CN111878661A - 一种三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人，包括顶部虹膜机构粘附装置、软管齿轮啮合驱动装置和底部虹膜机构粘附装置，顶部虹膜机构粘附装置与软管齿轮啮合驱动装置中的三根金属波纹管一端固联，电机固定盘通过双通铜柱与底部虹膜机构粘附装置相互固联。本发明采用软管齿轮啮合驱动装置进行驱动，通过安装于电机固定盘上的电机，在相同时间内以不同的速度转动，使机器人在三维空间内伸缩爬行，实现最大90°弯曲变形。顶部和底部虹膜机构粘附装置通过舵机驱动使机器人与水管内壁的接触或分离。本发明采用舵机和电机进行驱动，摆脱了气源气管对管道机器人运动距离约束；且管状爬行机器人结构小巧，能应用于小型弯曲管道检测与维修。

Description

一种三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人

技术领域

本发明旨在解决小型弯曲管道监测与维修过程中因传统刚性及气动式柔性管道检测机器人无法适应狭小弯曲的管道工作环境且工作范围较小的弊端，具体涉及一种三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人。

背景技术

在机器人发展领域，如何实现管道机械化的检测、维护和清洗是我们面临的一大难题。大多数管道机器人都是由刚体组成，具有灵活性差、环境适应性差的缺点，无法适应弯曲方向改变以及管径不同的工作环境。对于气动式柔性机器人虽然其可以实现本体的灵活弯曲，但大多体积较大且工作时候需要连接着气管和气源，由于气管长度等因素，极大的限制了机器人的运动范围。如国外最新研制的用于管道爬行的蠕虫软机器人，该机器人通过控制位于机器人前后两端的两个独立的安全气囊的径向膨胀与收缩实现机器人与管道内壁之间的固定与分离，此外前后两个气囊之间均布有三个独立的轴向安全气囊，通过安全气囊的收缩与轴向伸长可实现蠕虫软机器人在管道内的蠕动爬行。但该机器人依然存在着气源气管对该机器人运动范围的限制不利于长距离的管道检测且柔性机器人自身存在较大的变形导致检测效果不佳，因此发明一种管道检测机器人使其既能实现一定的弯曲变形以适应弯曲复杂的管道环境，又能避免气源和气管等机器人自身硬件对检测范围的限制就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人，能够实现在尺寸较小且管径变化的管道中的爬行与转向，能够摆脱气源气管等机器人自身硬件对检测范围的限制而实现较长距离的运动。

为了达到上述目的，本发明釆用的技术方案是：

一种三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人，包括顶部虹膜机构粘附装置、软管齿轮啮合驱动装置、底部虹膜机构粘附装置；顶部虹膜机构粘附装置设置于机器人顶部，位于机构顶端的顶部虹膜机构粘附装置与软管齿轮啮合驱动装置中的三根波纹管的一端固连，波纹管的外表面螺纹分别与安装于三个直流电机输出轴上的齿轮相啮合形成齿轮齿条机构，电机通过电机架固定在电机固定盘上，电机固定盘通过双通铜柱与底部虹膜机构粘附装置相固连。

优选地，所述顶部虹膜机构粘附装置，包括顶部曲柄，三个顶部连杆，三个顶部滑块，顶部滑槽盘，顶部舵机安装垫块，顶部舵机；顶部曲柄分别与三个顶部连杆，三个顶部滑块以及顶部滑槽盘构成三个曲柄滑块机构，顶部曲柄与顶部舵机相固连；顶部舵机安装垫块与顶部滑槽盘以及顶部舵机通过螺栓螺母相固定，顶部滑块与顶部滑槽盘形成接触移动副。顶部舵机的转动带动顶部曲柄转动，所述顶部曲柄的转动驱动顶部滑块在顶部滑槽盘中进行沿槽道的直线运动，顶部滑块的沿槽道移动实现顶部虹膜机构粘附装置的外轮廓直径发生变化，进而实现与水管内壁的粘附和分离。顶部滑块的圆弧形外沿贴附有一层薄薄的硅胶层，用以增大顶部虹膜机构粘附装置与管壁的接触摩擦系数。

