CN112097009A - 一种管道检测软体机器人及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道检测软体机器人及其驱动方法。本发明一种管道检测软体机器人，包括头部模块、中部伸缩模块和尾部模块。头部模块与尾部模块通过中部伸缩模块连接。头部模块和尾部模块结构相同，均包括绕线辊、机壳、外侧连接盘、内侧连接盘、绳索和弹性薄片。外侧连接盘与内侧连接盘间隔设置，且通过多片连接弹性薄片连接。两个绕线辊均安装在外侧连接盘上。两根绳索的一端均与内侧连接盘的内侧面固定，另一端缠绕固定在两个绕线辊上。所述的中部伸缩模块包括弹簧和伸缩驱动组件。本发明采用软体结构，受到外力阻碍时，弹簧和具有弹性机壳能够进行适应性变形，从而在对管道进行检测时降低了对管道的或者自身结构的损坏。

Description

一种管道检测软体机器人及其驱动方法

技术领域

本发明属于管道检测技术领域，具体涉及一种管道检测软体机器人及其驱动方法。

背景技术

管道被广泛用于运输水、油、气体和其他化学品的各种应用，从石油和天然气工业、城市天然气管道、城市用水管道等，这些管道可能会由于老化、腐蚀、碎片堆积、裂纹和变形，而存在一系列安全隐患，所以需要进行内部检测，从安全和成本的角度来看，管道检查是非常重要的。而现在大多数的管道检测机器人都是履带式或者轮式机械车，履带式管道检测机器人机动性能不强，转向阻力大，驱动结构较复杂，维修较为困难；轮式管道检测机器人在行驶过程中容易打滑，转向半径大，不易拐弯，而且这部分管道检测机器人因自身的刚性部件易损坏管道，因此，需要一种管道检测软体机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管道检测软体机器人及其驱动方法。

本发明一种管道检测软体机器人，包括头部模块、中部伸缩模块和尾部模块。头部模块与尾部模块通过中部伸缩模块连接。头部模块和尾部模块结构相同，均包括绕线辊、机壳、外侧连接盘、内侧连接盘、绳索和弹性薄片。外侧连接盘与内侧连接盘间隔设置，且通过多片连接弹性薄片连接。各弹性薄片的两端分别位于外侧连接盘、内侧连接盘相对侧面的边缘处。两个绕线辊均安装在外侧连接盘上。两根绳索的一端均与内侧连接盘的内侧面固定，另一端穿过外侧连接盘，并分别缠绕固定在两个绕线辊上。两根绳索分别位于外侧连接盘中心轴线的两侧。

所述的中部伸缩模块包括弹簧和伸缩驱动组件。伸缩驱动组件包括驱动壳、伸缩驱动电机、主动齿轮和从动齿轮。主动齿轮和n个从动齿轮均支承在驱动壳内，n≥2。n个从动齿轮沿着主动齿轮均与主动齿轮啮合。主动齿轮由伸缩驱动电机驱动。n根弹簧的一端与n个从动齿轮分别固定。中部伸缩模块的两端与头部模块、尾部模块内的内侧连接盘分别固定。

作为优选，两个夹壁电机均固定在机壳内；两个夹壁电机的输出轴与两个绕线辊分离固定。绕线辊的轴线平行于外侧连接盘的中心轴线。绕线辊的外端端部设置有锥形绕线盘。锥形绕线盘的内侧面为限位面，限位面垂直于绕线辊的轴线。锥形绕线盘的侧部设置有引线槽。引线槽的一侧侧面呈螺旋状。

