CN114278808B - 一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，包括转动组件、分线器组件、驱动与变刚度组件和控制组件；转动组件包括多个依次连接的球形关节单元体；多个球形关节单元体外侧通过多根单元转动线绳轴向串联；分线器组件内部具有与单元转动线绳数量相同的分线机构；分线器组件内部轴向滑动连接有变刚度滑块；驱动与变刚度组件内部具有与单元转动线绳数量相同的收拉机构；驱动与变刚度组件中部通过伸缩机构与变刚度滑块连接；控制组件用于驱动收拉机构和伸缩机构。本发明相比现有的管道检测机器人，具有结构、控制简单，机器人刚度可调节的优点，能够在检测的过程中对管道内异物进行如夹取、打磨等操作。

Description

一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人

技术领域

本发明涉及管道机器人技术领域，更具体的说是涉及一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人。

背景技术

随着工业化与人工智能技术的发展融合，特种机器人已成为热门研究领域。狭隘管道空间检测机器人作为特种机器人的一种，包含机构学、仿生学、传感器技术等学科知识，有着较高的机器人技术要求，可广泛应用于狭小管道内的设备检修、灾后勘探等场景。

在工业场景中，管道作为一种常用结构，其主要用于给水、排水、供热、供给煤气、长距离运送石油和天然气、农业灌溉、水利工程和各种工业装置中，其结构形状复杂，随着使用时间的增加，其内部容易发生堵塞、破损等情况。通常传送管道检测时通过超声波检测，但在内部检测时，传统的方法为人工检测，其检测效率低，且存在一定的危险性。随着机器人技术的发展，在方法上有了很大的改进，目前工业上是通过将末端带有摄像头的电缆置于管道内，由于电缆作为柔性体可以很好适应管道形状变化，但其无法改变刚度，无法实现对管道内异物等进行操作。此外还有轮式、履带式、支撑式管道小型机器人，将摄像头置于机器人上，再将机器人置于管道内，但由于机器人为刚性整体，无法实现在管道内改变摄像头角度，且在遇到管道结垢等情况时，易造成无法通过等情况，此外的管道检测机器人大都不具备对管道异物操作的能力。

因此，克服现有的管道检测机器人缺少刚度调节、摄像头角度不可调节、不可自适应管道形状等缺陷，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，包括：

转动组件；所述转动组件包括多个依次连接的球形关节单元体，多个所述球形关节单元体分为前端主动转动部和后端被动转动部；多个所述球形关节单元体外侧通过多根单元转动线绳轴向串联；所述前端主动转动部的末端连接刚度调节线绳，所述刚度调节线绳贯穿所述后端被动转动部的内部；

分线器组件；所述分线器组件与所述后端被动转动部的末端连接；所述分线器组件内部具有与所述单元转动线绳数量相同的分线机构，所述分线机构将所述单元转动线绳的端头分为两股；所述分线器组件内部轴向滑动连接有变刚度滑块；所述变刚度滑块与所述刚度调节线绳的端头固定连接；

驱动与变刚度组件；所述驱动与变刚度组件连接在所述分线器组件远离所述后端被动转动部的一端；所述驱动与变刚度组件内部具有与所述单元转动线绳数量相同的收拉机构，所述收拉机构与所述单元转动线绳经所述分线机构分割的两股线头连接；所述驱动与变刚度组件中部通过伸缩机构与所述变刚度滑块连接；

控制组件；所述控制组件连接在所述驱动与变刚度组件远离所述分线器组件的一端；所述控制组件用于驱动所述收拉机构和所述伸缩机构。

通过上述技术方案，本发明提出一种新型球形结构作为机器人转动组件，并且可通过摩擦力实现刚度调节，提出了一种新型的布线方式，驱动绳索通过球形单元球心，且通过分线机构和收拉机构实现转动角度的控制，且在运动过程中保证了其绳索电缆长度恒定；相比现有的管道检测机器人，具有结构、控制简单，机器人刚度可调节的优点，能够在检测的过程中对管道内异物进行如夹取、打磨等操作；由于将控制电路等部分后置，可实现在积水、易燃等管道内进行操作。

