一种多功能轻型软体机器人

1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种多功能轻型软体机器人。


背景技术：

2.截止目前，我国油气管道总里程累计已超过13万千米，不包括各天然气、水利运输管道。管道运输业规模庞大，且发展迅速。面对庞杂的管道网络和复杂的地理条件，采用管道机器人进行管道检测、维护十分必要。如天然气运输管道多架设于山地峡谷，蜿蜒盘旋动辄数千公里，目前现有的用于管道内部实施检测的机器人大多体积庞大，多采用金属式框架整体结构刚度高，以组轮和管壁的摩擦维持相对运动，这种动力传输方式不仅消耗很大能量，还会在管壁产生划痕从而缩短管道寿命。
3.对管道进行检测时通常采用管道机器人，而传统管道机器人往往采取弹簧式推拉结构产生变径效果，实际使用中变径比往往无法满足通过复杂管网的性能要求，适用于小范围长直管网，难以大规模推广，同时管道机器人大多侧重于管道内部作业，也就是仅仅用于内部管体检测维护，而很多管道问题往往发生在外部表面，比如遭受腐蚀、外部裂纹，管道外围检测又需增设其他设备，给检修作业带来很多不便，因此需要一种适用范围管，更加灵活轻便的检测设备用于管道检测。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明旨在提供一种多功能轻型软体机器人，为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案来实现：
5.一种多功能轻型软体机器人，包括对轮动力机构、软体接触机构、缓冲弹簧机构以及中框变形机构；
6.对轮动力机构包括车轮架和车轮，车轮转动连接于车轮架上，车轮架内设有动力机构，动力机构和车轮的车轮轴连接；
7.软体接触机构包括柔性悬臂和传动软带，每个柔性悬臂两端分别设有两个对轮动力机构，其中一个对轮动力机构上的车轮通过传动软带和另一个对轮动力机构上的车轮连接；
8.缓冲弹簧机构设于车轮架和车轮之间；
9.中框变形机构包括连接单元和两个活动单元，两个活动单元分别转动连接于连接单元上，活动单元上设有限位轮机构，活动单元和连接单元上均设有检测组件。
10.有益地，所述动力机构包括步进电机和减速机构，步进电机的输出端和减速机构连接，减速机构和所述车轮的车轮轴连接。
11.有益地，每个所述活动单元上设有四个所述限位轮机构，其中两个限位轮机构设于活动单元一侧壁，另外两个限位轮机构设于活动单元另一侧壁；
12.所述限位轮机构包括限位轮基座和限位轮，限位轮转动连接于限位轮基座上，限位轮基座上固接于所述活动单元上；
13.有益地，所述连接单元上设有舵机，连接单元和所述活动单元通过舵机转动连接，传动过程可经过齿轮减速机构产生一定程度上的减速比。
14.有益地，所述检测组件是摄像头。
15.有益地，缓冲弹簧机构包括两个弹簧，弹簧一端和车轮架连接，弹簧另一端和设于车轮上的弹簧挡板连接。
16.有益地，所述车轮边缘开设有v形凹槽，所述传动软带一侧壁设有凸起，且传动软带呈v形的侧壁和v形凹槽适配且相抵。
17.有益地，所述柔性悬臂由硬质硅胶制成，材质均匀。
18.本发明具有以下有益效果为：
19.本发明通过独立驱动的车轮，传动软带表面覆盖高附着性材料，在管体表面运动时摩擦力可达自重两倍以上，使机器人拥有足够的攀升动力于管道光滑空间贴附移动；柔性悬臂除了能够提供有效支撑，更进一步的能通过差速变换产生主动形变，最大产生车轮的轮径.倍形变，主动适应转弯及变径管道工作空间，对于复杂狭窄空间适应能力更强；采用活动单元和连接单元的转动连接设计、非闭合环结构、搭配镂空中性轴，能够实现机器人柱体包围爬行，能够用于管道内外壁检修，甚至桥梁立柱，可检测的管道形状包括但不限于圆柱体、多边形柱体以及窄缝结构，大幅拓宽所述机器人的应用范围和实用价值；通过舵机能够随意改变机器人的包围形状，蜷缩呈圆形或展平成平面结构，同样在狭缝搜集或墙体夹缝等极端条件下能够施展运动空间，应用于特种机器人领域。
附图说明
20.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
21.图1是本发明一种多功能轻型软体机器人的结构示意图；
22.图2是本发明活动单元和连接单元的爆炸图；
23.图3是本发明车轮和传动软带的连接结构图；
24.图4是本发明一种多功能轻型软体机器人的主视图；
25.图5是本发明一种多功能轻型软体机器人的其中一种状态的主视图；
