一种柔性机器人

技术领域

本发明涉及管道机器人技术领域，特别是涉及一种柔性机器人。

背景技术

管道广泛应用于石油和天然气工业、城市污水系统等领域，为石油、天然气和污水等材料提供低成本运输。但长期使用后，管道容易发生断裂、变形、表面损伤等缺陷，造成供应波动、资源浪费、环境污染等问题，甚至会引发爆炸等后果。因此，需要定期对管道进行检查、清洁和维护，在对管道直径相对较小的，长距离输送管线而言，人工检查、异物清除等操作困难重重，需要使用管道机器人处理。

现有的管道机器人主要有轮式机器人、履带机器人、爬管机器人和足式机器人。轮式机器人适用于平坦路面，在管道里检测需要磁性轮吸附在磁性管道上，但遇到破损的管路段，轮式机器人的驱动轮无法与管道壁紧密接触，导致管道机器人失去驱动力被困在管道内。

履带机器人与油气管道壁面的接触面积大，可以为机器人提供足够的摩擦力，增加其负载能力，但履带的整体结构较笨重，需要的转弯半径大，不适合在小型管道和转向多的复杂管道中行走。

爬管机器人主要采用永磁体吸附管外壁爬行的方式，不适合用于地下管道和非磁性管道的检查。

足式机器人可适应各种复杂地形，但行进速度较低，且由于重心原因容易侧翻，遇到破损的管路段无法保证稳定性，且无法在垂直布置的管道里检测。

综上，现有的管道机器人无法适用于非磁性管道及其竖直布置管道的检测，而且大都使用驱动电机让其移动工作，并需要内置电源供电，不利于长时间工作，且驱动电机以及相关的结构会使机器人复杂化，制造成本增加，生产效率降低，并且故障率增多，考虑到电机驱动功率对电的需求，同样也无法适用于危险介质管道。并且，由于机器人自身结构的限制，深入到管道内的机器人无法调整其行进路线和在管道内的机身姿态，尤其在T形管和十字管等复杂管道的转弯处通过性较差，因此无法继续探测、检修已经发生破损或产生淤堵的管道。

为此，提出一种柔性机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性机器人，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种柔性机器人，包括：

行走机构；

柔性转向机构，所述柔性转向机构包括若干气动肌肉和气动驱动组件，若干所述气动肌肉和所述气动驱动组件均安装在所述行走机构上，所述气动驱动组件用于驱动所述气动肌肉伸缩，所述气动肌肉伸缩后用于驱动所述行走机构转向；

无动力驱动机构，所述无动力驱动机构包括柔性轨道和流体驱动组件，所述流体驱动组件安装在所述行走机构上，所述流体驱动组件用于驱动所述行走机构在所述柔性轨道上行走。

优选的，所述行走机构包括外壳头部、外壳中部、外壳后部，所述外壳头部、所述外壳中部、所述外壳后部的外壁上均安装有滚轮组件，所述外壳头部和所述外壳中部之间、所述外壳中部和所述外壳后部之间均固接有若干所述气动肌肉，所述滚轮组件与所述柔性轨道滚动接触；

所述气动驱动组件安装在所述外壳后部，所述气动肌肉伸缩后用于驱动所述外壳头部、所述外壳中部转向；所述流体驱动组件安装在所述外壳头部。

优选的，所述流体驱动组件包括间隔排列的第一阻尼块、第二阻尼块、第三阻尼块，所述第一阻尼块、所述第二阻尼块、所述第三阻尼块均固接在所述外壳头部的中心圆孔的孔壁上，所述第一阻尼块位于所述外壳头部远离所述外壳中部的一端，所述第一阻尼块、所述第二阻尼块、所述第三阻尼块上穿设并滑动连接有PE筒膜，所述PE筒膜顶部伸出所述中心圆孔外，伸出所述中心圆孔外的所述PE筒膜在所述外壳头部的顶部外翻并连接外部供气箱的出口形成所述柔性轨道，所述柔性轨道套设在所述外壳头部、所述外壳中部和所述外壳后部外。

优选的，所述第一阻尼块中心开设有第一椭圆孔，所述第二阻尼块中心开设有第二椭圆孔，所述第三阻尼块中心开设有第一圆孔，所述第一椭圆孔的椭圆长轴与所述第二椭圆孔的椭圆长轴垂直，所述PE筒膜与所述第一椭圆孔、所述第二椭圆孔和所述第一圆孔均滑动连接。

