專利名稱：一種仿生蠕動式管道行走機構(gòu)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管道內(nèi)蠕動式行走機構(gòu)，用于管道作業(yè)機器人，屬仿生機器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管道作為一種重要的物質(zhì)傳輸工具，在各種領(lǐng)域中得到大量廣泛的應(yīng)用。管道在使用過程中，難免會出現(xiàn)各種故障或損傷。多數(shù)管道安裝環(huán)境下，人不能直接到達或不容許人直接進入，故管道作業(yè)機器人作為一種代替人工進行管道故障診斷、檢測與維修的有效智能工具，越來越受到重視。管道作業(yè)機器人按照行走方式的不同可分為腿式、輪式、履帶式、振動式和蠕動式等多種類型，蠕動式管道作業(yè)機器人是管道作業(yè)機器人眾多類型中步態(tài)最為穩(wěn)定、最具有環(huán)境適應(yīng)性的一種。
ZL200310120880. 8報道了一種“蠕動式管道爬行器”，采用由單一電機同軸驅(qū)動， 通過三個端面凸輪組和桿系等機械傳動方式，實現(xiàn)爬行器在小管道內(nèi)的蠕動行進。該蠕動式爬行器結(jié)構(gòu)較為簡單緊湊，但其只能在直管道中蠕動行走，不能適應(yīng)彎曲管道；且該機構(gòu)存在彈性儲能元件，在一定程度上降低了行走效率。
ZL200710042310.X報道了一種“管道內(nèi)蠕動行走機構(gòu)”，采用單電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動軸向絲杠螺母副，配合形狀記憶合金的徑向混合驅(qū)動，實現(xiàn)機器人的管道內(nèi)蠕動行走功能，具有功重比大的特性。但該機構(gòu)采用了形狀記憶合金新型功能材料，造價較高，難以普及推廣，且驅(qū)動電機的頻繁正反轉(zhuǎn)不利于控制系統(tǒng)的簡化。
ZL200910071M0.X報道了一種“基于推拉電磁鐵的管道探索機器人”，依靠摩擦脹緊原理，采用推拉式電磁鐵驅(qū)動實現(xiàn)機器人在管道內(nèi)的蠕動行走。該機器人可適應(yīng)不同管徑，且結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但由于使用了推拉式電磁鐵，易產(chǎn)生振動和噪音，且推拉式電磁鐵的頻繁工作使得線圈溫升較快，導(dǎo)致輸出能力下降，影響機構(gòu)運行的平穩(wěn)性與可靠性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在不足之處，提供一種形體簡單輕巧、運行平穩(wěn)可靠、功能實用、控制方法簡便、制造成本低廉的仿生蠕動式管道行走機構(gòu)及其控制方法，用于蠕動式管道作業(yè)機器人。
本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明仿生蠕動式管道行走機構(gòu)的特點是
由前體節(jié)徑向支撐單元與后體節(jié)徑向支撐單元在中間軸向進給單元的兩端對稱設(shè)置構(gòu)成；
所述前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元具有相同的結(jié)構(gòu)形式，是沿殼體的外圓周均勻分布至少兩只可徑向伸縮的撐爪和與所述撐爪處在同一母線位置上的導(dǎo)向滾輪；
所述中間軸向進給單元是由前節(jié)段和后節(jié)段構(gòu)成，所述前節(jié)段和后節(jié)段相互間沿軸向可相對運動，形成軸向長度可伸縮的中間軸向進給單元；
在所述前體節(jié)徑向支撐單元與中間軸向進給單元之間，以及在所述后體節(jié)徑向支撐單元與中間軸向進給單元之間分別以前萬向節(jié)、后萬向節(jié)聯(lián)接。
所述前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元的結(jié)構(gòu)設(shè)置均為
第一直流減速電機固定安裝在第一圓筒支座上，第一直流減速電機的輸出軸通過第一聯(lián)軸器與第一傳動軸相聯(lián)；第一傳動軸為一階梯軸，通過分別在兩端安裝的第一角接觸球軸承和第二角接觸球軸承支承于第二圓筒支座與第一圓筒支座之間；雙面凸輪與第一傳動軸固聯(lián)，并位于第二圓筒支座與第一圓筒支座之間；
在所述雙面凸輪的各凸輪槽中分別嵌裝有凸輪滾子，所述凸輪滾子通過推桿與對應(yīng)位置上的撐爪連接板固聯(lián)，所述撐爪與撐爪連接板由撐爪萬向結(jié)相連接。
設(shè)置雙面凸輪的凸輪槽為異形曲線溝槽，所述異形曲線溝槽是由各復(fù)合槽道段沿圓周均勻分布，所述各復(fù)合槽道段是由頂部圓弧槽道a、下降槽道b、底部圓弧槽道c和上升槽道d依次連接構(gòu)成；所述頂部圓弧槽道a的圓周角α為(1^)°，所述下降槽道b、底部圓弧槽道c和上升槽道d的圓周角β均為(f ；所述η為凸輪滾子的個數(shù)。
所述導(dǎo)向滾輪的結(jié)構(gòu)設(shè)置為所述導(dǎo)向滾輪沿中心軸線鉸接于滾輪支架上，所述滾輪支架是設(shè)置在導(dǎo)向滾輪與第一圓筒殼體之間的軸向可彈性伸縮結(jié)構(gòu)。
所述中間軸向進給單元的結(jié)構(gòu)設(shè)置為
所述中間軸向進給單元中的前節(jié)段的結(jié)構(gòu)設(shè)置為第二直流減速電機固定安裝在前節(jié)段圓筒支架上，所述第二直流減速電機的輸出軸通過第二聯(lián)軸器與第二傳動軸相聯(lián)； 第二傳動軸通過雙聯(lián)角接觸球軸承支承于前節(jié)段圓筒支架上；固聯(lián)在第二傳動軸上的中心主軸為圓筒狀，所述中心主軸的圓筒外表面帶有一撥指，所述撥指為圓柱形，撥指以間隙配合套裝在撥指座上并可繞撥指座轉(zhuǎn)動；所述撥指座的另一端固結(jié)于中心主軸的圓筒外表面上；
所述中間軸向進給單元中的后節(jié)段的結(jié)構(gòu)設(shè)置為與所述中心主軸同軸設(shè)置一筒體，所述筒體的內(nèi)側(cè)壁上有沿筒體圓周設(shè)置的一呈閉環(huán)的橢圓槽，撥指是以所述橢圓槽為滑動軌道；在所述筒體的外周設(shè)置后節(jié)段圓筒支架，在所述前節(jié)段圓筒支架與后節(jié)段圓筒支架之間設(shè)置有軸向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)；
所述軸向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)是在所述前節(jié)段圓筒支架的端面上沿中心主軸的軸向固定設(shè)置有導(dǎo)向桿，在后節(jié)段圓筒支架的對應(yīng)位置上固定設(shè)置有導(dǎo)向筒，導(dǎo)向桿與導(dǎo)向筒為滑動配合。
所述筒體一復(fù)合套筒，是由同心設(shè)置的內(nèi)筒和外筒組成，內(nèi)筒是由左右兩個半筒構(gòu)成，所述筒體的內(nèi)側(cè)壁上的橢圓槽是形成在左右兩個半筒之間的橢圓曲線通槽，外筒套裝在內(nèi)筒的外部。
