基于氣動肌腱氣動管道機器人系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其包括依次連接的支撐模塊一、伸縮模塊、支撐模塊二，該伸縮模塊采用氣動肌腱。本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統基于仿生學蠕動方式，采用外接氣源，多節蠕動的形式，利用氣動元件設計的簡單易行氣動管道機器人，結構簡單，易操作，可通過彎曲管道，并配上相應的作業機構即可實現管道監測維修等工作。本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統動力大，動態特性好，密封良好，適用于各種管道環境。
【專利說明】
基于氣動肌腱氣動管道機器人系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及機械領域，具體涉及一種管道內使用的機器人。
【【背景技術】】
[0002]在城市污水、天然氣輸送、工業物料運輸、給排水和建筑物通風系統等領域里，管道作為一種有效的物料輸送手段而廣泛應用。管道在長期的使用中難免會破裂、堵塞、積污，為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發生，就必須對管道進行有效的檢測維護等，但是管道的檢測、清理、維護卻不是很方便，往往為了尋找管道上的一個裂紋而花費大量的人力和物力。而目前管道檢測和維護多采用管道機器人來進行。所謂管道機器人就是一種可沿管道內部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器件如位置和姿態傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器等以及操作機械如管道裂紋與管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置、操作手、噴槍、刷子等，在工作人員的遙控操縱或計算機控制下可在極其惡劣的環境中，能夠完成一系列管道檢測維修作業的機電一體化系統。管道機器人可完成的管道作業有:生產、施工過程中的管道內外質量檢測；管道內部清掃、拋光、焊接、噴涂等維護;對接焊縫的探傷、補口作業；舊管道腐蝕程度、破損情況檢測和泄漏預報等等。
[0003 ]現有技術的管道機器人的驅動源大致有以下幾種:微型電機、壓電驅動、形狀記憶合金(SMA)、氣動驅動、磁致伸縮驅動、電磁轉換驅動等。
[0004]根據動力源來分主要有利用管道流體壓力驅動、自驅動、管外加推力的機器人。利用管道流體壓力驅動的管道機器人，如圖1所示，該機器人分為多節，利用與管道密封的橡膠環(皮碗)，相當于活塞，在輸油管內壓力油作用下，推動檢測機器人向前行走，主要由探頭101、高壓密封件102、電機倉103、電池倉104、儀器倉105、儀器倉106、萬向節107、里程倉108、清管器109和皮碗110組成，依靠管內流體的壓力差產生驅動力，隨著管內流體的流動方向向前移動，并可攜帶多種傳感器，但是該管道機器人自身沒有行走能力，其移動速度、檢測區域不易控制。
[0005]自驅動類型管道機器人包括有輪式、腳式、爬行式、蠕動式，還包括履帶式等，如圖2所示，現有技術輪式管內移動機器人，前部帶有一部微型CCD攝像機，能分辨管內異物并用微型機械手實現清理，膠管聯接可過彎管，適應管徑:Φ 25mm;行走速度:0.36m/min;自重:16g。該機器人采用多輪驅動式為了增加牽引力，由于驅動輪201的輪徑太小，越障能力有限，而且結構復雜。圖3所示為腳式微管道機器人，通過支腳301可在管道里移動，其基本原理是利用支腳推壓管來支撐個體，但該類型的管道機器人承重能力有限，結構較為復雜，操作不靈活。圖4所示為小型蠕動機器人系統，由蠕動體401和電致伸縮位移器402、403、404組成，蠕動體的蠕動變形形態由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應變實時感應，機器人的外形尺寸為150X61X46mm，重2Kg，最大步距ΙΟμπι，行程40mm，運動精度0.2m，該管道機器人的自重太重，步距太小，操作不靈活，難以適應不同結構和尺寸的管道。
[0006]管外加推力的機器人如圖5所示，“螺旋原理”的微型機器人，利用在管道外的電機501推動帶有彈性線502的推動驅動部件503前進，前端設有CCD攝像機504，該類型管道機器人結構較為復雜，操作不靈活，難以適應不同結構和尺寸的管道，外加推力使得機器人使用范圍有限，且受到動力源的限制。
