CN114367969A - 一种基于张拉原理的管道爬行机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于张拉原理的管道爬行机器人，包括依次串联的张拉单元，所述的张拉单元包括驱动压杆、弧形十字弹性压杆、八根绳索，所述的弧形十字弹性压杆具有上下左右分布的四个端部，所述的驱动压杆位于弧形十字弹性压杆的内侧，沿着弧形十字弹性压杆的轴线方向布置，驱动压杆具有第一端和第二端，驱动压杆的第一端通过四根绳索分别与弧形十字弹性压杆的四个端部相连，驱动压杆的第二端通过另外四根绳索与弧形十字弹性压杆的四个端部相连，与弧形十字弹性压杆同一个端部相连的两根绳索与驱动压杆构成三角形。

Description

一种基于张拉原理的管道爬行机器人
技术领域
本发明属于机器人领域，具体涉及一种基于张拉原理的管道爬行机器人。
背景技术
目前研究人员已经研制出很多种可以在管道中爬行的机器人，这些机器人根据材质大致可以分为两类，分别是由刚性材料与刚体结构制成的管道爬行机器人，以及由柔性材料与柔性结构制成的管道爬行机器人。由刚性材料与刚体结构制成的管道爬行机器人结构刚度大、运动精度高、承载能力强，但是柔顺性与适应性较差；而由柔性材料与柔性结构制成的管道爬行机器人质量轻、柔顺性好、适应性高，但是承载能力较弱。这些机器人难以同时满足对于柔顺性、适应性、安全性、承载能力等方面的需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于张拉原理的管道爬行机器人，将张拉整体原理应用于爬行机器人构型设计，在一定程度上综合刚体结构与软体结构的优点，提出了一种新型的管道爬行机器人，该管道爬行机器人为三维立体结构。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的实施例提供了一种基于张拉原理的管道爬行机器人，包括依次串联的张拉单元，所述的张拉单元包括驱动压杆、弧形十字弹性压杆、八根绳索，所述的弧形十字弹性压杆具有上下左右分布的四个端部，所述的驱动压杆位于弧形十字弹性压杆的内侧，沿着弧形十字弹性压杆的轴线方向布置，驱动压杆具有第一端和第二端，驱动压杆的第一端通过四根绳索分别与弧形十字弹性压杆的四个端部相连，驱动压杆的第二端通过另外四根绳索与弧形十字弹性压杆的四个端部相连，与弧形十字弹性压杆同一个端部相连的两根绳索与驱动压杆构成三角形。
作为进一步的技术方案，所述的驱动压杆为直线驱动压杆。
作为进一步的技术方案，所述的驱动压杆垂直于弧形十字弹性压杆四个端部构成的平面，且穿过该平面的中心点。
作为进一步的技术方案，相邻的两个张拉单元中，其中一个张拉单元的驱动压杆连接在另一个单元的弧形十字弹性压杆外侧中心点位置。
作为进一步的技术方案，连接在驱动压杆同一端的四根绳索的长度相等。
作为进一步的技术方案，八根绳索的长度不可伸长。
作为进一步的技术方案，所述的弧形十字弹性压杆具有弹性。
作为进一步的技术方案，所述的弧形十字弹性压杆为上下、左右对称结构。
作为进一步的技术方案，所述的管道爬行机器人至少包括三个张拉单元。
作为进一步的技术方案，三个及以上的张拉单元完全相同。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明公开的管道爬行机器人，其包括张拉单元，该张拉单元可实现轴向伸展/径向收缩和轴向收缩/径向伸展；将三个或更多单元串联连接得到管道爬行机器人，通过按照一定的序列驱动各单元运动，可以实现机器人在管道内的爬行运动；本发明结构简单，柔顺性好，适应性强，既能够在一定范围内不同尺寸的管道中爬行，也可以在圆形管道和方形管道等不同截面形状的管道中爬行。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是两杆八索张拉整体单元结构示意图；
图2是两杆八索张拉整体单元变形示意图；
图3是基于张拉整体原理的管道爬行机器人结构示意图；
图4是机器人管道内爬行运动过程示意图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
1驱动压杆、2弧形十字弹性压杆、3绳索、4绳索、5绳索、6绳索、7绳索、8绳索、9绳索、10绳索。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种管道爬行机器人。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例公开的管道爬行机器人，整体上为一个三维立体结构，形成一个立体状的半球形结构，具体的包括两杆八索张拉单元，两杆八索张拉单元结构如图1所示，整个单元由1个驱动压杆1、1个弧形十字弹性压杆2、8根绳索(绳索3、绳索4、绳索5、绳索6、绳索7、绳索8、绳索9、绳索10)组成，该装置前进的动力源是驱动压杆1，驱动压杆1可以沿其轴向方向伸缩，其中弧形十字弹性压杆2具有上、下、左、右分布的四个端部，驱动压杆1位于弧形十字弹性压杆2的内侧，其沿着弧形十字弹性压杆2的轴线方向布置，驱动压杆1具有第一端和第二端，驱动压杆1的第一端通过四根绳索(绳索3、绳索4、绳索5、绳索6)分别与弧形十字弹性压杆的四个端部相连，驱动压杆1的第二端通过另外四根绳索(绳索7、绳索8、绳索9、绳索10)与弧形十字弹性压杆的四个端部相连，且与弧形十字弹性压杆同一个端部相连的两根绳索与驱动压杆构成三角形。
