一种仿生蠕动式管道行走机构及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种仿生蠕动式管道行走机构及其控制方法，其特征是由前体节径向支撑单元与后体节径向支撑单元在中间轴向进给单元的两端对称设置构成；通过协调径向支撑单元与管道内壁之间的周期性间歇式径向胀缩运动以及中间轴向进给单元的周期性间歇式轴向伸缩运动，模仿蠕虫体节的运动步态和规律在管道内蠕动行走。通过搭载相应工具，本发明专利技术可代替人工进行各种管道作业任务，也可实施垂直井下矿难探测与救援等任务，具有形体简单紧凑、运行平稳可靠、控制容易、制造成本低廉、可多场合应用等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种管道内蠕动式行走机构，用于管道作业机器人，属仿生机器人

技术介绍
管道作为一种重要的物质传输工具，在各种领域中得到大量广泛的应用。管道在使用过程中，难免会出现各种故障或损伤。多数管道安装环境下，人不能直接到达或不容许人直接进入，故管道作业机器人作为一种代替人工进行管道故障诊断、检测与维修的有效智能工具，越来越受到重视。管道作业机器人按照行走方式的不同可分为腿式、轮式、履带式、振动式和蠕动式等多种类型，蠕动式管道作业机器人是管道作业机器人众多类型中步态最为稳定、最具有环境适应性的一种。ZL200310120880. 8报道了一种“蠕动式管道爬行器”，采用由单一电机同轴驱动， 通过三个端面凸轮组和杆系等机械传动方式，实现爬行器在小管道内的蠕动行进。该蠕动式爬行器结构较为简单紧凑，但其只能在直管道中蠕动行走，不能适应弯曲管道；且该机构存在弹性储能元件，在一定程度上降低了行走效率。ZL200710042310.X报道了一种“管道内蠕动行走机构”，采用单电机正反转驱动轴向丝杠螺母副，配合形状记忆合金的径向混合驱动，实现机器人的管道内蠕动行走功能，具有功重比大的特性。但该机构采用了形状记忆合金新型功能材料，造价较高，难以普及推广，且驱动电机的频繁正反转不利于控制系统的简化。ZL200910071M0.X报道了一种“基于推拉电磁铁的管道探索机器人”，依靠摩擦胀紧原理，采用推拉式电磁铁驱动实现机器人在管道内的蠕动行走。该机器人可适应不同管径，且结构简单，控制方便，但由于使用了推拉式电磁铁，易产生振动和噪音，且推拉式电磁铁的频繁工作使得线圈温升较快，导致输出能力下降，影响机构运行的平稳性与可靠性。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在不足之处，提供一种形体简单轻巧、运行平稳可靠、功能实用、控制方法简便、制造成本低廉的仿生蠕动式管道行走机构及其控制方法，用于蠕动式管道作业机器人。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案本专利技术仿生蠕动式管道行走机构的特点是由前体节径向支撑单元与后体节径向支撑单元在中间轴向进给单元的两端对称设置构成；所述前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元具有相同的结构形式，是沿壳体的外圆周均勻分布至少两只可径向伸缩的撑爪和与所述撑爪处在同一母线位置上的导向滚轮；所述中间轴向进给单元是由前节段和后节段构成，所述前节段和后节段相互间沿轴向可相对运动，形成轴向长度可伸缩的中间轴向进给单元；在所述前体节径向支撑单元与中间轴向进给单元之间，以及在所述后体节径向支撑单元与中间轴向进给单元之间分别以前万向节、后万向节联接。所述前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元的结构设置均为第一直流减速电机固定安装在第一圆筒支座上，第一直流减速电机的输出轴通过第一联轴器与第一传动轴相联；第一传动轴为一阶梯轴，通过分别在两端安装的第一角接触球轴承和第二角接触球轴承支承于第二圆筒支座与第一圆筒支座之间；双面凸轮与第一传动轴固联，并位于第二圆筒支座与第一圆筒支座之间；在所述双面凸轮的各凸轮槽中分别嵌装有凸轮滚子，所述凸轮滚子通过推杆与对应位置上的撑爪连接板固联，所述撑爪与撑爪连接板由撑爪万向结相连接。设置双面凸轮的凸轮槽为异形曲线沟槽，所述异形曲线沟槽是由各复合槽道段沿圆周均勻分布，所述各复合槽道段是由顶部圆弧槽道a、下降槽道b、底部圆弧槽道c和上升槽道d依次连接构成；所述顶部圆弧槽道a的圆周角α为(1^)°，所述下降槽道b、底部圆弧槽道c和上升槽道d的圆周角β均为(f ；所述η为凸轮滚子的个数。所述导向滚轮的结构设置为所述导向滚轮沿中心轴线铰接于滚轮支架上，所述滚轮支架是设置在导向滚轮与第一圆筒壳体之间的轴向可弹性伸缩结构。