专利名称：一种仿生蠕动式管道行走机构及其控制方法
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。
ZL200910071M0.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勻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勻分布，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(1^)°，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(f ；所述η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；
所述中间轴向进给单元中的后节段的结构设置为与所述中心主轴同轴设置一筒体，所述筒体的内侧壁上有沿筒体圆周设置的一呈闭环的椭圆槽，拨指是以所述椭圆槽为滑动轨道；在所述筒体的外周设置后节段圆筒支架，在所述前节段圆筒支架与后节段圆筒支架之间设置有轴向导向结构；
所述轴向导向结构是在所述前节段圆筒支架的端面上沿中心主轴的轴向固定设置有导向杆，在后节段圆筒支架的对应位置上固定设置有导向筒，导向杆与导向筒为滑动配合。
所述筒体一复合套筒，是由同心设置的内筒和外筒组成，内筒是由左右两个半筒构成，所述筒体的内侧壁上的椭圆槽是形成在左右两个半筒之间的椭圆曲线通槽，外筒套装在内筒的外部。
所述的仿生蠕动式管道行走机构的控制方法，其特征是按如下步骤进行
在所述前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元中，是以第一直流减速电机同轴驱动各自双面凸轮；在所述中间轴向进给单元中，是以第二直流减速电机同轴驱动中心主轴；按照所述前体节径向支撑单元、后体节径向支撑单元与中间轴向进给单元的不同运动状态，将所述仿生蠕动式管道行走机构在管内向左蠕动行走一个步距的时间设定为一个动作周期T，在一个动作周期T中按如下步骤控制
I、起始状态前体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态，中间轴向进给单元处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态；
II、在0 T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转γ ；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机停止旋转；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f Y，达到τ/6的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态，中间轴向进给单元处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最小缩回状态；
III、在T/6 2T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机勻速旋转180° ；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f Y，达到2T/6处的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态，中间轴向进给单元处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最小缩回状态；
IV、在2T/6 3T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转$ ；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机停止旋转；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f Y，达到3T/6处的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态，中间轴向进给单元处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态；
