一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人制造技术

一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人，它涉及一种管道爬行机器人，以解决现有管道爬行机构结构复杂、尺寸和重量大，以及难以适应复杂微小型精密管道作业的问题，它包括伸缩人工肌肉、两个箝位关节和两个连接组件；所述箝位关节包括箝位人工肌肉和N个弹性薄壁梁，其中，N为大于等于2的整数，N个弹性薄壁梁均匀布置在箝位人工肌肉外侧，箝位人工肌肉的首端和N个弹性薄壁梁的首端固定连接，箝位人工肌肉的末端和N个弹性薄壁梁的末端固定连接，两个箝位关节分别设置在伸缩人工肌肉的两端，箝位关节和伸缩人工肌肉采用连接组件固接。本发明专利技术用于微小型精密管道作业。

【技术实现步骤摘要】
一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人
本专利技术涉及一种管道爬行机器人，属于柔性机器人

技术介绍
柔性机器人技术及微小型机器人技术近年来成为了机器人
的重要分支，由于传统刚性机器人自由度较少、结构刚度较大，在一些应用上存在局限性。而柔性机器人具有高灵活性、可变形性和能量吸收特性等特点，对环境具有较强的适应性，可以用更简单的方式完成一些复杂作业动作。目前应用较多的柔性机构多为电活性聚合物、绳驱动器、形状记忆合金以及流体驱动器等。这些柔性机构一般体积较大、价格昂贵且需要复杂的外部辅助系统，难以组合使用，也难以实现微小型化。现有管道爬行机构大多为刚性结构，尺寸及重量较大，结构相对复杂；而复杂微小型精密管道的检测作业又对管道爬行机器人的尺寸及柔性提出了新的要求。
技术实现思路
本专利技术是为解决现有管道爬行机构结构复杂、尺寸和重量大，以及难以适应复杂微小型精密管道作业的问题，进而提供一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人包括伸缩人工肌肉、两个箝位关节和两个连接组件；所述箝位关节包括箝位人工肌肉和N个弹性薄壁梁，其中，N为大于等于2的整数，N个弹性薄壁梁均匀布置在箝位人工肌肉外侧，箝位人工肌肉的首端和N个弹性薄壁梁的首端固定连接，箝位人工肌肉的末端和N个弹性薄壁梁的末端固定连接，两个箝位关节分别设置在伸缩人工肌肉的两端，箝位关节和伸缩人工肌肉采用连接组件固接。进一步地，弹性薄壁梁初始状态为弓形结构，且其初始弦长与箝位人工肌肉的初始长度相等。进一步地，箝位人工肌肉和伸缩人工肌肉为聚合物纤维扭转而成的螺旋卷绕型结构，且在加热时会产生长度的变化。进一步地，箝位人工肌肉和伸缩人工肌肉为聚合物纤维和金属丝共同扭转而成的螺旋卷绕型结构，且在加热时会产生长度的变化。进一步地，连接组件为柔性结构。进一步地，一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人还包括传感器，所述传感器为距离传感器或视觉传感器，传感器与箝位关节的首端或末端固接。本专利技术的有益效果：本专利技术的一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人，结构简单、尺寸及重量小，全部组件均为柔性结构，使得机器人本体可以在一定范围内弯曲或扭转。大大提高了其在复杂微小型精密管道中的通过能力，可以到达常规管道爬行机构难以到达的位置，在复杂狭小空间探查、搜救等领域具有广泛应用前景。基于聚合物纤维(尼龙等)扭转而成的螺旋卷绕型人工肌肉驱动器迟滞小、寿命长且成本低廉(尼龙的价格约30元/公斤)，其载重能力是同等长度和重量的人体肌肉的100倍以上。且这类聚合物螺旋卷绕型人工肌肉结构尺寸小、具有高度柔性和可编织特性，更易于组合使用。附图说明图1为箝位关节包含两个弹性薄壁梁的一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人的常规状态结构示意图；图2为箝位关节包含两个弹性薄壁梁的一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人的某种自然弯曲状态结构示意图；图3为箝位人工肌肉和伸缩人工肌肉为聚合物纤维扭转而成的螺旋卷绕型结构示意图；图4为箝位人工肌肉和伸缩人工肌肉为聚合物纤维和金属丝共同扭转而成的螺旋卷绕型结构示意图；图5为图1中伸缩人工肌肉的结构及其变形示意图；图6为图1中箝位关节的动作变化示意图；图7为箝位关节包含两个弹性薄壁梁的一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人在管道内作业示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步地说明：结合图1和图2说明，一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人包括伸缩人工肌肉3、两个箝位关节1和两个连接组件2；所述箝位关节1包括箝位人工肌肉1-2和N个弹性薄壁梁1-1，其中，N为大于等于2的整数，N个弹性薄壁梁1-1均匀布置在箝位人工肌肉1-2外侧，箝位人工肌肉1-2的首端和N个弹性薄壁梁1-1的首端固定连接，箝位人工肌肉1-2的末端和N个弹性薄壁梁1-1的末端固定连接，两个箝位关节1分别设置在伸缩人工肌肉3的两端，箝位关节1和伸缩人工肌肉3采用连接组件2固接。