CN110953439B - 适应复杂管道的一体化机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应复杂管道的一体化机器人，该机器人包括主体单元、辅助支撑单元和驱动单元，其中，主体单元用于调节机器人可适应的管径范围；辅助支撑单元通过电动推杆调整万向轮位置，保障机器人在管道内运动时的姿态稳定；驱动单元包括固定平台、上位旋转平台、驱动轮和两侧驱动电机等，当两侧驱动电机同向转动时，带动机器人前进，当两侧驱动电机反向转动时，因主体单元朝向受辅助支撑单元作用保持不变，驱动轮带动上位旋转平台相对固定平台旋转，改变驱动单元的前进朝向。本发明实施例的一体化机器人应用单侧双轮驱动，使机器人可通过单侧双轮的反向驱动调整机器人的驱动方向，从而实现调整前进方向或者在直管中快速调整机器人姿态。

Description

适应复杂管道的一体化机器人

技术领域

本发明涉及管道机器人技术领域，特别涉及一种用于复杂管道内自主行走的装置。

背景技术

随着机器人技术的发展，特种条件下机器人技术研究逐渐兴起。输油输气管道长时间工作容易产生泄露等问题，且由于埋于地下难以直接检测，所以其检测问题是国内外亟待解决的重大技术问题。目前最为有效的检测方法是由携带检测设备的管道机器人直接在管道内进行检测。长输管线以长直管道为主，目前的管道机器人(以管道为主)可以较好的满足其检测要求，但城市燃气管道的情况非常复杂，会出现大量复杂管道情况，例如大角度弯头、三通管道、管道井等，现有管道机器人在面对这些复杂管道情况时，无法满足其检测需求。

针对包含三通和大曲率弯头的复杂管道，国内外已开展了相关的研究，比如美国Pipetel公司推出的串联型管道机器人。该管道机器人由多个驱动节串联组成，每个驱动节带有多个驱动轮。此类管道机器人过弯道的核心思路是采取“前拉后推”的原理，以仍处于直管中的驱动节为主要驱动源，拉动或推动处于弯道内的驱动节前进，从而实现整体机器人的过弯。该类机器人的优势在于稳定，牵引力大，但是由于机器人本身的机械结构限制，目前只能通过大弯径小角度的水平弯道，在美国广大的平原输油输气管线中使用较多，但在城市复杂管线内难以应用。而类似管道小车的机器人，由于在倾斜甚至竖直管道中缺乏足够的对管壁正压力，且本身结构往往较长等问题，在爬坡能力和过弯头、过三通管道的能力上也有所欠缺。

基于于此，亟待设计一种新型的一体化管道机器人，适用于管道情况比较复杂的城市燃气管线，解决传统管道机器人难以通过大曲率弯头、三通、竖直管道等特殊管线的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种适应复杂管道的一体化机器人。

为达到上述目的，本发明实施例提出了适应复杂管道的一体化机器人，包括：主体单元，所述主体单元包括角支架、侧端板、上下端板、直线轴承和固定杆，其中，所述上下端板通过所述直线轴承与所述固定杆相连接，使所述上下端板沿所述固定杆上下滑动，所述直线轴承与所述角支架之间通过弹簧连接，调节机器人可适应的管径范围；辅助支撑单元，所述辅助支撑单元包括电动推杆、万向轮和辅助支撑臂，其中，所述万向轮与所述所述辅助支撑臂相连接，所述辅助支撑臂与所述主体单元的固定杆相连接，使所述辅助支撑臂绕所述固定杆旋转，带动所述电动推杆调整所述万向轮位置，保障机器人在管道内运动时的姿态稳定；驱动单元，所述驱动单元包括固定平台、上位旋转平台、驱动轮、角度传递杆、弹性套杆、防滑垫圈、防滑层、两侧驱动电机和锁定层，其中，通过所述弹性套杆将所述固定平台与所述主体单元的上下端板相连接，所述上位旋转平台与所述固定平台相连接，所述上位旋转平台可相对所述固定平台无死角旋转，所述角度传递杆与所述上位旋转平台固连，以将旋转的角度传递给固定于所述上下端板的角度传感器上，精确控制机器人驱动方向，所述两侧驱动电机固定在所述上位旋转平台上，所述两侧驱动电机分别单独控制带动所述驱动轮运动，当所述两侧驱动电机同向转动时，带动机器人前进，当所述两侧驱动电机反向转动时，所述驱动轮带动所述上位旋转平台相对所述固定平台旋转，改变所述驱动单元的前进朝向。

