本发明实施例涉及全向机器领域，尤其涉及一种可用于管道机器人的全向运动机构。
背景技术：
近几十年，随着自动化技术的极大进步和国民物质生活水平显著提高，各行各业的发展更多地依赖于物料输送。而其中管道输送物料凭借着输送量大、方便快捷、低成本等优势，在国民经济中占有越来越大的比重，已广泛应用于石油、化工、能源、食品加工、城市供排水、农业灌溉、核工业等领域。但管道通常会受到输送介质的化学性腐蚀、不可抗力的自然灾害以及自身缺陷的影响，容易发生输送物泄露而导致污染，所以需要定期对管道内部进行检查、维护和清洁保养。
传统管道检测都是由相关工作人员实施，工作量大且效率低下，而且管道的有些位置人员无法到达实施监测，比如输送有毒化学品或内部结构复杂狭小的管道。由此，管道机器人应运而生。
然而，现有管道机器人在面对垂直、微小、复杂管道时，存在诸多实际困难，究其主要原因在于机器人的机械结构、行走方式、驱动力来源等因素导致机器人运动困难。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种全向运动机构，以解决现有管道机器人行动困难的问题。
本发明实施例提供了一种全向运动机构，包括：
至少两个全向运动单元，所述全向运动单元包括柔性磁屏蔽基板，所述柔性磁屏蔽基板的任意一个表面被划分为相互屏蔽的m个屏蔽区域，分别为第1屏蔽区域～第m屏蔽区域，所述第i屏蔽区域设置有环形凹槽结构，在垂直于所述柔性磁屏蔽基板的方向上所述柔性磁屏蔽基板第一表面的m个环形凹槽结构与所述柔性磁屏蔽基板第二表面的m个环形凹槽结构重叠，所述全向运动单元还包括与各个所述环形凹槽结构一一对应设置的多个电磁线圈，所述电磁线圈容置在对应的一个所述环形凹槽结构中，m为大于或等于3的正整数，i＝1,2,…,m；
与所述m个屏蔽区域对应设置的m条柔性线缆，第i条柔性线缆与每个所述全向运动单元的第i屏蔽区域对应设置，所述第i条柔性线缆包括多条第i柔性连接线，所述第i柔性连接线与一个所述全向运动单元的一个第i屏蔽区域的电磁线圈电连接以给该电磁线圈传输电流。
进一步地，所述柔性磁屏蔽基板包括柔性磁屏蔽隔板、贴合在所述柔性磁屏蔽隔板的第一表面上的第一柔性线圈固定板、以及贴合在所述柔性磁屏蔽隔板的第二表面上的第二柔性线圈固定板，所述第一柔性线圈固定板的背离所述柔性磁屏蔽隔板的表面被划分为相互屏蔽的m个屏蔽区域、以及其中第i屏蔽区域设置有环形凹槽结构，所述第二柔性线圈固定板的背离所述柔性磁屏蔽隔板的表面被划分为相互屏蔽的m个屏蔽区域、以及其中第i屏蔽区域设置有环形凹槽结构。
进一步地，所述环形凹槽结构的深度大于或等于所述电磁线圈的横截面的最大尺寸。
进一步地，所述柔性磁屏蔽基板包括柔性屏蔽间隔条，所述柔性磁屏蔽基板的任意一个表面通过所述柔性屏蔽间隔条被划分为相互屏蔽的m个屏蔽区域。
进一步地，所述环形凹槽结构的深度大于或等于所述电磁线圈的横截面的最大尺寸的二分之一。
进一步地，所述柔性磁屏蔽基板中任意两个所述环形凹槽结构的形状和大小均相同。
进一步地，所述全向运动单元的形状为圆形。
本发明实施例提供的全向运动机构，将电磁力作为运动驱动源，无需传统的驱动元件如电机、气缸等即可实现自由空间的运动，其中柔性连接线与电磁线圈一一对应设置并电连接，通过柔性连接线可独立控制全向运动机构的电磁线圈的电流大小和电流方向，则通过给电磁线圈施加相同或不同的电流，可控制全向运动单元向X方向、Y方向和Z方向运动，实现全方向的运动能力并满足连续多自由度运动要求，从而使得集成有全向运动机构的管道机器人在管道等狭窄空间内，实现在管道内的全向自由运动，具有通过性强、稳定性好、牵引力大等特点，通过改善管道机器人的机械结构、行走方式、驱动力来源，使管道机器人运动便捷，同时还能够适应不同管径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的全向运动机构的示意图；
图2为图1所示全向运动机构的全向运动单元的示意图；
图3为图2沿A-A'的剖视图；
图4为图2沿A-A'的另一种剖视图；
