CN113586840B - 一种可自适应管径及弯道的探测及抓取管道机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可自适应管径及弯道的探测及抓取管道机器人，包括活动安装于固定机架上且在驱动机构的驱动下做开合运动的行走机构，所述行走机构弹性张紧于管道内壁上，所述驱动机构安装于固定机架上，于所述固定机架的前端安装有带有探测摄像头的抓取机构。本发明能够自适应管道内径，实现在管道正常行走，能够顺利地通过弯道，并且能够适用于大范围口径变化的管道和管壁内越障，同时可实现检测和抓取双重功能。本发明适用于对管型件内检测、抓取等作业。
Description
技术领域
本发明属于特种机器人的技术领域，具体的说，涉及一种可自适应管径及弯道的探测及抓取管道机器人。
背景技术
管道机器人属于特种机器人技术领域，能够在管型件内行走，在操作人员控制下完成检测、抓取等作业。可根据被测管径大小，设计管道机器人，使得其进入人工无法进入的管道内部，可适应较为恶劣的工作环境，工作时长也更长，极大地提高了检测的效率。随着工业和军事装备行业的迅猛发展，各领域所涉及到的管道长度也极具增加，同时，对各种装备的精细化管理也提出了更高的要求，使得日常检测范围和频次较以前也有了很大提升，管道机器人的应用场景也将越发广泛。
经过多年发展，管道机器人领域取得了较大的发展。也研制出了一系列不同形式的管道机器人，主要以驱动形式进行区分。常见的分为履带式、轮式、多足式、蠕动式、等，其中，履带式具有结构简单、抓地力大、易于实现等特点，被广泛应用到各种工业和军事装备检测行业；轮式具有结构简单，速度稳定等特点，但是由于与管壁接触面积小，抓地力较小，同时易出现打滑现象。多足式和蠕动式虽然能够较好地解决弯道通过问题，但是，其结构复杂，实现困难，鲁棒性不强，适应性差，同时其控制精度不高，对一些需要小距离移动以实现精确检测的场所，难易胜任。
发明内容
本发明提供一种可自适应管径及弯道的探测及抓取管道机器人，用以自适应管道内径，实现在管道正常行走，能够顺利地通过弯道，并且能够适用于大范围口径变化的管道和较小的不规则内壁变化的管道，同时可实现检测和抓取双重功能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种可自适应管径及弯道的探测及抓取管道机器人，包括活动安装于固定机架上且在驱动机构的驱动下做开合运动的行走机构，所述行走机构弹性张紧于管道内壁上，所述驱动机构安装于固定机架上，于所述固定机架的前端安装有带有探测摄像头的抓取机构。
进一步的，所述驱动机构包括活动安装于固定机架一端的驱动电机，所述驱动电机的输出轴同轴连接有一传动丝杠，行走机构具有与传动丝杠螺纹连接的调整部。
进一步的，所述行走机构包括转动安装于传动丝杠上的固定板，所述调整部包括螺纹连接于传动丝杠上的活动板，于所述传动丝杠的周向均匀地设置有至少三个弹性撑开行走腿。
进一步的，所述弹性撑开行走腿包括一端与支撑铰链铰接的两根支撑弹簧杆件，所述支撑弹簧杆件包括伸缩弹簧及相互插装的第一连杆和第二连杆，所述伸缩弹簧套装于第一连杆和第二连杆上，所述第一连杆和第二连杆相互远离的一端分别铰接于固定板和活动板的边沿处，且伸缩弹簧的两端分别与第一连杆和第二连杆相互远离的端部固连，于所述支撑铰链靠近管壁的一侧安装有行走部。
进一步的，所述行走部包括与支撑铰链连接的传动轮组，所述传动轮组经动力电机驱动而带动安装于传动轮组上的履带动作，以构成履带于管道内壁上行走。
进一步的，所述行走机构的数量为两个，并沿传动丝杠的轴向间隔设置。
进一步的，于两所述行走机构之间且位于同侧的行走部处设置有两并排的侧板，所述行走部位于两侧板之间，于两侧板之间且位于各行走机构处安装有回转轴，各所述行走机构活动安装于相对应的回转轴上。
