本發(fā)明涉及管道內(nèi)自動爬行機(jī)器人，具體指一種管道內(nèi)爬行機(jī)器人及其使用方法。

背景技術(shù)：

1、在石油、船舶、供水、供氣、電力等工業(yè)和生活領(lǐng)域中大量使用金屬或非金屬管道輸送各種介質(zhì)或為其中的物體提供保護(hù)，由于氧化、腐蝕、外力破壞等因素作用，管道內(nèi)部經(jīng)常會發(fā)生破損、堵塞甚至泄露。為觀察管道內(nèi)部情況或開展維修工作，需要穿過管道內(nèi)狹小的空間，將傳感器或執(zhí)行元件精準(zhǔn)傳遞至管道故障處。管道機(jī)器人以其優(yōu)異的通過性、靈活性和可控性而備受關(guān)注，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者開展了深入研究，并結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展不斷更新完善，部分成熟產(chǎn)品已應(yīng)用于工程實際，發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)有的管道爬行機(jī)器人根據(jù)爬行原理大體可分為輪式和蠕動式兩大類。

2、輪式管道爬行機(jī)器人利用驅(qū)動輪（或履帶）配合張緊機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)器人前進(jìn)，輪式驅(qū)動技術(shù)成熟，移動速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在管道中前進(jìn)和后退。但存在三個缺點：一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含原動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動輪、張緊機(jī)構(gòu)等，難以實現(xiàn)小型化；二是剛性結(jié)構(gòu)較多，越障能力和彎道通過性能較差；三是岔管部位通過性能差，難以可控地選擇岔管道徑。

3、蠕動式管道爬行機(jī)器人模仿昆蟲運(yùn)動，通常由前后兩個或多個張緊機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)間的距離調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。張緊機(jī)構(gòu)交替與管壁壓緊，配合張緊機(jī)構(gòu)之間距離的改變，實現(xiàn)在管道中蠕動爬行。蠕動式管道爬行機(jī)器人整體柔韌性較好，彎道通過性能較強(qiáng)。目前的蠕動式管道爬行機(jī)器人存在三個缺點：一是張緊機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，部分機(jī)器人的張緊機(jī)構(gòu)需要高壓空氣或電機(jī)驅(qū)動；二是張緊機(jī)構(gòu)數(shù)量偏少，越障能力和彎道通過性能較差；三是難以可控地選擇岔管道徑。

4、因此，市場上亟需一種管道內(nèi)爬行機(jī)器人來解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為克服上述背景技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種管道內(nèi)爬行機(jī)器人，其將伸縮動力模塊產(chǎn)生的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為裝置前進(jìn)的動力。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高。能夠發(fā)生自適應(yīng)形變，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和通過能力。依靠蛇骨管的導(dǎo)向作用，具有岔管部位路徑選擇的能力。

2、本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種管道內(nèi)爬行機(jī)器人，用于在管道內(nèi)爬行，包括伸縮動力模塊、后刷輥和前刷輥，所述后刷輥和前刷輥分別設(shè)置在伸縮動力模塊上；所述后刷輥和前刷輥均包括芯軸和支撐腿，所述支撐腿一端設(shè)置在芯軸上，所述支撐腿向芯軸的軸向傾斜，所述支撐腿另一端與管道緊靠；這樣，傾斜布置的支撐腿增大后刷輥和前刷輥向所述支撐腿傾斜方向運(yùn)動的阻力；所述芯軸上設(shè)有多個支撐腿，多個所述支撐腿勻傾斜布置在芯軸上；所述伸縮動力模塊包括往復(fù)運(yùn)動的運(yùn)動端和固定端，所述伸縮動力模塊的運(yùn)動端與前刷輥的芯軸尾端固定連接，所述伸縮動力模塊的固定端與后刷輥的芯軸頂端固定連接；這樣，所述伸縮動力模塊可驅(qū)動前刷輥相對于后刷輥重復(fù)遠(yuǎn)離-靠近-遠(yuǎn)離-靠近運(yùn)動。

