一种自适应式管内机器人及其管径自适应、断电保护和爬行方法与流程

本发明属于机器人技术领域，涉及用于管道检修、维护的机器人，更具体地说，涉及一种自适应式管内机器人及其管径自适应、断电保护和爬行方法。

背景技术：

在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛的应用。常年的应用使得管道的腐蚀和堵塞等情况越来越严重，这极易引起输送效率低下及管道损坏等各种危险，为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护，管道机器人为满足该需要而产生。

管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。它属于特种作业机器人，其独特的行进和行动的方式方法为当今的管道内作业提供了较为先进和有创新性应用的选择。随着现代应用领域的拓宽，也随着现代制造技术水平提高，各个领域的应用都日益增多，由于管道作业环境的特殊性，有很多不能人工完成的作业，因此管道机器人将会成为重要的作业工具。

目前管道内机器人存在以下问题：1、负载较小，由于工作方式的局限性，其负载较小，不能大负载情况下的操作；2、模式单一，机器人只能设定一种运行模式，不能根据外界环境、负载情况、运行速度情况，来更改运行模式，使得机器人的运用具有局限性；3、意外断电安全性差，对于意外断电发生时，机器人会出现打滑或者坠落，造成机器人及管道的损坏，其安全性不足。

例如，中国专利申请号为：201610425656.7，公开日为：2016年10月12日的专利文献，公开了一种气动式管道机器人，包括伸缩模块和与伸缩模块连接的支撑模块；伸缩模块主要由驱动气缸和与驱动气缸连接的关节轴承构成，利用驱动气缸的伸缩来实现机器人的蠕动式行走，支撑模块由支撑气缸组产生推力，使机器人的支撑块与管壁压紧，支撑模块通过关节轴承中的球面副相对于伸缩模块可以绕动一个空间角度θ，并通过控制电磁阀的通断电时间实现有级调速功能。该机器人的“脚”即支撑杆可以通过添加不同长度的“加长脚”来改变“脚”的长度，以适应不同内径的管道，但是它的运行模式较为单一，采用气缸驱动的模式，其本身即需要气源，增加机器人本身重量，其负载能力较弱；如果出现意外漏气情况，机会发生坠落，安全性较低。

例如，中国专利申请号为：201610812069.3，公开日为：2016年12月21日的专利文献，公开了一种管道机器人，包括机器人主体，该机器人主体上设置有用于在管道内工作的工作台，该管道机器人还包括设置在管道机器人主体上的车轮、与车轮连接的直角轮轴、设置直角轮轴与管道机器人主体之间的旋转机构，该直角轮轴包括相互垂直的第一轮轴和第二轮轴，该第一轮轴与旋转机构链接。该管道机器人根据管道为空心圆柱的特点，采用平设车轮，贴近管道最远的两端，实现稳定移动，同时通过旋转机构控制管道机器人在管道内转动，在管道弯折处还能稳定移动，但是其承载能力较弱，运行模式单一，也没有断电保护功能。

因此，如何对现有的管道机器人进行改进，使其根据一方面能够适应管径，另一方面可根据不同的外界环境，调整运行模式，且具有断电保护功能，是本领域技术人员亟待解决的一个问题。

技术实现要素：

1、要解决的问题

本发明提供一种自适应式管内机器人，其目的在于解决现有管道机器人难以或不能很好适应管道直径变化的问题。本发明的机器人还进一步改进，具有断电保护功能，可防止机器人在管道壁上打滑或者坠落；另外，它可根据外不同的使用环境，具有滚动爬升模式和交替爬升模式两种运动模式可选。本发明还提供了该机器人的管径自适应、断电保护和爬行方法，分别能够完成机器人的管道直径适应、断电时的自我保护，以及爬行功能的实现。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种自适应式管内机器人，包括机身、爬升机构和爬升调节机构，所述爬升机构包括四个，分别由设置在机身四个拐角上的左上爬升机构、右上爬升机构、左下爬升机构和右下爬升机构组成；所述左上爬升机构和右上爬升机构之间、左下爬升机构和右下爬升机构之间各安装一个所述的爬升调节机构，分别用于调节左上爬升机构和右上爬升机构，以及左下爬升机构和右下爬升机构相对机身的转动，以适应不同的管道直径。

