一种同步带管道爬行机器人及周向转动方法与流程

1.本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种同步带管道爬行机器人及周向转动方法。


背景技术：

2.现有很多气体、液体管道在使用中，需要定期对管道进行巡检或对检测仪表进行读数，由于管道错综复杂，甚至有些管道位置较高，另外一些管道埋置于地下,依靠人工已经难以适应目前的管道环境了，基于当前社会对安防巡检业务的迫切需求，尤其是石油化工到的管道巡检业务，众多单位或个人研发出能够在管道外壁进行移动的机器人来代替人工巡检。
3.现有附着在管道外沿行走的管道机器人，一般通过夹爪夹紧管道，存在的问题是，夹爪常常无法有效夹紧管道，导致攀附力不稳，管道机器人无法沿管道稳定行走。
4.为了解决上述问题，公开号为cn111661189a的专利公开了一种管道爬行机器人，利用攀附爪实现在管道上的爬行，并利用接触单元与管道外壁紧密贴合。该方案攀附爪虽然能够保证机器人在管道上稳定爬行，但是由于其只能整体抱紧或者松开管道，导致该机器人只能是爬行特定管径的管道，通用性差。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种同步带管道爬行机器人及周向转动方法，可以在不同管径的管道上进行爬行作业，通用性好，能够适应复杂的管道环境。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种同步带管道爬行机器人，包括：机体以及安装于机体上的行走单元和至少一个环抱单元；行走单元包括转动安装于机体上的行走轮以及驱动行走轮的驱动机构；环抱单元包括塑性的同步带、导向机构以及收放卷同步带的卷料机构，导向机构包括转动设置于机体上的压辊，压辊位于卷料机构出料端口外侧，同步带由卷料机构出料端引出至压辊内侧，且压辊将同步带向内挤压；同步带中部断开分为两段，卷料机构收卷和放卷可驱动同步带沿待测管道外表面移动以完成两段同步带的分开和抱合。
7.基于上述方案，本发明使用原理为，使用时将机器人放置在待测管道上，然后启动卷料机构放卷同步带，由于压辊位于卷料机构出料端口外侧，且压辊将同步带向内挤压，因此经过压辊导向之后的同步带会向内运动，而同步带向内运动的路线被待测管道所遮挡，因此同步带端部会接触到待测管道外壁，由于同步带具有塑性，且压辊对同步带始终具有向内的压力，因此同步带接触到管道后会紧贴管道外壁并沿其外表面移动，直到同步带对管道形成抱合。
8.环抱单元对管道形成抱合后再通过行走单元驱动机器人沿管道前后移动即可。
9.优选地，导向机构还包括调节支架，压辊转动设置于调节支架下部，调节支架通过
改变长度或角度以调节压辊对同步带的下压程度。
10.优选地，两段同步带下端分别设有第一锁合件和第二锁合件，第一锁合件和第二锁合件之间可拆卸配合。
11.优选地，第一锁合件和第二锁合件为相适配的永磁体或电磁铁或卡扣结构。
12.优选地，同步带内侧可拆卸连接有若干滑座，滑座包括座体以及设于座体内侧的行走体。
13.优选地，滑座还包括活动连接于座体内的活动体，活动体内端与座体之间设有弹性件，行走体设于活动体外端上。
14.优选地，行走体为活动安装于活动体上的滚子或者转动安装于活动体上的滚轮。
15.优选地，机体包括前机架、后机架以及安装有行走单元的行走机架，前机架和后机架之间设有翻转单元，翻转单元包括两个分别安装于前机架和后机架上的第一翻转电机，第一翻转电机的输出轴方向为y轴方向，且两个第一翻转电机输出端均安装有翻转支架，两个翻转支架上均设有第二翻转电机，第二翻转电机的输出轴方向为x轴方向，且行走机架位于两个第二翻转电机之间且前后两侧分别与两个第二翻转电机的输出轴固定连接。
16.优选地，前机架和后机架上均设有用于驱动第一翻转电机升降的升降机构。
