CN114508647A - 一种可自适内径并联管道清淤机器人 - Google Patents

一种可自适内径并联管道清淤机器人 Download PDF

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唐江龙
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Abstract

本发明涉及一种可自适内径并联管道清淤机器人，其包括清淤移动变形平台、伺服驱动支链组、支撑移动变形平台、管道清淤单元，伺服驱动支链组包括六条伺服驱动支链，伺服驱动支链球铰底座位于清淤移动变形平台下方，驱动支链虎克铰底座位于支撑移动变形平台上方，六条伺服驱动支链与两移动变形平台构成六自由度可收缩调姿并联机构，管道清淤单元位于清淤移动变形平台上方，该可自适内径并联管道清淤机器人可用管道清淤单元完成清淤任务，利用两平台与支链组构成的并联机构成内径适应与管道内蠕动或滑动行进。本发明具有支链结构简单紧凑、灵活性高、刚度大、管道环境适应力强、移动便捷与清淤能力强的特点，适用于完成复杂管道环境的清淤任务。

Description

一种可自适内径并联管道清淤机器人
技术领域
本发明涉及管道清淤机器人领域，特别涉及一种可自适内径并联管道清淤机器人。
背景技术
管道是一种常见的用于输送气体、液体或带固体颗粒的远距离输送装置，管道装置用途广泛，主要用于农田灌溉、能源输送和水利工程这三大领域。因管道内部锈蚀或废物淤积会大幅度降低管道运输能力和管道使用寿命，大多数管道内径变化复杂，管道路径过长，采用传统人工清理维护方式过于麻烦，并且部分管道位于地下，人工挖出再处理需消耗大量物质和时间资源。如采用随机抽样方法进行管道的日常维护则存在效率低下与误差较大的问题，因此管道清淤机器人的研究早已开始并成为热门。
国内外研究的管道清淤机器人大多只能适应指定尺寸的管道环境，缺乏对多种内径管道的通用清淤和移动能力。且不少机器人移动方式较为单一，在管道内行进速度不足，灵活度较差，例如蠕动式机器人难以满足大范围的管道清淤工作。本发明提出的一种可自适内径并联管道清淤机器人可进行滑动和蠕动两种方式的行进，可适应不同内径变化，完成各种复杂管道环境的清淤任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可自适内径并联管道清淤机器人，该管道清淤机器人可用管道清淤单元完成清淤任务，利用两平台与支链组构成的并联机构完成管道内蠕动或滑动行进与内径适应。本发明具有支链结构简单紧凑、灵活性高、刚度大、管道环境适应力强、移动便捷与清淤能力强的特点，适用于完成管道清淤任务。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种可自适内径并联管道清淤机器人，其特征在于：包括清淤移动变形平台、伺服驱动支链组、支撑移动变形平台和管道清淤单元，所述伺服驱动支链组包括六条伺服驱动支链，伺服驱动支链球铰底座位于清淤移动变形平台下方，驱动支链虎克铰底座位于支撑移动变形平台上方，六条伺服驱动支链和两移动变形平台构成六自由度可收缩调姿并联机构，所述管道清淤单元位于清淤移动变形平台上方。
所述清淤移动变形平台包括清淤滑移模块、中心连接平台、移动轮和控制枢纽，所述清淤滑移模块共有三枚，模块下端加工有矩形凹槽与两球铰底座相连，模块通过两侧推移杆连接构成清淤移动变形平台主体，所述移动轮位于清淤滑移模块外侧，中心连接平台通过三枚滑移模块内侧推移杆和模块相连，控制枢纽位于中心连接平台下侧，传递信号到机器人各执行单元处。
所述清淤移动变形平台通过调节滑移模块两侧推移杆伸长实现整个平台形状的放大，调节滑移模块两侧推移杆缩短实现整个平台形状的缩小，以适应管道内径变化。中心连接平台通过位于各清淤滑移模块内侧推移杆保持中心位置。
所述伺服驱动支链组包括第一伺服驱动支链、第二伺服驱动支链、第三伺服驱动支链、第四伺服驱动支链、第五伺服驱动支链和第六伺服驱动支链，各驱动支链结构相同但位置不同。
所述第一伺服驱动支链包括复合球铰S、伺服移动单元P和虎克铰U，为UPS型支链，复合球铰S底座位于清淤滑移模块下方左侧，虎克铰U底座位于支撑滑移模块上方右侧，所述虎克铰U第一转动副轴线和虎克铰底座矩形长边平行，虎克铰U第二转动副轴线和第一转动副轴线相互垂直，第二转动副轴线垂直于伺服移动单元P的移动方向。
所述支撑移动变形平台包括支撑滑移模块和移动轮，所述支撑滑移模块共三枚，模块上端加工有矩形凹槽和两虎克铰底座相连，模块通过两侧推移杆连接构成支撑移动变形平台主体，所述移动轮位于支撑滑移模块外侧，移动轮可锁死，所述支撑移动变形平台通过滑移模块两侧推移杆伸长实现整个平台形状的放大，通过滑移模块两侧推移杆缩短实现整个平台形状的缩小，以适应管道内径变化。