所述中间轴向进给单元的结构设置为所述中间轴向进给单元中的前节段的结构设置为第二直流减速电机固定安装在前节段圆筒支架上，所述第二直流减速电机的输出轴通过第二联轴器与第二传动轴相联； 第二传动轴通过双联角接触球轴承支承于前节段圆筒支架上；固联在第二传动轴上的中心主轴为圆筒状，所述中心主轴的圆筒外表面带有一拨指，所述拨指为圆柱形，拨指以间隙配合套装在拨指座上并可绕拨指座转动；所述拨指座的另一端固结于中心主轴的圆筒外表面上；所述中间轴向进给单元中的后节段的结构设置为与所述中心主轴同轴设置一筒体，所述筒体的内侧壁上有沿筒体圆周设置的一呈闭环的椭圆槽，拨指是以所述椭圆槽为滑动轨道；在所述筒体的外周设置后节段圆筒支架，在所述前节段圆筒支架与后节段圆筒支架之间设置有轴向导向结构；所述轴向导向结构是在所述前节段圆筒支架的端面上沿中心主轴的轴向固定设置有导向杆，在后节段圆筒支架的对应位置上固定设置有导向筒，导向杆与导向筒为滑动配合。所述筒体一复合套筒，是由同心设置的内筒和外筒组成，内筒是由左右两个半筒构成，所述筒体的内侧壁上的椭圆槽是形成在左右两个半筒之间的椭圆曲线通槽，外筒套装在内筒的外部。所述的仿生蠕动式管道行走机构的控制方法，其特征是按如下步骤进行在所述前体节径向支撑单元和后体节径向支撑单元中，是以第一直流减速电机同轴驱动各自双面凸轮；在所述中间轴向进给单元中，是以第二直流减速电机同轴驱动中心主轴；按照所述前体节径向支撑单元、后体节径向支撑单元与中间轴向进给单元的不同运动状态，将所述仿生蠕动式管道行走机构在管内向左蠕动行走一个步距的时间设定为一个动作周期T，在一个动作周期T中按如下步骤控制I、起始状态前体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态，中间轴向进给单元处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态；II、在0 T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转γ ；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机停止旋转；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f Y，达到τ/6的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态，中间轴向进给单元处于最大伸长状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最小缩回状态；III、在T/6 2T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机勻速旋转180° ；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f Y，达到2T/6处的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态，中间轴向进给单元处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最小缩回状态；IV、在2T/6 3T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转$ ；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机停止旋转；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f Y，达到3T/6处的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态，中间轴向进给单元处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态；V、在3T/6 4T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转(f ；中间轴向进给单元中的第二直流减速电机停止旋转；后体节径向支撑单元中的第一直流减速电机勻速旋转(f Y，达到4T/6处的状态为前体节径向支撑单元的撑爪处于最小缩回状态，中间轴向进给单元处于最小缩短状态，后体节径向支撑单元的撑爪处于最大撑起状态；VI、在4T/6 5T/6的时间段中前体节径向支撑单元中第一直流减速电机勻速旋转；中间轴向进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，张丹，曹会彬，孙玉香，朱旻，冯勇，葛运建，宋全军，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：