优选的，所述气动驱动组件包括两对称设置的固定座，所述固定座固接在所述外壳后部的内侧壁上，所述固定座上固接有微型电磁阀，所述微型电磁阀上固定安装有两电磁阀出气口、电磁阀进气口和电磁阀排气口，两所述电磁阀出气口、所述电磁阀进气口和所述电磁阀排气口上均固接有气管，其中一个所述电磁阀出气口与靠近所述外壳头部的若干所述气动肌肉通过所述气管固接并连通，另一个所述电磁阀出气口与靠近所述外壳后部的若干所述气动肌肉通过所述气管固接并连通，所述电磁阀进气口通过所述气管连通有外部气源，所述电磁阀排气口通过所述气管与若干所述气动肌肉固接并连通。

优选的，所述气动肌肉包括橡胶管和两连接头，两所述连接头分别固接在所述橡胶管的两端，所述橡胶管外套设有编织网，所述编织网两端固接在两所述连接头上，所述外壳头部和所述外壳中部之间、所述外壳中部和所述外壳后部之间均通过所述连接头固接有若干所述橡胶管，所述橡胶管通过所述气管与所述电磁阀出气口连通，所述橡胶管通过所述气管与所述电磁阀排气口固接并连通。

优选的，所述外壳头部外壁、所述外壳中部外壁、所述外壳后部外壁上均周向开设有若干间隔排列的通槽；

所述滚轮组件包括固接在所述通槽内的若干滚轮轴，所述滚轮轴上转动连接有滚轮，所述滚轮突出所述通槽外，所述滚轮与所述柔性轨道滚动接触。

优选的，所述第一椭圆孔的长轴长度小于所述第二椭圆孔的长轴长度。

优选的，所述外壳头部和所述外壳中部之间、所述外壳中部和所述外壳后部之间均固接有两相对设置的所述橡胶管，靠近所述外壳头部的两所述橡胶管的轴线所在的平面与靠近所述外壳后部的两所述橡胶管的轴线所在的平面垂直。

优选的，所述外壳头部、所述外壳中部、所述外壳后部的内壁上均固接有若干U型块，两所述U型块上固接有销钉，所述销钉与所述连接头固接。

本发明公开了以下技术效果：本发明的柔性轨道铺设在需要探测的管道内壁上，流体驱动组件驱动行走机构在柔性轨道上行走，当需要转向时，气动驱动组件驱动相应的气动肌肉缩短，使得行走机构倾斜而朝向缩短后的气动肌肉的方向转向，本发明的流体驱动组件、气动驱动组件无需电机驱动，利于长时间的稳定工作，且无需电机驱动简化了自身结构，降低了制造成本，降低故障率的产生，可适用于磁性管道、非磁性管道及危险介质管道的探索；同时通过流体驱动、柔性轨道支撑与气动肌肉柔性伸缩，使行走机构能够在内壁不规则、内径变化的中小型管道内自主转向移动，具备良好的牵引能力、管道适应能力以及弯管通过能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明中外壳头部的爆炸图；

图4为本发明中外壳中部的结构示意图；

图5为本发明中外壳后部的结构示意图

图6为本发明中气动肌肉未充气示意图；

图7为本发明中气动肌肉充气缩短示意图；

图8为本发明向右侧转向的二维平面示意图；

图9为本发明向右后侧转向的三维空间示意图。

其中，1、外壳头部；2、滚轮凹槽；3、滚轮；4、滚轮轴；5、气动肌肉；6、外壳中部；7、U型块；8、销钉；9、顶丝；10、外壳后部；11、固定座；12、微型电磁阀；13、电磁阀出气口；14、气管；15、柔性轨道；16、第一阻尼块；17、第二阻尼块；18、第三阻尼块；19、充气后的气动肌肉；20、连接头；21、编织网；22、橡胶管；23、电磁阀进气口；24、电磁阀排气口；25、第一椭圆孔；26、第二椭圆孔；27、第一圆孔；28、PE筒膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-9，本发明提供一种柔性机器人，包括：

