CN115046071B - 一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人，由多组凸轮万向节体节首尾顺次连接组成，每组凸轮万向节体节由万向节和凸轮连杆两部分组成，万向节实现九十度管道内的转向运动，凸轮连杆在电机的驱动下将转动转化为平动，并且万向节作为刚体结构，不会影响电机驱动的传递，这样整个机器人仅需要一个电机就可以提供动力，结构复杂性大大降低。本发明还通过设计每一组内凸轮连杆的曲线槽，曲线槽中的急回、同步等阶段使连杆有规律地与管壁紧贴、松开，实现蠕动前行。由于曲线槽控制连杆进行周期运动，因此只要同轴电机反向转动，即可驱使凸轮反向转动，进而带动连杆实现倒退，通过最简洁的电控设计实现了蠕动机器人在管道内的复杂运动。

Description

一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人

技术领域

本发明涉及凸轮连杆机构领域，更具体地说，涉及一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人。

背景技术

在机器人领域中，常见的有轮式机器人、履带机器人、多足机器人等。采用此类机器人有着较高的移动效率和很高的可靠性。然而，常见的轮式、履带、多足机器人等虽然结构简单，但往往具有较大的尺寸和重量，难以应付管道等小空间工作环境。

目前现有技术中也有许多针对蠕动机器人的设计和实现方案，非常常见的主要有气动推杆蠕动机器人和舵机控制蠕动机器人。其中，气动推杆蠕动机器人具有很高的运动效率，但是该类机器人运动自由度较低，只能实现直线运动，配合其他机构完成转向又不能保证空间约束；另一类舵机控制蠕动机器人在电控支持下具有相当高的灵活度，但是其运动效率较差，并且需要一定的径向空间，很难应用到管道工作中去。

因此设计出一种在灵活度和空间约束中有非常好的平衡的机器人具有很高的实用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人，利用凸轮连杆机构设计性强的特点，把管道机器人中复杂的电控设计转化为凸轮曲线设计，降低了机器人的控制复杂性，从而提高了管道工作效率，其具体技术方案如下：

一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人，由多组凸轮万向节体节首尾顺次连接组成，每组所述凸轮万向节体节均包括万向节、凸轮、合页以及连杆，所述万向节为十字轴式万向节，所述凸轮为圆柱凸轮；同组所述凸轮万向节体节内的所述万向节与所述凸轮之间，以及不同组所述凸轮万向节体节的所述万向节与所述凸轮之间均对应相连接；每一截所述凸轮的外周表面上均包覆有两条曲线槽，按照机器人前进的方向定义，位于所述凸轮前方的为第一凸轮曲线槽，位于所述凸轮后方的为第二凸轮曲线槽；所述合页分为第一合页和第二合页，两个所述合页的内壁均固定有外端带轴承的插销，所述第一合页中插销的轴承与所述第一凸轮曲线槽相配合，所述第二合页中插销的轴承与所述第二凸轮曲线槽相配合，且两个所述合页的内壁均包裹所述凸轮的外径；所述第一合页与所述第二合页之间周向固定有多组所述连杆；所述第一合页的外壁固定所述连杆的其中一端，所述连杆的另一端与所述第二合页的外壁固定，并且所述连杆与管道内壁有摩擦；机器人的末端凸轮连接电机，所述电机运行时，所述凸轮和所述万向节旋转，在所述轴承的帮助下所述合页带动与其固定的所述连杆平动；单截所述凸轮上的所述第一凸轮曲线槽、所述第二凸轮曲线槽与各自相对应的所述第一合页、所述第二合页配合，完成连杆与管壁接触点的收缩和舒张，不同截所述凸轮之间通过恒定相位差协同完成机器人的蠕动前进。

相较于现有技术，本发明一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人中提出的凸轮协同机构具有灵活度更高，同时能完美适应管道工作场景的优势。相较气动推杆蠕动机器人方案，本发明具备灵活度高、可设计性可调性强的特点，同时万向节和凸轮连杆机构具有良好的契合度，在空间不冗余的同时使得机器可以借助管道的约束被动变向。相较舵机控制蠕动机器人，本发明结构具备结构简单紧凑，控制工作量极少的优势，将运动调节的复杂性转换为驱动电机速度和曲线设计共同配合问题，利用机械设计解决了大量冗余电控。

