CN113531291A - 一种核辐射条件下管道爬行软体机器人及爬行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人及爬行方法，包括伸长执行器，其两端分别连接圆周均布有多个固定执行器，伸长执行器中均布有多个气腔，并在其表面间隔设置多个刚性限制环，根据多个气腔中的气压控制伸长执行器的弯曲和伸长，使其能够在管道中沿路径进行移动，同时通过气腔伸长固定执行器将机器人的一端固定在管壁上，通过伸长执行器的伸长或弯曲实现体机器的爬行，实现了机器人在复杂管道中的通行，避免人工在辐射环境下工作收到伤害的问题。
Description
技术领域
本发明涉及防辐射机器人和软体机器人技术领域，更具体的，涉及一种核辐射条件下管道爬行软体机器人及爬行方法。
背景技术
核能作为一种新型能源，日益受到世界各国的普遍重视，在世界范围内核电站的总装机容量呈持续上升趋势。核电站在提供清洁、高效能源的同时，其安全已成为全球关注的焦点。核电站内部管道结构复杂，管道本身或其运行环境具有放射性，同时还兼具水下、高温、高压等特点，利用机器人进行管道检修、乏燃料转运、放射性废物处置和核事故应急处理等工作，不仅可以大幅提高核电站的检修水平或事故处理效率，从而保障核电站的安全运营，而且能够降低工作人员受照剂量和劳动强度。
现在大多数传统的管道机器人是由硬质材料制成的，结构复杂，灵活性差，使其不能穿过狭窄的空间，不适应核电站众多形状复杂的通道环境。由于传统机器人的这些固有缺点，促使越来越多的研究人员开发软体机器人，柔性材料的使用不仅使得软体机器人的质量比传统机器人轻，能够安全地与人协作，还具有自主适应不同形状的能力。但是传统柔性材料在核辐射环境下极易疲劳损坏。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种核辐射条件下管道爬行软体机器人及爬行方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种核辐射条件下管道爬行软体机器人及爬行方法，其能够在核辐射环境下进行管道爬行探测。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，包括伸长执行器，其两端分别连接圆周均布有多个固定执行器；
所述伸长执行器包括柔性的伸长执行器主体，伸长执行器主体上沿其轴向间隔设置有多个刚性限制环，伸长执行器主体中设置有多个气腔，多个气腔沿伸长执行器主体的轴向圆周均布，根据气腔气压控制伸长执行器主体能够伸缩或弯曲；
所述固定执行器包括柔性的固定执行器主体，固定执行器主体上沿其轴向间隔设置有多个刚性限制环，固定执行器主体的内部设置有环形气腔，根据气腔气压控制固定执行器主体的长度。
优选的，所述伸长执行器主体和固定执行器主体上均包覆有防辐射硅胶层。
优选的，所述固定执行器主体与地面的接触端设置有摩擦结构。
优选的，所述伸长执行器的两端分别设置有主体连接件；
所述主体连接件中设置有用于安装摄像头的腔体，主体连接件的表面设置有多个连接面，固定执行器的端部与连接面卡接。
优选的，所述固定执行器设置在引导结构中，引导结构与连接面卡接；
所述引导结构包括套筒，以及同轴设置在其内部的伸缩杆，伸缩杆的端部与套筒的底部固接，固定执行器主体套设在伸缩杆，并且伸缩杆的另一端与固定执行器主体的端部固接。
优选的，所述主体连接件的端部设有定位结构，定位结构与伸长执行器主体的端部固接。
优选的，所述固定执行器的数量为三个，三个固定执行器圆周均布。
优选的，所述固定执行器主体的中心设有用于通过管道的通孔。
一种核辐射条件下管道爬行软体机器人的爬行方法，爬行过程如下：
步骤1、对前进方向后端的固定执行器的气腔进行充气，使固定执行器伸长并与管壁抵接；
步骤2、对伸长执行器充气，使伸长执行器弯曲或者伸长；
步骤3、对前端的固定执行器的气腔进行充气，使固定执行器伸长并与管壁抵接；
步骤4、后端固定执行器的气腔放气；