行走机构；

柔性转向机构，柔性转向机构包括若干气动肌肉5和气动驱动组件，若干气动肌肉5和气动驱动组件均安装在行走机构上，气动驱动组件用于驱动气动肌肉5伸缩，气动肌肉5伸缩后用于驱动行走机构转向；

无动力驱动机构，无动力驱动机构包括柔性轨道15和流体驱动组件，流体驱动组件安装在行走机构上，流体驱动组件用于驱动行走机构在柔性轨道15上行走；

本发明的柔性轨道15铺设在需要探测的管道内壁上，流体驱动组件驱动行走机构在柔性轨道15上行走，当需要转向时，气动驱动组件驱动相应的气动肌肉5缩短，使得行走机构倾斜而朝向缩短后的气动肌肉5的方向转向，本发明的流体驱动组件、气动驱动组件无需电机驱动，利于长时间的稳定工作，且无需电机驱动简化了自身结构，降低了制造成本，降低故障率的产生，可适用于磁性管道、非磁性管道及危险介质管道的探索；同时通过流体驱动、柔性轨道15支撑与气动肌肉5柔性伸缩，使行走机构能够在内壁不规则、内径变化的中小型管道内自主转向移动，具备良好的牵引能力、管道适应能力以及弯管通过能力。

进一步优化方案，行走机构包括外壳头部1、外壳中部6、外壳后部10，外壳头部1、外壳中部6、外壳后部10的外壁上均安装有滚轮组件，外壳头部1和外壳中部6之间、外壳中部6和外壳后部10之间均固接有若干气动肌肉5，滚轮组件与柔性轨道15滚动接触；

气动驱动组件安装在外壳后部10，气动肌肉5伸缩后用于驱动滚轮组件转向；流体驱动组件安装在外壳头部1。

进一步优化方案，流体驱动组件包括间隔排列的第一阻尼块16、第二阻尼块17、第三阻尼块18，第一阻尼块16、第二阻尼块17、第三阻尼块18均固接在外壳头部1的中心圆孔的孔壁上，第一阻尼块16位于外壳头部1远离外壳中部6的一端，第一阻尼块16、第二阻尼块17、第三阻尼块18上穿设并滑动连接有PE筒膜28，PE筒膜28顶部伸出中心圆孔外，伸出中心圆孔外的PE筒膜28在外壳头部1的顶部外翻并连接外部供气箱(图中未示出)的出口形成柔性轨道15，柔性轨道15套设在外壳头部1、外壳中部6和外壳后部10外；

第二阻尼块17与第一阻尼块16和第三阻尼块18的间距均为10cm。

进一步优化方案，第一阻尼块16中心开设有第一椭圆孔25，第二阻尼块17中心开设有第二椭圆孔26，第三阻尼块18中心开设有第一圆孔27，第一椭圆孔25的椭圆长轴与第二椭圆孔26的椭圆长轴垂直，PE筒膜28与第一椭圆孔25、第二椭圆孔26和第一圆孔27均滑动连接；

PE筒膜28滑过第一椭圆孔25、第二椭圆孔26和第一圆孔27时，在PE筒膜28表面产生摩擦力，通过改变第一椭圆孔25、第二椭圆孔26和第一圆孔27的孔径大小来适配不同厚度的PE筒膜28，来提供最佳的摩擦力。

进一步优化方案，气动驱动组件包括两对称设置的固定座11，固定座11固接在外壳后部10的内侧壁上，固定座11上固接有微型电磁阀12，微型电磁阀12通过胶粘连在固定座11上；微型电磁阀12上固定安装有两电磁阀出气口13、电磁阀进气口23和电磁阀排气口24，两电磁阀出气口13、电磁阀进气口23和电磁阀排气口24上均固接有气管14，其中一个电磁阀出气口13与靠近外壳头部1的若干气动肌肉5通过气管14固接并连通，另一个电磁阀出气口13与靠近外壳后部10的若干气动肌肉5通过气管14固接并连通，电磁阀进气口23通过气管14连通有外部气源(图中未示出)，电磁阀排气口24通过气管14与若干所述气动肌肉5固接并连通

通过程序控制微型电磁阀12的电磁阀出气口13打开，通过气管14充气向气动肌肉5内充气，气动肌肉5充气后环向半径变大，长度缩短，气动肌肉5充气后成为充气后的气动肌肉19。

