一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人及方法
文献发布时间：2023-06-19 16:06:26
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在实际工程应用中，由于长期使用和磨损，管道内壁存在一些凹凸不平的地方，且在铺设管道时，不论硬管还是软管，都不可避免的存在弯曲处。申请号为2022102686871的发明专利提出了一种基于张拉整体的管道内爬行机器人，基于这种设计的机器人质量轻，成本低且易组装。但是上述机器人也有一定的局限性，一方面，机器人利用自身被动顺应性通过弯曲管道，并不能实现主动转向，当机器人通过T型接头时便不能控制转向，给实际使用造成不便；另一方面，机器人采用三个及三个以上模块相互串联的结构，串联更多模块虽然可以增加步长，但是也会造成机器人整体过长，在爬行过程中容易被管道内壁障碍物卡住，且模块之间的关节并不受控，当两个模块所成角度小于九十度时，来自关节后部模块的作用力便不能完全作用在关节前部模块，机器人步长减少，情况严重时会陷入止步不前的状态。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人及方法。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，提出了一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，包括对称设置的第一组十字交叉的弹性杆和第二组十字交叉的弹性杆，第一组十字交叉的弹性杆的端点和第二组十字交叉的弹性杆的端点通过第一气动肌腱对应连接，形成机器人的外轮廓，外轮廓的内部设置线性执行器，线性执行器的第一端通过第二气动肌腱与第一组十字交叉的弹性杆的各端点连接，通过第三气动肌腱与第二组十字交叉的弹性杆的各端点连接，线性执行器的第二端通过第四气动肌腱与第一组十字交叉的弹性杆的各端点连接，通过第五气动肌腱与第二组十字交叉的弹性杆的各端点连接。
第二方面，提出了一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人的运动方法，包括：
步骤1：机器人处于初始状态；
步骤2：第一气动肌腱、第三气动肌腱和第五气动肌腱放气伸长，线性执行器伸长，第一组十字交叉的弹性杆变形程度增大，机器人轴向长度增加；
步骤3：第二气动肌腱、第四气动肌腱放气伸长，第一组十字交叉的弹性杆变形程度减小，恢复至与管道内壁接触状态；
步骤4：第三气动肌腱、第五气动肌腱充气收缩，第二组十字交叉的弹性杆变形程度增大；
步骤5：线性执行器收缩，第二组十字交叉的弹性杆被向前拉动；
步骤6：第三气动肌腱、第五气动肌腱放气伸长，第二组十字交叉的弹性杆变形程度变小，恢复至与管道内壁接触状态，第一气动肌腱充气收缩，机器人恢复至初始状态。
第三方面，提出了一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人的运动方法，包括：
步骤1：机器人处于初始状态；
步骤2：其中一个第一气动肌腱充气收缩，其余的第一气动肌腱放气伸长，第一组十字交叉的弹性杆向充气收缩的第一气动肌腱所在的方向转动一定的角度；
步骤3：第三气动肌腱、第五气动肌腱、第一气动肌腱放气伸长，线性执行器伸长，第一组十字交叉的弹性杆变形程度增大；
步骤4：第二气动肌腱、第四气动肌腱放气伸长，第一组十字交叉的弹性杆变形程度减小，恢复至与管道内壁接触状态；
步骤5：第三气动肌腱、第五气动肌腱充气收缩，第二组十字交叉的弹性杆变形程度增大；
步骤6：线性执行器收缩，第二组十字交叉的弹性杆被向前拉动；
步骤7：第三气动肌腱、第五气动肌腱放气伸长，第二组十字交叉的弹性杆变形程度减小，恢复至与管道内壁接触状态；
步骤8：第一气动肌腱充气收缩，机器人恢复初始状态。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开为单模块结构设计，与链式系统相比，结构精简，自由度更高，更容易穿越复杂环境。