图5为图1所示全向运动机构中柔性线缆的连接示意图；
图6为图5所示全向运动机构的电磁线圈的示意图；
图7为图1所示全向运动机构的柔性磁屏蔽基板的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1所示，为本发明实施例提供的全向运动机构的示意图。本实施例提供的全向运动机构可选用于管道机器人中，用于改善管道机器人的行走方式，实现全向运动效果。
本实施例提供的全向运动机构包括：至少两个全向运动单元100，全向运动单元100包括柔性磁屏蔽基板101，柔性磁屏蔽基板101的任意一个表面被划分为相互屏蔽的m个屏蔽区域102，分别为第1屏蔽区域～第m屏蔽区域，第i屏蔽区域设置有环形凹槽结构103，在垂直于柔性磁屏蔽基板101的方向上柔性磁屏蔽基板101第一表面的m个环形凹槽结构103与柔性磁屏蔽基板101第二表面的m个环形凹槽结构103重叠，全向运动单元100还包括与各个环形凹槽结构103一一对应设置的多个电磁线圈104，电磁线圈104容置在对应的一个环形凹槽结构103中，m为大于或等于3的正整数，i＝1,2,…,m；与m个屏蔽区域102对应设置的m条柔性线缆105，第i条柔性线缆与每个全向运动单元100的第i屏蔽区域对应设置，第i条柔性线缆包括多条第i柔性连接线106，第i柔性连接线106与一个全向运动单元100的一个第i屏蔽区域102的电磁线圈104电连接以给该电磁线圈104传输电流。在本实施例中可选，m等于4。
本实施例中全向运动单元100的柔性磁屏蔽基板101的任意一个表面被划分为相互屏蔽的m个屏蔽区域102，可选m等于4，则柔性磁屏蔽基板101的任意一个表面包括第1屏蔽区域～第4屏蔽区域。第i屏蔽区域设置有环形凹槽结构103，即柔性磁屏蔽基板101的任意一个表面的任意一个屏蔽区域102设置有环形凹槽结构103。本实施例中柔性磁屏蔽基板101包括第一表面101a和第二表面，在垂直于柔性磁屏蔽基板101的方向上柔性磁屏蔽基板101第一表面的m个环形凹槽结构103与柔性磁屏蔽基板101第二表面的m个环形凹槽结构103重叠，即柔性磁屏蔽基板101的第一表面101a的结构与柔性磁屏蔽基板101的第二表面的结构完全相同，图2示出了柔性磁屏蔽基板101的第一表面101a的结构。采用柔性磁屏蔽基板101作为全向运动单元100的主体结构，能够提高全向运动单元100的行动能力，便于全向运动机构进行全方位的运动。本领域技术人员可以理解，柔性磁屏蔽基板可选为任意一种柔性的具有磁屏蔽功能的基板，在本发明中不对柔性磁屏蔽基板进行具体限定。
图2为图1所示全向运动机构的全向运动单元的示意图。图3为图2沿A-A'的剖视图。参考图2和图3所示，可选柔性磁屏蔽基板101包括柔性屏蔽间隔条101b，柔性磁屏蔽基板101的任意一个表面通过柔性屏蔽间隔条101b被划分为相互屏蔽的m个屏蔽区域102。即柔性磁屏蔽基板101的任意相邻两个屏蔽区域102的交界处具有柔性屏蔽间隔条101b，则任意相邻两个屏蔽区域102之间相互屏蔽且互不干扰。当电磁线圈104容置在环形凹槽结构103中时，柔性屏蔽间隔条101b能够屏蔽任意相邻两个屏蔽区域102的电磁线圈104之间的电磁信号干扰。此时，基于柔性屏蔽间隔条101b的设置，可选环形凹槽结构103的深度大于或等于电磁线圈104的横截面的最大尺寸的二分之一，即环形凹槽结构103用于容置和固定电磁线圈104，柔性屏蔽间隔条101b主要用于隔离相邻两个电磁线圈104的电磁干扰。
在其他实施例中，图4为图2沿A-A'的另一种剖视图，还可选环形凹槽结构103的深度大于或等于电磁线圈104的横截面的最大尺寸。此时电磁线圈104会完全容置在环形凹槽结构103中，不会超出环形凹槽结构103的槽口，则任意相邻两个环形凹槽结构103起到了隔离和屏蔽相邻两个电磁线圈104的作用，无需设置柔性屏蔽间隔条，此时环形凹槽结构103不仅用于容置和固定电磁线圈104，还用于隔离相邻两个电磁线圈104的电磁干扰，由此也能够屏蔽任意相邻两个屏蔽区域的电磁线圈之间的电磁信号干扰。
