CN117469519A - 一种载体机器人及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人技术领域，公开了一种载体机器人，其包括用于搭载外部功能设备的本体，本体左右两侧对称地安装有至少三对用于限制其沿管道径向移动的机械腿，各机械腿的末端均设有用于驱使机器人沿管道轴线移动的自走轮。还公开了该装载机器人在不同类型的管道中的应用方法。通过在本体上安装至少三对机械腿，能够从至少两个维度限制本体的移动，从而保障本体所搭载的外部功能设备在管道截面上与管壁的相对位置基本保持不变，进而为外部功能设备正常工作提供支持。
Description
技术领域
本发明主要涉及机器人技术领域，尤其涉及一种载体机器人及应用方法。
背景技术
随着社会的发展，人们越来越希望利用机器人来替代人类从事一些危险、困难或重复性的劳动，其中包括进入管道这种狭长空间中开展清理、探测和维修等工作。载体机器人是指能够通过搭载不同外部功能设备从而具备不同功能的机器人，由于其适用性强，目前已被广泛使用。搭载于载体机器人上的外部功能设备在管道内作业时，通常需要保证与管壁的相对位置基本不变，否则可能出现磕碰或作业质量下降等问题。现有技术中虽然存在各类装载机器人，但由于结构特征的限制，它们难以适用于狭长的管道空间，尤其难以保障其所搭载的外部功能设备与管壁的相对位置基本保持不变，从而无法满足外部功能设备的作业要求。因此，需要一种适用于管道的载体机器人，以及与之适配的应用方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种载体机器人及应用方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种载体机器人，机器人于管道内作业，其包括用于搭载外部功能设备的本体，所述本体左右两侧对称地安装有至少三对用于限制其沿管道径向移动的机械腿，各所述机械腿的末端均设有用于驱使机器人沿管道轴线移动的自走轮；位于端部的两对机械腿正向旋转、使得与之相连的自走轮与管道一侧壁面相抵，位于中部的至少一对机械腿反向旋转、使得与之相连的自走轮与管道的对侧壁面相抵。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述自走轮包括安装在机械腿末端的轮体，以及与机械腿固定、用于驱使轮体旋转的轮毂电机。
所述本体还安装有用于驱动各机械腿旋转的关节电机，其能够驱使位于中部的至少一对机械腿三百六十度旋转。
所述本体安装有用于控制机械腿旋转角度和自走轮旋转速度的主控器，其分别与轮毂电机、关节电机以及用于获取轮体接地压力大小的传感器信号相连。
所述轮体外表面设有防滑层。
然后，本发明公开了一种载体机器人在水平状管道中的应用方法，所述应用方法适用于上述的载体机器人，包括以下步骤：
步骤A1，将外部功能设备与本体固定，并将二者的结合体置于水平状管道中；
步骤A2，位于端部的两对机械腿向本体下方旋转以推动本体向上移动，直至外部功能设备到达水平状管道断面内的预设位置；
步骤A3，位于中部的机械腿旋转使得自走轮与水平状管道内壁贴合，其中至少一对自走轮位于本体上方；
步骤A4，自走轮旋转使得结合体沿水平状管道的轴线移动。
然后，本发明公开了一种载体机器人在倾斜状管道中的应用方法，所述应用方法适用于上述的载体机器人，包括以下步骤：
步骤B1，将外部功能设备与本体固定，并将二者的结合体置于倾斜状管道中；
步骤B2，位于端部的两对机械腿向本体下方旋转以推动本体向上移动，直至外部功能设备到达倾斜状管道断面内的预设位置；
