一种刚柔融合的连续推进管道机器人

本发明属于管道机器人技术领域，具体涉及一种刚柔融合的连续推进管道机器人。

背景技术：

随着社会现代化进程的不断发展，在工业、农业、军事、城市基建以及石油天然气等领域，管道机器人作为特种机器人的一种应用越来越广。然而，目前应用在中小型管内的管道机器人大多存在牵引力不足、适应性不强、可靠性不高以及运行效率低等问题，严重制约其工作能力及实用推广。

牵引力不足的主要原因为：一、现有管道机器人，在驱动形式上，主要分为电动与流体传动两类，电机驱动功率密度低，在相同能源储备情况下，比流体驱动输出力小，因此，很难拖动较大负载；二、管道机器人在运动形式上，主要分为轮式和伸缩式。轮式管道机器人是驱动轮与管道内壁接触，靠轮子和管道摩擦力驱动机器人行走，这种轮子与管壁静摩擦力小，输出牵引力就小；三、伸缩式管道机器人类似昆虫蠕动，伸缩与支撑交替变化行走：支撑结构抓靠管道内壁，另有伸缩机构拖拽负载。目前支撑机构大多刚性设计，与管道内壁接触面积小，产生静摩擦力小，因此难以保证较大输出动力。

适应性不强主要原因为：对于轮式结构，仅适用于管道内壁规则，表面良好的场合，如果管道内壁不规则，并且有障碍物的情况，轮式管道机器人的通过性比较差。伸缩式管道机器人的移动机理具备跨越管内障碍的优势，但现有刚性支撑结构，不能很好地与管道内壁贴合，无法保证锁止功能，因此通过性不强。

可靠性和运行效率低主要原因为：电机驱动管道机器人驱动和控制仪器，大都集中在机体之内，当管道在高温高压或者其他恶劣环境下，元器件故障率高，影响机器人正常运转效率；同时，如果管道机器人服役在易燃易爆等危险环境，电机驱动管道机器人危险指数大增，降低机器人可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可提升机器人运行效率与管径适应能力、可提升机器人牵引能力与可靠性能的刚柔融合的连续推进管道机器人。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种刚柔融合的连续推进管道机器人，其特征在于：沿着管道的轴向方向，所述连续推进管道机器人至少由一组前伸缩机构、一组前支撑机构、一组中间伸缩机构、一组后支撑机构和一组后伸缩机构通过快速连接组件顺次连接构成；所述快速连接组件为具有两个方向转动自由度的连接组件，该两个方向垂直于管道轴向方向；

所述前伸缩机构和后伸缩机构由一组或多组执行器伸缩组件按照同向串联连接方式构成；所述中间伸缩机构至少由两组执行器伸缩组件以伸缩方向背对朝外的方式串连连接构成；所述执行器伸缩组件采用液压缸或气压缸；通过活塞杆的运动实现机器人快速推进；

所述前支撑机构和后支撑机构由一组或多组皮囊支撑组件串联连接构成；所述皮囊支撑组件为沿径向可膨胀和可收缩的结构；

所述连续推进管道机器人还包括流体动力与控制组件；所述流体动力与控制组件设置在机器人外围，用于为机器人提供运动能源，控制各执行器伸缩组件动作方向和大小及控制各皮囊支撑组件的膨胀和收缩。

进一步的：所述皮囊支撑组件包括皮囊、两个端盖、两个管接头、内套管和两个连接座；所述皮囊为套状，皮囊的两端套装紧固在两个端盖的外圆面上；所述两个端盖上设置有中心通孔，在两个端盖上还设置有流体孔；所述内套管同轴设置于皮囊内，内套管的两端分别与两个管接头的内端套装紧固连接；所述两个管接头的外端分别与两个端盖的内侧端固定连接、且管接头的中心孔与端盖的中心通孔对正连通；所述两个连接座分别与两个端盖的外端固定连接，在两个连接座上各固定有一连接螺柱，分别形成述皮囊支撑组件的第一外接端和第二外接端。