进一步的，上述的绳索3、绳索4、绳索5、绳索6、绳索7、绳索8、绳索9、绳索10长度不可伸长，始终承受拉应力，且连接在驱动压杆同一端的四根绳索的长度相等，连接在驱动压杆不同端的四根绳索长度不同；或者8根绳索3、绳索4、绳索5、绳索6、绳索7、绳索8、绳索9、绳索10的长度相同。
进一步的，驱动压杆1的长度可以调节，具体地，本实施例中的驱动压杆1可以采用电动推杆、气缸、液压缸等多种形式的驱动装置。
进一步的，弧形十字弹性压杆2具有一定的弹性，其有两根相同的圆弧形的弹性压杆在两个弹性压杆的中心位置十字交叉形成，弧形十字弹性压杆2在8根绳索的拉力作用下保持向内侧弯曲，在拉力减小或消失后，能够在弹性恢复力的作用下回弹直至伸直。
当驱动压杆1伸长时，通过连接的8根绳索带动弧形十字弹性压杆的四端向内侧收缩，同时该单元轴向的长度伸长，其结构变形示意图如图2所示。
本实施例公开的整个管道爬行机器人由3个或以上的两杆八索张拉单元串联组成，每两个相邻单元之间允许3个转动自由度运动；从左向右，第一个两杆八索张拉单元的弧形十字弹性压杆的中心点与第二个两杆八索张拉单元的驱动压杆1的外端相连，第二个两杆八索张拉单元的弧形十字弹性压杆的中心点与第三个两杆八索张拉单元的驱动压杆1的外端相连。
该机器人在管道内爬行的运动过程示意如图4所示，示意图中机器人由3个两杆八索张拉单元串联组成，从右至左依次为第一单元、第二单元、第三单元，运动状态从上至下依次为状态1、状态2、状态3、状态4、状态5，整个运动过程完成机器人整体的自左向右位移运动。状态1时，三个单元均处于轴向收缩状态，机器人与管道内壁保持紧密接触；状态2时，第三单元为轴向收缩状态，与管道内壁保持紧密接触，第一单元和第二单元变为轴向伸展状态，此时，机器人整体长度相对于状态1时变长；状态3时，第一单元变为轴向收缩状态，与管道内壁保持紧密接触，第二单元和第三单元保持不变，分别为轴向伸展状态和轴向收缩状态，此时机器人整体长度相对于状态2时变短，但是仍比状态1长；状态4时，第二单元变为轴向收缩状态，第三单元变为轴向伸展状态，第一单元保持不变，仍为轴向收缩状态，此时机器人整体长度与状态3时一样长；状态5时，第一单元和第二单元不变，仍为轴向收缩状态，与管道内壁保持紧密接触，第三单元变为轴向收缩状态，此时机器人整体位置相对于状态1右移了一段距离，实现了向右运动。5个状态循环进行，实现机器人的连续蠕动运动。
由于机器人相邻单元之间有3个转动自由度，机器人除了在直线管道内爬行，还能够在一定范围内的弯管中实现转弯。
由于机器人结构对称，使得机器人既可以在圆形管道内爬行，也可以在方形管道内爬行。
最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于张拉原理的管道爬行机器人，其特征在于，包括依次串联的张拉单元，所述的张拉单元包括驱动压杆、弧形十字弹性压杆、八根绳索，所述的弧形十字弹性压杆具有上下左右分布的四个端部，所述的驱动压杆位于弧形十字弹性压杆的内侧，沿着弧形十字弹性压杆的轴线方向布置，驱动压杆具有第一端和第二端，驱动压杆的第一端通过四根绳索分别与弧形十字弹性压杆的四个端部相连，驱动压杆的第二端通过另外四根绳索与弧形十字弹性压杆的四个端部相连，与弧形十字弹性压杆同一个端部相连的两根绳索与驱动压杆构成三角形。
2.如权利要求1所述的基于张拉原理的管道爬行机器人，其特征在于，所述的驱动压杆为直线驱动压杆。
3.如权利要求1所述的基于张拉原理的管道爬行机器人，其特征在于，所述的驱动压杆垂直于弧形十字弹性压杆四个端部构成的平面，且穿过该平面的中心点。
4.如权利要求1所述的基于张拉原理的管道爬行机器人，其特征在于，相邻的两个张拉单元中，其中一个张拉单元的驱动压杆连接在另一个单元的弧形十字弹性压杆外侧中心点位置。
5.如权利要求1所述的基于张拉原理的管道爬行机器人，其特征在于，连接在驱动压杆同一端的四根绳索的长度相等。
6.如权利要求1所述的基于张拉整体原理的管道爬行机器人，其特征在于，八根绳索的长度不可伸长。
7.如权利要求1所述的基于张拉原理的管道爬行机器人，其特征在于，所述的弧形十字弹性压杆具有弹性。
8.如权利要求1所述的基于张拉原理的管道爬行机器人，其特征在于，所述的弧形十字弹性压杆为上下、左右对称结构。
9.如权利要求1所述的基于张拉原理的管道爬行机器人，其特征在于，所述的管道爬行机器人至少包括三个张拉单元。
10.如权利要求9所述的基于张拉原理的管道爬行机器人，其特征在于，三个及以上的张拉单元完全相同。
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