本发明实施例的一种适应复杂管道的一体化机器人，通过调整驱动轮相对位置以及小型化设计，使得机器人能够高速通过各种角度的管道弯头以及T型接头等特殊管道接头；通过应用单侧双轮驱动机构，使得机器人可以通过单侧双轮的反向驱动调整机器人的驱动方向，从而实现调整前进方向或者在直管中快速调整机器人姿态。相对于传统的管道小车，对倾斜以及竖直管道适应性更高，驱动力更强，且对由于外力导致的管道小幅变形有一定适应能力；相对于传统的多轮式管道机器人，占用空间小，能够快速调整自身姿态能够高速通过管道弯头、接头等。

另外，根据本发明上述实施例的一种适应复杂管道的一体化机器人还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述主体单元中心垂直于所述辅助支撑单元和所述驱动单元。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述辅助支撑臂末端固定万向轮，万向轮支撑在管壁上，以实现多个方向的转动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，相邻两个辅助支撑臂之间由所述电动推杆连接，通过所述电动推杆控制万向轮之间的距离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述辅助支撑单元还包括：平行滑竿机构，所述平行滑竿机构包括固定滑轨、平行滑竿和滑槽，其中，所述平行滑竿沿所述固定滑轨运动，所述滑槽置于所述平行滑竿上，所述辅助支撑臂一端固定所述万向轮，另一端固定在所述滑槽中，当所述电动推杆伸缩时，受所述滑槽限制，所述辅助支撑臂的内侧端只能在平行滑竿上移动，使所述电动推杆的轴线与所述主体单元的侧端板保持平行。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述驱动单元还包括：有限位辅助机构，所述有限位辅助机构包括限位支撑臂、限位辅助轮和减震器，以限制机器人在直线运动过程中的倾仰角。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述上位旋转平台通过所述防滑层、所述防滑垫圈、所述锁定层与所述固定平台相连接，相对所述固定平台无死角旋转。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当机器人在直管中时，通过所述两侧驱动电机反向转动，带动所述驱动轮转动，从而带动所述上位旋转平台相对所述固定平台旋转，改变所述驱动单元的前进朝向，改变所述驱动单元前进朝向后，通过所述两侧驱动电机同向转动，使机器人快速绕管道轴线旋转，改变机器人在管道内的姿态。

进一步地，在本发明的一个实施例中，当机器人在通过弯头时，先利用所述驱动单元和所述辅助支撑单元调整自身姿态，将机器人轴线与弯头轴线平行，然后所述驱动单元前进沿管道方向转弯。

进一步地，在本发明的一个实施例中，机器人在通过三通管道时，先利用所述驱动单元和所述辅助支撑单元调整自身姿态，将机器人轴线垂直于所述三通管道所在平面，然后通过改变所述驱动单元前进方向，在机器人主体不旋转的情况下直接切换管线方向，进入所述三通管道的支线管道。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的适应复杂管道的一体化机器人立体图；

图2为根据本发明一个实施例的一体化机器人中主体单元的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的一体化机器人中辅助支撑单元的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的一体化机器人中驱动单元的结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的一体化机器人与管道关系示意图；

图6为根据本发明一个实施例的一体化机器人过弯时的基本原理图；

图7为根据本发明一个实施例的直管内一体化机器人快速调整姿态原理图，其中，a是机器人在直管中正常前进时的姿态；b是驱动单元主动改变前进方向；c是驱动单元前进，从而改变机器人在管道内的姿态；

图8为根据本发明一个实施例的一体化机器人通过弯头示意图；

图9为根据本发明一个实施例的一体化机器人通过三通原理图，其中，a是机器人在直管内运动；b是机器人在三通管道处，单侧双驱动轮反向转动，改变驱动单元前进方向；c是机器人进入三通管道支线管道；