进一步的：所述液压缸或气压缸的外伸出活塞杆端制有外螺纹，为执行器伸缩组件的第一外接端；液压缸或气压缸的缸体端设置有螺栓柱，形成执行器伸缩组件的第二外接端。

进一步的：所述快速连接组件的两端为外接端，分别设置有螺纹孔。

本发明具有的优点和积极效果：

1、牵引力更大。主要表现在两方面：现有中小型管道机器人大多采用电机驱动，本管道机器人采用流体驱动，能量密度更大，输出牵引力更大，这种流体可以是水压、油压、气压，或者其他气液混合流体，比如在石油钻探领域，过滤的钻井液也可以作为驱动流体。同时本管道机器人可以实现多模块单元组快速连接，根据实际需求，增加皮囊支撑组件以及执行器伸缩组件，与现有固定结构管道机器人相比，大幅度提升牵引能力；

2、适应性更强。通过采用伸缩式推进，相比轮式移动和履带式移动，本管道机器人跨障能力更强，适应不同环境内表面管道。同时，柔性皮囊支撑结构，进一步加强管内支撑的力度以及不同管径的通过性能。

3、可靠性更高。采用模块化多单元组串联的形式，即使某一伸缩单元组件出现故障，不影响整个机器人移动工作。同时，机器人动力及控制单元与机器人行走单元分离，提高了机器人在危险环境运行的安全性。

4、连续推进。在推进机理上，本机器人是传统伸缩式管道机器人与轮式管道机器人的结合。实现了前端是连续向前推进的、后端是连续向前推进的以及机器人整体中心也是连续向前推进的。

附图说明

图1是本发明实施例一的整体立体结构示意图；

图2是本发明执行器伸缩组件的结构示意图；2a、外观立体图；2b、剖视图；

图3是本发明皮囊支撑组件的结构示意图；3a、未膨胀状态下外观立体图；3b、未膨胀剖视图；3c、膨胀状态下外观立体图；

图4是本发明快速连接组件的结构示意图

图5是本发明实施例一的工作流程参考图；

图6是本发明在弯曲管道内移动的结构示意图；

图7是本发明在不规则管道内移动的结构示意图；

图8是本发明实施例二的结构示意图；

图9是本发明实施例三的结构示意图；

图10是本发明实施例四的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本管道机器人基本单元组件由流体动力与控制组件、执行器伸缩组件1、皮囊支撑组件3以及快速连接组件2共同组成。

流体动力与控制组件，为机器人提供运动能源，控制各执行器伸缩组件动作方向和大小及控制各皮囊支撑组件的膨胀和收缩，设置在机器人外围，这样既减小机器人机构本体尺寸，又提高机器人运行安全性。流体动力组件主要包括原动机，例如内燃机或者电动机等，驱动动流体动力元件，例如液压泵或者气压泵等，为机器人系统提供有压流体动力，流体控制组件包括若干开关换向阀等，控制各执行器伸缩组件与各皮囊支撑组件按特定时序动作，每个执行器伸缩组件与每个皮囊支撑组件都对应一个开关换向阀，提高控制灵活性。例如，与皮囊流体孔连接的开关换向阀可采用两位三通形式。当流体孔与流体动力系统高压流体管路连通，流体流入皮囊，皮囊膨胀，支撑管壁；开关阀换向，流体孔与流体动力系统低压流体管路连通，流体流出皮囊，皮囊收缩，皮囊表面与管壁分离。

执行器伸缩组件为刚性流体动力执行器构成，通过活塞杆的运动实现机器人快速推进；皮囊支撑组件为柔性皮囊以及相关组件，自适应支撑管道内壁，确保机器人固定可靠。

快速连接组件用于连接其他两个组件，提升机器人弯道通过能力，所述快速连接组件为具有两个方向转动自由度的连接组件，该两个方向垂直于管道轴向方向。所述快速连接组件的两端为外接端，分别设置有螺纹孔2.1，以连接两端的其他组件。管道机器通过基本组件交替支撑管道内壁，实现连续推进。管道机器人前端快接模块，可连接各类测试仪器与作业工具，机器人后端快接模块，也可以拖拽线缆和其他负载工具，尾端连接能源管道与信号线缆，提升机器人移动范围以及事故保障。

