CN113374981B - 一种面向管道环境操作的可重构折展机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种面向管道环境操作的可重构折展机构，整体由前后变胞剪叉机构、两侧各两对辅助剪叉机构构成。其中变胞剪叉机构由四根连杆组成，各杆件间连接形成转动副。两侧的辅助剪叉机构由两根连杆构成，通过转动副连接。变胞剪叉机构与两侧的辅助剪叉机构通过连接件连接，连接方式同样为转动副连接。为了更好的适应管道环境，机构各杆件均设计成圆弧状。由此构成具有两种运动模式的可重构折展机构，在其收拢状态下可弯曲以通过具有不同曲率的管道环境；到达目标位置后，可从弯曲运动模式切换到折展运动模式，以此适应不同内径尺寸的管道环境；两种运动模式下机构自由度均为一，只需一个驱动即可实现在两种模式下的运动与切换控制。

Description

一种面向管道环境操作的可重构折展机构
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及一种面向管道环境操作的可重构折展机构。
背景技术
随着科技的发展，各类工业设备中出现了许许多多的管道装置，如石油、天然气输送管道，液压设备的液压油输送管道回路等。同时，随着医疗技术的发展，人体腔道内环境的病理检测和手术操作技术逐渐成熟，而人体内部腔道也多为管道环境。这类管道环境都具有以下两方面的特点：
1.管道不同位置处内径尺寸复杂多变
2.管道不同位置处曲率变化大
由于管道环境具有内径尺寸复杂多变以及曲率变化大的特点，仅仅具有单一运动模式的传统机构很难适应在这种复杂环境下的操作要求。在机构学发展的早期阶段，人们研究的主要是具有固定自由度和单一操作模式的传统机构。然而，随着科技的发展，许多现代化生产过程需要具有多功能，多操作模式的机构。可重构机构可根据作业任务的变化而重构其拓扑结构、变换其自由度及工作模式，以实现一套机构可以满足不同的工作模式。因而非常适合应用于管道环境这种复杂多变环境下的操作。
为了满足管道环境这种复杂多变环境下的操作要求，需要一种既可以在收拢状态下能够弯曲以通过具有不同曲率的管道环境，而在到达指定位置后又能够进行自身尺寸的变化以适应不同内径尺寸的管道环境操作的机构。
发明内容
本发明旨在提供一种面向管道环境操作的可重构折展机构，通过机构自身的重构可以实现折展以及弯曲两种不同的运动模式，其弯曲运动模式用于通过带有曲率的管道，折展运动模式可以适应不同的管道内径，并作为前端工作部分，配合末端的输送和驱动装置可以实现在复杂管道内转弯到达指定位置，以满足管道环境这类复杂多变环境下的操作要求。
本发明面向管道环境操作的可重构折展机构是一种面向管道环境操作的可重构折展机构，具有前后一对变胞剪叉机构与左右两侧各两对辅助剪叉机构。前后变胞剪叉机构与两侧的两对辅助剪叉机构间通过连接件铰接。其中，变胞剪叉机构为由连杆杆件构成的具有两个纵向布置的交叉结构；辅助剪叉机构为由连杆杆件构成的一个交叉结构。
令变胞剪叉机构中上方与下方交叉结构铰接处的转动副为侧方转动副；则相邻变胞剪叉机构与两个辅助剪叉机构间，通过纵向的四个连接件相连；由上至下四个连接件一端分别与两个辅助剪叉机构中各连杆同侧端部端铰接；另一端分别与变胞剪叉机构同侧的四个连接位置铰接，分别为顶端端部连接位、侧方转动副处两个连杆杆件上靠近侧方转动副设计的中间连接位，以及底端端部连接位。
上述一个侧方转动副处的两连杆杆件铰接一端端部分别设计有可接触配合的机械限位；且在两个侧方转动副处设计有相互配合的凸台与卡槽。
本发明面向管道环境操作的可重构折展机构，初始状态为径向直径最大状态，运动输入为设计有卡槽的转动副的转角θ，θ顺时针转动，进而可重构折展机构做单自由度的折展运动，径向尺寸逐渐减小，整体收拢，直至到达分岔位形处时，可重构折展机构发生奇异，此时瞬时自由度为2，具有两种运动倾向；且此时变胞剪叉机构中的卡槽与凸台插入配合限制了可重构折展机构继续收拢；可重构折展机构过渡到弯曲运动模式。
当需要从弯曲运动模式过渡到折展运动模式时，此时θ逆时针转动，可重构折展机构将从弯曲运动模式逆时针转动到分岔运动模式，由于变胞剪叉机构上的机械限位接触配合，无法继续弯曲，此时θ继续逆时针转动，在机械限位作用力下使得变胞剪叉机构中凸台和卡槽脱离，可重构折展机构过渡到折展运动模式，此后径向尺寸逐渐增大。