图10为根据本发明一个实施例的运动控制***示意图。

附图标记说明：

10-一体化机器人、100-主体单元、101-角支架、102-侧端板、103-上下端板、104-直线轴承、105-固定杆、200-辅助支撑单元、201-电动推杆、202-万向轮、203-辅助支撑臂、204-固定滑轨、205-平行滑竿、206-滑槽、300-驱动单元、301-固定平台、302-上位旋转平台、303-驱动轮、304-角度传递杆、305-弹性套杆、306-防滑垫圈、307-防滑层、308-两侧驱动电机、309-锁定层、310-限位支撑臂、311-限位辅助轮、312-减震器和400-管道。

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。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的适应复杂管道的一体化机器人。

图1是本发明一个实施例的适应复杂管道的一体化机器人立体图。

如图1所示，该适应复杂管道的一体化机器人10包括：主体单元100、辅助支撑单元200和驱动单元300。其中，主体单元100中心垂直于辅助支撑单元200和驱动单元300。

如图2所示，主体单元100包括角支架101、侧端板102、上下端板103、直线轴承104和固定杆105，其中，上下端板103通过直线轴承104与固定杆105相连接，使上下端板103沿固定杆105上下滑动，调节机器人可适应的管径范围。

另外，本发明实施例中的角支架101与侧端板102设置有对应的通孔，可通过螺栓螺母连接固定，同时，固定滑轨204也通过角支架101固定在主体单元100内部。

需要说明的是，主体单元1中有较大空间，可安装所有控制元件以及电池。

如图3所示，辅助支撑单元200包括电动推杆201、万向轮202和辅助支撑臂203，其中，万向轮202与辅助支撑臂203相连接，辅助支撑臂203与主体单元100的固定杆105相连接，使辅助支撑臂203可以绕固定杆105旋转，带动电动推杆201调整万向轮202位置，保障机器人在管道内运动时的姿态稳定或在机器人失去稳定时主动调节恢复。

具体而言，辅助支撑臂203与固定杆105连接，辅助支撑臂203末端固定有万向轮202，万向轮202直接支撑在管壁上，可实现多个方向的转动。相邻两个辅助支撑臂之间由电动推杆201连接，电动推杆201可以主动控制两个万向轮202之间的距离，从而控制辅助支撑单元200的支撑管径。同时，电动推杆201有一定的弹性调节范围，即辅助支撑单元200的支撑管径也有一定的弹性适应范围，可以适应由于管道变形带来的管径小幅改变。

进一步地，为了保证机器人主体单元100前进轴线(垂直于侧端板且通过侧端板中心)与管道400轴线平行，需要保证相邻两万向轮202轴心的连线平行于本侧主体单元的侧端板102，即需要保证电动推杆201轴线与主体单元侧端板102平行，在辅助支撑单元200还设计基于滑轨的平行滑竿机构，平行滑竿机构包括固定滑轨204、平行滑竿205和滑槽206，其中，平行滑竿205可沿固定滑轨204运动，滑槽206置于平行滑竿205上，辅助支撑臂200一端固定万向轮202，另一端固定在滑槽206中。当电动推杆201伸缩时，受滑槽限制，辅助支撑臂200的内侧端只能在平行滑竿205上移动，使电动推杆201的轴线与主体单元100的侧端板102保持平行，从而保证了电动推杆轴线也与侧端面保持平行。

如图4所示，驱动单元300包括固定平台301、上位旋转平台302、驱动轮303、角度传递杆304、弹性套杆305、防滑垫圈306、防滑层307、两侧驱动电机308和锁定层309，其中，通过弹性套杆305将固定平台301与主体单元100的上下端板103相连接，上位旋转平台302与固定平台301相连接，可相对固定平台301无死角旋转，角度传递杆304与上位旋转平台302固连，以将旋转的角度传递给固定于上下端板103的角度传感器上，精确控制机器人驱动方向，两侧驱动电机308固定在上位旋转平台302上，两侧驱动电机308分别单独控制带动驱动轮303运动，当两侧驱动电机308同向转动时，带动机器人前进，当两侧驱动电机308反向转动时，驱动轮303带动上位旋转平台302相对固定平台301旋转，改变驱动单元300的前进朝向。