作为优选，各弹性薄片沿着外侧连接盘的中心轴线的周向均布。

作为优选，所述弹性薄片的外侧面中部设置防滑沟壑纹路。

作为优选，所述弹性薄片的横截面呈弧形，且内凹面朝内设置。

作为优选，所述机壳的外表面涂有光滑涂层。

作为优选，所述头部模块内的机壳的外端安装有摄像头。尾部模块内的外侧连接盘的外侧面上安装有控制系统和无线充电系统。

作为优选，所述的机壳采用弹性材料。

该管道检测软体机器人的驱动方法，包括弹射前进方法、普通前进方法和转向方法。

弹射前进方法具体如下：

步骤一、头部模块和尾部模块内的各绕线辊同步正转收卷绳索，使头部模块和尾部模块的弹性薄片向外凸出抵住管道的内侧壁。

步骤二、伸缩驱动电机正转，带动n根弹簧发生正向扭转，弹簧的正向扭转是指使得弹簧由螺旋状趋向于伸直的转动。

步骤三、头部模块内的两个绕线辊同步反转释放绳索，使得头部模块内的弹性薄片恢复原状；此时，由于n根弹簧在伸长的趋势下弹出，推动头部模块向前弹射移动；弹簧将头部模块弹出到最远位置时或到达最远位置之前，头部模块内的两个绕线辊同步正转收卷绳索，头部模块的弹性薄片向外凸出抵住管道的内侧壁。

步骤四、伸缩驱动电机9反转，带动n根弹簧反向扭转；之后，尾部模块内的两个绕线辊同步反转释放绳索，使得尾部模块内的弹性薄片恢复原状；n根弹簧拉动尾部模块向前移动。

步骤五、重复步骤一至四，即可持续向前弹射前进。

普通前进方法具体如下：

步骤一、尾部模块内的两个绕线辊同步正转收卷绳索，使尾部模块的弹性薄片均弯曲向外凸出抵住管道的内侧壁。

步骤二、伸缩驱动电机正转，带动n根弹簧发生正向扭转。n根弹簧伸长，推动头部模块向前移动；

步骤三、头部模块内的两个绕线辊同步正转收卷绳索，使头部模块的弹性薄片向外凸出抵住管道的内侧壁。

步骤四、伸缩驱动电机反转，带动n根弹簧反向扭转，n根弹簧长度缩短，拉动尾部模块向前移动。

步骤五、重复步骤一至四，即可持续向前移动。

转向方法具体如下：

步骤一、尾部模块内的两个绕线辊同步正转收卷绳索，使尾部模块的弹性薄片向外凸出抵住管道的内侧壁。

步骤二、伸缩驱动电机正转，带动n根弹簧发生正向扭转。n根弹簧伸长，推动头部模块向前移动；

同时，两根绳索中靠近目标方向一侧的那根绳索对应的夹壁电机正转，使得靠近目标转向方向一侧的那根绳索释放出来的部分缩短，头部模块向目标转向方向弯曲，便于更好的将头部模块导向目标方向。

步骤三、步骤二中未被收卷的那根绳索对应的夹壁电机正转，使得头部模块的所有弹性薄片均弯曲抵住管道内侧壁。

步骤四、伸缩驱动电机反转，带动n根弹簧反向扭转，n根弹簧长度缩短，拉动尾部模块向前移动。

步骤五、若已经转向到位，则按照普通前进方法继续前进；若头部模块还在弯管中，则再次执行步骤一至四，直到头部模块离开弯管。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明采用软体结构，受到外力阻碍(如遇到弯管)时，弹簧和具有弹性机壳能够进行适应性变形，从而在对管道进行检测时降低了对管道的或者自身结构的损坏。

2、本发明利用弹簧的扭转能够进行弹射式前进，这样的好处是前进速度更快，更能有效突破一些障碍等。

3、本发明采用无缆式运行，将电池与控制系统集成到软体机器人中，电池可采用无线充电的方式进行充电，可长时间在管道内运作。

4、本发明的弹性薄片采用仿生沟壑结构，可以充分增加弹性薄片与管道间的摩擦力，保证软体机器人在运动时不滑落。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的正面示意图；

