CN114589686B - 一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，包括至少一个模块，每个模块包括结构相同的第一十字交叉弧形弹性杆和第二十字交叉弧形弹性杆，两个十字交叉弧形弹性杆的端部通过连接键相连形成运动体，在该运动体结构的中心设有一个线性执行器，线性执行器的一端通过四根柔性弦与第一十字交叉弧形弹性杆的四个端部相连，线性执行器的另一端通过四根柔性弦与第二十字交叉弧形弹性杆的四个端部相连。

Description

一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人
技术领域
本发明属于机器人领域，具体涉及一种基于张拉整体结构的胶囊型管道内爬行机器人。
背景技术
现有的管道机器人大体可分为刚体与软体两类。刚体机器人比较笨重，对不同管径和形状适应性差；软体机器人加工制造尚不成熟，不易量产。为弥补刚体机器人和软体机器人的不足之处，
在发明专利CN202210103033.3提出了一种基于张拉原理的管道爬行机器人。基于这种技术方案设计的管道爬行机器人质量轻，柔顺性高，成本低且制作简单。但是上述技术方案也存在一定的局限性，一方面，机器人在穿越较为复杂的管道时，比如带有波纹状或者内部凹凸不平的管道，其模块的末端容易被卡在管道中，从而造成机器人无法顺利通过管道；另一方面，组成机器人的模块前后不对称，前端重于后端，机器人重心靠近前端，因此在通过弯道时容易造成机器人头部模块前倾，导致机器人后面模块的作用力无法作用于头部模块，机器人无法继续前进。
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整体结构的胶囊型管道内爬行机器人。
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整体结构的胶囊型管道内爬行机器人，包括至少一个模块，每个模块包括结构相同的第一十字交叉弧形弹性杆和第二十字交叉弧形弹性杆，两个十字交叉弧形弹性杆的端部通过连接键相连形成适配管道形状的运动体，在该运动体的中心设有一个线性执行器，线性执行器的一端通过四根柔性弦与第一十字交叉弧形弹性杆的四个端部相连，线性执行器的另一端通过四根柔性弦与第二十字交叉弧形弹性杆的四个端部相连。
本发明的模块具备变形能力，能够实现轴向伸长和径向膨胀，将相邻模块通过具有3个转动自由度的被动关节串联，得到串联后的管道内爬行机器人，其在管道内的运动模式为蠕动运动。在实际应用中，可根据需要串联更多数量的模块，每增加一个模块，机器人的步长就增加一倍。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
1.本发明的模块结构前后对称，当模块发生轴向变形时，前后端仍能保持在相对水平的位置，便于头部模块引导机器人整体的运动方向。
2.本发明的每个模块的外部轮廓连续且平滑，没有突出的末端，使得机器人更容易通过内部凹凸不平的管道。
3.本发明的模块在未变形时近似球形，变形后成可以变成胶囊形，胶囊形与管道内壁接触面积更大，弹性恢复力也更大，因此摩擦力更大，可以携带更重的负载爬行。
4.当执行器伸长时，模块前后都会发生轴向伸长变形，模块轴向尺寸变化量相比于半胶囊型机构更长，因此位移更大。
5.本发明的机器人由弹性杆件，柔性弦和线性执行器组成，质量轻，成本低，结构简单且容易组装。
6.模块采用张拉整体结构，内部空出许多空间，不会对管道造成堵塞。并且为后续扩展机器人功能，添加其他元件留出充足空间。机器人整体柔顺性好，可以通过弯曲管道。
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是基于张拉整体结构的胶囊型管道内爬行机器人组成单元的等轴侧视图。
图2、图3是基于张拉整体结构的胶囊型管道内爬行机器人组成单元的正视图与侧视图。
图4、图5是基于张拉整体结构的胶囊型管道内爬行机器人组成单元收缩状态图。
图6是基于张拉整体结构的胶囊型管道内爬行机器人组成单元拉伸状态图。
图7是基于张拉整体结构的胶囊型管道内爬行机器人的运动步骤。
图中：1为第一十字交叉弧形弹性杆；2为第二十字交叉弧形弹性杆；3，4，5，6，7，8，9，10为柔性弦，11为线性执行器。
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，本发明提出了一种基于张拉整体结构的胶囊型管道内爬行机器人。
本发明的一种典型的实施方式中，基于张拉整体结构设计的管道内机器人模块的等轴侧视图如图1-图6所示，在图1-图6中给出的是其中一个模块的结构示意图，每个模块类似于一个胶囊，其包括结构相同的第一十字交叉弧形弹性杆1和第二十字交叉弧形弹性杆2，两个十字交叉弧形弹性杆的端部通过连接键相连形成适配管道形状的运动体，在该运动体的中心设有一个线性执行器11，线性执行器11的一端通过四根柔性弦(柔性弦4、柔性弦6、柔性弦8、柔性弦10)与第一十字交叉弧形弹性杆1的四个端部相连，线性执行器的另一端通过四根柔性弦(柔性弦3、柔性弦5、柔性弦7、柔性弦9)与第二十字交叉弧形弹性杆2的四个端部相连。本发明的模块具备变形能力，能够实现轴向伸长和径向膨胀，将相邻模块通过具有3个转动自由度的被动关节串联，得到串联后的管道内爬行机器人，其在管道内的运动模式为蠕动运动。在实际应用中，可根据需要串联更多数量的单元。每增加一个中间单元，机器人的步长就增加一倍。
进一步的，本实施例中的爬行机器人前后左右对称结构，质心位于中心，当模块发生轴向变形时，爬行机器人的前后端仍能保持在相对水平的位置，便于头部模块引导机器人整体的运动方向。
进一步的，当所述的模块包括两个以上时，多个模块依次串联，例如图7所示，本实施例中，将三个胶囊型的模块串联即得到管道内爬行机器人，管道内爬行机器人在管道内的运动模式为蠕动运动。
进一步的，本实施例中的线性执行器可直线伸缩，例如可以采用现有的气缸驱动结构或者直线型电动缸驱动结构等，具体根据实际需要进行设置即可，本实施例中的线性执行器承受压力，通电后长度可自由调节。
进一步的，本实施例中的八根柔性弦在非变形状态，长度相等，且具有一定的弹性，因此，使得整个机器人可以向前运动，具体柔性弦可以采用现有的弹性绳等。
进一步的，本实施例中的十字交叉弧形弹性杆包括两个相同的半圆形弹性杆，两个半圆形弹性杆在中心位置十字交叉相连，形成类似于半球状或者半椭圆状的结构，半球状或者半椭圆状结构具有四个位于同一平面的端部，且相邻端部之间形成90°弧度；或者两个相同的半圆形弹性杆可以一体成型，形成半球状结构。
进一步的，本实施例中的执行器的两端通过八根长度相同的柔性弦也可以与两个弹性杆的拼接处相连，柔性弦承受张力。弹性杆受柔性弦拉力弯曲变形产生弹性恢复力。
基于张拉整体的胶囊型管道内机器人采用蠕动运动模式，如图7所示，下面以三个模块为例，对机器人的运动过程进行说明，机器人由三个模块串联而成，从右至左依次为头部模块，中间模块和尾部模块。每个运动周期有五步，从上至下依次为步骤一到步骤五；
步骤一：执行器保持初始长度。三个模块依靠弹性杆的弹性恢复力紧贴管壁。
步骤二：头部模块和中间模块的执行器伸长，模块的轴向尺寸变长，径向尺寸变短，四周脱离管壁。尾部模块保持不变，依靠与管道内壁的摩擦力固定机器人，防止机器人整体后移。
步骤三：头部模块执行器收缩回初始状态，模块轴向尺寸变短，径向尺变长，四周与管道内壁接触。
步骤四：尾部模块执行器伸长。此时头部模块用于固定机器人整体不发生移动。
步骤五：尾部模块执行器收缩回初始状态。机器人整体向前移动一段距离。五个步骤循环进行，实现机器人蠕动运动。当运动周期反方向进行，即从步骤5到步骤1，机器人可实现反方向运动。也就是说。机器人可以在管道中双向运动。
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 (8)

