本發(fā)明屬于機器人技術領域，涉及用于管道檢修、維護的機器人，更具體地說，涉及一種自適應式管內機器人及其管徑自適應、斷電保護和爬行方法。

背景技術：

在一般工業(yè)、核設施、石油天然氣、軍事裝備等領域中，管道作為一種有效的物料輸送手段而得到廣泛的應用。常年的應用使得管道的腐蝕和堵塞等情況越來越嚴重，這極易引起輸送效率低下及管道損壞等各種危險，為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發(fā)生，就必須對管道進行有效的檢測維護，管道機器人為滿足該需要而產生。

管道機器人是一種可沿管道內部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)。它屬于特種作業(yè)機器人，其獨特的行進和行動的方式方法為當今的管道內作業(yè)提供了較為先進和有創(chuàng)新性應用的選擇。隨著現代應用領域的拓寬，也隨著現代制造技術水平提高，各個領域的應用都日益增多，由于管道作業(yè)環(huán)境的特殊性，有很多不能人工完成的作業(yè)，因此管道機器人將會成為重要的作業(yè)工具。

目前管道內機器人存在以下問題：1、負載較小，由于工作方式的局限性，其負載較小，不能大負載情況下的操作；2、模式單一，機器人只能設定一種運行模式，不能根據外界環(huán)境、負載情況、運行速度情況，來更改運行模式，使得機器人的運用具有局限性；3、意外斷電安全性差，對于意外斷電發(fā)生時，機器人會出現打滑或者墜落，造成機器人及管道的損壞，其安全性不足。

例如，中國專利申請?zhí)枮椋?01610425656.7，公開日為：2016年10月12日的專利文獻，公開了一種氣動式管道機器人，包括伸縮模塊和與伸縮模塊連接的支撐模塊；伸縮模塊主要由驅動氣缸和與驅動氣缸連接的關節(jié)軸承構成，利用驅動氣缸的伸縮來實現機器人的蠕動式行走，支撐模塊由支撐氣缸組產生推力，使機器人的支撐塊與管壁壓緊，支撐模塊通過關節(jié)軸承中的球面副相對于伸縮模塊可以繞動一個空間角度θ，并通過控制電磁閥的通斷電時間實現有級調速功能。該機器人的“腳”即支撐桿可以通過添加不同長度的“加長腳”來改變“腳”的長度，以適應不同內徑的管道，但是它的運行模式較為單一，采用氣缸驅動的模式，其本身即需要氣源，增加機器人本身重量，其負載能力較弱；如果出現意外漏氣情況，機會發(fā)生墜落，安全性較低。

例如，中國專利申請?zhí)枮椋?01610812069.3，公開日為：2016年12月21日的專利文獻，公開了一種管道機器人，包括機器人主體，該機器人主體上設置有用于在管道內工作的工作臺，該管道機器人還包括設置在管道機器人主體上的車輪、與車輪連接的直角輪軸、設置直角輪軸與管道機器人主體之間的旋轉機構，該直角輪軸包括相互垂直的第一輪軸和第二輪軸，該第一輪軸與旋轉機構鏈接。該管道機器人根據管道為空心圓柱的特點，采用平設車輪，貼近管道最遠的兩端，實現穩(wěn)定移動，同時通過旋轉機構控制管道機器人在管道內轉動，在管道彎折處還能穩(wěn)定移動，但是其承載能力較弱，運行模式單一，也沒有斷電保護功能。

因此，如何對現有的管道機器人進行改進，使其根據一方面能夠適應管徑，另一方面可根據不同的外界環(huán)境，調整運行模式，且具有斷電保護功能，是本領域技術人員亟待解決的一個問題。

技術實現要素：

1、要解決的問題

本發(fā)明提供一種自適應式管內機器人，其目的在于解決現有管道機器人難以或不能很好適應管道直徑變化的問題。本發(fā)明的機器人還進一步改進，具有斷電保護功能，可防止機器人在管道壁上打滑或者墜落；另外，它可根據外不同的使用環(huán)境，具有滾動爬升模式和交替爬升模式兩種運動模式可選。本發(fā)明還提供了該機器人的管徑自適應、斷電保護和爬行方法，分別能夠完成機器人的管道直徑適應、斷電時的自我保護，以及爬行功能的實現。

2、技術方案

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術方案。

一種自適應式管內機器人，包括機身、爬升機構和爬升調節(jié)機構，所述爬升機構包括四個，分別由設置在機身四個拐角上的左上爬升機構、右上爬升機構、左下爬升機構和右下爬升機構組成；所述左上爬升機構和右上爬升機構之間、左下爬升機構和右下爬升機構之間各安裝一個所述的爬升調節(jié)機構，分別用于調節(jié)左上爬升機構和右上爬升機構，以及左下爬升機構和右下爬升機構相對機身的轉動，以適應不同的管道直徑。

