基于气动肌腱气动管道机器人系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于气动肌腱气动管道机器人系统，其包括依次连接的支撑模块一、伸缩模块、支撑模块二，该伸缩模块采用气动肌腱。本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统基于仿生学蠕动方式，采用外接气源，多节蠕动的形式，利用气动元件设计的简单易行气动管道机器人，结构简单，易操作，可通过弯曲管道，并配上相应的作业机构即可实现管道监测维修等工作。本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统动力大，动态特性好，密封良好，适用于各种管道环境。
【专利说明】
基于气动肌腱气动管道机器人系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机械领域，具体涉及一种管道内使用的机器人。
【【背景技术】】
[0002]在城市污水、天然气输送、工业物料运输、给排水和建筑物通风系统等领域里，管道作为一种有效的物料输送手段而广泛应用。管道在长期的使用中难免会破裂、堵塞、积污，为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护等，但是管道的检测、清理、维护却不是很方便，往往为了寻找管道上的一个裂纹而花费大量的人力和物力。而目前管道检测和维护多采用管道机器人来进行。所谓管道机器人就是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器件如位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器等以及操作机械如管道裂纹与管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、操作手、喷枪、刷子等，在工作人员的遥控操纵或计算机控制下可在极其恶劣的环境中，能够完成一系列管道检测维修作业的机电一体化系统。管道机器人可完成的管道作业有:生产、施工过程中的管道内外质量检测；管道内部清扫、抛光、焊接、喷涂等维护;对接焊缝的探伤、补口作业；旧管道腐蚀程度、破损情况检测和泄漏预报等等。
[0003 ]现有技术的管道机器人的驱动源大致有以下几种:微型电机、压电驱动、形状记忆合金(SMA)、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动等。
[0004]根据动力源来分主要有利用管道流体压力驱动、自驱动、管外加推力的机器人。利用管道流体压力驱动的管道机器人，如图1所示，该机器人分为多节，利用与管道密封的橡胶环(皮碗)，相当于活塞，在输油管内压力油作用下，推动检测机器人向前行走，主要由探头101、高压密封件102、电机仓103、电池仓104、仪器仓105、仪器仓106、万向节107、里程仓108、清管器109和皮碗110组成，依靠管内流体的压力差产生驱动力，随着管内流体的流动方向向前移动，并可携带多种传感器，但是该管道机器人自身没有行走能力，其移动速度、检测区域不易控制。
[0005]自驱动类型管道机器人包括有轮式、脚式、爬行式、蠕动式，还包括履带式等，如图2所示，现有技术轮式管内移动机器人，前部带有一部微型CCD摄像机，能分辨管内异物并用微型机械手实现清理，胶管联接可过弯管，适应管径:Φ 25mm;行走速度:0.36m/min;自重:16g。该机器人采用多轮驱动式为了增加牵引力，由于驱动轮201的轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。图3所示为脚式微管道机器人，通过支脚301可在管道里移动，其基本原理是利用支脚推压管来支撑个体，但该类型的管道机器人承重能力有限，结构较为复杂，操作不灵活。图4所示为小型蠕动机器人系统，由蠕动体401和电致伸缩位移器402、403、404组成，蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感应，机器人的外形尺寸为150X61X46mm，重2Kg，最大步距ΙΟμπι，行程40mm，运动精度0.2m，该管道机器人的自重太重，步距太小，操作不灵活，难以适应不同结构和尺寸的管道。