V、在3T/6 4T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转(f ；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机停止旋转；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f Y，达到4T/6处的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最小缩回状态，中间轴向进给单元处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态；
VI、在4T/6 5T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机勻速旋转180° ；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f Y ；达到5T/6处的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最小缩回状态，中间轴向进给单元处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态；
VII、在5T/6 T的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转 γ ；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机停止旋转；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f γ，达到T处的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态，中间轴向进给单元处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在
1、本发明功能实用、制造成本低廉。其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，且在中间轴向进给单元的两端对称设置，相邻单元之间采用万向节联接，能在水平和任意倾斜角度的管道内自由前进和后退，也可克服自身重量在竖直管道中行走，并能通过一定曲率半径的弯曲管道；由于前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元中撑爪与撑爪连接板之间设置有万向结，撑爪可根据所行走管道内壁表面的形廓状况自适应调整支撑角度，且导向滚轮结构设置中的轴向可弹性伸缩结构可以自发调整导向滚轮与复杂管道内壁至有效接触，故可有效防止机构卡死，也可有效适应内壁表面形廓状况复杂的管道和有一定液体的管道；由于双面凸轮加工制造较为容易，降低了机构的制造成本，有利于普及推广；本发明可应用于微小型管道至中大型管道等众多型号管道场合，只需调整双面凸轮及相应零部件的制造尺寸至合适大小即可。
2、本发明中设置双面凸轮的凸轮槽为由各复合槽道段沿圆周均勻分布的异形曲线沟槽，构成各复合槽道段的顶部圆弧槽道a、下降槽道b、底部圆弧槽道c和上升槽道d等通过嵌装于其中的凸轮滚子容易平稳地实现撑爪的撑起运动、缩回运动与保持不动等复杂运动状态；中间轴向进给单元由前节段和后节段构成，前节段和后节段之间由中心主轴所带的拨指与筒体内壁的椭圆导槽互锁配合，容易平稳地实现所述中间轴向进给单元的轴向伸缩运动，避开了曲柄连杆传动机构因偏心载荷易产生振动、冲击和死点以及齿轮齿条传动机构笨重和不易自锁的缺点，其形体简单轻巧，运行柔顺平稳，提高了系统输出效率与可靠性。
3、本发明控制方法简便。行走时的前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元中第一直流减速电机始终同轴驱动各自双面凸轮做单向勻速旋转运动，只需设置前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元中的双面凸轮相互间沿圆周有一错位角度:(1^ 而已；由于双面凸轮的凸轮槽为由各复合槽道段沿圆周均勻分布的异形曲线沟槽构成，使得η对推杆均做同步周期性间歇式径向往复移动，从而和η对推杆相对应的η只撑爪与管道内壁之间呈现同步周期性间歇式径向胀紧接触与松缩脱离；与此同时，中间轴向进给单元中的第二直流减速电机始终同轴驱动中心主轴做间歇式单向旋转运动，由于中间轴向进给单元中的椭圆导槽与拨指具有互锁关系，使得中心主轴与筒体之间产生间歇式单向转动与间歇式往复直线移动的相对运动；前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元与中间轴向进给单元的运动规律相协调，可使中间轴向进给单元带动前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元做有规律的间歇式轴向进给运动。也就是说，在管道内蠕动行走过程中，只需控制前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机始终以相同速度做连续单向勻速旋转，同时控制中间轴向进给单元中的第二直流减速电机始终以另一适合速度做周期性间歇式单向勻速旋转即可，避开了传统丝杆螺母进给机构须频繁换向的缺点。