进一步的，于所述行走部与侧板之间安装有两拉簧，两所述拉簧的一端活动连接于侧板的固定轴上，拉簧的另一端互成角度地活动连接在行走部上。
进一步的，所述抓取机构包括安装于固定机架前端的固定电机，所述固定电机的输出轴同轴连接有一驱动丝杆，于所述驱动丝杆上传动连接有多个机械爪，所述机械爪经驱动丝杆的传动而做开合运动，以构成机械爪对管道内目标物的抓取。
进一步的，所述探测摄像头安装于固定座上，所述固定座固定安装于固定电机或固定机架上。
本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：本发明的行走机构在驱动机构的驱动下做开合运动，这样使其适应不同管径的管道，并且由于行走机构弹性张紧于管道内壁上，确保了其在大范围口径变化的管道和较小的不规则内壁变化的管道顺利行进，当遇到弯道时，行走机构发生弹性形变，这样使其顺利通过弯道，而且由于本发明在固定机架的前端安装有带有探测摄像头的抓取机构，实现了管道内部的检测和内部物件的抓取；综上可知，本发明能够自适应管道内径，实现在管道正常行走，能够顺利地通过弯道，并且能够适用于大范围口径变化的管道和管壁内越障，同时可实现检测和抓取双重功能，同时可实现检测和抓取双重功能。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的局部结构示意图；
图3为本发明实施例位于管道中的结构示意图；
图4为本发明实施例支撑弹簧杆件的结构示意图；
图5为本发明实施例去除履带后的行走部的结构示意图；
图6为本发明实施例两拉簧安装于行走部与侧板之间的结构示意图；
图7为本发明实施例压力检测机构的结构示意图；
图8为本发明实施例安装杆的结构示意图；
图9为本发明实施例支撑铰链的结构示意图；
图10为本发明实施例安装有探测摄像头的抓取机构的结构示意图；
图11为本发明实施例抓取机构的结构示意图。
标注部件：1-固定板，2-活动板，3-支撑弹簧杆件，301-第一连杆，302-第二连杆，303-伸缩弹簧，4-支撑铰链，401-柱形凸起，5-侧板，6-行走部，601-动力电机，602-从动轮，603-从动齿轮，604-主动齿轮，7-第一拉簧，8-第二拉簧，9-驱动电机，10-传动丝杠，11-压力检测机构，1101-安装杆，1102-压力传感器，1103-安装孔，1104-接线孔，12-固定电机，13-抓取机构，1301-第一装配板，1302-第二装配板，1303-铰接杆，1304-驱动丝杆，14-固定座，15-机械爪，16-导杆，17-固定轴，18-管道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种可自适应管径及弯道的探测及抓取管道机器人，如图1-3所示，包括固定机架、行走机构、驱动机构及抓取机构13，其中，行走机构活动安装在固定机架上，行走机构在驱动机构的驱动下做开合运动，并且行走机构在管道18中行进的过程中行走机构弹性张紧于管道18内壁上；驱动机构安装在固定机架上，抓取机构13安装在固定机架的前端，该抓取机构13上安装有探测摄像头。本发明的工作原理及优势在于：本发明的行走机构在驱动机构的驱动下做开合运动，这样使其适应不同管径的管道18，并且由于行走机构弹性张紧于管道18内壁上，确保了其在大范围口径变化的管道18和较小的不规则内壁变化的管道18顺利行进，当遇到弯道时，行走机构发生弹性形变，这样使其顺利通过弯道，而且由于本发明在固定机架的前端安装有带有探测摄像头的抓取机构13，实现了管道18内部的检测和内部物件的抓取；综上可知，本发明能够自适应管道18内径，实现在管道18正常行走，能够顺利地通过弯道，并且能够适用于大范围口径变化的管道18和管壁内越障，同时可实现检测和抓取双重功能。
