CN109578746A - 一种单体拼接式弹性管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，涉及一种单体拼接式弹性管道机器人，由N个单体机器人拼接而成；所述单体机器人包括呈“V”型的本体以及设置在本体三个端点的驱动模块；所述本体由两个弹性部组成，每个驱动模块都包括相互连接的驱动单元和行动轮，所述驱动单元用于产生驱动力并带动驱动轮转动；其中，N为正整数。本发明为了克服现有技术结构的不足，穿越管道内部障碍而提供了一种结构简洁可靠、效率高、稳点性高、越障能力强的行走方法，设计一种可用于管道内具有Y型等支撑体结构的管道内部检测。通过机器人的两种运动形式——螺旋形运动和纯环绕运动，解决了机器人在管道内部对复杂障碍的跨越、传统机器人无法到达管道内壁任意位置等技术问题。

Description

一种单体拼接式弹性管道机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及单体拼接式弹性管道机器人。

背景技术

随着我国工业、农业、制造业等众多领域的快速发展，管道给人们带来了很大的便利，由于管道在使用过程可能出现腐蚀、变形等管道损坏问题，管道机器人作为管道检测的工具，大大提高了管道的安全性。

由于管道内部的支撑结构复杂，比如有Y型、星型等支撑结构，一般传统的管道机器人在遇到这些障碍时，无法正常穿越障碍，所以需要一种既可以在管道内自由移动行走，也可以跨越障碍的管道机器人。现有的管道机器人按行走机构分类，主要有活塞移动式、蠕动移动式、履带移动式、足腿移动式和滚轮移动式等。活塞移动式原理是活塞在气缸内的移动运动，这种机械结构复杂，控制难度大，机械效率低，无法越障。蠕动移动式设计原理是模仿昆虫，这种机械结构复杂，控制难度大，且无法在管道顶部运动。履带式是模仿车辆行走。足腿式是足腿压着管壁支撑着主体，其运动较为方便灵活，缺点是在管道内部有支撑体时，将无法穿越障碍移动，无法在管道顶部行走，滚轮式行走结构是靠滚轮驱动电机驱动，这种行走方式控制简单，机械结构相对简单，但越障能力有限，也无法到达管道的顶部，只能前进后退。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单体拼接式弹性管道机器人，设计一种可用于管道内具有Y型等支撑体结构的管道内部检测，提供一种结构简洁可靠、效率高、稳点性高、越障能力强的行走方法，以克服现有技术结构的不足，实现在管道内部跨越复杂障碍，管道内侧360度行走等功能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种单体拼接式弹性管道机器人，由N个单体机器人拼接而成；所述单体机器人包括呈“V”型的本体以及设置在本体三个端点的驱动模块；所述本体由两个弹性部组成，两个弹性部的一端固定连接形成固定部；所述弹性部由弹性材料制成；每个驱动模块都包括相互连接的驱动单元和行动轮，所述驱动单元用于产生驱动力并带动驱动轮转动；其中，N为正整数。

可选地，当N≥2时，该单体拼接式弹性管道机器人由若干个相邻的单体机器人相互拼接而成；由单个的单体机器人的其中一个弹性部远离固定部的一端和与之相邻单个的单体机器人的其中一个弹性部远离固定部的一端拼接而成；相互拼接的两个弹性部共用同一个驱动模块。

可选地，所述驱动模块通过弹性装置设置在本体上。

可选地，所述弹性模块为带有套管的螺旋弹簧，所述套管套设在螺旋弹簧外侧。

可选地，所述驱动模块包括一个驱动单元以及分设在驱动单元两侧的驱动轮。

可选地，还包括设置在车身上的用于检测障碍物的传感器，以及用于控制驱动模块动作的主控制器，所述传感器采集障碍物信息后发送给主控制器，主控制器控制驱动模块进行原地平转或者螺旋前进，以跨越障碍。

可选地，每个所述驱动模块都对应地设有一个传感器，一个或多个传感器采集到障碍信息时，均发送给主控制器，主控制器控制驱动模块原地平转调整车身至所有传感器采集到无障碍，螺旋前进跨越障碍。

可选地，每个所述行动轮都对应地设有一个传感器，一个或多个传感器采集到障碍信息时，均发送给主控制器，主控制器控制驱动模块原地平转调整车身至所有传感器采集到无障碍，螺旋前进跨越障碍。

