一种管道爬行机器人的制作方法

本发明涉及爬行机器人领域，更具体的说，涉及一种核电用管道爬行机器人。

背景技术：

管道机器人近几年爆发式发展，但应用方案主要是市政管道的视频采集和疏通功能，一般应用于口径较大的水平直通管道上，主要两种应用方案：

(1)小车轮式管道机器人：

只能在水平管道内行走，无法垂直运行和过弯，无法避开障碍物，通过性差，只能进行简单的视频检测；

(2)伸缩杆式机器人：

仅限于小口径管道，而且一旦定型往往只是适用于某一种口径管道，管道口径存在变化的情况时运行情况差，通用性差，无法避障，空间有限，无拓展空间。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种管道爬行机器人，解决现有管道机器人在管道内无法有效避开障碍物、通用性差的问题。

本发明解决上述问题的技术方案为：提供一种管道爬行机器人，包括扁平的机身、对称连接在所述机身两侧的六只足，每只足包括：与所述机身固定连接的第一节、通过第一连接装置与所述第一节可转动连接的第二节、通过第二连接装置与所述第二节可转动连接的第三节；

其中，所述第一节从所述机身侧边延伸而出，内部设置控制所述第一连接装置在所述机身所在平面内转动的第一旋转轴；

所述第二节内部设置控制所述第二节在垂直于所述机身所在平面的平面内转动的第二旋转轴、控制所述第二连接装置在垂直于所述机身所在平面的平面内转动的第三旋转轴。

在本发明提供的管道爬行机器人中，所述第一连接装置包括十字形的连接板、以及从所述连接板上延伸而出的第一连接支架和第二连接支架，所述第一连接支架与所述第二连接支架的延伸方向均与所述连接板所在的平面相互垂直，所述第一连接支架的延伸方向与所述第二连接支架的延伸方向平行且方向相反；所述第一连接支架所在的平面与所述第二连接支架所在的平面垂直。

在本发明提供的管道爬行机器人中，在所述第一节内设置第一伺服电机，所述第一旋转轴从所述第一伺服电机延伸而出，所述第一旋转轴的延伸方向与所述机身所在平面垂直；所述第一连接支架上开设有与所述第一旋转轴相适配的第一旋转口，所述第一旋转轴穿过所述第一旋转口架设于所述第一连接支架上。

在本发明提供的管道爬行机器人中，所述第二节为中空直杆，其内设置第二伺服电机和第三伺服电机，所述第二旋转轴从所述第二伺服电机延伸而出，所述第三旋转轴从所述第三伺服电机延伸而出，所述第二旋转轴的延伸方向与所述第三旋转轴的延伸方向平行、且均与所述机身所在平面平行；所述第二连接支架上开设有与所述第二旋转轴相适配的第二旋转口，所述第二旋转轴穿过所述第二旋转口架设于所述第二连接支架上。

在本发明提供的管道爬行机器人中，所述第二连接装置为包括“U”形端和“一”形端的马刺形，所述“U”形端上开设有与所述第三旋转轴相适配的第三旋转口，所述第三旋转轴穿过所述第三旋转口架设于所述“U”形端上；所述“一”形端的末端设置万向接头与所述第三节可旋转连接。

在本发明提供的管道爬行机器人中，所述第三节与所述第二连接装置之间还设置一对用于调节所述第三节与管道壁面间接触的拉簧。

在本发明提供的管道爬行机器人中，所述第一节与所述第二节之间的夹角α≥75°；所述第二节与所述第三节之间的夹角β≥13°。

在本发明提供的管道爬行机器人中，所述机身上设置有在供电不足或供电中断时提供电力的备用电源，所述机身尾端连接有安全绳。

实施本发明，具有如下有益效果：合理的六足结构设计，配合不同的步态允许机器人通过止回阀、蝶阀等障碍物，实现在复杂管道的自由行走功能，可以通过拐弯的弯道；扁平的机身上预留下了大量的空间，可搭载拓展型工装，可以实现更多的功能，例如搭载机械臂拾取脱落物，搭载电焊焊接等，极大拓展了管道机器人的应用范围。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明管道爬行机器人较佳实施例的结构示意图；

图2为本发明管道爬行机器人的第一连接装置较佳实施例的结构示意图；

图3为本发明管道爬行机器人的第一节较佳实施例的结构示意图；

图4为本发明管道爬行机器人的第二节较佳实施例的结构示意图；

图5为本发明管道爬行机器人的第二连接装置与第三节之间连接方式较佳实施例的结构示意图；

图6为本发明管道爬行机器人在蜷缩状态下较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行具体描述。

现有的管道机器人主要包括车轮式和伸缩杆式，但是其不能过弯、无法避障、通用性差的问题严重限制其使用。本发明的主要创新点在于：管道爬行机器人采用了仿生式结构，可以模仿六足动物的运动机理和行为方式，提高机器人运动的运动能力和效率，实现了仿生学与机器人技术的融合，具有良好的机动性，越障能力和通过复杂地形的能力大大提高。