17.优选地，第一翻转电机与机体之间设有导向组件，导向组件包括设置于机体上的竖向的导向槽，第一翻转电机上固定连接有与导向槽配合的导向件。
18.优选地，机体前端和后端底部均设有电磁铁。
19.优选地，机体前端和后端底部也设有滑座。
20.优选地，行走单元还包括辅助行走机构，辅助行走机构包括至少两个辅助轮，各辅助轮均转动安装于机体上且分别位于行走轮两侧。
21.优选地，机体两侧设有辅助轮支架，辅助轮支架包括第一连杆和第二连杆，第一连杆上端铰接于机体上，第二连杆内端也铰接于机体上并位于第一连杆下方，第一连杆下端铰接于第二连杆中部，辅助轮转动安装于第二连杆外端，第一连杆为弹性伸缩杆。
22.本发明还公开了一种同步带管道爬行机器人周向转动方法，其特征在于：采用上述的同步带管道爬行机器人进行操作，卷料机构包括两个卷料电机以及由卷料电机驱动的收卷辊，两段同步带分别缠绕于两个收卷辊上，所述转动方法包括以下步骤：s1，启动卷料电机对同步带进行收卷，同步带上滑座的行走体被压回滑座内，使同步带上的滑座贴紧管道，同步带处于刹车状态，并且此时机体底部的行走体未被压回；s2，启动卷料电机，两个卷料电机以相同的输出方向以及相同的转速转动，带动一侧的收卷辊收卷同步带，另一侧的收卷辊放卷同步带，在此过程中，抱紧管道的同步带长度维持不变，同步带始终抱紧管道，收卷辊转动沿着同步带进行相对移动；s3，机器人周向转动到指定位置后，机体上的电磁铁通电吸合在管道上，再启动卷料电机，驱动两个收卷辊同时放卷同步带，同步带不再抱紧管道，同步带上行走体伸出滑座；s4，然后再驱动两侧的卷料电机输出轴同向转动，且卷料电机输出轴同向转动的方向与步骤s2中卷料电机输出轴的转动方向相反，带动同步带绕管道进行周向移动，完成机器人绕管道的周向转动。
23.本方案的有益效果：本发明中由于同步带为软体结构，且具有较强的塑性，在压辊
的导向作用下，可以使同步带环抱不同管径的管道，而且收卷机构通过收放卷可以控制同步带对管道的抱紧程度，通用性好，能够适应复杂的管道环境。
24.与传统带式或链式抱紧机构相比，而本发明的管道机器人的同步带无需人工进行套管操作，而且可以不在手工操作的情况下自行分开和再次抱合，便于实现跨障或者换向等动作。
附图说明
25.图1为本发明实施例的示意图；图2为本发明的拆分示意图；图3和图4为本发明环抱单元的示意图；图5为本发明行走单元的示意图；图6为实施例中滑座的示意图；图7、图8和图9为本发明跨障的状态示意图。
26.说明书附图中的附图标记包括：机体100、前机架101、行走机架102、后机架103、环抱单元200、行走单元300、翻转单元400、电动推杆500、导向槽600、导向轮700、电磁铁800、卷料电机201、第一传动轴202、第二传动轴203、蜗杆204、蜗轮205、收卷辊206、调节杆207、压辊208、同步带209、第一带体2091、第二带体2092、第一锁合件210、第二锁合件211、滑座212、盖板2121、滚子2122、滑柱2123、弹簧2124、座体2125、行走电机301、行走轮302、辅助轮303、第一连杆304、第二连杆305、第一翻转电机401、翻转支架402、第二翻转电机403。
具体实施方式
27.将参照附图详细描述根据本发明的各个实施例。这里，需要注意的是，在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。术语“依次包括a、b、c等”仅指示所包括的部件a、b、c等的排列顺序，并不排除在a和b之间和/或b和c之间包括其它部件的可能性。“第一”及其变体的描述仅仅是为了区分各部件，并不限制本发明的范围，在不脱离本发明的范围的情况下，“第一部件”可以写为“第二部件”等。
