一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人及其使用方法

一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人及其使用方法

摘要：本发明提供一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人及其使用方法，涉及管道机器人技术领域，该一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人，包括探测头端，所述探测头端后端通过若干单节组件连接球骨活动连接有若干个蠕动推进单节组件，所述探测头端后端一体化连接有探测头端连接柱，所述探测头端外壳内壁上固定安装有蓄电池，所述探测头端外壳头端内壁上固定安装有探测摄像头。本发明通过蠕动旋转块旋转，使其侧面上的第二连接杆作圆周运动，因为第二连接杆转动安装在蠕动旋转块上，通过第二连接杆连接的第一连接杆，迫使第一连接杆围绕着蠕动推进单节骨圈作与其垂直的圆周运动，从而能够带动整个设备在管道内蠕动前进。

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110094700.1

专利申请（专利权）人：中国石油大学胜利学院
权利人地址：山东省东营市东营区济南路1号

专利发明（设计）人： 王国栋 ,尹俊平 ,张帅祺 ,魏志珺 ,周扬理 ,李浩光 ,商玉梅 ,石俊 ,徐自强 ,张帅帅

主权利要求:一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及管道机器人技术领域，具体为一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人及其使用方法。
背景技术
[0002] 目前，生产生活中管道使用范围极为广泛，一旦出现破损等情况极易造成泄漏污染，产生严重环保问题，甚至可能导致燃爆事故，造成人员伤亡，产生不可承受损失。如能提前检测管道损伤情况，则可能避免这种损失。
[0003] 与此类似的，中央空调、核工业、锅炉管道等领域也存在类似问题。避免事故发生的核心就是能提前预防，预防基础就是能对管道损伤情况进行定期检测。
[0004] 目前管道检测装置和方案较多，市场也有较多产品，但这些产品大多存在结构复杂、越障能力不足、适应管径单一且不便于控制、可靠性低，价格高且适用性较差等问题。本发明与其他方案相比，突出优点在于采用模块化设计、具有转弯功能、能适用于变径管道，具有一定越障能力等，且具有遥控以及按照预定程序自动运行等多种控制方式。应用范围及领域广，市场应用前景广阔。管道机器人主要应用于一些不便于人工作业的管道内部或外部，其研究涉及到诸多科技，是未来机器人的重要发展方向之一。传统管道机器人有许多不足之处，比如越障能力不足，适应管径单一，不便于控制等。
发明内容
[0005] (一)解决的技术问题
[0006] 针对现有技术的不足，本发明针对传统管道机器人不足之处，设计一种具有主动适应功能的仿生蠕动式行进管道检测机器人。主动适应装置采用齿轮传动结合丝杠螺母结构，可实现较长管路检测，同时还可实现较大倾斜角度甚至垂直管路内壁检测。该机器人具有良好通过性，结构简单，操控方便，性能稳定。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人，包括探测头端，所述探测头端后端通过若干单节组件连接球骨活动连接有若干个蠕动推进单节组件，所述探测头端后端一体化连接有探测头端连接柱，所述探测头端连接柱尾端一侧表面开设有探测头端连接球腔，所述探测头端包括探测头端外壳、旋转电机、信号接收天线、变向组件和探测摄像头，所述探测头端外壳内壁上固定安装有蓄电池，所述探测头端外壳头端内壁上固定安装有探测摄像头。
