CN113309929A

CN113309929A - 一种仿生气囊式无动力移动管道机器人及控制方法

Info

Publication number: CN113309929A
Application number: CN202110594176.4A
Authority: CN
Inventors: 陈建超; 张鑫业; 吴垠初; 刘博玮; 许帅康
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2041-05-28
Also published as: CN113309929B

Abstract

本发明提供一种仿生气囊式无动力移动管道机器人，其包括机体、控制装置、储气罐、输气管路、多个伸缩腿、多个触角、多个气囊以及负载，机体为水滴形结构，控制装置、储气罐以及输气管路设置在机体内部，输气管路的一个端部连接储气罐的出口，储气罐借助于输气管路向气囊进行充气，输气管路设置有主管路、多个第一分支以及多个第二分支，每一个第一分支的端部连接有一个气囊，每一个第一分支与其相对应的气囊之间设置有充气阀；其通过负载在工作中的反馈或者外界人为操作控制装置，控制储气罐、排气口与充气阀的开关，进而控制气囊充气量与充气压力，改变气囊的延展面张开大小与打开数量，从而可对其移动速度进行控制。

Description

一种仿生气囊式无动力移动管道机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及仿生技术领域，具体为一种仿生气囊式无动力移动管道机器人。

背景技术

动植物通过长时间地进化可完好地生存在自然界之中，人们试图在技术方面模仿动植物在自然中的功能使其更好地发挥作用，仿生技术应运而生。如今仿生技术应用十分广泛，包括机械、材料、生物、信息技术等。

管道在一般工业、石油天然气、自来水等领域中应用十分广泛。在对管道进行检测与维修时，对于孔径不大且长型管道，人为操作困难，需要使用管道机器人处理。现有的管道机器人大都使用驱动电机让其移动工作，并需要内置电源供电，因此不利于长时间工作，且驱动电机以及相关的结构会使机器人复杂化，制造成本增加，生产效率降低，并且故障率增多。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种仿生气囊式无动力移动管道机器人，以帆水母为仿生对象，利用其移动时的帆船原理优化管道机器人的结构，从而克服现有技术中的上述问题。

根据本发明的一种仿生气囊式无动力移动管道机器人，一种仿生气囊式无动力移动管道机器人，其特征在于：其包括机体、控制装置、储气罐、输气管路、多个伸缩腿、多个触角、多个气囊以及负载，多个伸缩腿、多个触角以及多个气囊的数量一致；

所述机体为水滴形结构，所述控制装置、储气罐以及输气管路设置在所述机体内部，所述输气管路的一个端部连接所述储气罐的出口，所述储气罐借助于输气管路向所述气囊进行充气，所述输气管路设置有主管路、多个第一分支以及多个第二分支，每一个第一分支的端部连接有一个气囊，每一个第一分支与其相对应的气囊之间设置有充气阀；

所述多个伸缩腿设置在所述机体的外部并且沿机体四周均匀分布，每一个第一分支的外端延伸至一个伸缩腿的内部，每一个气囊固定在一个伸缩腿的外部，每一个伸缩腿的外端的端部处设置有一个触角；每一个第二分支的外端的端部与所述机体的内部抵接，第二分支的外端的端部设置有排气孔；

所述负载设置在所述机体的一个外端部，所述负载设置有监测装置；

储气罐、多个充气阀和多个排气口分别与所述控制装置通讯连接并受控于所述控制装置，所述控制装置根据负载在工作中的反馈或者外界人为操作进而对储气罐、充气阀和排气口控制以改变气囊的张开大小与数量，从而对机器人移动速度进行控制。

优选地，所述机体的一个端部为尖端，所述机体的另一个端部为圆弧状结构。

优选地，所述负载根据所需工况施加功能组件，所带负载为摄像头、检测传感器、抛光头或机械手。

优选地，所述伸缩腿能够自适应地完成伸缩过程从而使所述触脚与管壁接触，所述触脚的材料具有弹性且具有一定摩擦系数。

优选地，所述充气阀在使用时需成对打开与关闭。

优选地，所述触脚与所述伸缩腿连接中的预紧力根据管道内所输送流体的参数进行设置，所述气囊常态为卷状且气囊打开时的延展面与管壁垂直。

优选地，所述排气口与外界联系，所述排气口设置有单向阀，以避免流体进入机体中，且自身具有打开与关闭的功能，所述机体后端设有能给所述气囊充气的储气罐，所述储气罐中充有惰性气体。

