为优选，所述第一伸缩脚和第二伸缩脚朝向柔性驱动管的开口端且呈放射状分布，该爬管机器人的运动方向远离柔性驱动管的开口端。

作为优选，所述第一伸缩脚和第二伸缩脚与柔性驱动管的夹角为锐角。

作为优选，所述第一伸缩脚和第二伸缩脚的直径朝远离柔性驱动管的方向逐渐缩小，直径逐渐变小的设计，使得爬管机器人运动更为灵活，第一伸缩脚和第二伸缩脚的端部更容易卡紧外管壁，防止脱落，便于提高作业精度及安全性。

因此，本发明具有如下有益效果：

（1）以柔性驱动管作为主驱动机构，其余部件均为从动，实现了单控制器操作模式，降低了成本与控制难度；

（2）柔性驱动管的主驱动赋予爬管机器人较高的柔韧性以及灵活性，刚性从动模块设计赋予爬管机器人较高的刚性，该爬管机器人刚柔结合，能够在狭小管道爬行，兼顾灵活性及刚性，增加了作业过程中的控制精度。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是第一运动机构的一种结构示意图。

图3是第一固定支架的一种结构示意图。

图4是第一爬管组件的装配结构示意图。

图5是图4的俯视图。

图6是第二固定支架的装配结构示意图。

图7是图6的俯视图。

图8是第二爬管组件的装配结构示意图。

图中：第一固定支架1，第一爬管组件2，第一气动凸台3，装配凸台4，沉孔5，第一装配套筒6，伸缩弹簧7，第一伸缩脚8，支撑板9，卡紧凸台10，第二固定支架11，第二爬管组件12，第二气动凸台13，减重孔14，第三通孔15，第四通孔16，吊耳17，横向通孔18，纵向通孔19，第二装配套筒20，传递脚21，第二伸缩脚22，左扭簧23，右扭簧24，第一通孔25，第二通孔26，柔性驱动管27，气动通气管28，固定销29，气动通孔30，通孔31，卡脚32，圆弧面33。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明以下实施例中刚性从动模块所用非标件采用7075Al材料，运用机加工成型。所用伸缩弹簧、左扭簧及右扭簧采用65Si₂MnWA材料。

如图1所示，一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，包括气动柔性驱动模块和刚性从动模块；刚性从动模块包括第一运动机构和第二运动机构。结合图2，第一运动机构包括具有圆锥体结构且与柔性驱动管同轴固定的第一固定支架1和设于第一固定支架的锥体端面的四个第一爬管组件2；第一固定支架的锥角端与柔性驱动管的封闭端固定连接，锥体端朝向柔性驱动管中部。

如图3所示，第一固定支架内设有第一气动凸台3，第一气动凸台与柔性驱动管的封闭端相连接；第一爬管组件与第一气动凸台固定连接；第一气动凸台外设有四个装配凸台4，装配凸台设有沉孔5，第一爬管组件通过装配凸台与第一气动凸台固定连接；第一固定支架的锥体侧面设有三个减重孔14。

如图4和图5所示，第一爬管组件包括第一装配套筒6，伸缩弹簧7，第一伸缩脚8和支撑板9，第一装配套筒内设有卡紧凸台10，伸缩弹簧的一端通过卡紧凸台与装配套筒固定，另一端通过沉孔与装配凸台固定，第一伸缩脚的一端通过第一装配套筒与装配凸台固定连接；支撑板设于第一装配套筒下端，支撑板为弧形片状结构且弧度与柔性驱动管相适配；支撑板在弹性件的作用下与柔性驱动管的管壁相贴合。

如图6所示，第二运动机构包括具有圆锥体结构且与柔性驱动管同轴固定的第二固定支架11和四个第二爬管组件12（图1），第二固定支架内设有第二气动凸台13，第二固定支架的一端套设于气动通气管外，气动通气管从第二固定支架的锥角端穿出，另一端通过第二气动凸台与柔性驱动管的开口端相连接，第二爬管组件与第二气动凸台固定连接。第二固定支架的锥体侧面设有三个减重孔14，锥体底面圆周处设有用于插入固定销29的第三通孔15和用于固定左扭簧和右扭簧的伸出端的第四通孔16。

如图7所示，第二固定支架的圆锥底面设有八个吊耳17，相邻吊耳的间距大于第二装配套筒的长度；吊耳设有用于横向固定定位销的横向通孔18（图6）和用于纵向固定定位销的纵向通孔19，固定销的两端各设有通孔31。

如图8所示，第二爬管组件包括第二装配套筒20，传递脚21和第二伸缩脚22，第二装配套筒内叠放有左扭簧23和右扭簧24，第二装配套筒上设有用于固定左扭簧的一端引脚的第一通孔25和用于固定右扭簧的一端引脚的第二通孔26；传递脚的一端与左扭簧的另一端引脚相连接，另一端与柔性驱动管相接触；第二伸缩脚的一端与右扭簧的另一端引脚相连接；固定销安装于左扭簧和右扭簧内。传递脚的端部设有卡脚31，所述卡脚设有与柔性驱动管管壁贴合的圆弧面32。

第一伸缩脚和第二伸缩脚朝向柔性驱动管的开口端且呈放射状分布，其与柔性驱动管的夹角为锐角，直径朝远离柔性驱动管的方向逐渐缩小。

气动柔性驱动模块包括柔性驱动管27，柔性驱动管的一端具有气动通孔30（图6和图7），另一端为封闭结构，气动通孔与气动通气管28相连接。该实施例中，柔性驱动管由三根长度相同的气动肌肉按边长为18mm的正三角型顶点等圆周排列组成，先将气动肌肉通过编织线两两捆绑连接在一起后，外部再包裹一层柔性管。