26.图6是本发明活动一种多功能轻型软体机器人在管道外壁工作时的结构示意图；
27.图7是本发明活动一种多功能轻型软体机器人在管道内壁工作时的结构示意图；
28.图8是本发明图7的主视图；
29.图9是本发明的电路连接关系图。
30.附图标记：柔性悬臂1，车轮架2，弹簧21，车轮3，v形凹槽31，传动软带4，凸起41，活动单元5，摄像头6，限位轮基座7，限位轮8，连接单元9，舵机10。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
33.本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.如图1-图8所示，一种多功能轻型软体机器人，包括对轮动力机构、软体接触机构、缓冲弹簧机构以及中框变形机构；
35.对轮动力机构包括车轮架2和车轮3，车轮3转动连接于车轮架2上，车轮架2内设有动力机构，动力机构和车轮3的车轮轴连接；
36.软体接触机构包括柔性悬臂1和传动软带4，每个柔性悬臂1两端分别设有两个对轮动力机构，其中一个对轮动力机构上的车轮3通过传动软带4和另一个对轮动力机构上的车轮3连接；
37.缓冲弹簧机构设于车轮架2和车轮3之间；
38.中框变形机构包括连接单元9和两个活动单元5，两个活动单元5分别转动连接于连接单元9上，活动单元5上设有限位轮机构，活动单元5和连接单元9上均设有检测组件。
39.根据本发明的一种可选的实施方式中，所述动力机构包括步进电机和减速机构，步进电机的输出端和减速机构连接，减速机构和所述车轮3的车轮轴连接。
40.根据本发明的一种可选的实施方式中，每个所述活动单元5上设有四个所述限位轮机构，其中两个限位轮机构设于活动单元5一侧壁，另外两个限位轮机构设于活动单元5另一侧壁；
41.所述限位轮机构包括限位轮基座7和限位轮8，限位轮8转动连接于限位轮基座7上，限位轮基座7上固接于所述活动单元5上；
42.根据本发明的一种可选的实施方式中，所述连接单元9上设有舵机10，连接单元9和所述活动单元5通过舵机10转动连接。
43.根据本发明的一种可选的实施方式中，所述检测组件是摄像头6。
44.根据本发明的一种可选的实施方式中，缓冲弹簧机构包括两个弹簧21，弹簧21一端和车轮架2连接，弹簧21另一端和设于车轮3上的弹簧挡板连接。
45.根据本发明的一种可选的实施方式中，所述车轮3边缘开设有v形凹槽31，所述传动软带4一侧壁设有凸起41，且传动软带4呈v形的侧壁和v形凹槽31适配且相抵。
46.根据本发明的一种可选的实施方式中，所述柔性悬臂1由硬质硅胶制成。
47.实施过程：
48.当需要清洁管道外壁时，如图6所示，首先控制舵机10使两个活动单元5远离，把机器人放在管道外壁外，再控制舵机10使两个活动单元5靠近，从而使所有车轮3对传动软带4
产生压迫，传动软带4和管道外壁紧紧相抵，从而使机器人对管道外壁进行抱紧，启动步进电机，步进电机的输出端带动减速机构，减速机构带动车轮3转动，传动软带4由车轮3带动，通过减速机构能够实现一定范围内的传动减速比，使机器人在管道外壁进行移动，移动过程中通过摄像机6对管道外壁进行拍摄检测；
49.由于限位轮8和传动软带4的存在，机器人运动过程中仅有传动软带4和管道直接接触，从而有效避免了机器人其他结构的磨损；
50.由于传动软带4采取可拆卸设计，受到磨损后仅需更换传动软带4部分，大大降低了成本，增加了可维护性。当然本发明实施例适用的工作场景远远不局限于以上列举到的内容，在其他不同场景使用到的具有本发明内容所述的机构同样合理。
51.管道外壁既可以是具有粗糙表面如水泥、大理石，也可以是具有光滑表面如玻璃、铁柱等。
52.当需要清洁管道内壁时，如图7-8所示，控制舵机10使两个活动单元5先靠近，把机器人伸入管道内壁后，再控制舵机10使两个活动单元5远离，从而使所有车轮3和传动软带4把机器人支撑于管道内，运用上述同样原理，使机器人在管道内移动并进行拍摄检测，当遭遇变径区域时，比如前方区域管壁半径缩小，仅仅依靠前向推力连带柔性悬臂1所产生的形变不足以支持前端车轮3跨进该变径区域时，差速变形功能将会发挥作用，此时同对上下两侧驱动轮由于是单独传动，能够产生速度差，使位于前方车轮3速度大于后方车轮3，传动软带4由于差速会在运动内侧张紧而于外侧松弛，张紧出对柔性悬臂1施加弯矩产生相应形变，在满足车轮3与传动软带4的静摩擦力大于张力情况下，差速越大形变越大，此时前方轮带同时或部分收拢，从而跨进变径区域，机器人前半段进入变径区域后，后方车轮3采用相同的方式即可，经由以上几步操作完成变径。除了变径外，当机器人遭遇管道分支时，通过相同原理，使得对应位置驱动轮组产生差速形变，带动前向运动端“触手”伸向要进入的分支管壁，实现管道内部分支的选择进入。因此经过上述步骤使得本发明机器人能够在复杂管网系统中灵活换向并实施变径。