[0007]因此，提供一種可以在管道內自由地行走，具有一定的承載能力，結構簡單，容易操作的管道機器人實為必要。
【
【發明內容】
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[0008]本實用新型的目的在于提供一種可以在管道內自由地行走，具有一定的承載能力，結構簡單的基于氣動肌腱氣動管道機器人系統。
[0009]為實現本實用新型目的，提供以下技術方案:
[0010]本實用新型提供一種基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其包括依次連接的支撐模塊一、伸縮模塊、支撐模塊二，該伸縮模塊采用氣動肌腱。
[0011]氣動肌腱仿生肌肉，主要由中空的人造橡膠缸筒構成，氣動肌腱由一個收縮系統和連接器組成，這個收縮系統由一段被高強度纖維包裹的密封橡膠管組成，纖維形成了一個三維的菱形網狀結構，當當氣動肌腱內充滿空氣內部有壓力時，管道就在球面方向上擴張，其直徑增加，長度縮短，因此產生了拉伸力和肌腱縱向的收縮運動，形成一種流暢的彈性運動。拉伸力在收縮開始時最大，并與行程成線性比例關系減小。氣動肌腱的可使用工作行程高達其額定長度的25%。氣動肌腱主要被用于單作用氣缸和氣彈簧使用。氣動肌腱的運用不僅使運動序列在運動學、速度和強度方面更接近人體的運動，在靈敏度方面也是如此。氣動肌腱堅固耐用，其作用力比相同尺寸的氣缸大10倍，也能在多塵土或沙石的極端條件下使用。氣動肌腱速度快，加速性能好。本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統的設計來源于蚯蚓、螞蟥的爬行動作，即用蠕動方式進行前進。機器人采用外接氣源，多節蠕動的形式，基于仿生學蠕動方式，利用氣動元件設計的簡單易行基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，結構簡單，運動速度快、性能好，易操作，可通過彎曲管道，并配上相應的作業機構即可實現管道監測維修等工作。
[0012]氣動肌腱力和負載關系:氣動肌腱的額定長度是在無壓力、無負載的情況下定義的。它相當于接口間可見的那部分肌腱的長度，當氣動肌腱受外力作用預拉伸時，它就被拉長了；另一方面，當受壓時，肌腱收縮，其長度減小。
[0013]氣動肌腱一般作為單作用驅動器:在簡單的情況下，氣動肌腱用作單作用驅動器，負載不變，假設氣動肌腱上該負載一直存在，在沒有壓力的情況下，肌腱將從原始狀態被拉伸一段長度，這是考慮氣動肌腱技術特性的一種理想工作狀態；當加壓時，氣動肌腱在預拉伸狀態下有最大的輸出力和最佳動態性能，并且耗氣量最小，在這種情況下，可用的力也最大。如果要求氣動肌腱在擴張狀態時無作用力，首先就要加上用于提升負載的作用力，利用它的運動來移動作用力小的元件。
[0014]優選的，該伸縮模塊與支撐模塊一、支撐模塊二之間通過關節軸承連接。
[0015]優選的，該關節軸承為球面軸承。球面軸承中的球面副使得兩個支撐模塊相對于伸縮模塊可以繞動一個空間角度Θ，機器人因此具備了過彎的能力。
[0016]優選的，該支撐模塊一、支撐模塊二分別包括支撐氣缸、導向輪。
[0017]優選的，該支撐氣缸末端設有支撐塊。通過支撐氣缸驅動支撐塊來做支撐更為穩固。該支撐模塊的結構可以根據需要調整不同長度的，以適應不同內徑的管道。
[0018]優選的，該支撐塊為弧形鍵。弧形鍵的支撐更貼合管道，可以適應各種管壁情況。
[0019]優選的，該支撐模塊一、支撐模塊二分別設有兩個支撐氣缸和四個導向輪。
[0020]優選的，該支撐模塊一、支撐模塊二分別設有呈十字形式設置的兩個支撐氣缸和兩個導向輪。
[0021]優選的，該支撐模塊一、支撐模塊二分別設有呈三點式結構設置的一個支撐氣缸和兩個導向輪。該結構可以避免負載過重所導致的導向輪移位。
[0022]對比現有技術，本實用新型具有以下優點:
[0023]本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統的設計來源于蚯蚓、螞蟥的爬行動作，基于仿生學蠕動方式，即用蠕動方式進行前進。機器人采用外接氣源，機器人主體部分可以較好地適應潮濕的環境。多節蠕動的形式，主體部分采用三段式結構，由關節軸承聯接而成，蠕動實現過彎管道的功能，利用氣動元件設計的簡單易行氣動管道機器人，結構簡單，易操作，可通過彎曲管道，并配上相應的作業機構即可實現管道監測維修等工作。氣動肌腱本身即可實現往復的直線運動，簡化了機構。我們的機器人可以在管道內自由地行走，具有一定的承載能力，可以成為管道檢測、清洗設備的載體，使得管道的檢測，清潔等工作易于實現。該基于氣動肌腱氣動管道機器人系統的支撐模塊結構可以根據需要調整不同長度的，以適應不同內徑的管道。