28.本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。
29.下面，参照图1
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图9，详细描述根据本发明的优选实施方式。
30.本实施例提供了一种同步带管道爬行机器人，包括：机体100以及安装于机体100上的行走单元300和至少一个环抱单元200；行走单元300包括转动安装于机体100上的行走轮302以及驱动行走轮302的驱动机构；环抱单元200包括塑性的同步带209、导向机构以及收放卷同步带209的卷料机构，导向机构包括转动设置于机体100上的压辊208，压辊208位于卷料机构出料端口外侧，同步带209由卷料机构出料端引出至压辊208内侧，且压辊208将同步带209向内挤压；同步带209中部断开分为两段，卷料机构收卷和放卷可驱动同步带209沿待测管道外表面移动以完成两段同步带209的分开和抱合。
31.基于上述方案，本发明使用原理为，使用时将机器人放置在待测管道上，然后启动
卷料机构放卷同步带209，由于压辊208位于卷料机构出料端口外侧，且压辊208将同步带209向内挤压，因此经过压辊208导向之后的同步带209会向内运动，而同步带209向内运动的路线被待测管道所遮挡，因此同步带209端部会接触到待测管道外壁，由于同步带209具有塑性，且压辊208对同步带209始终具有向内的压力，因此同步带209接触到管道后会紧贴管道外壁并沿其外表面移动，直到同步带209对管道形成抱合。
32.环抱单元200对管道形成抱合后再通过行走单元300驱动机器人沿管道前后移动即可。
33.本发明中由于同步带209为软体结构，且具有较强的塑性，在压辊208的导向作用下，可以使同步带209环抱不同管径的管道，而且收卷机构通过收放卷可以控制同步带209对管道的抱紧程度，通用性好，能够适应复杂的管道环境。与传统带式或链式抱紧机构相比，而本发明的管道机器人的同步带209无需人工进行套管操作，而且可以不在手工操作的情况下自行分开和再次抱合，便于实现跨障或者换向等动作。
34.参见图1，机体100包括前后依次设置的前机架101、行走机架102和后机架103，本实施例中，环抱单元200有两个并对称设置于前机架101和后机架103上，行走单元300设置于行走机架102上。
35.参见图5，行走单元300包括通过转轴转动配合于行走机架102上的行走轮302，驱动机构具体包括固定安装在行走机架102上的行走电机301，行走电机301的输出轴与行走轮302之间通过齿轮结构或者蜗轮蜗杆结构进行动力传递。
36.在一些实施例中，行走单元300还包括辅助行走机构，辅助行走机构包括至少两个辅助轮303，各辅助轮303均转动安装于行走支架上且分别位于行走轮302两侧。具体地，行走机架102两侧设有辅助轮支架，辅助轮支架具体包括第一连杆304和第二连杆305，第一连杆304上端通过销轴铰接于行走机架102上，第二连杆305内端也铰接于行走机架102上并位于第一连杆304下方，第一连杆304下端铰接于第二连杆305中部，辅助轮303转动安装于第二连杆305外端，第一连杆304为弹性伸缩杆。如此设置，在行走轮302两侧设置辅助轮303可以增强机器人的直线行走能力，避免机器人左右偏移。
37.参见图3
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图4，以前机架101上的环抱单元200作为示例进行描述，其中，卷料机构包括两个前后对称设置的卷料组件，每个卷料组件均包括卷料电机201、收卷辊206以及传动组件，机架上一体成型安装板，两个卷料电机201均通过螺钉固定安装在安装板上，两个收卷辊206均通过轴孔配合方式转动安装在前机架101上，传动组件包括转动安装于前机架101上的第一传动轴202和第二传动轴203，第一传动轴202竖向设置且其顶端与卷料电机201输出轴之间通过一对啮合的锥齿轮相连，第一传动轴202上固定套设有蜗杆204，第二传动轴203横向设置且与收卷辊206同轴固定相连，第二传动轴203上固定套设有与蜗杆204啮合的蜗轮205。