步骤B3，位于中部的机械腿旋转使得自走轮与倾斜状管道内壁贴合，其中至少一对自走轮位于本体上方；
步骤B4，关节电机驱使向本体下方旋转的机械腿继续向下旋转、同步驱使向本体上方旋转的机械腿继续向上旋转，直至各自走轮与倾斜状管道内壁的摩擦力能够避免结合体沿倾斜状管道下方滑移；
步骤B5，自走轮旋转使得结合体沿倾斜状管道的轴线移动。
然后，本发明公开了一种载体机器人在竖直状管道中的应用方法，所述应用方法适用于上述的载体机器人，包括以下步骤：
步骤C1，将外部功能设备与本体固定，并将二者的结合体置于竖直状管道中；
步骤C2，位于端部的两对机械腿向本体一方旋转以推动本体反向移动，直至外部功能设备到达竖直状管道断面内的预设位置；
步骤C3，位于中部的机械腿旋转使得自走轮与竖直状管道内壁贴合，其中至少一对自走轮位于本体另一方；
步骤C4，关节电机驱使向本体一方旋转的机械腿继续向该方旋转、同步驱使向本体另一方旋转的机械腿继续向该方旋转，直至各自走轮与竖直状管道内壁的摩擦力能够避免结合体下坠；
步骤C5，自走轮旋转使得结合体沿竖直状管道的轴线移动。
然后，本发明公开了一种载体机器人在三叉状管道或弯折状管道中的应用方法，所述应用方法适用于上述的载体机器人；三叉状管道包括水平管段和与之中部相连通的竖直管段；弯折状管道包括首尾相连的水平管段和竖直管段；包括以下步骤：
步骤D1，将外部功能设备与本体固定，并将二者的结合体置于水平管段中；
步骤D2，位于端部的两对机械腿向本体下方旋转以推动本体向上移动，直至外部功能设备到达水平管段断面内的预设位置；
步骤D3，位于中部的机械腿旋转使得自走轮与水平管段内壁贴合，其中至少一对自走轮位于本体上方；
步骤D4，自走轮旋转使得结合体沿水平管段的轴线移动；
步骤D5，当到达水平管段与竖直管段的交叉口时，自走轮暂停旋转，各机械腿通过旋转使得结合体由水平状改变成竖直状；
步骤D6，自走轮再次旋转使得结合体沿竖直管段的轴线移动。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述步骤D5包括：
步骤D51，向本体上方旋转的机械腿反向旋转至本体下方，并使与之相连的自走轮与管道内壁贴合；
步骤D52，位于前端的机械腿旋转、使得与之相连的自走轮与竖直管段的前侧内壁贴合；
步骤D53，位于中部的机械腿旋转、使得与之相连的自走轮与竖直管段的后侧内壁贴合，且位于后端的机械腿同时旋转、使得本体由水平状改变成竖直状；
步骤D54，同时旋转位于中部的机械腿和位于前端的机械腿，使得外部功能设备到达竖直管段断面内的预设位置；
步骤D55，关节电机驱使位于前端的机械腿继续向前旋转、同步驱使位于中部的机械腿继续向后旋转，直至与二者相连的各自走轮与管道内壁的摩擦力能够避免结合体下坠；
步骤D56，自走轮旋转使得结合体沿竖直管段的轴线移动，同时位于后端的机械腿向前旋转，使得与之相连的自走轮与竖直管段的前侧内壁贴合。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过在本体上安装至少三对机械腿，能够从至少两个维度限制本体的移动，从而保障本体所搭载的外部功能设备在管道截面上与管壁的相对位置基本保持不变，进而为外部功能设备正常工作提供支持。
附图说明
图1是载体机器人的结构示意图；
图2是载体机器人在水平状管道中的运动过程示意图；
图3是载体机器人在倾斜状管道中的运动过程示意图；
图4是载体机器人在竖直状管道中的运动过程示意图；
图5是载体机器人在三叉状管道中的运动过程示意图。
