基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人及行走、转向方法技术

基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人及行走、转向方法，包括顺次配置的前机身、驱动机构和后机身；驱动机构包括双向式液压缸和液压回路；前机身和后机身上分别设有单向行走机构；前机身和后机身相背一端上分别设有换向机构；前机身和后机身外周上还向外分别伸出弹簧支撑轮机构。本机器人采用液压驱动，减少了机械螺纹驱动由于间隙、磨损、爬行等带来的影响，机构简单紧凑，运动性能稳定可靠；采用行走机构，无需刹车控制，只需改变行走前后机身的受力方向即可实现机器人单向的蠕动行走；采用转向机构，只需改变行走机构的角度，就能实现机器人的转向功能；采用弹簧支撑轮结构，可防止机器人在管道中倾倒，提高了机器人行走的可靠性。

Hydraulic driven bi-directional peristaltic robot based on ratchet wheel and its walking and steering method

Hydraulic-driven two-way creeping robot based on ratchet wheel and its walking and steering method include front fuselage, driving mechanism and rear fuselage with sequential configuration; driving mechanism includes two-way hydraulic cylinder and hydraulic circuit; front fuselage and rear fuselage are respectively provided with one-way walking mechanism; front fuselage and rear fuselage are respectively provided with one end of camera. A spring supporting wheel mechanism is extended outwards from the front fuselage and the rear fuselage. The robot adopts hydraulic drive to reduce the impact of mechanical thread drive due to clearance, wear, creeping, etc., the mechanism is simple and compact, stable and reliable movement; the use of walking mechanism, without braking control, just change the force direction of the body before and after walking can achieve one-way creeping robot; The steering mechanism can realize the steering function of the robot only by changing the angle of the walking mechanism, and the spring supporting wheel structure can prevent the robot from tipping in the pipe and improve the reliability of the robot.

【技术实现步骤摘要】
基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人及行走、转向方法
本专利技术涉及管道机器人领域，尤其一种基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人。
技术介绍