作為進一步改進，所述的爬升調節(jié)機構包括調節(jié)螺母、調節(jié)絲杠、電機板和調節(jié)電機；所述調節(jié)螺母通過萬向鉸安裝在一個爬升機構上，電機板通過萬向鉸鏈安裝在另一個爬升機構上，調節(jié)電機安裝在電機板上；所述調節(jié)電機連接調節(jié)絲杠，調節(jié)絲杠與調節(jié)螺母傳動連接。

作為進一步改進，所述爬升調節(jié)機構還包括傳感器，傳感器用于檢測調節(jié)絲杠的推力，并將檢測信號傳遞給控制系統(tǒng)，以對機器人進行控制。

作為進一步改進，所述爬升機構包括擺桿、繩索、驅動輪和驅動電機；所述的擺桿的一端連接機身，并安裝導向輪，擺桿的另一端連接有滾輪和卷繩輪，擺桿通過擺臂電機驅動；所述驅動輪設置在機身上，并通過驅動電機驅動；所述繩索依次繞過卷繩輪、導向輪和驅動輪。

作為進一步改進，所述驅動電機通過電磁離合器與驅動輪傳動連接。

作為進一步改進，所述機身主要由上機身和下機身組成，左上爬升機構和右上爬升機構位于上機身上，左下爬升機構和右下爬升機構位于下機身上；所述上機身和下機身之間通過絲杠螺母副連接，并通過升降電機驅動。

一種自適應式管內機器人的管徑自適應方法，其操作步驟為：爬升調節(jié)機構運行，調節(jié)電機動作，驅動調節(jié)絲杠轉動，通過調節(jié)螺母，推動左上爬升機構的擺桿和右上爬升機構的擺桿之間的夾角增大或減小、左下爬升機構的擺桿和右下爬升機構的擺桿之間的夾角增大或減小，使爬升機構的滾輪始終壓緊管道內表面；通過傳感器檢測調節(jié)絲杠的反轉力，并將信號傳動給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制調節(jié)電機的旋轉扭矩，調整滾輪對管壁的壓緊力。

一種自適應式管內機器人的斷電保護方法，其操作步驟為：斷電時，電磁離合器失電鎖止，驅動輪被鎖住停止轉動，進而通過繩索鎖住滾輪，從而機器人附著于管壁上，處于靜止狀態(tài)。

一種自適應式管內機器人的爬行方法，其操作步驟為：首先，通過調節(jié)爬升調節(jié)機構使四個爬升機構的滾輪貼緊管壁；然后，爬升機構的驅動電機動作，帶動驅動輪轉動，通過繩索經導向輪傳遞至卷繩輪，卷繩輪帶動滾輪轉動，從而四個爬升機構的滾輪同時轉動，完成機器人在管道中沿管壁的爬行。

一種自適應式管內機器人的爬行方法，其操作步驟為：首先，通過調節(jié)爬升調節(jié)機構使使上機身上左上爬升機構和右上爬升機構的滾輪壓緊管壁，下機身上左下爬升機構和右下爬升機構的滾輪松開對管壁的壓緊；然后，升降電機動作，驅動絲杠螺母副，下機身相對上機身運動，上升或下降一段距離，此時機器人爬升半個行程；接著，下機身上左下爬升機構和右下爬升機構的滾輪壓緊管壁，上機身上左上爬升機構和右上爬升機構的滾輪松開對管壁的壓緊；接著，升降電機再次動作，上機身相對下機身運動，上升或下降一段距離；最后，重復上述步驟，上機身和下機身交替動作，完成機器人的爬行。

3、有益效果

相比于現有技術，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明自適應式管內機器人，通過爬升調節(jié)機構可以調整左上和右上爬升機構，以及左下和右下爬升結構相對機身的轉動，從而調整機器人四個爬升機構的支撐寬度，以適應不同直徑的管道攀爬，以保證機器人始終能夠有效地緊貼在管道內壁，防止機器人在運行過程中發(fā)生打滑或墜落，提高了機器人運行的安全性和可靠性；

(2)本發(fā)明自適應式管內機器人，爬升調節(jié)機構采用電機驅動絲杠螺母副的結構形式，可同時增大或減小兩個爬升機構之間的夾角，從而適應管道直徑變化，結構簡單，有利于降低機器人自重；