2、本公开通过控制气动肌腱的伸缩次序，可以实现机器人在管道中的三种运动：前进、后退、主动转向通过弯曲管道。
3、本公开通过控制部分气动肌腱的伸缩长度，可以改变机器人的截面半径、整体长度和步长，调整方便。
4、本公开的机器人不仅可以在硬管中前进，还能在软管中爬行。
5、本公开的机器人采用张拉整体结构，内部空出许多空间，不会对管道造成堵塞，并且为后续扩展机器人功能，添加其他元件留出充足空间
本发明附加方面的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
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1公开机器人的等轴侧视图；
图2为实施例1公开机器人的主视图；
图3为实施例1公开机器人在水平管道内爬行时的运动序列图；
图4为实施例1公开机器人在弯曲管道内爬行时的运动序列图。
其中：1、第二气动肌腱，2、第二气动肌腱，3、第四气动肌腱，4、第四气动肌腱，5、第三气动肌腱，6、第三气动肌腱，7、第五气动肌腱，8、第五气动肌腱，9、第一气动肌腱，10、第一气动肌腱，11、线性执行器，12、第一组十字交叉的弹性杆，13、第二组十字交叉的弹性杆，14、第二气动肌腱，15、第二气动肌腱，16、第四气动肌腱，17、第四气动肌腱，18、第三气动肌腱，19、第三气动肌腱，20、第五气动肌腱，21、第五气动肌腱，22、第一气动肌腱，23、第一气动肌腱。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
本实施例公开了一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，包括对称设置的第一组十字交叉的弹性杆和第二组十字交叉的弹性杆，第一组十字交叉的弹性杆的端点和第二组十字交叉的弹性杆的端点通过第一气动肌腱对应连接，形成机器人的外轮廓，外轮廓的内部设置线性执行器，线性执行器的第一端通过第二气动肌腱与第一组十字交叉的弹性杆的各端点连接，通过第三气动肌腱与第二组十字交叉的弹性杆的各端点连接，线性执行器的第二端通过第四气动肌腱与第一组十字交叉的弹性杆的各端点连接，通过第五气动肌腱与第二组十字交叉的弹性杆的各端点连接。
进一步的，线性执行器位于机器人的中心。
进一步的，线性执行器为电动推杆、气缸或液压缸。
进一步的，第一组十字交叉的弹性杆和第二组十字交叉的弹性杆均受拉向机器人的内部弯曲。
进一步的，当第一组十字交叉的弹性杆和第二组十字交叉的弹性杆所受拉力变大时，弯曲程度变大；所受拉力减小，弹性杆弯曲程度减小。
进一步的，机器人初始状态时，第一气动肌腱、第二气动肌腱、第三气动肌腱、第四气动肌腱和第五气动肌腱均处于加压状态，且不为最短长度。
进一步的，第一气动肌腱、第二气动肌腱、第三气动肌腱、第四气动肌腱和第五气动肌腱均为拉伸驱动器。
对本实施例公开的一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人进行详细论述。
一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，如图1、2所示，包括两组十字交叉的弹性杆、线性驱动器和二十根气动肌腱，
两组十字交叉的弹性杆分别为第一组十字交叉的弹性杆12和第二组十字交叉的弹性杆13，第一组十字交叉的弹性杆12和第二组十字交叉的弹性杆13对称设置，且第一组十字交叉的弹性杆12的四周端点和第二组十字交叉的弹性杆13的四周端点通过第一气动肌腱9、10、22、23对应连接，形成机器人的外轮廓。
机器人的外轮廓内部，也就是机器人的中心设置线性驱动器11，线性驱动器11的第一端通过第二气动肌腱1、2、14、15与第一组十字交叉的弹性杆12的各端点连接，通过第三气动肌腱5、6、19、18与第二组十字交叉的弹性杆13的各端点连接，线性驱动器11的第二端通过第四气动肌腱3、4、16、17与第一组十字交叉的弹性杆12的各端点连接，通过第五气动肌腱7、8、20、21与第二组十字交叉的弹性杆13的各端点连接。
