CN112032464B - 一种气动弯曲的柔性管道机器人及控制方法 - Google Patents

一种气动弯曲的柔性管道机器人及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气动弯曲的柔性管道机器人及控制方法，包括：主体软管；多个环形充气气囊，多个所述环形充气气囊依次固定连接后套装在所述主体软管上形成机器人主体，所述环形充气气囊通过隔膜分隔成上气囊和下气囊；电磁气阀，每个环形充气气囊配备一个所述电磁气阀，每个环形充气气囊的上气囊和下气囊分别通过各自的气管连接所述电磁气阀的两个气口；水下摄像头，所述水下摄像头和光源安装在所述机器人主体的前端；行进驱动轮组，多个所述行进驱动轮组安装在所述机器人主体上，相邻两个进驱动轮组之间轮子朝向相反；气泵，所述气泵的出气口连接所有电磁气阀的进气口；处理器，所述处理器分别连接电磁气阀、水下摄像头、光源、水下电机及气泵。

Description

一种气动弯曲的柔性管道机器人及控制方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种气动弯曲的柔性管道机器人及控制方法。
背景技术
管道机器人是一种可沿管道自动行走，携带有一种或多种传感器，在遥控操纵或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电仪一体化系统。各工业发达国家管道方面做了大量研究工作，其中日本从事管道机器人研究的人员最多，成果也最多。管道机器人从驱动方式看主要有车轮式、履带式、蠕动式、爬行式、螺旋驱动式等几类。多数管道机器人是贴于管道底部爬行，对管道环境适应能力差，特别是在管道底部有淤泥或管道内容充满水的环境下，现有管道机器人很难爬行甚至难以工作。另外在管道直径、倾斜度有变化情况下，普通管道机器人很难适应，且现有的有适应管道直径功能的管道机器人所能达到的直径适应范围较小。再者，一般支撑于管道两侧壁面的管道机器人在初始放入管道时比较困难。
发明内容
本发明实施例的目的是提出一种气动弯曲的柔性管道机器人及控制方法，以解决现有多数管道机器人对管道环境适应能力差的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种气动弯曲的柔性管道机器人，包括：
第一方面，本发明实施例提供一种气动弯曲的柔性管道机器人，包括：
主体软管；
多个环形充气气囊，多个所述环形充气气囊依次固定连接后套装在所述主体软管上形成机器人主体，所述环形充气气囊通过隔膜分隔成上气囊和下气囊；
电磁气阀，每个环形充气气囊配备一个所述电磁气阀，每个环形充气气囊的上气囊和下气囊分别通过各自的气管连接所述电磁气阀的两个气口；
水下摄像头，所述水下摄像头安装在所述机器人主体的前端；
光源，所述光源安装在所述机器人主体的前端；
行进驱动轮组，多个所述行进驱动轮组安装在所述机器人主体上，相邻两个进驱动轮组之间轮子朝向相反，其中所述行进驱动轮组包括福来轮、用于驱动所述福来轮转动的水下电机和用于检测所述福来轮与所述环形充气气囊之间压力的压力传感器；
气泵，所述气泵的出气口连接所有的电磁气阀的进气口；
处理器，所述处理器分别连接电磁气阀、水下摄像头、光源、水下电机及气泵。
进一步地，所述机器人主体的前端安装有球头密封法兰，水下摄像头通过舵机云台安装在球头密封法兰内，所述光源安装在所述球头密封法兰的两侧。
进一步地，相连的两个环形充气气囊通过连接法兰相连。
进一步地，所述福来轮通过联轴器连接水下电机的输出轴上。
进一步地，所述环形充气气囊的外表面为褶皱状。
进一步地，所述环形充气气囊采用弹性橡胶制成。
进一步地，所述水下电机通过驱动组法兰固定在所述机器人主体上。