管道机器人是一种可在管道中行走的机械装置，工作在错综复杂的地下管道中，用于完成管道的检测和维修，是保障管道正常运作的重要工具。但是管道一般都埋在地下或建筑物中，内部结构复杂，内径大小不一，很难靠人工维护，因此管道机器人应运而生。这不仅提高了管道检修的准确性和效率性，还为管道维护节省了大量的经费资源问题，降低了管道维护的成本。因此，针对管道机器人的研究具有重要的科学意义和经济效益。目前，社会各界人士对管道机器人进行了研究，但都存在着机器人结构复杂、可靠性不高、运行效率低等问题，很少能解决机器人管道内转向的难题，很大程度上限制了管道机器人的发展。如何改进结构，使管道机器人能够克服上述问题，成为行业内关注研究的新课题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种能够在直管道和弯曲幅度较小的弯管道内可实现双向行走的新型蠕动机器人。本专利技术是通过以下技术方案实现的：基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人，其特征在于：包括顺次配置的前机身、驱动机构、后机身；驱动机构为液压驱动机构，包括双向式液压缸和液压回路，双向式液压缸内设双活塞，缸套两端各活动伸出的一根活塞杆，活塞杆头部均为球形，分别活动装入前机身和后机身上的球形连接槽内；位于双活塞之间缸套上的油路开口作为进(出)油口、缸套两端的油路开口作为出(进)油口与液压回路相连，从而形成对前机身和后机身的反向液压驱动；前机身和后机身上分别设有单向行走机构，单向行走机构包括V形支架，V形支架的“V”字形底端转动安装于前机身/后机身的外周上，其两个“V”字形顶端分别转动安装能够绕自身轴向单向转动的顺时针单向行走棘轮和逆时针单向行走棘轮；前机身和后机身相背一端上分别设有换向机构，包括液压缸，条形连接件一端转动安装在液压缸的活塞杆上，另一端转动安装在V形支架的一条“V”形侧边上，液压缸驱动其活塞杆伸缩时，能够带动V形支架绕其“V”字形顶端转动，从而改变顺时针单向行走棘轮/逆时针单向行走棘轮的位置，使顺时针单向行走棘轮处于工作位/待机位，同时逆时针单向行走棘轮处于待机位/工作位；前机身和后机身外周上还向外分别伸出弹簧支撑轮机构，包括橡胶支撑轮、滑杆、U形支撑腿和弹簧，U形支撑腿的“U”形底部固装在前机身和后机身外周上，两个顶端上分别沿U形支撑腿的伸出方向开设长形滑槽，橡胶支撑轮轮轴两端活动装入长形滑槽内；弹簧和滑杆顺次内置于U形支撑腿内腔中，弹簧两端分别弹性抵压U形支撑腿内腔和滑杆一端，滑杆另一端设有开口朝向橡胶支撑轮的“U”形支撑口，橡胶支撑轮轮轴两端转动安装在“U”形支撑口两端的通孔内；橡胶支撑轮既能够绕自身轴向转动，也能够随弹簧伸缩沿U形支撑腿的伸出方向在长形滑槽内滑动。换向机构通过控制双向式液压缸的活塞杆伸缩改变V形支架的角度，使得不同的行走棘轮接触管道内壁，以此实现机器人在直管中的双向行走及弯管中的转向，当管道内径发生变化(污垢阻塞或者管道内径本身有一定的变化)时，换向机构能够通过控制双向式液压缸的活塞杆伸缩调节V形支架的角度以适应管径的变化；弹簧支撑轮机构一方面可以防止机器人在管道内倾倒，另一方面可以当管道内径发生变化时保持机身稳定；装置结构简单紧凑，运动性能可靠，体积重量小，能够顺利地在直线管道内双向行走，同时还能实现机器人在弯曲幅度较小的弯管道内的双向行走。进一步的，所述前机身和后机身均呈两端开口的筒形，两者相对的一端上分别开设球形连接槽；相背的一端分别开设转向机构连接槽，液压缸固装在转向机构连接槽底部安装孔内，转向机构连接槽槽腔顶部对应条形连接件开设避让口，条形连接件位于避让口内，结构紧凑，适用于狭小的管道工作环境；前机身和后机身外壁上分别开设螺纹孔，螺纹孔内分别旋紧用于转动安装V形支架的螺纹铰链座，以及，U形支撑腿的“U”形底部螺纹段，便于拆装维护。进一步的，所述顺时针单向行走棘轮和逆时针单向行走棘轮分别包括橡胶外轮、外棘轮、内轮、棘爪、扭簧；橡胶外轮外套于外棘轮外圈上，外棘轮内圈为棘齿圈；外棘轮转动安装于顺时针单向行走棘轮/逆时针单向行走棘轮轮轴上，能够相对于固定安装在V形支架上的轮轴转动，为活动轮；内轮固装在顺时针单向行走棘轮/逆时针单向行走棘轮轮轴上，与外棘轮相互脱离，为固定轮；棘爪一端转动安装在内轮上，另一自由端与外棘轮相配合；棘爪能够根据外棘轮所受力方向不同、改变在外棘轮中的位置，从而实现顺时针单向行走棘轮/逆时针单向行走棘轮的转动或自锁；为了保证棘爪具有一定的张力，避免其滑落，扭簧一端固定在内轮上，另一端被弹性拉伸，安装在棘爪上。通过驱动机构可以改变行走棘轮的受力方向，从而控制棘爪插入或脱离外棘轮的棘齿，以此间歇地控制前机身行走机构的转动(停止)以及后机身行走机构的停止(转动)，现机器人的向前(后)单向蠕动行走；再通过转向机构的控制行走机构上不同的单向行走棘轮来接触管道内壁，从而实现机器人的转向。