优选地，本发明还提供一种仿生气囊式无动力移动管道机器人的使用方法，其包括以下步骤：

S1、初始状态时，排气口与充气阀全部处于关闭状态，气囊处于压缩状态，伸缩腿全都处于收缩状态，机器人能够快速进入管道；

S2、在管道内工作时，最初先将本机器人放入管道内，再根据待工作的管道内径调节伸缩腿的长度，从而带动与其固定连接的触脚向管壁移动，直至触脚与管道内壁接触，此时启动根据工况需求所设有的负载，同时从机器人放置的一端开始往管道里输送流体，通过操作控制装置打开储气罐与充气阀，气体通过输气管路输送到气囊当中，从而让所述伸缩腿中端的气囊全部打开且延展面与管壁垂直，待气囊充满气并能够使机器人全速移动后，将储气罐关闭，此时流体与全部完全打开状态的气囊之间的相互作用等同于帆水母移动时的帆船原理，此时流体给予全部完全打开的气囊一个推力，从而带动整体全速运动；

S3、当机器人因负载在工作中的反馈或因外界人为操控，欲使其在管道内低速移动时，能通过操作控制装置关闭储气罐且所有充气阀保持打开状态，同时打开排气口，此时气囊中的部分气体通过输气管路经由排气口排放到外界，以使所有气囊打开的延展面减小，此时流体与气囊的相互作用面积减小，从而推力减小，同时根据提前设置好的预紧力使触脚与管壁接触紧密，通过其与管壁的摩擦作用辅助机器人移动减速，待机器人速度满足要求，通过操作控制装置关闭排气口，以使其低速移动；

或者通过操作控制装置关闭储气罐，再关闭部分充气阀，保持剩余充气阀打开，同时打开排气口，此时打开的充气阀对应的气囊中的全部气体通过输气管路经由排气口排放到外界，关闭前述气囊且保持打开剩余气囊，此时流体与气囊的相互作用面积减小，从而推力减小，根据提前设置好的预紧力使触脚与管壁接触紧密，通过其与管壁的摩擦作用辅助机器人移动减速，待机器人速度满足要求，通过操作控制装置关闭排气口，使其低速移动；

S4、当机器人因负载在工作中的反馈或者外界人为操控，欲使其在管道内停止时，通过操作控制装置关闭储气罐且所有充气阀保持打开状态，同时打开排气口，此时所有气囊中的全部气体通过输气管路经由排气口排放到外界，以使气囊全部处于收缩状态，此时流体不给予气囊推力，同时根据提前设置好的预紧力使触脚与管壁接触紧密，通过其与管壁的摩擦作用辅助机器人移动减速，待机器人速度满足要求，通过操作控制装置关闭排气口。

优选地，当机器人在管道内实现无动力移动的同时，通过控制气囊的延展面张开大小与打开数量对其进行移动速度控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置伸缩腿，自适应调节其尺寸大小，以适应不同孔径大小的管道内壁进行移动工作，同时本发明仿照帆水母在水中移动时的帆船原理，在各伸缩腿中端设置了气囊，处于打开状态的气囊延展面与管壁垂直，输送的流体给予打开的气囊一个推力，从而可带动整体运动，不需人工干涉其位置的移动，通过负载在工作中的反馈或者外界人为操作控制装置，控制储气罐、排气口与充气阀的开关，进而控制气囊充气量与充气压力，改变气囊的延展面张开大小与打开数量，从而可对其移动速度进行控制，综上本发明的机器人在管道内可实现真正的无动力移动，因此可在其工作中实现长续航能力，由于该装置不设有驱动电机等设备且气囊重量轻盈，所以该机器人具有轻便的特点且成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种仿生气囊式无动力移动管道机器人结构示意图。

图2是本发明实施例气囊全部处于关闭状态示意图。

图3是本发明实施例气囊全部处于完全打开状态示意图。

图4是本发明实施例气囊全部处于不完全打开状态示意图。

图5是本发明实施例气囊部分处于完全打开状态示意图。

图6是本发明实施例闭环调速控制系统结构框图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明的实施例的一种仿生气囊式无动力移动管道机器人，如图1至图5所示，其包括机体1，机体1前端与外界之间设有负载2，机体1为水滴型，尾部呈尖尾状，从而减少流体对机器人自身的推力，确保其在停止要求下实现机器人准停。负载2可根据所需工况施加功能组件，即机器人所带负载可以是摄像头、检测传感器、抛光头和机械手等装置。