优选地，所述软管齿轮啮合驱动装置，包括三根金属波纹管，三个齿轮，三个直流电机，三个电机架，电机固定盘和三根双通铜柱；三根金属波纹管互为120度夹角均布于直径为50mm的圆周上，三根金属波纹管的轴向一端与顶部虹膜机构粘附装置中的顶部滑槽盘相固连，所述三根金属波纹管的外表面螺纹分别与三个齿轮相啮合形成齿轮齿条机构，随着齿轮的转动，金属波纹管与所述齿轮可实现相对运动。所述齿轮与直流电机相固连，直流电机通过电机架固定在电机固定盘一侧，双通铜柱通过螺栓固定在电机固定盘的同一侧。三个直流电机在单片机的控制下发生转动，直流电机的转动带动与之固连的齿轮转动。当顶部虹膜机构粘附装置与水管内壁相粘附时，所述齿轮转动使得软管齿轮啮合驱动装置中的直流电机连同电机固定盘以及与电机固定盘通过双通铜柱固连的底部虹膜机构粘附装置沿金属波纹管向上运动。当底部虹膜机构粘附装置与水管内壁相粘附时，所述齿轮转动导致与之相啮合的金属波纹管及与所述金属波纹管一端相固连的顶部虹膜机构粘附装置向上运动，此外三个直流电机以不同速度转动时，使整个管状爬行机器人在三维空间内的弯曲，以适应弯曲的水管。

优选地，所述底部虹膜机构粘附装置，包括底部曲柄，三个底部连杆，三个底部滑块，底部滑槽盘，底部舵机；底部舵机与底部曲柄相固连，所述底部曲柄分别与三个底部连杆、三个底部滑块和底部滑槽盘共同构成了三个曲柄滑块机构，底部滑块与底部滑槽盘形成接触移动副，底部舵机安装固定于软管齿轮啮合驱动装置中的电机固定盘的一侧。底部舵机的转动带动底部曲柄转动，所述底部曲柄的转动驱动底部滑块在底部滑槽盘中进行沿槽道的直线运动，底部滑块的沿槽道移动实现底部虹膜机构粘附装置的外轮廓直径发生变化，进而实现与水管内壁的粘附和分离。底部滑块的圆弧形外沿贴附有一层薄薄的硅胶层，用以增大底部虹膜机构粘附装置与管壁的接触摩擦系数，使底部虹膜机构粘附装置与管壁粘附效果更好。

优选地，所述三根金属波纹管外表面螺纹分别与软管齿轮啮合驱动装置中的齿轮相啮合，所述齿轮安装于直流电机输出轴上，所述直流电机通过电机架固定在电机固定盘上，所述软管齿轮啮合驱动装置中的电机固定盘通过双通铜柱与底部虹膜机构粘附装置相固连。采用软管齿轮啮合驱动装置进行驱动通过安装于电机固定盘上的电机在相同时间内以不同的速度进行转动可实现该机器人在三维空间内伸缩爬行和实现最大90°的弯曲变形。顶部和底部虹膜机构粘附装置通过舵机驱动实现机器人与水管内壁的接触与分离。本发明采用舵机和电机进行驱动，摆脱了气源气管对管道机器人运动距离的约束。且整个管状爬行机器人结构小巧，能够应用于小型弯曲管道的检测与维修。

本发明与背景技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：

1.本发明三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人可以实现在狭小弯曲且管道直径多变的管道内爬行，以12V直流电压源为动力，具有体积小，重量小等优点，与传统刚性管道检测机器人相比具有灵活性高、柔韧性好的特点，与气动式柔性管道机器人相比摆脱了气源气管等自身硬件对于机器人运动范围的限制；