作为本发明一个优选的实施例，如图2所示，驱动机构包括驱动电机9和传动丝杠10，行走机构具有一个固定板1，传动丝杠10的转动装配在固定板1上，且传动丝杠10与固定板1之间只发生相对转动，而不会产生沿传动丝杠10轴向的位移，固定板1上固定连接有多根导杆16，每根导杆16均与传动丝杠10的轴线平行。其中，驱动电机9安装在构成固定机架的导杆16的一端处，该驱动电机9的输出轴与传动丝杠10同轴连接在一起，行走机构具有与传动丝杠10螺纹连接的调整部。本实施例调整部具体的结构为：调整部包括螺纹连接在传动丝杠10上的活动板2，在传动丝杠10的周向均匀地设置有至少三个弹性撑开行走腿。其中，如图4所示，弹性撑开行走腿包括同侧的一端均与支撑铰链4铰接的两根支撑弹簧杆件3，支撑弹簧杆件3包括伸缩弹簧303及相互插装的第一连杆301和第二连杆302，伸缩弹簧303套装在第一连杆301和第二连杆302上，第一连杆301和第二连杆302相互远离的一端分别铰接于固定板1和活动板2的边沿处，且伸缩弹簧303的两端分别与第一连杆301和第二连杆302相互远离的端部固连，在支撑铰链4靠近管壁的一侧安装有行走部6。行走机构的数量为两个，并沿传动丝杠10的轴向间隔设置。本实施例的工作原理为：驱动电机9带动传动丝杠10转动，当传动丝杠10转动时，使得活动板2沿着传动丝杠10前后运动，由于本发明将传动丝杠10的前后螺纹旋向设置为相反旋向，当转动传动丝杆时，会使得两块活动板2沿着相反方向运动，可使得两根支撑弹簧杆件3间的夹角增大或减小，当夹角增大时，支撑铰链4随着下降，本发明整体呈收缩状态，当夹角减小时，支撑铰链4随着上升，本发明整体呈撑开状态。
作为本发明一个优选的实施例，如图1、图7-9所示，本发明在行走部6处安装有压力检测机构11，该压力检测机构11包括安装杆1101，该安装杆1101上开设有安装孔1103，在支撑铰链4上构造有柱形凸起401，压力传感器1102安装在安装孔1103内，并且柱形凸起401安装在安装孔1103内同时顶压在压力传感器1102上，压力传感器1102的导线通过开设在安装杆1101侧面上的接线孔1104伸入安装孔1103内。本发明使用支撑弹簧杆件3对驱动机构进行支撑，在与压力传感器1102、行走机构相互配合使本发明在不同管径管道18进行适径压力调节过程时，保存一定的弹性余量。这样可以使得本发明在管道18中行走时，遇到障碍物或者存在较大凹坑的情况下，利用支撑弹簧杆件3存在的弹性余量进行越障，同时还可以在本发明进行转弯时提供压缩量，帮助本发明完成转弯动作，增加本发明可通过弯道的角度，较传统刚性连接有很大的进步。压力传感器1102用于实时检测履带驱动装置与管壁之间的正压力，履带驱动装置与管壁之间的正压力由履带传递给支撑铰链4，将压力传感器1102安装在安装杆1101的安装孔1103内，可方便实时检测压力值。压力数值经过接线孔1104传至控制终端，用于控制驱动电机9正反转，以调整履带与管壁间的正压力。
作为本发明一个优选的实施例，如图5所示，上述的行走部6包括与支撑铰链4连接的传动轮组，该传动轮组包括四个从动轮602，这四个从动轮602两两一组，互为同组的从动轮602轴线重合，在这两个从动轮602之间安装有从动齿轮603，一动力电机601安装在传动轮组一侧，动力电机601的输出轴同轴连接有一主动齿轮604，该主动齿轮604分别与两从动轮602组的从动齿轮603相互啮合，其中，传动轮组经动力电机601驱动而带动安装在传动轮组上的履带动作，这样使得履带在管道18内壁上行走。本实施例在两行走机构之间且位于同侧的行走部6处设置有两并排的侧板5，行走部6位于两侧板5之间，在两侧板5之间且位于各行走机构处安装有回转轴，每个行走机构活动安装在相对应的回转轴上。当通过弯道时，从动轮602会随着弯道的趋势围绕动力电机601的主动齿轮604发生旋转，从而防止本实施例在弯道处发生卡死，影响本实施例的通过性。本实施例有6个行走部6构成，每个行走部6均配备独立动力电机601驱动，动力电机601采用大扭矩减速电机，使得行走部6具备较强的行进动力。