一种管道外壁爬行机器人及其驱动方法

1.本发明属于管道爬行机器人领域，具体涉及一种管道外壁爬行机器人及其驱动方法。

背景技术：

2.管道运输在石油化工、水/电运输系统和热交换网络等工业环境有广泛的应用。与铁路、公路、航空、船运等传统运输方式相比，管道运输的成本要小很多，且具有运量大、占地少、建设周期短、运输连续性强等优点。管道的定期维护保养是保证和延长使用寿命的重要基础。目前，大多数管道的定期安全检查和维护都是由人工完成的。这相当耗时，且在某些危险环境下容易发生安全事故。因此，使用管道攀爬机器人代替人工已成为管道维护领域的主流趋势。3.现有的管道攀爬机器人根据运动原理可分为履带式、机械腿式、仿生尺蠖式等。但大多数管道攀爬机器人都是基于刚性结构，由电机驱动。这种结构具有多自由度运动，控制精确等优点，但由于刚性结构较为笨重，会限制自身的发展。且由于刚性结构，对复杂管道的适应性较差，限制了应用范围。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种管道爬行机器人及其驱动方法，采用柔性装置作为机器人的离合器，可高效、精确控制爬行机器人的位姿，实现在复杂管道外壁的爬行功能。5.本发明一种管道外壁爬行机器人，包括波纹伸缩管、内拉线调节组件、外拉线调节组件、柔性夹爪和两个框架。两个柔性夹爪分别安装在两个框架的同一侧，能够抱紧或松开被爬行的管道外壁。所述的内拉线调节组件、外拉线调节组件各自安装在框架上。波纹伸缩管的两端与两个框架的相对端中心位置分别固定。波纹伸缩管和两个柔性夹爪能够独立动作。6.所述的内拉线调节组件与外拉线调节组件结构相同，均包括两个相同的调节单元。两个调节单元安装在同一个框架上，或分别安装在两个框架上。调节单元包括拉线、定滑轮、滑轨、滑块、弹簧和柔性离合装置。滑轨固定在对应的框架上。滑块滑动连接在滑轨上。柔性离合装置与滑轨对齐，能够自动挤压或松开滑块。定滑轮支承在对应的框架的一侧。拉线的一端与对应框架远离定滑轮的一侧通过弹簧连接。拉线的另一端绕过定滑轮后与非对应的框架固定。拉线与滑块固定。内拉线调节组件的两个拉线连接两个框架靠近柔性夹爪一侧；外拉线调节组件连接两个框架远离柔性夹爪一侧。7.作为优选，所述的柔性离合装置包括柔性波纹管、阻挡板、软体液囊、存储壳、导气管和压力提供单元。柔性波纹管能够沿厚度方向伸缩变形。柔性波纹管远离滑块的侧面与对应的框架固定。阻挡板、软体液囊和存储壳均位于柔性波纹管内。存储壳设置在柔性波纹管内。所述存储壳远离滑块的侧面与柔性波纹管的内壁固定。存储壳朝向滑块的侧面开设有安装槽。软体液囊设置在安装槽内。阻挡板固定在存储壳的安装槽开口处，将软体液囊限制在安装槽内。阻挡板上开设有一个或多个与安装槽连通的膨胀让位孔道。当软体液囊的内部加压时，其从各膨胀让位孔道中伸出，推动柔性波纹管的厚度增大至挤压滑块的状态。软体液囊的内腔通过导气管连接至压力提供单元。8.作为优选，所述的柔性波纹管垂直于伸缩方向的两侧面均为硬质板体。9.作为优选，所述的压力提供单元安装在对应的框架上；压力提供单元包括正电极、储液囊体和负电极。正电极、负电极与储液囊体的两侧面中心部位分别固定。储液囊体与软体液囊的内部均充满液体电介质。正电极和负电极连接至电源模块。10.作为优选，所述的柔性夹爪包括相对设置的两根柔性触手。两根柔性触手的内端均与对应的框架固定。两根柔性触手的外端能够弯曲至相互靠近的状态，用以夹住管道。11.作为优选，同一柔性夹爪的两根柔性触手的相背侧面设置有沿长度方向依次排列多个膨胀腔室；各膨胀腔室均与柔性触手的内腔主体连通。12.作为优选，所述柔性触手通过内部加压的方式进行弯曲。两根柔性触手的相对侧面设置有限制层。呈长条形的限制层上开设有一个或多个膨胀摩擦孔；当柔性触手内加压到预设程度时，柔性触手的内侧面部分位置膨胀至伸出膨胀摩擦孔的状态，增大柔性夹爪与管道之间的摩擦力。13.该管道外壁爬行机器人的驱动方法包括竖直管道爬行方法、弯曲管道爬行方法和水平管道爬行。