步骤5、伸长执行器的气腔放气，伸长执行器恢复至自由状态，同时带动后端固定执行器移动。
优选的，步骤2中当伸长执行器中的多个气腔气压相同时，伸长执行器沿轴线伸长；
当伸长执行器中的多个气腔气压不相同时，伸长执行器弯曲。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，包括伸长执行器，其两端分别连接圆周均布有多个固定执行器，伸长执行器中均布有多个气腔，并在其表面间隔设置多个刚性限制环，根据多个气腔中的气压控制伸长执行器的弯曲和伸长，使其能够在管道中沿路径进行移动，同时通过气腔伸长固定执行器将机器人的一端固定在管壁上，通过伸长执行器的伸长或弯曲实现体机器的爬行，实现了机器人在复杂管道中的通行，避免人工在辐射环境下工作收到伤害的问题。
进一步，在伸长执行器主体和固定执行器的表面设置防辐射硅胶层，能够屏蔽伽马射线的性能，能在核辐射环境下进行使用，避免了常规硅胶材料受到射线辐射后易疲劳老化的问题。
进一步，固定执行器底面设计有摩擦结构，增大其伸长后与管壁的摩擦力，提高前进运动的稳定性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中核辐射条件下管道爬行软体机器人整体示意图；
图2为本发明具体实施方式中主体连接件的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中伸长执行器的结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中固定执行器引导结构的结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中固定执行器的结构示意图；
图6为本发明具体实施方式中执行器制作流程图；
图7为本发明具体实施方式中核辐射条件下管道爬行软体机器人运动示意图。
图中：主体连接件1：连接件卡扣11；连接件通孔12；定位结构13；过孔14。
伸长执行器2：伸长执行器主体21；气腔22；第一刚性限制环23；通道24。
引导结构3：卡扣31；套筒32；引导杆33；伸缩杆34；滑槽35。
固定执行器4：固定执行器主体41；环形气腔42；第二刚性限制环43；中间通道44；固定结构45；摩擦结构46。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1-7，一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，包括伸长执行器2，其两端分别连接有主体连接件1，主体连接件1上圆周均布有多个引导结构3，引导结构3中均设置有固定执行器4。
所述伸长执行器2包括柔性的伸长执行器主体21，伸长执行器主体21上沿其轴向间隔设置有多个第一刚性限制环23，伸长执行器主体21中设置有多个气腔22，多个气腔沿伸长执行器主体21的轴向圆周均布，根据气腔气压控制伸长执行器主体21能够伸缩或弯曲。
所述固定执行器4包括柔性的固定执行器主体41，固定执行器主体41上沿其轴向间隔设置有多个第二刚性限制环43，固定执行器主体41的内部设置有环形气腔42，根据气腔气压控制固定执行器主体41的长度。
参图3所示，在本实施例中伸长执行器2包括了伸长执行器主体21上设置有三个气腔22，伸长执行器主体21的中心设置有通道24，伸长执行器主体21依靠翻模工艺制作而成，三个气腔相互独立。若干个第一刚性限制环23能够阻止执行器的径向膨胀，尽可能的将变形转化为轴向方向。当三个气腔22的气压相同时，伸长执行器2在第一刚性限制环的作用下径向尺寸不变，轴向发生拉伸，整体向前伸长；当三个气腔22的气压不相同时，伸长执行器2在发生伸长的同时，同时生弯曲运动，弯曲方向为气压大的气腔的反方向。伸长执行器2中间设有中间通道，使多个固定执行器4的气管通过内部。
参图4所示，引导结构3包括卡扣31、套筒32、引导杆33、伸缩杆34和滑槽35。