图3为本发明的剖面示意图；

图4为本发明中弹性薄片的示意图；

图5为本发明中尾部模块的绳索安装示意图；

图6为本发明中锥形绕线盘的示意图；

图7为本发明中伸缩驱动组件的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2、3和4所示，一种管道检测软体机器人，包括头部模块Ⅰ、中部伸缩模块Ⅱ和尾部模块Ⅲ。头部模块Ⅰ与尾部模块Ⅲ通过中部伸缩模块Ⅱ连接。头部模块Ⅰ和尾部模块Ⅲ结构相同，均包括夹壁电机2、机壳3、外侧连接盘4-1、内侧连接盘4-2、绳索5和弹性薄片6。外侧连接盘4-1与内侧连接盘4-2同轴且间隔设置，且通过多片连接弹性薄片6连接。各弹性薄片6的两端分别位于外侧连接盘4-1、内侧连接盘4-2相对侧面的边缘处，且沿着外侧连接盘4-1的中心轴线的周向均布。弹性薄片6的外侧面中部设置防滑沟壑纹路。弹性薄片6的横截面呈弧形，且内凹面朝内设置，使外表面涂有光滑涂层，减少摩擦。机壳3采用弹性材料，具体为橡胶。

弹性薄片采用3D打印技术并用热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)材料来制备；弹性薄片的厚度在1.75mm～2.55mm之间，从而保证弹性薄片有足够的刚度K来使机器人正常爬行。特别地，弹性薄片处的外壳皮肤表面采用仿生“沟壑”，该结构类似汽车轮胎的沟壑结构，以增大弹性薄片与被检测管道之间的摩擦力。弹性薄片整体的厚度为2mm，仿生沟壑位于中间部分，中间部分最薄的厚度为1.6mm，如图7所示。中间最薄厚度采用1.6mm是为了保证电机在运转时能够拱起弹性薄片，同时保证机器人在行进时有足够大的摩擦力而不使其发生明显的滑动。

如图3、5和6所示，两个夹壁电机2均固定在机壳3内；两个夹壁电机2的输出轴上均固定有绕线辊2-1。绕线辊2-1的轴线平行于外侧连接盘4-1的中心轴线。绕线辊2-1的外端端部设置有锥形绕线盘2-2。锥形绕线盘2-2的内侧面为限位面，限位面垂直于绕线辊2-1的轴线。锥形绕线盘2-2的侧部设置有引线槽2-3。引线槽2-3的一侧侧面呈螺旋状，用于在绕线辊2-1正转时引导绳索沿着引线槽2-3绕置到绕线辊2-1上，并被限位面限定位置。两根绳索5的一端均与内侧连接盘4-2的内侧面固定，另一端穿过外侧连接盘4-1，并分别缠绕固定在两个绕线辊2-1上。两根绳索5对中设置在外侧连接盘4-1中心轴线的两侧。通过两个夹壁电机2的转动，能够调整被释放出的两根绳索5的长度。从而调整外侧连接盘4-1与内侧连接盘4-2的间距，使弹性薄片6受轴向挤压并向外凸出，且凸出程度由外侧连接盘4-1与内侧连接盘4-2的间距决定。此外，当两根绳索5被释放出的部分的长度有差异时，能够使得头部模块Ⅰ和尾部弯曲。

如图1和2所示，头部模块Ⅰ内的机壳3的外端安装有摄像头1。尾部模块Ⅲ内的外侧连接盘4-1的外侧面上安装有控制系统和无线充电系统12。头部模块Ⅰ的内侧连接盘4-2与尾部模块Ⅲ的内侧连接盘4-2正对且间隔设置。

如图3和7所示，中部伸缩模块Ⅱ包括弹簧7和伸缩驱动组件。伸缩驱动组件包括驱动壳8、伸缩驱动电机9、主动齿轮10和从动齿轮11。驱动壳8与尾部模块Ⅲ内的内侧连接盘4-2同轴固定。主动齿轮10和三个从动齿轮11均支承在驱动壳8内。主动齿轮10位于驱动壳8的中心位置；三个从动齿轮11沿着主动齿轮10的周向均布，且均与主动齿轮10啮合。伸缩驱动电机9固定在驱动壳8内，且输出轴与主动齿轮10固定。三根弹簧7的一端通过连接板和齿轮轴与三个从动齿轮11分别固定。三根弹簧7的另一端均与头部模块Ⅰ内的内侧连接盘4-2固定。