机体1四周设有固定连接位于外界的伸缩腿9、10、11、12、13、14，伸缩腿9、10、11、12、13、14后端固定连接位于外界的触脚3、4、5、6、7、8，机体1与触脚3、4、5、6、7、8之间设有固定连接于伸缩腿9、10、11、12、13、14中端的气囊15、16、17、18、19、20。

伸缩腿9、10、11、12、13、14可自适应地完成伸缩过程使触脚3、4、5、6、7、8与管壁接触，触脚3、4、5、6、7、8的材料具有弹性且具有一定摩擦系数，触脚3、4、5、6、7、8与伸缩腿9、10、11、12、13、14连接中的预紧力根据管道内所输送流体的参数提前设置，以便于机器人减速，气囊15、16、17、18、19、20常态为卷状且打开时的延展面与管壁垂直。

机体1四周设有作为气囊15、16、17、18、19、20且与外界相连的排气口23、24、25、26，排气口23、24、25、26配有单向阀，以避免流体进入机体中，且自身具有打开与关闭的功能，机体1后端设有可以给气囊15、16、17、18、19、20充气的储气罐21，储气罐21中气体可为惰性的氮气等，机体1内部设有将排气口23、24、25、26、气囊15、16、17、18、19、20和储气罐21相连的输气管路27，气囊15、16、17、18、19、20与输气管路27之间全都设有可独立开关的充气阀28、29、30、31、32、33，充气阀28、29、30、31、32、33需成对打开与关闭，以使部分打开的气囊15、16、17、18、19、20能让机器人运动平稳，机体1前端设有控制储气罐21、排气口23、24、25、26与充气阀28、29、30、31、32、33开关的控制装置22，控制装置22可根据负载2在工作中的反馈对储气罐21、排气口23、24、25、26与充气阀28、29、30、31、32、33进行控制调节，亦可根据外界人为控制调节。充气阀在使用时需成对打开与关闭，以使部分打开的气囊能让机器人运动平稳。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。

初始状态时，排气口23、24、25、26与充气阀28、29、30、31、32、33全部处于关闭状态，气囊15、16、17、18、19、20处于压缩状态，伸缩腿9、10、11、12、13、14全都处于收缩状态，以使机器人更便利地进入管道。

在管道内工作时，最初先将本机器人放入管道内，再根据待工作的管道内径调节伸缩腿9、10、11、12、13、14长度，从而带动与其固定连接的触脚3、4、5、6、7、8向管壁移动，直至触脚3、4、5、6、7、8与管道内壁接触，此时启动根据工况需求所设有的负载2，同时从机器人放置的一端开始往管道里输送流体，通过操作控制装置22打开储气罐21与充气阀28、29、30、31、32、33，气体通过输气管路27输送到气囊15、16、17、18、19、20当中，从而让固定连接于伸缩腿9、10、11、12、13、14中端的气囊15、16、17、18、19、20打开且延展面与管壁垂直，待气囊充满气并可使机器人全速移动后，将储气罐21关闭，此时流体与处于全部完全打开状态的气囊15、16、17、18、19、20之间的相互作用等同于帆水母移动时的帆船原理，此时流体给予全部完全打开的气囊15、16、17、18、19、20一个推力，从而带动整体全速运动，所以机器人会无动力地完成整个管道的移动。

当机器人因负载2在工作中的反馈或者外界人为操控，欲使其在管道内低速移动时，可通过操作控制装置22关闭储气罐21且充气阀28、29、30、31、32、33保持打开状态，同时打开排气口23、24、25、26，此时气囊15、16、17、18、19、20中的部分气体通过输气管路27经由排气口23、24、25、26排放到外界，以使气囊打开的延展面减小，此时流体与气囊的相互作用面积减小，从而推力减小，同时根据提前设置好的预紧力使触脚3、4、5、6、7、8与管壁接触紧密，通过其与管壁的摩擦作用辅助机器人移动减速，待机器人速度满足要求，通过操作控制装置22关闭排气口23、24、25、26，以使其低速移动。

还可通过操作控制装置22关闭储气罐21，再关闭部分充气阀29、32保持充气阀28、30、31、33打开，同时打开排气口23、24、25、26，此时气囊15、17、18、20中的全部气体通过输气管路27经由排气口23、24、25、26排放到外界，使部分气囊15、17、18、20关闭且保持气囊16、19打开，此时流体与气囊的相互作用面积减小，从而推力减小，同时根据提前设置好的预紧力使触脚3、4、5、6、7、8与管壁接触紧密，通过其与管壁的摩擦作用辅助机器人移动减速，待机器人速度满足要求，通过操作控制装置22关闭排气口23、24、25、26，以使其低速移动。