其中，所述套筒为一端开口结构，卡扣31设置在套筒封闭端的端面上，用于和主体连接件1扣接，引导杆33同轴设置在套筒中并固接，伸缩杆34套设在引导杆33中并能够轴向滑动，伸缩杆34上设置有用于导向的滑槽，滑槽中配装有导向块，导向孔固接在引导杆33的内壁上。
参图5所示，在本实施例中固定执行器主体41与地面的接触端的端面上设置有摩擦结构46，固定执行器主体41的中心设置有中间通道44，中间通道44的端部设置有固定结构45，固定执行器主体41依靠翻模工艺制作而成，内部只有一个环形气腔42。
固定执行器主体41通过中间通道44套设在引导杆33上，伸缩杆34的端部与固定结构45连接，固定执行器主体41伸长时带动伸缩杆34跟随滑动。固定执行器主体41的摩擦结构46，也是依靠翻模工艺制作而成，当固定执行器4伸长与管壁接触后，摩擦结构46与管壁接触时产生更大的摩擦力，保证与管壁接触更稳定。
套筒32将整个固定执行器4套设在内部，对固定执行器4进行保护，并且当固定执行器4伸长与管壁接触时，套筒32保证固定执行器4不会在受到较大外力作用下发生弯曲，导致与管壁接触中断。引导杆33穿过固定执行器4的中间通道44，伸缩杆34的头部与固定执行器4的伸长杆固定结构45相连接，当固定执行器4伸长时，一部分会超出套筒32的保护范围，伸缩杆34对固定执行器4进行支撑。引导杆33和伸缩杆34通过滑槽35相连接在一起并能够发生相对滑动，引导杆33内部有限位结构与滑槽35紧密接触，保证内部伸长杆34的滑动距离在允许范围内。
引导结构通过卡扣与主体连接件相连接，安装方便快捷。主体连接件1包括连接件卡扣11、连接件通孔12、定位孔13和过孔14。
其中，主体连接件1圆周均布有多个连接面，每个连接面上均设有连接件卡扣11，连接件卡扣11与引导结构的卡扣31扣接，过孔14设置在连接面的中心，使固定执行器4与主体连接件1相连接后其气管能够通入主体连接件1中；连接件通孔12设置在主体连接件1的一端，定位孔13设置在主体连接件1的另一端，连接件通孔12可允许通过气管和放置钨玻璃，其内部空间可以放置小型相机。定位孔13与伸长执行器2的端部相连接，并保证伸长执行器2与主体连接件1连接尺寸固定。
参图3和图5，并结合图6所示，伸长执行器2和固定执行器4的制作流程相同，具体如下：
首先，成型执行器主体的上半部分，包括顶部和内部气腔；然后将制作好的底部与上半部分相连接在一起；下一步需要将刚性限制环依次嵌套入执行器主体外侧的凹槽内；最后将整体再次放入模具，在外侧继续覆盖一层防辐射硅胶材料，将所有刚性限制环包裹在内部。
防辐射硅胶，按质量份数计包括2-6份硅橡胶、3-8份钨粉和0-1份氧化铋粉末。
参图7所示，整个核辐射条件下管道爬行软体机器人的运动控制规划分为六个步态。
第一步：所有执行器均处于未充气状态；
第二步：运动方向后端的多个固定执行器4充气伸长与管壁接触，整个机器人与管道位置固定；
第三步：后端的固定执行器4保持充气状态，伸长执行器2充气伸长；
第四步：前端的多个固定执行器4充气伸长，与管壁接触；
第五步：后端固定执行器4放气，恢复未伸长状态；
第六步：伸长执行器2放气，带动整个后半部分往前移动。
六个步态循环作用使整个机器人在管道内爬行前进。当前进出现弯曲管道时，步态中的第三步，伸长执行器2内三个气腔气压不再相同，根据管道形状进行弯曲伸长。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中的核辐射条件下管道爬行软体机器人，依靠其制作材料屏蔽伽马射线的性能，能在核辐射环境下进行使用，避免了常规硅胶材料受到射线辐射后易疲劳老化的问题。
2.本发明固定执行器内部有引导杆和伸缩杆的刚性支撑，外部有套筒保护，提高了固定执行器在伸长后与管壁接触时受到外力干扰时的稳定性。
3.本发明固定执行器底面设计有摩擦结构，增大其伸长后与管壁的摩擦力，提高前进运动的稳定性。
4.本发明伸长执行器内部设计有三气腔，当遇到管道弯曲情况时，伸长执行器在伸长的同时发生弯曲，能够在管道内进行转向。