2.当直流电机以不同转速进行转动时，本发明三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人，可以在三维空间内实现大于90度的最大转弯转角，并且以不超过10厘米的转弯半径实现在大多数小口径弯曲管道内爬行；

3.本发明机器人的顶部和底部的虹膜机构粘附装置可以实现机器人外轮廓直径的伸缩变化，能够满足在80mm-120mm不同管道内径下的爬行；

4.本发明能保证实现管道机器人在尺寸较小且管径变化的管道中的爬行与转向，能够摆脱气管的物理束缚而实现较长距离的运动。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的顶部虹膜机构粘附装置示意图。

图3是本发明的顶部虹膜机构粘附装置后视图。

图4是本发明的软管齿轮啮合驱动装置示意图。

图5是本发明的软管齿轮啮合驱动装置后视图。

图6是本发明的底部虹膜机构粘附装置示意图。

图中：1、顶部虹膜机构粘附装置，2、软管齿轮啮合驱动装置，3、底部虹膜机构粘附装置，4、顶部曲柄，5、顶部滑槽盘，6、顶部滑块，7、顶部连杆，8、顶部舵机安装垫块，9、顶部舵机，10、金属波纹管，11、电机固定盘，12、直流电机，13、电机架，14、齿轮，15、双通铜柱，16、底部曲柄，17、底部连杆，18、底部滑块，19、底部舵机，20、底部滑槽盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

在本实施例中，如图1所示，一种三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人，包括顶部虹膜机构粘附装置1、软管齿轮啮合驱动装置2和底部虹膜机构粘附装置3；顶部虹膜机构粘附装置1设置于机器人顶部，位于机器人顶端的顶部虹膜机构粘附装置1与软管齿轮啮合驱动装置2中的三根金属波纹管10的一端固连，所述软管齿轮啮合驱动装置2中的电机固定盘11通过双通铜柱15与底部虹膜机构粘附装置3相固连。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

在本实施例中，如图2和图3所示，所述顶部虹膜机构粘附装置1，包括顶部曲柄4，三个顶部连杆7，三个顶部滑块6，顶部滑槽盘5，顶部舵机安装垫块8，顶部舵机9；顶部曲柄4分别与三个顶部连杆7，三个顶部滑块6以及顶部滑槽盘5构成三个曲柄滑块机构，顶部曲柄4与顶部舵机9相固连；顶部舵机安装垫块8与顶部滑槽盘5以及顶部舵机9通过螺栓螺母相固定安装，顶部滑块6与顶部滑槽盘5形成接触移动副，所述顶部滑块6可在顶部滑槽盘5的滑道内滑动。顶部舵机9的转动带动顶部曲柄4转动，所述顶部曲柄4的转动驱动顶部滑块6在顶部滑槽盘5中进行沿槽道的直线运动，顶部滑块6的沿槽道移动实现顶部虹膜机构粘附装置1的外轮廓直径发生变化，进而实现与水管内壁的粘附和分离。顶部滑块6的圆弧形外沿贴附有一层薄薄的硅胶层，用以增大顶部虹膜机构粘附装置1与管壁的接触摩擦系数。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处如下：

在本实施例中，如图4和图5所示，所述软管齿轮啮合驱动装置2，包括三根金属波纹管10，三个齿轮14，三个直流电机12，三个电机架13，电机固定盘11和三根双通铜柱15；三根金属波纹管10互为120°夹角均布于直径为50mm的圆周上，三根金属波纹管10的轴向一端与顶部虹膜机构粘附装置1中的顶部滑槽盘5相固连，所述三根金属波纹管10的外表面螺纹分别与三个齿轮14相啮合形成齿轮齿条机构，随着齿轮14的转动，金属波纹管10与所述齿轮可实现相对运动。所述齿轮14与直流电机12相固连，直流电机12通过电机架13固定在电机固定盘11一侧，双通铜柱15通过螺栓固定在电机固定盘11的同一侧。三个直流电机12在单片机的控制下发生转动，直流电机12的转动带动与之固连的齿轮14转动。当顶部虹膜机构粘附装置1与水管内壁相粘附时，所述齿轮14转动使得软管齿轮啮合驱动装置2中的直流电机12连同电机固定盘11以及与电机固定盘11通过双通铜柱15固连的底部虹膜机构粘附装置3沿金属波纹管10向上运动。当底部虹膜机构粘附装置3与水管内壁相粘附时，所述齿轮14转动导致与之相啮合的金属波纹管10及与所述金属波纹管一端相固连的顶部虹膜机构粘附装置1向上运动，此外三个直流电机12以不同速度转动时，使整个管状爬行机器人在三维空间内的弯曲，以适应弯曲的水管。

