[发明专利]仿生无动力管道机器人及控制方法

权利要求书

1.一种仿生无动力管道机器人，其特征在于：其包括机体、控制装置、检测模块、电源、通信模块、仿生软膜、舵机、推杆、多个伸缩腿、多个行进轮以及负载，多个伸缩腿和多个行进轮的数量一致；

所述控制装置、通信模块和电源设置在所述机体内部；

所述多个伸缩腿通过机架与所述机体连接，多个伸缩腿对称分布在所述机体的侧部，每个伸缩腿的外端部分别设置有一个行进轮，所述伸缩腿与所述行进轮之间设置有弹簧，所述机体尾部的三个行进轮与各自的伸缩腿之间分别设置有一个推杆；

所述负载设置在所述机体的前端部，所述负载设置有所述检测模块；

所述仿生软膜以及舵机设置在所述机体的后端部，所述舵机上按圆周均匀布置有三个扇骨，每个扇骨分别和一个伸缩腿通过软膜连接从而构成仿生软膜，三个仿生软膜在圆周上均匀分布；

所述舵机、检测模块和通信模块分别与所述控制装置连接并受控于所述控制装置，所述控制装置根据负载在作业中的反馈信号或者外界手动操作进而对舵机旋转角度控制以改变仿生软膜的张开和闭合面积，同时推杆根据检测模块反馈信号自适应调节推进量程，从而对机器人的起停和移动速度进行控制，具体的速度控制方法如下所示：

首先、建立无动力管道机器人的运动方程，所述无动力管道机器人的运动方程为：

式中，ρ为流体密度，θ为舵机旋转角度，v_t为流体速度，R、r分别为仿生软膜张开所构成的扇环外半径及内半径，F_t为管道机器人占管道固定面积所受的流体推力，F_f为管道机器人作业时受到的总阻力，m为管道机器人质量,v为管道机器人移动速度，t为管道机器人运动时间；

其次，设定机器人获得初速度的满足条件如下：

θ≥4(F_t-F_f)/3ρv_t²(R²-r²)； (2)

最后，将管道与机器人的相关参数代入式(1)通过数值计算能够得到管道机器人的舵机旋转角度θ和速度v曲线，从而对机器人的舵机旋转角度θ和速度v进行监测；

之后，将管道与机器人相关参数代入式(2)满足条件，通过控制舵机旋转角度改变仿生软膜张开面积，控制机器人移动速度。

2.根据权利要求1所述的仿生无动力管道机器人，其特征在于：在仿生软膜张开角度一定的条件下，机器人速度与时间关系满足式(1)。

3.根据权利要求1所述的仿生无动力管道机器人，其特征在于：所述机体的前端部和后端部均为一个尖端，所述机体整体为纺锤型结构。

4.根据权利要求1所述的仿生无动力管道机器人，其特征在于：所述机体的前端部和后端部分别设置有一个机架，每一个机架连接有三个伸缩腿，所述伸缩腿和所述机架之间通过可调螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的仿生无动力管道机器人，其特征在于：所述负载为摄像头、光电传感器、压力传感器或超声波传感器。

6.根据权利要求1所述的仿生无动力管道机器人，其特征在于：所述伸缩腿能够根据管道内径大小自适应进行调整从而使所述行进轮与管壁接触，所述行进轮具有摩擦系数。

7.根据权利要求5所述的仿生无动力管道机器人，其特征在于：当机器人在管道内实现无动力移动时，通过控制仿生软膜的张开面积大小对其进行移动速度控制。