自适应管径的轮式管道消毒机器人

1.本发明涉及的是一种管道机器人领域的技术，具体是一种自适应管径的轮式管道消毒机器人。


背景技术：

2.目前管道机器人的主要驱动模式有轮式、履带式、螺旋式等，在适应管径变化的方式上可分为主动调节和被动调节两种。主动调节主要采用蜗轮蜗杆，滚珠丝杠螺母副等，能够提供较大的管径适应范围，但无法保证管道机器人的力封闭特性，在调节过程中存在一定的延时和误判，对控制要求较高。被动调节主要通过弹性元件来实现，具有实时的调节性能，但能够适应的管径范围较小。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术对电控要求较高，在复杂的管壁环境下，若反馈不及时，机器人将无法与管壁形成力封闭，可能造成运动失稳的缺陷以及现有技术在送风管道内无法实现全自动消毒的问题，提出一种自适应管径的轮式管道消毒机器人，通过由剪刀差机构、曲柄滑块机构和弹簧组成的轮腿机构实现被动变径，通过轮足铰接处的欠自由度设计实现及其在行进过程中对壁面的自适应，采取的纯被动变径方案，不需依靠复杂的电控系统，仅依靠简单可靠的机械装置实现对径向尺寸的实时控制，大大降低了控制难度，提高了对于复杂管壁环境的适应能力。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种管道消毒机器人，包括：主体机架、主动机构、辅助机构、喷洒机构和曲柄滑块机构，其中：主体机架上平面沿长度方向前后各设置一个曲柄滑块机构，每个曲柄滑块机构分别与两个主动机构和一个辅助机构相连，辅助机构设置于曲柄滑块机构的上部，主动机构分别设置于曲柄滑块机构的下部左右两侧，喷洒机构设置于主体机架的下平面上。
6.所述的主动机构和辅助机构分别通过剪刀差机构和与曲柄滑块机构相连。
7.所述的曲柄滑块机构包括：一对滑块、一对导轨、三个连杆和两对连接件，其中：第一连接件与第二连接件之间以及第三连接件与第四连接件之间分别固定连接，第一连接件和第三连接件分别与对应的滑块和固定连接，滑块和分别对应设置于导轨上，第一连接件与第一连杆之间以及第三连接件与第二连杆之间分别转动连接，第一和第二连杆分别与第三连杆的两端铆接，第三连杆通过转轴与主体机架转动连接，从而实现滑块之间距离的变动，进而带动剪刀差机构实现变径。技术效果
8.本发明通过剪刀差机构与曲柄滑块机构，将较大的径向位移转化为滑块较小的轴向位移，通过连接滑块的弹簧使轮腿机构有向外支撑的趋势，从而保证变径过程中机器与管壁的力封闭，并能够提供足够的摩擦力作为驱动力。本发明在剪刀差机构与驱动轮组件
和从动轮组件的连接处采用欠自由度设计，组件能够绕连接轴自由转动，在运行过程中则利用外界管壁约束其绕轴转动的自由度。
9.相比现有技术，本发明的弹簧-滑块-剪刀差机构能够实现纯被动变径，不需要复杂的电控装置和控制系统，能够实现对于圆管道管径变化的实时自适应，且相较于主动控制变径方法具有更高的可靠性。本发明通过欠自由度设计使驱动轮组件和从动轮组件与管壁接触时能更好地贴合管壁，适应管壁的变化，从而提高了机器的运动稳定性。
附图说明
10.图1a为本发明的轴测视图，图1b为本发明的俯视图，图1c为本发明的正视图；
11.图2为本发明轮腿处剪刀差机构的结构示意图；
12.图3为本发明主动机构的结构示意图；
13.图4为本发明辅助机构的结构示意图；
14.图5为本发明主体支架、曲柄滑块机构和弹簧组件的结构示意图；
15.图6为本发明喷洒机构的示意图；
16.图7为本发明曲柄滑块机构的示意图；
17.图8a为当管径较小，本发明处于轮腿收缩状态时的侧视图，图8b为当管径较大，本发明处于轮腿伸长状态时的侧视图。
具体实施方式
18.如图1至图7所示，为本实施例涉及的一种管道消毒机器人，包括：主体机架4、主动机构2、辅助机构3、喷洒机构5和曲柄滑块机构6，其中：主体机架4上平面沿长度方向前后各设置一个曲柄滑块机构6，每个曲柄滑块机构6分别与两个主动机构2和一个辅助机构3相连，辅助机构3设置于曲柄滑块机构6的上部，主动机构2分别设置于曲柄滑块机构6的下部左右两侧，喷洒机构5设置于主体机架4的下平面上。