优选的，在上述一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人中，所述球形关节单元体为空心球体，且具有与其他所述球形关节单元体的球面滑动贴合的豁口；所述球形关节单元体的外侧壁周向具有多个用于所述单元转动线绳穿过的连接环。球形关节单元体的串联能够形成一个可以实现多关节转动的软体结构，适应管道的弯曲工况。

优选的，在上述一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人中，所述前端主动转动部包括依次转动贴合连接的一个摄像头基座单元体和多个主动转动单元体；所述摄像头基座单元体远离与其贴合的所述主动转动单元体的端头通过槽型结构和螺钉连接有摄像头固定座，所述摄像头固定座的顶端槽口卡接固定有摄像头；与所述后端被动转动部连接的所述主动转动单元体的内侧固定有末端刚度调节器，所述末端刚度调节器与所述刚度调节线绳的端头固定连接；所述摄像头基座单元体和多个所述主动转动单元体通过所述单元转动线绳与所述后端被动转动部串联。主动转动单元体可以在单元转动线绳的拽动下进行头部的方向转动，进而带动摄像头转动。

优选的，在上述一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人中，所述后端被动转动部包括多个被动转动单元体；多个所述被动转动单元体一端的端面与所述主动转动单元体的豁口滑动贴合，另一端的豁口与所述分线器组件的半球形凸起端面贴合；多个所述被动转动单元体通过所述单元转动线绳与所述摄像头基座单元体和多个所述主动转动单元体串联。被动转动单元体能够保持与管道匹配的弯曲状态，并在刚度调节线绳的控制下进行刚度调节。

优选的，在上述一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人中，所述分线机构包括与所述被动转动单元体贴合连接的基座外壳；所述基座外壳一端具有所述半球形凸起，所述半球形凸起表面具有多根所述单元转动线绳穿入其内部的槽孔，所述半球形凸起中部具有用于所述刚度调节线绳穿过的刚度调节线绳通过孔；所述基座外壳内部轴向布置有与所述刚度调节线绳通过孔对应的直线轴承，所述直线轴承通过所述驱动与变刚度组件压紧固定；所述变刚度滑块滑动连接在所述直线轴承内侧，且用于与所述刚度调节线绳的端头固定连接；所述直线轴承外侧套设有分线器连接座，所述分线器连接座与所述基座外壳固定连接；所述分线器连接座的外侧壁形成有与所述单元转动线绳数量相同的多个分线表面，多个所述分线表面上均开设有安装槽，所述安装槽内通过螺栓紧固有V型轴承，多个所述分线表面均通过螺栓固定有与所述V型轴承配合的轴承盖板；所述V型轴承将所述单元转动线绳的端头分为两股。本发明提供的分线机构内置变刚度滑块，实现对刚度调节线绳的拉动控制，并通过V型轴承进行分线，内外结构配置合理，节省空间。

优选的，在上述一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人中，所述变刚度滑块为筒状结构，且径向穿入有贯穿其两侧的连接销轴，所述连接销轴通过锁紧螺母紧固在所述变刚度滑块的外侧壁上；所述刚度调节线绳的端头进入所述变刚度滑块的中心通孔，并系在所述连接销轴上。便于刚度调节线绳的固定，连接简单方便。