图中各标号表示：1、外部功能设备；2、本体；3、管道；31、水平管段；32、竖直管段；4、机械腿；5、自走轮；51、轮体；52、轮毂电机。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
如图1所示，本实施例的载体机器人，机器人于管道3内作业，其包括用于搭载外部功能设备1的本体2，本体2左右两侧对称地安装有三对用于限制其沿管道3径向移动的机械腿4，各机械腿4的末端均设有用于驱使机器人沿管道3轴线移动的自走轮5；位于端部的两对机械腿4正向旋转、使得与之相连的自走轮5与管道3一侧壁面相抵，位于中部的至少一对机械腿4反向旋转、使得与之相连的自走轮5与管道3的对侧壁面相抵。具体的，本体2上设有若干连接机构，外部功能设备1经其与本体2进行可拆卸的连接；其中，位于本体2上方的连接机构连接有一摄像装置。当搭载有摄像装置的本体2进入管道3后，位于端部的两对机械腿4向下旋转、使得与之相连的自走轮5与管道3底面相抵，于是这两对机械腿4能够起到向上支撑本体2的作用；而位于中部的一对机械腿4向上旋转、使得与之相连的自走轮5与管道3顶面相抵（且这对自走轮5的高度高于摄像装置），于是这对机械腿4能够起到避免本体2在移动过程中向上抬升的作用，进而能够避免摄像装置与管道3上壁刮擦、挤压。也就是说，通过在本体2上安装三对机械腿4，能够从至少两个维度限制本体2的移动，从而保障本体2所搭载的外部功能设备1在管道3截面上与管壁的相对位置基本保持不变，进而为外部功能设备1正常工作提供支持。
本实施例中，自走轮5包括安装在机械腿4末端的轮体51，以及与机械腿4固定、用于驱使轮体51旋转的轮毂电机52。通过设置轮毂电机52，其能够驱动轮体51沿正向或反向旋转，在轮体51的带动下，本体2能够在管道3进行移动。
本实施例中，本体2还安装有用于驱动各机械腿4旋转的关节电机，其能够驱使位于中部的至少一对机械腿4三百六十度旋转。每一机械腿4对应设置有一关节电机，关节电机内置于本体2，在附图中未示出。关节电机独立运行，从而能够单独驱使各机械腿4独立旋转，其中，位于中部的至少一对机械腿4能够在对应关节电机的驱动下发生三百六十度旋转。同时，为了避免各机械腿4发生干涉，相互之间采取避让措施，如在本实施例中，本体2中段向两侧外凸，从而使得位于中部的机械腿4能够与位于两端的机械腿4形成错位。
本实施例中，本体2安装有用于控制机械腿4旋转角度和自走轮5旋转速度的主控器，其分别与轮毂电机52、关节电机以及用于获取轮体51接地压力大小的传感器信号相连。利用传感器获取自走轮5的接地压力为现有技术，通过设置主控器，其利用传感器获取到的接地压力值，并结合管道3的倾斜角度、机器人与外部功能设备1的重量，以及管道3与自走轮5之间的摩擦系数等数据，便可计算获得摩擦力的大小，从而为各机械腿4的翻转角度计算提供依据。需要说明的是，利用压力大小、摩擦系数、倾斜角度以及物体重量计算摩擦力的方式为公知常识，再次不做赘述。同时，通过设置主控器，可以对轮毂电机52和关节电机进行控制，从而实现预设效果。
本实施例中，轮体51外表面设有防滑层。通过在轮体51的表面设置防滑层，能够有效增大轮体5与管道3壁面之间的摩擦力，从而能够防止或者减少机器人在倾斜或竖直状的管道3内打滑。
然后，本发明还公开了载体机器人在水平状管道中的应用方法，如图2所示，在其一实施例中，应用方法适用于上述的载体机器人，包括以下步骤：
步骤A1，将外部功能设备1与本体2固定，并将二者的结合体置于水平状管道3中；
步骤A2，位于端部的两对机械腿4向本体2下方旋转以推动本体2向上移动，直至外部功能设备1到达水平状管道3断面内的预设位置；
步骤A3，位于中部的机械腿4旋转使得自走轮5与水平状管道3内壁贴合，其中至少一对自走轮5位于本体2上方；
