基于星形张拉整体单元的直线方管道模块化探测机器人及行走方法技术

本发明专利技术公开了基于星形张拉整体单元的直线方管道模块化探测机器人及行走方法，机器人包括多个相同的三杆星形张拉整体单元模块和之间的连接节点，三杆星形张拉整体单元模块首尾相连，连接节点刚接；初始平衡状态下各个单元的中心驱动杆共线。每个三杆星形张拉整体单元的变形通过中心驱动杆的伸长和缩短实现。本发明专利技术利用纵波法的原理，对各个单元中心杆的伸长和缩短进行合理控制，依靠机器人与管道壁的摩擦力，实现机器人在管道中直线前进或后退。该张拉整体管道探测机器人控制方法简单、爬行管道时不阻塞管道、轻质高效、抗冲击性强、模块性装配性强，具有较好的运用前景。具有较好的运用前景。具有较好的运用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于星形张拉整体单元的直线方管道模块化探测机器人及行走方法


[0001]本专利技术涉及一种张拉整体管道探测机器人技术，具体是基于星形张拉整体单元的直线方管道模块化探测机器人及行走方法。
[0002]
技术介绍

[0003]随着城市规模的不断扩大和现代化程度的日益提高，各种市政管线越来越密集，越来越复杂，管理的工作量也越来越大。但是采用人工清洁和维护管道的方法耗时耗力。管道机器人能够深入到管道内部，克服管道空间狭小的困难，代替人工对管道进行清理维护，将大大减小管道维护的难度，提高管道清理维护的效率。
[0004]对于应用于直线管道探测的管道机器人，现有的机器人在外形结构和爬行方法上各式各样。例如采用轮子挤压管道壁的方法或使用磁性来使机器人贴着管道壁爬行、利用多足机器人在管道爬行等。但现有的机器人往往质量大、体积大，这样使得机器人耗能过大，且工作时占用管道，限制了其应用潜力。
[0005]张拉整体机器人轻质高效，抗冲击性强，具有良好运用前景。
[0006]根据查阅文献资料， 2021年3月哈尔滨工程大学学报上发表的《三杆星型张拉整体可展结构的运动分析》描述了三杆星形张拉整体结构的构成以及折展分析，但是未将其与机器人结合，仅停留在理论分析层面。
[0007]2014 IEEE International Conference on Robotics & Automation (ICRA)上发表的《DuCTT: a Tensegrity Robot for Exploring Duct Systems》描述了一种现有的张拉整体管道探测机器人——DuCTT，它由2个四面体组成，依靠索驱动实现运动控制，但其控制索数量多，还需辅以杆的伸缩才能实现机器人的运动，控制策略较复杂。
[0008]
技术实现思路