其中，第一气动肌腱、第二气动肌腱、第三气动肌腱、第四气动肌腱和第五气动肌腱作为拉伸驱动器，具有充气收缩，放气伸长的特点。
线性执行器11可以采用电动推杆、气缸、液压缸等多种形式的驱动装置，其长度在一定范围内可自由调节。
第一组十字交叉的弹性杆12和第二组十字交叉的弹性杆13的两端承受拉力向内侧弯曲；当弹性杆所受拉力变大时，弯曲程度变大；当拉力减小时，受自身弹性恢复力的作用，弹性杆弯曲程度减小；当拉力消失时，弹性杆恢复为初始状态。
本实施例公开的一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人在水平管道内爬行时，如图3所示，每个运动周期有六步，从上至下依次为步骤1到步骤6，具体为：
步骤1：机器人处于初始状态，此时，气动肌腱均保持加压状态，也就是相比于初始长度短，但是并未到达最短长度。
步骤2：第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21、第一气动肌腱9、10、22、23放气伸长，此时第一组十字交叉的弹性杆12和第二组十字交叉的弹性杆13位置固定，第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21、第一气动肌腱9、10、22、23呈现松弛状态；之后线性执行器11伸长，第一组十字交叉的弹性杆12变形程度增大，由于第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21并未张紧，所以第二组十字交叉的弹性杆13不会变形，仍与管道内壁接触，机器人轴向长度增加。
步骤3：第二气动肌腱1、2、14、15、第四气动肌腱3、4、16、17放气伸长，第一组十字交叉的弹性杆12所受拉力减小，变形程度也随之减小，恢复到和管道内壁接触的状态。
步骤4：第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21充气收缩，第二组十字交叉的弹性杆13所受拉力增大，变形程度也随之增大。
步骤5：线性执行器11收缩，第二组十字交叉的弹性杆13被向前拉动一段距离。
步骤6：第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21放气伸长，第二组十字交叉的弹性杆13所受拉力减小，变形程度也随之减小，恢复到和管道内壁接触的状态；第一气动肌腱9、10、22、23充气收缩，机器人恢复到步骤1的初始状态，此时机器人向前移动一段距离。
六个步骤循环进行，实现机器人蠕动运动。当运动周期反方向进行，即从步骤6到步骤1时，机器人可实现与图3中运动方向相反方向运动。实现了机器人在管道中的双向运动。
本实施例公开的一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人在弯曲管道内爬行时，如图4所示。每个运动周期有八步，具体为：
步骤1：机器人处于初始状态，初始状态时，气动肌腱均保持加压状态，也就是相比于初始长度短，但是并未到达最短长度。
步骤2：四个第一气动肌腱中的一个充气收缩，如第一气动肌腱9充气收缩，第一气动肌腱10、22、23放气伸长，第一组十字交叉的弹性杆12向充气收缩的第一气动肌腱(第一气动肌腱9)所在的方向转动一定的角度。
步骤3：第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21、第一气动肌腱9、10、22、23放气伸长，此时第一组十字交叉的弹性杆12、第二组十字交叉的弹性杆13位置固定，第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21、第一气动肌腱9、10、22、23呈现松弛状态，之后线性执行器11伸长，第一组十字交叉的弹性杆12变形程度增大，由于第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21并未张紧，所以第二组十字交叉的弹性杆13不会变形，仍与管道内壁接触，机器人轴向长度增加。
