CN114273476A - 基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，包括执行单元，所述执行单元包括第一抓手以及第二抓手，所述第一抓手与第二抓手通过连接段连接成工字形结构；所述第一抓手、第二抓手、连接段分别由一段软体弯曲机构构成；每段软体弯曲机构由多个薄膜气缸及端块通过侧连接带连接形成并设置一管接头，管接口设置于一个薄膜气缸上，管接口通过每个薄膜气缸的内设气道与多个薄膜气缸的气腔相通；充入气体后，在多个薄膜气缸共同作用下受力，软体弯曲机构整体能由平面状态形成弧形的弯曲状态。本发明比于传统管道机器人具有适应性强，负载能力大，易于拓展的特点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人。
背景技术
管道是工业生产中的主要运输载体，管道泄漏会造成严重的经济损失，因此检漏是工业生产中的重要环节。目前主要的监测方式是人工检漏，劳动密集且存在潜在的危险。因此利用机器人技术监测已经成为一项重要的研究与应用领域。
目前主要有两种类型的管道监测机器人，管外机器人与管内机器人。应用管内机器人时需要关闭整个运输管道部分。然而对于管外机器人则不需要，并且这类机器人也不会面临腐蚀性液体或气体。对于深埋地下的管道，管内机器人则为必需。
绝大多数管道机器人都是使用刚性材料制成，这些机器人的主要驱动元件是电机，具有驱动精度高的优点，可以实现多自由度运动。然而，这些机器人是为特定的管道而设计的，对多种管道的适应性较差。此外机器人的结构和制造工艺复杂。此外，机器人的重量相对较高。因此，存在潜在风险，能源消耗通常很高。因此，有必要找到一个高兼容性的、易于构建的，轻量化设计优化管道监测机器人。
近年来，由于制造简单，固有的顺应性，人们对软体机器人的兴趣越来越大。因此，一些软管攀爬机器人已经被开发出来。但是部分是适应性受限，只能在小弯曲角度的管道上行进，部分是承载能力较低。
因此，研制一种承载能力大，同时具有对多种管道类型有强适应性的管道机器人是目前产业的困难点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，是一种基于新型软体弯曲机构的模块化管道检测机器人，可以实现在任意弯曲管道上的自适应行动。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，包括执行单元，所述执行单元包括第一抓手以及第二抓手，所述第一抓手与第二抓手通过连接段连接成工字形结构；所述第一抓手、第二抓手、所述连接段分别由一段软体弯曲机构构成；每段所述软体弯曲机构由多个薄膜气缸以及两个端块通过侧连接带连接形成，两个端块位于多个所述薄膜气缸连接形成的气缸单元的两端，一个所述薄膜气缸的气缸杆与相邻薄膜气缸或是端块的底面相接，所述气缸单元设置一管接头，所述管接头通过每个所述薄膜气缸的内设气道与多个薄膜气缸的气腔相通；所述气腔内被充入气体膨胀后，在所述侧连接带的束缚作用下，所述气缸杆向一侧弯曲，从而使相邻连的薄膜气缸或端块在连接它们的侧连接带的相对侧受力张开，在多个所述薄膜气缸共同作用下受力，所述软体弯曲机构整体能由平面状态形成弧形的弯曲状态。
优选的，一个所述薄膜气缸的气缸杆接接或粘接到相邻薄膜气缸或是端块的底面。
优选的，所述薄膜气缸包括框架，所述框架的一侧形成凹陷，所述凹陷的外表面为薄膜，所述薄膜的中心连接所述气缸杆，所述薄膜的下表面形成有所述气腔。
优选的，所述凹陷为圆锥形状的凹陷，其沿所述气缸杆的轴向方向的截面为梯形。
优选的，所述执行单元是CAD软件中将模块进行组装形成模型后，再整体将模型导入切片软件中切片生成G-code模块，最后将G-code模块导入3D打印机中打印完成后，将管接头插入连接后完成的。
优选的，所述执行单元与控制单元连接，所述控制单元包括与所述管接头连接的开关阀以及与所述开关阀连接的控制器、气泵。
优选的，一个所述管接头连接一个开关阀。
