变轮距管道机器人

来源: 发布时间:2023-12-04 浏览次数:1555
基本信息

第一作者姓名:陈立伟

性别:男

民族:汉族

第一作者学校:广州市执信中学

第一作者人所在年级:高一

辅导教师姓名:梁志成


作品摘要

*结构组成:

本作品由机械机构、驱动模块和电子控制模块和组成。

机械结构分为平行连杆折叠机构、齿轮蜗杆折叠机构、机器人身体三部分组成。

驱动模块,由4个动力轮电机、4个折叠驱动电机组成

电子控制模块,分为中央主控模块,电机驱动模块、蓝牙遥控模块组成。蓝牙遥控接收到手机遥控信号后,送入中央主控模块处理并解读为对应的命令,进而调动电机驱动模块对马达的控制。

*主要特征:

1.机器人动力轮利用平行连杆结合齿轮蜗杆,进行三维伸展折叠,可改变轮距和车高,可在快速在管内攀爬与平地行走两种模式间切换。

2.可垂直攀爬管道

3.四轮独立控制

4.携带无线微型摄像头,可通过显示头盔实现远程遥控操作。

 

*主要用途:

在各式各样、大小不一的管道式空间,如水管里面开展检测检修、搜索救援等工作

*创新点:

(1)创新提出通过改变轮式管道机器人轮距的方式,使机器人能够兼顾管道攀爬和平地行走,能在两平行墙之间走,和攀爬异形管道。在越障和爬行等方面有比较明显的优势

(2)创新结合蜗杆涡轮结构和3D打印技术,实现机器人结构,轻量一体化设计


作品说明

*问题提出:

*提出的问题和解决的问题:

针对已有专用管道机器人研究只能实现在单一直径管道中穿行攀爬,无法在不同直径管道内攀爬,也不能逼仄空间及平地穿行的应用场景普适性问题,我们提出创新设计机械结构,使管道机器人既能适应管径变化,还能兼顾平地行走,提升场景适用性和通过性的问题设想。

通过研究,我们提出在轮式机器人基础上,使用平行连杆结合齿轮蜗杆方式,实现机器人动力轮实现三维伸展,改变轮距车高,从而既能展开而垂直爬管,又能折叠而在平地穿行。

研究问题的原因和意义:

 管网是现代城市常见的重要基础设施。管道老化、损坏会对生产生活埋下巨大隐患。如果同一台机器人你能够在各式各样、大小不一的管道式空间,如水管,运输油气等管道里面开展检测检修、搜索救援等工作,那么将大大提高工作效率,替代人力从而降低工作危险性。目前有一些专用管道机器人研究,但应用场景相对单一,普适性一般,并且类似研究刚刚起步,创新空间巨大。

*解决方案:

解决问题的办法:

 这个机器人,思路上使用变轮距方法,一方面通过蜗轮蜗杆结构可以适应不同管道的直径,并在垂直爬管时提供所需的正压力,从而提升管内适应性;另一方面通过这个四个齿轮并列结构便于切换管内与平地两种不同模式,进一步提高环境适应性。

   在技术上,使用了平行连杆和蜗杆齿轮,实现轮距的三维控制。并借助蜗杆齿轮具大传动比、承载力强、自锁的特性,让管道机器人在垂直爬管中有更稳定的表现。

   该机器人,由驱动模块和控制模块组成,控制模块负责将手机遥控信号传输到机器人上,然后再调动驱动模块来进行对马达的控制。四个马达控制对应车轮,两个N20马达来驱动这涡轮涡杆来带动齿轮进行转动,从而改变平行四边形的结构,另一个马达带动两边的齿轮使两侧臂进行开合,更方便地在管道中行走。 

发明研究的重点:

使用变轮距方法,采用蜗轮蜗杆结构适应不同管道的直径,并在垂直爬管时提供所需的正压力,提升管内适应性,以及采用四个齿轮并列结构便于切换管内与平地两种不同模式,进一步提高环境适应性。

发明研究的难点:

需要平衡在垂直爬管时提供所需的正压力和电机堵转的问题,需要保证功能完好前提进一步缩小体积。

发明研究的难点:

需要平衡在垂直爬管时提供所需的正压力和电机堵转的问题,需要保证功能完好前提进一步缩小体积。

本发明使用方法、附图说明性文字:

先在网上查询类似机器人的文献,了解对比其优点和局限性,提出能够解决局限的方案。然后手绘草稿,确定核心创新点结构的大致方向,再采用乐高结构验证可行性,上管测试性能,并进一步优化结构,最后采用3d打印完善整体结构做进一步的测试优化。

*使用或试用效果:

1.攀爬管道可倾斜角度:0-90度

2.管道攀爬模式:可使车轮180度张开形态且可调节角度,让齿轮能充分与管壁贴合,为轮胎提供必要的正压力和摩擦力,使机器人能顺利垂直攀爬管道。

3.平地行走模式:在折叠状态下,车高能在一定范围内28-38厘米之间改变,方便在限高场合通过;同时两侧车轮也能独立调整其离地高度,便于越过单侧障碍。

*优点:

(1)与基于蛇形、蠕动形管道机器人相比,本发明创新提出通过改变轮式管道机器人轮距的方式,使机器人能够兼顾管道攀爬和平地行走,能在两平行墙之间走,和攀爬异形管道。在越障和爬行等方面有比较明显的优势

(2)和一般用于平地行走的履带式、轮式机器人相比,本发明能独立改变单侧离地高度,便于越过单侧障碍;同时也能通过三维伸展实现悬空攀爬

(3)使用3D打印技术,实现机器人结构轻量一体化设计

*还需进一步研究的问题:

在未来,我们可以加入压力传感器检测车对管道的压力数值,从而实现自动适应管道。加入无线摄像头进行远程检测,加入ai视觉进行管道内杂物识别。实现管道内的转弯,变形状,自动搜索管内障碍物反馈到信息中心处。


作品图片


查新说明

*查新网址与关键词:

http://epub.cnipa.gov.cn

关键词1:管道and机器人and变径 找到3条相关专利

关键词2:管道and机器人and变轮距 找到0条相关专利

关键词3:管道and机器人and蜗轮蜗杆 找0条相关专利

关键词4:管道and机器人and检测 找到11条相关专利

关键词5:管道and机器人and搜索 找到0条相关专利

*与本发明最相近的发明专利、研究文献的名称与摘要:

2021214499398 一种变径管道检测机器人:

本实用新型属于管道检测机器人技术领域,尤其为一种变径管道检测机器人,包括由壳头、支撑部、壳中、壳尾所组成的外壳,所述支撑部的外表面通过螺栓与第一从动连接杆的一端连接,所述壳中上开设有限位槽,所述支撑部内侧两端设置有支撑连接杆,所述壳中的内设置有变径机构,通过旋转电机带动滚动丝杆转动,滚动丝杆驱动丝杆螺母前进后退,丝杆螺母上设置的连接块带动主动连接杆运作,使得主动连接杆带动第一从动连接杆、第二从动连接杆运动,从而实现变径管道机器人的变径,这样层级运作使得变径管道机器人变径起来更加简单方便,而且在不使用时便于保养、拆卸,更方便存放。