优选地，所述万向节的两端均开设有键槽；所述凸轮的两端设计有与所述键槽配合的平键；该机器人中的所述凸轮与所述万向节之间均通过联轴器以及对应的所述平键与所述键槽实现定位和配合。

优选地，所述第一凸轮曲线槽与所述第二凸轮曲线槽之间的间距反映所述连杆的收缩与舒张状态，间距大则舒张，与管壁不接触，间距小则收缩，与管壁接触摩擦；两曲线槽的间距中点反映连杆中心带点的位置；

两曲线槽之间的间距分为四个阶段，在第Ⅰ阶段，曲线槽间距小，连杆状态表现为与管道接触，为无法移动状态；在第Ⅱ阶段，所述第一凸轮曲线槽控制与其连接的所述第一合页及相应所述连杆前移，此时连杆状态表现为舒张，与管道不接触，同时中心点的位置相对前移；在第Ⅲ阶段，所述第二凸轮曲线槽控制与其连接的所述第二合页及相应所述连杆前移跟进，此时连杆状态表现为与管道接触，与Ⅰ状态相同，但是在Ⅰ到Ⅲ的过程中连杆中心点相对于所述凸轮前进；在第Ⅳ阶段，连杆状态不变，与管道摩擦接触，但由于相对运动，表现为所述凸轮整体前移，整个Ⅰ到Ⅳ的过程就完成了一次蠕动前进。

优选地，机器人的末端所述凸轮通过联轴器连接所述电机，且所述电机为共轴减速电机。

优选地，所述凸轮与所述万向节的直径相同。

相较于现有技术，本发明设计了以凸轮连杆为主要传动机构的管道蠕动机器人，具有以下优势：

1.现有的管道机器人设计技术，如气动推杆结构，往往结构尺寸过大，自由度较低，本发明利用简单的凸轮连杆机构减小管道机器人的结构尺寸，从而实现管道内更高效的工作，简单紧凑，可靠性高。

2.现有的管道机器人，往往需要在高自由度和小尺寸之间均衡，从而不能很好地实现管道工作：尺寸小结构精巧地机器人，需要更复杂的电控来保障机器人的自由度；自由度高的机器人，需要较大的空间保障其结构完整性。本发明通过合理设计凸轮连杆中凸轮包覆的曲线设计，在机构自身的小尺寸基础上实现高复杂度运动和自由度，从而有效地减少了机器人使用空间，降低了结构复杂性，提高了管道工作效率。

3.现有的管道工作机器人，往往需要复杂繁琐的电控工作完成管道工作设计，较多的电控工作给管道机器人的管道工作带来了更多的复杂度和更低的容错率，而本发明借助凸轮连杆机构自身极高的可设计性，仅需要同轴驱动电机，配合与凸轮连杆尺寸契合度很高的万向节，能有效适配管道工作的各种要求，从而有效提升了本发明的应用面和管道机器人的工作效率。

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做简单的介绍，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而言，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为本发明机器人的主要运动结构部分图。

图2为本发明一组凸轮万向节体节的轴测图。

图3为本发明一组凸轮万向节体节的前视图。

图4为本发明一组凸轮万向节体节的左视图。

图5为本发明单截凸轮的轴测图。

图6为本发明单截凸轮的前视图。

图7为本发明单截凸轮的左视图。

图8为第一凸轮曲线槽与第二凸轮曲线槽的不同阶段视图。

图中：1-万向节，2-曲线槽，21-第一凸轮曲线槽，22-第二凸轮曲线槽，3-连杆，4-合页，5-连杆与管壁接触点，6-凸轮。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例：

本发明通过设计一种基于复合凸轮协同的仿蚯蚓管道蠕动机器人，有效的实现了小空间、灵活度高的特殊工作环境要求，在保证结构简单紧凑、设计精巧创新、工序不繁琐复杂的基础上，能够极大地扩展机器人的工作环境范围和应用场景。在电控工作量极少的前提下，最大程度的提高了管道空间内机器人工作的灵活性。