进一步地，所述电磁气阀采用直动式常闭型电磁阀。
进一步地，所述气泵和处理器通过防水线缆与地面终端相连，同时防水线缆为机器人供电。
第二方面，本发明实施例还提供一种气动弯曲的柔性管道机器人的控制方法，包括以下步骤：
(1)通过光源照亮机器人前端的管道，水下摄像头拍摄前端图像，通过防水线缆将实时画面传输至地面终端，用户通过终端处理器实时判断管道内情况，实现对管道内部的观测；
(2)通过电磁气阀来控制上气囊或下气囊充气放气，充气增压使上气囊或下气囊膨胀，使机器人主体弯曲，实现行进驱动轮组与管壁的充分接触，保证机器人运行时福来轮不会出现打滑现象；
(3)通过水下电机驱动福来轮转动，通过压力传感器检测所述福来轮与所述环形充气气囊之间压力，并将压力信息反馈至处理器，处理器将实际压力值与预定压力值进行对比分析，调整电磁气阀开闭以改变进气气压，从而调整机器人对管壁始终保持合适的摩擦，保证动力输出。
根据以上技术方案，本发明具有的有益效果：
1、方便机器人初始进入管道。本发明自由状态下的横向尺寸要比管道直径小，可直接进入管道。
2、可防止机器人在管道内部因摩擦不足打滑无法前进。本发明在不同管壁上可根据表面摩擦系数不同，增大气压来始气囊一侧充气弯曲增大对两侧的压力，进而增大摩擦，防止打滑。
3、方便通过变尺寸管道。本发明在经过不同尺寸管道时，可增大气压使气囊一侧弯曲增大，进而使机器人整体横向尺寸增大，使四组驱动轮均可以紧贴管壁，保证足够的驱动力，实现变尺寸管道通行。
4、减少了机器人的故障率。本发明可在遇到复杂管道环境侧翻时，通过弯曲张紧，重新恢复正常工作姿态。
5、增加了机器人的运动姿态。使用了福来轮，可完成在管道内自由进退、旋转，调整合适的运动姿态。
6、机器人每个轮子独立驱动，分别由一个大扭力水下电机控制，大大提高管道机器人的驱动能力。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供一种气动弯曲的柔性管道机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例中机器人初始进入管道图；
图3为本发明实施例中机器人通过变尺寸管道图；
图4为本发明实施例中环形充气气囊结构图，其中(a)为环形充气气囊截面图，(b)为(a)中的A-A向剖面图；
图5为本发明实施例中环形充气气囊单向弯曲原理图；
图6为本发明实施例中气囊工作原理图；
图中：1、球头密封法兰，2、水下摄像头，3、光源，4、环形充气气囊，5、电磁气阀，6、水下电机，7、主体软管，8、福来轮，9、连接法兰，10、驱动组法兰，11、气泵，12、密封法兰，13、防水线缆。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-6所示，本发明实施例提供一种气动弯曲的柔性管道机器人，包括：水下摄像头2、光源3、环形充气气囊4、电磁气阀5、主体软管7、行进驱动轮组、气泵11，多个所述环形充气气囊4依次固定连接后套装在所述主体软管7上形成机器人主体，所述环形充气气囊4通过隔膜分隔成上气囊和下气囊；每个环形充气气囊4配备一个所述电磁气阀5，每个环形充气气囊4的上气囊和下气囊分别通过各自的气管连接所述电磁气阀5的两个气口；所述水下摄像头2安装在所述机器人主体的前端；所述光源3安装在所述机器人主体的前端；多个所述行进驱动轮组安装在所述机器人主体上，相邻两个进驱动轮组之间轮子朝向相反，其中所述行进驱动轮组包括福来轮8、用于驱动所述福来轮8转动的水下电机6和用于检测所述福来轮8与所述环形充气气囊4之间压力的压力传感器；所述气泵11的出气口连接所有的电磁气阀5的进气口；所述处理器分别连接电磁气阀5、水下摄像头2、光源3、水下电机6及气泵11。