本发明提供的基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，结构简单，采用3D打印一体成型，制造方便；采用TPU材料制成，弹性模量大，相较于硅胶基机器人承压上限高，负载大。薄膜结构的存在使得整体机器人具有类似硅胶基管道机器人的适应性，可以在任意弯曲的管道上通过。模块化设计使得管道机器人抓手部分可以抓住管径两倍变化的管道，机器人整体对多种管道适应性强。
本发明提供的基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，解决了刚性管道机器人结构复杂、质量大等问题，解决了现有软体管道机器人无法同时兼具广泛的管道适应性以及大负载能力；相比于传统管道机器人具有适应性强，负载能力大，易于拓展的特点。
附图说明
图1为基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人工作示意图；
图2-图3为新型软体弯曲机构的薄膜气缸的剖面下以及轴测状态下的工作原理状态变换图；
图4-图6为薄膜气缸与端块或薄膜气缸之间连接及充气后的状态变换图；
图7-图8分别为一个软体连接机构的主视图及对应的A-A剖面图；
图9-图10分别为为管道监测机器人的由不同数量薄膜气缸构成的两个抓手的状态变换示意图；
图11-图12分别为管道监测机器人的中段的连接段的主视图以及弯曲变换示意图；
图13为管道检测机器人执行单元的制造方法的示意图；
图14为管道检测机器人控制单元及气源与执行单元的连接控制原理图。
附图标记说明：
1-抓手；2-连接段；3-框架；4-薄膜；5-气缸杆；6-薄膜气缸；7-侧连接带；8-端块；9-管接头；10-控制器；11-电源；12-气泵；13-开关阀。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。
下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不背离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。
此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同参考数字用于相似功能和操作。
如图1所示，本发明实施例的基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，包括执行单元，所述执行单元包括一字形结构的第一抓手以及一字形结构的第二抓手，所述第一抓手与第二抓手通过一字形结构的连接段连接成工字形结构；所述第一抓手、第二抓手、所述连接段分别由一段软体弯曲机构构成；每段所述软体弯曲机构由多个薄膜气缸及端块通过侧连接带连接形成并设置一个管接头，端块位于多个薄膜气缸连接形成的气缸单元的两端，一个所述薄膜气缸的气缸杆与相邻薄膜气缸或是端块的底面相接，所述管接口设置于一个所述薄膜气缸上，所述管接口通过每个所述薄膜气缸的内设气道与多个薄膜气缸的气腔相通；充入气体后，所述气腔内被充入气体膨胀后，在所述侧连接带的束缚作用下，所述气缸杆向一侧弯曲，从而使相邻连的薄膜气缸或是端块在连接它们的侧连接带的相对侧受力张开，在多个所述薄膜气缸共同作用下受力，所述软体弯曲机构整体能由平面状态形成弧形的弯曲状态。
作为一个优选的实施例，所述的内设气道可以形成于所述气缸杆中，沿所述气缸杆的轴线形成通道，与气缸相通，这样可以实现多个薄膜气缸的内部通过内设气道相通。
将两个结构基本相同的软体弯曲机构的各个薄膜气缸首尾相连，并将一侧通过侧连接带相连，在加压后整体可以向内弯曲，形成执行单元的第一抓手、第二抓手，将另一段软体弯曲机构首尾相连，并将上下部分别交替相连，在加压后整体可以拱起，形成执行单元的中间的连接段。这样使执行单元的连接段连接前后两个抓手，执行部分即完成。