优选的，在上述一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人中，所述收拉机构包括筒状结构的变刚度外壳；所述变刚度外壳的两端为法兰结构，且一端封闭，并与所述基座外壳通过连接螺栓和连接螺母紧固连接，另一端与所述控制组件连接；所述变刚度外壳内侧同轴固定有绕线轴座，所述绕线轴座外侧壁轴向开设有与所述单元转动线绳数量相同的多个半圆型安装槽；每个所述半圆型安装槽的两侧边沿均错位安装有两个轴承法兰；所述半圆型安装槽内轴向布置有绕线轴，所述绕线轴的一端通过微型轴承与所述变刚度外壳的端头连接，另一端通过绕线轴轴承与所述控制组件的端头连接，所述单元转动线绳经所述分线机构分割的两股线头分别绕过所述半圆型安装槽两侧的两个所述轴承法兰，并分别缠绕在所述绕线轴的两侧，两股线头的末端端头均固定在所述绕线轴的中部；所述伸缩机构连接在所述绕线轴座的内孔中，且与所述变刚度滑块连接。收拉机构能够通过绕线轴的转动实现对单元转动线绳的拉伸变换，进而对主动转动单元体进行转动控制。

优选的，在上述一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人中，所述伸缩机构包括轴向布置在所述绕线轴座内孔中的丝杆；所述丝杆一端通过丝杆左轴承与所述绕线轴座端头连接，另一端通过丝杆右轴承与所述控制组件的端头连接；所述丝杆上螺纹连接有圆螺母法兰；所述圆螺母法兰通过防松螺栓和防松螺母连接有变刚度连接器；所述绕线轴座的内孔截面为梯形，所述变刚度连接器的截面为梯形，且与所述绕线轴座的内孔滑动连接。伸缩机构为滚珠丝杠结构，通过丝杆的转动，将转动形式变换为变刚度连接器的直线运动，进而带动变刚度滑块的运动。

优选的，在上述一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人中，所述控制组件包括依次连接在所述变刚度外壳端头的联轴器外壳、电机舱外壳和底座；所述联轴器外壳内安装有与所述绕线轴数量相同且位置对应的多个刚性联轴器，所述刚性联轴器的一端与所述绕线轴的端头连接；所述联轴器外壳内部中心安装有与所述丝杆位置对应的弹性联轴器，所述弹性联轴器的一端与所述丝杆的端头连接；所述电机舱外壳内侧通过电机连接板固定有与所述刚性联轴器和所述弹性联轴器数量相同的有刷直流电机，所述有刷直流电机的动力输出端与所述刚性联轴器和所述弹性联轴器远离所述基座外壳的一端连接；所述电机舱外壳远离所述联轴器外壳的一端固定有顶紧所述有刷直流电机的电机座，所述电机座夹持在所述电机舱外壳和所述底座之间；所述底座内部安装有控制所述有刷直流电机的驱动控制器。多个有刷直流电机能够实现对多个绕线轴的协调控制，进而对主动转动单元体进行转动控制，同时能够对变刚度滑块的运动进行控制，进而实现对刚度调节线绳的拉紧控制。

优选的，在上述一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人中，所述单元转动线绳的数量为6根。能够满足转动的方向需求。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，具有以下有益效果：

1、本发明中的新型球形转动单元，其半径与转动中心相切，具有在任意转动过程中，其中心长度不变的特点。

2、本发明能够将控制组件后置，能够适应环境恶劣、场景复杂等管道，可实现在积水、易燃等管道内进行操作，在此情况下可在末端执行器更换各种操作设备，使用方便。

3、本发明中通过摩擦力实现机器人刚度变化，能够通过拉力改变自身结构刚度，具有结构简单，控制方便，能够应用于超冗余机械臂、蛇形机器人、仿人形机器人脊椎等领域。

4、本发明中将两股单元传动线绳合成一根，通过单个绕线轴可控制机器人单关节的运动，结构简单，易于实现。

5、本发明中的被动转动单元体具有较短距离的关节单元，很好的弯曲特性可实现对物体形状的自适应，能够通过少量电机控制超冗余自由度机器人。

6、本发明中通过丝杆实现变刚度线绳的拉力控制，能够提供巨大拉力，且具有自锁特性，安全可靠。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的管道检测机器人的装配体图；