机器人有六足，每只足上拥有三组伺服电机，即拥有三个自由度，总共拥有18个自由度，每个自由度允许腿部在其平面内180度范围内自由转动，配合编制的步态，让机器人可以轻松地通过较为复杂的止回阀、蝶阀和探测棒等障碍物，可以通过水平管道和垂直管道，实现在管道内的自由移动。

图1为本发明管道爬行机器人较佳实施例的结构示意图，如图1所示，本实施例的管道爬行机器人包括扁平的机身100、对称连接在机身100两侧的六只足200。与六足200爬行动物类似，机身100两侧分别设置三只足200，成对称设置，为了描述方便，将左侧三只足200由前至后分别命名为第一足201、第二足202、第三足203，将右侧三只足200由前至后分别第四足204、第五足205、第六足206。

每只足200包括：与机身100固定连接的第一节210、通过第一连接装置240与第一节210可转动连接的第二节220、通过第二连接装置250与第二节220可转动连接的第三节230；其中，第一节210固定，不可旋转；第一连接装置240具有2个方向的旋转自由度，分别为：控制第一连接装置240相对于第一节210旋转、控制第二节220相对于第一连接装置240旋转；第二连接装置250具有1个方向的旋转自由度，控制第二连接装置250相对于第二节220旋转。第一节210从机身100侧边延伸而出，与机身100位于同一平面，内部设置控制第一连接装置240在机身100所在平面内转动的第一旋转轴211，即，通过第一旋转轴211实现每只足200的前进和后退运动；第二节220内部设置控制第二节220在垂直于机身100所在平面的平面内转动的第二旋转轴221、控制第二连接装置250在垂直于机身100所在平面的平面内转动的第三旋转轴222，即，通过第二旋转轴221实现每只足200的抬起和放下运动，并辅助实现每只足200的向左和向右运动；通过第二旋转轴221实现每只足200的向左和向右运动。由于第二旋转轴221和第三旋转轴222的选择方向位于同一平面，每只足200的向左和向右运动由第二旋转轴221和第三旋转轴222共同控制。

行进过程中每次移动其中的三只足200，剩余三只足200依然可以支撑机身100，例如，第一足201、第三足203、第五足205抬起向预定的移动方向(包括向前、向后、向左、向右)转动后落至管壁，然后再抬起剩余的第二足202、第四足204、第六足206，向预定的移动方向转动后落至管壁，如此交替完成在管道内的自由移动。开始运动时，每个伺服电机接受控制单元传来的信号，转动一定的角度，带动三个旋转轴结构转动，让每只腿可以弯曲、伸缩成特定的形状，共同完成机器人的前进、后腿、转弯、蜷缩等复杂动作，实现预定的运动。另外，机器人扁平的机身100平面作为运动搭载平台，具备实现安装例如机械臂、摄像机等拓展工装的能力。

图2为本发明管道爬行机器人的第一连接装置240较佳实施例的结构示意图，如图2所示，第一连接装置240包括十字形的连接板241、以及从连接板241上延伸而出的第一连接支架242和第二连接支架243，第一连接支架242上开设第一旋转口244，通过第一旋转口244与第一节210内设置的第一旋转轴211连接，第二连接支架243上开设第二旋转口245，通过第二旋转口245与第二节220内设置的第二旋转轴221连接。十字形的连接板241具有四个延伸端，其中相对的两个延伸端朝一个方向延伸出第一连接支架242，剩余的两个延伸端朝相反方向延伸出第二连接支架243，即第一连接支架242的延伸方向与第二连接支架243的延伸方向平行且方向相反，第一连接支架242与第二连接支架243的延伸方向均与连接板241所在的平面相互垂直；由于连接板241为十字形，且第一连接支架242和第二连接支架243从连接板241上延伸而出，形成两个相互垂直U形连接支架，即第一连接支架242所在的平面与第二连接支架243所在的平面垂直。

图3为本发明管道爬行机器人的第一节210较佳实施例的结构示意图，如图3所示，第一节210与机身100固定连接，在第一节210内设置第一伺服电机212，第一旋转轴211从第一伺服电机212延伸而出，第一旋转轴211的延伸方向与机身100所在平面垂直；第一连接支架242上开设有与第一旋转轴211相适配的第一旋转口244(参见图2)，第一旋转轴211穿过第一旋转口244架设于第一连接支架242上。第一节210与机身100固定连接而并不发生旋转，因为第一伺服电机212控制第一连接装置240以第一旋转轴211为轴进行旋转，第一旋转轴211的延伸方向与机身100所在平面垂直，使得第一连接装置240在机身100所在平面内转动。