本实施例在行走部6与侧板5之间安装有两拉簧，分别为第一拉簧7和第二拉簧8，第一拉簧7和第二拉簧8的一端分别活动连接在侧板5的固定轴17上，第一拉簧7和第二拉簧8的另一端互成角度地活动连接在行走部6上。每个行走部6通过回转轴安装于左右的侧板5之间，使得行走部6能够绕回转轴摆动以适应不同角度的弯形管道18。当在过弯道时，远心端轮系由于不接触管壁而出现轮系随意摆动，从而发生卡死。为了保证驱动单元顺利通过弯道，在行走部6的侧板5与侧板5之间呈一定角度安装的第一拉簧7和第二拉簧8，使得通过弯形管道18时，履带能够与管壁之间有一定的压力值，履带轮能更好的贴合内壁，提升弯道通过性，同时支撑弹簧杆件3与拉簧两者的配合，也使得本实施例能够通过更多不同角度的弯道。
作为本发明一个优选的实施例，如图10-11所示，抓取机构13包括安装在固定机架前端的固定电机12，固定电机12的输出轴同轴连接有一驱动丝杆1304，驱动丝杆1304远离固定机架的一端与第一装配板1301转动连接，且二者只发生转动运动，不会发生轴向运动，驱动丝杆1304螺纹连接有第二装配板1302，多个机械爪15沿第一装配板1301的周向均匀地铰接在第一装配板1301上，多个铰接杆1303铰接在第二装配板1302上，且每个铰接杆1303远离第二装配板1302的一端与相对应的机械爪15铰接，这些机械爪15经驱动丝杆1304的传动而做开合运动，这样使得机械爪15对管道18内目标物的抓取。本实施例探测摄像头安装在固定座14上，该固定座14固定安装在固定电机12或固定机架上。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。
Claims (3)
1.一种可自适应管径及弯道的探测及抓取管道机器人，其特征在于：包括活动安装于固定机架上且在驱动机构的驱动下做开合运动的行走机构，所述行走机构弹性张紧于管道内壁上，所述驱动机构安装于固定机架上，于所述固定机架的前端安装有带有探测摄像头的抓取机构；所述驱动机构包括活动安装于固定机架一端的驱动电机，所述驱动电机的输出轴同轴连接有一传动丝杠，行走机构具有与传动丝杠螺纹连接的调整部；所述行走机构包括转动安装于传动丝杠上的固定板，所述调整部包括螺纹连接于传动丝杠上的活动板，于所述传动丝杠的周向均匀地设置有至少三个弹性撑开行走腿；所述弹性撑开行走腿包括一端与支撑铰链铰接的两根支撑弹簧杆件，所述支撑弹簧杆件包括伸缩弹簧及相互插装的第一连杆和第二连杆，所述伸缩弹簧套装于第一连杆和第二连杆上，所述第一连杆和第二连杆相互远离的一端分别铰接于固定板和活动板的边沿处，且伸缩弹簧的两端分别与第一连杆和第二连杆相互远离的端部固连，于所述支撑铰链靠近管壁的一侧安装有行走部；所述行走部包括与支撑铰链连接的传动轮组，所述传动轮组经动力电机驱动而带动安装于传动轮组上的履带动作，以构成履带于管道内壁上行走；所述行走机构的数量为两个，并沿传动丝杠的轴向间隔设置；于两所述行走机构之间且位于同侧的行走部处设置有两并排的侧板，所述行走部位于两侧板之间，于两侧板之间且位于各行走机构处安装有回转轴，各所述行走机构活动安装于相对应的回转轴上；于所述行走部与侧板之间安装有两拉簧，两所述拉簧的一端活动连接于侧板的固定轴上，拉簧的另一端互成角度地活动连接在行走部上。
2.根据权利要求1所述的一种可自适应管径及弯道的探测及抓取管道机器人，其特征在于：所述抓取机构包括安装于固定机架前端的固定电机，所述固定电机的输出轴同轴连接有一驱动丝杆，于所述驱动丝杆上传动连接有多个机械爪，所述机械爪经驱动丝杆的传动而做开合运动，以构成机械爪对管道内目标物的抓取。
3.根据权利要求2所述的一种可自适应管径及弯道的探测及抓取管道机器人，其特征在于：所述探测摄像头安装于固定座上，所述固定座固定安装于固定电机或固定机架上。
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