所述的仿生蠕動式管道行走機構(gòu)的控制方法，其特征是按如下步驟進行
在所述前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元中，是以第一直流減速電機同軸驅(qū)動各自雙面凸輪；在所述中間軸向進給單元中，是以第二直流減速電機同軸驅(qū)動中心主軸；按照所述前體節(jié)徑向支撐單元、后體節(jié)徑向支撐單元與中間軸向進給單元的不同運動狀態(tài)，將所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)在管內(nèi)向左蠕動行走一個步距的時間設(shè)定為一個動作周期T，在一個動作周期T中按如下步驟控制
I、起始狀態(tài)前體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)；
II、在0 T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元中第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)γ ；中間軸向進給單元中的第二直流減速電機停止旋轉(zhuǎn)；后體節(jié)徑向支撐單元中的第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，達到τ/6的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最小縮回狀態(tài)；
III、在T/6 2T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元中第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)；中間軸向進給單元中的第二直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)180° ；后體節(jié)徑向支撐單元中的第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，達到2T/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元處于最小縮短狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最小縮回狀態(tài)；
IV、在2T/6 3T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元中第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)$ ；中間軸向進給單元中的第二直流減速電機停止旋轉(zhuǎn)；后體節(jié)徑向支撐單元中的第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，達到3T/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元處于最小縮短狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)；
V、在3T/6 4T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元中第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)(f ；中間軸向進給單元中的第二直流減速電機停止旋轉(zhuǎn)；后體節(jié)徑向支撐單元中的第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，達到4T/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最小縮回狀態(tài)，中間軸向進給單元處于最小縮短狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)；
VI、在4T/6 5T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元中第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)；中間軸向進給單元中的第二直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)180° ；后體節(jié)徑向支撐單元中的第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)(f Y ；達到5T/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最小縮回狀態(tài)，中間軸向進給單元處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)；
VII、在5T/6 T的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元中第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn) γ ；中間軸向進給單元中的第二直流減速電機停止旋轉(zhuǎn)；后體節(jié)徑向支撐單元中的第一直流減速電機勻速旋轉(zhuǎn)(f γ，達到T處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元的撐爪處于最大撐起狀態(tài)。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在
1、本發(fā)明功能實用、制造成本低廉。其前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元具有相同的結(jié)構(gòu)形式，且在中間軸向進給單元的兩端對稱設(shè)置，相鄰單元之間采用萬向節(jié)聯(lián)接，能在水平和任意傾斜角度的管道內(nèi)自由前進和后退，也可克服自身重量在豎直管道中行走，并能通過一定曲率半徑的彎曲管道；由于前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元中撐爪與撐爪連接板之間設(shè)置有萬向結(jié)，撐爪可根據(jù)所行走管道內(nèi)壁表面的形廓狀況自適應(yīng)調(diào)整支撐角度，且導(dǎo)向滾輪結(jié)構(gòu)設(shè)置中的軸向可彈性伸縮結(jié)構(gòu)可以自發(fā)調(diào)整導(dǎo)向滾輪與復(fù)雜管道內(nèi)壁至有效接觸，故可有效防止機構(gòu)卡死，也可有效適應(yīng)內(nèi)壁表面形廓狀況復(fù)雜的管道和有一定液體的管道；由于雙面凸輪加工制造較為容易，降低了機構(gòu)的制造成本，有利于普及推廣；本發(fā)明可應(yīng)用于微小型管道至中大型管道等眾多型號管道場合，只需調(diào)整雙面凸輪及相應(yīng)零部件的制造尺寸至合適大小即可。