1.一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，其特征在于，包括至少一个模块，每个模块包括结构相同的第一十字交叉弧形弹性杆和第二十字交叉弧形弹性杆，两个十字交叉弧形弹性杆的端部通过连接键相连形成适配管道形状的运动体，在该运动体的中心设有一个线性执行器，线性执行器的一端通过四根柔性弦与第一十字交叉弧形弹性杆的四个端部相连，线性执行器的另一端通过四根柔性弦与第二十字交叉弧形弹性杆的四个端部相连。
2.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，其特征在于，所述的模块为前后左右对称结构，质心位于中心。
3.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，其特征在于，当所述的模块包括两个以上时，多个模块通过三自由度的被动关节依次串联。
4.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，其特征在于，所述的线性执行器可直线伸缩。
5.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，其特征在于，八根柔性弦在非变形状态，长度相等。
6.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，其特征在于，所述的十字交叉弧形弹性杆包括两个相同的弧形弹性杆，两个弧形弹性杆十字交叉相连。
7.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，其特征在于，所述的柔性弦具有弹性。
8.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，其特征在于，所述的线性执行器沿着模块的中心线方向设置。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN207809567U (zh) * 2018-01-03 2018-09-04 北京科技大学 一种六杆三十索的柔性张拉整体机器人
CN108891496A (zh) * 2018-06-19 2018-11-27 哈尔滨工程大学 一种气动仿蚯蚓软体机器人
CN109455239A (zh) * 2018-11-06 2019-03-12 浙江大学 一种模块化的可全向运动的柔性爬行机器人

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018068056A1 (en) * 2016-10-07 2018-04-12 Georgia Tech Research Corporation Tensegrity structures and methods of constructing tensegrity structures
US20190382995A1 (en) * 2017-03-03 2019-12-19 The Regents Of The University Of California Elastic lattices for design of tensegrity structures and robots
WO2019199997A1 (en) * 2018-04-10 2019-10-17 The University Of North Carolina At Chapel Hill Tensegrity structures with force-based motion and applications thereof
WO2021196067A1 (zh) * 2020-04-01 2021-10-07 大连理工大学 一种具有灵活抓取目标功能的多自由度连续型机器人

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN207809567U (zh) * 2018-01-03 2018-09-04 北京科技大学 一种六杆三十索的柔性张拉整体机器人
CN108891496A (zh) * 2018-06-19 2018-11-27 哈尔滨工程大学 一种气动仿蚯蚓软体机器人
CN109455239A (zh) * 2018-11-06 2019-03-12 浙江大学 一种模块化的可全向运动的柔性爬行机器人

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