4、本发明通过搭载相应的探头和工程应用工具，可以代替人工进行各种管道监测、清理、维护、故障诊断和维修等工作；也可用于竖直方向管道场合，通过搭载相应的视频采集系统、信号收发系统、红外生命探测仪等工具，实施垂直井下矿难探测与救援等任务。8
图1为本发明外部结构示意图2为本发明内部结构示意图2(a)为本发明中凸轮滚子、销轴和螺母结构示意图2(b)为本发明中滚轮支座、压缩弹簧和圆柱块结构示意图2(c)为本发明中拨指和拨指座结构示意图2(d)为本发明中双联角接触球轴承结构示意图2(e)为本发明中第一角接触球轴承结构示意图2(f)为本发明中第二角接触球轴承结构示意图3为本发明中前体节及后体节的径向支撑单元结构示意图4(a)为本发明中前体节及后体节的径向支撑单元中双面凸轮结构示意图4 (b)为图4 (a)的A_A剖视图5(a)为本发明中中间轴向进给单元结构示意图5 (b)为图5 (a)的B-B剖视图6为本发明在管内行走过程的周期性步态规律示意图7为本发明在管内行走过程中的周期性电机控制状态示意图。
图中标号1前体节径向支撑单元；2中间轴向进给单元；2A前节段；2B后节段； 3后体节径向支撑单元；4前万向节；5后万向节；6第二圆筒支座；7第一传动轴；8双面凸轮；9第一角接触球轴承；10凸轮滚子；11销轴；12螺母；13推杆；14滑座；15第二圆筒壳体；16撑爪连接板；17撑爪万向结；18撑爪；19第一圆筒壳体；20滚轮支座；21滚轮支架； 22导向滚轮；23压缩弹簧；24圆柱块；25第一圆筒支座J6第一电机转接板；27第一直流减速电机；观第二直流减速电机；四第二电机转接板；30第二联轴器；31双联角接触球轴承；32第二传动轴；33后节段圆筒壳体；34拨指；35拨指座；36中心主轴；37后节段圆盘壳体；38限位螺母；39锁紧螺母；40筒体；40A内筒；40B外筒；41导向筒；42导向杆；43前节段圆筒支架；44前节段圆筒壳体；45前节段圆盘壳体；46圆盘壳体；47第一联轴器；48第二角接触球轴承；49后节段圆筒支架。
具体实施方式
图1所示为本实施例中仿生蠕动式管道行走机构的外部结构，是由前体节径向支撑单元1、中间轴向进给单元2和后体节径向支撑单元3组成。前体节径向支撑单元1与后体节径向支撑单元3在中间轴向进给单元2的两端对称设置，可实现体节与管道内壁之间的周期性间歇式径向胀紧与回缩运动；前体节径向支撑单元1和后体节径向支撑单元3沿壳体圆周均勻分布至少两只可径向伸缩的撑爪18和与撑爪18处在同一母线位置上的导向滚轮22，可保持机构在所行走管道内的自定心和形封闭的功能，并能在一定范围内适应管道内壁复杂的形廓状况和适应有一定液体的管道；中间轴向进给单元2由相互间沿轴向可相对运动的前节段2A和后节段2B构成，可实现机构前、后体节之间的轴向进给运动；在前体节径向支撑单元1与中间轴向进给单元2之间，以及在后体节径向支撑单元3与中间轴向进给单元2之间分别以前万向节4和后万向节5联接，可实现机构在所行走管道内的整体拐弯功能。
参见图1、图2，本实施例中前体节径向支撑单元1和后体节径向支撑单元3中的第一直流减速电机27固定安装在第一圆筒支座25上，第一直流减速电机27的输出轴通过第一联轴器47与第一传动轴7相联；第一传动轴7为一阶梯轴，如图2 (e) ,2(f)所示，通过分别在两端安装的第一角接触球轴承9和第二角接触球轴承48支承于第二圆筒支座6与第一圆筒支座25之间；双面凸轮8与第一传动轴7固联，并位于第二圆筒支座6与第一圆筒支座25之间；沿双面凸轮8的圆周均勻分布至少两对推杆13，如图2 (a)所示，推杆13装有一销轴11，螺母12将销轴11轴向固定于推杆13上，与推杆13对应设置的凸轮滚子10 