2、本發(fā)明中設(shè)置雙面凸輪的凸輪槽為由各復(fù)合槽道段沿圓周均勻分布的異形曲線溝槽，構(gòu)成各復(fù)合槽道段的頂部圓弧槽道a、下降槽道b、底部圓弧槽道c和上升槽道d等通過嵌裝于其中的凸輪滾子容易平穩(wěn)地實現(xiàn)撐爪的撐起運動、縮回運動與保持不動等復(fù)雜運動狀態(tài)；中間軸向進給單元由前節(jié)段和后節(jié)段構(gòu)成，前節(jié)段和后節(jié)段之間由中心主軸所帶的撥指與筒體內(nèi)壁的橢圓導(dǎo)槽互鎖配合，容易平穩(wěn)地實現(xiàn)所述中間軸向進給單元的軸向伸縮運動，避開了曲柄連桿傳動機構(gòu)因偏心載荷易產(chǎn)生振動、沖擊和死點以及齒輪齒條傳動機構(gòu)笨重和不易自鎖的缺點，其形體簡單輕巧，運行柔順平穩(wěn)，提高了系統(tǒng)輸出效率與可靠性。
3、本發(fā)明控制方法簡便。行走時的前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元中第一直流減速電機始終同軸驅(qū)動各自雙面凸輪做單向勻速旋轉(zhuǎn)運動，只需設(shè)置前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元中的雙面凸輪相互間沿圓周有一錯位角度:(1^ 而已；由于雙面凸輪的凸輪槽為由各復(fù)合槽道段沿圓周均勻分布的異形曲線溝槽構(gòu)成，使得η對推桿均做同步周期性間歇式徑向往復(fù)移動，從而和η對推桿相對應(yīng)的η只撐爪與管道內(nèi)壁之間呈現(xiàn)同步周期性間歇式徑向脹緊接觸與松縮脫離；與此同時，中間軸向進給單元中的第二直流減速電機始終同軸驅(qū)動中心主軸做間歇式單向旋轉(zhuǎn)運動，由于中間軸向進給單元中的橢圓導(dǎo)槽與撥指具有互鎖關(guān)系，使得中心主軸與筒體之間產(chǎn)生間歇式單向轉(zhuǎn)動與間歇式往復(fù)直線移動的相對運動；前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元與中間軸向進給單元的運動規(guī)律相協(xié)調(diào)，可使中間軸向進給單元帶動前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元做有規(guī)律的間歇式軸向進給運動。也就是說，在管道內(nèi)蠕動行走過程中，只需控制前體節(jié)徑向支撐單元和后體節(jié)徑向支撐單元中的第一直流減速電機始終以相同速度做連續(xù)單向勻速旋轉(zhuǎn)，同時控制中間軸向進給單元中的第二直流減速電機始終以另一適合速度做周期性間歇式單向勻速旋轉(zhuǎn)即可，避開了傳統(tǒng)絲桿螺母進給機構(gòu)須頻繁換向的缺點。
4、本發(fā)明通過搭載相應(yīng)的探頭和工程應(yīng)用工具，可以代替人工進行各種管道監(jiān)測、清理、維護、故障診斷和維修等工作；也可用于豎直方向管道場合，通過搭載相應(yīng)的視頻采集系統(tǒng)、信號收發(fā)系統(tǒng)、紅外生命探測儀等工具，實施垂直井下礦難探測與救援等任務(wù)。8


圖1為本發(fā)明外部結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2(a)為本發(fā)明中凸輪滾子、銷軸和螺母結(jié)構(gòu)示意圖2(b)為本發(fā)明中滾輪支座、壓縮彈簧和圓柱塊結(jié)構(gòu)示意圖2(c)為本發(fā)明中撥指和撥指座結(jié)構(gòu)示意圖2(d)為本發(fā)明中雙聯(lián)角接觸球軸承結(jié)構(gòu)示意圖2(e)為本發(fā)明中第一角接觸球軸承結(jié)構(gòu)示意圖2(f)為本發(fā)明中第二角接觸球軸承結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明中前體節(jié)及后體節(jié)的徑向支撐單元結(jié)構(gòu)示意圖4(a)為本發(fā)明中前體節(jié)及后體節(jié)的徑向支撐單元中雙面凸輪結(jié)構(gòu)示意圖4 (b)為圖4 (a)的A_A剖視圖5(a)為本發(fā)明中中間軸向進給單元結(jié)構(gòu)示意圖5 (b)為圖5 (a)的B-B剖視圖6為本發(fā)明在管內(nèi)行走過程的周期性步態(tài)規(guī)律示意圖7為本發(fā)明在管內(nèi)行走過程中的周期性電機控制狀態(tài)示意圖。
圖中標(biāo)號1前體節(jié)徑向支撐單元；2中間軸向進給單元；2A前節(jié)段；2B后節(jié)段； 3后體節(jié)徑向支撐單元；4前萬向節(jié)；5后萬向節(jié)；6第二圓筒支座；7第一傳動軸；8雙面凸輪；9第一角接觸球軸承；10凸輪滾子；11銷軸；12螺母；13推桿；14滑座；15第二圓筒殼體；16撐爪連接板；17撐爪萬向結(jié)；18撐爪；19第一圓筒殼體；20滾輪支座；21滾輪支架； 22導(dǎo)向滾輪；23壓縮彈簧；24圓柱塊；25第一圓筒支座J6第一電機轉(zhuǎn)接板；27第一直流減速電機；觀第二直流減速電機；四第二電機轉(zhuǎn)接板；30第二聯(lián)軸器；31雙聯(lián)角接觸球軸承；32第二傳動軸；33后節(jié)段圓筒殼體；34撥指；35撥指座；36中心主軸；37后節(jié)段圓盤殼體；38限位螺母；39鎖緊螺母；40筒體；40A內(nèi)筒；40B外筒；41導(dǎo)向筒；42導(dǎo)向桿；43前節(jié)段圓筒支架；44前節(jié)段圓筒殼體；45前節(jié)段圓盤殼體；46圓盤殼體；47第一聯(lián)軸器；48第二角接觸球軸承；49后節(jié)段圓筒支架。
具體實施方式
圖1所示為本實施例中仿生蠕動式管道行走機構(gòu)的外部結(jié)構(gòu)，是由前體節(jié)徑向支撐單元1、中間軸向進給單元2和后體節(jié)徑向支撐單元3組成。前體節(jié)徑向支撐單元1與后體節(jié)徑向支撐單元3在中間軸向進給單元2的兩端對稱設(shè)置，可實現(xiàn)體節(jié)與管道內(nèi)壁之間的周期性間歇式徑向脹緊與回縮運動；前體節(jié)徑向支撐單元1和后體節(jié)徑向支撐單元3沿殼體圓周均勻分布至少兩只可徑向伸縮的撐爪18和與撐爪18處在同一母線位置上的導(dǎo)向滾輪22，可保持機構(gòu)在所行走管道內(nèi)的自定心和形封閉的功能，并能在一定范圍內(nèi)適應(yīng)管道內(nèi)壁復(fù)雜的形廓狀況和適應(yīng)有一定液體的管道；中間軸向進給單元2由相互間沿軸向可相對運動的前節(jié)段2A和后節(jié)段2B構(gòu)成，可實現(xiàn)機構(gòu)前、后體節(jié)之間的軸向進給運動；在前體節(jié)徑向支撐單元1與中間軸向進給單元2之間，以及在后體節(jié)徑向支撐單元3與中間軸向進給單元2之間分別以前萬向節(jié)4和后萬向節(jié)5聯(lián)接，可實現(xiàn)機構(gòu)在所行走管道內(nèi)的整體拐彎功能。