[0009] 作为优选，所述探测头端外壳头端外表面且位于探测摄像头一周等距安装有探测头端探照灯，所述蓄电池一端表面固定安装有变向组件，所述蓄电池一端表面固定安装有信号接收天线，所述变向组件包括变向组件底板、变向组件侧板、旋转电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮。
[0010] 作为优选，所述变向组件底板一端表面一体化连接有与其表面垂直的两个变向组件侧板，两个所述变向组件侧板外侧均转动安装有第一转盘，两个所述变向组件侧板外侧均转动安装有第二转盘，且每个所述第一转盘和第二转盘上均转动安装有变向驱动皮带，两个所述第二转盘的转轴另一端且位于两块变向组件侧板内侧分别固定连接有第一齿轮和第三齿轮。
[0011] 作为优选，两个所述第一转盘的转轴另一端且位于两块变向组件侧板内侧均固定连接第三转盘转轴的两端，所述第三转盘转轴中段一体化连接有第三转盘，其中一个所述变向组件侧板外侧固定安装有电动伸缩杆，且所述电动伸缩杆的输出端固定连接在电动伸缩杆固定板，所述电动伸缩杆固定板一侧且位于电动伸缩杆上端固定连接有旋转电机固定板。
[0012] 作为优选，所述旋转电机固定板上端表面固定安装有旋转电机，且所述旋转电机的输出端活动穿过该变向组件侧板至另一侧并固定连接有第二齿轮，另一个所述变向组件侧板内侧表面转动安装有第四齿轮，且所述第二齿轮与第一齿轮和第四齿轮在横截剖面角度视觉上啮合连接。
[0013] 作为优选，所述蠕动推进单节组件包括蠕动推进单节骨圈、单节固定块连接柱、单节固定块、蠕动旋转块和单节连接转盘，所述蠕动推进单节骨圈上等距一体化连接有若干组旋转限位块，且每组所述旋转限位块有两个，每两个所述旋转限位块之间均转动安装有蠕动旋转块，且所述蠕动旋转块呈等六边棱柱状。
[0014] 作为优选，每个所述蠕动旋转块的其中一面转动安装有两个第二连接杆，每个所述第二连接杆与相邻的蠕动旋转块上另一端的第二连接杆上转动安装有第一连接杆，每个所述第一连接杆上端一体化连接有防滑推进块。
[0015] 作为优选，所述蠕动推进单节骨圈内圈表面一体化连接有与其表面垂直的单节固定块连接柱，所述单节固定块连接柱的另一端且位于蠕动推进单节骨圈的圆心处固定连接有单节固定块，且所述单节固定块两端分别开设有单节组件连接球腔，每个所述蠕动推进单节组件均通过单节组件连接球腔和单节组件连接球骨与前一节和后一节的蠕动推进单节组件活动连接。
[0016] 作为优选，其中一个所述蠕动旋转块上一体化设有单节连接转盘连接块，且所述单节连接转盘连接块两侧一体化连接有两个单节连接转盘，所述单节连接转盘上和后一节的单节连接转盘通过单节驱动弹性皮带转动连接，且第一节所述蠕动推进单节组件与探测头端上的第三转盘通过单节驱动弹性皮带转动连接。
[0017] 同时，本发明还公开了一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人的使用方法，包括如下操作步骤：