是圆柱形的，通过间隙配合套装在销轴11上，凸轮滚子10插在双面凸轮8的曲线沟槽中并可绕销轴11转动；与推杆13对应设置至少两对滑座14，每对滑座14分别固装于第二圆筒支座6和第一圆筒支座25上，推杆13可在相应滑座14中直线往复滑动；推杆13从第二圆筒壳体15穿出并与对应位置上的撑爪连接板16固联；撑爪18通过撑爪万向结17装到对应位置上的撑爪连接板16上，使得所述仿生蠕动式管道行走机构可根据管道内壁表面的复杂形廓状况自适应的调整支撑角度，防止机构卡死；撑爪18的外表面为圆弧面，可套一橡胶垫，以增大所述仿生蠕动式管道行走机构与管道内壁之间的摩擦；第二圆筒壳体15固联于第二圆筒支座6与第一圆筒支座25之间，第一圆筒壳体19固联于第一圆筒支座25与圆盘壳体46之间，起到密封作用；至少两只导向滚轮22沿第一圆筒壳体19的圆周均勻分布，所述导向滚轮22沿中心轴线铰接于滚轮支架21上，滚轮支架21是设置在导向滚轮22 与第一圆筒壳体19之间的轴向可弹性伸缩结构；轴向可弹性伸缩结构是如图2(b)所示， 滚轮支架21上固联有一压缩弹簧23，压缩弹簧23的另一端通过一带外螺纹的圆柱块M与滚轮支座20螺纹联接，滚轮支座20固定安装在第一圆筒壳体19上；滚轮支架21、压缩弹簧23、圆柱块M和滚轮支座20四者中心轴线重合；轴向可弹性伸缩结构可使导向滚轮22 与管道内壁之间始终保持有效接触状态，使得行走机构能够有效适应内壁表面形廓状况复杂的管道。中间轴向进给单元2的前节段2A中的第二直流减速电机观固定安装在前节段圆筒支架43上，第二直流减速电机观的输出轴通过第二联轴器30与第二传动轴32相联； 如图2(d)所示，第二传动轴32通过双联角接触球轴承31支承于前节段圆筒支架43上；固联在第二传动轴32上的中心主轴36为圆筒状，中心主轴36的圆筒外表面带有一拨指34， 如图2 (c)所示，拨指34为圆柱形，拨指34以间隙配合套装在拨指座35上并可绕拨指座35 转动；拨指座35的另一端固结于中心主轴36的圆筒外表面上；中间轴向进给单元2的后节段2B中的筒体40与所述中心主轴36同轴设置，筒体40为一复合套筒，是由同心设置的内筒40A和外筒40B组成，内筒40A是由左右两个半筒构成，在左右两个半筒之间形成有一椭圆曲线通槽，外筒40B套装在内筒40A的外部，形成一个内壁带有椭圆导槽的筒体40 ；中心主轴36穿入筒体40并与筒体40的中心轴线重合，拨指34嵌入筒体40内壁的椭圆导槽并可在导槽中滑动；由于拨指和导槽的互锁关系使得中心主轴36与筒体40之间的相对运动呈绕轴连续转动和正弦规律往复直线运动的合运动，当中心主轴36做连续转动时，筒体40 便做直线往复移动，当筒体40固定不动时，中心主轴36在做连续转动的同时做直线往复移动；在筒体40的外周设置后节段圆筒支架49，在前节段圆筒支架43与后节段圆筒支架49 之间设置有轴向导向结构；在前节段圆筒支架43的端面上沿中心主轴36的轴向固定设置有至少两根沿圆周均勻分布的导向杆42，在后节段圆筒支架49的对应位置上固定设置有导向筒41，导向杆42与导向筒41为滑动配合；导向杆42的悬空端装有一限位螺母38 ；前节段圆筒壳体44固联于前节段圆盘壳体45与前节段圆筒支架43之间，后节段圆筒壳体33 固联于后节段圆筒支架49与后节段圆盘壳体37之间，起到密封作用；锁紧螺母39装到传动轴32上，与传动轴32的轴肩共同起到对中心主轴36的轴向定位作用。
图1、图2和图3所示，本实施例中，第一直流减速电机27通过第一传动轴7同轴驱动主动双面凸轮8做勻速旋转，由于双面凸轮8具有由各复合槽道段沿圆周均勻分布的异形曲线沟槽，使得双面凸轮8可通过嵌入其沟槽中的凸轮滚子10同步带动沿凸轮圆周均勻分布的至少两对从动推杆13做周期性间歇式径向往复移动，每对推杆13均通过一撑爪连接板16和一撑爪万向结17与一撑爪18相联，实现体节与管道内壁之间的周期性间歇式径向胀紧与回缩功能，撑爪18可根据机构所行走管道内壁表面的形廓状况自适应的调整支撑角度，防止机构卡死。
图1、图2、图4(a)和图4(b)所示，本实施例以与双面凸轮8对应设置的沿壳体圆周均布的撑爪18是四只的情况为例。双面凸轮8具有异形曲线沟槽，异形曲线沟槽是由各复合槽道段沿圆周均勻分布，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；顶部圆弧槽道a的圆周角α为45°，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15° ；η为凸轮滚子10的个数。当第一直流减速电机27同轴驱动双面凸轮8旋转时，双面凸轮8通过嵌入其曲线沟槽中的凸轮滚子10同步带动沿凸轮圆周均勻分布的四对推杆13径向移动；当凸轮滚子10在顶部圆弧槽道a滑动过程中，四只撑爪18保持径向最大撑起不动状态，当凸轮滚子10在下降槽道b滑动过程中，四只撑爪18处于径向缩回运动状态，当凸轮滚子10在底部圆弧槽道c滑动过程中，四只撑爪18保持径向最小缩回不动状态，当凸轮滚子10在上升槽道d滑动过程中，四只撑爪 18处于径向撑起运动状态；也就是说，当第一直流减速电机27同轴驱动双面凸轮8做勻速旋转时，四对推杆13做周期性间歇式径向往复移动，与四对推杆13相联的四只撑爪18在管道内做有规律的同步周期性间歇式径向胀紧与缩回运动。为了协调所述中间轴向进给单元2的间歇式轴向伸缩运动，保证所述仿生蠕动式管道行走机构在管道内正常蠕动行走， 所述前体节径向支撑单元1和后体节径向支撑单元3中的第一直流减速电机27均始终同轴驱动各自双面凸轮8做同样的单向勻速旋转运动，且前体节径向支撑单元1与后体节径向支撑单元3中双面凸轮8的角位移沿圆周始终存在一 45°的相位差。