參見圖1、圖2，本實施例中前體節(jié)徑向支撐單元1和后體節(jié)徑向支撐單元3中的第一直流減速電機27固定安裝在第一圓筒支座25上，第一直流減速電機27的輸出軸通過第一聯(lián)軸器47與第一傳動軸7相聯(lián)；第一傳動軸7為一階梯軸，如圖2 (e) ,2(f)所示，通過分別在兩端安裝的第一角接觸球軸承9和第二角接觸球軸承48支承于第二圓筒支座6與第一圓筒支座25之間；雙面凸輪8與第一傳動軸7固聯(lián)，并位于第二圓筒支座6與第一圓筒支座25之間；沿雙面凸輪8的圓周均勻分布至少兩對推桿13，如圖2 (a)所示，推桿13裝有一銷軸11，螺母12將銷軸11軸向固定于推桿13上，與推桿13對應(yīng)設(shè)置的凸輪滾子10 是圓柱形的，通過間隙配合套裝在銷軸11上，凸輪滾子10插在雙面凸輪8的曲線溝槽中并可繞銷軸11轉(zhuǎn)動；與推桿13對應(yīng)設(shè)置至少兩對滑座14，每對滑座14分別固裝于第二圓筒支座6和第一圓筒支座25上，推桿13可在相應(yīng)滑座14中直線往復(fù)滑動；推桿13從第二圓筒殼體15穿出并與對應(yīng)位置上的撐爪連接板16固聯(lián)；撐爪18通過撐爪萬向結(jié)17裝到對應(yīng)位置上的撐爪連接板16上，使得所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)可根據(jù)管道內(nèi)壁表面的復(fù)雜形廓狀況自適應(yīng)的調(diào)整支撐角度，防止機構(gòu)卡死；撐爪18的外表面為圓弧面，可套一橡膠墊，以增大所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)與管道內(nèi)壁之間的摩擦；第二圓筒殼體15固聯(lián)于第二圓筒支座6與第一圓筒支座25之間，第一圓筒殼體19固聯(lián)于第一圓筒支座25與圓盤殼體46之間，起到密封作用；至少兩只導(dǎo)向滾輪22沿第一圓筒殼體19的圓周均勻分布，所述導(dǎo)向滾輪22沿中心軸線鉸接于滾輪支架21上，滾輪支架21是設(shè)置在導(dǎo)向滾輪22 與第一圓筒殼體19之間的軸向可彈性伸縮結(jié)構(gòu)；軸向可彈性伸縮結(jié)構(gòu)是如圖2(b)所示， 滾輪支架21上固聯(lián)有一壓縮彈簧23，壓縮彈簧23的另一端通過一帶外螺紋的圓柱塊M與滾輪支座20螺紋聯(lián)接，滾輪支座20固定安裝在第一圓筒殼體19上；滾輪支架21、壓縮彈簧23、圓柱塊M和滾輪支座20四者中心軸線重合；軸向可彈性伸縮結(jié)構(gòu)可使導(dǎo)向滾輪22 與管道內(nèi)壁之間始終保持有效接觸狀態(tài)，使得行走機構(gòu)能夠有效適應(yīng)內(nèi)壁表面形廓狀況復(fù)雜的管道。中間軸向進給單元2的前節(jié)段2A中的第二直流減速電機觀固定安裝在前節(jié)段圓筒支架43上，第二直流減速電機觀的輸出軸通過第二聯(lián)軸器30與第二傳動軸32相聯(lián)； 如圖2(d)所示，第二傳動軸32通過雙聯(lián)角接觸球軸承31支承于前節(jié)段圓筒支架43上；固聯(lián)在第二傳動軸32上的中心主軸36為圓筒狀，中心主軸36的圓筒外表面帶有一撥指34， 如圖2 (c)所示，撥指34為圓柱形，撥指34以間隙配合套裝在撥指座35上并可繞撥指座35 轉(zhuǎn)動；撥指座35的另一端固結(jié)于中心主軸36的圓筒外表面上；中間軸向進給單元2的后節(jié)段2B中的筒體40與所述中心主軸36同軸設(shè)置，筒體40為一復(fù)合套筒，是由同心設(shè)置的內(nèi)筒40A和外筒40B組成，內(nèi)筒40A是由左右兩個半筒構(gòu)成，在左右兩個半筒之間形成有一橢圓曲線通槽，外筒40B套裝在內(nèi)筒40A的外部，形成一個內(nèi)壁帶有橢圓導(dǎo)槽的筒體40 ；中心主軸36穿入筒體40并與筒體40的中心軸線重合，撥指34嵌入筒體40內(nèi)壁的橢圓導(dǎo)槽并可在導(dǎo)槽中滑動；由于撥指和導(dǎo)槽的互鎖關(guān)系使得中心主軸36與筒體40之間的相對運動呈繞軸連續(xù)轉(zhuǎn)動和正弦規(guī)律往復(fù)直線運動的合運動，當(dāng)中心主軸36做連續(xù)轉(zhuǎn)動時，筒體40 便做直線往復(fù)移動，當(dāng)筒體40固定不動時，中心主軸36在做連續(xù)轉(zhuǎn)動的同時做直線往復(fù)移動；在筒體40的外周設(shè)置后節(jié)段圓筒支架49，在前節(jié)段圓筒支架43與后節(jié)段圓筒支架49 之間設(shè)置有軸向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)；在前節(jié)段圓筒支架43的端面上沿中心主軸36的軸向固定設(shè)置有至少兩根沿圓周均勻分布的導(dǎo)向桿42，在后節(jié)段圓筒支架49的對應(yīng)位置上固定設(shè)置有導(dǎo)向筒41，導(dǎo)向桿42與導(dǎo)向筒41為滑動配合；導(dǎo)向桿42的懸空端裝有一限位螺母38 ；前節(jié)段圓筒殼體44固聯(lián)于前節(jié)段圓盤殼體45與前節(jié)段圓筒支架43之間，后節(jié)段圓筒殼體33 固聯(lián)于后節(jié)段圓筒支架49與后節(jié)段圓盤殼體37之間，起到密封作用；鎖緊螺母39裝到傳動軸32上，與傳動軸32的軸肩共同起到對中心主軸36的軸向定位作用。
圖1、圖2和圖3所示，本實施例中，第一直流減速電機27通過第一傳動軸7同軸驅(qū)動主動雙面凸輪8做勻速旋轉(zhuǎn)，由于雙面凸輪8具有由各復(fù)合槽道段沿圓周均勻分布的異形曲線溝槽，使得雙面凸輪8可通過嵌入其溝槽中的凸輪滾子10同步帶動沿凸輪圓周均勻分布的至少兩對從動推桿13做周期性間歇式徑向往復(fù)移動，每對推桿13均通過一撐爪連接板16和一撐爪萬向結(jié)17與一撐爪18相聯(lián)，實現(xiàn)體節(jié)與管道內(nèi)壁之間的周期性間歇式徑向脹緊與回縮功能，撐爪18可根據(jù)機構(gòu)所行走管道內(nèi)壁表面的形廓狀況自適應(yīng)的調(diào)整支撐角度，防止機構(gòu)卡死。