19.所述的两个主动机构2和一个辅助机构3呈120
°
周向对称分布。
20.所述的主动机构2和辅助机构3分别通过剪刀差机构2-6和3-4与曲柄滑块机构6相连。
21.如图2所示，所述的剪刀差机构2-6包括两对哑铃式连杆1-1和1-2，该哑铃式连杆分别在首位两端以及中间位置开设圆形通孔，方便杆件之间进行连接，同时也能减少机器人整体的重量。孔与孔之间的距离由理论计算获得，以求实现较大范围的变径运动。如此设置，能够在轴向小范围变径的同时实现径向大范围变径，同时两个主动机构和一个辅助机构之间120
°
的间隔分布也能够有效防止杆件受到侧向力而发生侧弯。
22.如图3所示，所述的主动机构2包括：步进电机2-1、步进电机固定座2-2、摩擦轮2-3、带传动系2-4、轮系固定座2-5以及剪刀差机构2-6，其中：步进电机2-1设置于步进电机固定座2-2上，步进电机固定座2-2和轮系固定座2-5固定连接并与剪刀差机构2-6转动连接，两个摩擦轮2-3分别转动设置于步进电机固定座2-2和轮系固定座2-5之间并构成带传动系2-4。
23.当步进电机2-2工作时，带动带传动系2-4运动，进而带动摩擦轮旋转，机器人前进。
24.如图4所示，所述的辅助机构3包括：两个摩擦轮3-1、前固定座3-2和后固定座3-3，其中：前固定座3-2和后固定座3-3固定拦截并与剪刀差机构3-4转动连接，两个摩擦轮3-1分别转动设置于前固定座3-2和后固定座3-3之间。
25.如图5所示，所述的主体机架4包括：碳纤维板的机架4-1、设置与其上的带有滑块4-2的导轨4-4，其中：滑块4-2之间通过弹簧4-3连接以提供足够的拉紧力。
26.如图6所示，所述的喷洒机构5包括：单片机安置盒5-1、水箱5-2、软道5-3、微型水泵5-4和离心式喷嘴5-5，其中：单片机安置盒5-1固定设置于主体机架4上方，水箱5-2固定设置于主体机架4下方，软管5-3一端与水箱5-2相连，另一端与微型水泵5-4相连，从水箱中抽取消毒液，消毒液储存在水箱5-2中，被水泵5-4抽取，流经软管5-3，从喷嘴5-5喷出。
27.如图7所示，所述的曲柄滑块机构6包括：第一连接件6-1、第一滑块6-2、第一导轨6-3、第二连接件6-4、第一连杆6-5、第三连杆6-6、第三连接件6-7、第四连接件6-8、第二滑块6-9、第二导轨6-10和第二连杆6-11，其中：第二连接件6-4与第一连接件6-1之间以及第三连接件6-7与第四连接件6-8之间分别固定连接，第一连接件6-1和第四连接件6-8分别与对应的第一滑块6-2和第二滑块6-9固定连接，第一滑块6-2和第二滑块6-9分别对应设置于第一导轨6-3和第二导轨6-10上，第一连接件6-1与第一连杆6-5之间以及第四连接件6-8与连杆第二连杆6-11之间分别转动连接，第一连杆6-5和第二连杆6-11分别与第三连杆6-6的两端铆接，第三连杆6-6通过转轴与主体机架4转动连接，从而实现滑块之间距离的变动，进而带动剪刀差机构实现变径。
28.轮式管道消毒机器人的纯被动自适应管径机构由弹簧、剪刀差连杆机构和曲柄滑块机构组合而成。当管道的管径在工作范围内时，曲柄滑块机构6中两个第一滑块6-2之间的距离大于弹簧4-3的原长，即弹簧4-3始终处于拉伸状态，使第一滑块6-2有相互靠近的趋势。当曲柄滑块机构6中的两个第一滑块6-2相互靠近时，会带动与之相连的剪刀差连杆机构1向外运动，从而使末端的轮部始终与管壁接触并产生足够的压力。
29.在机器人的行进过程中，当管道内径变大时，管壁对轮子的径向压力会减小，从而使剪刀差连杆机构向外伸长，并带动与之相连的曲柄滑块机构6中的两个第一滑块6-2相互靠近，滑块之间的弹簧缩短但仍保持拉伸状态。当管道内径变小时，管壁对轮子的径向压力会增大，从而使剪刀差机构向内收缩，并带动与之相连的曲柄滑块机构6中的两个第一滑块6-2相互远离，滑块之间的弹簧被进一步拉长以承受变径。当管道的管径在工作范围内时，弹簧的拉力使驱动轮与管壁间有足够的正压力，使最大静摩擦力大于机器人重力沿管道的分量，从而保证机器人在管道内的正常喷洒作业。