图1、图2、图5(a)和图5(b)所示，在中间轴向进给单元2的结构设置中，第二直流减速电机观始终同轴间歇式驱动中心主轴36做单向勻速旋转运动，由于筒体40内壁的椭圆导槽与中心主轴36所带的拨指34具有互锁关系，使得中心主轴36与筒体40之间产生间歇式单向转动与间歇式往复直线移动的相对运动。设定拨指34的初始嵌入位置是椭圆导槽中的M点，且与第二直流减速电机观相联的前节段圆筒支架43保持固定不动，当第二直流减速电机观同轴驱动中心主轴36勻速旋转半圈时，拨指34沿导槽中的M点滑动到 N点，相应地，筒体40以正弦律速度向左直线移动一个步距，同步带动与之相联的后节段圆筒支架49、后节段圆筒壳体33和后节段圆盘壳体37向左直线移动一个步距；此时若筒体 40保持固定不动，当第二直流减速电机观同轴驱动中心主轴36往原方向继续勻速旋转半圈时，拨指34沿导槽中的N点滑动到M点，相应地，中心主轴36在做连续转动的同时以正弦律速度向左直线移动一个步距，同步带动第二直流减速电机观以及与之相联的前节段圆筒支架43、前节段圆筒壳体44和前节段圆盘壳体45向左直线移动一个步距。依此规律，当第二直流减速电机观同轴驱动中心主轴36勻速旋转一圈时，拨指34沿椭圆导槽中的M 点先滑动到N点再滑回至M点，中间轴向进给单元2整体向左直线移动一个步距。也就是说，通过协调前体节径向支撑单元1和后体节径向支撑单元3的运动规律，可使中间轴向进给单元2通过万向节带动所述仿生蠕动式管道行走机构前、后体节在管道内做有规律的间歇式轴向进给运动。其中，中间轴向进给单元2在做间歇式轴向进给运动过程中，其至少两根沿圆周均布的导向杆42在对应位置导向筒41中做同步间歇式相对往复滑动，以保证所述仿生蠕动式管道行走机构在管道内蠕动行走的平稳性和可靠性。
图1、图2、图5和图6示出了本实施例中仿生蠕动式管道行走机构在管内行走过程中周期性步态规律。在前体节径向支撑单元1和后体节径向支撑单元3中，是以第一直流减速电机27同轴驱动各自双面凸轮8 ；在中间轴向进给单元2中，是以第二直流减速电机观同轴驱动中心主轴36 ；按照前体节径向支撑单元1、后体节径向支撑单元3与中间轴向进给单元2的不同运动状态，将仿生蠕动式管道行走机构在管内向左蠕动行走一个步距的时间设定为一个动作周期T，在一个动作周期T中按如下步骤控制
I、起始状态前体节径向支撑单元1的撑爪18处于最大撑起状态，中间轴向进给单元2处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元3的撑爪18处于最大撑起状态；
II、在0 T/6的时间段中前体节径向支撑单元1中第一直流减速电机27勻速旋转(f Y，凸轮滚子10在顶部圆弧槽道a中滑动，η只撑爪18保持径向最大撑起不动状态；中间轴向进给单元2中的第二直流减速电机28停止旋转，拨指34嵌入椭圆导槽中的M点保持不动；后体节径向支撑单元3中的第一直流减速电机27勻速旋转(f γ，凸轮滚子10在下降槽道b中滑动，η只撑爪18处于径向缩回运动状态，达到Τ/6处的状态为前体节径向支撑单元1的撑爪18处于最大撑起状态，中间轴向进给单元2处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元3的撑爪18处于最小缩回状态；
III、在Τ/6 2Τ/6的时间段中前体节径向支撑单元1中第一直流减速电机27继续勻速旋转(f Y，凸轮滚子10仍在顶部圆弧槽道a中滑动，η只撑爪18保持径向最大撑起不动状态；中间轴向进给单元2中的第二直流减速电机28勻速旋转180°，拨指34沿椭圆导槽中的M点滑动到N点，筒体40以正弦律速度向左直线移动一个步距，同步带动与之相联的后节段圆筒支架49、后节段圆筒壳体33和后节段圆盘壳体37向左直线移动一个步距，继而通过后万向节5同步带动后体节径向支撑单元3向左移动一个步距；后体节径向支撑单元3中的第一直流减速电机27继续勻速旋转(f γ，凸轮滚子10在底部圆弧槽道c中滑动，η只撑爪18保持径向最小缩回不动状态，达到2Τ/6处的状态为前体节径向支撑单元1的撑爪18处于最大撑起状态，中间轴向进给单元2处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元3的撑爪18处于最小缩回状态；