步骤4：第二气动肌腱1、2、14、15、第四气动肌腱3、4、16、17放气伸长，第一组十字交叉的弹性杆12所受拉力减小，变形程度也随之减小，恢复到和管道内壁接触的状态。
步骤5：第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21充气收缩，第二组十字交叉的弹性杆13所受拉力增大，变形程度也随之增大。
步骤6：线性执行器11收缩，第二组十字交叉的弹性杆13被向前拉动一段距离。
步骤7：第三气动肌腱5、6、18、19、第五气动肌腱7、8、20、21放气伸长，第二组十字交叉的弹性杆13所受拉力减小，变形程度也随之减小，恢复到和管道内壁接触的状态。
步骤8：第一气动肌腱9、10、22、23充气收缩，机器人恢复到步骤1的初始状态，此时机器人向前移动一段距离。
当步骤2中第一气动肌腱10充气收缩，第一气动肌腱9、22、23放气伸长时，机器人可以向与图4中转弯方向相反的方向转过一定的角度。可见，机器人可以在一定范围内主动调节转动方向和转动角度，更切合实际应用。
本实施例公开的一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人，采用单模块对称设计，模块左右两端是两组十字交叉的弹性杆，模块中心位置设置线性执行器，线性执行器的两端通过气动肌腱和两组十字交叉的弹性杆的四周端点相连，两组十字交叉的弹性杆的四周端点也通过气动肌腱对应连接，该机器人具备变形和主动转向的能力，通过控制气动肌腱的伸缩，不仅可以改变机器人的截面半径和前后长度，还能实现前后端在一定范围内的转动，通过控制气动肌肉的伸缩次序，机器人可以实现在管道中实现三种运动：前进和后退运动，主动转向通过弯曲管道；通过控制部分气动肌腱的伸缩长度，可以改变机器人的截面半径、整体长度和步长；机器人为单模块结构，和链式系统相比，结构精简，自由度更高，更容易穿越复杂环境；该机器人不仅可以在硬管中前进，还能在软管中爬行；采用张拉整体结构，内部空出许多空间，不会对管道造成堵塞，并且为后续扩展机器人功能，添加其他元件留出充足空间。
实施例2
在该实施例中，公开了实施例1公开的一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人的运动方法，包括：
步骤1：机器人处于初始状态；
步骤2：第一气动肌腱、第三气动肌腱和第五气动肌腱放气伸长，线性执行器伸长，第一组十字交叉的弹性杆变形程度增大，机器人轴向长度增加；
步骤3：第二气动肌腱、第四气动肌腱放气伸长，第一组十字交叉的弹性杆变形程度减小，恢复至与管道内壁接触状态；
步骤4：第三气动肌腱、第五气动肌腱充气收缩，第二组十字交叉的弹性杆变形程度增大；
步骤5：线性执行器收缩，第二组十字交叉的弹性杆被向前拉动；
步骤6：第三气动肌腱、第五气动肌腱放气伸长，第二组十字交叉的弹性杆变形程度变小，恢复至与管道内壁接触状态，第一气动肌腱充气收缩，机器人恢复至初始状态。
进一步的，当机器人的运动步骤为步骤6到步骤1时，机器人实现上述运动的反方向运动。
实施例3
在该实施例中公开了实施例1公开的一种基于张拉整体结构的管道内爬行机器人的运动方法，包括：
步骤1：机器人处于初始状态；
步骤2：其中一个第一气动肌腱充气收缩，其余的第一气动肌腱放气伸长，第一组十字交叉的弹性杆向充气收缩的第一气动肌腱所在的方向转动一定的角度；
步骤3：第三气动肌腱、第五气动肌腱、第一气动肌腱放气伸长，线性执行器伸长，第一组十字交叉的弹性杆变形程度增大；
步骤4：第二气动肌腱、第四气动肌腱放气伸长，第一组十字交叉的弹性杆变形程度减小，恢复至与管道内壁接触状态；
步骤5：第三气动肌腱、第五气动肌腱充气收缩，第二组十字交叉的弹性杆变形程度增大；
步骤6：线性执行器收缩，第二组十字交叉的弹性杆被向前拉动；
步骤7：第三气动肌腱、第五气动肌腱放气伸长，第二组十字交叉的弹性杆变形程度减小，恢复至与管道内壁接触状态；
步骤8：第一气动肌腱充气收缩，机器人恢复初始状态。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。