图2附图为本发明提供的管道检测机器人转动组件的部分剖视图；

图3附图为本发明提供的管道检测机器人转动组件的装配体爆炸图；

图4附图为本发明提供的分线器组件的装配体爆炸图；

图5附图为本发明提供的驱动与变刚度组件的装配体爆炸图；

图6附图为本发明提供的控制组件装的配体爆炸图；

图7附图为本发明提供的单元转动线绳固连于绕线轴的剖视图

图8附图为本发明提供的单元转动线通过基座剖视图；

图9附图为本发明提供的转动组件自适应变刚度的工作原理示意图；

图10附图为本发明提供的在图9基础上变形的转动组件自适应变刚度的工作原理示意图；

图11附图为本发明提供的球形关节单元体工作原理示意图；

图12附图为本发明提供的在图11基础上变形的球形关节单元体工作原理示意图；

图13附图为本发明提供的球形关节单元体工作原理几何图。

其中：

1-转动组件；

101-摄像头；102-摄像头固定座；103-摄像头基座单元体；104-单元转动线绳；105-主动转动单元体；106-末端刚度调节器；107-刚度调节线绳；108-被动转动单元体；109-螺钉；

2-分线器组件；

201-基座外壳；202-连接螺母；203-直线轴承；204-分线器连接座；205-V型轴承；206-轴承盖板；207-变刚度滑块；208-末端变刚度绳索；209-锁紧螺母；210-连接销轴；211-连接螺栓；212-半球形凸起；213-槽孔；

3-驱动与变刚度组件；

301-变刚度外壳；302-微型轴承；303-绕线轴；304-绕线轴轴承；305-绕线轴座；306-轴承法兰；307-丝杆左轴承；308-丝杆；309-防松螺母；

310-变刚度连接器；311-圆螺母法兰；312-防松螺栓；313-丝杆右轴承；

4-控制组件；

401-联轴器外壳；402-刚性联轴器；403-弹性联轴器；404-有刷直流电机；405-电机舱外壳；406-电机连接板；407-电机座；408-驱动控制器；

409-底座；

5-管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见附图1至附图6，本发明实施例公开了一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，包括：

转动组件1；转动组件1包括多个依次连接的球形关节单元体，多个球形关节单元体分为前端主动转动部和后端被动转动部；多个球形关节单元体外侧通过多根单元转动线绳104轴向串联；前端主动转动部的末端连接刚度调节线绳107，刚度调节线绳107贯穿后端被动转动部的内部；

分线器组件2；分线器组件2与后端被动转动部的末端连接；分线器组件2内部具有与单元转动线绳104数量相同的分线机构，分线机构将单元转动线绳104的端头分为两股；分线器组件2内部轴向滑动连接有变刚度滑块207；变刚度滑块207与刚度调节线绳107的端头固定连接；

驱动与变刚度组件3；驱动与变刚度组件3连接在分线器组件2远离后端被动转动部的一端；驱动与变刚度组件3内部具有与单元转动线绳104数量相同的收拉机构，收拉机构与单元转动线绳104经分线机构分割的两股线头连接；驱动与变刚度组件3中部通过伸缩机构与变刚度滑块207连接；

控制组件4；控制组件4连接在驱动与变刚度组件3远离分线器组件2的一端；控制组件4用于驱动收拉机构和伸缩机构。

实施例2：

参见附图2和附图3，球形关节单元体为空心球体，且具有与其他球形关节单元体的球面滑动贴合的豁口；球形关节单元体的外侧壁周向具有多个用于单元转动线绳104穿过的连接环。

前端主动转动部包括依次转动贴合连接的一个摄像头基座单元体103和多个主动转动单元体105；摄像头基座单元体103远离与其贴合的主动转动单元体105的端头通过槽型结构和螺钉109连接有摄像头固定座102，摄像头固定座102的顶端槽口卡接固定有摄像头101；与后端被动转动部连接的主动转动单元体105的内侧固定有末端刚度调节器106，末端刚度调节器106与刚度调节线绳104的端头固定连接；摄像头基座单元体103和多个主动转动单元体105通过单元转动线绳104与后端被动转动部串联。