IV、在2Τ/6 3Τ/6的时间段中前体节径向支撑单元1中的第一直流减速电机27继续勻速旋转(f Y，凸轮滚子10)仍在顶部圆弧槽道a中滑动，η只撑爪18保持径向最大撑起不动状态；中间轴向进给单元2中的第二直流减速电机观停止旋转，拨指34嵌入椭圆导槽中的N点保持不动；后体节径向支撑单元3中的第一直流减速电机27继续勻速旋转12Q Y，凸轮滚子10在上升槽道d中滑动，η只撑爪18处于径向撑起运动状态；达到3Τ/6处的状态为前体节径向支撑单元1的撑爪18处于最大撑起状态，中间轴向进给单元2处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元3的撑爪18处于最大撑起状态；
V、在3Τ/6 4Τ/6的时间段中前体节径向支撑单元1中的第一直流减速电机27继续勻速旋转(f Y，凸轮滚子10在下降槽道b中滑动，η对推杆13处于径向缩回运动状态；中间轴向进给单元2中的第二直流减速电机28停止旋转，拨指34仍嵌入椭圆导槽中的N点保持不动；后体节径向支撑单元3中的第一直流减速电机27继续勻速旋转(f y，凸轮滚子10在顶部圆弧槽道a中滑动，η只撑爪18保持径向最大撑起不动状态，达到4Τ/6处的状态为前体节径向支撑单元1的撑爪18处于最小缩回状态，中间轴向进给单元2处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元3的撑爪18处于最大撑起状态；
VI、在4Τ/6 5Τ/6的时间段中前体节径向支撑单元1中的第一直流减速电机27继续勻速旋转(f Y，凸轮滚子10在底部圆弧槽道C中滑动，η只撑爪18保持径向最小缩回不动状态；中间轴向进给单元2中的第二直流减速电机28继续勻速旋转180°，拨指34 沿椭圆导槽中的N点滑回至M点，中心主轴36在做连续转动的同时以正弦律速度向左直线移动一个步距，同步带动第二直流减速电机观以及与之相联的前节段圆筒支架43、前节段圆筒壳体44和前节段圆盘壳体45向左直线移动一个步距，继而通过前万向节4同步带动前体节径向支撑单元1向左移动一个步距；后体节径向支撑单元3中的第一直流减速电机27继续勻速旋转(f Y，凸轮滚子10仍在顶部圆弧槽道a中滑动，η只撑爪18保持径向最大撑起不动状态；达到5Τ/6处的状态为前体节径向支撑单元1的撑爪18处于最小缩回状态，中间轴向进给单元2处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元3的撑爪18处于最大撑起状态；
VII、在5Τ/6 T的时间段中前体节径向支撑单元1中的第一直流减速电机27继续勻速旋转(f Y，凸轮滚子10在上升槽道d中滑动，η只撑爪18处于径向撑起运动状态；中间轴向进给单元2中的第二直流减速电机28停止旋转，拨指34嵌入椭圆导槽中的M点保持不动；后体节径向支撑单元3中的第一直流减速电机27继续勻速旋转(f γ，凸轮滚子10仍在顶部圆弧槽道a中滑动，η只撑爪18保持径向最大撑起不动状态，达到T处的状态为前体节径向支撑单元1的撑爪18处于最大撑起状态，中间轴向进给单元2处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元3的撑爪18处于最大撑起状态。
至此，所述仿生蠕动式管道行走机构完成了向左蠕动前进行走一个步距的动作周期过程。所述仿生蠕动式管道行走机构向右蠕动后退行走的控制方法与向左蠕动前进行走的控制方法类似，只是所述第一直流减速电机27和第二直流减速电机观的旋转方向和控制时序不同。配合前万向节4和后万向节5的换向功能，可使所述仿生蠕动式管道行走机构能够通过一定曲率半径的弯曲管道。
参见图1、图6、图7，图中表达了本发明仿生蠕动式管道行走机构在管内行走过程中周期性电机控制状态的一种实施例示意图，与图6所表达的周期性步态规律相对应。其中，横轴表示一个周期0 T的各个时间阶段，纵轴分别表示前体节径向支撑单元1、中间轴向进给单元2以及后体节径向支撑单元3的电机控制状态。前体节径向支撑单元1、后体节径向支撑单元3的第一直流减速电机27均始终以相同速度勻速旋转，图中“a”、“b”、 “c”、“d”分别表示前体节径向支撑单元1和后体节径向支撑单元3中的第一直流减速电机 27控制凸轮滚子10在双面凸轮8的顶部圆弧槽道a、下降槽道b、底部圆弧槽道C、上升槽道d中滑动；中间轴向进给单元2的第二直流减速电机观做周期性间歇式单向勻速旋转，图中“S”、“R^ ”分别表示中间轴向进给单元2中的第二直流减速电机观停止旋转、勻速旋转半圈。
权利要求