进一步的，所述前机身和后机身上分别设有3个单向行走机构，间隔均匀的排布在前机身/后机身外周上，液压缸的活塞杆顶部固设三角连接件，三角连接件的三角侧缘分别转动连接一个条形连接件。3个单向行走机构能够形成3个主动行走支撑点，使运动更加可靠。再进一步，所述前机身和后机身上分别设有3个弹簧支撑轮机构，形成3个弹性支撑点，支撑可靠；3个弹簧支撑轮机构与3个单向行走机构4间隔均匀的交错排布，结构紧凑，体积重量小。进一步的，同一V形支架上，所有顺时针单向行走棘轮位于逆时针单向行走棘轮外侧，即远离驱动机构一侧,或者，所有顺时针单向行走棘轮位于逆时针单向行走棘轮内侧，即靠近驱动机构一侧。前一种安装结构，自右向左单向行走时用的是外侧顺时针单向行走棘轮，自左向右单向行走时用的是内侧逆时针单向行走棘轮。如果采用后一种安装结构的话，则行走反向与前者相反。V形支架一方面作为换向机构的零件，另一方面其形状保证了机器人行走时两种单向棘轮不会相互干扰，提高其工作的可靠性。进一步的，所述双向式液压缸的进出油口和出进油口通过换向阀连接液压回路，液压回路的主回路上串联调速阀，并联溢流阀。通过换向阀与液压回路相连以控制回路中油的流向，从而形成对前机身和后机身的反向液压驱动；当系统的载荷超出给定最大值(系统压力大于额定压力)时打开溢流阀，从而实行过载保护，让整个装置的工作载荷不会变大。一种上述的基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人双向行走的方法，其特征在于：所述驱动机构和换向机构按以下方式动作，实现所述机器人在管道中的双向行走：初始状态时，机器人位于横向配置的管道内部，前机身和后机身分别位于驱动机构的左右两侧；左移：换向机构使顺时针单向行走棘轮处于工作位，接触管道内壁，而逆时针单向行走棘轮处于待机位，不接触管道内壁；驱动机构的双向式液压缸同时向外伸出时，机器人的前机身和后机身同时受到相反的推力；此时，前机身上的顺时针单向行走棘轮能够转动，而后机身上的顺时针单向行走棘轮则处于自锁状态，即机器人的后机身不动，前机身可以向左运动；当驱动机构的双向式液压缸时向内收缩时，机器人的前机身和后机身同时受到向内的拉力；此时，前机身上的顺时针单向行走棘轮处于自锁状态，而后机身本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人，其特征在于：包括顺次配置的前机身(1)、驱动机构(2)、后机身(3)；驱动机构(2)为液压驱动机构，包括双向式液压缸(28)和液压回路，双向式液压缸(28)内设双活塞，缸套两端各活动伸出的一根活塞杆，活塞杆头部均为球形，分别活动装入前机身(1)和后机身(3)上的球形连接槽(9)内；位于双活塞之间缸套上的油路开口作为进(出)油口、缸套两端的油路开口作为出(进)油口与液压回路相连，从而形成对前机身(1)和后机身(3)的反向液压驱动；前机身(1)和后机身(3)上分别设有单向行走机构(4)，单向行走机构(4)包括V形支架(24)，V形支架(24)的“V”字形底端转动安装于前机身(1)/后机身(3)的外周上，其两个“V”字形顶端分别转动安装能够绕自身轴向单向转动的顺时针单向行走棘轮(6)和逆时针单向行走棘轮(11)；前机身(1)和后机身(3)相背一端上分别设有换向机构(7)，包括液压缸(23)，条形连接件(26)一端转动安装在液压缸(23)的活塞杆上，另一端转动安装在V形支架(24)的一条“V”形侧边上，液压缸(23)驱动其活塞杆伸缩时，能够带动V形支架(24)绕其“V”字形顶端转动，从而改变顺时针单向行走棘轮(6)/逆时针单向行走棘轮(11)的位置，使顺时针单向行走棘轮(6)处于工作位/待机位，同时逆时针单向行走棘轮(11)处于待机位/工作位；前机身(1)和后机身(3)外周上还向外分别伸出弹簧支撑轮机构(5)，包括橡胶支撑轮(18)、滑杆(19)、U形支撑腿(20)和弹簧(21)，U形支撑腿(20)的“U”形底部固装在前机身(1)和后机身(3)外周上，两个顶端上分别沿U形支撑腿(20)的伸出方向开设长形滑槽，橡胶支撑轮(18)轮轴两端活动装入长形滑槽内；弹簧(21)和滑杆(19)顺次内置于U形支撑腿(20)内腔中，弹簧(21)两端分别弹性抵压U形支撑腿(20)内腔和滑杆(19)一端，滑杆(19)另一端设有开口朝向橡胶支撑轮(18)的“U”形支撑口，橡胶支撑轮(18)轮轴两端转动安装在“U”形支撑口两端的通孔内；橡胶支撑轮(18)既能够绕自身轴向转动，也能够随弹簧(21)伸缩沿U形支撑腿(20)的伸出方向在长形滑槽内滑动。...