(3)本發(fā)明自適應式管內機器人，爬升調節(jié)機構采用傳感器檢測調節(jié)絲杠的推力，并將檢測信號傳遞給控制系統(tǒng)，從而可實時了解機器人與管道內壁的接觸力，并通過控制系統(tǒng)實時調整調節(jié)電機的驅動力，保證了機器人穩(wěn)定地、可靠地、連續(xù)地適應管道直徑的變化，保證機器人工作的安全性和可靠性；

(4)本發(fā)明自適應式管內機器人，爬升機構采用驅動電機帶動驅動輪，并通過繩索驅動卷繩輪，進而帶動滾輪的形式實現滾輪在管壁上的滾動，結構簡單，有利于降低整機重量，導向輪能夠適應擺桿的角度變化，而且爬升機構的此種結構形式，是為了配合爬升調節(jié)機構的功能進行優(yōu)化設計得到，他們之間配合才能有效的實現爬行、適應管徑等一系列操作，當然，其也是機器人能夠實現斷電保護的基礎；

(5)本發(fā)明自適應式管內機器人，爬升機構中驅動電機通過電磁離合器與驅動輪傳動連接，在意外斷電情況下，啟動斷電自保護模式，電磁離合器可鎖止驅動輪，避免其轉動，從而可防止機器人因重力作用而產生滑動或下墜，提高機器人的安全性；

(6)本發(fā)明自適應式管內機器人，采用有滾動爬升式和交替爬升式兩種運動模式，當管道軸線呈水平或者與水平線夾角較小時，選擇滾動爬升式運動模式，該模式能夠實現快速運行；當管道軸線與水平線夾角較大或者負載較大時，為了防止機器人與管道內壁的打滑，保證機器人運行的安全性，選擇交替爬升式運動模式，該模式能承載較大負載；從而使得本發(fā)明機器人能夠根據不同的運行環(huán)境和運行需求，來選擇不同的運行模式，提高了機器人的適應性和應用范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明自適應式管內機器人在管道內的爬升狀態(tài)結構示意圖；

圖2為本發(fā)明自適應式管內機器人的爬行機構示意圖；

圖3為圖2中m-m的剖視示意圖；

圖4為圖2中n-n的剖視示意圖；

圖5為圖2中p-p的剖視示意圖。

附圖中的標號分別表示為：

1、上機身；2下機身；3、絲杠螺母副；4、升降電機；5、爬升機構；5-1、左上爬升機構；5-2、右上爬升機構；5-3、左下爬升機構；5-4、右下爬升機構；501、滾輪；502、卷繩輪；503、擺桿；504、繩索；505、導向輪；506、擺臂電機；507、驅動輪；508、驅動電機；509、電磁離合器；6、爬升調節(jié)機構；601、萬向鉸；602、調節(jié)絲杠；603、電機板；604、調節(jié)電機；605、傳感器。

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明進一步進行描述。

實施例1

如圖1所示，本實施例一種自適應式管內機器人，主要由機身、爬升機構5和爬升調節(jié)機構6組成；其中，爬升機構5用于支撐機身，并實現機器人在管道內的爬行，爬升調節(jié)機構6可以調節(jié)爬升機構5的支撐寬度，從而時機器人能夠適應不同直徑的管道爬行。下面對各部分進行詳細說明。

結合圖1和圖2所示，爬升機構5具有四個分別設置在機身的機構拐角處，它們分別是左上爬升機構5-1、右上爬升機構5-2、左下爬升機構5-3和右下爬升機構5-4，它們的結構相同，左上爬升機構5-1和右上爬升機構5-2之間、左下爬升機構5-3和右下爬升機構5-4之間各安裝一個所述的爬升調節(jié)機構6，分別用于調節(jié)左上爬升機構5-1和右上爬升機構5-2，以及左下爬升機構5-3和右下爬升機構5-4相對機身的轉動，以適應不同的管道直徑。傳統(tǒng)的管道機器人都是在支撐腳上安裝滾輪，然后用電機直接驅動，實現滾輪沿管壁的滾動，但是本發(fā)明的爬升機構5不僅要實現爬行功能，而且還需要配合爬升調節(jié)機構6實現對管道直徑的適應，而鑒于后續(xù)對爬升調節(jié)機構6的結構設計，因此，本實施例摒棄傳統(tǒng)的結構形式，對爬升機構5的結構進行優(yōu)化設計。具體地，如圖2、圖3、圖4和圖5所示，爬升機構5包括滾輪501、卷繩輪502、擺桿503、繩索504、驅動輪507和驅動電機508；其中，擺桿503的一端連接機身，并安裝導向輪505，此端安裝擺臂電機506，通過擺臂電機506可驅動擺桿503轉動，擺桿503的另一端連接有滾輪501和卷繩輪502，滾輪501和卷繩輪502固連在一起；驅動輪507設置在機身上，連接驅動電機508，驅動輪507通過驅動電機508驅動轉動；繩索504依次繞過卷繩輪502、導向輪505和驅動輪507。