所述管道清淤单元包括中心台、伺服清淤柄和清淤转盘，所述中心台下侧与清淤移动变形平台上的中心连接平台相连，伺服清淤柄位于中心台处方形管内，可沿方形管伸缩滑动，清淤转盘和伺服清淤柄末端相连，转盘两侧安装有毛刷清淤装置，可旋转清洁管道内壁污渍。
本发明与现有技术相比具有如下优点：(1)清淤移动变形平台和支撑移动变形平台可以调整平台大小，适应管道内径能力强；(2)可以利用两平台的交替收缩和扩大，以及中间六条伺服驱动支链的运动，实现管内大坡度区域的蠕动行进，适应性移动能力强；(3)移动轮可以锁死或打开，使机器人有轮式移动和蠕动两种移动方式，运动灵活；(4)中间并联支链无累积误差、机构精度高、机构刚度高、动态响应好；(5)每处移动轮上安装有传感设备，可及时反映管道状况；(6)管道清淤单元清扫能力强，可适应不同内径的清淤任务。
附图说明
图1是本发明的一种可自适内径并联管道清淤机器人的整体结构示意图；
图2是本发明的一种可自适内径并联管道清淤机器人清淤移动变形平台的结构示意图；
图3是本发明的一种可自适内径并联管道清淤机器人伺服驱动支链组的结构示意图；
图4是本发明的一种可自适内径并联管道清淤机器人支撑移动变形平台的结构示意图；
图5是本发明的一种可自适内径并联管道清淤机器人管道清淤单元的结构示意图；
图6是本发明的一种可自适内径并联管道清淤机器人第一伺服驱动支链的结构示意图；
其中：
图1中：1.清淤移动变形平台；2.伺服驱动支链组；3.支撑移动变形平台；4.管道清淤单元；
图2中：101.清淤滑移模块；102.中心连接平台；103.移动轮；104.控制枢纽；
图3中：201.第一伺服驱动支链；202.第二伺服驱动支链；203.第三伺服驱动支链；204.第四伺服驱动支链；205.第五伺服驱动支链；206.第六伺服驱动支链；
图4中：301.支撑滑移模块；302.移动轮；
图5中：401.中心台；402.伺服清淤柄；403.清淤转盘；
图6中：501.复合球铰S；502.伺服移动单元P；503.虎克铰U。
具体实施方式
为进一步了解本发明提供的一种可自适内径并联管道清淤机器人，下面结合附图和详细实施例对本发明进行具体阐述，本发明的内容不局限于实施例。
在本发明的描述中，需要说明，术语“上侧”、“下侧”、“上方”、“下方”、“内侧”、“外侧”等指示方位或位置关系为基于附图所示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解成指示或暗示重要性。
如图1，一种可自适内径并联管道清淤机器人包括清淤移动变形平台1、伺服驱动支链组2、支撑移动变形平台3和管道清淤单元4，所述伺服驱动支链组2包括六条伺服驱动支链，伺服驱动支链球铰底座位于清淤移动变形平台1下方，驱动支链虎克铰底座位于支撑移动变形平台3上方，六条伺服驱动支链和两移动变形平台构成六自由度可收缩调姿并联机构，所述管道清淤单元4位于清淤移动变形平台1上方。
如图2，所述清淤移动变形平台1包括清淤滑移模块101、中心连接平台102、移动轮103和控制枢纽104，所述清淤滑移模块101共有三枚，模块下端加工有矩形凹槽与两球铰底座相连，模块通过两侧推移杆连接构成清淤移动变形平台1主体，所述移动轮103位于清淤滑移模块101外侧，中心连接平台102通过三枚滑移模块内侧推移杆和模块相连，控制枢纽104位于中心连接平台102下侧，传递信号到机器人各执行单元处。
所述清淤移动变形平台1通过调节清淤滑移模块101两侧推移杆伸长实现整个平台形状的放大，调节清淤滑移模块101两侧推移杆缩短实现整个平台形状的缩小，以适应管道内径变化，中心连接平台102通过位于各清淤滑移模块101内侧推移杆保持中心位置。
如图3，所述伺服驱动支链组2包括第一伺服驱动支链201、第二伺服驱动支链202、第三伺服驱动支链203、第四伺服驱动支链204、第五伺服驱动支链205和第六伺服驱动支链206，各驱动支链结构相同但位置不同。
所述第一伺服驱动支链201包括复合球铰S 501、伺服移动单元P 502和虎克铰U503，为UPS型支链，复合球铰S 501底座位于清淤滑移模块下方左侧，虎克铰U 503底座位于支撑滑移模块上方右侧，所述虎克铰U 503第一转动副轴线和虎克铰底座矩形长边平行，虎克铰U 503第二转动副轴线和第一转动副轴线相互垂直，第二转动副轴线垂直于伺服移动单元P的移动方向。