[0024]采用氣動肌腱作為伸縮模塊，而氣動肌腱具有很多優勢:(I)動力較大，初始力比同缸徑的傳統氣缸大10倍，使得機器人具有承擔一定負載的能力，通過調節氣壓可以實現動力大小的調節；(2)即使在重載情況下，動態特性好；(3)無移動機械部件；(4)慢速移動時也無跳動和爬行現象；(5)無需使用位移傳感器；(6)密封良好，分隔驅動器內空氣和周圍空氣；(7)適用于充滿粉塵和污臟的環境；(8)結構堅固。
【【附圖說明】】
[0025]圖1是現有技術利用管內流體壓力的管道機器人的結構示意圖；
[0026]圖2是現有技術輪式自驅動的管道機器人的結構示意圖；
[0027]圖3是現有技術腳式自驅動的管道機器人的結構示意圖；
[0028]圖4是現有技術蠕動體結構的管道機器人的結構示意圖；
[0029]圖5是現有技術管道外驅動力的管道機器人的結構示意圖；
[0030]圖6是本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統實施例一的結構示意圖；
[0031 ]圖7是本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統實施例二的結構示意圖；
[0032]圖8是本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統支撐模塊的十字形式結構示意圖；
[0033]圖9是本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統支撐模塊的三點式結構示意圖；
[0034]圖10是本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統實施例三的結構正視圖；
[0035]圖11是本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統實施例三的立體視圖；
[0036]圖12是本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統實施例三的側面視圖；
[0037]圖13是本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統運動原理示意圖。【【具體實施方式】】
[0038]請參閱圖6，本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統包括依次連接的支撐模塊一、伸縮模塊、支撐模塊二，該伸縮模塊采用氣動肌腱605，該伸縮模塊與支撐模塊一、支撐模塊二之間通過關節軸承連接，該關節軸承為球面軸承604。球面軸承中的球面副使得兩個支撐模塊相對于伸縮模塊可以繞動一個空間角度Θ，機器人因此具備了過彎的能力。[0039 ]本實施例中，該支撐模塊一、支撐模塊二分別設有兩個支撐氣缸602和四個導向輪601，該四個導向輪601兩兩分布在支撐氣缸602前后，使驅動前進時運動更平穩。該支撐氣缸602末端設有支撐塊603。通過支撐氣缸驅動支撐塊來做支撐更為穩固。
[0040]請參閱圖7，實施例二與實施例一不同的是該支撐氣缸末端設置弧形鍵701。弧形鍵的支撐更貼合管道，可以適應各種管壁情況。
[0041]請參閱圖8和9，該支撐模塊一、支撐模塊二上設置的氣缸和導向輪可以有多種實施方式，圖8中支撐模塊一、支撐模塊二上分別設有呈十字形式設置的兩個支撐氣缸602和兩個導向輪601。圖9中該支撐模塊一、支撐模塊二分別設有呈三點式結構設置的一個支撐氣缸602和兩個導向輪601，該結構可以避免負載過重所導致的導向輪移位。
[0042]請參閱圖10?12，實施例三的基于氣動肌腱氣動管道機器人系統包括依次連接的支撐模塊一、伸縮模塊、支撐模塊二，該伸縮模塊采用氣動肌腱801，其兩端分別通過轉接頭812、肌腱連接件811、關節軸承807與支撐模塊一、支撐模塊二連接，該支撐模塊一、支撐模塊二均包括支撐板804、安裝在支撐板上的支撐氣缸802、導向輪803，該支撐板804上設有軸承固定環808，用于與所述關節軸承807安裝連接，該關節軸承為球面軸承。