爬升機構5采用驅動電機508帶動驅動輪507，并通過繩索504驅動卷繩輪502，進而帶動滾輪501的形式實現滾輪501在管壁上的滾動，結構簡單，有利于降低整機重量，導向輪505能夠適應擺桿503的角度變化，而且爬升機構5的此種結構形式，是為了配合爬升調節(jié)機構的功能進行優(yōu)化設計得到，他們之間配合才能有效的實現爬行、適應管徑等一系列操作，當然，其也是后續(xù)機器人能夠實現斷電保護的基礎。

結合圖1所示，每個爬升調節(jié)機構6包括調節(jié)螺母、調節(jié)絲杠602、電機板603和調節(jié)電機604；其中，調節(jié)螺母通過萬向鉸601安裝在一個爬升機構5上，電機板603通過萬向鉸鏈安裝在另一個爬升機構5上，調節(jié)電機604安裝在電機板603上；調節(jié)電機604連接調節(jié)絲杠602，調節(jié)絲杠602與調節(jié)螺母傳動連接。爬升調節(jié)機構6采用電機驅動絲杠螺母副的結構形式，可同時增大或減小兩個爬升機構5之間的夾角，從而適應管道直徑變化，結構簡單，有利于降低機器人自重。

由于管道的直徑變化一般是連續(xù)的，而對于機器人在管道中運動是，其需要對管道的變化實時了解，并能夠快速的做出調整反應，而上述爬升調節(jié)機構6的結構雖然能夠適應管徑的變化，但如何動態(tài)的了解管徑變化和實時調整還無法達到。因此，在本實施例中，爬升調節(jié)機構6中設置了傳感器605，可實時檢測調節(jié)絲杠602的推力，并將扭力信號傳遞給控制系統(tǒng)，以便控制系統(tǒng)控制調節(jié)電機604的驅動力，從而保證了機器人穩(wěn)定地、可靠地、連續(xù)地適應管道直徑的變化，保證機器人工作的安全性和可靠性。傳感器605的安裝形式現有技術中有多種，只要能夠完成調節(jié)絲杠602的推力檢測即可，例如，可將傳感器605安裝在電機板603和調節(jié)電機604之間，調節(jié)絲杠602對調節(jié)電機604的反作用力即可傳遞到傳感器605，也就是調節(jié)絲杠602的推力。

實施例2

本實施例一種自適應式管內機器人的管徑自適應方法，采用實施例1的自適應式管內機器人，可以適應不同的管道直徑，其操作步驟為：爬升調節(jié)機構6運行，調節(jié)電機604動作，驅動調節(jié)絲杠602轉動，通過調節(jié)螺母，推動左上爬升機構5-1的擺桿503和右上爬升機構5-2的擺桿503之間的夾角增大或減小、左下爬升機構5-3的擺桿503和右下爬升機構5-4的擺桿503之間的夾角增大或減小，使爬升機構5的滾輪501始終壓緊管道內表面；在此過程中，通過傳感器605檢測調節(jié)絲杠602的推力，并將信號傳動給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制調節(jié)電機604的旋轉扭矩，從而達到實時調控滾輪501對管壁的壓緊力。

本實施例的機器人管徑自適應模式，在機器人爬升的過程中，能夠實時調整機器人與管道內壁的接觸力，以保證機器人始終能夠有效地緊貼在管道內壁，防止機器人在運行過程中發(fā)生打滑或墜落，提高了機器人運行的安全性和可靠性。

本方法中，在爬升調節(jié)機構6驅動擺桿503轉動過程中，擺臂電機506可一起動作，同時驅動擺桿503，從而增大驅動力；并且在滾輪501壓緊管壁時，擺臂電機506可繼續(xù)保持對擺桿503驅動力，如果傳感器605意外發(fā)生故障時，避免機器人打滑或墜落，起到二次保障的作用。

實施例3

本實施例一種自適應式管內機器人的斷電保護方法，在意外斷電情況下，可對機器人進行鎖止，防止機器人因重力作用而產生下墜或滑動，提高機器人的作業(yè)安全性。

該自適應式管內機器人的結構與實施例1基本相同，所不同之處在于：驅動電機508通過電磁離合器509與驅動輪507傳動連接，電磁離合器509采用電磁超越離合器，其在通電狀態(tài)下內外圈超越，斷電狀態(tài)下內外圈鎖止，電磁離合器509在現有技術中已經比較成熟，此處不再詳細敘述其結構；同時，爬升調節(jié)機構6中調節(jié)絲杠602和調節(jié)螺母采用梯形螺紋配合，具有自鎖功能。