具体的，

如图1所示，本发明一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人，由多组凸轮万向节体节首尾顺次连接组成。

其中，如图2-7所示，每组凸轮万向节体节均包括万向节1、凸轮6、合页4以及连杆3，万向节1为十字轴式万向节，凸轮6为圆柱凸轮。凸轮6与万向节1的直径相同。

同组凸轮万向节体节内的万向节1与凸轮6之间，以及不同组凸轮万向节体节的万向节1与凸轮6之间均对应相连接。机器人的末端凸轮通过联轴器连接电机，且电机为共轴减速电机。

更为具体的，万向节1的两端均开设有键槽；凸轮6的两端设计有与键槽配合的平键；该机器人中的凸轮6与万向节1之间均通过联轴器以及对应的平键与键槽实现定位和配合，完成同轴运动，方便电机的驱动。

一截凸轮6与一截万向节1通过平键定位过盈配合组成机器人一组凸轮万向节体节仿生蚯蚓多环节运动，不同体节之间也通过同样的方式装配，由于万向节1是刚体，可以传递转矩，因此末端与凸轮6通过联轴器连接的电机可以驱动整个机器人。

每一截凸轮6的外周表面上均包覆有两条曲线槽2，按照机器人前进的方向定义，位于凸轮6前方的为第一凸轮曲线槽21，位于凸轮6后方的为第二凸轮曲线槽22；合页4分为第一合页和第二合页，两个合页4的内壁均固定有外端带轴承的插销，第一合页中插销的轴承与第一凸轮曲线槽21相配合，第二合页中插销的轴承与第二凸轮曲线槽22相配合，且两个合页4的内壁均包裹凸轮6的外径；第一合页与第二合页之间周向固定有多组连杆3；第一合页的外壁通过螺栓螺母固定连杆3的其中一端，连杆3的另一端通过螺栓螺母与第二合页的外壁固定，并且连杆3与管道内壁有摩擦。

机器人的末端凸轮连接电机，电机运行时，凸轮6和万向节1旋转，在轴承的帮助下合页4带动与其固定的连杆3平动；单截凸轮6上的第一凸轮曲线槽21、第二凸轮曲线槽22与各自相对应的第一合页、第二合页配合，完成连杆与管壁接触点5的收缩和舒张，不同截凸轮6之间通过恒定相位差协同完成机器人的蠕动前进。

每一截凸轮6上包覆两条曲线槽2，两条曲线槽通过设计协同控制合页周期轴向运动，进而调整连杆中心点的舒张收缩，使整个机器人实现波浪状蠕动前行。同时管道自身是约束较强的场景，万向节具有极高的灵活度，因此不需要控制只需要使万向节适应性变化即可实现被动转向。

本发明中，凸轮连杆机构蠕动前进的主要原理是曲线槽改变连杆的状态，借助连杆与管壁的摩擦不断把机器人主体结构(凸轮和万向节的连接体)向前推动。曲线槽2的设计是调整机器人步态和运动方式的主要途径，根据图5，第一凸轮曲线槽21与第二凸轮曲线槽22之间的间距反映连杆3的收缩与舒张状态，间距大则舒张，与管壁不接触，间距小则收缩，与管壁接触摩擦；两曲线槽2的间距中点反映连杆中心带点的位置。

两曲线槽之间的间距分为四个阶段，如图8中箭头标注的前进方向，在第Ⅰ阶段，曲线槽间距小，连杆状态表现为与管道接触，即无法移动状态；在第Ⅱ阶段，第一凸轮曲线槽21控制与其连接的第一合页及相应连杆前移，此时连杆状态表现为舒张，与管道不接触，同时中心点的位置相对前移；在第Ⅲ阶段，第二凸轮曲线槽22控制与其连接的第二合页及相应连杆前移跟进，此时连杆状态表现为与管道接触，与Ⅰ状态相同，但是在Ⅰ到Ⅲ的过程中连杆中心点相对于凸轮前进；在第Ⅳ阶段，连杆状态不变，与管道摩擦接触，但由于相对运动，表现为凸轮整体前移，整个Ⅰ到Ⅳ的过程就完成了一次蠕动前进。凸轮旋转不断重复上述循环即可实现不断前进，同时不同组凸轮万向节体节通过等相位错开保证机器人始终会有连杆与管壁接触，不会打滑。