38.同步带209缠绕在收卷辊206上并且两者之间通过齿牙配合，为了使同步带209具有较好的塑性且不会太软，同步带209内侧贴合有一层0.2mm厚的钢片层。
39.参见图3，两个收卷辊206下侧的出料端口分别水平朝向左侧和右侧，在不受外力干扰的前提下放卷同步带209时同步带209会水平朝向两侧。而本实施例中两个收卷辊206的出料端口处均设置有导向机构，具体地，导向机构包括转动安装在前机架101上的压辊208，压辊208位于收卷辊206出料端口的外侧，本实施例中，压辊208位于收卷辊206出料端
口的右下方，使同步带209由出料端引出至压辊208下方时压辊208会将同步带209向内挤压。其中，压辊208也为具有齿牙的辊体，使其与同步带209上的齿牙契合。
40.在一些实施例中，导向机构还包括调节支架，压辊208转动设置于调节支架下部，调节支架通过改变长度或角度以调节压辊208对同步带209的下压程度。具体地，调节支架包括两根调节杆207，调节杆207上端通过销轴转动安装在前机架101上，压辊208转动安装于两根调节杆207下端之间，使用时通过转动调节杆207以调节压辊208与收卷辊206出料端的高度差，调节完成后可通过卡环等卡固件对调节杆207的转动进行限位；本实施例中，调节杆207还可为可调伸缩杆，通过调节伸缩杆的长度以调节压辊208与收卷辊206出料端的高度差，达到调节压辊208对同步带209的下压程度，实现再不同管径的管道上作业。
41.参见图3，本实施例中，同步带209从中部断开分为两段，分别为第一带体2091和第二带体2092，第一带体2091和第二带体2092分别由两个收卷辊206进行收放卷。第一带体2091和第二带体2092下端分别设有第一锁合件210和第二锁合件211，第一锁合件210和第二锁合件211之间可拆卸配合，其中，第一锁合件210和第二锁合件211可以为相适配的永磁体或电磁铁或卡扣结构等，当放卷时第一带体2091和第二带体2092下端相接触即可通过磁性力或卡扣配合将两者合为一体，反之，收卷时收卷辊206给第一带体2091和第二带体2092施加向外的拉力，当拉力大于磁性力或者卡扣的卡合力时即可将第一带体2091和第二带体2092分离。
42.参见图3，同步带209内侧可拆卸连接有若干滑座212，本实施例中，第一带体2091和第二带体2092上均设置由三个滑座212，且三个滑座212由带体中部向下布置。
43.本实施例中，第一锁合件210和第二锁合件211优选为一对可相互吸附的永磁体，第一带体2091和第二带体2092下端部均设置有滑座212，第一锁合件210和第二锁合件211分别固定在第一带体2091和第二带体2092下端的滑座212上，当第一带体2091和第二带体2092下端靠近是可通过永磁体进行吸合，完成对管道的环抱。在一些实施例中，第一锁合件210和第二锁合件211均与对应的滑座212之间设有弹性件，弹性件为弹簧，弹簧的设置可以使第一带体2091和第二带体2092在抱合时具有缓冲的作用，避免两者硬性接触。
44.参见图6，滑座212包括座体2125以及设于座体2125内侧的行走体，座体2125上通过螺钉固定连接有盖板2121，座体2125和盖板2121将同步带209夹在中间，且盖板2121上设有与同步带209齿牙适配的凸起，使滑座212无法在同步带209上自由移动。