30.经过理论分析与仿真计算，在直径由500mm渐变到300mm的pvc管道下，以12v电源为42型号步进电机供电，轮子外皮材质为硅橡胶，单根弹簧的刚度为2.8n/mm，运行上述装置，能够实现自主变径，一次运行最多能够携带200ml的消毒液；最大爬坡角度为45
°
。
31.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种管道消毒机器人，其特征在于，包括：主体机架、主动机构、辅助机构、喷洒机构和曲柄滑块机构，其中：主体机架上平面沿长度方向前后各设置一个曲柄滑块机构，每个曲柄滑块机构分别与两个主动机构和一个辅助机构相连，辅助机构设置于曲柄滑块机构的上部，主动机构分别设置于曲柄滑块机构的下部左右两侧，喷洒机构设置于主体机架的下平面上；所述的主动机构和辅助机构分别通过剪刀差机构和与曲柄滑块机构相连；所述的曲柄滑块机构包括：第一连接件、第一滑块、第一导轨、第二连接件、第一连杆、第三连杆、第三连接件、第四连接件、第二滑块、第二导轨和第二连杆，其中：第二连接件与第一连接件之间以及第三连接件与第四连接件之间分别固定连接，第一连接件和第四连接件分别与对应的第一滑块和第二滑块固定连接，第一滑块和第二滑块分别对应设置于第一导轨和第二导轨上，第一连接件与第一连杆之间以及第四连接件与连杆第二连杆之间分别转动连接，第一连杆和第二连杆分别与第三连杆的两端铆接，第三连杆通过转轴与主体机架转动连接，从而实现滑块之间距离的变动，进而带动剪刀差机构实现变径。2.根据权利要求1所述的管道消毒机器人，其特征是，所述的剪刀差机构包括两对哑铃式连杆，该哑铃式连杆分别在首位两端以及中间位置开设圆形通孔。3.根据权利要求1所述的管道消毒机器人，其特征是，所述的主动机构包括：步进电机、步进电机固定座、摩擦轮、带传动系、轮系固定座以及剪刀差机构，其中：步进电机设置于步进电机固定座上，步进电机固定座和轮系固定座固定连接并与剪刀差机构转动连接，两个摩擦轮分别转动设置于步进电机固定座和轮系固定座之间并构成带传动系。4.根据权利要求1所述的管道消毒机器人，其特征是，所述的辅助机构包括：两个摩擦轮、前固定座和后固定座，其中：前固定座和后固定座固定拦截并与剪刀差机构转动连接，两个摩擦轮分别转动设置于前固定座和后固定座之间。5.根据权利要求1所述的管道消毒机器人，其特征是，所述的主体机架包括：碳纤维板的机架、设置与其上的带有滑块的导轨，其中：滑块之间通过弹簧连接以提供足够的拉紧力。6.根据权利要求5所述的管道消毒机器人，其特征是，所述的滑块中间设置突起用来和剪刀差腿部机构两端相连接，使得剪刀差腿部机构始终与管壁有足够的接触力，保证机器在管道中的正常运动。7.根据权利要求1所述的管道消毒机器人，其特征是，所述的喷洒机构包括：单片机安置盒、水箱、软道、微型水泵和离心式喷嘴，其中：单片机安置盒固定设置于主体机架上方，水箱固定设置于主体机架下方，软管一端与水箱相连，另一端与微型水泵相连，从水箱中抽取消毒液，消毒液储存在水箱中，被水泵抽取，流经软管，从喷嘴喷出。

技术总结
一种管道消毒机器人，包括：主体机架、主动机构、辅助机构、喷洒机构和曲柄滑块机构，其中：主体机架上平面沿长度方向前后各设置一个曲柄滑块机构，每个曲柄滑块机构分别与两个主动机构和一个辅助机构相连，辅助机构设置于曲柄滑块机构的上部，主动机构分别设置于曲柄滑块机构的下部左右两侧，喷洒机构设置于主体机架的下平面上；本发明通过由剪刀差机构、曲柄滑块机构和弹簧组成的轮腿机构实现被动变径，通过轮足铰接处的欠自由度设计实现及其在行进过程中对壁面的自适应，采取的纯被动变径方案，不需依靠复杂的电控系统，仅依靠简单可靠的机械装置实现对径向尺寸的实时控制，大大降低了控制难度，提高了对于复杂管壁环境的适应能力。能力。能力。


技术研发人员：李家晟 黄达 陈柏霖 吴瑞可 郭为忠
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/20