3、進(jìn)一步地，所述伸縮動力模塊包括固定架、驅(qū)動電機(jī)、往復(fù)絲杠、絲杠滑塊，所述驅(qū)動電機(jī)設(shè)置在固定架上，所述往復(fù)絲杠可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在固定架上，所述驅(qū)動電機(jī)的輸出軸通過齒輪組驅(qū)動往復(fù)絲杠轉(zhuǎn)動，所述絲杠滑塊套接在往復(fù)絲杠上，通過驅(qū)動往復(fù)絲杠旋轉(zhuǎn)帶動絲杠滑塊在往復(fù)絲杠軸向往復(fù)運(yùn)動；所述絲杠滑塊上設(shè)有前刷輥固定孔，所述前刷輥尾端在前刷輥固定孔內(nèi)固定，所述運(yùn)動端為前刷輥固定孔；所述固定架上設(shè)有后刷輥固定孔，所述后刷輥頂端在后刷輥固定孔內(nèi)固定，所述固定端為后刷輥固定孔；這樣，所述伸縮動力模塊通過往復(fù)絲杠驅(qū)動絲杠滑塊往復(fù)運(yùn)動，從而實現(xiàn)運(yùn)動端相對于固定端重復(fù)遠(yuǎn)離-靠近-遠(yuǎn)離-靠近運(yùn)動。

4、進(jìn)一步地，所述齒輪組包括設(shè)置在驅(qū)動電機(jī)輸出軸上的主動齒輪，設(shè)置在往復(fù)絲杠一端的從動齒輪，所述主動齒輪與從動齒輪嚙合，從而通過驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動往復(fù)絲杠旋轉(zhuǎn)。

5、更進(jìn)一步地，還包括蛇骨管和舵機(jī)模塊，所述蛇骨管尾端設(shè)置在前刷輥的芯軸頂端，所述舵機(jī)模塊設(shè)置在前刷輥的芯軸上；所述蛇骨管包括多個活動鏈接的蛇骨管單環(huán)；所述相鄰的蛇骨管單環(huán)通過活動軸鉸接，這樣，蛇骨管單環(huán)可繞活動軸旋轉(zhuǎn)一定角度；所述蛇骨管單環(huán)上還設(shè)有導(dǎo)線孔，所述導(dǎo)線孔內(nèi)活動套接有引導(dǎo)絲，所述引導(dǎo)絲一端與蛇骨管相對前刷輥的頂端固定連接，所述引導(dǎo)絲另一端與舵機(jī)模塊連接，所述導(dǎo)線孔設(shè)置在蛇骨管單環(huán)上活動軸的可彎曲側(cè)，這樣，通過舵機(jī)模塊縮緊引導(dǎo)絲控制蛇骨管彎曲。

6、進(jìn)一步地，所述舵機(jī)模塊包括殼體，所述殼體上設(shè)有舵機(jī)，所述舵機(jī)輸出端設(shè)有線輪，所述引導(dǎo)絲固定連接在線輪上，這樣，通過舵機(jī)帶動線輪旋轉(zhuǎn)可控制引導(dǎo)絲縮緊。