1.一种仿生蠕动式管道行走机构，其特征是由前体节径向支撑单元(1)与后体节径向支撑单元C3)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(1)和后体节径向支撑单元C3)具有相同的结构形式，是沿壳体的外圆周均勻分布至少两只可径向伸缩的撑爪(18)和与所述撑爪(18)处在同一母线位置上的导向滚轮02)；所述中间轴向进给单元( 是由前节段OA)和后节段QB)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O)；在所述前体节径向支撑单元(1)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⑶与中间轴向进给单元⑵之间分别以前万向节G)、后万向节(5)联接。
2.根据权利要求1所述的仿生蠕动式管道行走机构，其特征是所述前体节径向支撑单元(1)和后体节径向支撑单元(3)的结构设置均为第一直流减速电机(XT)固定安装在第一圆筒支座0 上，第一直流减速电机(XT)的输出轴通过第一联轴器G7)与第一传动轴(7)相联；第一传动轴(7)为一阶梯轴，通过分别在两端安装的第一角接触球轴承(9)和第二角接触球轴承G8)支承于第二圆筒支座(6) 与第一圆筒支座0 之间；双面凸轮(8)与第一传动轴(7)固联，并位于第二圆筒支座(6) 与第一圆筒支座05)之间；在所述双面凸轮(8)的各凸轮槽中分别嵌装有凸轮滚子(10)，所述凸轮滚子(10)通过推杆(1 与对应位置上的撑爪连接板(16)固联，所述撑爪(1 与撑爪连接板(16)由撑爪万向结(17)相连接。
3.根据权利要求1所述的仿生蠕动式管道行走机构，其特征是设置双面凸轮(8)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勻分布，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(1^)°，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(f γ ；所述η为凸轮滚子的个数。
4.根据权利要求1所述仿生蠕动式管道行走机构，其特征是所述导向滚轮02)的结构设置为所述导向滚轮0 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02)与第一圆筒壳体(19)之间的轴向可弹性伸缩结构。
5.根据权利要求1所述的仿生蠕动式管道行走机构，其特征是所述中间轴向进给单元 (2)的结构设置为所述中间轴向进给单元中的前节段OA)的结构设置为第二直流减速电机08) 固定安装在前节段圆筒支架上，所述第二直流减速电机08)的输出轴通过第二联轴器(30)与第二传动轴(3 相联；第二传动轴(3 通过双联角接触球轴承(31)支承于前节段圆筒支架^幻上；固联在第二传动轴(3 上的中心主轴(36)为圆筒状，所述中心主轴(36)的圆筒外表面带有一拨指(34)，所述拨指(34)为圆柱形，拨指(34)以间隙配合套装在拨指座(35)上并可绕拨指座(35)转动；所述拨指座(35)的另一端固结于中心主轴 (36)的圆筒外表面上；所述中间轴向进给单元中的后节段0B)的结构设置为与所述中心主轴(36)同轴设置一筒体(40)，所述筒体00)的内侧壁上有沿筒体圆周设置的一呈闭环的椭圆槽，拨指(34)是以所述椭圆槽为滑动轨道；在所述筒体GO)的外周设置后节段圆筒支架(49)， 在所述前节段圆筒支架^幻与后节段圆筒支架G9)之间设置有轴向导向结构；所述轴向导向结构是在所述前节段圆筒支架^幻的端面上沿中心主轴(36)的轴向固定设置有导向杆(42)，在后节段圆筒支架09)的对应位置上固定设置有导向筒(41)，导向杆02)与导向筒Gl)为滑动配合。
6.根据权利要求5所述的仿生蠕动式管道行走机构，其特征是所述筒体00)为一复合套筒，是由同心设置的内筒(40A)和外筒(40B)组成，内筒(40A)是由左右两个半筒构成，所述筒体GO)的内侧壁上的椭圆槽是形成在左右两个半筒之间的椭圆曲线通槽，外筒 (40B)套装在内筒(40A)的外部。