当柔性离合装置与对应的滑块时，对应的拉线处于自由状态；当柔性离合装置挤压对应的滑块时，对应的拉线处于受限状态。14.所述的竖直管道爬行方法如下：15.所有拉线均处于自由状态。波纹伸缩管不断重复伸长和缩短的动作；波纹伸缩管伸长的过程中，位于后侧的框架上的柔性夹爪夹紧管道，另一个柔性夹爪松开管道，使得后侧的框架推动前侧的框架前进。波纹伸缩管缩短的过程中，位于前侧的框架上的柔性夹爪夹紧管道，另一个柔性夹爪松开管道，使得前侧的框架拉动后侧的框架前进。以此实现机器人在竖直管道的持续前进。16.所述的弯曲管道爬行方法如下：17.当机器人遇到管道弯折处时，若管道弯折向靠近机器人的一侧，则远离管道的拉线进入受限状态。若管道弯折向远离机器人的一侧，则靠近管道的拉线进入受限状态。18.波纹伸缩管不断重复伸长和缩短的动作；波纹伸缩管伸长的过程中，位于后侧的框架上的柔性夹爪夹紧管道，另一个柔性夹爪松开管道，使得后侧的框架推动前侧的框架前进，并在受限状态的拉线作用下转向，沿着管道弯折方向前进。波纹伸缩管缩短的过程中，位于前侧的框架上的柔性夹爪夹紧管道，另一个柔性夹爪松开管道，使得前侧的框架拉动后侧的框架前进。以此循环，直到机器人通过管道的弯折处。19.所述的非竖直管道爬行方法如下：20.波纹伸缩管不断重复伸长和缩短的动作。21.波纹伸缩管伸长的过程中，位于后侧的框架上的柔性夹爪夹紧管道，另一个柔性夹爪松开管道，此时，控制靠近管道的两根拉线进入受限状态，远离管道的两根拉线处于自由状态。波纹伸缩管对前侧的框架的推力大于四根弹簧的对拉线的拉力与各滑块受到的摩擦力之和，推动前侧的框架克服内拉线调节组件的锁止，向前移动。靠近管道的两根拉线对应的滑块被挤压，受到与滑动方向相反的摩擦力与弹簧弹力的合力；远离管道的两根拉线仅受到弹簧弹力；靠近管道的两根拉线对前侧的框架的拉力大于远离管道的两根拉线对前侧的框架的拉力；波纹伸缩管的推力和位于波纹伸缩管上方的两根拉线的拉力，使得前侧的框架产生向上弯曲的趋势，抵消重力对应前侧的框架的影响，使得前侧的框架保持在贴合上方的管道的姿态。22.波纹伸缩管缩短的过程中，位于前侧的框架上的柔性夹爪夹紧管道，另一个柔性夹爪松开管道，此时，控制远离管道的两根拉线进入受限状态，靠近管道的两根拉线处于自由状态。波纹伸缩管对后侧的框架的推力减小至小于各拉线对后侧的框架的拉力，拉线拉动后侧的框架向前移动。此时，由于远离管道的两根拉线进入受限状态且两个框架的间距减小，故该两根拉线松弛；后侧的框架受到波纹伸缩管的推力和靠近管道的两根拉线的拉力，使得后侧的框架产生向上弯曲的趋势，抵消重力对应后侧的框架的影响，后侧的框架保持在贴合上方的管道的姿态。23.本发明具有的有益效果是：24.1、本发明提供了一种新型的离合装置，采用刚柔耦合的方式，通过硅胶制软体液囊膨胀变形来改变柔性波纹管与滑块之间的压力，进而改变滑块的滑动摩擦力，达到离合器的效果。相较于传统离合器，本发明提出的新型离合装置具有安全性高、结构简单，控制方便等显著优点，从而使得管道外壁爬行机器人能够适应更为路径复杂的管道。25.2、本发明通过在柔性夹爪的内侧设置限制层，并在限制层上开孔的方式，使得柔性夹爪充压时内侧自然形成用于增大摩擦力的凸点，从而使得机器人能够更加稳固地抱紧管道。26.3、本发明采用刚柔耦合的结构，可实现竖直管道、弯曲管道、水平管道等多种复杂管道的爬行功能，无需电机驱动，结构轻便，灵活度高。附图说明27.图1是本发明的整体结构示意图。28.图2是本发明中后框架的内部结构示意图。29.图3是本发明中柔性离合装置的示意图。30.图4是本发明中柔性离合装置的爆炸示意图。31.图5是本发明中柔性离合装置的工作原理图。32.图6是本发明中驱动单元的结构示意图。33.图7是本发明中驱动单元的驱动原理图。34.图8是本发明中柔性触手的结构示意图。35.图9是本发明在抱紧管道情况下的工作姿态示意图。36.图10是本发明在竖直管道上爬行的示意图。37.图11是本发明在管道弯折处上爬行的示意图。38.图12是本发明在非竖直管道上爬行示意图。