該斷電保護方法的步驟為：當發(fā)生斷電時，電磁離合器509失電，其內外圈鎖止，迫使驅動輪507被鎖住停止轉動，進而通過繩索504鎖住卷繩輪502，則滾輪501停止轉動，從而機器人附著于管壁上，處于靜止狀態(tài)。

在此斷電保護模式下，各電機均失電，爬升調節(jié)機構6的調節(jié)絲杠602與調節(jié)螺母之間因采用梯形螺紋配合自鎖，斷電后調節(jié)電機604不會反轉，爬升機構5的擺桿503不會擺動，在配合電磁離合器509的鎖止功能，從而可有效保證機器人穩(wěn)定支撐在管壁上。

實施例4

本實施例一種自適應式管內機器人的爬行方法，采用實施例3中的自適應式管內機器人，可以實現機器人在管道內的爬行。具體步驟如下：

首先，爬升調節(jié)機構6運行，調節(jié)電機604動作，驅動調節(jié)絲杠602轉動，通過調節(jié)螺母，推動左上爬升機構5-1的擺桿503和右上爬升機構5-2的擺桿503之間的相對轉動、左下爬升機構5-3的擺桿503和右下爬升機構5-4的擺桿503之間的相對轉動，使爬升機構5的滾輪501始終壓緊管道內表面；然后，爬升機構5的驅動電機508動作，帶動驅動輪507轉動，通過繩索504經導向輪505傳遞至卷繩輪502，卷繩輪502帶動滾輪501轉動，從而四個爬升機構5的滾輪501同時轉動，完成機器人在管道中沿管壁的爬行。

此種滾動爬升模式，當管道軸線呈水平或者與水平線夾角較小時選擇，該模式能夠實現快速運行，而當管道軸線與水平線夾角較大且負載較小時，也可以選擇此滾動爬行模式。

實施例5

本實施例一種自適應式管內機器人的爬行方法，可實現機器人在管道內的爬行，其結構形式與實施例3的自適應式管內機器人結構基本相同，不同之處在于：機身主要由上機身1和下機身2組成，左上爬升機構5-1和右上爬升機構5-2位于上機身1上，左下爬升機構5-3和右下爬升機構5-4位于下機身2上；所述上機身1和下機身2之間通過絲杠螺母副3連接，并通過升降電機4驅動。即上機身1上安裝螺母，升降電機4安裝在下機身2上，升降電機4連接絲杠，絲杠與螺母傳動連接，且采用梯形螺紋配合形式。

采用上述自適應式管內機器人實現爬行的具體步驟如下：

首先，爬升調節(jié)機構6運行，調節(jié)電機604動作，驅動調節(jié)絲杠602轉動，通過調節(jié)螺母，推動上機身1上左上爬升機構5-1的擺桿503和右上爬升機構5-2的擺桿503之間的相對轉動，使爬升機構5的滾輪501始終壓緊管道內表面，而下機身2上左下爬升機構5-3和右下爬升機構5-4的滾輪501松開對管壁的壓緊；在此步驟時，同時使左上爬升機構5-1和右上爬升機構5-2的電磁離合器509失電鎖止；然后，升降電機4動作，驅動絲杠螺母副3，下機身2相對上機身1運動，上升或下降一段距離，此時機器人爬升半個行程；接著，下機身2上左下爬升機構5-3和右下爬升機構5-4的滾輪501壓緊管壁，上機身1上左上爬升機構5-1和右上爬升機構5-2的滾輪501松開對管壁的壓緊；且左下爬升機構5-3和右下爬升機構5-4的電磁離合器509失電鎖止，；接著，升降電機4再次動作，上機身1相對下機身2運動，上升或下降一段距離；最后，重復上述步驟，上機身1和下機身2交替動作，完成機器人的爬行。

當管道軸線與水平線夾角較大或者負載較大時，為了防止機器人與管道內壁的打滑，保證機器人運行的安全性，選擇此種交替爬行模式。由于該模式是利用上機身1和下機身2交替地與管道內壁接觸，利用靜摩擦力來實行爬升，故該模式能承載較大負載，但爬升速度較慢。

本發(fā)明所述實例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明構思和范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設計思想的前提下，本領域工程技術人員對本發(fā)明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明的保護范圍。