如图4，所述支撑移动变形平台3包括支撑滑移模块301和移动轮302，所述支撑滑移模块301共三枚，模块上端加工有矩形凹槽与两虎克铰底座相连，模块通过两侧推移杆连接构成支撑移动变形平台3主体，所述移动轮302位于支撑滑移模块301外侧，移动轮可锁死，所述支撑移动变形平台3通过支撑滑移模块301两侧推移杆伸长实现整个平台形状的放大，通过支撑滑移模块302两侧推移杆缩短实现整个平台形状的缩小，以适应管道内径。
如图5，所述管道清淤单元4包括中心台401、伺服清淤柄402和清淤转盘403，所述中心台401下侧与清淤移动变形平台1上的中心连接平台102相连，伺服清淤柄402位于中心台处方形管内，可沿方形管伸缩滑动，清淤转盘403和伺服清淤柄402末端相连，转盘两侧安装有毛刷清淤装置，可旋转清淤管道内壁污渍。
具体实施例：
将该可自适内径并联管道清淤机器人放入管道入口，此时机器人各处移动轮未全部接触管壁，管道清淤单元4处伺服清淤柄收缩至最短。起动机器人，控制枢纽104发出命令到清淤移动变形平台1、伺服驱动支链组2和支撑移动变形平台3内，伺服驱动支链组2接收控制枢纽信号控制六处伺服移动单元P运动，清淤滑移模块101两侧推移杆伸长实现整个清淤移动变形平台1形状的放大，使移动轮103接触到管道内壁，支撑滑移模块301两侧推移杆伸长实现整个支撑移动变形平台3形状的放大，使移动轮302接触到管道内壁，各处移动轮锁死，此时机器人完成管道适应任务。
位于清淤移动变形平台1处的移动轮103和支撑移动变形平台3处的移动轮302内的传感器获取管道的内径大小、管壁锈蚀和管内淤积程度的信息，传送到位于清淤移动变形平台1处中心连接平台102下的控制枢纽104内，控制枢纽104发出命令至清淤移动变形平台1、伺服驱动支链组2、支撑移动变形平台3、管道清淤单元4内的执行单元，完成机器人在管道内的内径适应、直行、转弯、爬升和清扫任务。
在管道坡度接近水平时，移动轮不锁死，机器人通过移动轮转动进行移动。在管道坡度较大不适宜机器人通过移动轮转动行进时，各移动轮锁死机器人进行蠕动式移动。蠕动前进时，控制枢纽104发出命令，支撑移动变形平台3配合内径锁紧，清淤滑移模块101两侧推移杆收缩实现整个清淤移动变形平台1形状的缩小，第一伺服驱动支链201、第二伺服驱动支链202、第三伺服驱动支链203、第四伺服驱动支链204、第五伺服驱动支链205和第六伺服驱动支链206处伺服驱动单元P伸长使整个伺服驱动支链组2伸长带动清淤移动变形平台1到指定位置，随后清淤滑移模块101两侧推移杆伸长实现整个清淤移动变形平台1形状的放大，使移动轮103接触到管道内壁并锁紧。随后支撑滑移模块301两侧推移杆缩短实现整个支撑移动变形平台3形状的缩小，使移动轮302远离管道内壁，第一伺服驱动支链201、第二伺服驱动支链202、第三伺服驱动支链203、第四伺服驱动支链204、第五伺服驱动支链205和第六伺服驱动支链206处伺服驱动单元P收缩使整个伺服驱动支链组2收缩使支撑移动变形平台3被拉伸到指定位置，随后支撑滑移模块301两侧推移杆伸长实现整个支撑移动变形平台3形状的放大，使移动轮302接触到管道内壁，各处移动轮锁死，此时机器人完成管道蠕动行进第一步，随后重复该步骤完成管道内的蠕动行进。
在进入需转弯位置时，控制枢纽104发出命令，支撑移动变形平台3配合内径锁紧，清淤滑移模块101两侧推移杆收缩实现整个清淤移动变形平台1形状的缩小，第一伺服驱动支链201、第二伺服驱动支链202、第三伺服驱动支链203、第四伺服驱动支链204、第五伺服驱动支链205和第六伺服驱动支链206处伺服驱动单元P变化清淤移动变形平台1到指定位置，随后清淤移动变形平台1扩大与内径配合锁死，支撑移动变形平台3缩小被伺服驱动支链组2拉伸到指定位置后形状扩大，使平台各移动轮与管壁接触，重复上述步骤，完成机器人在管道内转弯任务。
在需进行清扫任务时，控制枢纽104发送信号到管道清淤单元4中，位于伺服清淤柄402末端的清淤转盘403开始旋转，根据清淤移动平台1处的移动轮103内传感器提供的清扫位置信息，位于中心连接平台102上侧的中心台401开始旋转带动清淤转盘403到达指定角度，伺服清淤柄402处伺服驱动装置启动，清淤柄伸长使清淤转盘403到达指定位置，利用转盘两侧安装毛刷清淤装置对清扫位置进行清淤，到达设定时间后，伺服清淤柄402收缩，移动轮处传感器检测清扫情况，如符合目标则机器人前进，如不符合目标重新进行清扫。
本发明专利所述的一种可自适内径并联管道清淤机器人的实施方式不局限于以上实施例所描述的实施例形式，根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为本发明仅可以实施的具体实施方式。

