一种用于管道内爬行的仿生尺蠖的制作方法

本发明属于管道作业设备技术领域，具体涉及一种用于管道内爬行的仿生尺蠖。

背景技术：

石油和天然气行业中，对于直径较宽的管道维护方法很多，但对于直径较小的管道来说，需要开发可在这些小空间内移动或爬行的高机动性机器人。在医学领域，对于人体食管、肠和尿道等较小的管道，可以使用这种类型的微生物机器人进行人体检查。如内窥镜技术可通过微机器人介入，还可用于消除不同身体部位如尿管等的堵塞。仿生爬行机器人采用类似生物爬行机构进行运动。这种运动方式与接触面具有更大的附着力和更好的越过障碍能力。管道在各领域的应用十分广泛，如石油化工、城市排污等等，对于管道内作业的装置的需求也日益增加，目前的管道机器人大多采用机电结合的设计方式，虽然功能多样，但是由于大量使用电子器件，以及存在体积大、运行不稳定的问题，并且此类装置在恶劣环境如潮湿、多尘土、振动等中的适应性较差。

申请号为cn201410219455.2的专利公开了一种多连杆机构组成的四足行走机器人，以简化机器人的结构，同时，作为机械原理教学中的教学模型演示，便于学生理解连杆动作原理。包括主机箱、行走电机、行走轴和四足行走机构，四足行走机构包括第一腿、第二腿、第三腿、第四腿、第一摇杆、第二摇杆、第三摇杆、第四摇杆、第一主动曲柄、第二主动曲柄、第一从动曲柄、第二从动曲柄、第三从动曲柄、第四从动曲柄、第一联动连杆和第二联动连杆。第一从动曲柄、第一腿和第一摇杆组成第一曲柄摇杆机构，第二从动曲柄、第二腿和第二摇杆组成第二曲柄摇杆机构，第三从动曲柄、第三腿和第三摇杆组成第三曲柄摇杆机构，第四从动曲柄、第四腿和第四摇杆组成第四曲柄摇杆机构。以四个曲柄摇杆机构支配机器人行走，但是这种机器人在行动时容易出现卡住的现象，且由于构件和运动副多，累积误差大、运动精度低，在行走过程中机器人的主体转角大，无法保持较平稳的状态行走。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于管道内爬行的仿生尺蠖。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于管道内爬行的仿生尺蠖，所述仿生尺蠖包括：驱动机构、传动系统、执行机构，通过所述驱动机构对所述执行机构提供动力，实现所述仿生尺蠖前行探索的任务；

所述执行机构包括：由对称设置在箱体两侧的连杆一、连杆二及连杆三组成的两个曲柄摇杆机构、由对称设置在箱体两侧的连杆三、连杆四及连杆五组成的两个双摇杆机构；所述连杆一一端安装在涡轮轴上，另一端与连杆二通过转轴一连接，连杆二、连杆三的传动臂、连杆四的一端通过转轴二连接，连杆四的另一端与连杆五的传动臂通过转轴三连接，所述连杆三与箱体通过转轴四连接，所述连杆五与箱体通过转轴五连接，带有棘轮机构的轮子安装在连杆三、连杆五的执行臂上，所述棘轮机构包括棘爪和棘轮，曲柄摇杆机构与双摇杆机构在运行时不发生干涉，其中连杆三的传动臂与执行臂的夹角为90度，连杆五的传动臂和执行臂的夹角为180度；

所述传动系统包括：涡轮、蜗杆，所述涡轮安装在涡轮轴上，所述蜗杆安装在驱动机构上；

所述驱动机构采用马达进行驱动，所述马达安装在箱体上。

利用棘轮机构的配合实现制动，通过涡轮轴带动由曲柄摇杆机构和双摇杆机构组成的连杆机构实现连杆三的执行臂和连杆五的执行臂做“相互靠近——相互远离”的往复运动，进而实现了“尺蠖躯干的伸缩动作”，具体的，连杆三的执行臂和连杆五的执行臂相互远离，即仿生尺蠖箱体伸展时，后轮被棘爪锁紧，前轮放松，装置前进，连杆三的执行臂和连杆五执行臂相互靠近，即仿生尺蠖箱体收缩时，前轮被棘爪锁紧，后轮放松，装置前进。

进一步的，所述轮子由橡胶材料制成，给仿生尺蠖提供足够的摩擦力，以便其在管道内更好的爬行。

进一步的，设x1为涡轮轴与转轴四的水平距离，x2为转轴四和转轴五之间的距离，y1为涡轮轴与转轴四的垂直距离，y2为涡轮轴与转轴五的垂直距离，l1为连杆一的长度，l2为连杆二的长度，l3为连杆三的传动臂的长度，l4为连杆四的长度，l5为连杆五的传动臂的长度，l6为连杆三的执行臂的长度，l7为连杆五的执行臂的长度，α为涡轮轴与转轴四连线与连杆3的转动臂所夹之锐角，β为连杆五的执行臂与水平方向所夹之锐角，θ为涡轮轴与转轴四连线与垂直方向所夹之锐角，δ为连杆四的执行臂与水平方向所夹之锐角，并且满足如下比例关系：x1:x2:y1:y2:l1:l2:l3:l4:l5:l6:l7＝13:35:8:8:7:17:15:25:14:40:40。