初始状态下，头部模块Ⅰ与尾部模块Ⅲ同轴设置；三根弹簧7沿着尾部模块Ⅲ中心轴线的周向均布。使用时，将管道检测软体机器人放入管道中。

通过ANSYS Workbench进行三维非线性仿真来研究弹性薄片的屈曲，考虑到材料的非线性特性和几何非线性，在模拟中只考虑了一个弹性薄片和部分管。将弹性薄片的左端固定，在弹性薄片的右端施加30mm的规定位移，使弹性薄片被压缩拱起，从而固定在管道壁上。

该管道检测软体机器人的驱动方法，包括弹射前进方法、普通前进方法和转向方法。

弹射前进方法具体如下：

步骤一、头部模块Ⅰ和尾部模块Ⅲ内的两个夹壁电机均同速率正转收卷绳索，使头部模块Ⅰ和尾部模块Ⅲ的弹性薄片均弯曲，中部向外凸出抵住管道的内侧壁，实现头部模块Ⅰ、尾部模块Ⅲ与管道的相对固定。

步骤二、伸缩驱动电机9正转，带动三根弹簧发生正向扭转，弹簧的正向扭转是指趋向于伸直(减少螺旋程度)的方向转动。弹簧正向扭转时会产生伸长的趋势，产生向外的弹力。

步骤三、头部模块Ⅰ内的两个夹壁电机同速率反转释放绳索，使得头部模块Ⅰ内的弹性薄片复位，与管道内壁分离；此时，由于三根弹簧在伸长的趋势下弹出，推动头部模块Ⅰ向前弹射移动；弹簧将头部模块Ⅰ弹出到最远位置时或到达最远位置之前，头部模块Ⅰ内的两个夹壁电机同速率正转收卷绳索，头部模块Ⅰ的弹性薄片均弯曲抵住管道的内侧壁，使得头部模块Ⅰ与管道固定；

步骤四、伸缩驱动电机9反转，带动三根弹簧反向扭转(转动圈数与步骤二相同，使得弹簧有回复原状的趋势)尾部模块Ⅲ内的两个夹壁电机同速率反转释放绳索，使得尾部模块Ⅲ内的弹性薄片复位，与管道内壁分离；此时，由于三根弹簧缩短复位，拉动尾部模块Ⅲ向前移动。

步骤五、重复步骤一至四，即可持续向前弹射前进。

普通前进方法具体如下：

步骤一、尾部模块Ⅲ内的两个夹壁电机同速率正转收卷绳索，使尾部模块Ⅲ的弹性薄片均弯曲，中部向外凸出抵住管道的内侧壁，实现尾部模块Ⅲ与管道的相对固定。

步骤二、伸缩驱动电机9正转，带动三根弹簧发生正向扭转，弹簧的正向扭转是指趋向于伸直(减少螺旋程度)的方向转动。三根弹簧伸长，推动头部模块Ⅰ向前移动；

步骤三、头部模块Ⅰ内的两个夹壁电机同速率正转收卷绳索，使头部模块Ⅰ的弹性薄片均弯曲，中部向外凸出抵住管道的内侧壁，实现头部模块Ⅰ与管道的相对固定。

步骤四、伸缩驱动电机9反转，带动三根弹簧回复原状，三根弹簧长度缩短，拉动尾部模块Ⅲ向前移动。

步骤五、重复步骤一至四，即可持续向前移动。该前进方式的速度慢于弹射前进方式，但位移量精准可控。

转向方法具体如下：

步骤一、尾部模块Ⅲ内的两个夹壁电机同速率正转收卷绳索，使尾部模块Ⅲ的弹性薄片均弯曲，中部向外凸出抵住管道的内侧壁，实现尾部模块Ⅲ与管道的相对固定。

步骤二、伸缩驱动电机9正转，带动三根弹簧发生正向扭转，弹簧的正向扭转是指趋向于伸直(减少螺旋程度)的方向转动。三根弹簧伸长，推动头部模块Ⅰ向前移动；

同时，两根绳索中靠近目标转向方向一侧的那根绳索对应的夹壁电机正转，使得靠近目标转向方向一侧的那根绳索释放出来的部分缩短，头部模块Ⅰ向目标转向方向弯曲，便于更好的将头部模块Ⅰ导向目标方向的管道。