圖1、圖2、圖4(a)和圖4(b)所示，本實施例以與雙面凸輪8對應(yīng)設(shè)置的沿殼體圓周均布的撐爪18是四只的情況為例。雙面凸輪8具有異形曲線溝槽，異形曲線溝槽是由各復(fù)合槽道段沿圓周均勻分布，各復(fù)合槽道段是由頂部圓弧槽道a、下降槽道b、底部圓弧槽道c和上升槽道d依次連接構(gòu)成；頂部圓弧槽道a的圓周角α為45°，下降槽道b、底部圓弧槽道c和上升槽道d的圓周角β均為15° ；η為凸輪滾子10的個數(shù)。當(dāng)?shù)谝恢绷鳒p速電機27同軸驅(qū)動雙面凸輪8旋轉(zhuǎn)時，雙面凸輪8通過嵌入其曲線溝槽中的凸輪滾子10同步帶動沿凸輪圓周均勻分布的四對推桿13徑向移動；當(dāng)凸輪滾子10在頂部圓弧槽道a滑動過程中，四只撐爪18保持徑向最大撐起不動狀態(tài)，當(dāng)凸輪滾子10在下降槽道b滑動過程中，四只撐爪18處于徑向縮回運動狀態(tài)，當(dāng)凸輪滾子10在底部圓弧槽道c滑動過程中，四只撐爪18保持徑向最小縮回不動狀態(tài)，當(dāng)凸輪滾子10在上升槽道d滑動過程中，四只撐爪 18處于徑向撐起運動狀態(tài)；也就是說，當(dāng)?shù)谝恢绷鳒p速電機27同軸驅(qū)動雙面凸輪8做勻速旋轉(zhuǎn)時，四對推桿13做周期性間歇式徑向往復(fù)移動，與四對推桿13相聯(lián)的四只撐爪18在管道內(nèi)做有規(guī)律的同步周期性間歇式徑向脹緊與縮回運動。為了協(xié)調(diào)所述中間軸向進給單元2的間歇式軸向伸縮運動，保證所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)在管道內(nèi)正常蠕動行走， 所述前體節(jié)徑向支撐單元1和后體節(jié)徑向支撐單元3中的第一直流減速電機27均始終同軸驅(qū)動各自雙面凸輪8做同樣的單向勻速旋轉(zhuǎn)運動，且前體節(jié)徑向支撐單元1與后體節(jié)徑向支撐單元3中雙面凸輪8的角位移沿圓周始終存在一 45°的相位差。
圖1、圖2、圖5(a)和圖5(b)所示，在中間軸向進給單元2的結(jié)構(gòu)設(shè)置中，第二直流減速電機觀始終同軸間歇式驅(qū)動中心主軸36做單向勻速旋轉(zhuǎn)運動，由于筒體40內(nèi)壁的橢圓導(dǎo)槽與中心主軸36所帶的撥指34具有互鎖關(guān)系，使得中心主軸36與筒體40之間產(chǎn)生間歇式單向轉(zhuǎn)動與間歇式往復(fù)直線移動的相對運動。設(shè)定撥指34的初始嵌入位置是橢圓導(dǎo)槽中的M點，且與第二直流減速電機觀相聯(lián)的前節(jié)段圓筒支架43保持固定不動，當(dāng)?shù)诙绷鳒p速電機觀同軸驅(qū)動中心主軸36勻速旋轉(zhuǎn)半圈時，撥指34沿導(dǎo)槽中的M點滑動到 N點，相應(yīng)地，筒體40以正弦律速度向左直線移動一個步距，同步帶動與之相聯(lián)的后節(jié)段圓筒支架49、后節(jié)段圓筒殼體33和后節(jié)段圓盤殼體37向左直線移動一個步距；此時若筒體 40保持固定不動，當(dāng)?shù)诙绷鳒p速電機觀同軸驅(qū)動中心主軸36往原方向繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)半圈時，撥指34沿導(dǎo)槽中的N點滑動到M點，相應(yīng)地，中心主軸36在做連續(xù)轉(zhuǎn)動的同時以正弦律速度向左直線移動一個步距，同步帶動第二直流減速電機觀以及與之相聯(lián)的前節(jié)段圓筒支架43、前節(jié)段圓筒殼體44和前節(jié)段圓盤殼體45向左直線移動一個步距。依此規(guī)律，當(dāng)?shù)诙绷鳒p速電機觀同軸驅(qū)動中心主軸36勻速旋轉(zhuǎn)一圈時，撥指34沿橢圓導(dǎo)槽中的M 點先滑動到N點再滑回至M點，中間軸向進給單元2整體向左直線移動一個步距。也就是說，通過協(xié)調(diào)前體節(jié)徑向支撐單元1和后體節(jié)徑向支撐單元3的運動規(guī)律，可使中間軸向進給單元2通過萬向節(jié)帶動所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)前、后體節(jié)在管道內(nèi)做有規(guī)律的間歇式軸向進給運動。其中，中間軸向進給單元2在做間歇式軸向進給運動過程中，其至少兩根沿圓周均布的導(dǎo)向桿42在對應(yīng)位置導(dǎo)向筒41中做同步間歇式相對往復(fù)滑動，以保證所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)在管道內(nèi)蠕動行走的平穩(wěn)性和可靠性。
圖1、圖2、圖5和圖6示出了本實施例中仿生蠕動式管道行走機構(gòu)在管內(nèi)行走過程中周期性步態(tài)規(guī)律。在前體節(jié)徑向支撐單元1和后體節(jié)徑向支撐單元3中，是以第一直流減速電機27同軸驅(qū)動各自雙面凸輪8 ；在中間軸向進給單元2中，是以第二直流減速電機觀同軸驅(qū)動中心主軸36 ；按照前體節(jié)徑向支撐單元1、后體節(jié)徑向支撐單元3與中間軸向進給單元2的不同運動狀態(tài)，將仿生蠕動式管道行走機構(gòu)在管內(nèi)向左蠕動行走一個步距的時間設(shè)定為一個動作周期T，在一個動作周期T中按如下步驟控制
I、起始狀態(tài)前體節(jié)徑向支撐單元1的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元2處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元3的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)；
II、在0 T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元1中第一直流減速電機27勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，凸輪滾子10在頂部圓弧槽道a中滑動，η只撐爪18保持徑向最大撐起不動狀態(tài)；中間軸向進給單元2中的第二直流減速電機28停止旋轉(zhuǎn)，撥指34嵌入橢圓導(dǎo)槽中的M點保持不動；后體節(jié)徑向支撐單元3中的第一直流減速電機27勻速旋轉(zhuǎn)(f γ，凸輪滾子10在下降槽道b中滑動，η只撐爪18處于徑向縮回運動狀態(tài)，達到Τ/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元1的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元2處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元3的撐爪18處于最小縮回狀態(tài)；