以下面四个实施例详细说明本发明的具体结构及工作原理：

实施例一：

请参见图1-4，管道机器人整体结构由4个执行器伸缩组件、2个皮囊支撑组件以及若干快速连接组件构成。执行器伸缩组件内布置运动活塞杆，伸出和缩回促使机器人前后移动；皮囊支撑组件通过皮囊收缩与膨胀，实现与管道内壁分离和锁止，保证机器人管道移动和固定。

执行器伸缩组件：

执行器伸缩组件主要包括：执行器缸体1.2，运动活塞杆1.1，底座1.3以及定位螺母。

执行器缸体有流体进出口，高低压流体进入，实现运动活塞杆的伸出和缩回，底座在缸体一侧，通过螺钉与缸体连接，防止流体外溢，底座上有螺栓柱，可以与快速连接组件的螺纹孔配合连接。运动活塞杆一端是活塞，流体对两面作用导致其运动，另一端是杆件，杆件端面是螺纹，可以与快速连接组件螺纹孔配合连接

皮囊支撑组件：

皮囊支撑组件主要包括：皮囊3.3，具备良好的弹性，可以随着流体的进入和排出形状变大和变小；两个端盖3.2，分别在皮囊两侧，皮囊端部与端盖胶接，保证密封性，同时，配合锁紧钢带保证牢固；端盖是环形的，外圆与皮囊配合，内环与管接头配合，两个管接头3.4与内套管3.5连接，连接处有胶密封，有小钢带锁紧；内套管内穿过机器人所需流体管道以及相关信号线缆。在两端盖上有流体孔，是流体进出的通道，流体进出皮囊和套管的环形区域，控制皮囊膨胀和收缩，因为内套管的存在，使得流体空间减小，有利于快速支撑和离开管道内壁。端盖面上布置连接座3.1，用螺钉固定，连接座上有连接螺栓，可以与快速连接组件螺纹配合。

具体工作流程：

见图5，管道机器人向右为正方向。

假设初始为图a状态，1号和4号活塞杆伸出，2号和3号活塞杆缩回，a号和b号皮囊收缩，机器人静止不动；

工作步1，如图b，首先是a号皮囊快速膨胀，与管道内壁锁紧，此时，1号活塞杆收回，机器人后端负载向前移动一段距离；同时2号和3号活塞杆伸出、4号活塞杆缩回，机器人前端向前移动一段距离；此过程中，机器人整体中心向前移动相同距离(图中圆点所示)；

工作步2，如图c，此时a号皮囊收缩，b号皮囊膨胀，支撑管壁；4号活塞杆伸出，机器人前端向前移动一段距离；2号和3号活塞杆收缩、1号活塞杆伸出，完成机器人后端整体向前移动一段距离；此过程中，机器人整体中心向前移动相同距离。

接下来继续重复工作步1、工作步2的各组件动作，机器人实现连续向前移动。

此过程中，前端是连续向前推进的、后端是连续向前推进的以及机器人整体中心也是连续向前推进的。

实施例二：

本实施例为实施例一的衍生结构，在实施例一结构的基础上，在4号执行器伸缩组件的前端依次增加一组执行器伸缩组件、一组皮囊支撑组件和一组执行器伸缩组件。这样可增加管道机器人的整体长度，提高机器人移动稳定性，适用于管道内壁形状不规则，机器人工作环境恶劣的情况。

动作过程参见附图8。

实施例三：

本实施例也为实施例一的衍生结构，与实施例一的区别点为：前、后两处的支撑部位均由两组皮囊支撑组件串联连接构成，这样可增大与管道的支撑接触面积，进一步增加皮囊与管道间摩擦力，保证机器人输出更大牵引力，适用于管道内壁摩擦系数相对较小或者负载对于机器人拖拽力要求更大的工作环境。

动作过程请参见附图9。

实施例四：

本实施例也为实施例一的衍生结构，与实施例一的区别点为：

1、前、后两处支撑部位均右两组皮囊支撑组件串联连接构成，这样可增大与管道支撑的接触面积，保证皮囊锁止牢靠，一般适用于牵引力需求更大的机器人工作环境。

2、前、中、后三处伸缩部位均由双倍的执行器伸缩组件串联连接构成，这样可增加单位时间内伸缩组件的伸缩范围，即提高伸缩机构伸缩速度，从而提升整个管道机器人运动速度，一般适用于对机器人速度要求更高的工作环境。

动作过程请参见附图10。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。