通过气泵充气加压，可以使机器人本体变形快速进入管道并紧贴管壁；另外，通过控制气压的大小，可控制机器人主体的形变弯曲程度，进而控制机器人的驱动轮对管壁的压力，柔性变形的综合作用下，可以自适应通过变截面管道，具有较好的适应能力，适于检测变截面管道的空蚀、破损问题。机器人的控制部分密封于机器人内部的空腔中，管道机器人的驱动轮使用防水水下电机，可以长时间连续的在水中工作，适用于充满水的管道。机器人前端配备水下摄像头，摄像头配合两侧LED照明装置，可实现实时向地面终端传输高清视频。
在本申请一实施例中，所述机器人主体的前端安装有球头密封法兰1，水下摄像头2通过舵机云台安装在球头密封法兰1内，所述光源3安装在所述球头密封法兰1的两侧。
在本申请一实施例中，如图1所示，环形充气气囊4共八节，相连的两个环形充气气囊4通过连接法兰9相连。
在本申请一实施例中，所述福来轮8通过联轴器连接水下电机6的输出轴上。
在本申请一实施例中，所述环形充气气囊4的外表面为褶皱状，进一步地，所述环形充气气囊4采用弹性橡胶制成。
在本申请一实施例中，所述水下电机6通过驱动组法兰10固定在所述机器人主体上。
在本申请一实施例中，所述电磁气阀5采用直动式常闭型电磁阀。
在本申请一实施例中，所述机器人主体的末端安装密封法兰12，气泵和处理器通过防水线缆13与地面终端相连，同时防水线缆13为机器人供电。
该气动弯曲的柔性管道机器人，工作原理如下：
机器人前端的水下摄像头2可由舵机云台控制摄像头拍摄角度。前端由球头密封法兰1保护在内，以实现前端防水，并且球头密封法兰1可以作为水下摄像头2的广角镜头，增大摄像头拍摄范围。摄像系统配合光源3(本实例选择LDE灯作为光源，当然还有其他选择)的使用，增强图像清晰度。
八节环形充气气囊4与主体软管形成机器人主体，气囊用高强度弹性橡胶制成，每节分为上下两部分气囊，分别有一个进出气口，两口分别通过密封头和气管连接电磁气阀5的两个口，通过电磁气阀5来控制上气囊充气或下气囊充气，同时控制气囊气压。气囊上下两部分又由纵向紧密排列的14个小空腔组成，如图5，当一侧充气时空腔膨胀体积增大，14个空腔体积同时增大相互挤压，使气囊充气一侧外径增大，未充气一侧受挤压外径减小，从而实现单节气囊的单向弯曲。当气囊均未充气或均充气时，气动弯曲的柔性管道机器人可呈现图2状态，方便机器人进入管道，并可支持机器人在平直管道内由两组驱动组驱动运动；当气囊充气情况如图6时，气动弯曲的柔性管道机器人可呈现图3状态，此时主体弯曲成W形，四组驱动组均紧贴管壁开始工作，可支持机器人在倾斜或垂直管道内运动。当出现打滑时，可适当增加气囊气压，增大驱动组对管壁的压力，从而增大摩擦，解决打滑问题。
驱动组的轮子使用了福来轮8，每个福来轮8由一个水下电机6单独控制，可实现每个轮子的运动独立，进而配合达到机器人在管道内紧贴管壁转动的效果。压力传感器安装于电机轴与福来轮连接处，轮子与管壁间的压力可传至传感器位置，并反馈至内置集成处理器，自动分析处理数据，改变进气气压，从而调整机器人对管壁始终保持合适的摩擦，保证动力输出。
本发明的所有非防水部件：水下摄像头2、光源3、电磁气阀5、气泵11、处理器(可以采用单片机)、舵机云台均内置于主体软管7内部，使用了球头密封法兰1、连接法兰9、驱动组法兰10、密封法兰12，并在连接处使用了防水胶，增强了主体的防水性。外部部件均采用防水部件，极大的增强了机器人的水下工作能力。防水线缆13可传输机器人信号至地面终端，同时线缆可为机器人供电，保证机器人的续航。
本实施例还提供一种气动弯曲的柔性管道机器人的控制方法，包括以下步骤：
(1)通过光源3照亮机器人前端的管道，水下摄像头2拍摄前端图像，通过防水线缆13将实时画面传输至地面终端，用户通过终端处理器实时判断管道内情况，实现对管道内部的观测；