[0018] S1：首先通过旋转电机带动第二齿轮啮合第一齿轮，在通过第一齿轮带动其一端的第二转盘旋转，使第二转盘通过变向驱动皮带带动第一转盘转动，从而能够带动第三转盘转轴上的第三转盘转动，从而带动其上套设的单节驱动弹性皮带，能够为尾端的蠕动推进单节组件提供旋转动力；
[0019] S2：通过电动伸缩杆推动旋转电机移动，使第二齿轮向一端移动直至脱离第一齿轮啮合，与第四齿轮啮合连接，通过第四齿轮啮合一侧的第三齿轮再通过使第二转盘通过变向驱动皮带带动第一转盘转动，从而能够带动第三转盘转轴上的第三转盘转动，使整体的旋转方向相反，从而能够达到在不改变旋转电机输出轴旋转方向的情况下改变设备移动方向的效果；
[0020] S3：其中通过蠕动旋转块旋转，使其侧面上的第二连接杆作圆周运动，因为第二连接杆转动安装在蠕动旋转块上，通过第二连接杆连接的第一连接杆，迫使第一连接杆围绕着蠕动推进单节骨圈作与其垂直的圆周运动，从而能够带动整个设备在管道内蠕动前进。
[0021] (三)有益效果
[0022] 本发明提供了一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人。具备以下有益效果：
[0023] 首先将通过旋转电机带动第二齿轮啮合第一齿轮，在通过第一齿轮带动其一端的第二转盘旋转，使第二转盘通过变向驱动皮带带动第一转盘转动，从而能够带动第三转盘转轴上的第三转盘转动，从而带动其上套设的单节驱动弹性皮带，能够为尾端的蠕动推进单节组件提供旋转动力；通过电动伸缩杆推动旋转电机移动，使第二齿轮向一端移动直至脱离第一齿轮啮合，与第四齿轮啮合连接，通过第四齿轮啮合一侧的第三齿轮再通过使第二转盘通过变向驱动皮带带动第一转盘转动，从而能够带动第三转盘转轴上的第三转盘转动，使整体的旋转方向相反，从而能够达到在不改变旋转电机输出轴旋转方向的情况下改变设备移动方向的效果；其中通过蠕动旋转块旋转，使其侧面上的第二连接杆作圆周运动，因为第二连接杆转动安装在蠕动旋转块上，通过第二连接杆连接的第一连接杆，迫使第一连接杆围绕着蠕动推进单节骨圈作与其垂直的圆周运动，从而能够带动整个设备在管道内蠕动前进。
附图说明
[0024] 图1为本发明的整体结构示意图；
[0025] 图2为本发明的蠕动推进单节组件结构示意图；
[0026] 图3为本发明变向组件结构示意图；
[0027] 图4为本发明中图3的俯视结构示意图；
[0028] 图5为本发明中探测头端的结构示意图；
[0029] 图6为本发明中探测头端的内部结构示意图；
[0030] 图7为本发明中探测头端的前端整体结构示意图；
[0031] 图8为本发明的各用电器的电路连接结构示意图。
[0032] 其中，1、探测头端；2、蠕动推进单节组件；3、单节组件连接球骨；4、旋转电机；5、变向组件；6、蓄电池；7、信号接收天线；8、探测头端连接柱；9、探测头端连接球腔；10、变向组件底板；11、变向组件侧板；12、旋转电机固定板；13、变向驱动皮带；14、第一转盘；15、第二转盘；16、第一齿轮；17、第二齿轮；18、第三齿轮；19、第四齿轮；20、电动伸缩杆；21、电动伸缩杆固定板；22、第三转盘转轴；23、第三转盘；24、探测头端探照灯；25、蠕动推进单节骨圈；26、单节固定块连接柱；27、单节固定块；28、单节组件连接球腔；29、单节连接转盘；30、单节连接转盘连接块；31、单节驱动弹性皮带；32、防滑推进块；33、第一连接杆；34、第二连接杆；
35、旋转限位块；36、蠕动旋转块；37、探测头端外壳；38、探测摄像头。