7、進(jìn)一步地，所述蛇骨管頂端設(shè)有攝像照明裝置，所述蛇骨管單環(huán)下邊緣對稱設(shè)置有兩個軸凸，所述蛇骨管單環(huán)上邊緣對稱設(shè)置有兩個軸凹，所述兩個軸凸與兩個軸凹在蛇骨管單環(huán)徑向垂直間隔布置，所述相鄰兩個蛇骨管單環(huán)通過軸凸與軸凹鉸接，所述相鄰兩個蛇骨管單環(huán)的兩個軸凸與軸凹形成活動軸，這樣，使得相鄰蛇骨管單環(huán)可繞著活動軸旋轉(zhuǎn)一定角度，向兩個垂直活動軸轉(zhuǎn)動的四個方向彎曲；多個活動軸同時旋轉(zhuǎn)可使蛇骨管向任意方向彎曲任意程度；所述蛇骨管單環(huán)上設(shè)有兩個對稱布置的導(dǎo)線孔，所述導(dǎo)線孔分別設(shè)置在兩個軸凸對應(yīng)的蛇骨管單環(huán)內(nèi)壁，這樣，相鄰兩個蛇骨管單環(huán)的導(dǎo)線孔垂直布置，使得相間隔的蛇骨管單環(huán)在蛇骨管在軸向上形成四條導(dǎo)線孔通路；所述引導(dǎo)絲有四條，四條所述引導(dǎo)絲分別設(shè)置在四條所述導(dǎo)線孔通路內(nèi)，所述引導(dǎo)絲一端與蛇骨管相對前刷輥的頂端固定連接，所述引導(dǎo)絲另一端與舵機(jī)模塊連接，這樣，通過舵機(jī)模塊縮緊四條引導(dǎo)絲可控制蛇骨管向四個方向彎曲，多個活動軸同時旋轉(zhuǎn)可使蛇骨管向任意方向彎曲任意程度。

8、更進(jìn)一步地，所述舵機(jī)模塊的殼體上設(shè)有兩個舵機(jī)，所述舵機(jī)輸出端設(shè)有線輪，四條所述引導(dǎo)絲的端部分別固定在兩個線輪的兩側(cè)，同一方向所述活動軸兩側(cè)的兩條引導(dǎo)絲端部固定在同一線輪上，這樣，通過舵機(jī)帶動線輪旋轉(zhuǎn)時，可控制一側(cè)的引導(dǎo)絲縮緊，對側(cè)的引導(dǎo)絲同步放松，控制蛇骨管向縮緊引導(dǎo)絲的一側(cè)彎曲；通過兩個線輪即可控制蛇骨管向四條引導(dǎo)絲方向彎曲，通過同時控制兩組引導(dǎo)絲可使蛇骨管向任意方向彎曲任意程度。

9、作為優(yōu)選項，還包括臍帶纜，所述臍帶纜設(shè)置在后刷輥的芯軸尾端。

10、作為優(yōu)選項，所述芯軸上設(shè)有限位槽，所述限位槽中部設(shè)有支撐腿軸，所述支撐腿通過支撐腿軸與芯軸鉸接，所述支撐腿與限位槽的一側(cè)靠接，這樣，通過拉動臍帶纜可以使支撐腿在限位槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)至與限位槽另一側(cè)靠接，從而實現(xiàn)支撐腿傾斜方向反向。

11、本發(fā)明還提供了一種管道內(nèi)爬行機(jī)器人的使用方法，包括如下步驟：

12、步驟1：將機(jī)器人沿攝像照明裝置-蛇骨管-前刷輥-后刷輥方向完全塞入管道中，此時支撐腿傾斜方向朝向管道外；

13、步驟2：控制伸縮動力模塊的驅(qū)動電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動往復(fù)絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動絲杠滑塊往復(fù)運(yùn)動，從而驅(qū)動前刷輥相對于后刷輥重復(fù)遠(yuǎn)離-靠近-遠(yuǎn)離-靠近運(yùn)動；

14、步驟3：由于傾斜布置的支撐腿使機(jī)器人向支撐腿傾斜方向運(yùn)動時阻力大，而向支撐腿傾斜方向反方向運(yùn)動時阻力小；在前刷輥相對于后刷輥遠(yuǎn)離時，后刷輥向遠(yuǎn)離前刷輥方向運(yùn)動的阻力大于前刷輥向遠(yuǎn)離后刷輥方向運(yùn)動的阻力，從而后刷輥保持不動，推動前刷輥向前爬行；在前刷輥相對于后刷輥靠近時，前刷輥向靠近后刷輥方向運(yùn)動的阻力大于后刷輥向靠近前刷輥方向運(yùn)動的阻力，從而前刷輥保持不動，拖動后刷輥向前爬行；在前刷輥相對于后刷輥重復(fù)遠(yuǎn)離-靠近-遠(yuǎn)離-靠近運(yùn)動過程中，前刷輥和后刷輥交替向前運(yùn)動，使機(jī)器人整體向前蠕動爬行；