作为进一步改进，所述的爬升调节机构包括调节螺母、调节丝杠、电机板和调节电机；所述调节螺母通过万向铰安装在一个爬升机构上，电机板通过万向铰链安装在另一个爬升机构上，调节电机安装在电机板上；所述调节电机连接调节丝杠，调节丝杠与调节螺母传动连接。

作为进一步改进，所述爬升调节机构还包括传感器，传感器用于检测调节丝杠的推力，并将检测信号传递给控制系统，以对机器人进行控制。

作为进一步改进，所述爬升机构包括摆杆、绳索、驱动轮和驱动电机；所述的摆杆的一端连接机身，并安装导向轮，摆杆的另一端连接有滚轮和卷绳轮，摆杆通过摆臂电机驱动；所述驱动轮设置在机身上，并通过驱动电机驱动；所述绳索依次绕过卷绳轮、导向轮和驱动轮。

作为进一步改进，所述驱动电机通过电磁离合器与驱动轮传动连接。

作为进一步改进，所述机身主要由上机身和下机身组成，左上爬升机构和右上爬升机构位于上机身上，左下爬升机构和右下爬升机构位于下机身上；所述上机身和下机身之间通过丝杠螺母副连接，并通过升降电机驱动。

一种自适应式管内机器人的管径自适应方法，其操作步骤为：爬升调节机构运行，调节电机动作，驱动调节丝杠转动，通过调节螺母，推动左上爬升机构的摆杆和右上爬升机构的摆杆之间的夹角增大或减小、左下爬升机构的摆杆和右下爬升机构的摆杆之间的夹角增大或减小，使爬升机构的滚轮始终压紧管道内表面；通过传感器检测调节丝杠的反转力，并将信号传动给控制系统，由控制系统控制调节电机的旋转扭矩，调整滚轮对管壁的压紧力。

一种自适应式管内机器人的断电保护方法，其操作步骤为：断电时，电磁离合器失电锁止，驱动轮被锁住停止转动，进而通过绳索锁住滚轮，从而机器人附着于管壁上，处于静止状态。

一种自适应式管内机器人的爬行方法，其操作步骤为：首先，通过调节爬升调节机构使四个爬升机构的滚轮贴紧管壁；然后，爬升机构的驱动电机动作，带动驱动轮转动，通过绳索经导向轮传递至卷绳轮，卷绳轮带动滚轮转动，从而四个爬升机构的滚轮同时转动，完成机器人在管道中沿管壁的爬行。

一种自适应式管内机器人的爬行方法，其操作步骤为：首先，通过调节爬升调节机构使使上机身上左上爬升机构和右上爬升机构的滚轮压紧管壁，下机身上左下爬升机构和右下爬升机构的滚轮松开对管壁的压紧；然后，升降电机动作，驱动丝杠螺母副，下机身相对上机身运动，上升或下降一段距离，此时机器人爬升半个行程；接着，下机身上左下爬升机构和右下爬升机构的滚轮压紧管壁，上机身上左上爬升机构和右上爬升机构的滚轮松开对管壁的压紧；接着，升降电机再次动作，上机身相对下机身运动，上升或下降一段距离；最后，重复上述步骤，上机身和下机身交替动作，完成机器人的爬行。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明自适应式管内机器人，通过爬升调节机构可以调整左上和右上爬升机构，以及左下和右下爬升结构相对机身的转动，从而调整机器人四个爬升机构的支撑宽度，以适应不同直径的管道攀爬，以保证机器人始终能够有效地紧贴在管道内壁，防止机器人在运行过程中发生打滑或坠落，提高了机器人运行的安全性和可靠性；