7.—种权利要求1所述的仿生蠕动式管道行走机构的控制方法，其特征是按如下步骤进行在所述前体节径向支撑单元(1)和后体节径向支撑单元(3)中，是以第一直流减速电机(XT)同轴驱动各自双面凸轮(8)；在所述中间轴向进给单元O)中，是以第二直流减速电机08)同轴驱动中心主轴(36)；按照所述前体节径向支撑单元(1)、后体节径向支撑单元(3)与中间轴向进给单元O)的不同运动状态，将所述仿生蠕动式管道行走机构在管内向左蠕动行走一个步距的时间设定为一个动作周期T，在一个动作周期T中按如下步骤控制I、起始状态前体节径向支撑单元(1)的撑爪(18)处于最大撑起状态，中间轴向进给单元( 处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元(3)的撑爪(18)处于最大撑起状态；II、在0 T/6的时间段中前体节径向支撑单元(1)中的第一直流减速电机(XT)勻速旋转(f γ ；中间轴向进给单元O)中的第二直流减速电机08)停止旋转；后体节径向支撑单元(3)中的第一直流减速电机07)勻速旋转(f γ，达到Τ/6的状态为前体节径向支撑单元⑴的撑爪(18)处于最大撑起状态，中间轴向进给单元(2)处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元(3)的撑爪(18)处于最小缩回状态；III、在Τ/6 2Τ/6的时间段中前体节径向支撑单元(1)中的第一直流减速电机(XT)勻速旋转(f Y ；中间轴向进给单元O)中的第二直流减速电机08)勻速旋转180° ；后体节径向支撑单元(3)中的第一直流减速电机07)勻速旋转γ，达到2Τ/6处的状态为前体节径向支撑单元(1)的撑爪(18)处于最大撑起状态，中间轴向进给单元( 处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元(3)的撑爪(18)处于最小缩回状态；IV、在2T/6 3T/6的时间段中前体节径向支撑单元(1)中的第一直流减速电机(XT)勻速旋转(f γ ；中间轴向进给单元O)中的第二直流减速电机08)停止旋转；后体节径向支撑单元C3)中的第一直流减速电机07)勻速旋转(f γ，达到3Τ/6处的状态为前体节径向支撑单元(1)的撑爪(18)处于最大撑起状态，中间轴向进给单元( 处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元(3)的撑爪(18)处于最大撑起状态；V、在3T/6 4T/6的时间段中前体节径向支撑单元(1)中的第一直流减速电机07) 勻速旋转(f Y ；中间轴向进给单元O)中的第二直流减速电机08)停止旋转；后体节径向支撑单元C3)中的第一直流减速电机07)勻速旋转(f y，达到4T/6处的状态为前体节径向支撑单元⑴的撑爪(18)处于最小缩回状态，中间轴向进给单元(2)处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元(3)的撑爪(18)处于最大撑起状态；VI、在4T/6 5T/6的时间段中前体节径向支撑单元(1)中的第一直流减速电机(XT)勻速旋转(f Y ；中间轴向进给单元O)中的第二直流减速电机08)勻速旋转180° ；后体节径向支撑单元(3)中的第一直流减速电机07)勻速旋转(f γ ；达到5Τ/6处的状态为前体节径向支撑单元⑴的撑爪(18)处于最小缩回状态，中间轴向进给单元(2)处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元(3)的撑爪(18)处于最大撑起状态；VII、在5Τ/6 T的时间段中前体节径向支撑单元(1)中的第一直流减速电机(XT)勻速旋转(f Y ；中间轴向进给单元O)中的第二直流减速电机08)停止旋转；后体节径向支撑单元(3)中的第一直流减速电机07)勻速旋转€ γ，达到T处的状态为前体节径向支撑单元(1)的撑爪(18)处于最大撑起状态，中间轴向进给单元(2)处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元(3)的撑爪(18)处于最大撑起状态。
全文摘要
本发明涉及一种仿生蠕动式管道行走机构及其控制方法，其特征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；通过协调径向支撑单元与管道内壁之间的周期性间歇式径向胀缩运动以及中间轴向进给单元的周期性间歇式轴向伸缩运动，模仿蠕虫体节的运动步态和规律在管道内蠕动行走。通过搭载相应工具，本发明可代替人工进行各种管道作业任务，也可实施垂直井下矿难探测与救援等任务，具有形体简单紧凑、运行平稳可靠、控制容易、制造成本低廉、可多场合应用等优点。
文档编号F16L101/30GK102506266SQ20111031814
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者冯勇, 孙玉香, 宋全军, 张丹, 张强, 曹会彬, 朱旻, 葛运建 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院