所述软体弯曲机构可以由气罐或气泵供气，并由开关阀控制气体的进入和排出。当开关阀打开时，高压气体压入薄膜软体弯曲机构弯曲。当开关阀关闭时，高压气体排出，薄膜弯曲机构恢复，可以通过控制模块控制开关阀的开闭。
如图1所示，由两个抓手1，连接段2组成的管道机器人，在交替加压之后管道机器人可以如图所示顺序在管道上爬行。
其中，所述软体弯曲机构可以由增材制造而成，如软材料3D打印、注塑等。材料可使用热塑性聚氨酯等制造。
作为一个可选的实施例，一个所述薄膜气缸的气缸杆连接到相邻薄膜气缸的气缸杆相对面(即底面)或是端块的底面，可以是粘接或是插接，如在薄膜气缸的底面上形成孔或是端块的底面上形成孔，将气缸杆插入再粘接，或是直接粘接在相邻薄膜气缸的底面或端块的底面上固定。
作为一个可选的实施例，所述薄膜气缸包括框架3，所述框架的一侧形成凹陷，所述凹陷的外表面为薄膜4，所述薄膜的中心连接所述气缸杆5，所述薄膜的下表面形成有与内设气道相通的气腔；所述气腔内被充入气体膨胀后，在所述连接带的束缚作用下，所述气缸杆向一侧弯曲，从而使相邻连的薄膜气缸或是端块在连接它们的连接带的相对侧受力张开。
其中，比较好的是，所述凹陷为圆锥形状的凹陷，其沿所述弹性杆的轴向方向的截面为梯形，这样，所述的框架内有圆锥形状内凹，薄膜为圆锥面形状，薄膜的一端连接在框架上，另一端连接在气缸杆上，薄膜与框架之间形成了小的气腔，气缸杆、框架、薄膜就组成了薄膜气缸6。
在气压的作用下，薄膜向外突出，带动气缸杆运动，气缸杆另一端连接框架，这样将框架的四个侧面任意一面通过侧连接7带相连，在加压时气缸杆会带动框架向侧连接带的方向偏转。
图2-图6为薄膜气缸原理图。在内部加压后薄膜被气压顶起，带动框架裁运动。由于薄膜为软材料制成，因此当气缸杆受力后可以如图所示弯曲。这样按照图2所示，将薄膜气缸与端块首尾相连，再用侧连接带7限制一侧运动，则形成本发明所述软体弯曲机构。在加压后可以按照图2-图6所示弯曲运动。
图7-图8为一个软体连接机构的主视图及对应的A-A剖面图。薄膜气缸6端对端连接，两侧连接端块8，它们的下侧面通过侧连接带7互相连接。加压空气通过一个薄膜气缸6的顶部的管接头9，然后通过内设气道到达下一个薄膜气缸6的后端，之后所有的薄膜气缸6都以这种方式加压。然后弯曲机构向内弯曲以形成抓手，如图所示，这即为管道机器人的抓手部分。
图9-图10所示的抓手分别由每侧的不同数量的薄膜气缸6及端块8组成。因此，抓手可以抓住不同直径的管道。此外，由于薄膜气缸薄膜的适应性，抓手可以抓取不同截面的管道。薄膜气缸的数量可以增加或减少，以适应不同直径的管道，卸压后，抓手返回其初始位置。
图11-图12分别为连接段的结构图。薄膜气缸像波纹管那样端到端连接，某些侧面被固定以便中间部分能够弯曲，如图11-图12所示。这样，在加压后连接段可以伸长及弯曲，且中间部分可抵抗沿X、Y轴的外力，并在所有方向保持良好的顺应性。例如，如果在中间部分的顶部沿Y轴的正方向施加一个力，它可以朝Y轴弯曲。两个或三个中间部分可以平行粘合，以增加驱动力。最后，在两端连接分别连接第一抓手、第二抓手，即形成本发明的执行单元。
图13为机器人执行部分制造流程的示意图。首先在CAD软件中将模块进行组装，之后将整体模型导入切片软件中进行切片生成G-code，然后将G-code导入打印机中进行制造，将制造出的成品插入管接头，执行部分即制造完成。
为了控制所述软体弯曲单元的弯曲与否，一个更为有利的手段是，设计控制单元，以控制所述执行单元动作，其中，所述执行单元与控制单元连接，所述控制单元包括与所述管接头连接的开关阀以及与所述开关阀连接的控制器、气泵。
为了方便控制，比较好的是，一个所述管接头连接一个开关阀。这样三个管接头对应的各自连接一个开关阀，通过三个管接头分别连接三个软体弯曲机构并通过开关阀控制加压泄压，可以使机器人在管道上爬行。
