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专利号: 2023109504633
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人,其特征在于:其包括转动组件、动平台、Stewart机构以及静平台,所述转动组件与所述动平台的第一端连接,所述动平台的第二端与所述Stewart机构第一端连接,所述Stewart机构第二端分别与静平台连接;

所述转动组件包括第一变角结构、变径结构、转动组件输出轴以及防堵转底座,所述第一变角结构和变径结构在所述防堵转底座的外周均匀设置有多组,所述变径结构的第一端与所述防堵转底座连接,所述变径结构的第二端与所述第一变角结构连接,所述转动组件输出轴设置在所述防堵转底座上;

所述动平台包括交流减速电机、转动组件输出轴、联轴器、交流减速电机支架、虎克铰链安装板以及动平台底座,所述动平台底座与所述防堵转底座连接,所述交流减速电机安装在交流减速电机支架上,所述交流减速电机支架与虎克铰安装板均安装在动平台底座上,所述交流减速电机的输出轴通过联轴器与转动组件输出轴相连;

所述Stewart机构包括多组Stewart单元,每一组Stewart单元均包括虎克铰链、球铰链以及电推杆,所述虎克铰链的第一端与所述动平台连接,所述虎克铰链的第二端与所述电推杆的第一端连接,所述电推杆的第二端与所述球铰链的第一端连接,所述球铰链的第二端与所述静平台连接;

所述静平台包括第二变角结构、球铰链安装板以及静平台底座,所述第二变角结构与所述球铰链安装板在所述静平台底座的外周均匀设置有多组,所述球铰链安装板的第一端与所述静平台底座连接,所述球铰链安装板的第二端与所述第二变角结构连接;

所述第一变角结构和第二变角结构均包括行星减速电机、行星减速电机支架、联轴器、被动轮输出轴、被动轮轮架以及被动轮;所述行星减速电机安装在行星减速电机支架上,所述被动轮安装在被动轮轮架上,所述行星减速电机的输出轴通过联轴器与被动轮输出轴连接从而将扭矩传递到被动轮输出轴,被动轮输出轴与被动轮轮架连接,所述被动轮输出轴带动被动轮与机器人整体回转轴线的夹角进行改变,从而实现旋进与蠕动两种行进方式的切换;

所述变径结构包括弹簧、滑动部、挡板以及底座,所述弹簧安装在底座的内部,所述滑动部设置在所述弹簧上方并且在弹簧的支撑下能够在底座内部移动,所述挡板安装在底座末端用于对所述滑动部进行限位,借助于滑动部在底座内部的滑动能够改变转动组件的直径;

在旋进行进时,通过行星减速电机将第一变角结构的被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为45°,第二变角结构的被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为0°,动平台中的交流减速电机通过转动组件输出轴带动转动组件旋转,依靠被动轮与管道内壁之间产生的摩擦力分力前进;当机器人遇到障碍,无法实现旋进时,首先将第一变角结构中被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为0°,第二变角结构中被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为90°,依靠Stewart机构的伸缩将转动组件向前推动一定距离后,再将第一变角结构中被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为90°,第二变角结构中被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为0°,依靠Stewart机构的伸缩带动静平台向前移动一定距离,完成一个蠕动循环,重复上述蠕动循环,实现蠕动行进;

旋进运动中,在直管道中机器人行进速度v(m/s)的计算公式如下:

v=2πnR0tanα

式中,α为被动轮与机器人整体回转轴线的夹角;n(r/s)为交流减速电机的转速;

在弯管道中机器人行进速度v(m/s)的计算公式如下:

式中,φ为转动组件在管道中转过的角度,R为转子的半径,R0为弯管的半径,

2.根据权利要求1所述的基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人,其特征在于:所述防堵转底座设置有紧固螺钉,所述转动组件输出轴的第一端通过轴承安装在动平台底座的孔内,所述转动组件输出轴的第二端安装在防堵转底座的轴孔内,紧固螺钉安装在防堵转底座的螺纹通孔内,紧固螺钉末端与转动组件输出轴接触,通过拧紧紧固螺钉能够在两者接触面处产生摩擦力,借助于摩擦力将转动组件输出轴的扭矩传递至防堵转底座;若转动组件因障碍物堵转,则紧固螺钉与转动组件输出轴的接触面处发生相对滑动。

3.根据权利要求1所述的基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人,其特征在于:所述变径结构的第一端与所述防堵转底座之间、所述变径结构的第二端与所述第一变角结构之间、所述球铰链安装板的第一端与所述静平台底座之间以及所述球铰链安装板的第二端与所述第二变角结构之间均通过螺栓连接。

4.根据权利要求1所述的基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人,其特征在于:所述虎克铰链与电推杆之间通过销连接,所述电推杆与球铰链之间通过销连接,所述虎克铰链通过螺栓与虎克铰链安装板连接,所述球铰链3通过螺栓与球铰链安装板连接。

5.根据权利要求1所述的基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人,其特征在于:所述交流减速电机通过螺栓安装在交流减速电机支架上,交流减速电机支架通过螺栓安装在动平台底座上。

6.根据权利要求1所述的基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人,其特征在于:所述第一变角结构和变径结构在所述防堵转底座的外周均匀设置有三组。

7.根据权利要求1所述的基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人,其特征在于:所述第二变角结构与所述球铰链安装板在所述静平台底座的外周均匀设置有三组。

8.根据权利要求1所述的基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人,其特征在于:所述Stewart机构包括六组Stewart单元。

9.一种基于权利要求1所述的基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人的行进方法,其特征在于:其包括以下步骤:S1、在管道内旋进行进,通过行星减速电机将第一变角结构的被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为45°,第二变角结构的被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为0°,动平台中的交流减速电机通过转动组件输出轴带动转动组件旋转,依靠被动轮与管道内壁之间产生的摩擦力分力前进;

S2、当机器人遇到障碍,进行蠕动行进,其包括以下子步骤:

S21、将第一变角结构中被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为0°,第二变角结构中被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为90°,依靠Stewart机构的伸缩将转动组件向前推动一定距离;

S22、将第一变角结构中被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为90°,第二变角结构中被动轮与机器人自身回转轴线的夹角调整为0°,依靠Stewart机构的伸缩带动静平台向前移动一定距离,完成一个蠕动循环;

S23、重复步骤S21和步骤S22进行蠕动循环,实现蠕动行进;

S3、越过障碍后,恢复旋进行进。

10.根据权利要求9所述的基于Stewart机构的旋进与蠕动双重驱动管道检测机器人的行进方法,其特征在于:旋进行进的速度计算方法如下:在直管道中机器人行进速度v(m/s)的计算公式如下:

v=2πnR0tanα

式中,α为被动轮与机器人整体回转轴线的夹角;n(r/s)为交流减速电机的转速;

在弯管道中机器人行进速度v(m/s)的计算公式如下:

式中,φ为转动组件在管道中转过的角度,R为转子的半径,R0为弯管的半径,