(2)本发明自适应式管内机器人，爬升调节机构采用电机驱动丝杠螺母副的结构形式，可同时增大或减小两个爬升机构之间的夹角，从而适应管道直径变化，结构简单，有利于降低机器人自重；

(3)本发明自适应式管内机器人，爬升调节机构采用传感器检测调节丝杠的推力，并将检测信号传递给控制系统，从而可实时了解机器人与管道内壁的接触力，并通过控制系统实时调整调节电机的驱动力，保证了机器人稳定地、可靠地、连续地适应管道直径的变化，保证机器人工作的安全性和可靠性；

(4)本发明自适应式管内机器人，爬升机构采用驱动电机带动驱动轮，并通过绳索驱动卷绳轮，进而带动滚轮的形式实现滚轮在管壁上的滚动，结构简单，有利于降低整机重量，导向轮能够适应摆杆的角度变化，而且爬升机构的此种结构形式，是为了配合爬升调节机构的功能进行优化设计得到，他们之间配合才能有效的实现爬行、适应管径等一系列操作，当然，其也是机器人能够实现断电保护的基础；

(5)本发明自适应式管内机器人，爬升机构中驱动电机通过电磁离合器与驱动轮传动连接，在意外断电情况下，启动断电自保护模式，电磁离合器可锁止驱动轮，避免其转动，从而可防止机器人因重力作用而产生滑动或下坠，提高机器人的安全性；

(6)本发明自适应式管内机器人，采用有滚动爬升式和交替爬升式两种运动模式，当管道轴线呈水平或者与水平线夹角较小时，选择滚动爬升式运动模式，该模式能够实现快速运行；当管道轴线与水平线夹角较大或者负载较大时，为了防止机器人与管道内壁的打滑，保证机器人运行的安全性，选择交替爬升式运动模式，该模式能承载较大负载；从而使得本发明机器人能够根据不同的运行环境和运行需求，来选择不同的运行模式，提高了机器人的适应性和应用范围。

附图说明

图1为本发明自适应式管内机器人在管道内的爬升状态结构示意图；

图2为本发明自适应式管内机器人的爬行机构示意图；

图3为图2中m-m的剖视示意图；

图4为图2中n-n的剖视示意图；

图5为图2中p-p的剖视示意图。

附图中的标号分别表示为：

1、上机身；2下机身；3、丝杠螺母副；4、升降电机；5、爬升机构；5-1、左上爬升机构；5-2、右上爬升机构；5-3、左下爬升机构；5-4、右下爬升机构；501、滚轮；502、卷绳轮；503、摆杆；504、绳索；505、导向轮；506、摆臂电机；507、驱动轮；508、驱动电机；509、电磁离合器；6、爬升调节机构；601、万向铰；602、调节丝杠；603、电机板；604、调节电机；605、传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，本实施例一种自适应式管内机器人，主要由机身、爬升机构5和爬升调节机构6组成；其中，爬升机构5用于支撑机身，并实现机器人在管道内的爬行，爬升调节机构6可以调节爬升机构5的支撑宽度，从而时机器人能够适应不同直径的管道爬行。下面对各部分进行详细说明。

结合图1和图2所示，爬升机构5具有四个分别设置在机身的机构拐角处，它们分别是左上爬升机构5-1、右上爬升机构5-2、左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4，它们的结构相同，左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2之间、左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4之间各安装一个所述的爬升调节机构6，分别用于调节左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2，以及左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4相对机身的转动，以适应不同的管道直径。传统的管道机器人都是在支撑脚上安装滚轮，然后用电机直接驱动，实现滚轮沿管壁的滚动，但是本发明的爬升机构5不仅要实现爬行功能，而且还需要配合爬升调节机构6实现对管道直径的适应，而鉴于后续对爬升调节机构6的结构设计，因此，本实施例摒弃传统的结构形式，对爬升机构5的结构进行优化设计。具体地，如图2、图3、图4和图5所示，爬升机构5包括滚轮501、卷绳轮502、摆杆503、绳索504、驱动轮507和驱动电机508；其中，摆杆503的一端连接机身，并安装导向轮505，此端安装摆臂电机506，通过摆臂电机506可驱动摆杆503转动，摆杆503的另一端连接有滚轮501和卷绳轮502，滚轮501和卷绳轮502固连在一起；驱动轮507设置在机身上，连接驱动电机508，驱动轮507通过驱动电机508驱动转动；绳索504依次绕过卷绳轮502、导向轮505和驱动轮507。