图4为本发明管道爬行机器人的第二节220较佳实施例的结构示意图，如图4所示，第二节220为中空直杆，其内设置第二伺服电机223和第三伺服电机224，第二旋转轴221从第二伺服电机223延伸而出，第三旋转轴222从第三伺服电机224延伸而出，第二旋转轴221的延伸方向与第三旋转轴222的延伸方向平行、且均与机身100所在平面平行；第二连接支架243上开设有与第二旋转轴221相适配的第二旋转口245(参见图2)，第二旋转轴221穿过第二旋转口245架设于第二连接支架243上。由于第一连接装置240上延伸而出的第一连接支架242和第二连接支架243分别连接第一节210和第二节220，且第二伺服电机223控制第二节220以第二旋转轴221为轴进行旋转，第二旋转轴221的延伸方向与机身100所在平面平行，使得第二节220在垂直于机身100所在平面的平面内转动。

图5为本发明管道爬行机器人的第二连接装置250与第三节230之间连接方式较佳实施例的结构示意图，如图5所示，第二连接装置250为马刺形，包括“U”形端251和“一”形端252，“U”形端251与第二节220连接，“一”形端252与第三节230连接，“U”形端251上开设有与第三旋转轴222相适配的第三旋转口253，第三旋转轴222穿过第三旋转口253架设于“U”形端251上，由于第三伺服电机224控制第三节230以第三旋转轴222为轴进行旋转，第三旋转轴222的延伸方向与机身100所在平面平行，使得第二节220在垂直于机身100所在平面的平面内转动。“一”形端252的末端设置万向接头254与第三节230可旋转连接，例如使用铰链作为万向接头254，铰链的两边分别用螺丝螺母固定连接在第二连接装置250和第三节230上。优选的，第三节230与第二连接装置250之间还设置一对拉簧255，拉簧255的拉力使得第三节230不会因为自身的重力作用随意转动，而是维持与第二连接装置250平行的趋势，调节第三节230与管道壁面间接触的角度，便于第三节230与管道壁面更好接触、提供支撑。

图6为本发明管道爬行机器人在蜷缩状态下较佳实施例的结构示意图，如图6所示，在蜷缩状态时，第二节220相对于第一连接装置240旋转，旋转至机身100所在平面的上方，第一节210与第二节220之间的夹角最小可以蜷缩为75°，即，第一节210与第二节220之间的夹角α≥75°；第三节230相对于第二连接装置250旋转，第二节220与第三节230之间的夹角最小可以蜷缩为13°，即第二节220与第三节230之间的夹角β≥13°。

现在将两种状态时机器人的体积进行举例比较如下：

当第一节210、第二节220、第三节230的长度分别为37mm、125mm、141mm时，蜷缩状态尺寸：230*150*100mm，归中状态尺寸：280*280*100mm；所占空间减少60％，宽度减少46％。

常规的管道机器人能够在狭小的空间管道内进行检测、维护等工作，常规情况下很难进入，导致管道机器人在面临电路突然断开、控制软件突然失灵、电池没电等情况下，管道机器人会失去工作能力，甚至于当处于垂直管道时，会狠狠摔下，导致昂贵的机器人损毁，造成极大损失。再者，即使机器人设定了应急方案，收回的过程中也会因体型卡在弯道处、障碍物处，极大耽误了机器人的重新投入工作。本实施例的管道爬行机器人在处于以下情况时：

①硬件电路出现故障无法正常工作；

②控制软件出现bug、发出错误指令或软件程序崩溃；

③供电不足或供电中断；

④发生意外碰撞、工作环境变化等导致工作无法继续进行的紧急状况。

机器人就会触发应急处理方案，保证机器人的安全并能够在较短的时间内重新展开工作。在机器人机身100上增加了在供电不足或供电中断时提供电力的备用电池。在面临紧急情况时，备用电池瞬间启用，机器人能保持有固定在原地、尝试检查问题并恢复正常工作、走回出发点等能力，大大提高了机器人的抗风险能力，能够有效提高机器人的工作效率；在机器人机身100的尾端上连接一根安全绳，方便在最后必须要外力撤回机器人的时候安全地拉回机器人。本发明的管道爬行机器人，可应用在人员不可达区域或高风险区域的腐蚀缺陷检查工作，例如碳钢衬里的海水管道内部，该装置提供了很好的爬行能力，并且通过加装探头工具进行检测工作。缩短缺陷检查时间，减少系统拆装工作量，降低人员风险和检修成本。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。