本发明的工作原理如下：

当基于单控制器的刚柔结合爬管机器人进入初始状态时，柔性驱动管内未充入气体，此时弹性件、左扭簧和右扭簧均具有预紧力，支撑板在弹性件的预紧力的作用下，向柔性驱动管方向内缩，由于传递作用，第一伸缩脚处于脱离外管壁状态；传递脚在左扭簧的预紧力的作用下，向柔性驱动管方向内缩，由于传递作用，第二伸缩脚反向向外卡紧外管壁，使单控制器的刚柔结合爬管机器人可以悬停在管道中。

当通过气动通气管对具有驱动轴的柔性驱动管进行充气时，气体进入柔性驱动管，使其在轴向以及径向膨胀，弹性件受力收缩，左扭簧和右扭簧受力弯曲，此时支撑板和传递脚均向外膨胀，由于传递作用，此时第二伸缩脚反向向内收缩，逐渐脱离外管壁，而第一伸缩脚逐渐卡紧外管壁。当充气状态结束时，第一伸缩脚完全卡紧外管壁，而第二伸缩脚已完全脱离外管壁。

当进入放气状态时，弹性件、左扭簧和右扭簧由于回复作用均回到初始状态，此时第一伸缩脚仍处于卡紧外管壁的状态，第二伸缩脚仍处于脱离外管壁的状态，随着柔性驱动管轴向以及径向的缓慢收缩，第二气动凸台带动第二固定支架向上运动；当放气结束时，第一伸缩脚脱离外管壁，同时第二伸缩脚卡紧外管壁，收缩完成后，上、下端均已完成向上运动，一个攀升过程结束，与此同时单控制器的刚柔结合爬管机器人再次进入初试状态，然后重复上述运动进行下一阶段的攀升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，包括气动柔性驱动模块和刚性从动模块；所述气动柔性驱动模块包括柔性驱动管，所述柔性驱动管的一端设有气动通气管，另一端为封闭结构；所述刚性从动模块包括第一运动机构和第二运动机构；所述第一运动机构包括第一固定支架和若干个第一爬管组件；所述第一固定支架内设有第一气动凸台，所述第一气动凸台与柔性驱动管的封闭端相连接；所述第一爬管组件与第一气动凸台固定连接；所述第二运动机构包括第二固定支架和若干个第二爬管组件，所述第二固定支架内设有第二气动凸台，所述第二固定支架的一端套设于气动通气管外，另一端通过第二气动凸台与柔性驱动管的开口端相连接，所述第二爬管组件与第二气动凸台固定连接；所述第一爬管组件包括第一装配套筒，弹性件，第一伸缩脚和支撑板；所述第二爬管组件包括第二装配套筒，传递脚和第二伸缩脚，所述第二装配套筒内叠放有左扭簧和右扭簧。

2.根据权利要求1所述的一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，所述第一固定支架为圆锥体结构且与柔性驱动管同轴固定；所述第一固定支架的锥角端与柔性驱动管的封闭端固定连接，所述第一固定支架的锥体端朝向柔性驱动管中部，所述第一爬管组件均匀设于第一固定支架的锥体端面。

3.根据权利要求1所述的一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，所述第一气动凸台外设有若干个装配凸台，所述装配凸台设有沉孔，第一爬管组件通过装配凸台与第一气动凸台固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，所述第一装配套筒内设有卡紧凸台，所述弹性件的一端通过卡紧凸台与装配套筒固定，另一端通过沉孔与装配凸台固定，所述第一伸缩脚的一端通过第一装配套筒与装配凸台固定连接；所述支撑板设于第一装配套筒下端，所述支撑板为弧形片状结构，所述支撑板的弧度与柔性驱动管相适配；所述支撑板在弹性件的作用下与柔性驱动管的管壁相贴合。

5.根据权利要求1所述的一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，所述第二装配套筒上设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔用于固定左扭簧的一端引脚，所述第二通孔用于固定右扭簧的一端引脚；所述传递脚的一端与左扭簧的另一端引脚相连接，另一端与柔性驱动管相接触；所述第二伸缩脚的一端与右扭簧的另一端引脚相连接；所述固定销安装于左扭簧和右扭簧内，所述固定销的两端各设有通孔；传递脚的端部设有卡脚，所述卡脚设有与柔性驱动管管壁贴合的圆弧面。

6.根据权利要求1所述的一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，所述第二固定支架为圆锥体结构且与柔性驱动管同轴固定，所述气动通气管从第二固定支架的锥角端穿出，所述第二固定支架的锥体端朝向柔性驱动管中部。

7.根据权利要求5所述的一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，所述第二固定支架设有若干个吊耳，相邻吊耳的间距大于所述第二装配套筒的长度。

8.根据权利要求7所述的一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，所述吊耳设有横向通孔和纵向通孔，所述横向通孔用于横向固定定位销，所述纵向通孔用于纵向固定定位销。

9.根据权利要求6所述的一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，所述第二固定支架的锥体侧面设有若干减重孔；所述第二固定支架的锥体底面圆周处设有第三通孔和第四通孔，所述第三通孔用于插入固定销；所述第四通孔用于固定左扭簧和右扭簧的伸出端。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种基于单控制器的刚柔结合爬管机器人，其特征在于，所述第一伸缩脚和第二伸缩脚朝向柔性驱动管的开口端且呈放射状分布；所述第一伸缩脚和第二伸缩脚与柔性驱动管的夹角为锐角；所述第一伸缩脚和第二伸缩脚的直径朝远离柔性驱动管的方向逐渐缩小。

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