爬升机构5采用驱动电机508带动驱动轮507，并通过绳索504驱动卷绳轮502，进而带动滚轮501的形式实现滚轮501在管壁上的滚动，结构简单，有利于降低整机重量，导向轮505能够适应摆杆503的角度变化，而且爬升机构5的此种结构形式，是为了配合爬升调节机构的功能进行优化设计得到，他们之间配合才能有效的实现爬行、适应管径等一系列操作，当然，其也是后续机器人能够实现断电保护的基础。

结合图1所示，每个爬升调节机构6包括调节螺母、调节丝杠602、电机板603和调节电机604；其中，调节螺母通过万向铰601安装在一个爬升机构5上，电机板603通过万向铰链安装在另一个爬升机构5上，调节电机604安装在电机板603上；调节电机604连接调节丝杠602，调节丝杠602与调节螺母传动连接。爬升调节机构6采用电机驱动丝杠螺母副的结构形式，可同时增大或减小两个爬升机构5之间的夹角，从而适应管道直径变化，结构简单，有利于降低机器人自重。

由于管道的直径变化一般是连续的，而对于机器人在管道中运动是，其需要对管道的变化实时了解，并能够快速的做出调整反应，而上述爬升调节机构6的结构虽然能够适应管径的变化，但如何动态的了解管径变化和实时调整还无法达到。因此，在本实施例中，爬升调节机构6中设置了传感器605，可实时检测调节丝杠602的推力，并将扭力信号传递给控制系统，以便控制系统控制调节电机604的驱动力，从而保证了机器人稳定地、可靠地、连续地适应管道直径的变化，保证机器人工作的安全性和可靠性。传感器605的安装形式现有技术中有多种，只要能够完成调节丝杠602的推力检测即可，例如，可将传感器605安装在电机板603和调节电机604之间，调节丝杠602对调节电机604的反作用力即可传递到传感器605，也就是调节丝杠602的推力。

实施例2

本实施例一种自适应式管内机器人的管径自适应方法，采用实施例1的自适应式管内机器人，可以适应不同的管道直径，其操作步骤为：爬升调节机构6运行，调节电机604动作，驱动调节丝杠602转动，通过调节螺母，推动左上爬升机构5-1的摆杆503和右上爬升机构5-2的摆杆503之间的夹角增大或减小、左下爬升机构5-3的摆杆503和右下爬升机构5-4的摆杆503之间的夹角增大或减小，使爬升机构5的滚轮501始终压紧管道内表面；在此过程中，通过传感器605检测调节丝杠602的推力，并将信号传动给控制系统，由控制系统控制调节电机604的旋转扭矩，从而达到实时调控滚轮501对管壁的压紧力。

本实施例的机器人管径自适应模式，在机器人爬升的过程中，能够实时调整机器人与管道内壁的接触力，以保证机器人始终能够有效地紧贴在管道内壁，防止机器人在运行过程中发生打滑或坠落，提高了机器人运行的安全性和可靠性。

本方法中，在爬升调节机构6驱动摆杆503转动过程中，摆臂电机506可一起动作，同时驱动摆杆503，从而增大驱动力；并且在滚轮501压紧管壁时，摆臂电机506可继续保持对摆杆503驱动力，如果传感器605意外发生故障时，避免机器人打滑或坠落，起到二次保障的作用。