[0006]管外加推力的机器人如图5所示，“螺旋原理”的微型机器人，利用在管道外的电机501推动带有弹性线502的推动驱动部件503前进，前端设有CCD摄像机504，该类型管道机器人结构较为复杂，操作不灵活，难以适应不同结构和尺寸的管道，外加推力使得机器人使用范围有限，且受到动力源的限制。
[0007]因此，提供一种可以在管道内自由地行走，具有一定的承载能力，结构简单，容易操作的管道机器人实为必要。
【
【发明内容】
】
[0008]本实用新型的目的在于提供一种可以在管道内自由地行走，具有一定的承载能力，结构简单的基于气动肌腱气动管道机器人系统。
[0009]为实现本实用新型目的，提供以下技术方案:
[0010]本实用新型提供一种基于气动肌腱气动管道机器人系统，其包括依次连接的支撑模块一、伸缩模块、支撑模块二，该伸缩模块采用气动肌腱。
[0011]气动肌腱仿生肌肉，主要由中空的人造橡胶缸筒构成，气动肌腱由一个收缩系统和连接器组成，这个收缩系统由一段被高强度纤维包裹的密封橡胶管组成，纤维形成了一个三维的菱形网状结构，当当气动肌腱内充满空气内部有压力时，管道就在球面方向上扩张，其直径增加，长度缩短，因此产生了拉伸力和肌腱纵向的收缩运动，形成一种流畅的弹性运动。拉伸力在收缩开始时最大，并与行程成线性比例关系减小。气动肌腱的可使用工作行程高达其额定长度的25%。气动肌腱主要被用于单作用气缸和气弹簧使用。气动肌腱的运用不仅使运动序列在运动学、速度和强度方面更接近人体的运动，在灵敏度方面也是如此。气动肌腱坚固耐用，其作用力比相同尺寸的气缸大10倍，也能在多尘土或沙石的极端条件下使用。气动肌腱速度快，加速性能好。本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统的设计来源于蚯蚓、蚂蟥的爬行动作，即用蠕动方式进行前进。机器人采用外接气源，多节蠕动的形式，基于仿生学蠕动方式，利用气动元件设计的简单易行基于气动肌腱气动管道机器人系统，结构简单，运动速度快、性能好，易操作，可通过弯曲管道，并配上相应的作业机构即可实现管道监测维修等工作。
[0012]气动肌腱力和负载关系:气动肌腱的额定长度是在无压力、无负载的情况下定义的。它相当于接口间可见的那部分肌腱的长度，当气动肌腱受外力作用预拉伸时，它就被拉长了；另一方面，当受压时，肌腱收缩，其长度减小。
[0013]气动肌腱一般作为单作用驱动器:在简单的情况下，气动肌腱用作单作用驱动器，负载不变，假设气动肌腱上该负载一直存在，在没有压力的情况下，肌腱将从原始状态被拉伸一段长度，这是考虑气动肌腱技术特性的一种理想工作状态；当加压时，气动肌腱在预拉伸状态下有最大的输出力和最佳动态性能，并且耗气量最小，在这种情况下，可用的力也最大。如果要求气动肌腱在扩张状态时无作用力，首先就要加上用于提升负载的作用力，利用它的运动来移动作用力小的元件。
[0014]优选的，该伸缩模块与支撑模块一、支撑模块二之间通过关节轴承连接。
[0015]优选的，该关节轴承为球面轴承。球面轴承中的球面副使得两个支撑模块相对于伸缩模块可以绕动一个空间角度Θ，机器人因此具备了过弯的能力。
[0016]优选的，该支撑模块一、支撑模块二分别包括支撑气缸、导向轮。
[0017]优选的，该支撑气缸末端设有支撑块。通过支撑气缸驱动支撑块来做支撑更为稳固。该支撑模块的结构可以根据需要调整不同长度的，以适应不同内径的管道。
[0018]优选的，该支撑块为弧形键。弧形键的支撑更贴合管道，可以适应各种管壁情况。
[0019]优选的，该支撑模块一、支撑模块二分别设有两个支撑气缸和四个导向轮。
[0020]优选的，该支撑模块一、支撑模块二分别设有呈十字形式设置的两个支撑气缸和两个导向轮。
[0021]优选的，该支撑模块一、支撑模块二分别设有呈三点式结构设置的一个支撑气缸和两个导向轮。该结构可以避免负载过重所导致的导向轮移位。
[0022]对比现有技术，本实用新型具有以下优点:
[0023]本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统的设计来源于蚯蚓、蚂蟥的爬行动作，基于仿生学蠕动方式，即用蠕动方式进行前进。机器人采用外接气源，机器人主体部分可以较好地适应潮湿的环境。多节蠕动的形式，主体部分采用三段式结构，由关节轴承联接而成，蠕动实现过弯管道的功能，利用气动元件设计的简单易行气动管道机器人，结构简单，易操作，可通过弯曲管道，并配上相应的作业机构即可实现管道监测维修等工作。气动肌腱本身即可实现往复的直线运动，简化了机构。我们的机器人可以在管道内自由地行走，具有一定的承载能力，可以成为管道检测、清洗设备的载体，使得管道的检测，清洁等工作易于实现。该基于气动肌腱气动管道机器人系统的支撑模块结构可以根据需要调整不同长度的，以适应不同内径的管道。
[0024]采用气动肌腱作为伸缩模块，而气动肌腱具有很多优势:(I)动力较大，初始力比同缸径的传统气缸大10倍，使得机器人具有承担一定负载的能力，通过调节气压可以实现动力大小的调节；(2)即使在重载情况下，动态特性好；(3)无移动机械部件；(4)慢速移动时也无跳动和爬行现象；(5)无需使用位移传感器；(6)密封良好，分隔驱动器内空气和周围空气；(7)适用于充满粉尘和污脏的环境；(8)结构坚固。
【【附图说明】】
[0025]图1是现有技术利用管内流体压力的管道机器人的结构示意图；
[0026]图2是现有技术轮式自驱动的管道机器人的结构示意图；
[0027]图3是现有技术脚式自驱动的管道机器人的结构示意图；
[0028]图4是现有技术蠕动体结构的管道机器人的结构示意图；
[0029]图5是现有技术管道外驱动力的管道机器人的结构示意图；
[0030]图6是本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统实施例一的结构示意图；
[0031 ]图7是本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统实施例二的结构示意图；
[0032]图8是本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统支撑模块的十字形式结构示意图；
[0033]图9是本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统支撑模块的三点式结构示意图；
[0034]图10是本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统实施例三的结构正视图；
[0035]图11是本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统实施例三的立体视图；
[0036]图12是本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统实施例三的侧面视图；
[0037]图13是本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统运动原理示意图。【【具体实施方式】】
[0038]请参阅图6，本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统包括依次连接的支撑模块一、伸缩模块、支撑模块二，该伸缩模块采用气动肌腱605，该伸缩模块与支撑模块一、支撑模块二之间通过关节轴承连接，该关节轴承为球面轴承604。球面轴承中的球面副使得两个支撑模块相对于伸缩模块可以绕动一个空间角度Θ，机器人因此具备了过弯的能力。[0039 ]本实施例中，该支撑模块一、支撑模块二分别设有两个支撑气缸602和四个导向轮601，该四个导向轮601两两分布在支撑气缸602前后，使驱动前进时运动更平稳。该支撑气缸602末端设有支撑块603。通过支撑气缸驱动支撑块来做支撑更为稳固。
[0040]请参阅图7，实施例二与实施例一不同的是该支撑气缸末端设置弧形键701。弧形键的支撑更贴合管道，可以适应各种管壁情况。
[0041]请参阅图8和9，该支撑模块一、支撑模块二上设置的气缸和导向轮可以有多种实施方式，图8中支撑模块一、支撑模块二上分别设有呈十字形式设置的两个支撑气缸602和两个导向轮601。图9中该支撑模块一、支撑模块二分别设有呈三点式结构设置的一个支撑气缸602和两个导向轮601，该结构可以避免负载过重所导致的导向轮移位。