III、在Τ/6 2Τ/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元1中第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，凸輪滾子10仍在頂部圓弧槽道a中滑動，η只撐爪18保持徑向最大撐起不動狀態(tài)；中間軸向進給單元2中的第二直流減速電機28勻速旋轉(zhuǎn)180°，撥指34沿橢圓導(dǎo)槽中的M點滑動到N點，筒體40以正弦律速度向左直線移動一個步距，同步帶動與之相聯(lián)的后節(jié)段圓筒支架49、后節(jié)段圓筒殼體33和后節(jié)段圓盤殼體37向左直線移動一個步距，繼而通過后萬向節(jié)5同步帶動后體節(jié)徑向支撐單元3向左移動一個步距；后體節(jié)徑向支撐單元3中的第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)(f γ，凸輪滾子10在底部圓弧槽道c中滑動，η只撐爪18保持徑向最小縮回不動狀態(tài)，達到2Τ/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元1的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元2處于最小縮短狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元3的撐爪18處于最小縮回狀態(tài)；
IV、在2Τ/6 3Τ/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元1中的第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，凸輪滾子10)仍在頂部圓弧槽道a中滑動，η只撐爪18保持徑向最大撐起不動狀態(tài)；中間軸向進給單元2中的第二直流減速電機觀停止旋轉(zhuǎn)，撥指34嵌入橢圓導(dǎo)槽中的N點保持不動；后體節(jié)徑向支撐單元3中的第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)12Q Y，凸輪滾子10在上升槽道d中滑動，η只撐爪18處于徑向撐起運動狀態(tài)；達到3Τ/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元1的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元2處于最小縮短狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元3的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)；
V、在3Τ/6 4Τ/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元1中的第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，凸輪滾子10在下降槽道b中滑動，η對推桿13處于徑向縮回運動狀態(tài)；中間軸向進給單元2中的第二直流減速電機28停止旋轉(zhuǎn)，撥指34仍嵌入橢圓導(dǎo)槽中的N點保持不動；后體節(jié)徑向支撐單元3中的第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)(f y，凸輪滾子10在頂部圓弧槽道a中滑動，η只撐爪18保持徑向最大撐起不動狀態(tài)，達到4Τ/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元1的撐爪18處于最小縮回狀態(tài)，中間軸向進給單元2處于最小縮短狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元3的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)；
VI、在4Τ/6 5Τ/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元1中的第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，凸輪滾子10在底部圓弧槽道C中滑動，η只撐爪18保持徑向最小縮回不動狀態(tài)；中間軸向進給單元2中的第二直流減速電機28繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)180°，撥指34 沿橢圓導(dǎo)槽中的N點滑回至M點，中心主軸36在做連續(xù)轉(zhuǎn)動的同時以正弦律速度向左直線移動一個步距，同步帶動第二直流減速電機觀以及與之相聯(lián)的前節(jié)段圓筒支架43、前節(jié)段圓筒殼體44和前節(jié)段圓盤殼體45向左直線移動一個步距，繼而通過前萬向節(jié)4同步帶動前體節(jié)徑向支撐單元1向左移動一個步距；后體節(jié)徑向支撐單元3中的第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，凸輪滾子10仍在頂部圓弧槽道a中滑動，η只撐爪18保持徑向最大撐起不動狀態(tài)；達到5Τ/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元1的撐爪18處于最小縮回狀態(tài)，中間軸向進給單元2處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元3的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)；
VII、在5Τ/6 T的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元1中的第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)(f Y，凸輪滾子10在上升槽道d中滑動，η只撐爪18處于徑向撐起運動狀態(tài)；中間軸向進給單元2中的第二直流減速電機28停止旋轉(zhuǎn)，撥指34嵌入橢圓導(dǎo)槽中的M點保持不動；后體節(jié)徑向支撐單元3中的第一直流減速電機27繼續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)(f γ，凸輪滾子10仍在頂部圓弧槽道a中滑動，η只撐爪18保持徑向最大撐起不動狀態(tài)，達到T處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元1的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元2處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元3的撐爪18處于最大撐起狀態(tài)。
至此，所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)完成了向左蠕動前進行走一個步距的動作周期過程。所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)向右蠕動后退行走的控制方法與向左蠕動前進行走的控制方法類似，只是所述第一直流減速電機27和第二直流減速電機觀的旋轉(zhuǎn)方向和控制時序不同。配合前萬向節(jié)4和后萬向節(jié)5的換向功能，可使所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)能夠通過一定曲率半徑的彎曲管道。