步骤三、步骤二中未被收卷的那根绳索对应的夹壁电机正转，使得头部模块Ⅰ的所有弹性薄片均弯曲抵住管道内侧壁，实现头部模块Ⅰ与管道的相对固定。

步骤四、伸缩驱动电机9反转，带动三根弹簧回复原状，三根弹簧长度缩短，拉动尾部模块Ⅲ向前移动。

步骤五、若已经转向到位，则按照普通前进方法继续前进；若头部模块Ⅰ还在弯管中，则再次执行步骤一至四，直到离开弯管。

Claims (9)

1.一种管道检测软体机器人，包括头部模块(Ⅰ)、中部伸缩模块(Ⅱ)和尾部模块(Ⅲ)；其特征在于：所述的头部模块(Ⅰ)与尾部模块(Ⅲ)通过中部伸缩模块(Ⅱ)连接；头部模块(Ⅰ)和尾部模块(Ⅲ)结构相同，均包括绕线辊、机壳(3)、外侧连接盘(4-1)、内侧连接盘(4-2)、绳索(5)和弹性薄片(6)；外侧连接盘(4-1)与内侧连接盘(4-2)间隔设置，且通过多片连接弹性薄片(6)连接；各弹性薄片(6)的两端分别位于外侧连接盘(4-1)、内侧连接盘(4-2)相对侧面的边缘处；两个绕线辊(2-1)均安装在外侧连接盘(4-1)上；两根绳索(5)的一端均与内侧连接盘(4-2)的内侧面固定，另一端穿过外侧连接盘(4-1)，并分别缠绕固定在两个绕线辊(2-1)上；两根绳索(5)分别位于外侧连接盘(4-1)中心轴线的两侧；

所述的中部伸缩模块(Ⅱ)包括弹簧(7)和伸缩驱动组件；伸缩驱动组件包括驱动壳(8)、伸缩驱动电机(9)、主动齿轮(10)和从动齿轮(11)；主动齿轮(10)和2个从动齿轮(11)均支承在驱动壳(8)内，n≥2；n个从动齿轮(11)沿着主动齿轮(10)均与主动齿轮(10)啮合；主动齿轮(10)由伸缩驱动电机(9)驱动；n根弹簧(7)的一端与n个从动齿轮(11)分别固定；中部伸缩模块(Ⅱ)的两端与头部模块(Ⅰ)、尾部模块(Ⅲ)内的内侧连接盘(4-2)分别固定。

2.根据权利要求1所述的一种管道检测软体机器人，其特征在于：两个夹壁电机(2)均固定在机壳(3)内；两个夹壁电机(2)的输出轴与两个绕线辊(2-1)分离固定；绕线辊(2-1)的轴线平行于外侧连接盘(4-1)的中心轴线；绕线辊(2-1)的外端端部设置有锥形绕线盘(2-2)；锥形绕线盘(2-2)的内侧面为限位面，限位面垂直于绕线辊(2-1)的轴线；锥形绕线盘(2-2)的侧部设置有引线槽(2-3)；引线槽(2-3)的一侧侧面呈螺旋状。

3.根据权利要求1所述的一种管道检测软体机器人，其特征在于：各弹性薄片(6)沿着外侧连接盘(4-1)的中心轴线的周向均布。

4.根据权利要求1所述的一种管道检测软体机器人，其特征在于：所述弹性薄片(6)的外侧面中部设置防滑沟壑纹路。

5.根据权利要求1所述的一种管道检测软体机器人，其特征在于：所述弹性薄片(6)的横截面呈弧形，且内凹面朝内设置。

6.根据权利要求1所述的一种管道检测软体机器人，其特征在于：所述机壳(3)的外表面涂有光滑涂层。

7.根据权利要求1所述的一种管道检测软体机器人，其特征在于：所述头部模块(Ⅰ)内的机壳(3)的外端安装有摄像头(1)；尾部模块(Ⅲ)内的外侧连接盘(4-1)的外侧面上安装有控制系统和无线充电系统(12)。