后端被动转动部包括多个被动转动单元体108；多个被动转动单元体108一端的端面与主动转动单元体105的豁口滑动贴合，另一端的豁口与分线器组件2的半球形凸起212端面贴合；多个被动转动单元体108通过单元转动线绳104与摄像头基座单元体103和多个主动转动单元体105串联。

实施例3：

参见附图4，分线机构包括与被动转动单元体108贴合连接的基座外壳201；基座外壳201一端具有半球形凸起212，半球形凸起212表面具有多根单元转动线绳104穿入其内部的槽孔213，半球形凸起212中部具有用于刚度调节线绳107穿过的刚度调节线绳通过孔；基座外壳201内部轴向布置有与刚度调节线绳通过孔对应的直线轴承203，直线轴承203通过驱动与变刚度组件3压紧固定；变刚度滑块207滑动连接在直线轴承203内侧，且用于与刚度调节线绳107的端头固定连接；直线轴承203外侧套设有分线器连接座204，分线器连接座204与基座外壳201固定连接；分线器连接座204的外侧壁形成有与单元转动线绳104数量相同的多个分线表面，多个分线表面上均开设有安装槽，安装槽内通过螺栓紧固有V型轴承205，多个分线表面均通过螺栓固定有与V型轴承205配合的轴承盖板206；V型轴承205将单元转动线绳104的端头分为两股。

变刚度滑块207为筒状结构，且径向穿入有贯穿其两侧的连接销轴210，连接销轴210通过锁紧螺母209紧固在变刚度滑块207的外侧壁上；刚度调节线绳107的端头进入变刚度滑块207的中心通孔，并系在连接销轴210上。

实施例4：

参见附图5，收拉机构包括筒状结构的变刚度外壳301；变刚度外壳301的两端为法兰结构，且一端封闭，并与基座外壳201通过连接螺栓211和连接螺母202紧固连接，另一端与控制组件4连接；变刚度外壳301内侧同轴固定有绕线轴座305，绕线轴座305外侧壁轴向开设有与单元转动线绳104数量相同的多个半圆型安装槽；每个半圆型安装槽的两侧边沿均错位安装有两个轴承法兰306；半圆型安装槽内轴向布置有绕线轴303，绕线轴303的一端通过微型轴承302与变刚度外壳301的端头连接，另一端通过绕线轴轴承304与控制组件4的端头连接，单元转动线绳104经分线机构分割的两股线头分别绕过半圆型安装槽两侧的两个轴承法兰306，并分别缠绕在绕线轴303的两侧，两股线头的末端端头均固定在绕线轴303的中部；伸缩机构连接在绕线轴座305的内孔中，且与变刚度滑块207连接。

伸缩机构包括轴向布置在绕线轴座305内孔中的丝杆308；丝杆308一端通过丝杆左轴承307与绕线轴座305端头连接，另一端通过丝杆右轴承313与控制组件4的端头连接；丝杆308上螺纹连接有圆螺母法兰311；圆螺母法兰311通过防松螺栓312和防松螺母309连接有变刚度连接器310；绕线轴座305的内孔截面为梯形，变刚度连接器310的截面为梯形，且与绕线轴座305的内孔滑动连接；末端变刚度绳索208的数量为多根，且连接变刚度滑块207和变刚度连接器310。

实施例5：

参见附图6，控制组件4包括依次连接在变刚度外壳301端头的联轴器外壳401、电机舱外壳405和底座409；联轴器外壳401内安装有与绕线轴303数量相同且位置对应的多个刚性联轴器402，刚性联轴器402的一端与绕线轴303的端头连接；联轴器外壳401内部中心安装有与丝杆308位置对应的弹性联轴器403，弹性联轴器403的一端与丝杆308的端头连接；电机舱外壳405内侧通过电机连接板406固定有与刚性联轴器402和弹性联轴器403数量相同的有刷直流电机404，有刷直流电机404的动力输出端与刚性联轴器402和弹性联轴器403远离基座外壳201的一端连接；电机舱外壳405远离联轴器外壳401的一端固定有顶紧有刷直流电机404的电机座407，电机座407夹持在电机舱外壳405和底座409之间；底座409内部安装有控制有刷直流电机404的驱动控制器408。