具体实施方式
[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
[0034] 实施例：
[0035] 如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人，包括探测头端1，探测头端1后端通过若干单节组件连接球骨3活动连接有若干个蠕动推进单节组件2，探测头端1后端一体化连接有探测头端连接柱8，探测头端连接柱8尾端一侧表面开设有探测头端连接球腔9，探测头端1包括探测头端外壳37、旋转电机4、信号接收天线7、变向组件5和探测摄像头38，探测头端外壳37内壁上固定安装有蓄电池6，探测头端外壳37头端内壁上固定安装有探测摄像头38。
[0036] 通过上述的技术方案，通过旋转电机4带动第二齿轮17啮合第一齿轮16，在通过第一齿轮16带动其一端的第二转盘15旋转，使第二转盘15通过变向驱动皮带13带动第一转盘14转动，从而能够带动第三转盘转轴22上的第三转盘23转动，从而带动其上套设的单节驱动弹性皮带31，能够为尾端的蠕动推进单节组件2提供旋转动力；通过电动伸缩杆20推动旋转电机4移动，使第二齿轮17向一端移动直至脱离第一齿轮16啮合，与第四齿轮19啮合连接，通过第四齿轮19啮合一侧的第三齿轮18再通过使第二转盘15通过变向驱动皮带13带动第一转盘14转动，从而能够带动第三转盘转轴22上的第三转盘23转动，使整体的旋转方向相反，从而能够达到在不改变旋转电机4输出轴旋转方向的情况下改变设备移动方向的效果；其中通过蠕动旋转块36旋转，使其侧面上的第二连接杆34作圆周运动，因为第二连接杆
34转动安装在蠕动旋转块36上，通过第二连接杆34连接的第一连接杆33，迫使第一连接杆
33围绕着蠕动推进单节骨圈25作与其垂直的圆周运动，从而能够带动整个设备在管道内蠕动前进。
[0037] 本实施例通过在探测头端外壳37头端外表面且位于探测摄像头38一周等距安装有探测头端探照灯24，蓄电池6一端表面固定安装有变向组件5，蓄电池6一端表面固定安装有信号接收天线7，变向组件5包括变向组件底板10、变向组件侧板11、旋转电机4、第一齿轮16、第二齿轮17、第三齿轮18和第四齿轮19；变向组件底板10一端表面一体化连接有与其表面垂直的两个变向组件侧板11，两个变向组件侧板11外侧均转动安装有第一转盘14，两个变向组件侧板11外侧均转动安装有第二转盘15，且每个第一转盘14和第二转盘15上均转动安装有变向驱动皮带13，两个第二转盘15的转轴另一端且位于两块变向组件侧板11内侧分别固定连接有第一齿轮16和第三齿轮18，通过上述的旋转电机4带动第二齿轮17啮合第一齿轮16，在通过第一齿轮16带动其一端的第二转盘15旋转，使第二转盘15通过变向驱动皮带13带动第一转盘14转动，从而能够带动第三转盘转轴22上的第三转盘23转动，从而带动其上套设的单节驱动弹性皮带31，能够为尾端的蠕动推进单节组件2提供旋转动力。
[0038] 本实施例通过在两个第一转盘14的转轴另一端且位于两块变向组件侧板11内侧均固定连接第三转盘转轴22的两端，第三转盘转轴22中段一体化连接有第三转盘23，其中一个变向组件侧板11外侧固定安装有电动伸缩杆20，且电动伸缩杆20的输出端固定连接在电动伸缩杆固定板21，电动伸缩杆固定板21一侧且位于电动伸缩杆20上端固定连接有旋转电机固定板12；旋转电机固定板12上端表面固定安装有旋转电机4，且旋转电机4的输出端活动穿过该变向组件侧板11至另一侧并固定连接有第二齿轮17，另一个变向组件侧板11内侧表面转动安装有第四齿轮19，且第二齿轮17与第一齿轮16和第四齿轮19在横截剖面角度视觉上啮合连接，通过上述的第三转盘23能够为后端的各个蠕动推进单节组件2提供旋转动力。
[0039] 本实施例通过在蠕动推进单节组件2包括蠕动推进单节骨圈25、单节固定块连接柱26、单节固定块27、蠕动旋转块36和单节连接转盘29，蠕动推进单节骨圈25上等距一体化连接有若干组旋转限位块35，且每组旋转限位块35有两个，每两个旋转限位块35之间均转动安装有蠕动旋转块36，且蠕动旋转块36呈等六边棱柱状；每个蠕动旋转块36的其中一面转动安装有两个第二连接杆34，每个第二连接杆34与相邻的蠕动旋转块36上另一端的第二连接杆34上转动安装有第一连接杆33，每个第一连接杆33上端一体化连接有防滑推进块32，提供上述的蠕动旋转块36能够将上述的驱动力转换到蠕动推进单节骨圈25上的各个部位。