[0042]请参阅图10?12，实施例三的基于气动肌腱气动管道机器人系统包括依次连接的支撑模块一、伸缩模块、支撑模块二，该伸缩模块采用气动肌腱801，其两端分别通过转接头812、肌腱连接件811、关节轴承807与支撑模块一、支撑模块二连接，该支撑模块一、支撑模块二均包括支撑板804、安装在支撑板上的支撑气缸802、导向轮803，该支撑板804上设有轴承固定环808，用于与所述关节轴承807安装连接，该关节轴承为球面轴承。
[0043]该支撑板804为三角板，如图所示，支持板804上设有安装槽，分别安装有两个支撑气缸802和一个导向轮支架806，导向轮支架上安装所述导向轮803。该支持气缸802末端设有弧形键805。
[0044]该支持板804的安装槽上还安装有换向阀安装板809、控制器安装板813。换向阀安装板809上安装换向阀810，该控制器安装板813上安装控制器814，以控制该气动管道机器人的运行。
[0045]请参阅图13，以实施例二为例说明本实用新型基于气动肌腱气动管道机器人系统工作原理。
[0046]机器人向后爬行的工作过程(请结合参阅图12中a?f所示):
[0047]a、初始状态，前后的两组支撑气缸均处于伸出状态(支撑状态)，气动肌腱收缩，机器人靠支撑气缸上的弧形键触手摩擦力的作用停留在管道中；
[0048]b、上方支撑模块一的支撑气缸收缩，支撑模块一靠着模块上的导向轮支撑前头部分；
[0049]C、气动肌腱充气后膨胀，支撑模块一向下移动一个活动行程，机器人沿管道内壁向下运动；
[0050]d、支撑模块一的支撑气缸撑开，弧形键摩擦力的作用使支撑模块一固定于管道；
[0051]e、支撑模块二的支持气缸收缩，支撑模块二靠着模块上的导向轮支撑后头部分；
[0052]f、气动肌腱收缩，支撑模块二向下移动一个活动行程，同时机器人沿管道内壁向下运动;该步骤以后机器人的状态恢复至a状态，重复以上的动作，机器人不断向下移动。
[0053]机器人向前爬行的工作过程与上述向后爬行的工作过程相反:
[0054]1、初始状态，前后的两组气缸均处于伸出状态(支撑状态)，气动肌腱收缩，机器人靠气缸上弧形键触手摩擦力的作用停留在管道中；
[0055]2、支撑模块二的支持气缸收缩，支撑模块二靠着模块上的导向轮支撑后头部分；
[0056]3、气动肌腱充气后膨胀，支撑模块二向上移动一个活动行程，机器人沿管道内壁向上运动；
[0057]4、支撑模块二的支持气缸撑开；
[0058]5、支撑模块一的支持气缸收缩，支撑模块一靠着模块上的导向轮支撑前头部分；
[0059]6、气动肌腱收缩，支撑模块一向上移动一个活动行程，同时机器人沿管道内壁向上运动;第6步以后机器人的状态恢复至I，重复以上的动作，机器人不断向上移动。
[0060]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何基于本实用新型技术方案上的等效变换均属于本实用新型保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于气动肌腱气动管道机器人系统，其特征在于， 其包括依次连接的支撑模块一、伸缩模块、支撑模块二，该伸缩模块采用气动肌腱，该伸缩模块与支撑模块一、支撑模块二之间通过关节轴承连接。2.如权利要求1所述的基于气动肌腱气动管道机器人系统，其特征在于，该关节轴承为球面轴承。3.如权利要求1所述的基于气动肌腱气动管道机器人系统，其特征在于，该支撑模块一、支撑模块二分别包括支撑气缸、导向轮。4.如权利要求3所述的基于气动肌腱气动管道机器人系统，其特征在于，该支撑气缸末端设有支撑块。5.如权利要求4所述的基于气动肌腱气动管道机器人系统，其特征在于，该支撑块为弧形键。6.如权利要求1所述的基于气动肌腱气动管道机器人系统，其特征在于，该支撑模块一、支撑模块二分别设有两个支撑气缸和四个导向轮。7.如权利要求1所述的基于气动肌腱气动管道机器人系统，其特征在于，该支撑模块一、支撑模块二分别设有呈十字形式设置的两个支撑气缸和两个导向轮。8.如权利要求1所述的基于气动肌腱气动管道机器人系统，其特征在于，该支撑模块一、支撑模块二分别设有呈三点式结构设置的一个支撑气缸和两个导向轮。
【文档编号】F16L101/12GK205479978SQ201620185635
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月10日
【发明人】宋志刚
【申请人】深圳职业技术学院