实施例四：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处如下：

在本实施例中，如图6所示，所述底部虹膜机构粘附装置3，包括底部曲柄16，三个底部连杆17，三个底部滑块18，底部滑槽盘20，底部舵机19；底部舵机19与底部曲柄16相固连，所述底部曲柄16分别与三个底部连杆17、三个底部滑块18和底部滑槽盘20共同构成了三个曲柄滑块机构，底部滑块18与底部滑槽盘20形成接触移动副，底部舵机19安装固定于软管齿轮啮合驱动装置2中的电机固定盘11的一侧。底部舵机19的转动带动底部曲柄16转动，所述底部曲柄16的转动驱动底部滑块18在底部滑槽盘20中进行沿槽道的直线运动，底部滑块18的沿槽道移动实现底部虹膜机构粘附装置3的外轮廓直径发生变化，进而实现与水管内壁的粘附和分离。底部滑块18的圆弧形外沿贴附有一层薄薄的硅胶层，用以增大底部虹膜机构粘附装置3与管壁的接触摩擦系数，使其与管壁粘附效果更好。

综合上述实施例可知，本发明三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人具体运动流程如下，首先通过单片机对机器人进行预编程确定管道爬行机器人的运动类型，即弯道转弯或前后直线运动的选择。运动方式选择后，转动底部舵机将底部虹膜机构粘附装置与管道内壁相固定后转动顶部舵机将顶部虹膜机构粘附装置与管道内壁分离，随后驱动软管齿轮啮合驱动装置中的电机以不同转速进行运动，使得波纹管连同顶部虹膜机构粘附装置向前伸展运动，运动到一定距离后反向转动顶部舵机使得顶部虹膜机构粘附装置的外轮廓直径变大进而与管道内壁相固定，当顶部虹膜机构粘附装置与管道内壁相固定后，底部虹膜机构粘附装置在底部舵机的驱动下与管壁分离，随后通过直流电机的反转驱动电机固定盘及与之相连的底部虹膜机构粘附装置向上运动，运动到指定位置后再次令底部虹膜机构粘附装置与管壁相粘附，顶部虹膜机构粘附装置与管壁相分离，以此循环最终可实现管道机器人在弯曲复杂的管道内部稳定的爬行。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人，其特征在于：包括顶部虹膜机构粘附装置(1)、软管齿轮啮合驱动装置(2)和底部虹膜机构粘附装置(3)；顶部虹膜机构粘附装置(1)设置于机器人顶部，所述顶部虹膜机构粘附装置(1)与软管齿轮啮合驱动装置(2)中的三根金属波纹管(10)的一端固连，所述软管齿轮啮合驱动装置(2)中的一个电机固定盘(11)通过一个双通铜柱(15)与底部虹膜机构粘附装置(3)相固连。