本发明实施例，可以由控制模块控制开关阀13的状态，开关阀13一端连接至执行单元的管接头9，图14为控制部分原理图。控制模块的控制器10连接开关阀13，开关阀13连接气泵12，气泵连接电源11，其中，开关阀13通过管道连接至管接头9，通过开关阀13的状态变换，能实现控制第一抓手、第二抓手以及连接段的进气、泄气。如开关阀13在左侧，对应部分进气，开关阀在右侧，对应部分泄气。这样按照图1所示的进气、泄气规律进行控制，管道机器人就可以在管道上进行爬行。
上述的控制装置可以集成至执行单元的连接段上。
本发明提供的基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，结构简单，采用3D打印一体成型，制造方便；采用TPU材料制成，弹性模量大，相较于硅胶基机器人承压上限高，负载大。薄膜结构的存在使得整体机器人具有类似硅胶基管道机器人的适应性，可以在任意弯曲的管道上通过。模块化设计使得管道机器人抓手部分可以抓住管径两倍变化的管道，机器人整体对多种管道适应性强。
本发明提供的基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，解决了刚性管道机器人结构复杂、质量大等问题，解决了现有软体管道机器人无法同时兼具广泛的管道适应性以及大负载能力；相比于传统管道机器人具有适应性强，负载能力大，易于拓展的特点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，其特征在于，包括执行单元，所述执行单元包括第一抓手以及第二抓手，所述第一抓手与第二抓手通过连接段连接成工字形结构；所述第一抓手、第二抓手、所述连接段分别由一段软体弯曲机构构成；每段所述软体弯曲机构由多个薄膜气缸以及两个端块通过侧连接带连接形成，两个端块位于多个所述薄膜气缸连接形成的气缸单元的两端，一个所述薄膜气缸的气缸杆与相邻薄膜气缸或是端块的底面相接，所述气缸单元设置一管接头，所述管接头通过每个所述薄膜气缸的内设气道与多个薄膜气缸的气腔相通；所述气腔内被充入气体膨胀后，在所述侧连接带的束缚作用下，所述气缸杆向一侧弯曲，从而使相邻连的薄膜气缸或端块在连接它们的侧连接带的相对侧受力张开，在多个所述薄膜气缸共同作用下受力，所述软体弯曲机构整体能由平面状态形成弧形的弯曲状态。
2.根据权利要求1所述基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，其特征在于，一个所述薄膜气缸的气缸杆接接或粘接到相邻薄膜气缸或是端块的底面。
3.根据权利要求1或2所述基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，其特征在于，所述薄膜气缸包括框架，所述框架的一侧形成凹陷，所述凹陷的外表面为薄膜，所述薄膜的中心连接所述气缸杆，所述薄膜的下表面形成有所述气腔。
4.根据权利要求3所述基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，其特征在于，所述凹陷为圆锥形状的凹陷，其沿所述气缸杆的轴向方向的截面为梯形。
5.根据权利要求1所述基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，其特征在于，所述执行单元是CAD软件中将模块进行组装形成模型后，再整体将模型导入切片软件中切片生成G-code模块，最后将G-code模块导入3D打印机中打印完成后，将管接头插入连接后完成的。
6.根据权利要求1所述基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，其特征在于，所述执行单元与控制单元连接，所述控制单元包括与所述管接头连接的开关阀以及与所述开关阀连接的控制器、气泵。
7.根据权利要求6所述基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人，其特征在于，一个所述管接头连接一个开关阀。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220405 |