步骤A4，自走轮5旋转使得结合体沿水平状管道3的轴线移动。
通过上述步骤，使得机械腿4一方面能够支撑本体2和外部功能设备1，另一方面能够从两个维度限制本体2和外部功能设备1在管道3截面上与管壁的相对位置发生改变，从而保障本体2所搭载的外部功能设备1在管道3截面上与管壁的相对位置基本保持不变，进而为外部功能设备1正常工作提供支持。
然后，本发明还公开了载体机器人在倾斜状管道中的应用方法，如图3所示，在其一实施例中，应用方法适用于上述的载体机器人，包括以下步骤：
步骤B1，将外部功能设备1与本体2固定，并将二者的结合体置于倾斜状管道3中；
步骤B2，位于端部的两对机械腿4向本体2下方旋转以推动本体2向上移动，直至外部功能设备1到达倾斜状管道3断面内的预设位置；
步骤B3，位于中部的机械腿4旋转使得自走轮5与倾斜状管道3内壁贴合，其中至少一对自走轮5位于本体2上方；
步骤B4，关节电机驱使向本体2下方旋转的机械腿4继续向下旋转、同步驱使向本体2上方旋转的机械腿4继续向上旋转，直至各自走轮5与倾斜状管道3内壁的摩擦力能够避免结合体沿倾斜状管道3下方滑移；
步骤B5，自走轮5旋转使得结合体沿倾斜状管道3的轴线移动。
通过上述步骤，使得机械腿4一方面能够支撑本体2和外部功能设备1，另一方面能够从两个维度限制本体2和外部功能设备1在管道3截面上与管壁的相对位置发生改变，从而保障本体2所搭载的外部功能设备1在管道3截面上与管壁的相对位置基本保持不变，进而为外部功能设备1正常工作提供支持。
然后，本发明还公开了载体机器人在竖直状管道中的应用方法，如图4所示，在其一实施例中，应用方法适用于上述的载体机器人，包括以下步骤：
步骤C1，将外部功能设备1与本体2固定，并将二者的结合体置于竖直状管道3中；
步骤C2，位于端部的两对机械腿4向本体2一方旋转以推动本体2反向移动，直至外部功能设备1到达竖直状管道3断面内的预设位置；
步骤C3，位于中部的机械腿4旋转使得自走轮5与竖直状管道3内壁贴合，其中至少一对自走轮5位于本体2另一方；
步骤C4，关节电机驱使向本体2一方旋转的机械腿4继续向该方旋转、同步驱使向本体2另一方旋转的机械腿4继续向该方旋转，直至各自走轮5与竖直状管道3内壁的摩擦力能够避免结合体下坠；
步骤C5，自走轮5旋转使得结合体沿竖直状管道3的轴线移动。
通过上述步骤，使得机械腿4能够从两个维度限制本体2和外部功能设备1在管道3截面上与管壁的相对位置发生改变，从而保障本体2所搭载的外部功能设备1在管道3截面上与管壁的相对位置基本保持不变，进而为外部功能设备1正常工作提供支持。
然后，本发明还公开了载体机器人在三叉状管道或弯折状管道中的应用方法，如图5所示，在其一实施例中，应用方法适用于上述的载体机器人；三叉状管道3包括水平管段31和与之中部相连通的竖直管段32；包括以下步骤：
步骤D1，将外部功能设备1与本体2固定，并将二者的结合体置于水平管段31中；
步骤D2，位于端部的两对机械腿4向本体2下方旋转以推动本体2向上移动，直至外部功能设备1到达水平管段31断面内的预设位置；
步骤D3，位于中部的机械腿4旋转使得自走轮5与水平管段31内壁贴合，其中至少一对自走轮5位于本体2上方；
步骤D4，自走轮5旋转使得结合体沿水平管段31的轴线移动；
步骤D5，当到达水平管段31与竖直管段32的交叉口时，自走轮5暂停旋转，各机械腿4通过旋转使得结合体由水平状改变成竖直状；
步骤D6，自走轮5再次旋转使得结合体沿竖直管段32的轴线移动。
本实施例中，步骤D5包括：
步骤D51，向本体2上方旋转的机械腿4反向旋转至本体2下方，并使与之相连的自走轮5与管道3内壁贴合；