实施例3

本实施例一种自适应式管内机器人的断电保护方法，在意外断电情况下，可对机器人进行锁止，防止机器人因重力作用而产生下坠或滑动，提高机器人的作业安全性。

该自适应式管内机器人的结构与实施例1基本相同，所不同之处在于：驱动电机508通过电磁离合器509与驱动轮507传动连接，电磁离合器509采用电磁超越离合器，其在通电状态下内外圈超越，断电状态下内外圈锁止，电磁离合器509在现有技术中已经比较成熟，此处不再详细叙述其结构；同时，爬升调节机构6中调节丝杠602和调节螺母采用梯形螺纹配合，具有自锁功能。

该断电保护方法的步骤为：当发生断电时，电磁离合器509失电，其内外圈锁止，迫使驱动轮507被锁住停止转动，进而通过绳索504锁住卷绳轮502，则滚轮501停止转动，从而机器人附着于管壁上，处于静止状态。

在此断电保护模式下，各电机均失电，爬升调节机构6的调节丝杠602与调节螺母之间因采用梯形螺纹配合自锁，断电后调节电机604不会反转，爬升机构5的摆杆503不会摆动，在配合电磁离合器509的锁止功能，从而可有效保证机器人稳定支撑在管壁上。

实施例4

本实施例一种自适应式管内机器人的爬行方法，采用实施例3中的自适应式管内机器人，可以实现机器人在管道内的爬行。具体步骤如下：

首先，爬升调节机构6运行，调节电机604动作，驱动调节丝杠602转动，通过调节螺母，推动左上爬升机构5-1的摆杆503和右上爬升机构5-2的摆杆503之间的相对转动、左下爬升机构5-3的摆杆503和右下爬升机构5-4的摆杆503之间的相对转动，使爬升机构5的滚轮501始终压紧管道内表面；然后，爬升机构5的驱动电机508动作，带动驱动轮507转动，通过绳索504经导向轮505传递至卷绳轮502，卷绳轮502带动滚轮501转动，从而四个爬升机构5的滚轮501同时转动，完成机器人在管道中沿管壁的爬行。

此种滚动爬升模式，当管道轴线呈水平或者与水平线夹角较小时选择，该模式能够实现快速运行，而当管道轴线与水平线夹角较大且负载较小时，也可以选择此滚动爬行模式。

实施例5

本实施例一种自适应式管内机器人的爬行方法，可实现机器人在管道内的爬行，其结构形式与实施例3的自适应式管内机器人结构基本相同，不同之处在于：机身主要由上机身1和下机身2组成，左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2位于上机身1上，左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4位于下机身2上；所述上机身1和下机身2之间通过丝杠螺母副3连接，并通过升降电机4驱动。即上机身1上安装螺母，升降电机4安装在下机身2上，升降电机4连接丝杠，丝杠与螺母传动连接，且采用梯形螺纹配合形式。

采用上述自适应式管内机器人实现爬行的具体步骤如下：

首先，爬升调节机构6运行，调节电机604动作，驱动调节丝杠602转动，通过调节螺母，推动上机身1上左上爬升机构5-1的摆杆503和右上爬升机构5-2的摆杆503之间的相对转动，使爬升机构5的滚轮501始终压紧管道内表面，而下机身2上左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的滚轮501松开对管壁的压紧；在此步骤时，同时使左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2的电磁离合器509失电锁止；然后，升降电机4动作，驱动丝杠螺母副3，下机身2相对上机身1运动，上升或下降一段距离，此时机器人爬升半个行程；接着，下机身2上左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的滚轮501压紧管壁，上机身1上左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2的滚轮501松开对管壁的压紧；且左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的电磁离合器509失电锁止，；接着，升降电机4再次动作，上机身1相对下机身2运动，上升或下降一段距离；最后，重复上述步骤，上机身1和下机身2交替动作，完成机器人的爬行。

当管道轴线与水平线夹角较大或者负载较大时，为了防止机器人与管道内壁的打滑，保证机器人运行的安全性，选择此种交替爬行模式。由于该模式是利用上机身1和下机身2交替地与管道内壁接触，利用静摩擦力来实行爬升，故该模式能承载较大负载，但爬升速度较慢。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。