在以上各个实施例中，单元转动线绳104的数量为6根。

如附图7和8附图所示，一根单元转动线绳104穿过多个被动转动单元体108后穿过基座外壳201，并通过基座外壳201与分线器连接座204的过线孔，通过V型轴承205将一根单元传动线绳104分开，后通过变刚度外壳301的过线孔，经过轴承法兰306换向，通过不同旋向缠绕在同一个绕线轴303上，并穿过绕线轴303的过线孔与绕线轴303固连。当有刷直流电机404通过刚性联轴器402带动绕线轴303转动时，实现一根单元转动线绳104两股的一股收紧、一股放松。

球形单元自适应变刚度机构工作原理示意图如附图9和附图10所示，当末端刚度调节器106受到刚度调节绳107的拉力F时，球形关节单元体表面受到指向圆心的正压力F，因此当外界施加一个切向力F1时，必须满足F₁>F_u才可以转动球形关节单元体，当球形关节单元体发生转动后，其拉力大小不变，且拉力指向圆心，因此其通过摩擦力产生的刚度保持不变，在使用过程中，只需要调节刚度调节线绳107拉力即可改变机器人整体刚度。

球形单元转动机构工作原理示意图如附图11和至图13所示，单个球形关节单元体其半径与转动中心相切，因此在发生相对转动时长度O₁O₂保持不变，且在转动过程中单元转动线绳104与球形关节单元体接触部分长度始终保持不变，因此在转动时仅有长度L₀变化，由于单元转动线绳104处于拉紧状态，其收放长度L₁、L₂与转动角度呈线性关系。

本发明所设计的管道检测机器人采用如图7的布线方式，将一根单元转动线绳104的两股分绳固定于同一绕线轴303上，通过单个有刷直流电机404可轻易控制球形关节单元体一个自由度的转动。这种方式将球形关节单元体一对驱动绳索合并为单个驱动控制，控制简单。

如附图9和附图10所示，本发明利用球形关节单元体形状特征，通过摩擦力实现机器人变刚度控制。通过施加不同预紧拉力可控制机器人的被动转动单元体108自适应管道形状。利用绳传动，将驱动器后置，大大减轻工作部分重量。末端摄像头101可快速更换其他零部件，实现对管道内异物作业。

本实施例的整体工作过程为：

如附图5所示，装置通过有刷直流电机404带动丝杆308转动，由于丝杆308两端通过轴承固定，变刚度连接器310与圆螺母法兰311固连，在绕线轴座305内移动，带动末端变刚度绳索208运动，如附图4所示，由于末端变刚度绳索208与变刚度滑块207固连，带动变刚度滑块207在直线轴承203内运动，由于连接销轴210固定于变刚度滑块207上，变刚度调节线绳107固定于连接销轴210上，带动变刚度调节线绳107拉紧与放松。如附图1所示，在进入管道5时，通过上述过程将变刚度调节线绳107放松，使得转动组1刚度降低，能够被动适应管道形状，当到达一定位置时，通过将变刚度调节线绳107拉紧使转动组件1刚度提高，使其形状固定。在此之后通过单元转动线绳104带动主动转动单元105在管道5内转动，通过摄像头101可观察管道内情况。

如附图2所示，单元转动线绳104在图上平面共6股，上下两股为一根，共3根，在另一方向上同有6股，共计6根。单元转动线绳104通过各主动转动单元体105与被动转动单元体108，通过基座外壳201如附图7和8所示，成对通过V型轴承305，分别固连于绕线轴303两端。通过转动绕线轴303，使其一端拉紧，一端放松，带动主动转动单元体105上下运动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，包括：