[0009]针对上述技术问题，本专利技术提供一种控制简单、易于装配、轻质高效且运行时不阻塞管道的基于三杆星形张拉整体单元的直线方管道模块化探测机器人及行走方法。
[0010]技术方案：一种基于星形张拉整体单元的直线方管道模块化探测机器人，包括：多个结构相同的三杆星形张拉整体单元模块，多个三杆星形张拉整体单元模块通过连接节点轴向刚性串接保持共线；每个所述三杆星形张拉整体单元模块包括：一个中心驱动杆，其两端分别刚性连接有一个所述连接节点，分别是第一连接节点和第二连接节点，所述第一连接节点上设有第一径向连接板；
3个第一径向索单元，三个所述第一径向索单元的一端分别与所述第一径向连接板连接， 3个第一径向索单元的另一端按照顺时针分别编号为A、B、C三个端点，中心驱动杆的端点为O，3个第二径向索单元，三个所述第二径向索单元的一端分别与所述第二径向连接板连接，3个第二径向索单元的另一端按照顺时针分别编号为D、E、F三个端点，中心驱动杆的端点为O
’
，3个斜索单元，分别连接AD端点之间、BE端点之间以及CF端点之间，3个直杆单元，分别连接AE端点之间、BF端点之间以及CD端点之间，初始状态下，A、B、C三个端点组成等边三角形ABC，O为等边三角形ABC中心，D、E、F三端点组成等边三角形DEF，O
’
为等边三角形DEF中心；等边三角形ABC和等边三角形DEF等大但相互偏转了30
°
； ABC三端点确定的平面平行于DEF三端点确定的平面；OO
’
连线为水平状态，CD连线为水平状态，A、F两端点与管道下底面接触，C、D两端点靠近管道两侧壁；所述斜索单元和径向索单元均为预应力索；所述中心驱动杆单元包括1个固定杆和1个伸缩杆，通过作动器调节所述伸缩杆与固定杆的相对运动，以改变中心驱动杆单元的长度；每个三杆星形张拉整体单元都具有折展性能，依靠中心驱动杆的伸缩实现结构变形，按纵波法原理依次控制中心杆的长度变化实现机器人运动。
[0011]进一步的，所述斜索单元包括：1根弹簧，位于斜索单元的最中间；2段第一绳索，分别连接在所述弹簧的两端，第一绳索的另一端通过第一弹簧钩与设置在所述杆单元端部的固定环连接；所述弹簧保持在受拉状态，使得斜索单元存在预应力。
[0012]进一步的，所述径向索单元包括：1段第二绳索，其一端通过第二弹簧钩与所述径向连接板上圆孔连接，另一端通过第三弹簧钩与所述杆单元端部的固定环连接。
[0013]进一步的，所述径向连接板上设有连接外管，所述中心驱动杆的端部设有插接在所述连接外管中的连接内管，连接内管与连接外管插接后通过连接销实现固定。
[0014]本专利技术进一步公开了一种基于所述基于星形张拉整体单元的直线方管道模块化探测机器人的行走方法，每个三杆星形张拉整体单元中有一根所述直杆单元平行于管道底面，每个三杆星形张拉整体单元有两个直杆单元的端点与管道下底面接触；在纵波法中，第一个三杆星形张拉整体单元首先伸长，伸长至最长后即开始缩短，之后的每个三杆星形张拉整体单元在前一个三杆星形张拉整体单元缩短的同时伸长；当最后一个三杆星形张拉整体单元缩短后，一个纵波在机器人中传递，机器人前进一段距离；
单纵波法是机器人中仅传递一个波，多纵波法是机器人中同时传递多个波，以加快运动效率。
[0015]有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：第一．从控制方法上看，相较于大多数张拉整体机器人作动器数量多、控制方案复杂、控制精度要求高，本专利技术仅需控制中心驱动杆的长度变化，且控制策略容易实现，其余杆件和索均被动变化，控制方法简单可靠。
[0016]第二．从机器人形态上看，相较于普通管道机器人质量大、体积大，本专利技术的机器人仅由杆索构成，质量轻且占用管道截面积小，工作时不会堵塞管道。
[0017]第三．本专利技术设计的机器人装配性模块性强，张拉整体单元采用相同的三杆星形张拉整体单元，可由多个相同的斜索单元、直杆单元、径向索单元、中心驱动杆单元装配组成，可在现场当场组装，使用便利。
[0018]综上所述，该张拉整体管道探测机器人控制方法简单、爬行管道时不阻塞管道、轻质高效、抗冲击性强、模块性装配性强，具有较好的运用前景。
[0019]附图说明
[0020]图1为本专利技术的基于星形张拉整体单元的直线方管道探测模块化机器人初始状态下的轴测图隐藏一侧管道壁；图2为本专利技术的基于星形张拉整体单元的直线方管道探测模块化机器人初始状态下的正视图隐藏一侧管道壁；图3为本专利技术的基于星形张拉整体单元的直线方管道探测模块化机器人初始状态下的侧视图；图4为本专利技术的基于星形张拉整体单元的直线方管道探测模块化机器人初始状态下的俯视图；图5为本专利技术的三杆星形张拉整体单元模块的轴测图；图6为本专利技术的斜索单元的示意图；图7为本专利技术的直杆单元的示意图；图8为本专利技术的径向索单元的示意图；图9为本专利技术的中心驱动杆单元的示意图；图10为本专利技术的连接节点及插销的正视图；图11为本专利技术的连接节点及插销的轴测图；图12为本专利技术的连接节点的连接前示意图；图13为本专利技术的连接节点的连接后示意图；图14为本专利技术的索模块中弹簧钩与直杆单元中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于星形张拉整体单元的直线方管道模块化探测机器人，其特征在于，包括：多个结构相同的三杆星形张拉整体单元模块，多个三杆星形张拉整体单元模块通过连接节点轴向刚性串接保持共线；每个所述三杆星形张拉整体单元模块包括：一个中心驱动杆，其两端分别刚性连接有一个所述连接节点，分别是第一连接节点和第二连接节点，所述第一连接节点上设有第一径向连接板；3个第一径向索单元，三个所述第一径向索单元的一端分别与所述第一径向连接板连接， 3个第一径向索单元的另一端按照顺时针分别编号为A、B、C三个端点，中心驱动杆的端点为O，3个第二径向索单元，三个所述第二径向索单元的一端分别与所述第二径向连接板连接，3个第二径向索单元的另一端按照顺时针分别编号为D、E、F三个端点，中心驱动杆的端点为O
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，3个斜索单元，分别连接AD端点之间、BE端点之间以及CF端点之间，3个直杆单元，分别连接AE端点之间、BF端点之间以及CD端点之间，初始状态下，A、B、C三个端点组成等边三角形ABC，O为等边三角形ABC中心，D、E、F三端点组成等边三角形DEF，O
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为等边三角形DEF中心；等边三角形ABC和等边三角形DEF等大但相互偏转了30
°
； ABC三端点确定的平面平行于DEF三端点确定的平面；OO
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连线为水平状态，CD连线为水平状态，A、F两端点与管道下底面接触，C、D两端点靠近管道两侧壁；所述斜索单元和径向索单元均为预应力索；所述中心驱动杆单元包括1个固定杆和1个伸缩杆，通过作动器调节所述伸缩杆与固定杆的相对运动，以改变中心驱动杆单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆金钰，许植胤，曾卓，马雨辰，翟铭，许乾照，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：