5.本发明将伸长执行器和固定执行器的限制环内置，保证执行器外表面的一致性和光滑性，提高了整体的防辐射能力。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，其特征在于，包括伸长执行器(2)，其两端分别连接圆周均布有多个固定执行器(4)；
所述伸长执行器(2)包括柔性的伸长执行器主体(21)，伸长执行器主体(21)上沿其轴向间隔设置有多个刚性限制环，伸长执行器主体(21)中设置有多个气腔(22)，多个气腔沿伸长执行器主体(21)的轴向圆周均布，根据气腔气压控制伸长执行器主体(21)能够伸缩或弯曲；
所述固定执行器(4)包括柔性的固定执行器主体(41)，固定执行器主体(41)上沿其轴向间隔设置有多个刚性限制环，固定执行器主体(41)的内部设置有环形气腔(42)，根据气腔气压控制固定执行器主体(41)的长度。
2.根据权利要求1所述的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，其特征在于，所述伸长执行器主体(21)和固定执行器主体(41)上均包覆有防辐射硅胶层。
3.根据权利要求1所述的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，其特征在于，所述固定执行器主体(41)与地面的接触端设置有摩擦结构。
4.根据权利要求1所述的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，其特征在于，所述伸长执行器(2)的两端分别设置有主体连接件(1)；
所述主体连接件(1)中设置有用于安装摄像头的腔体，主体连接件(1)的表面设置有多个连接面，固定执行器(4)的端部与连接面卡接。
5.根据权利要求3所述的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，其特征在于，所述固定执行器(4)设置在引导结构(3)中，引导结构(3)与连接面卡接；
所述引导结构(3)包括套筒(32)，以及同轴设置在其内部的伸缩杆，伸缩杆的端部与套筒的底部固接，固定执行器主体(41)套设在伸缩杆，并且伸缩杆的另一端与固定执行器主体(41)的端部固接。
6.根据权利要求3所述的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，其特征在于，所述主体连接件(1)的端部设有定位结构(13)，定位结构(13)与伸长执行器主体(21)的端部固接。
7.根据权利要求1所述的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，其特征在于，所述固定执行器(4)的数量为三个，三个固定执行器(4)圆周均布。
8.根据权利要求1所述的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人，其特征在于，所述固定执行器主体(41)的中心设有用于通过管道的通孔。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人的爬行方法，其特征在于，爬行过程如下：
步骤1、对前进方向后端的固定执行器(4)的气腔进行充气，使固定执行器(4)伸长并与管壁抵接；
步骤2、对伸长执行器(2)充气，使伸长执行器(2)弯曲或者伸长；
步骤3、对前端的固定执行器(4)的气腔进行充气，使固定执行器(4)伸长并与管壁抵接；
步骤4、后端固定执行器(4)的气腔放气；
步骤5、伸长执行器(2)的气腔放气，伸长执行器(2)恢复至自由状态，同时带动后端固定执行器(4)移动。
10.根据权利要求9所述的一种核辐射条件下管道爬行软体机器人的爬行方法，其特征在于，步骤2中当伸长执行器(2)中的多个气腔气压相同时，伸长执行器(2)沿轴线伸长；
当伸长执行器(2)中的多个气腔气压不相同时，伸长执行器(2)弯曲。
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