本发明的优点在于：
1、本发明面向管道环境操作的可重构折展机构具有两种运动模式，其在收拢状态下可以弯曲以通过具有一定范围的曲率的管道环境；到达目标位置后，机构可以从弯曲运动模式切换到折展运动模式，以此适应不同内径尺寸管道环境的操作要求。
2、本发明面向管道环境操作的可重构折展机构中的所有运动副均为转动副，因而加工装配容易，同时基于剪叉机构组合而成的机构运动可靠性好，控制容易。
3、本发明面向管道环境操作的可重构折展机构，在折展和弯曲两种运动模式下自由度均为1，运动可靠，控制简单，同时配合机械限位和凸台、卡槽设计，使得其仅需通过一个运动输入θ即可完全控制机构进行折展和弯曲两种运动以及两种运动间的切换，大大降低了驱动系统的复杂程度。
4，本发明面向管道环境操作的可重构折展机构，由于该机构通过机构的重构很好的实现了折展和弯曲两种运动模式的切换，因而可以很好的满足管道内变直径和复杂曲率的工作环境要求；其未来在自然环境中管道环境的探测及取样，各类人工管道环境如石油天然气输送管道环境的探测和维修，以及医疗领域，如人体内部腔道环境的病理检测，病理活检组织的获取等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构在内径尺寸较大的管道环境下操作的轴测图。
图2为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构中变胞剪叉机构示意图。
图3为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构中辅助剪叉机构示意图。
图4为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构中变胞剪叉机构与辅助剪叉机构连接方式示意图。
图5为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构在内径尺寸较小管道环境下操作的一个变胞剪叉机构的轴测图。
图6为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构在分岔位形处的轴测图。
图7为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构在分岔位形处的主视图。
图8为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构在分岔位形时单侧变胞剪叉机构位形示意图。
图9为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构在分岔位形时变胞剪叉机构中凸台与卡槽配合方式示意图。
图10为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构在曲率半径为R的管道环境内进行弯曲运动时的主视图。
图11为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构在曲率半径为R的管道环境内进行弯曲运动时的轴测图。
图中：
1-变胞剪叉机构 2-辅助剪叉机构 3-连接件 4-管道 5-侧方转动副
6-机械限位 7-凸台 8-卡槽 9-中间连接位A 10-中间连接位B
11-变胞剪叉机构顶部连接位 12-变胞剪叉机构底部连接位
13-辅助剪叉机构顶部连接位 14-辅助剪叉机构底部连接位
301-顶部连接件 302-中间连接件A 303-中间连接件B 304-底部连接件
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，面向管道环境操作的可重构折展机构主要由三部分构成，包括前后一对变胞剪叉机构1、左右两侧的两对辅助剪叉机构2，以及用于连接变胞剪叉机构1与辅助剪叉机构2的连接件3。
所述变胞剪叉机构1与辅助剪叉机构2均由多根连杆杆件构成，且每根连杆杆件型面不同于一般的直杆，而是设计为具有圆弧型外轮廓的弧形杆，以更好适应管道内壁环境；且在变胞剪叉机构1与辅助剪叉机构2整体构型中，各个连杆杆件的外弧面同向设置。