进一步优化方案，气动肌肉5包括橡胶管22和两连接头20，两连接头20分别固接在橡胶管22的两端，橡胶管22外套设有编织网21，编织网21两端固接在两连接头20上，外壳头部1和外壳中部6之间、外壳中部6和外壳后部10之间均通过连接头20固接有若干橡胶管22，橡胶管22通过气管14与电磁阀出气口13连通，橡胶管22通过气管14与电磁阀排气口24固接并连通；

通过气管14向橡胶管22内充气，橡胶管22充气后环向半径扩大，使橡胶管22轴向长度缩短，由于橡胶管22外套有一层编织网21，在橡胶管22环向半径扩大到一定范围后，编织网21不会再延伸，从而限制橡胶管22环向半径再次扩大和轴向继续缩短，对橡胶管22形成保护。

进一步优化方案，外壳头部1外壁、外壳中部6外壁、外壳后部10外壁上均周向开设有若干间隔排列的通槽；

滚轮组件包括固接在通槽内的若干滚轮轴4，滚轮轴4上转动连接有滚轮3，滚轮3突出通槽外，滚轮3与柔性轨道15滚动接触；

外壳头部1外壁、外壳中部6外壁、外壳后部10外壁上均周向开设有8个等间隔排列的通槽，通槽内均匀开设有3个滚轮凹槽2，滚轮轴4通过AB胶固定在滚轮凹槽2上，滚轮3为特氟龙滚轮，特氟龙滚轮的滚动摩擦可以减小阻力，更利于在柔性轨道15里运动。

进一步优化方案，第一椭圆孔25的长轴长度小于第二椭圆孔26的长轴长度。

进一步优化方案，外壳头部1和外壳中部6之间、外壳中部6和外壳后部10之间均固接有两相对设置的橡胶管22，靠近外壳头部1的两橡胶管22的轴线所在的平面与靠近外壳后部10的两橡胶管22的轴线所在的平面垂直。

进一步优化方案，外壳头部1、外壳中部6、外壳后部10的内壁上均固接有若干U型块7，U型块7上固接有销钉8，销钉8与连接头20固接；

外壳头部1内壁底部固接有两个对称的U型块7，U型块7相对的侧面上开设有一对称通孔，其中一通孔上开有螺纹孔，连接头20通过销钉8固定在U型块7内，销钉8通过U型块7上的螺纹孔和顶丝9固定在U型块7；外壳中部6内壁顶部、内壁底部均固接有两U型块7，位于外壳中部6内壁顶部的两U型块7的中心连线，与位于外壳中部6内壁底部的两U型块7的中心连线垂直。

工作原理：在管道内行进时，通过外部供气箱对柔性轨道15充气使其延长，柔性轨道15延长过程中，带动PE筒膜28穿过第一阻尼块16、第二阻尼块17和第三阻尼块18，因此PE筒膜的形状不断改变，PE筒膜穿过第一阻尼块16、第二阻尼块17和第三阻尼块18时，在PE筒膜表面上产生摩擦力，产生的摩擦力带动外壳头部1向前移动，进而带动外壳中部6、外壳后部10整体向前移动；

在T形管和十字管等复杂管道进行转向时，通过程序控制微型电磁阀12上的电磁阀出气口13打开，向橡胶管22内充气，使其长度缩短，因为外壳头部1、外壳中部6、外壳后部10之间均通过气动肌肉5连接在一起，气动肌肉5充气轴向缩短后外壳头部1就会在气动肌肉5的拉力下向着缩短方向偏转，进而带动柔性轨道15一起转向，在转过T形管和十字管后，打开微型电磁阀12的电磁阀排气口24排气，充气后的气动肌肉19恢复原状，呈直线行驶状态；

当向右侧偏转时，给靠近外壳头部1右侧的气动肌肉5内充气，气动肌肉5充气收缩，外壳头部1就会在气动肌肉5的拉力下向着右侧偏转，柔性轨道15也在外壳头部1的带动下向着右侧偏转，进而带动外壳中部、外壳后部10整体向右侧偏转；当向右后侧转向时，将外壳头部1向右偏转的同时，向靠近外壳后部10的后侧气动肌肉5内充气，气动肌肉5充气收缩，外壳中部6在气动肌肉5的拉力下向着后侧偏转，柔性轨道15在外壳头部1和外壳中部6的带动下向着右后方转向。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。