53.柔性悬臂1由硬质硅胶制成，传动软带4由软质硅胶浇筑，传动软带4朝外一侧壁喷涂高附着性材料，进一步增加阻尼系数。柔性悬臂1轴向刚度大，纵向刚度则能满足一定范围拉伸形变。
54.弹簧21能够实现车轮架2和车轮3缓冲连接。
55.限位轮8和限位轮基座7之间设有间隙，以便于传动软带4顺利通过而不会和限位轮基座7相接触。
56.连接单元9上设有安装通孔，舵机10安装在安装通孔上，使活动单元5和连接单元9之间最大可实现九十度转动角。
57.整个机器人不存在首尾连结构，也即不形成闭环结构，采用开放式结构，即两个活动单元5仅通过连接单元9连接，两个活动单元5的另外两端不连接。
58.照明设备可以为摄影机6在漆黑环境下提供光线，照明设备可以是led照明灯珠。
59.图9显示的为本发明的电路连接关系图，活动单元5内还设有控制端，外部网页控制端、摄影机6、照明设备、所有步进电机分别和控制端电连接；控制端发出的控制信号传输给电调，电调根据控制信号调节调节电机驱动器的工作状态，从而调步进电机的工作状态。
60.控制端发出的指令有7种数据，需将其转换成对8个步进电机的速度和方向控制,
实际就是将7路控制信号转换为16路pwm控制信号。
61.以下为借助c语言的算法表述：
62.输入信号包含：
63.转向方向：to_x；to_y
64.总动力大小：data_mod_web0.65.4个柔臂的弯曲：b1,b2,b3,b4(由柔臂数量决定)
66.定义了如下中间变量：double m＝0,n＝0,to[5]＝{0},mod[8]＝{0}；
[0067]
计算过程：
[0068]
过程1：转向数据，转换后数据为2组。
[0069]
m＝((double)(to_x-to_y))/1.414；
[0070]
n＝((double)(to_x to_y))/1.414；
[0071]
过程2：加入前进数据，转换后数据为4组。
[0072]
to[1]＝(-m*40) 16*data_mod_web[0]；
[0073]
to[2]＝(-n*40) 16*data_mod_web[0]；
[0074]
to[3]＝(m*40) 16*data_mod_web[0]；
[0075]
to[4]＝(n*40) 16*data_mod_web[0]；
[0076]
过程3：防止数据溢出，使数据保持在一定范围
[0077]
过程4：通过一个循环加入柔臂弯曲的数据，转换后数据为8组。
[0078]
mod[i_mod]＝to[i_mod/2 1] (double)((data_mod_web[i_mod/2 1]*400)*(i_mod％2？-1:1))
[0079]
过程5：将以上8组电机动力数据转换为16组12bit pwm数据，并保证数据不会溢出
[0080]
本发明通过独立驱动的车轮3，传动软带4表面高附着性材料，在管体表面运动时摩擦力可达自重两倍以上，使机器人拥有足够的攀升动力于管道光滑空间贴附移动；柔性悬臂1除了能够提供有效支撑，更进一步的能通过差速变换产生主动形变，最大产生车轮3的轮径1.5倍形变，主动适应转弯及变径管道工作空间，对于复杂狭窄空间适应能力更强；采用活动单元5和连接单元9的转动连接设计、非闭合环结构、结合空心中性轴构成，能够实现机器人柱体包围爬行，能够用于管道内外壁检修，甚至桥梁立柱，可检测的管道形状包括但不限于圆柱体、多边形柱体以及窄缝结构，大幅拓宽所述机器人的应用范围和实用价值；通过舵机10进行角度变换能够随意改变机器人的包围形状，蜷缩成圆形或展平成平面结构，同样在狭缝搜集或墙体夹缝等极端条件下能够施展运动空间，作为特种机器人应用。
[0081]
本发明没有详细描述结构的部件、模块、机构以及装置等均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
[0082]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。