其中，变胞剪叉机构1由两个纵向布置的交叉结构构成，如图2所示；对于每一个交叉结构，其包含两根呈X形交叉设置的连杆杆件；连杆杆件中部设计有铰接位，两个连杆杆件在铰接位处铰接形成交叉转动副。令位于上方的交叉结构中两根连杆分别为连杆A、连杆B，位于下方的交叉结构中两根连杆分别为连杆C、连杆D；则连杆A底端与同侧的连杆C顶端铰接；同时连杆B底端与同侧的连杆D顶端铰接，形成侧方转动副5，构成整体变胞剪叉机构1。
上述连杆A底端与同侧的连杆C顶端端部设计有在可重构折展机构运动过程中可接触配合的机械限位6。连杆A底端与同侧连杆C顶端铰接位置处设计有圆弧形凸台7，该圆弧形凸台7位于连杆A外侧(外弧面同侧)；同时连杆B与连杆D铰接位置处设计有圆弧形卡槽8，该圆弧形卡槽8位于连杆B内侧(内弧面同侧)；在整个可重构折展机构运动过程中凸台7可与卡槽8配合插接。
上述连杆A与连杆C上，靠近两者铰接位置处分别设计有中间连接位A9；在连杆B与连杆D上，靠近两者铰接位置处设计有中间连接位B10；同时连杆A顶端、连杆B顶端作为变胞剪叉机构顶部连接位11；连杆C底端与连杆D底端作为变胞剪叉机构底部连接位12；各个连接位用于配合连接件3进行变胞剪叉机构1与辅助剪叉机构2间的连接。
所述左右两个辅助剪叉机构2与前述变胞剪叉机构1中的交叉结构相同，如图3所示，具有两根呈X形交叉设置的弧形连杆杆件；连杆杆件中部设计有铰接位，两个连杆杆件在铰接位处铰接形成交叉转动副。同时两个连杆杆件顶端均设计有辅助剪叉机构顶部连接位13，底端均设计有辅助剪叉机构底部连接位14，用于配合连接件3实现变胞剪叉机构1与辅助剪叉机构2间的连接。
通过前后对称设置的两对变胞剪叉机构1，以及左右两侧对称设置的两个辅助剪叉机构2，共同构成了本发明面向管道环境操作的可重构折展机构。如图4所示，其中，前后两对变胞剪叉机构1以及左右两侧辅助剪叉机构2中的连杆杆件外弧面均朝向整体可重构折展机构外侧，且变胞剪叉机构1与辅助剪叉机构2中的转动副轴线垂直设置。变胞剪叉机构1与同其相邻的两个辅助剪叉机构2间，通过纵向的四个L形连接件3相连。令四个L形连接件3分别为顶部连接件301、中间连接件A302、中间连接件B303、底部连接件304，则其中顶部连接件301两端分别与变胞剪叉机构1中连杆A的变胞剪叉机构顶部连接位11及位于上方的辅助剪叉机构2中一根连杆的辅助剪叉机构顶部连接位13铰接。中间连接件A302两端分别与变胞剪叉机构1中连杆A上的中间连接位A9及上方辅助剪叉机构2中另一根连杆杆件的辅助剪叉机构底部连接位14铰接。中间连接件B303两端分别与变胞剪叉机构1中连杆C上的中间连接位B10及下方辅助剪叉机构1中一根连杆杆件的辅助剪叉机构顶部连接位13铰接。底部连接件304两端分别与连杆D的变胞剪叉机构底部连接位12及下方辅助剪叉机构2中另一根连杆的辅助剪叉机构底部连接位14铰接，最终形成整体可重构折展机构；且在整体可重构折展机构中，位于同侧面的铰接处铰接轴轴线平行，且垂直于该侧面各铰接位置所构成的平面。
上述结构的可重构折展机构具有在较大直径管道4中操作的外部轮廓，且具有两种运动模式。两种运动模式下，前后的一对变胞剪叉机构1以及侧面的两对辅助剪叉机构2的运动均相同，下面对本发明可重构折展机构的运动方式进行说明：
如图1、图4所示，为本发明面向管道环境操作的可重构折展机构在未到达分岔位形时状态示意图，变胞剪叉机构1中连杆B与连杆D铰接形成的侧方转动副5为主动转动副，由驱动机构驱动转动，作为主动转动副的输入；此状态下通过驱动机构可控制主动转动副在0＜θ＜π/2范围内转动，其中θ为主动转动副轴线与连杆A、连杆B交叉位置转动副轴线间的垂线与水平线的夹角，作为整个可重构折展机构的输入转角，且两个机械限位6之间，以及凸台7与卡槽8间不接触，不参与可重构折展机构运动的形成。
在由前述状态转变到分岔位形过程中，变胞剪叉机构1与辅助剪叉机构2的运动均为一般的剪叉折展运动，因此整个可重构折展机构将做单自由度的折展运动。由驱动机构驱动主动转动副顺时针转动，可重构折展机构整体将进行收拢运动，运动过程中，辅助剪叉机构2跟随变胞剪叉机构1一起做收拢运动，其中变胞剪叉机构1中两侧的侧方转动副5间逐渐靠拢，同时辅助剪叉机构2中的两个辅助剪叉机构顶部铰接位13之间以及两个辅助剪叉机构底部铰接位14之间逐渐靠拢，如图5所示。此过程中，整体可重构折展机构径向尺寸逐渐减小，以适用于内径尺寸较小管道环境4内的操作，且在未到达分岔位形前，两个机械限位6以及凸台7和卡槽8间仍然不接触。