15、步驟4：當(dāng)機(jī)器人經(jīng)過三通等岔管部位時，若需要控制機(jī)器人向左側(cè)岔管爬行，控制舵機(jī)模塊的兩個舵機(jī)，舵機(jī)帶動線輪轉(zhuǎn)動，從而控制蛇骨管彎曲，使蛇骨管彎曲進(jìn)入左側(cè)岔管；此時，機(jī)器人繼續(xù)向前蠕動爬行，在蛇骨管的導(dǎo)向作用下爬入左側(cè)岔管；

16、步驟5：當(dāng)機(jī)器人完成任務(wù)后，控制伸縮動力模塊的驅(qū)動電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，然后快速拉動臍帶纜使支撐腿在限位槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)支撐腿傾斜方向反向，此時機(jī)器人進(jìn)入后退狀態(tài)；

17、步驟6：控制伸縮動力模塊的驅(qū)動電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，驅(qū)動前刷輥相對于后刷輥重復(fù)遠(yuǎn)離-靠近-遠(yuǎn)離-靠近運(yùn)動；

18、步驟7：由于傾斜布置的支撐腿傾斜方向反向，機(jī)器人在后刷輥相對于前刷輥往復(fù)遠(yuǎn)離-靠近-遠(yuǎn)離-靠近運(yùn)動過程中，后刷輥和前刷輥交替向后運(yùn)動，使機(jī)器人向后蠕動爬行；在管道外緩慢回收臍帶纜，直至機(jī)器人爬出管道，控制驅(qū)動電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，工作完成。

19、本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

20、1、本裝置巧妙地通過在刷輥芯軸上均勻布置多個傾斜方向相同的支撐腿，使得裝置進(jìn)入管道后朝支撐腿傾斜方向運(yùn)動時的阻力大于朝支撐腿傾斜方向反方向運(yùn)動時阻力，從而將伸縮動力模塊產(chǎn)生的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為裝置前進(jìn)的動力。其利用往復(fù)絲杠產(chǎn)生的伸縮運(yùn)動，借助刷輥雙向摩擦力的不對稱性，直接驅(qū)動機(jī)器人蠕動爬行，省去了復(fù)雜的張緊機(jī)構(gòu)，很大程度上簡化了機(jī)器人結(jié)構(gòu)，能夠降低機(jī)器人成本，提升工作可靠性。

21、2、其芯軸和支撐腿均具有較好的柔性，且彈性支撐腿數(shù)量眾多，當(dāng)管道彎曲、變形、發(fā)生直徑變化或存在障礙物時，能夠發(fā)生自適應(yīng)形變，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和通過能力，在管道發(fā)生彎曲或變形，以及存在障礙物時仍能順利通過。

22、3、其使用蛇骨管作為前導(dǎo)，當(dāng)遇到三通等岔管部位時，根據(jù)攝像裝置實時傳回的視頻信息，利用舵機(jī)模塊操縱蛇骨管進(jìn)入目標(biāo)岔管，進(jìn)而通過蛇骨管的導(dǎo)向作用引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)入目標(biāo)岔管，實現(xiàn)岔管部位的路徑選擇。

23、4、其支撐腿通過支撐腿軸與芯軸鉸接，在任務(wù)完成后通過快速拉動臍帶纜，可使支撐腿在芯軸上旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)支撐腿傾斜方向反向，再通過自動爬行的方式，配合臍帶纜牽引爬出管道，有效避免了在僅通過拉拽臍帶纜將機(jī)器人拉出管道時，對機(jī)器人造成的外力損傷。