45.在一些实施例中，滑座212还包括活动连接于座体2125内的活动体，活动体内端与座体2125之间设有弹性件，行走体设于活动体外端上。具体地，活动体为滑柱2123，滑柱2123滑动配合于座体2125内，滑柱2123与座体2125内部之间设有弹簧2124。其中，行走体为活动安装于活动体上的滚子2122或者转动安装于活动体上的滚轮，本实施例中，行走体为滚子2122，滑柱2123前端部设有容纳滚子2122的容纳槽，且其端部通过螺钉固定有限位板。初始状态下，在弹簧2124的作用下使滑柱2123为向外伸出的状态，此时滚子2122位于座体2125外侧，机器人沿管道行走过程中，滚子2122能够作为辅助行走轮，减小同步带209与管道之间的摩擦力，保证机器人的行走顺畅性；当需要将机器人固定在指定位置时，收卷同步带209使同步带209抱紧管道，此时，滚子2122受到管道的挤压力会向座体2125内移动而挤压弹簧，直到座体2125外端表面与管道外壁接触，此种情况下可以增加同步带209与管道之间的摩擦，进而提升机器人固定状态下的稳定性。
46.参见图5，前机架101和后机架103之间设有翻转单元400，翻转单元400包括两个分别安装于前机架101和后机架103上的第一翻转电机401，两个第一翻转电机401前后对称设置，第一翻转电机401的输出轴朝向y轴方向，且两个第一翻转电机401输出端均通过螺钉固定安装有翻转支架402，两个翻转支架402相对设置，第一翻转电机401启动时可带动翻转支架402绕y轴转动。
47.两个翻转支架402相近的一端上均通过螺钉固定安装有第二翻转电机403，两个第二翻转电机403的输出轴相对设置且的输出轴朝向x轴方向。行走机架102位于两个第二翻转电机403之间且前后两侧分别通过螺钉与两个第二翻转电机403的输出轴固定连接。第二翻转电机403启动时可带动行走机架102绕x轴旋转。
48.基于上述翻转单元400，机器人能够在x轴和y轴方向转动，使其具备跨越障碍和换向的功能。例如，参见图7，当机器人需要垂直换向时，首先启动后机架103的收卷辊206对同步带209进行收卷，使后机架103上的同步带209不再环抱管道，同时驱动前机架101上的收卷辊206对同步带209收紧，使前侧的同步带209紧抱管道，增强稳定性。然后，启动前机架101上的第一翻转电机401，带动翻转支架402、行走机架102和后机架103一起向上翻转，使其整体朝向上方。之后，再启动前机架101上的第二翻转电机403，使行走机架102、后机架103旋转至朝向竖向管道，然后启动后机架103上的收卷辊206放卷同步带209，使同步带209环抱管道，通过前机架101上的收卷辊206对前侧的同步带209进行收卷，使前机架101的同步带209松开横向管道，然后再启动前机架101上的第一翻转电机401使前机架101整体翻转朝向竖向管道，最后再将前机架101上的同步带209环抱住竖向管道即可。参见图8，同理，当机器人水平跨越障碍时，也可通过第一翻转电机401和第二翻转电机403的配合实现。
49.参见图1和图2，在一些实施例中，前机架101和后机架103上均设有用于驱动第一翻转电机401升降的升降机构，具体地，本实施例中升降机构为电动推杆500，电动推杆500下端固定于前机架101、后机架103上，而上端则固定在第一翻转电机401的底部，升降机构可以提高翻转单元400整体的高度，使其能够跨越高度较大的障碍物，具有更强的适应性。
50.参见图2，在一些实施例中，第一翻转电机401与机体100之间设有导向组件，导向组件包括设置于机体100上的竖向的导向槽600，第一翻转电机401上固定连接有与导向槽600配合的导向件。具体地，导向槽600竖向开设于安装板的中部，本实施例中，导向件包括通过螺钉固定安装在第一翻转电机401底部的安装架，安装架上纵向排列设置有多个导向轮700，导向轮700与安装架转动配合，且导向轮700滑动安装在导向槽600内。导向组件可以为升降机构驱动翻转单元400升降时提供导向的作用，使其升降过程更加稳定可靠。