Claims (5)

1.一种可自适内径并联管道清淤机器人，其特征在于：包括清淤移动变形平台、伺服驱动支链组、支撑移动变形平台和管道清淤单元，所述伺服驱动支链组包括六条伺服驱动支链，伺服驱动支链球铰底座位于清淤移动变形平台下方，驱动支链虎克铰底座位于支撑移动变形平台上方，六条伺服驱动支链和两移动变形平台构成六自由度可收缩调姿并联机构，所述管道清淤单元位于清淤移动变形平台上方。
2.根据权利要求书1所述的一种可自适内径并联管道清淤机器人，其特征在于：所述清淤移动变形平台包括清淤滑移模块、中心连接平台、移动轮和控制枢纽，所述清淤滑移模块共有三枚，模块下端加工有矩形凹槽与两球铰底座相连，模块通过两侧推移杆连接构成清淤移动变形平台主体，所述移动轮位于清淤滑移模块外侧，中心连接平台通过三枚滑移模块内侧推移杆与模块相连，控制枢纽位于中心连接平台下侧，传递信号到机器人各执行单元处；
所述清淤移动变形平台通过调节清淤滑移模块两侧推移杆伸长实现整个平台形状的放大，调节清淤滑移模块两侧推移杆缩短实现整个平台形状的缩小，以适应管道内径变化，中心连接平台通过位于各清淤滑移模块内侧推移杆保持中心位置。
3.根据权利要求1所述的一种可自适内径并联管道清淤机器人，其特征在于：所述伺服驱动支链组包括第一伺服驱动支链、第二伺服驱动支链、第三伺服驱动支链、第四伺服驱动支链、第五伺服驱动支链和第六伺服驱动支链，各驱动支链结构完全相同但位置不同；
所述第一伺服驱动支链包括复合球铰S、伺服移动单元P和虎克铰U，为UPS型支链，复合球铰S底座位于清淤滑移模块下方左侧，虎克铰U底座位于支撑滑移模块上方右侧，所述虎克铰U第一转动副轴线与虎克铰底座矩形长边平行，虎克铰U第二转动副轴线与第一转动副轴线相互垂直，第二转动副轴线垂直于伺服移动单元P的移动方向。
4.根据权利要求1所述的一种可自适内径并联管道清淤机器人，其特征在于：所述支撑移动变形平台包括支撑滑移模块和移动轮，所述支撑滑移模块共三枚，模块上端加工有矩形凹槽与两虎克铰底座相连，模块通过两侧推移杆连接构成支撑移动变形平台主体，所述移动轮位于支撑滑移模块外侧，移动轮可锁死，所述支撑移动变形平台通过支撑滑移模块两侧推移杆伸长实现整个平台形状的放大，通过支撑滑移模块两侧推移杆缩短实现整个平台形状的缩小，以适应管道内径变化。
5.根据权利要求1所述的一种可自适内径并联管道清淤机器人，其特征在于：所述管道清淤单元包括中心台、伺服清淤柄和清淤转盘，所述中心台下侧与清淤移动变形平台上的中心连接平台相连，伺服清淤柄位于中心台处方形管内，可沿方形管伸缩滑动，清淤转盘与伺服清淤柄末端相连，转盘两侧安装有毛刷清淤装置，可旋转清洁管道内壁污渍。
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