本实施例中全向运动单元100的每个环形凹槽结构103中均设置有电磁线圈104，可选电磁线圈104为多匝可通电导线，容置在环形凹槽结构103中并固定。基于柔性磁屏蔽基板101的设置，柔性磁屏蔽基板101的第一表面101a和第二表面的任意两个电磁线圈104不会发生电磁信号干扰，柔性磁屏蔽基板101的任意一个表面的任意两个电磁线圈104也不会发生电磁信号干扰。
如上所述为任意一个全向运动单元100的结构，本实施例中全向运动机构包括至少两个全向运动单元100，任意相邻两个全向运动单元100之间采用柔性线缆105连接，柔性线缆105为电磁线圈104提供电流。可选m＝4时，则全向运动机构包括4条柔性线缆105，其中，图5为图1所示全向运动机构中柔性线缆的连接示意图。图5仅示出了全向运动机构中第1条柔性线缆与全向运动单元100的连接方式，其他柔性线缆105与全向运动单元100的连接方式类似，在此不再示意。
参考图5所示，该第1条柔性线缆105与每个全向运动单元100的第1屏蔽区域102对应设置，具体与每个全向运动单元100的第1屏蔽区域102的电磁线圈104电连接。每个全向运动单元100包括两个第1屏蔽区域102，分别为设置在该全向运动单元100的柔性磁屏蔽基板101的第一表面101a的第1屏蔽区域102和设置在该柔性磁屏蔽基板101的第二表面的第1屏蔽区域102，则第1条柔性线缆105与每个全向运动单元100的设置在柔性磁屏蔽基板101的第一表面101a的第1屏蔽区域102的电磁线圈104电连接、以及还该全向运动单元100的设置在柔性磁屏蔽基板101的第二表面的第1屏蔽区域102的电磁线圈104电连接。
为了实现各个电磁线圈104的独立控制，第i条柔性线缆包括多条第i柔性连接线106，第i柔性连接线106与全向运动机构其中一个全向运动单元100的一个第i屏蔽区域102的电磁线圈104电连接以给该电磁线圈104传输电流。以图5所示的全向运动机构包括3个全向运动单元100为例，第1条柔性线缆105与3个全向运动单元100的6个电磁线圈104电连接，则第1条柔性线缆105包括6条柔性连接线106，在图5中仅示出了第1条柔性线缆105的3条第1柔性连接线106与每个全向运动单元100的柔性磁屏蔽基板101的第一表面101a的第1屏蔽区域102的电磁线圈104电连接，未示出第1条柔性线缆105的剩余3条第1柔性连接线106与每个全向运动单元100的柔性磁屏蔽基板101的第二表面的第1屏蔽区域102的电磁线圈104电连接的关系。
如上所述，一条柔性连接线106与一个电磁线圈104对应设置并电连接，则每条第i柔性连接线106与对应的第i屏蔽区域102的电磁线圈104电连接，并给该电磁线圈104传输电流，由此可独立控制全向运动机构中每个电磁线圈104的电流大小。在此可通过给每相邻两个全向运动单元100上相对的两个电磁线圈104分别施加不同方向电流，使其产生电磁吸力或斥力，由此可通过不同组合实现两个全向运动单元100的相对运动，若干个全向运动单元100组合实现全向运动机构的全方向运动。
需要说明的是，柔性线缆105固定连接在每个全向运动单元100上，在此柔性线缆105的一端与每个全向运动单元100固定连接，柔性线缆105的另一端与电源连接以给相应的电磁线圈104传输电流信号。需要说明的是，每条柔性连接线106包括正负两根导线，电磁线圈104也引出正负两根电极，则柔性连接线106的正极导线与电磁线圈104的正极电连接，柔性连接线106的负极导线与电磁线圈104的负极电连接，由此实现对电磁线圈104的电流信号传输。在其他实施例中，还可选一条柔性线缆中多条柔性连接线口径不同，采用接次轴套连接的方式构成，实现柔性线缆的自由运动。
上述结构为全向运动机构的结构，参考图5所示全向运动机构包括全向运动单元100a、全向运动单元100b和全向运动单元100c，全向运动单元100b的第一表面(其柔性磁屏蔽基板的第一表面)与全向运动单元100a的第二表面(其柔性磁屏蔽基板的第二表面)相对设置，全向运动单元100b的第二表面(其柔性磁屏蔽基板的第二表面)与全向运动单元100c的第一表面(其柔性磁屏蔽基板的第一表面)相对设置。图6为图5所示全向运动机构的电磁线圈的示意图，