本发明基于常见的环节生物蚯蚓，蚯蚓挖穴松土、分解有机物，为土壤微生物生长繁殖创造良好条件，蚯蚓体积小，在土壤中能够灵活运动，在很小的空间中可以保证很高的运动效率和自由性。因此借鉴蚯蚓的运动特性，联想到凸轮连杆机构和万向节体积小，契合度高，于是便产生了用凸轮连杆仿生蚯蚓蠕动的想法。蚯蚓运动方式为蠕动收缩，几个体节成为一组，一组内纵肌与环肌的收缩舒张控制体节的延长与缩短，同时每个体节组与相邻的体节组交替收缩纵肌与环肌，使身体呈波浪状蠕动前进，并且收缩方向可以反转，因此可做倒退运动。根据蚯蚓运动特点，首先本发明整个机器人同样分为很多组，每一组由万向节和凸轮连杆两部分组成，万向节实现九十度管道内的转向运动，凸轮连杆在共轴减速电机的驱动下将转动转化为平动，并且万向节作为刚体结构，不会影响电机驱动的传递，这样整个机器人仅需要一个电机就可以提供动力，结构复杂性大大降低；其次通过设计每一组内凸轮连杆的曲线槽，曲线槽中的急回、同步等阶段使连杆有规律地与管壁紧贴、松开，实现蠕动前行；最后由于曲线槽控制连杆进行周期运动，因此只要同轴电机反向转动，即可驱使凸轮反向转动，进而带动连杆实现倒退，通过最简洁的电控设计实现了蠕动机器人在管道内的复杂运动。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.仿生蚯蚓机构在蠕动机器人上的应用；

在蠕动机器人方面目前也有过许多尝试，而本发明是首次基于蚯蚓运动特点提出了复合凸轮协同的一种独特的解决方案。

2.基于凸轮曲线的运动机械设计；

目前的智能机器人和结构设计中，电控部分占据了越来越大的比例，原因是电控具有良好的可移植性和可修改性，高效便捷。但实际中往往电路设计和安装部分对原有机械结构的约束影响了机构自身的优越性，同时也为机器整体带来更多的不稳定因素。而本发明利用凸轮曲线设计模拟蚯蚓蠕动解决了运动复杂性，相较于其他同类机器人运动更加稳定、传动效率高。

3.满足管道类特殊工作环境要求下的传动结构；

实现平动和实现转动给机器往往带来更大的体积约束，而本发明中选择直径相仿的万向节和凸轮连杆能够始终控制机器在整个运动过程中径向空间在结构的直径范围内，因此只要选择好与管道内径契合的结构外径，就可以满足要求地完成转动转化为平动前进。

4.利用结构特性，在极低的电控设计要求下可完成不同的运动需求；

凸轮连杆有将转动转化为平动的特性，在本发明中将驱动电机的转速转化为机器人的移动速度，将驱动电机的转动方向转化为机器人的移动方向，在契合运动场景和结构特性的条件下，将电控工作量降到了最低。

在实际实施上，针对本发明机器人在常用管道环境工作的可行性、机器动力和运行效率、机器转动的灵活性三方面，进行了如下具体验证：

本发明机器人整体呈长圆柱状，与管道形状基本相似，因此只需考虑其最大外径与管壁内径的大小比较，常见的PVC给水管取DN160系列内径大约160mm左右，而机器人在连杆完全收缩状态下的最大外径约为120mm，满足管道工作尺寸要求。

由于本发明产品凸轮6、连杆3、合页4、万向节1等均由3D打印加工完成，在满足了基本强度需求之后将重量最大化减小，使得驱动电机所需扭矩相应减少，驱动电机的体积也控制在最大外径在100mm之内，同时能提供整个机器所需的转矩、满足尺寸需求。