參見圖1、圖6、圖7，圖中表達了本發(fā)明仿生蠕動式管道行走機構(gòu)在管內(nèi)行走過程中周期性電機控制狀態(tài)的一種實施例示意圖，與圖6所表達的周期性步態(tài)規(guī)律相對應(yīng)。其中，橫軸表示一個周期0 T的各個時間階段，縱軸分別表示前體節(jié)徑向支撐單元1、中間軸向進給單元2以及后體節(jié)徑向支撐單元3的電機控制狀態(tài)。前體節(jié)徑向支撐單元1、后體節(jié)徑向支撐單元3的第一直流減速電機27均始終以相同速度勻速旋轉(zhuǎn)，圖中“a”、“b”、 “c”、“d”分別表示前體節(jié)徑向支撐單元1和后體節(jié)徑向支撐單元3中的第一直流減速電機 27控制凸輪滾子10在雙面凸輪8的頂部圓弧槽道a、下降槽道b、底部圓弧槽道C、上升槽道d中滑動；中間軸向進給單元2的第二直流減速電機觀做周期性間歇式單向勻速旋轉(zhuǎn)，圖中“S”、“R^ ”分別表示中間軸向進給單元2中的第二直流減速電機觀停止旋轉(zhuǎn)、勻速旋轉(zhuǎn)半圈。
權(quán)利要求
1.一種仿生蠕動式管道行走機構(gòu)，其特征是由前體節(jié)徑向支撐單元(1)與后體節(jié)徑向支撐單元C3)在中間軸向進給單元( 的兩端對稱設(shè)置構(gòu)成；所述前體節(jié)徑向支撐單元(1)和后體節(jié)徑向支撐單元C3)具有相同的結(jié)構(gòu)形式，是沿殼體的外圓周均勻分布至少兩只可徑向伸縮的撐爪(18)和與所述撐爪(18)處在同一母線位置上的導(dǎo)向滾輪02)；所述中間軸向進給單元( 是由前節(jié)段OA)和后節(jié)段QB)構(gòu)成，所述前節(jié)段和后節(jié)段相互間沿軸向可相對運動，形成軸向長度可伸縮的中間軸向進給單元O)；在所述前體節(jié)徑向支撐單元(1)與中間軸向進給單元( 之間，以及在所述后體節(jié)徑向支撐單元⑶與中間軸向進給單元⑵之間分別以前萬向節(jié)G)、后萬向節(jié)(5)聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生蠕動式管道行走機構(gòu)，其特征是所述前體節(jié)徑向支撐單元(1)和后體節(jié)徑向支撐單元(3)的結(jié)構(gòu)設(shè)置均為第一直流減速電機(XT)固定安裝在第一圓筒支座0 上，第一直流減速電機(XT)的輸出軸通過第一聯(lián)軸器G7)與第一傳動軸(7)相聯(lián)；第一傳動軸(7)為一階梯軸，通過分別在兩端安裝的第一角接觸球軸承(9)和第二角接觸球軸承G8)支承于第二圓筒支座(6) 與第一圓筒支座0 之間；雙面凸輪(8)與第一傳動軸(7)固聯(lián)，并位于第二圓筒支座(6) 與第一圓筒支座05)之間；在所述雙面凸輪(8)的各凸輪槽中分別嵌裝有凸輪滾子(10)，所述凸輪滾子(10)通過推桿(1 與對應(yīng)位置上的撐爪連接板(16)固聯(lián)，所述撐爪(1 與撐爪連接板(16)由撐爪萬向結(jié)(17)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生蠕動式管道行走機構(gòu)，其特征是設(shè)置雙面凸輪(8)的凸輪槽為異形曲線溝槽，所述異形曲線溝槽是由各復(fù)合槽道段沿圓周均勻分布，所述各復(fù)合槽道段是由頂部圓弧槽道a、下降槽道b、底部圓弧槽道c和上升槽道d依次連接構(gòu)成；所述頂部圓弧槽道a的圓周角(α)為(1^)°，所述下降槽道b、底部圓弧槽道c和上升槽道d的圓周角(β)均為(f γ ；所述η為凸輪滾子的個數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)，其特征是所述導(dǎo)向滾輪02)的結(jié)構(gòu)設(shè)置為所述導(dǎo)向滾輪0 沿中心軸線鉸接于滾輪支架上，所述滾輪支架是設(shè)置在導(dǎo)向滾輪02)與第一圓筒殼體(19)之間的軸向可彈性伸縮結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生蠕動式管道行走機構(gòu)，其特征是所述中間軸向進給單元 (2)的結(jié)構(gòu)設(shè)置為所述中間軸向進給單元中的前節(jié)段OA)的結(jié)構(gòu)設(shè)置為第二直流減速電機08) 固定安裝在前節(jié)段圓筒支架上，所述第二直流減速電機08)的輸出軸通過第二聯(lián)軸器(30)與第二傳動軸(3 相聯(lián)；第二傳動軸(3 通過雙聯(lián)角接觸球軸承(31)支承于前節(jié)段圓筒支架^幻上；固聯(lián)在第二傳動軸(3 上的中心主軸(36)為圓筒狀，所述中心主軸(36)的圓筒外表面帶有一撥指(34)，所述撥指(34)為圓柱形，撥指(34)以間隙配合套裝在撥指座(35)上并可繞撥指座(35)轉(zhuǎn)動；所述撥指座(35)的另一端固結(jié)于中心主軸 (36)的圓筒外表面上；所述中間軸向進給單元中的后節(jié)段0B)的結(jié)構(gòu)設(shè)置為與所述中心主軸(36)同軸設(shè)置一筒體(40)，所述筒體00)的內(nèi)側(cè)壁上有沿筒體圓周設(shè)置的一呈閉環(huán)的橢圓槽，撥指(34)是以所述橢圓槽為滑動軌道；在所述筒體GO)的外周設(shè)置后節(jié)段圓筒支架(49)， 在所述前節(jié)段圓筒支架^幻與后節(jié)段圓筒支架G9)之間設(shè)置有軸向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)；所述軸向?qū)蚪Y(jié)構(gòu)是在所述前節(jié)段圓筒支架^幻的端面上沿中心主軸(36)的軸向固定設(shè)置有導(dǎo)向桿(42)，在后節(jié)段圓筒支架09)的對應(yīng)位置上固定設(shè)置有導(dǎo)向筒(41)，導(dǎo)向桿02)與導(dǎo)向筒Gl)為滑動配合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的仿生蠕動式管道行走機構(gòu)，其特征是所述筒體00)為一復(fù)合套筒，是由同心設(shè)置的內(nèi)筒(40A)和外筒(40B)組成，內(nèi)筒(40A)是由左右兩個半筒構(gòu)成，所述筒體GO)的內(nèi)側(cè)壁上的橢圓槽是形成在左右兩個半筒之間的橢圓曲線通槽，外筒 (40B)套裝在內(nèi)筒(40A)的外部。