【技术特征摘要】
1.基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人，其特征在于：包括顺次配置的前机身(1)、驱动机构(2)、后机身(3)；驱动机构(2)为液压驱动机构，包括双向式液压缸(28)和液压回路，双向式液压缸(28)内设双活塞，缸套两端各活动伸出的一根活塞杆，活塞杆头部均为球形，分别活动装入前机身(1)和后机身(3)上的球形连接槽(9)内；位于双活塞之间缸套上的油路开口作为进(出)油口、缸套两端的油路开口作为出(进)油口与液压回路相连，从而形成对前机身(1)和后机身(3)的反向液压驱动；前机身(1)和后机身(3)上分别设有单向行走机构(4)，单向行走机构(4)包括V形支架(24)，V形支架(24)的“V”字形底端转动安装于前机身(1)/后机身(3)的外周上，其两个“V”字形顶端分别转动安装能够绕自身轴向单向转动的顺时针单向行走棘轮(6)和逆时针单向行走棘轮(11)；前机身(1)和后机身(3)相背一端上分别设有换向机构(7)，包括液压缸(23)，条形连接件(26)一端转动安装在液压缸(23)的活塞杆上，另一端转动安装在V形支架(24)的一条“V”形侧边上，液压缸(23)驱动其活塞杆伸缩时，能够带动V形支架(24)绕其“V”字形顶端转动，从而改变顺时针单向行走棘轮(6)/逆时针单向行走棘轮(11)的位置，使顺时针单向行走棘轮(6)处于工作位/待机位，同时逆时针单向行走棘轮(11)处于待机位/工作位；前机身(1)和后机身(3)外周上还向外分别伸出弹簧支撑轮机构(5)，包括橡胶支撑轮(18)、滑杆(19)、U形支撑腿(20)和弹簧(21)，U形支撑腿(20)的“U”形底部固装在前机身(1)和后机身(3)外周上，两个顶端上分别沿U形支撑腿(20)的伸出方向开设长形滑槽，橡胶支撑轮(18)轮轴两端活动装入长形滑槽内；弹簧(21)和滑杆(19)顺次内置于U形支撑腿(20)内腔中，弹簧(21)两端分别弹性抵压U形支撑腿(20)内腔和滑杆(19)一端，滑杆(19)另一端设有开口朝向橡胶支撑轮(18)的“U”形支撑口，橡胶支撑轮(18)轮轴两端转动安装在“U”形支撑口两端的通孔内；橡胶支撑轮(18)既能够绕自身轴向转动，也能够随弹簧(21)伸缩沿U形支撑腿(20)的伸出方向在长形滑槽内滑动。2.根据权利要求1所述的基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人，其特征在于：所述前机身(1)和后机身(3)均呈两端开口的筒形，两者相对的一端上分别开设球形连接槽(9)；相背的一端分别开设转向机构连接槽(10)，液压缸(23)固装在转向机构连接槽(10)底部安装孔内，转向机构连接槽(10)槽腔顶部对应条形连接件(26)开设避让口，条形连接件(26)位于避让口内；前机身(1)和后机身(3)外壁上分别开设螺纹孔(8)，螺纹孔(8)内分别旋紧用于转动安装V形支架(24)的螺纹铰链座(25)，以及，U形支撑腿(20)的“U”形底部螺纹段。3.根据权利要求1所述的基于棘轮的液压驱动双向式蠕动机器人，其特征在于：所述顺时针单向行走棘轮(6)和逆时针单向行走棘轮(11)分别包括橡胶外轮(12)、外棘轮(13)、内轮(14)、棘爪(15)、扭簧(16)；橡胶外轮(12)外套于外棘轮(13)外圈上，外棘轮(13)内圈为棘齿圈；外棘轮(13)转动安装于顺时针单向行走棘轮(6)/逆时针单向行走棘轮(11)轮轴上，能够相对于固定安装在V形支架(24)上的轮轴转动，为活动轮；内轮(14)固装在顺时针单向行走棘轮(6)/逆时针单向行走棘轮(11)轮轴上，与外棘轮(13)相互脱离，为固定轮；棘爪(15)一端转动安装在内轮(14)上，另一自由端与外棘轮(13)相配合；棘爪(15)能够根据外棘轮(13)所受力方向不同、改变在外棘轮(13)中的位置，从而实现顺时针单向行走棘轮(6)/逆时针单向行走棘轮(11)的转动或自锁；扭簧(16)一端固定在内轮(14)上，另一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐亚军，何涛，余宽平，潘婷婷，衣晓杰，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31