[0043]該支撐板804為三角板，如圖所示，支持板804上設有安裝槽，分別安裝有兩個支撐氣缸802和一個導向輪支架806，導向輪支架上安裝所述導向輪803。該支持氣缸802末端設有弧形鍵805。
[0044]該支持板804的安裝槽上還安裝有換向閥安裝板809、控制器安裝板813。換向閥安裝板809上安裝換向閥810，該控制器安裝板813上安裝控制器814，以控制該氣動管道機器人的運行。
[0045]請參閱圖13，以實施例二為例說明本實用新型基于氣動肌腱氣動管道機器人系統工作原理。
[0046]機器人向后爬行的工作過程(請結合參閱圖12中a?f所示):
[0047]a、初始狀態，前后的兩組支撐氣缸均處于伸出狀態(支撐狀態)，氣動肌腱收縮，機器人靠支撐氣缸上的弧形鍵觸手摩擦力的作用停留在管道中；
[0048]b、上方支撐模塊一的支撐氣缸收縮，支撐模塊一靠著模塊上的導向輪支撐前頭部分；
[0049]C、氣動肌腱充氣后膨脹，支撐模塊一向下移動一個活動行程，機器人沿管道內壁向下運動；
[0050]d、支撐模塊一的支撐氣缸撐開，弧形鍵摩擦力的作用使支撐模塊一固定于管道；
[0051]e、支撐模塊二的支持氣缸收縮，支撐模塊二靠著模塊上的導向輪支撐后頭部分；
[0052]f、氣動肌腱收縮，支撐模塊二向下移動一個活動行程，同時機器人沿管道內壁向下運動;該步驟以后機器人的狀態恢復至a狀態，重復以上的動作，機器人不斷向下移動。
[0053]機器人向前爬行的工作過程與上述向后爬行的工作過程相反:
[0054]1、初始狀態，前后的兩組氣缸均處于伸出狀態(支撐狀態)，氣動肌腱收縮，機器人靠氣缸上弧形鍵觸手摩擦力的作用停留在管道中；
[0055]2、支撐模塊二的支持氣缸收縮，支撐模塊二靠著模塊上的導向輪支撐后頭部分；
[0056]3、氣動肌腱充氣后膨脹，支撐模塊二向上移動一個活動行程，機器人沿管道內壁向上運動；
[0057]4、支撐模塊二的支持氣缸撐開；
[0058]5、支撐模塊一的支持氣缸收縮，支撐模塊一靠著模塊上的導向輪支撐前頭部分；
[0059]6、氣動肌腱收縮，支撐模塊一向上移動一個活動行程，同時機器人沿管道內壁向上運動;第6步以后機器人的狀態恢復至I，重復以上的動作，機器人不斷向上移動。
[0060]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何基于本實用新型技術方案上的等效變換均屬于本實用新型保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其特征在于， 其包括依次連接的支撐模塊一、伸縮模塊、支撐模塊二，該伸縮模塊采用氣動肌腱，該伸縮模塊與支撐模塊一、支撐模塊二之間通過關節軸承連接。2.如權利要求1所述的基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其特征在于，該關節軸承為球面軸承。3.如權利要求1所述的基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其特征在于，該支撐模塊一、支撐模塊二分別包括支撐氣缸、導向輪。4.如權利要求3所述的基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其特征在于，該支撐氣缸末端設有支撐塊。5.如權利要求4所述的基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其特征在于，該支撐塊為弧形鍵。6.如權利要求1所述的基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其特征在于，該支撐模塊一、支撐模塊二分別設有兩個支撐氣缸和四個導向輪。7.如權利要求1所述的基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其特征在于，該支撐模塊一、支撐模塊二分別設有呈十字形式設置的兩個支撐氣缸和兩個導向輪。8.如權利要求1所述的基于氣動肌腱氣動管道機器人系統，其特征在于，該支撐模塊一、支撐模塊二分別設有呈三點式結構設置的一個支撐氣缸和兩個導向輪。
【文檔編號】F16L101/12GK205479978SQ201620185635
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月10日
【發明人】宋志剛
【申請人】深圳職業技術學院