51.参见图4，在一些实施例中，机体100前端和后端底部也设有滑座212，即前机架101和后机架103的底部均安装有滑座212，滑座212可提高前机架101、后机架103与管道之间的移动顺畅性。在另一些实施例中，机体100前端和后端底部均设有定位件，本实施例中定位件为电磁铁800，即前机架101和后机架103的底部均安装有电磁铁800，通过电磁铁800吸附在管道上，可以加强机器人在定位期间的稳定性。
52.参见图3，在一些实施例中，机体100上的滑座212、带体中部的滑座212以及带体下端部的滑座212内的弹簧的弹性系数依次降低，即机体100上的滑座212内弹簧的弹性最好，带体中部滑座212内弹簧的弹性其次，而带体端部的滑座212内的弹簧弹性最小，因此在实际环抱过程中，收卷辊收卷同步带时带体下端的滑座212最快收紧，然后继续收卷时会消除
带体下端滑座212与永磁体之间弹簧的伸缩量，然后带体中部的滑座212开始收紧，而此时机体100上的滑座212内的弹簧还未被完全压缩，滚珠还在外侧，使机体100上部还具有可移动性，以完成其他操作。而当同步带完全收紧后，机体100底部的电磁铁800会吸附在管道上。
53.基于上述机器人，本实施例还公开了一种同步带管道爬行机器人周向转动方法，参见图9，当遇到障碍或者转向需要绕管道周向转动时，执行以下步骤即可：s1，启动卷料电机201，带动两个收卷辊206对同步带209进行收卷，使同步带209上滑座212的滚子2122被压回滑座212内，进而使同步带209上的滑座212贴紧管道，此时同步带209处于刹车状态，同步带209相对于管道静止，并且此时机体100底部的滚子2122未被压回，使机体100具有移动性。
54.s2，启动卷料电机201，使所有卷料电机201的输出轴均以相同的输出方向以及相同的转速转动，即一侧的收卷辊206收卷同步带209，另一侧的收卷辊206放卷同步带209，在此过程中，抱紧管道的同步带209长度维持不变，使同步带209始终抱紧管道。此时同步带209相当于齿圈，收卷辊206转动时会沿着同步带209进行相对移动，即收卷辊206会带动机体100整体绕管道周向转动。
55.s3，机器人周向转动到指定位置（下方）后，机体100上的电磁铁800通电吸合在管道上，此时机器人相对于管道静止，然后再启动卷料电机201，驱动两侧的收卷辊206同时放卷同步带209，使同步带209不再抱紧管道，同步带209上的滚子2122伸出滑座212，此时同步带209可与管道产生相对移动。
56.s4，然后再驱动两侧的卷料电机201输出轴同向转动，且卷料电机201输出轴同向转动的方向与步骤s2中卷料电机201的转动方向相反，此时同步带209会绕管道进行周向移动，使同步带209运动至第一锁合件210和第二锁合件211的部分正对障碍物（即上方）。
57.s5，再启动前侧的卷料电机201，参见图9中f，使前侧同步带209的第一锁合件210和第二锁合件211分离，并使前侧的第一带体2091和第二带体2092之间形成宽度大于障碍物的缺口，然后电磁铁800断电，参见图9中g，通过行走单元300驱动机器人向前移动，直到前侧同步带209穿过障碍物，穿过障碍物后再使前侧同步带209环抱管道，然后采用同样的方式使后侧的同步带209通过障碍物，即完成机器人的垮障操作。
58.通过上述操作，同步带209与机器人交替运动，可以使机器人运动到管道周向任意角度停止、避障。
59.基于上述方案，本发明机器人能够适配不同管径的管道，而且能够具有垂直换向和水平垮障的功能，通用性好，能够适应复杂的管道环境。
60.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。