具体而言，驱动单元3的主要作用是提供机器人自主行走的驱动力，本发明实施例的驱动单元300采取可快速拆换的设计，通过长螺钉与弹性套杆305将驱动单元300的固定平台301与主体单元100的上下端板103相连接。上位旋转平台302通过防滑垫圈306、防滑层307、锁定层309与固定平台301相连接，可以相对固定平台301实现无死角旋转。角度传递杆304与上位旋转平台302固连，可以将其旋转的角度传递给固定于上下端板103的角度传感器上，从而实现对机器人驱动方向的精确控制。驱动电机308固定在上位旋转平台302上，两侧驱动电机308可以分别单独控制，带动驱动轮303。当两个驱动电机同向转动时，可带动整个机器人前进。而当两个驱动电机反向转动时，由于主体单元朝向受辅助支撑单元作用保持不变，驱动轮带动上位旋转平台相对固定平台旋转，从而改变驱动单元的前进朝向。

此外，驱动单元还设计有限位辅助机构，包括限位支撑臂310、限位辅助轮311和减震器312，可以限制机器人在直线运动过程中的倾仰角，从而避免机器人出现由于倾仰幅度过大导致驱动轮正压力不足的问题。

下面对本发明实施例的一体化机器人的基本工作原理进行说明。

首先，如图5所示。本发明实施例通过调整驱动轮分布，亦即调整管道机器人与管壁的接触点分布，来解决由于驱动轮与弯道管壁干涉而造成的过弯问题。并通过将机器人单元化、一体化、小型化设计，极大地提高管道机器人对管道弯头的适应能力。

当机器人在直管中时，可通过两侧驱动电机反向转动，带动驱动轮转动，从而带动上位旋转平台相对固定平台旋转，改变驱动单元的前进朝向，在改变驱动单元前进朝向后，通过两侧驱动电机同向转动，从而使机器人快速绕管道轴线旋转，改变机器人在管道内的姿态。

如图6所示，当一体化机器人通过弯头的基本原理：若管道机器人只有两个驱动轮(辅助轮不计)，通过水平弯道时，机器人驱动轴线与弯头轴线平行，则两个驱动轮经过的路径相同，从而规避了由于驱动轮过弯半径不同导致的差速问题，并且机器人的质心处于管道轴线上，这一点在管道检测方面会带来很大优势。

在实际设计过程中，为了提高机器人的驱动效率，采用单侧安装双减速电机(双减速电机之间间隔极小)的设计方案。当单侧双减速电机同向转动时，驱动单元前进，带动机器人运动；当单侧双减速电机反向转动时，由于机器人主体受辅助支撑机构作用无法转动，驱动单元相对机器人主体转动，从而改变驱动单元的前进方向。如图7所示，a是机器人在直管中正常前进时的姿态；b是驱动单元主动改变前进方向；c是驱动单元前进，从而改变机器人在管道内的姿态。

如图8所示，基于图5的过弯思路，本发明实施例的一体化机器人在通过弯头时只需先调整自身姿态，使机器人轴线(过机器人中心且垂直于辅助支撑机构平面)与弯头轴线(过弯头半径中心且垂直于弯头所在平面)平行，然后驱动电机前进即可实现沿管道方向转弯，且驱动轮之间不存在差速问题，可以保证在过弯时每个驱动轮都起到驱动作用，从而提高机器人过弯时的驱动效率。

此外，本发明实施例的一体化机器人还能够实现快速通过三通管道的目标。机器人在通过三通管道时，首先需要调整自身姿态，使机器人轴线垂直于三通管道所在平面，然后可以通过改变驱动单元前进方向，在机器人主体不旋转的情况下直接切换管线方向，通过三通管道。如图9，a是机器人在直管内运动；b是机器人在三通管道处，单侧双驱动轮反向转动，改变驱动单元前进方向；c是机器人进入三通管道支线管道。

如图10所示，对本发明实施例的一体化机器人进行模型样机的制作与检验，样机采用Arduino UNO作为控制板，通过蓝牙与电脑连接远程控制。通过L298N控制编码器电机与电动推杆，控制机器人的姿态变化。驱动单元连接角度传感器，将驱动单元相对机器人主体的角度实时反馈给控制单元，保证对驱动单元前进方向的监控。此外，机器人内部安装有姿态传感器，实时监控机器人的姿态。目前，样机已经实现了过弯头、三通、竖直管道的验证试验。