整体可重构折展机构继续收拢直至到达分岔位形，如图6、图7所示，在分岔位形时，相对的两个变胞剪叉机构1中侧方转动副5轴线均共线，θ＝π/2，此时可重构折展机构发生瞬时奇异，瞬时自由度为2，整体可重构折展机构具有折展和转动两种运动倾向。但由于变胞剪叉机构1中的凸台7与卡槽8的设计，在到达分岔位形时，凸台7会插入卡槽8中，如图8、图9所示，导致变胞剪叉机构1中两个交叉结构的两连杆杆件间无法继续相对转动，整体可重构折展机构无法继续收拢，因此此时整体可重构折展机构仅具有一个转动自由度；若继续驱动主动转动副顺时针旋转，整体可重构折展机构运动输入转角θ的取值范围为θ＞π/2。上述分岔位形时，两个机械限位6也处于贴合状态。
继续驱动主动转动副顺时针旋转，则由变胞剪叉机构1中上方交叉结构以及与上方交叉结构铰接的辅助剪叉机构2所构成的可重构折展机构上半部分将围绕侧方转动副5轴线做旋转运动，如图10所示，此时整体可重构折展机构可以通过曲率半径为R的管道4环境，如图11所示。
上述为面向管道环境操作的可重构折展机构从径向尺寸较大状态收拢到径向尺寸最小状态然后进行弯曲运动的运动过程，当需要机构从弯曲运动模式切换到折展运动模式时，只需由驱动机构驱动主动转动副由顺时针转动改为逆时针转动，整体可重构折展机构会逆时针转动到分岔位形，此时继续驱动主动转动副逆时针转动，由于在变胞剪叉机构1中两个机械限位6的存在，使整体可重构折展机构上下部分之间无法继续绕两个侧方转动副的共线轴做逆时针转动，此时由于θ继续逆时针转动，在两个机械限位6相互的作用力下，变胞剪叉机构1中的凸台7脱离卡槽8，变胞剪叉机构1中两侧的侧方转动副间逐渐分离，整体可重构折展机构由弯曲运动模式过渡到折展运动模式，此时如果继续驱动θ逆时针旋转，整体可重构折展机构的径向尺寸将逐渐增加，逐渐运动到图5所示位形后进一步运动到图1所示位形。

Claims (3)

1.一种面向管道环境操作的可重构折展机构，其特征在于：具有前后一对变胞剪叉机构与左右两侧各两对辅助剪叉机构；前后变胞剪叉机构与两侧的两对辅助剪叉机构间通过连接件铰接；其中，变胞剪叉机构为由连杆杆件构成的具有两个纵向布置的交叉结构；辅助剪叉机构为由连杆杆件构成的一个交叉结构；
令变胞剪叉机构中上方与下方交叉结构铰接处的转动副为侧方转动副；则相邻变胞剪叉机构与两个辅助剪叉机构间，通过纵向的四个连接件相连；由上至下四个连接件一端分别与两个辅助剪叉机构中各连杆同侧端部端铰接；另一端分别与变胞剪叉机构同侧的四个连接位置铰接，分别为顶端端部连接位、侧方转动副处两个连杆杆件上靠近侧方转动副设计的中间连接位，以及底端端部连接位；
上述一个侧方转动副处的两连杆杆件铰接一端端部分别设计有可接触配合的机械限位；且在两个侧方转动副处设计有相互配合的凸台与卡槽。
2.如权利要求1所述一种面向管道环境操作的可重构折展机构，其特征在于：变胞剪叉机构与辅助剪叉机构中连杆杆件均采用圆弧形外轮廓的弧形杆。
3.如权利要求1所述一种面向管道环境操作的可重构折展机构，其特征在于：具有两种运动模式，具体为：
初始状态为径向直径最大状态，运动输入为设计有卡槽的转动副转角θ，θ顺时针转动，进而可重构折展机构做单自由度的折展运动，径向尺寸逐渐减小，整体收拢，直至到达分岔位形处时，可重构折展机构发生奇异，此时瞬时自由度为2，具有两种运动倾向；且此时变胞剪叉机构中的卡槽与凸台插入配合限制了可重构折展机构继续收拢，可重构折展机构过渡到弯曲运动模式；
当需要从弯曲运动模式过渡到折展运动模式时，此时θ逆时针转动，可重构折展机构将从弯曲运动模式逆时针转动到分岔运动模式，由于变胞剪叉机构上的机械限位接触配合，整体可重构折展机构上下部分之间无法继续转动，此时θ继续逆时针转动，在机械限位作用力下使得变胞剪叉机构中凸台和卡槽脱离，可重构折展机构过渡到折展运动模式，此后径向尺寸逐渐增大。
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