具体实施方式39.以下结合附图对本发明作进一步说明。40.如图1所示，一种管道外壁爬行机器人，包括后框架5、波纹伸缩管2、内拉线调节组8-8与软体液囊1-8-3的内部均充满液体电介质，电介质材料为植物变压器油。正电极、负电极在控制器的控制下输入不同大小的电压，相互之间产生吸力，不同程度地将储液囊体中的液体电介质挤压到软体液囊1-8-3中。49.内拉线调节组件中的两个定滑轮1-3位于后框架5-3靠近柔性夹爪4的一侧。外拉线调节组件中的两个定滑轮1-3位于后框架5-3远离柔性夹爪4的一侧，即内拉线调节组件调节靠近后框架5-3一侧的两根拉线的拉动力量；外拉线调节组件分别调节远离后框架5-3一侧的两根拉线的拉动力量；50.如图8和9所示，柔性夹爪4包括相对设置的两根柔性触手4-1。柔性触手4-1采用硅胶材料制成。两根柔性触手4-1的内端间隔设置在前框架3或后框架5内侧的左右两侧边缘。柔性触手4-1呈长条形。两根柔性触手4-1的相背侧面设置有沿长度方向依次排列多个膨胀腔室；各膨胀腔室均与柔性触手4-1的内腔主体连通；51.两根柔性触手4-1的相对侧面设置有限制层4-2。呈长条形的限制层4-2上开设有等距相等的多个膨胀摩擦孔4-3；限制层采用易弯曲且不易发生弹性形变的材料制成，具体为塑料。当无外接流体输入时，柔性触手呈直线型。当外部驱动单元向柔性触手提供一定压力的流体时，由于内外两侧表面积不同，柔性触手会向内侧弯曲，使之紧贴管道外壁。当继续给柔性触手施加液压时，柔性触手中的柔性触手会沿着限制层上的膨胀摩擦孔4-3向外凸起，使硅胶凸起与管道外壁充分接触，增大柔性触手与管道外壁的摩擦力。52.如图5的a部分所示，对于柔性离合装置1-8，在储液囊体1-8-8未加压时，柔性波纹管下端面与滑块1间存有间隙，当拉线拖动滑块向右移动时，由于只受弹簧弹力的反作用，拉线的紧张程度较低，只需用较低的力即可拉动滑块滑动。如图5的b部分所示，当有外部液压输入时，软体液囊发生膨胀，原本平整的软体液囊下表面会从阻挡板上的圆孔中凸起一部分，使得柔性波纹管下表面与滑块顶面接触且接触面产生挤压。滑块所受正压力增大，滑动摩擦力与最大静摩擦力也增大，滑块在相同的拉力作用下更难滑动，从而改变拉线的受限状态，此时，需要更大的力才能使滑块滑动。柔性波纹管下表面与滑块上端面间的动摩擦因数远远大于滑块与导轨之间的当量动摩擦因数，因此需要更大的力才能使滑块滑动。53.前框架3上安装有电源模块。电源模块共有四个高压输出接口，分别为四个压力提供单元1-8-6提供工作电压。通过对压力提供单元1-8-6的正电极与负电极上施加电压，能够使得液体电介质内感应出电场，进而使正负电极之间产生相互吸引的静电麦克斯韦应力；正负电极在吸引力的作用下挤压储液囊体中心部分，使得储液囊体内部的电介质液体被挤出。被挤出的电介质液体进入柔性离合装置中，实现滑块的离合控制作用。54.如图10、11和12所示，本发明一种管道爬行机器人可实现竖直管道爬行、弯曲管道爬行和平行管道爬行。图中“+”表示柔性触手或波纹管处于压力输入状态，“‑”表示柔性触手或波纹管处于无外部输入状态。拉线有两种表达方式：实线表示与拉线对应的压力提供单元柔性波纹管与滑块接触并且挤压，即对应拉线处于受限状态；虚线表示与拉线对应的压力提供单元柔性波纹管与滑块处于分离状态，即对应拉线处于自由状态。具体驱动步骤如下。55.如图10所示，竖直管道爬行方法如下：56.步骤1、外接压力源向后框架5上的柔性夹爪4输入一定压力的流体(输入气体或液体)，使得后框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁。前框架柔性夹爪4呈自然伸直状态，波纹伸缩管处于无外部输入状态。四根拉线均处于自由状态(即滑块受到挤压，拉线仅受到弹簧拉力)。57.步骤2、外接压力源向波纹伸缩管2输出一定压力的流体，波纹伸缩管径向伸长，前框架在波纹伸缩管支撑下向上位移。四根拉线均处于自由状态。58.