当机器人因负载2在工作中的反馈或者外界人为操控，欲使其在管道内停止时，可通过操作控制装置22关闭储气罐21且充气阀28、29、30、31、32、33保持打开状态，同时打开排气口23、24、25、26，此时气囊15、16、17、18、19、20中的全部气体通过输气管路27经由排气口23、24、25、26排放到外界，以使气囊全部处于收缩状态，此时流体不给予气囊推力，同时根据提前设置好的预紧力使触脚3、4、5、6、7、8与管壁接触紧密，通过其与管壁的摩擦作用辅助机器人移动减速，待机器人速度满足要求，通过操作控制装置22关闭排气口23、24、25、26。

因此本机器人在管道内实现无动力移动的同时，可通过控制气囊15、16、17、18、19、20的延展面张开大小与打开数量对其进行移动速度控制。

如图6所示，本发明在工作时，设置有传感器对机器人速度进行反馈，机器人因负载在工作中的反馈或者外界人为操控，欲使其在管道内停止时，通过操作控制装置关闭储气罐且所有充气阀保持打开状态，同时打开排气口，此时所有气囊中的全部气体通过输气管路经由排气口排放到外界，以使气囊全部处于收缩状态，此时流体不给予气囊推力，同时根据提前设置好的预紧力使触脚与管壁接触紧密，通过其与管壁的摩擦作用辅助机器人移动减速，待机器人速度满足要求，通过操作控制装置关闭排气口。

当机器人在管道内实现无动力移动的同时，控制装置可根据反馈对充气阀、储气罐、排气口进行控制，进而控制气囊的延展面张开大小与打开数量，从而对机器人的速度进行调整。

本发明的有益效果是：本发明通过设置伸缩腿，自适应调节其尺寸大小，以适应不同孔径大小的管道内壁进行移动工作，同时本发明仿照帆水母在水中移动时的帆船原理，在各伸缩腿中端设置了气囊，处于打开状态的气囊延展面与管壁垂直，输送的流体给予打开的气囊一个推力，从而可带动整体运动，不需人工干涉其位置的移动，通过负载在工作中的反馈或者外界人为操作控制装置，控制储气罐、排气口与充气阀的开关，进而控制气囊充气量与充气压力，改变气囊的延展面张开大小与打开数量，从而可对其移动速度进行控制，综上本发明的机器人在管道内可实现真正的无动力移动，因此可在其工作中实现长续航能力，由于该装置不设有驱动电机等设备且气囊重量轻盈，所以该机器人具有轻便的特点且成本较低。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种仿生气囊式无动力移动管道机器人，其特征在于：其包括机体、控制装置、储气罐、输气管路、多个伸缩腿、多个触角、多个气囊以及负载，多个伸缩腿、多个触角以及多个气囊的数量一致；

2.根据权利要求1所述的仿生气囊式无动力移动管道机器人，其特征在于：所述机体的一个端部为尖端，所述机体的另一个端部为圆弧状结构。

3.根据权利要求1所述的仿生气囊式无动力移动管道机器人，其特征在于：所述负载根据所需工况施加功能组件，所带负载为摄像头、检测传感器、抛光头或机械手。

4.根据权利要求1所述的仿生气囊式无动力移动管道机器人，其特征在于：所述伸缩腿能够自适应地完成伸缩过程从而使所述触脚与管壁接触，所述触脚的材料具有弹性且具有一定摩擦系数。

5.根据权利要求1所述的仿生气囊式无动力移动管道机器人，其特征在于：所述充气阀在使用时需成对打开与关闭。

6.根据权利要求1所述的仿生气囊式无动力移动管道机器人，其特征在于：所述触脚与所述伸缩腿连接中的预紧力根据管道内所输送流体的参数进行设置，所述气囊常态为卷状且气囊打开时的延展面与管壁垂直。

7.根据权利要求1所述的仿生气囊式无动力移动管道机器人，其特征在于：所述排气口与外界联系，所述排气口设置有单向阀，以避免流体进入机体中，且自身具有打开与关闭的功能，所述机体后端设有能给所述气囊充气的储气罐，所述储气罐中充有惰性气体。

8.一种基于权利要求1所述的仿生气囊式无动力移动管道机器人的机器人控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的机器人控制方法，其特征在于：当机器人在管道内实现无动力移动的同时，通过控制气囊的延展面张开大小与打开数量对其进行移动速度控制。