本实施例中，箝位人工肌肉1-2的首端和N个弹性薄壁梁1-1的首端固定连接，箝位人工肌肉1-2的末端和N个弹性薄壁梁1-1的末端固定连接；弹性薄壁梁1-1可为板状结构。优选地，弹性薄壁梁的个数取值范围为20≥N≥2。参见图1说明，为了适应管道作业的需要，弹性薄壁梁1-1初始状态为弓形结构，且其初始弦长与箝位人工肌肉1-2的初始长度相等。参见图3所示，箝位人工肌肉1-2和伸缩人工肌肉3为聚合物纤维扭转而成的螺旋卷绕型结构，且在加热时会产生长度的变化。如图4所示，箝位人工肌肉1-2和伸缩人工肌肉3为聚合物纤维和金属丝共同扭转而成的螺旋卷绕型结构，且在加热时会产生长度的变化。如此设置，聚合物纤维(尼龙等)扭转而成的螺旋卷绕型人工肌肉驱动器迟滞小、寿命长且成本低廉(尼龙的价格约30元/公斤)，其载重能力是同等长度和重量的人体肌肉的100倍以上。且这类聚合物螺旋卷绕型人工肌肉结构尺寸小、具有高度柔性和可编织特性，更易于组合使用。参见图2说明，为了进一步适应微小型精密管道作业的需要，连接组件2为柔性结构。连接组件2及其它所有组成结构都具有较大柔性，这样，机器人本体在自然状态下可以产生任意方向的弯曲或扭转变形。连接组件2布置在单个箝位关节1的两端，柔性组件2优选用硅胶材料。上述实施方式也可扩展为包含多个箝位关节1和伸缩人工肌肉3串接而成的管道爬行机器人。参见图1说明，一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人还包括传感器4，所述传感器4为距离传感器或视觉传感器，该传感器4设置在柔性管道爬行机器人的首端或者末端，传感器4与箝位关节1的首端或末端固定连接，用于检测环境状况，并发送相应信号给控制器。进而实现远程控制。参见图1-图7说明，箝位人工肌肉1-2和伸缩人工肌肉3分别由驱动源独立驱动。本专利技术一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人用于管道作业时具体过程为：驱动箝位人工肌肉1-2使弹性薄壁梁1-1发生弯曲变形，从而箝位关节1产生箝位动作，通过控制箝位人工肌肉1-2的变形量，可使箝位关节1产生不同大小的箝位力(见图6)；通过驱动伸缩人工肌肉3，使机器人产生伸缩动作，通过控制伸缩人工肌肉3变形量(见图2和图6)，可以精确控制机器人长度方向的变形量；参见图7，机器人爬行时，首先使箝位关节1产生箝位动作，依靠弹性薄壁梁1-1箝住管道内壁，然后驱动伸缩人工肌肉3产生伸缩动作，完成一步爬行动作，通过控制“箝位-伸缩”的动作序列可精确控制机器人产生正向或反向的连续爬行。本专利技术已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本专利技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本专利技术技术方案范围内，依据本专利技术的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本专利技术技术方案范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人，其特征在于：它包括伸缩人工肌肉(3)、两个箝位关节(1)和两个连接组件(2)；所述箝位关节(1)包括箝位人工肌肉(1‑2)和N个弹性薄壁梁(1‑1)，其中，N为大于等于2的整数，N个弹性薄壁梁(1‑1)均匀布置在箝位人工肌肉(1‑2)外侧，箝位人工肌肉(1‑2)的首端和N个弹性薄壁梁(1‑1)的首端固定连接，箝位人工肌肉(1‑2)的末端和N个弹性薄壁梁(1‑1)的末端固定连接，两个箝位关节(1)分别设置在伸缩人工肌肉(3)的两端，箝位关节(1)和伸缩人工肌肉(3)采用连接组件(2)固接。

【技术特征摘要】
1.一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人，其特征在于：它包括伸缩人工肌肉(3)、两个箝位关节(1)和两个连接组件(2)；所述箝位关节(1)包括箝位人工肌肉(1-2)和N个弹性薄壁梁(1-1)，其中，N为大于等于2的整数，N个弹性薄壁梁(1-1)均匀布置在箝位人工肌肉(1-2)外侧，箝位人工肌肉(1-2)的首端和N个弹性薄壁梁(1-1)的首端固定连接，箝位人工肌肉(1-2)的末端和N个弹性薄壁梁(1-1)的末端固定连接，两个箝位关节(1)分别设置在伸缩人工肌肉(3)的两端，箝位关节(1)和伸缩人工肌肉(3)采用连接组件(2)固接。2.根据权利要求1所述的一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人，其特征在于：弹性薄壁梁(1-1)初始状态为弓形结构，且其初始弦长与箝位人工肌肉(1-2)的初始长度相等。3.根据权利要求2所述的一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘英想，李凯，唐心田，陈维山，刘军考，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23