[0040] 本实施例通过在蠕动推进单节骨圈25内圈表面一体化连接有与其表面垂直的单节固定块连接柱26，单节固定块连接柱26的另一端且位于蠕动推进单节骨圈25的圆心处固定连接有单节固定块27，且单节固定块27两端分别开设有单节组件连接球腔28，每个蠕动推进单节组件2均通过单节组件连接球腔28和单节组件连接球骨3与前一节和后一节的蠕动推进单节组件2活动连接；其中一个蠕动旋转块36上一体化设有单节连接转盘连接块30，且单节连接转盘连接块30两侧一体化连接有两个单节连接转盘29，单节连接转盘29上和后一节的单节连接转盘29通过单节驱动弹性皮带31转动连接，且第一节蠕动推进单节组件2与探测头端1上的第三转盘23通过单节驱动弹性皮带31转动连接。
[0041] 同时，本发明还公开了一种管道内壁仿生蠕动爬行机器人的使用方法，包括如下操作步骤：
[0042] S1：首先通过旋转电机4带动第二齿轮17啮合第一齿轮16，在通过第一齿轮16带动其一端的第二转盘15旋转，使第二转盘15通过变向驱动皮带13带动第一转盘14转动，从而能够带动第三转盘转轴22上的第三转盘23转动，从而带动其上套设的单节驱动弹性皮带31，能够为尾端的蠕动推进单节组件2提供旋转动力；
[0043] S2：通过电动伸缩杆20推动旋转电机4移动，使第二齿轮17向一端移动直至脱离第一齿轮16啮合，与第四齿轮19啮合连接，通过第四齿轮19啮合一侧的第三齿轮18再通过使第二转盘15通过变向驱动皮带13带动第一转盘14转动，从而能够带动第三转盘转轴22上的第三转盘23转动，使整体的旋转方向相反，从而能够达到在不改变旋转电机4输出轴旋转方向的情况下改变设备移动方向的效果；
[0044] S3：其中通过蠕动旋转块36旋转，使其侧面上的第二连接杆34作圆周运动，因为第二连接杆34转动安装在蠕动旋转块36上，通过第二连接杆34连接的第一连接杆33，迫使第一连接杆33围绕着蠕动推进单节骨圈25作与其垂直的圆周运动，从而能够带动整个设备在管道内蠕动前进。
[0045] 工作原理：
[0046] 首先通过旋转电机4带动第二齿轮17啮合第一齿轮16，在通过第一齿轮16带动其一端的第二转盘15旋转，使第二转盘15通过变向驱动皮带13带动第一转盘14转动，从而能够带动第三转盘转轴22上的第三转盘23转动，从而带动其上套设的单节驱动弹性皮带31，能够为尾端的蠕动推进单节组件2提供旋转动力；通过电动伸缩杆20推动旋转电机4移动，使第二齿轮17向一端移动直至脱离第一齿轮16啮合，与第四齿轮19啮合连接，通过第四齿轮19啮合一侧的第三齿轮18再通过使第二转盘15通过变向驱动皮带13带动第一转盘14转动，从而能够带动第三转盘转轴22上的第三转盘23转动，使整体的旋转方向相反，从而能够达到在不改变旋转电机4输出轴旋转方向的情况下改变设备移动方向的效果；其中通过蠕动旋转块36旋转，使其侧面上的第二连接杆34作圆周运动，因为第二连接杆34转动安装在蠕动旋转块36上，通过第二连接杆34连接的第一连接杆33，迫使第一连接杆33围绕着蠕动推进单节骨圈25作与其垂直的圆周运动，从而能够带动整个设备在管道内蠕动前进。
[0047] 旋转电机4具体型号为：Y112M‑44KWB3，电动伸缩杆20具体型号为：5‑1500，探测摄像头38具体型号为：ExmorRCMOS。
[0048] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个引用结构”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0049] 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。

专利地区：山东

专利申请日期：2021-01-25

专利公开日期：2022-12-27

专利公告号：CN112944108B