可选地，N＝2，该单体拼接式弹性管道机器人由两个单体机器人拼接组成，整体呈“M”型；两个单体机器人相拼接处共用一个驱动模块。

可选地，所述驱动模块包括一个驱动单元以及分设在驱动单元两侧的驱动轮；该单体拼接式弹性管道机器人共由4个弹性部、5个驱动单元以及10个行动轮组成。

本发明的有益效果在于：

本发明为了克服现有技术结构的不足，穿越管道内部障碍而提供了一种结构简洁可靠、效率高、稳点性高、越障能力强的行走方法，设计一种可用于管道内具有Y型等支撑体结构的管道内部检测。通过机器人的两种运动形式——螺旋形运动和纯环绕运动，解决了机器人在管道内部对复杂障碍的跨越、传统机器人无法到达管道内壁任意位置等技术问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为实施例一的整体结构示意图；

图2为实施例一在管道内的整体受力示意图；

图3为实施例一在管道内部的示意图；

图4为管道结构侧视图；

图5为实施例一在跨越障碍的第一阶段正视图；

图6为实施例一在跨越障碍的第一阶段的侧视图；

图7为实施例一在跨越障碍的第二阶段的正视图；

图8为实施例一在跨越障碍的第三阶段的正视图；

图9为实施例一在跨越障碍的第三阶段的侧视图；

图10为实施例一在跨越障碍的第四阶段的正视图；

图11为实施例二的整体结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-图11，附图中的元件标号分别表示：驱动模块1、弹性部2。

实施例一

本发明公开了一种单体拼接式弹性管道机器人，可以由多个单体机器人拼接而成，本实施例一描述只由一个单体机器人构成的单体拼接式弹性管道机器人，以描述单体机器人的运动状态。本发明中的单体拼接式弹性管道机器人主要有若干组驱动模块1及连接这些驱动模块1的本体组成。驱动模块1由电机或其它动力装置提供驱动力，弹性本体的形状类似于A或者V，三组驱动模块1分别放置于三个末端。

(1)机器人未进入管道时和在管道内整体结构状态：

未进入管道时，弹性部2处于自然松弛状态(如图1)，该自然状态或为伸直状态，或为弯曲半径大于管道半径的状态，弹性部2的长度m和管道的周长的一半相仿。

当机器人整体被放入管道后，由于本体被压缩卷曲，所以位于本体顶端的驱动模块1被压紧在管道的内壁上，从而产生足够的摩擦力，使本体附着在管道的内壁上并完成需要的运动。

(2)对机器人在管道内时进行受力分析：

将三个驱动模块1标记为a、b、c，当驱动模块a、b、c向同一方向转动，此时，驱动模块b将对弹性本体产生驱动力Fb，驱动模块c将对所连接的弹性本体产生驱动力Fc，驱动模块a将对所连接的弹性本体产生一个力Fa(方向和管道相切),Fa、Fb和Fc力方向如图2所示，因为b、c产生的力在水平方向大小相同，方向相反，在竖直方向的力方向和驱动模块a产生的力的方向相同，所以此时机器人将在管道内壁做环绕运动(顺时针或逆时针)。当驱动模块b和驱动模块c的运动方向相反时，此时驱动模块b、驱动模块c产生的力在水平方向方向相同(向左或向右)，从而完成本体的摆动(向左或者向右)。

(3)机器人在管道内的两种运动状态：

当本体的夹角平分线和管道的截面平行的时候，如图4，机器人将在管道内壁沿着截切线做纯环绕运动，即机器人的运动沿着管道轴线的方向无速度分量。

当本体利用驱动模块b和驱动模块c的反向运动产生一个角度合适的摆动后，驱动模块a、驱动模块b、驱动模块c再同向驱动，此时由于本体夹角平分线偏离了管道的截面，于是本体将在沿着管道内壁做螺旋形运动。

结合螺旋形运动和纯环绕运动可以让机器人到达管道内壁的任意位置。

(4)本体跨越障碍的过程：

当本实施例遇到管道内Y型障碍时，整体状态如图3所示。利用螺旋形运动和纯环绕运动可让本体调整到合适位置。

当驱动模块c需跨越障碍，利用驱动模块b和驱动模块c的反向运动产生一个角度合适的摆动后，驱动模块1给弹性部2的驱动力的方向(F)，以及本体整体摆动方向(D)如图5所示，使驱动模块c整体到达Y型障碍和管道的空隙处，结合螺旋形运动，实现驱动模块c穿越障碍物，跨越后状态如图7所示。