进一步的，α、θ、β之间满足以下关系式：其中，a＝-sinβ，

进一步的，连杆三执行臂和连杆五执行臂在运动过程中的转角偏差满足以下关系式：其中δ＝180°-α-θ，0°＜β＜90°。

进一步的，箱体自身在运动过程中的转角δφ满足以下关系式：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过纯机械的传动机构，实现指定传动比，实现“尺蠖”躯干的伸缩动作，实现前轮和后轮的轮流制动，并最终实现仿生尺蠖在管道中稳定快速的前进，以达到在潮湿、多尘土、振动等恶劣环境下的平直管道内部探索情况的目的。

2、合理设计各连杆之间的长度比例，以克服仿生尺蠖在行走过程中转角偏差，使得仿生尺蠖在管道中爬行过程保持躯干的平稳性。

附图说明

图1为本发明仿生尺蠖结构示意图；

图2为本发明连杆机构和棘轮机构工作原理图；

图3为本发明连杆机构的机构运动简图；

图4为本发明连杆机构中连杆8的执行臂与连杆9的执行臂的转角偏差变化规律图；

图中：1、箱体；2、马达；3、涡轮轴；4、连杆一；5、连杆二；6、连杆三；7、连杆四；8、连杆五；9、棘爪；10、棘轮；11、轮子；12、转轴一；13转轴二；14、转轴三；15、转轴四；16、转轴五；17、蜗杆；18、涡轮。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1-2所示，一种用于管道内爬行的仿生尺蠖，所述仿生尺蠖包括：驱动机构、传动系统、执行机构，通过所述驱动机构对所述执行机构提供动力，实现所述仿生尺蠖前行探索的任务；

所述执行机构包括：由对称设置在箱体1两侧的连杆一4、连杆二5及连杆三6组成的两个曲柄摇杆机构、由对称设置在箱体1两侧的连杆三6、连杆四7及连杆五8组成的两个双摇杆机构；所述连杆一4一端安装在涡轮轴3上，另一端与连杆二5通过转轴一12连接，连杆二5、连杆三6的传动臂、连杆四7的一端通过转轴二13连接，连杆四7的另一端与连杆五8的传动臂通过转轴三14连接，所述连杆三6与箱体1通过转轴四15连接，所述连杆五8与箱体1通过转轴五16连接，带有棘轮机构的轮子11安装在连杆三6、连杆五8的执行臂上，所述棘轮机构包括棘爪9和棘轮10，曲柄摇杆机构与双摇杆机构在运行时不发生干涉，其中连杆三6的传动臂与执行臂的夹角为90度，连杆五8的传动臂和执行臂的夹角为180度；

所述传动系统包括：涡轮18、蜗杆17，所述涡轮18安装在涡轮轴3上，所述蜗杆17安装在驱动机构上；

所述驱动机构采用马达2进行驱动，所述马达2安装在箱体1上，本实施例中马达2采用ds-m10马达。

利用棘轮机构的配合实现制动，通过涡轮轴3带动由曲柄摇杆机构和双摇杆机构组成的连杆机构实现连杆三6的执行臂和连杆五8的执行臂做“相互靠近——相互远离”的往复运动，进而实现了“尺蠖躯干的伸缩动作”，具体的，连杆三6的执行臂和连杆五8的执行臂相互远离，即仿生尺蠖箱体伸展时，后轮被棘爪9锁紧，前轮放松，装置前进，连杆三6的执行臂和连杆五8执行臂相互靠近，即仿生尺蠖箱体1收缩时，前轮被棘爪9锁紧，后轮放松，装置前进。

进一步的，所述轮子11由橡胶材料制成，给仿生尺蠖提供足够的摩擦力，以便其在管道内更好的爬行。

如图3所示，设x1为涡轮轴3与转轴四15的水平距离，x2为转轴四15和转轴五16之间的距离，y1为涡轮轴3与转轴四15的垂直距离，y2为涡轮轴3与转轴五16的垂直距离，l1为连杆一4的长度，l2为连杆二5的长度，l3为连杆三6的传动臂的长度，l4为连杆四7的长度，l5为连杆五8的传动臂的长度，l6为连杆三6的执行臂的长度，l7为连杆五8的执行臂的长度，α为涡轮轴3与转轴四15连线与连杆三6的转动臂所夹之锐角，β为连杆五8的执行臂与水平方向所夹之锐角，θ为涡轮轴3与转轴四15连线与垂直方向所夹之锐角，δ为连杆四7的执行臂与水平方向所夹之锐角，并且满足如下比例关系：x1:x2:y1:y2:l1:l2:l3:l4:l5:l6:l7＝13:35:8:8:7:17:15:25:14:40:40。

进一步的，其中，a＝-sinβ，

进一步的，连杆三6执行臂和连杆五8执行臂在运动过程中的转角偏差满足以下关系式：时，转角偏差的变化规律如图4所示，可知

进一步的，箱体1自身在运动过程中的转角δφ满足以下关系式：由于取l6＝40，x2＝35，且l6＝l7可知故，可知箱体1在运动过程中能保持较高的平稳性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。