步骤D52，位于前端的机械腿4旋转、使得与之相连的自走轮5与竖直管段32的前侧内壁贴合；
步骤D53，位于中部的机械腿4旋转、使得与之相连的自走轮5与竖直管段32的后侧内壁贴合，且位于后端的机械腿4同时旋转、使得本体2由水平状改变成竖直状；
步骤D54，同时旋转位于中部的机械腿4和位于前端的机械腿4，使得外部功能设备1到达竖直管段32断面内的预设位置；
步骤D55，关节电机驱使位于前端的机械腿4继续向前旋转、同步驱使位于中部的机械腿4继续向后旋转，直至与二者相连的各自走轮5与管道3内壁的摩擦力能够避免结合体下坠；
步骤D56，自走轮5旋转使得结合体沿竖直管段32的轴线移动，同时位于后端的机械腿4向前旋转，使得与之相连的自走轮5与竖直管段32的前侧内壁贴合。
通过上述步骤，使得机械腿4能够从两个维度限制本体2和外部功能设备1在管道3截面上与管壁的相对位置发生改变，从而保障本体2所搭载的外部功能设备1在管道3截面上与管壁的相对位置基本保持不变，进而为外部功能设备1正常工作提供支持。同时，还能实现机器人在水平管段31和竖直管段32间的转移。
弯折状管道3包括首尾相连的水平管段31和竖直管段32，机器人在弯折状管道3中的运动过程与在三叉状管道3中的运动过程基本相同，在此不重复记载。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种载体机器人，其特征在于：机器人于管道（3）内作业，其包括用于搭载外部功能设备（1）的本体（2），所述本体（2）左右两侧对称地安装有至少三对用于限制其沿管道（3）径向移动的机械腿（4），各所述机械腿（4）的末端均设有用于驱使机器人沿管道（3）轴线移动的自走轮（5）；位于端部的两对机械腿（4）正向旋转、使得与之相连的自走轮（5）与管道（3）一侧壁面相抵，位于中部的至少一对机械腿（4）反向旋转、使得与之相连的自走轮（5）与管道（3）的对侧壁面相抵。
2.根据权利要求1所述的载体机器人，其特征在于：所述自走轮（5）包括安装在机械腿（4）末端的轮体（51），以及与机械腿（4）固定、用于驱使轮体（51）旋转的轮毂电机（52）。
3.根据权利要求2所述的载体机器人，其特征在于：所述本体（2）还安装有用于驱动各机械腿（4）旋转的关节电机，其能够驱使位于中部的至少一对机械腿（4）三百六十度旋转。
4.根据权利要求3所述的载体机器人，其特征在于：所述本体（2）安装有用于控制机械腿（4）旋转角度和自走轮（5）旋转速度的主控器，其分别与轮毂电机（52）、关节电机以及用于获取轮体（51）接地压力大小的传感器信号相连。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的载体机器人，其特征在于：所述轮体（51）外表面设有防滑层。
6.一种载体机器人在水平状管道中的应用方法，其特征在于：适用于权利要求1-5中任一项所述的载体机器人，包括以下步骤：
步骤A1，将外部功能设备（1）与本体（2）固定，并将二者的结合体置于水平状管道（3）中；
步骤A2，位于端部的两对机械腿（4）向本体（2）下方旋转以推动本体（2）向上移动，直至外部功能设备（1）到达水平状管道（3）断面内的预设位置；
步骤A3，位于中部的机械腿（4）旋转使得自走轮（5）与水平状管道（3）内壁贴合，其中至少一对自走轮（5）位于本体（2）上方；
步骤A4，自走轮（5）旋转使得结合体沿水平状管道（3）的轴线移动。
7.一种载体机器人在倾斜状管道中的应用方法，其特征在于：适用于权利要求1-5中任一项所述的载体机器人，包括以下步骤：
步骤B1，将外部功能设备（1）与本体（2）固定，并将二者的结合体置于倾斜状管道（3）中；