7.—種權(quán)利要求1所述的仿生蠕動式管道行走機構(gòu)的控制方法，其特征是按如下步驟進行在所述前體節(jié)徑向支撐單元(1)和后體節(jié)徑向支撐單元(3)中，是以第一直流減速電機(XT)同軸驅(qū)動各自雙面凸輪(8)；在所述中間軸向進給單元O)中，是以第二直流減速電機08)同軸驅(qū)動中心主軸(36)；按照所述前體節(jié)徑向支撐單元(1)、后體節(jié)徑向支撐單元(3)與中間軸向進給單元O)的不同運動狀態(tài)，將所述仿生蠕動式管道行走機構(gòu)在管內(nèi)向左蠕動行走一個步距的時間設(shè)定為一個動作周期T，在一個動作周期T中按如下步驟控制I、起始狀態(tài)前體節(jié)徑向支撐單元(1)的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元( 處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元(3)的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)；II、在0 T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元(1)中的第一直流減速電機(XT)勻速旋轉(zhuǎn)(f γ ；中間軸向進給單元O)中的第二直流減速電機08)停止旋轉(zhuǎn)；后體節(jié)徑向支撐單元(3)中的第一直流減速電機07)勻速旋轉(zhuǎn)(f γ，達到Τ/6的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元⑴的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元(2)處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元(3)的撐爪(18)處于最小縮回狀態(tài)；III、在Τ/6 2Τ/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元(1)中的第一直流減速電機(XT)勻速旋轉(zhuǎn)(f Y ；中間軸向進給單元O)中的第二直流減速電機08)勻速旋轉(zhuǎn)180° ；后體節(jié)徑向支撐單元(3)中的第一直流減速電機07)勻速旋轉(zhuǎn)γ，達到2Τ/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元(1)的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元( 處于最小縮短狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元(3)的撐爪(18)處于最小縮回狀態(tài)；IV、在2T/6 3T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元(1)中的第一直流減速電機(XT)勻速旋轉(zhuǎn)(f γ ；中間軸向進給單元O)中的第二直流減速電機08)停止旋轉(zhuǎn)；后體節(jié)徑向支撐單元C3)中的第一直流減速電機07)勻速旋轉(zhuǎn)(f γ，達到3Τ/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元(1)的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元( 處于最小縮短狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元(3)的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)；V、在3T/6 4T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元(1)中的第一直流減速電機07) 勻速旋轉(zhuǎn)(f Y ；中間軸向進給單元O)中的第二直流減速電機08)停止旋轉(zhuǎn)；后體節(jié)徑向支撐單元C3)中的第一直流減速電機07)勻速旋轉(zhuǎn)(f y，達到4T/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元⑴的撐爪(18)處于最小縮回狀態(tài)，中間軸向進給單元(2)處于最小縮短狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元(3)的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)；VI、在4T/6 5T/6的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元(1)中的第一直流減速電機(XT)勻速旋轉(zhuǎn)(f Y ；中間軸向進給單元O)中的第二直流減速電機08)勻速旋轉(zhuǎn)180° ；后體節(jié)徑向支撐單元(3)中的第一直流減速電機07)勻速旋轉(zhuǎn)(f γ ；達到5Τ/6處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元⑴的撐爪(18)處于最小縮回狀態(tài)，中間軸向進給單元(2)處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元(3)的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)；VII、在5Τ/6 T的時間段中前體節(jié)徑向支撐單元(1)中的第一直流減速電機(XT)勻速旋轉(zhuǎn)(f Y ；中間軸向進給單元O)中的第二直流減速電機08)停止旋轉(zhuǎn)；后體節(jié)徑向支撐單元(3)中的第一直流減速電機07)勻速旋轉(zhuǎn)€ γ，達到T處的狀態(tài)為前體節(jié)徑向支撐單元(1)的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)，中間軸向進給單元(2)處于最大伸長狀態(tài)，后體節(jié)徑向支撐單元(3)的撐爪(18)處于最大撐起狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿生蠕動式管道行走機構(gòu)及其控制方法，其特征是由前體節(jié)徑向支撐單元與后體節(jié)徑向支撐單元在中間軸向進給單元的兩端對稱設(shè)置構(gòu)成；通過協(xié)調(diào)徑向支撐單元與管道內(nèi)壁之間的周期性間歇式徑向脹縮運動以及中間軸向進給單元的周期性間歇式軸向伸縮運動，模仿蠕蟲體節(jié)的運動步態(tài)和規(guī)律在管道內(nèi)蠕動行走。通過搭載相應(yīng)工具，本發(fā)明可代替人工進行各種管道作業(yè)任務(wù)，也可實施垂直井下礦難探測與救援等任務(wù)，具有形體簡單緊湊、運行平穩(wěn)可靠、控制容易、制造成本低廉、可多場合應(yīng)用等優(yōu)點。
文檔編號F16L101/30GK102506266SQ20111031814
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者馮勇, 孫玉香, 宋全軍, 張丹, 張強, 曹會彬, 朱旻, 葛運建 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院