转动组件(1)；所述转动组件(1)包括多个依次连接的球形关节单元体，多个所述球形关节单元体分为前端主动转动部和后端被动转动部；多个所述球形关节单元体外侧通过多根单元转动线绳(104)轴向串联；所述前端主动转动部的末端连接刚度调节线绳(107)，所述刚度调节线绳(107)贯穿所述后端被动转动部的内部；

分线器组件(2)；所述分线器组件(2)与所述后端被动转动部的末端连接；所述分线器组件(2)内部具有与所述单元转动线绳(104)数量相同的分线机构，所述分线机构将所述单元转动线绳(104)的端头分为两股；所述分线器组件(2)内部轴向滑动连接有变刚度滑块(207)；所述变刚度滑块(207)与所述刚度调节线绳(107)的端头固定连接；

驱动与变刚度组件(3)；所述驱动与变刚度组件(3)连接在所述分线器组件(2)远离所述后端被动转动部的一端；所述驱动与变刚度组件(3)内部具有与所述单元转动线绳(104)数量相同的收拉机构，所述收拉机构与所述单元转动线绳(104)经所述分线机构分割的两股线头连接；所述驱动与变刚度组件(3)中部通过伸缩机构与所述变刚度滑块(207)连接；

控制组件(4)；所述控制组件(4)连接在所述驱动与变刚度组件(3)远离所述分线器组件(2)的一端；所述控制组件(4)用于驱动所述收拉机构和所述伸缩机构。

2.根据权利要求1所述的一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，所述球形关节单元体为空心球体，且具有与其他所述球形关节单元体的球面滑动贴合的豁口；所述球形关节单元体的外侧壁周向具有多个用于所述单元转动线绳(104)穿过的连接环。

3.根据权利要求2所述的一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，所述前端主动转动部包括依次转动贴合连接的一个摄像头基座单元体(103)和多个主动转动单元体(105)；所述摄像头基座单元体(103)远离与其贴合的所述主动转动单元体(105)的端头通过槽型结构和螺钉(109)连接有摄像头固定座(102)，所述摄像头固定座(102)的顶端槽口卡接固定有摄像头(101)；与所述后端被动转动部连接的所述主动转动单元体(105)的内侧固定有末端刚度调节器(106)，所述末端刚度调节器(106)与所述刚度调节线绳(107)的端头固定连接；所述摄像头基座单元体(103)和多个所述主动转动单元体(105)通过所述单元转动线绳(104)与所述后端被动转动部串联。

4.根据权利要求3所述的一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，所述后端被动转动部包括多个被动转动单元体(108)；多个所述被动转动单元体(108)一端的端面与所述主动转动单元体(105)的豁口滑动贴合，另一端的豁口与所述分线器组件(2)的半球形凸起(212)端面贴合；多个所述被动转动单元体(108)通过所述单元转动线绳(104)与所述摄像头基座单元体(103)和多个所述主动转动单元体(105)串联。

5.根据权利要求4所述的一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，所述分线机构包括与所述被动转动单元体(108)贴合连接的基座外壳(201)；所述基座外壳(201)一端具有所述半球形凸起(212)，所述半球形凸起(212)表面具有多根所述单元转动线绳(104)穿入其内部的槽孔(213)，所述半球形凸起(212)中部具有用于所述刚度调节线绳(107)穿过的刚度调节线绳通过孔；所述基座外壳(201)内部轴向布置有与所述刚度调节线绳通过孔对应的直线轴承(203)，所述直线轴承(203)通过所述驱动与变刚度组件(3)压紧固定；所述变刚度滑块(207)滑动连接在所述直线轴承(203)内侧，且用于与所述刚度调节线绳(107)的端头固定连接；所述直线轴承(203)外侧套设有分线器连接座(204)，所述分线器连接座(204)与所述基座外壳(201)固定连接；所述分线器连接座(204)的外侧壁形成有与所述单元转动线绳(104)数量相同的多个分线表面，多个所述分线表面上均开设有安装槽，所述安装槽内通过螺栓紧固有V型轴承(205)，多个所述分线表面均通过螺栓固定有与所述V型轴承(205)配合的轴承盖板(206)；所述V型轴承(205)将所述单元转动线绳(104)的端头分为两股。