参考图5和图6所示，将全向运动单元100a的第一表面的第1屏蔽区域至第4屏蔽区域的4个电磁线圈依次标记为11、12、13、14，将全向运动单元100a的第二表面的第1屏蔽区域至第4屏蔽区域的4个电磁线圈依次标记为11'、12'、13'、14'；将全向运动单元100b的第一表面的第1屏蔽区域至第4屏蔽区域的4个电磁线圈依次标记为21、22、23、24，将全向运动单元100b的第二表面的第1屏蔽区域至第4屏蔽区域的4个电磁线圈依次标记为21'、22'、23'、24'；将全向运动单元100c的第一表面的第1屏蔽区域至第4屏蔽区域的4个电磁线圈依次标记为31、32、33、34，将全向运动单元100b的第二表面的第1屏蔽区域至第4屏蔽区域的4个电磁线圈依次标记为31'、32'、33'、34'。
参考图5和图6所示，全向运动单元100a的电磁线圈11'与全向运动单元100b的电磁线圈21相对设置，全向运动单元100a的电磁线圈12'与全向运动单元100b的电磁线圈22相对设置，全向运动单元100a的电磁线圈13'与全向运动单元100b的电磁线圈23相对设置，全向运动单元100a的电磁线圈14'与全向运动单元100b的电磁线圈24相对设置；全向运动单元100b的电磁线圈21'与全向运动单元100c的电磁线圈31相对设置，全向运动单元100b的电磁线圈22'与全向运动单元100c的电磁线圈32相对设置，全向运动单元100b的电磁线圈23'与全向运动单元100c的电磁线圈33相对设置，全向运动单元100b的电磁线圈24'与全向运动单元100c的电磁线圈34相对设置。
如上所述，给电磁线圈104通电后电磁线圈104会产生电磁力，进而构成全向运动机构的运动驱动源，采用电磁力作为运动驱动源，可以避免现有管道机器人的驱动源的体积重量大的缺点，同时电磁力可实现管道机器人的连续运动。基于此，以全向运动单元100a和全向运动单元100b的运动原理为例，全向运动机构的工作原理如下：
情况一、给电磁线圈11'与电磁线圈21构成的一组电磁线圈，电磁线圈12'与电磁线圈22构成的一组电磁线圈，电磁线圈13'与电磁线圈23构成的一组电磁线圈，以及电磁线圈14'与电磁线圈24构成的一组电磁线圈，其中任意一组施加相同方向(如第一方向)的电流时，全向运动单元100a和全向运动单元100b产生电磁吸力，此时全向运动单元100a和全向运动单元100b表现为轴向Z相向运动，全向运动单元100a和全向运动单元100b的轴向吸力Fz由电磁线圈11'～14'、以及21～24的电流大小决定。相应的，给其中任意一组施加相反方向的电流(如任意一组中给一个电磁线圈施加第一方向的电流，给另一个电磁线圈施加第二方向的电流)时，全向运动单元100a和全向运动单元100b产生电磁斥力，此时全向运动单元100a和全向运动单元100b表现为轴向Z相背运动。
情况二、给电磁线圈11'与电磁线圈21、以及电磁线圈14'与电磁线圈24中任意一组施加相同方向(如第一方向)的电流，给电磁线圈12'与电磁线圈22、以及电磁线圈13'与电磁线圈23中任意一组施加相反方向的电流时，此时全向运动单元100a和全向运动单元100b表现为轴向X运动。
情况三、给电磁线圈11'与电磁线圈21、以及电磁线圈12'与电磁线圈22中任意一组施加相同方向(如第一方向)的电流，给电磁线圈14'与电磁线圈24、以及电磁线圈13'与电磁线圈23中任意一组施加相反方向的电流时，此时全向运动单元100a和全向运动单元100b表现为轴向Y运动。