步骤B2，位于端部的两对机械腿（4）向本体（2）下方旋转以推动本体（2）向上移动，直至外部功能设备（1）到达倾斜状管道（3）断面内的预设位置；
步骤B3，位于中部的机械腿（4）旋转使得自走轮（5）与倾斜状管道（3）内壁贴合，其中至少一对自走轮（5）位于本体（2）上方；
步骤B4，机械腿（4）继续旋转以贴紧管壁，直至各自走轮（5）与倾斜状管道（3）内壁的摩擦力能够避免结合体沿倾斜状管道（3）下方滑移；
步骤B5，自走轮（5）旋转使得结合体沿倾斜状管道（3）的轴线移动。
8.一种载体机器人在竖直状管道中的应用方法，其特征在于：适用于权利要求1-5中任一项所述的载体机器人，包括以下步骤：
步骤C1，将外部功能设备（1）与本体（2）固定，并将二者的结合体置于竖直状管道（3）中；
步骤C2，位于端部的两对机械腿（4）向本体（2）一方旋转以推动本体（2）反向移动，直至外部功能设备（1）到达竖直状管道（3）断面内的预设位置；
步骤C3，位于中部的机械腿（4）旋转使得自走轮（5）与竖直状管道（3）内壁贴合，其中至少一对自走轮（5）位于本体（2）另一方；
步骤C4，机械腿（4）继续旋转以贴紧管壁，直至各自走轮（5）与竖直状管道（3）内壁的摩擦力能够避免结合体下坠；
步骤C5，自走轮（5）旋转使得结合体沿竖直状管道（3）的轴线移动。
9.一种载体机器人在三叉状管道或弯折状管道中的应用方法，其特征在于：适用于权利要求1-5中任一项所述的载体机器人；三叉状管道（3）包括水平管段（31）和与之中部相连通的竖直管段（32）；弯折状管道（3）包括首尾相连的水平管段（31）和竖直管段（32）；包括以下步骤：
步骤D1，将外部功能设备（1）与本体（2）固定，并将二者的结合体置于水平管段（31）中；
步骤D2，位于端部的两对机械腿（4）向本体（2）下方旋转以推动本体（2）向上移动，直至外部功能设备（1）到达水平管段（31）断面内的预设位置；
步骤D3，位于中部的机械腿（4）旋转使得自走轮（5）与水平管段（31）内壁贴合，其中至少一对自走轮（5）位于本体（2）上方；
步骤D4，自走轮（5）旋转使得结合体沿水平管段（31）的轴线移动；
步骤D5，当到达水平管段（31）与竖直管段（32）的交叉口时，自走轮（5）暂停旋转，各机械腿（4）通过旋转使得结合体由水平状改变成竖直状；
步骤D6，自走轮（5）再次旋转使得结合体沿竖直管段（32）的轴线移动。
10.根据权利要求9所述的载体机器人在三叉状管道或弯折状管道中的应用方法，其特征在于：所述步骤D5包括：
步骤D51，位于本体（2）上方的机械腿（4）旋转至本体（2）下方，并使与之相连的自走轮（5）与管道（3）内壁贴合；
步骤D52，位于前端的机械腿（4）旋转、使得与之相连的自走轮（5）与竖直管段（32）的前侧内壁贴合；
步骤D53，位于中部的机械腿（4）旋转、使得与之相连的自走轮（5）与竖直管段（32）的后侧内壁贴合，且位于后端的机械腿（4）同时旋转、使得本体（2）由水平状改变成竖直状；
步骤D54，同时旋转位于中部的机械腿（4）和位于前端的机械腿（4），使得外部功能设备（1）到达竖直管段（32）断面内的预设位置；
步骤D55，机械腿（4）继续旋转以贴紧管壁，直至与二者相连的各自走轮（5）与管道（3）内壁的摩擦力能够避免结合体下坠；
步骤D56，自走轮（5）旋转使得结合体沿竖直管段（32）的轴线移动，同时位于后端的机械腿（4）向前旋转，使得与之相连的自走轮（5）与竖直管段（32）的前侧内壁贴合。
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