6.根据权利要求5所述的一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，所述变刚度滑块(207)为筒状结构，且径向穿入有贯穿其两侧的连接销轴(210)，所述连接销轴(210)通过锁紧螺母(209)紧固在所述变刚度滑块(207)的外侧壁上；所述刚度调节线绳(107)的端头进入所述变刚度滑块(207)的中心通孔，并系在所述连接销轴(210)上。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，所述收拉机构包括筒状结构的变刚度外壳(301)；所述变刚度外壳(301)的两端为法兰结构，且一端封闭，并与所述基座外壳(201)通过连接螺栓(211)和连接螺母(202)紧固连接，另一端与所述控制组件(4)连接；所述变刚度外壳(301)内侧同轴固定有绕线轴座(305)，所述绕线轴座(305)外侧壁轴向开设有与所述单元转动线绳(104)数量相同的多个半圆型安装槽；每个所述半圆型安装槽的两侧边沿均错位安装有两个轴承法兰(306)；所述半圆型安装槽内轴向布置有绕线轴(303)，所述绕线轴(303)的一端通过微型轴承(302)与所述变刚度外壳(301)的端头连接，另一端通过绕线轴轴承(304)与所述控制组件(4)的端头连接，所述单元转动线绳(104)经所述分线机构分割的两股线头分别绕过所述半圆型安装槽两侧的两个所述轴承法兰(306)，并分别缠绕在所述绕线轴(303)的两侧，两股线头的末端端头均固定在所述绕线轴(303)的中部；所述伸缩机构连接在所述绕线轴座(305)的内孔中，且与所述变刚度滑块(207)连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，所述伸缩机构包括轴向布置在所述绕线轴座(305)内孔中的丝杆(308)；所述丝杆(308)一端通过丝杆左轴承(307)与所述绕线轴座(305)端头连接，另一端通过丝杆右轴承(313)与所述控制组件(4)的端头连接；所述丝杆(308)上螺纹连接有圆螺母法兰(311)；所述圆螺母法兰(311)通过防松螺栓(312)和防松螺母(309)连接有变刚度连接器(310)；所述绕线轴座(305)的内孔截面为梯形，所述变刚度连接器(310)的截面为梯形，且与所述绕线轴座(305)的内孔滑动连接；末端变刚度绳索(208)的数量为多根，且连接所述变刚度滑块(207)和所述变刚度连接器(310)。

9.根据权利要求8所述的一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，所述控制组件(4)包括依次连接在所述变刚度外壳(301)端头的联轴器外壳(401)、电机舱外壳(405)和底座(409)；所述联轴器外壳(401)内安装有与所述绕线轴(303)数量相同且位置对应的多个刚性联轴器(402)，所述刚性联轴器(402)的一端与所述绕线轴(303)的端头连接；所述联轴器外壳(401)内部中心安装有与所述丝杆(308)位置对应的弹性联轴器(403)，所述弹性联轴器(403)的一端与所述丝杆(308)的端头连接；所述电机舱外壳(405)内侧通过电机连接板(406)固定有与所述刚性联轴器(402)和所述弹性联轴器(403)数量相同的有刷直流电机(404)，所述有刷直流电机(404)的动力输出端与所述刚性联轴器(402)和所述弹性联轴器(403)远离所述基座外壳(201)的一端连接；所述电机舱外壳(405)远离所述联轴器外壳(401)的一端固定有顶紧所述有刷直流电机(404)的电机座(407)，所述电机座(407)夹持在所述电机舱外壳(405)和所述底座(409)之间；所述底座(409)内部安装有控制所述有刷直流电机(404)的驱动控制器(408)。

10.根据权利要求1-6和8-9中任一项所述的一种基于球形关节的变刚度管道检测机器人，其特征在于，所述单元转动线绳(104)的数量为6根。

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