2.根据权利要求1所述三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人，其特征在于：所述顶部虹膜机构粘附装置(1)包括顶部曲柄(4)、三个顶部连杆(7)、三个顶部滑块(6)、顶部滑槽盘(5)、顶部舵机安装垫块(8)和顶部舵机(9)；所述顶部曲柄(4)分别与三个顶部连杆(7)、三个顶部滑块(6)以及顶部滑槽盘(5)构成三个曲柄滑块机构，顶部曲柄(4)与顶部舵机(9)相固连；顶部舵机安装垫块(8)与顶部滑槽盘(5)以及顶部舵机(9)通过螺栓螺母相固定，顶部滑块(6)与顶部滑槽盘(5)形成接触移动副；顶部舵机(9)的转动带动顶部曲柄(4)转动，所述顶部曲柄(4)的转动驱动顶部滑块(6)在顶部滑槽盘(5)中进行沿槽道的直线运动，顶部滑块(6)的沿槽道移动实现顶部虹膜机构粘附装置(1)的外轮廓直径发生变化，进而实现与水管内壁的粘附或分离；顶部滑块(6)的圆弧形外沿贴附有一层薄薄的硅胶层，用以增大顶部虹膜机构粘附装置(1)与管壁的接触摩擦系数。

3.根据权利要求1所述三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人，其特征在于：所述软管齿轮啮合驱动装置(2)包括三根金属波纹管(10)、三个齿轮(14)、三个直流电机(12)、三个电机架(13)、电机固定盘(11)和三根双通铜柱(15)；所述三根金属波纹管(10)互为120度夹角均布于直径为50mm的圆周上，三根金属波纹管(10)的轴向一端与顶部虹膜机构粘附装置(1)中的顶部滑槽盘(5)相固连，所述三根金属波纹管(10)的外表面螺纹分别与三个齿轮(14)相啮合形成齿轮齿条机构，随着齿轮(14)的转动，金属波纹管(10)与所述齿轮可实现相对运动；所述齿轮(14)与直流电机(12)相固连，直流电机(12)通过电机架(13)固定在电机固定盘(11)一侧，双通铜柱(15)通过螺栓固定在电机固定盘(11)的同一侧；三个直流电机(12)在单片机的控制下发生转动，直流电机(12)的转动带动与之固连的齿轮(14)转动；当顶部虹膜机构粘附装置(1)与水管内壁相粘附时，所述齿轮(14)转动使得软管齿轮啮合驱动装置(2)中的直流电机(12)连同电机固定盘(11)以及与电机固定盘(11)通过双通铜柱(15)固连的底部虹膜机构粘附装置(3)沿金属波纹管(10)向上运动；当底部虹膜机构粘附装置(3)与水管内壁相粘附时，所述齿轮(14)转动导致与之相啮合的金属波纹管(10)及与所述金属波纹管一端相固连的顶部虹膜机构粘附装置(1)向上运动，三个直流电机(12)以不同速度转动时，使整个管状爬行机器人在三维空间内的弯曲，以适应弯曲的水管。

4.根据权利要求1所述三管柔性执行机构诱导的管状爬行机器人，其特征在于：所述底部虹膜机构粘附装置(3)，包括底部曲柄(16)、三个底部连杆(17)、三个底部滑块(18)、底部滑槽盘(20)和底部舵机(19)；所述底部舵机(19)与底部曲柄(16)相固连，所述底部曲柄(16)分别与三个底部连杆(17)、三个底部滑块(18)和底部滑槽盘(20)共同构成了三个曲柄滑块机构，底部滑块(18)与底部滑槽盘(20)形成接触移动副，底部舵机(19)安装固定于软管齿轮啮合驱动装置(2)中的电机固定盘(11)的一侧；所述底部舵机(19)的转动带动底部曲柄(16)转动，所述底部曲柄(16)的转动驱动底部滑块(18)在底部滑槽盘(20)中进行沿槽道的直线运动，底部滑块(18)的沿槽道移动实现底部虹膜机构粘附装置(3)的外轮廓直径发生变化，进而实现与水管内壁的粘附或分离；底部滑块(18)的圆弧形外沿贴附有一层薄薄的硅胶层，用以增大底部虹膜机构粘附装置(3)与管壁的接触摩擦系数，使底部虹膜机构粘附装置(3)与管壁粘附效果更好。

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