[发明专利]一种仿生蠕动式管道行走机构及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种管道内蠕动式行走机构，用于管道作业机器人，属仿生机器人技术领域。

背景技术

管道作为一种重要的物质传输工具，在各种领域中得到大量广泛的应用。管道在使用过程中，难免会出现各种故障或损伤。多数管道安装环境下，人不能直接到达或不容许人直接进入，故管道作业机器人作为一种代替人工进行管道故障诊断、检测与维修的有效智能工具，越来越受到重视。管道作业机器人按照行走方式的不同可分为腿式、轮式、履带式、振动式和蠕动式等多种类型，蠕动式管道作业机器人是管道作业机器人众多类型中步态最为稳定、最具有环境适应性的一种。

ZL200310120880.8报道了一种“蠕动式管道爬行器”，采用由单一电机同轴驱动，通过三个端面凸轮组和杆系等机械传动方式，实现爬行器在小管道内的蠕动行进。该蠕动式爬行器结构较为简单紧凑，但其只能在直管道中蠕动行走，不能适应弯曲管道；且该机构存在弹性储能元件，在一定程度上降低了行走效率。

ZL200710042310.X报道了一种“管道内蠕动行走机构”，采用单电机正反转驱动轴向丝杠螺母副，配合形状记忆合金的径向混合驱动，实现机器人的管道内蠕动行走功能，具有功重比大的特性。但该机构采用了形状记忆合金新型功能材料，造价较高，难以普及推广，且驱动电机的频繁正反转不利于控制系统的简化。

ZL200910071240.X报道了一种“基于推拉电磁铁的管道探索机器人”，依靠摩擦胀紧原理，采用推拉式电磁铁驱动实现机器人在管道内的蠕动行走。该机器人可适应不同管径，且结构简单，控制方便，但由于使用了推拉式电磁铁，易产生振动和噪音，且推拉式电磁铁的频繁工作使得线圈温升较快，导致输出能力下降，影响机构运行的平稳性与可靠性。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在不足之处，提供一种形体简单轻巧、运行平稳可靠、功能实用、控制方法简便、制造成本低廉的仿生蠕动式管道行走机构及其控制方法，用于蠕动式管道作业机器人。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明仿生蠕动式管道行走机构的特点是：

由前体节径向支撑单元与后体节径向支撑单元在中间轴向进给单元的两端对称设置构成；

所述前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元具有相同的结构形式，是沿壳体的外圆周均匀分布至少两只可径向伸缩的撑爪和与所述撑爪处在同一母线位置上的导向滚轮；

所述中间轴向进给单元是由前节段和后节段构成，所述前节段和后节段相互间沿轴向可相对运动，形成轴向长度可伸缩的中间轴向进给单元；

在所述前体节径向支撑单元与中间轴向进给单元之间，以及在所述后体节径向支撑单元与中间轴向进给单元之间分别以前万向节、后万向节联接。

所述前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元的结构设置均为：

第一直流减速电机固定安装在第一圆筒支座上，第一直流减速电机的输出轴通过第一联轴器与第一传动轴相联；第一传动轴为一阶梯轴，通过分别在两端安装的第一角接触球轴承和第二角接触球轴承支承于第二圆筒支座与第一圆筒支座之间；双面凸轮与第一传动轴固联，并位于第二圆筒支座与第一圆筒支座之间；

在所述双面凸轮的各凸轮槽中分别嵌装有凸轮滚子，所述凸轮滚子通过推杆与对应位置上的撑爪连接板固联，所述撑爪与撑爪连接板由撑爪万向结相连接。

设置双面凸轮的凸轮槽为异形曲线沟槽，所述异形曲线沟槽是由各复合槽道段沿圆周均匀分布，所述各复合槽道段是由顶部圆弧槽道a、下降槽道b、底部圆弧槽道c和上升槽道d依次连接构成；所述顶部圆弧槽道a的圆周角α为所述下降槽道b、底部圆弧槽道c和上升槽道d的圆周角β均为所述n为凸轮滚子的个数。

所述导向滚轮的结构设置为：所述导向滚轮沿中心轴线铰接于滚轮支架上，所述滚轮支架是设置在导向滚轮与第一圆筒壳体之间的轴向可弹性伸缩结构。

所述中间轴向进给单元的结构设置为：

所述中间轴向进给单元中的前节段的结构设置为：第二直流减速电机固定安装在前节段圆筒支架上，所述第二直流减速电机的输出轴通过第二联轴器与第二传动轴相联；第二传动轴通过双联角接触球轴承支承于前节段圆筒支架上；固联在第二传动轴上的中心主轴为圆筒状，所述中心主轴的圆筒外表面带有一拨指，所述拨指为圆柱形，拨指以间隙配合套装在拨指座上并可绕拨指座转动；所述拨指座的另一端固结于中心主轴的圆筒外表面上；