(2)通过电磁气阀5来控制上气囊或下气囊充气放气，充气增压使上气囊或下气囊膨胀，使机器人主体弯曲，实现行进驱动轮组与管壁的充分接触，保证机器人运行时福来轮8不会出现打滑现象；
(3)通过水下电机6驱动福来轮8转动，通过压力传感器检测所述福来轮8与所述环形充气气囊4之间压力，并将压力信息反馈至处理器，处理器将实际压力值与预定压力值进行对比分析，调整电磁气阀开闭以改变进气气压，从而调整机器人对管壁始终保持合适的摩擦，保证动力输出。
上述实施例仅表示本发明的个案，任何依据本发明技术方案的结合，如：驱动轮增加，电机位置的改变，均理解为未脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气动弯曲的柔性管道机器人，其特征在于，包括：
主体软管；
多个环形充气气囊，多个所述环形充气气囊依次固定连接后套装在所述主体软管上形成机器人主体，所述环形充气气囊通过隔膜分隔成上气囊和下气囊；
电磁气阀，每个环形充气气囊配备一个所述电磁气阀，每个环形充气气囊的上气囊和下气囊分别通过各自的气管连接所述电磁气阀的两个气口；
水下摄像头，所述水下摄像头安装在所述机器人主体的前端；
光源，所述光源安装在所述机器人主体的前端；
行进驱动轮组，多个所述行进驱动轮组安装在所述机器人主体上，相邻两个进驱动轮组之间轮子朝向相反，其中所述行进驱动轮组包括福来轮、用于驱动所述福来轮转动的水下电机和用于检测所述福来轮与所述环形充气气囊之间压力的压力传感器；
气泵，所述气泵的出气口连接所有的电磁气阀的进气口；
处理器，所述处理器分别连接电磁气阀、水下摄像头、光源、水下电机及气泵。
2.根据权利要求1所述的一种气动弯曲的柔性管道机器人，其特征在于，所述机器人主体的前端安装有球头密封法兰，水下摄像头通过舵机云台安装在球头密封法兰内，所述光源安装在所述球头密封法兰的两侧。
3.根据权利要求1所述的一种气动弯曲的柔性管道机器人，其特征在于，相连的两个环形充气气囊通过连接法兰相连。
4.根据权利要求1所述的一种气动弯曲的柔性管道机器人，其特征在于，所述福来轮通过联轴器连接水下电机的输出轴上。
5.根据权利要求1所述的一种气动弯曲的柔性管道机器人，其特征在于，所述环形充气气囊的外表面为褶皱状。
6.根据权利要求1所述的一种气动弯曲的柔性管道机器人，其特征在于，所述环形充气气囊采用弹性橡胶制成。
7.根据权利要求1所述的一种气动弯曲的柔性管道机器人，其特征在于，所述水下电机通过驱动组法兰固定在所述机器人主体上。
8.根据权利要求1所述的一种气动弯曲的柔性管道机器人，其特征在于，所述电磁气阀采用直动式常闭型电磁阀。
9.根据权利要求1所述的一种气动弯曲的柔性管道机器人，其特征在于，所述气泵和处理器通过防水线缆与地面终端相连，同时防水线缆为机器人供电。
10.根据权利要求1所述的一种气动弯曲的柔性管道机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过光源照亮机器人前端的管道，水下摄像头拍摄前端图像，通过防水线缆将实时画面传输至地面终端，用户通过终端处理器实时判断管道内情况，实现对管道内部的观测；
(2)通过电磁气阀来控制上气囊或下气囊充气放气，充气增压使上气囊或下气囊膨胀，使机器人主体弯曲，实现行进驱动轮组与管壁的充分接触，保证机器人运行时福来轮不会出现打滑现象；
(3)通过水下电机驱动福来轮转动，通过压力传感器检测所述福来轮与所述环形充气气囊之间压力，并将压力信息反馈至处理器，处理器将实际压力值与预定压力值进行对比分析，调整电磁气阀开闭以改变进气气压，从而调整机器人对管壁始终保持合适的摩擦，保证动力输出。
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