综上，根据本发明实施例提出的适应复杂管道的一体化机器人，提高了管道机器人对于复杂管线的适应能力，可以顺利通过管道弯头、三通等特殊情况；提高了管道机器人通过管道弯头、三通管道等时的驱动效率，提高了相同驱动力下机器人的带载能力；并对倾斜管道、竖直管道具有很强的适应性，和快速调整自身姿态的能力，且整体结构紧凑、姿态调整灵活、运行效率高。

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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，包括：

主体单元，所述主体单元包括角支架、侧端板、上下端板、直线轴承和固定杆，其中，所述上下端板通过所述直线轴承与所述固定杆相连接，使所述上下端板沿所述固定杆上下滑动，调节机器人可适应的管径范围；

辅助支撑单元，所述辅助支撑单元包括电动推杆、万向轮和辅助支撑臂，其中，所述万向轮与所述辅助支撑臂相连接，所述辅助支撑臂与所述主体单元的固定杆相连接，使所述辅助支撑臂绕所述固定杆旋转，带动所述电动推杆调整所述万向轮位置，保障机器人在管道内运动时的姿态稳定；

驱动单元，所述驱动单元包括固定平台、上位旋转平台、驱动轮、角度传递杆、弹性套杆、防滑垫圈、防滑层、两侧驱动电机和锁定层，其中，通过所述弹性套杆将所述固定平台与所述主体单元的上下端板相连接，所述上位旋转平台与所述固定平台相连接，相对所述固定平台无死角旋转，所述角度传递杆与所述上位旋转平台固连，以将旋转的角度传递给固定于所述上下端板的角度传感器上，精确控制机器人驱动方向，所述两侧驱动电机固定在所述上位旋转平台上，所述两侧驱动电机分别单独控制带动所述驱动轮运动，当所述两侧驱动电机同向转动时，带动机器人前进，当所述两侧驱动电机反向转动时，所述驱动轮带动所述上位旋转平台相对所述固定平台旋转，改变所述驱动单元的前进朝向。

2.根据权利要求1所述的一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，所述主体单元中心垂直于所述辅助支撑单元和所述驱动单元。

3.根据权利要求1所述的一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，所述辅助支撑臂末端固定万向轮，万向轮支撑在管壁上，以实现多个方向的转动。

4.根据权利要求1所述的一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，相邻两个辅助支撑臂之间由所述电动推杆连接，通过所述电动推杆控制万向轮之间的距离。

5.根据权利要求1所述的一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，所述辅助支撑单元还包括：

平行滑竿机构，所述平行滑竿机构包括固定滑轨、平行滑竿和滑槽，其中，所述平行滑竿沿所述固定滑轨运动，所述滑槽置于所述平行滑竿上，所述辅助支撑臂一端固定所述万向轮，另一端固定在所述滑槽中，当所述电动推杆伸缩时，受所述滑槽限制，所述辅助支撑臂的内侧端只能在平行滑竿上移动，使所述电动推杆的轴线与所述主体单元的侧端板保持平行。

6.根据权利要求1所述的一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，所述驱动单元还包括：

有限位辅助机构，所述有限位辅助机构包括限位支撑臂、限位辅助轮和减震器，以限制机器人在直线运动过程中的倾仰角。

7.根据权利要求1所述的一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，所述上位旋转平台通过所述防滑层、所述防滑垫圈、所述锁定层与所述固定平台相连接，相对所述固定平台无死角旋转。

8.根据权利要求1所述的一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，当机器人在直管中时，通过所述两侧驱动电机反向转动，带动所述驱动轮转动，从而带动所述上位旋转平台相对所述固定平台旋转，改变所述驱动单元的前进朝向，改变所述驱动单元前进朝向后，通过所述两侧驱动电机同向转动，使机器人快速绕管道轴线旋转，改变机器人在管道内的姿态。

9.根据权利要求1所述的一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，当机器人在通过弯头时，先利用所述驱动单元和所述辅助支撑单元调整自身姿态，将机器人轴线与弯头轴线平行，然后所述驱动单元前进沿管道方向转弯。

10.根据权利要求1所述的一种适应复杂管道的一体化机器人，其特征在于，机器人在通过三通管道时，先利用所述驱动单元和所述辅助支撑单元调整自身姿态，将机器人轴线垂直于所述三通管道所在平面，然后通过改变所述驱动单元前进方向，在机器人主体不旋转的情况下直接切换管线方向，进入所述三通管道的支线管道。

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