8.根据权利要求1所述的一种管道检测软体机器人，其特征在于：所述的机壳(3)采用弹性材料。

9.如权利要求1所述的一种管道检测软体机器人的驱动，其特征在于：包括弹射前进方法、普通前进方法和转向方法；

弹射前进方法具体如下：

步骤一、头部模块(Ⅰ)和尾部模块(Ⅲ)内的各绕线辊(2-1)同步正转收卷绳索，使头部模块(Ⅰ)和尾部模块(Ⅲ)的弹性薄片向外凸出抵住管道的内侧壁；

步骤二、伸缩驱动电机(9)正转，带动n根弹簧发生正向扭转，弹簧的正向扭转是指使得弹簧由螺旋状趋向于伸直的转动；

步骤三、头部模块(Ⅰ)内的两个绕线辊(2-1)同步反转释放绳索，使得头部模块(Ⅰ)内的弹性薄片恢复原状；此时，由于n根弹簧在伸长的趋势下弹出，推动头部模块(Ⅰ)向前弹射移动；弹簧将头部模块(Ⅰ)弹出到最远位置时或到达最远位置之前，头部模块(Ⅰ)内的两个绕线辊(2-1)同步正转收卷绳索，头部模块(Ⅰ)的弹性薄片向外凸出抵住管道的内侧壁；

步骤四、伸缩驱动电机9反转，带动n根弹簧反向扭转；之后，尾部模块(Ⅲ)内的两个绕线辊(2-1)同步反转释放绳索，使得尾部模块(Ⅲ)内的弹性薄片恢复原状；n根弹簧拉动尾部模块(Ⅲ)向前移动；

步骤五、重复步骤一至四，即可持续向前弹射前进；

普通前进方法具体如下：

步骤一、尾部模块(Ⅲ)内的两个绕线辊(2-1)同步正转收卷绳索，使尾部模块(Ⅲ)的弹性薄片均弯曲向外凸出抵住管道的内侧壁；

步骤二、伸缩驱动电机(9)正转，带动n根弹簧发生正向扭转；n根弹簧伸长，推动头部模块(Ⅰ)向前移动；

步骤三、头部模块(Ⅰ)内的两个绕线辊(2-1)同步正转收卷绳索，使头部模块(Ⅰ)的弹性薄片向外凸出抵住管道的内侧壁；

步骤四、伸缩驱动电机(9)反转，带动n根弹簧反向扭转，n根弹簧长度缩短，拉动尾部模块(Ⅲ)向前移动；

步骤五、重复步骤一至四，即可持续向前移动；

转向方法具体如下：

步骤一、尾部模块(Ⅲ)内的两个绕线辊(2-1)同步正转收卷绳索，使尾部模块(Ⅲ)的弹性薄片向外凸出抵住管道的内侧壁；

步骤二、伸缩驱动电机(9)正转，带动n根弹簧发生正向扭转；n根弹簧伸长，推动头部模块(Ⅰ)向前移动；

同时，两根绳索中靠近目标方向一侧的那根绳索对应的夹壁电机正转，使得靠近目标转向方向一侧的那根绳索释放出来的部分缩短，头部模块(Ⅰ)向目标转向方向弯曲，便于更好的将头部模块(Ⅰ)导向目标方向；

步骤三、步骤二中未被收卷的那根绳索对应的夹壁电机正转，使得头部模块(Ⅰ)的所有弹性薄片均弯曲抵住管道内侧壁；

步骤四、伸缩驱动电机(9)反转，带动n根弹簧反向扭转，n根弹簧长度缩短，拉动尾部模块(Ⅲ)向前移动；

步骤五、若已经转向到位，则按照普通前进方法继续前进；若头部模块(Ⅰ)还在弯管中，则再次执行步骤一至四，直到头部模块(Ⅰ)离开弯管。

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