本本发明产品使用万向节和凸轮连杆机构配合，极大程度的减少了控制部分的工作量，并且管道自身是一个约束强的特殊环境，万向节可以不经过控制尽在管道约束下帮助机器人完成转动需求，即契合了管道场合的特殊性，又降低了电控的冗余工作，有一石二鸟的表现。

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 (4)

1.一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人，其特征在于，由多组凸轮万向节体节首尾顺次连接组成，每组所述凸轮万向节体节均包括万向节(1)、凸轮(6)、合页(4)以及连杆(3)，所述万向节(1)为十字轴式万向节，所述凸轮(6)为圆柱凸轮；同组所述凸轮万向节体节内的所述万向节(1)与所述凸轮(6)之间，以及不同组所述凸轮万向节体节的所述万向节(1)与所述凸轮(6)之间均对应相连接；每一截所述凸轮(6)的外周表面上均包覆有两条曲线槽(2)，按照机器人前进的方向定义，位于所述凸轮(6)前方的为第一凸轮曲线槽(21)，位于所述凸轮(6)后方的为第二凸轮曲线槽(22)；所述合页(4)分为第一合页和第二合页，两个所述合页(4)的内壁均固定有外端带轴承的插销，所述第一合页中插销的轴承与所述第一凸轮曲线槽(21)相配合，所述第二合页中插销的轴承与所述第二凸轮曲线槽(22)相配合，且两个所述合页(4)的内壁均包裹所述凸轮(6)的外径；所述第一合页与所述第二合页之间周向固定有多组所述连杆(3)；所述第一合页的外壁固定所述连杆(3)的其中一端，所述连杆(3)的另一端与所述第二合页的外壁固定，并且所述连杆(3)与管道内壁有摩擦；机器人的末端凸轮(6)连接电机，所述电机运行时，所述凸轮(6)和所述万向节(1)旋转，在所述轴承的帮助下所述合页(4)带动与其固定的所述连杆(3)平动；单截所述凸轮(6)上的所述第一凸轮曲线槽(21)、所述第二凸轮曲线槽(22)与各自相对应的所述第一合页、所述第二合页配合，完成连杆与管壁接触点(5)的收缩和舒张，不同截所述凸轮(6)之间通过恒定相位差协同完成机器人的蠕动前进；

所述第一凸轮曲线槽(21)与所述第二凸轮曲线槽(22)之间的间距反映所述连杆(3)的收缩与舒张状态，间距大则舒张，与管壁不接触，间距小则收缩，与管壁接触摩擦；两曲线槽(2)的间距中点反映连杆(3)中心带点的位置；

两曲线槽(2)之间的间距分为四个阶段，在第Ⅰ阶段，曲线槽间距小，连杆状态表现为与管道接触，为无法移动状态；在第Ⅱ阶段，所述第一凸轮曲线槽(21)控制与其连接的所述第一合页及相应所述连杆(3)前移，此时连杆状态表现为舒张，与管道不接触，同时中心点的位置相对前移；在第Ⅲ阶段，所述第二凸轮曲线槽(22)控制与其连接的所述第二合页及相应所述连杆(3)前移跟进，此时连杆状态表现为与管道接触，与Ⅰ状态相同，但是在Ⅰ到Ⅲ的过程中连杆中心点相对于所述凸轮(6)前进；在第Ⅳ阶段，连杆状态不变，与管道摩擦接触，但由于相对运动，表现为所述凸轮(6)整体前移，整个Ⅰ到Ⅳ的过程就完成了一次蠕动前进。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人，其特征在于，所述万向节(1)的两端均开设有键槽；所述凸轮(6)的两端设计有与所述键槽配合的平键；该机器人中的所述凸轮(6)与所述万向节(1)之间均通过联轴器以及对应的所述平键与所述键槽实现定位和配合。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人，其特征在于，机器人的末端所述凸轮(6)通过联轴器连接所述电机，且所述电机为共轴减速电机。

4.根据权利要求1所述的一种基于复合凸轮协同的管道蠕动机器人，其特征在于，所述凸轮(6)与所述万向节(1)的直径相同。

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