当驱动模块a需跨越障碍，驱动模块c跨越后，继续结合螺旋形运动，驱动力(F)方向和本体摆动的方向(D)如图8所示，通过摆动将驱动模块a到达空隙处，此时，再利用驱动模块b、驱动模块c反向运动将本体进行合适的摆动，由于本体夹角平分线偏离了管道的截面，于是本体将在沿着管道内壁做螺旋形运动，即可实现驱动模块a跨越障碍，跨越后状态如图9所示。

当驱动模块b需跨越障碍，驱动模块c、驱动模块a分别跨越后，只需继续控制本体沿着管道内壁做螺旋形运动即可实现驱动模块b的跨越。整体跨越后状态示意图如图10所示。

参照图1，本实施例的本体呈A字型机构(或称为V型)，由六个圆形行动轮，a、b、c三个驱动模块和两个弹性部2组成。行动轮采用摩擦系数适当的轮子，进入管道后，轮面与管道内壁相切，a、b、c驱动模块各由一个电机驱动，分别通过两根连杆连接两个行动轮，a驱动和b、c驱动通过弹性部2间接连接，处于三个末端，两个弹性部2之间由一根连接杆连接，整体结构呈A字型。

本实施例运用场景还可攀附移动与内球面，只需将弹性部2的长度和半个圆周长相仿即可稳定，还可稳定并应用于圆柱形曲面圆球面等。

实施例二

当多个单体机器人组合时，可变成其他结构体，具有同样的越障功能，如图11，M型结构(或称W型，由两个V型结构组成)在管道内的状态，由十个行动轮，五个驱动模块1，四个弹性部2组成。其运动原理为利用纯环绕运动和螺旋式摆动可实现越障效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：由N个单体机器人拼接而成；所述单体机器人包括呈“V”型的本体以及设置在本体三个端点的驱动模块；所述本体由两个弹性部组成，两个弹性部的一端固定连接形成固定部；所述弹性部由弹性材料制成；每个驱动模块都包括相互连接的驱动单元和行动轮，所述驱动单元用于产生驱动力并带动驱动轮转动；其中，N为正整数。

2.如权利要求1中所述的单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：当N≥2时，该单体拼接式弹性管道机器人由若干个相邻的单体机器人相互拼接而成；由单个的单体机器人的其中一个弹性部远离固定部的一端和与之相邻单个的单体机器人的其中一个弹性部远离固定部的一端拼接而成；相互拼接的两个弹性部共用同一个驱动模块。

3.如权利要求1中所述的单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：所述驱动模块通过弹性装置设置在本体上。

4.如权利要求3中所述的单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：所述弹性模块为带有套管的螺旋弹簧，所述套管套设在螺旋弹簧外侧。

5.如权利要求1中所述的单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：所述驱动模块包括一个驱动单元以及分设在驱动单元两侧的驱动轮。

6.如权利要求1中所述的单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：还包括设置在车身上的用于检测障碍物的传感器，以及用于控制驱动模块动作的主控制器，所述传感器采集障碍物信息后发送给主控制器，主控制器控制驱动模块进行原地平转或者螺旋前进，以跨越障碍。

7.如权利要求6中所述的单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：每个所述驱动模块都对应地设有一个传感器，一个或多个传感器采集到障碍信息时，均发送给主控制器，主控制器控制驱动模块原地平转调整车身至所有传感器采集到无障碍，螺旋前进跨越障碍。

8.如权利要求6中所述的单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：每个所述行动轮都对应地设有一个传感器，一个或多个传感器采集到障碍信息时，均发送给主控制器，主控制器控制驱动模块原地平转调整车身至所有传感器采集到无障碍，螺旋前进跨越障碍。

9.如权利要求2中所述的单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：N＝2，该单体拼接式弹性管道机器人由两个单体机器人拼接组成，整体呈“M”型；两个单体机器人相拼接处共用一个驱动模块。

10.如权利要求9中所述的单体拼接式弹性管道机器人，其特征在于：所述驱动模块包括一个驱动单元以及分设在驱动单元两侧的驱动轮；该单体拼接式弹性管道机器人共由4个弹性部、5个驱动单元以及10个行动轮组成。