步骤3、外接压力源向前框架柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得前框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁，后框架柔性夹爪4呈自然伸直状态。外接压力源停止向波纹伸缩管供气，波纹管在自身弹性作用下竖直收缩，配合弹簧和拉线拽动后框架向上移动。59.如图11所示，弯曲管道爬行方法如下(以管道弯向靠近机器人主体的一侧为例，管道弯向远离机器人主体的一侧时，四根拉线的张紧松弛控制相反)：60.步骤1、当竖直爬行的机器人遇到弯曲的管道时，外接压力源向后框架5的柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得后框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁。前框架柔性夹爪4呈自然伸直状态，波纹伸缩管处于无外部输入状态。四根拉线均处于自由状态。61.步骤2、靠近管道的两根拉线处于自由状态，远离管道的两根拉线处于受限状态。外接压力源向波纹伸缩管2输出一定压力的流体，波纹伸缩管在远离管道的两根拉线约束下发生转动。62.步骤3、外接压力源向前框架柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得前框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁，后框架柔性夹爪4呈自然伸直状态。靠近管道的两根拉线处于自由状态，远离管道的两根拉线处于受限状态。外接压力源停止向波纹伸缩管功能，波纹管在自身弹性作用下竖直收缩，拽动后框架向上移动。63.如图12所示，非竖直管道爬行方法如下(本实施例以水平管道为示例进行说明)：64.步骤1、外接压力源向后框架柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得后框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁。前框架柔性夹爪4呈自然伸直状态，波纹伸缩管处于无外部输入状态。四根拉线均处于自由状态。65.步骤2、外接压力源向波纹伸缩管2输出一定压力的流体，波纹伸缩管推动前框架向前移动。由于重力作用，前框架会有向下运动的趋势。此时，使靠近管道的两根拉线处于受限状态，远离管道的两根拉线处于自由状态，可使得前框架与后框架保持在同一水平高度。波纹伸缩管2对前框架的推力大于四根弹簧的对拉线的拉力与各滑块受到的摩擦力之和，推动前框架克服内拉线调节组件的锁止，向前移动。66.此时，由于靠近管道的两根拉线对应的滑块被挤压，故其受到与滑动方向相反的摩擦力与弹簧弹力的合力；远离管道的两根拉线仅受到弹簧弹力；因此，靠近管道的两根拉线对前框架3的拉力大于远离管道的两根拉线对前框架3的拉力；波纹伸缩管的推力和位于波纹伸缩管上方的两根拉线的拉力，使得前框架3产生向上弯曲的趋势(该影响大于波纹伸缩管下方的两根拉线对前框架3产生的向下弯曲的趋势)，抵消重力对应前框架3的影响，前框架3保持在贴合上方的管道的姿态。67.步骤3、远离管道的两根拉线处于受限状态，靠近管道的两根拉线处于自由状态。外接压力源向前框架柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得前框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁，后框架柔性夹爪4呈自然伸直状态。68.外接压力源减小波纹伸缩管内的压力，使得波纹伸缩管对后框架5的推力小于各拉线对后框架5的拉力，拉线拉动后框架向前移动。此时，由于远离管道的两根拉线对应的滑块被锁止，且后框架5与前框架3的间距减小，故该两根拉线松弛；后框架5受到波纹伸缩管的推力和位于波纹伸缩管上方的两根拉线的拉力，使得后框架5产生向上弯曲的趋势，抵消重力对应后框架5的影响，后框架5保持在贴合上方的管道的姿态。