需要说明的是，在控制电磁线圈的电流方向的同时，还能够控制每个电磁线圈的电流大小，电流大小和方向的不同可以影响全向运动单元的运动方向。具体的，基于毕奥-萨法尔定理，通过控制施加到电磁线圈上的电流大小和方向可控制全向运动单元的偏转角度、运动方向、以及还能够实现位姿保持。例如Z方向的位姿保持可通过全向运动单元100之间的电磁斥力达到柔性线缆105的最大值而实现。而偏转角度的位姿保持需要和柔性线缆105及周围环境配合，柔性线缆105的长度和周围环境(如管道直径)决定了两个全向运动单元100间的相对运动边界。此外，例如X方向的角度偏转，可通过X向偏转加后续全向运动单元的相应偏转或背向运动，进行多单元的运动叠加，从整体上实现多自由度角度调整。
如上所述，任意相邻两个全向运动单元通过之间的电磁力作用实现运动，即可实现全向运动机构的相应轴向X、Y、Z方向的运动，该全向运动机构保证了笛卡尔坐标系的四个象限都能拥有活动自由度，即实现了全向运动。需要说明的是，全向运动单元中电磁线圈的数量越多，全向运动单元的运动可控自由度越高。
参考图7所示，为图1所示全向运动机构的全向运动单元的示意图。可选的，柔性磁屏蔽基板101包括柔性磁屏蔽隔板111、贴合在柔性磁屏蔽隔板111的第一表面上的第一柔性线圈固定板112、以及贴合在柔性磁屏蔽隔板111的第二表面上的第二柔性线圈固定板113，第一柔性线圈固定板112的背离柔性磁屏蔽隔板111的表面被划分为相互屏蔽的m个屏蔽区域102、以及其中第i屏蔽区域设置有环形凹槽结构103，第二柔性线圈固定板113的背离柔性磁屏蔽隔板111的表面被划分为相互屏蔽的m个屏蔽区域102、以及其中第i屏蔽区域设置有环形凹槽结构102。在此图7仅示出了柔性磁屏蔽基板的侧视图，环形凹槽结构103等与上述实施例的结构相同，在此不再赘述。
可选第一柔性线圈固定板112通过铆钉铆接、或熔焊、或高强度胶水粘接的方式贴合在柔性磁屏蔽隔板111的第一表面上，电磁线圈104容置在第一柔性线圈固定板112的环形凹槽结构102中。可选第二柔性线圈固定板113通过铆钉铆接、或熔焊、或高强度胶水粘接的方式贴合在柔性磁屏蔽隔板111的第二表面上，电磁线圈104容置在第二柔性线圈固定板113的环形凹槽结构102中。
柔性磁屏蔽基板101包括柔性磁屏蔽隔板111、贴合在柔性磁屏蔽隔板111的第一表面上的第一柔性线圈固定板112、以及贴合在柔性磁屏蔽隔板111的第二表面上的第二柔性线圈固定板113，可以减小柔性磁屏蔽隔板111的厚度，进而减小柔性磁屏蔽基板101的厚度和重量，提高全向运动机构的运动自由度和灵活度。
参考图1所示，可选柔性磁屏蔽基板101中任意两个环形凹槽结构103的形状和大小均相同。相应的，环形凹槽结构103相同，则电磁线圈104相同，此时可通过控制施加给电磁线圈104的电流大小和电流方向以实现全向运动机构的所需方向的运动。
参考图1所示，可选全向运动单元100的形状为圆形。全向运动单元100采用圆形的形状，便于运动，可实现不同方向和角度的运动，提高了管道机器人运动和行动的灵活性。
本实施例提供的全向运动机构包括至少两个全向运动单元，全向运动单元的柔性磁屏蔽基板的任意一个表面被划分为相互屏蔽的第1屏蔽区域～第m屏蔽区域，第i屏蔽区域设置有环形凹槽结构，全向运动单元还包括与各个环形凹槽结构一一对应设置的多个电磁线圈，电磁线圈容置在对应的一个环形凹槽结构中，全向运动机构还包括m条柔性线缆，第i条柔性线缆包括多条第i柔性连接线，第i柔性连接线与一个全向运动单元的一个第i屏蔽区域的电磁线圈电连接以给该电磁线圈传输电流。本实施例中将电磁力作为运动驱动源，无需传统的驱动元件如电机、气缸等即可实现自由空间的运动，其中柔性连接线与电磁线圈一一对应设置并电连接，通过柔性连接线可独立控制全向运动机构的电磁线圈的电流大小和电流方向，则通过给电磁线圈施加相同或不同的电流，可控制全向运动单元向X方向、Y方向和Z方向运动，实现全方向的运动能力并满足连续多自由度运动要求，从而使得集成有全向运动机构的管道机器人在管道等狭窄空间内，实现在管道内的全向自由运动，具有通过性强、稳定性好、牵引力大等特点，通过改善管道机器人的机械结构、行走方式、驱动力来源，使管道机器人运动便捷，同时还能够适应不同管径。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。