一种对角升降式管道机器人的爬行方法

摘要

本发明公开了一种对角升降式管道机器人的爬行方法，属于机器人技术领域。该爬行方法实现管径或管道方向发生变化时的爬行步骤为：左上爬升机构和右上爬升机构的上爬行块和下爬行块脱离与管壁的接触；升降机构驱动上机身移动，远离或靠近下机身；升降机构停止工作，左上爬升机构和右上爬升机构的上爬行块和下爬行块重新压紧管壁；左下爬升机构和右下爬升机构的上爬行块和下爬行块脱离与管壁的接触；升降机构驱动下机身移动，靠近或远离上机身；升降机构停止工作，下爬升机构和右下爬升机构的上爬行块和下爬行块重新压紧管壁。本发明的爬行方法能够使管道机器人实现管径或管道方向发生变化时爬行，以适应不用的使用环境。

权利要求

1.一种对角升降式管道机器人的爬行方法，当遇到管径或管道方向发生变化时，通过以下方法步骤进行爬行：

①左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的上电机(503)和下电机(504)动作，驱动上连杆(502)和下连杆(506)分别顺时针和逆时针转动，使左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的上爬行块(501)和下爬行块(505)脱离与管壁的接触；

②升降机构工作，升降电机(4)通过丝杠螺母副(3)驱动上机身(1)移动，远离或靠近下机身(2)；

③升降机构停止工作，左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的上电机(503)和下电机(504)动作，驱动上连杆(502)和下连杆(506)分别逆时针和顺时针转动，同时，左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的摆动电机(508)动作，驱动摆动杆(507)转动，以配合上连杆(502)和下连杆(506)的转动，使左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的上爬行块(501)和下爬行块(505)重新压紧管壁；

④左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上电机(503)和下电机(504)动作，驱动上连杆(502)和下连杆(506)分别顺时针和逆时针转动，使左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上爬行块(501)和下爬行块(505)脱离与管壁的接触；

⑤升降机构工作，升降电机(4)通过丝杠螺母副(3)驱动下机身(2)移动，靠近或远离上机身(1)；

⑥升降机构停止工作，左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上电机(503)和下电机(504)动作，驱动上连杆(502)和下连杆(506)分别逆时针和顺时针转动，同时，左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上电机(503)和下电机(504)动作，左下爬升机构(5-

3)和右下爬升机构(5-4)的摆动电机(508)动作，驱动摆动杆(507)转动，以配合上连杆(502)和下连杆(506)的转动，使左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上爬行块(501)和下爬行块(505)重新压紧管壁；

上述采用的对角升降式管道机器人包括机身和爬升机构(5)；所述爬升机构(5)包括四个，分别由设置在机身四个拐角上的左上爬升机构(5-1)、右上爬升机构(5-2)、左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)组成；所述的爬升机构(5)包括上连杆(502)、上电机(503)、下电机(504)、下连杆(506)、摆动杆(507)和摆动电机(508)；所述摆动杆(507)的一端连接机身，并通过摆动电机(508)驱动；所述上电机(503)和下电机(504)都安装在摆动杆(507)的另一端，上电机(503)连接上连杆(502)的一端，下电机(504)连接下连杆(506)的一端；所述上连杆(502)的另一端连接有上爬行块(501)，下连杆(506)的另一端连接有下爬行块(505)。

2.根据权利要求1所述的一种对角升降式管道机器人的爬行方法，其特征在于：所述的机身包括通过升降机构连接的上机身(1)和下机身(2)，升降机构可控制上机身(1)和下机身(2)的相对运动，使上机身(1)和下机身(2)相靠近或远离；所述左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)位于上机身(1)上，左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)位于下机身(2)上；所述的升降机构包括丝杠螺母副(3)和升降电机(4)，上机身(1)和下机身(2)之间通过丝杠螺母副(3)连接，并通过升降电机(4)驱动；

在步骤①之前，通过以下步骤使上机身(1)和下机身(2)贴合到一起：

一、左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的上电机(503)和下电机(504)动作，驱动上连杆(502)和下连杆(506)分别顺时针和逆时针转动，使左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的上爬行块(501)和下爬行块(505)脱离与管壁的接触；

二、升降机构工作，升降电机(4)通过丝杠螺母副(3)驱动上机身(1)移动，使上机身(1)与下机身(2)相贴合；

三、升降机构停止工作，左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的上电机(503)和下电机(504)动作，驱动上连杆(502)和下连杆(506)分别逆时针和顺时针转动，使左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的上爬行块(501)和下爬行块(505)重新压紧管壁。

3.根据权利要求2所述的一种对角升降式管道机器人的爬行方法，其特征在于：步骤三中，在上电机(503)和下电机(504)动作之前或同时，左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)的摆动电机(508)动作，驱动摆动杆(507)转动，以配合上连杆(502)和下连杆(506)的转动，使上爬行块(501)和下爬行块(505)压紧管壁。

4.根据权利要求1所述的一种对角升降式管道机器人的爬行方法，其特征在于：

所述的机身包括通过升降机构连接的上机身(1)和下机身(2)，升降机构可控制上机身(1)和下机身(2)的相对运动，使上机身(1)和下机身(2)相靠近或远离；所述左上爬升机构(5-1)和右上爬升机构(5-2)位于上机身(1)上，左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)位于下机身(2)上；所述的升降机构包括丝杠螺母副(3)和升降电机(4)，上机身(1)和下机身(2)之间通过丝杠螺母副(3)连接，并通过升降电机(4)驱动；

在步骤①之前，通过以下步骤使上机身(1)和下机身(2)贴合到一起：

一、左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上电机(503)和下电机(504)动作，驱动上连杆(502)和下连杆(506)分别顺时针和逆时针转动，使左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上爬行块(501)和下爬行块(505)脱离与管壁的接触；

二、升降机构工作，升降电机(4)通过丝杠螺母副(3)驱动下机身(2)移动，使下机身(2)与上机身(1)贴合；

三、升降机构停止工作，左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上电机(503)和下电机(504)动作，驱动上连杆(502)和下连杆(506)分别逆时针和顺时针转动，使左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上爬行块(501)和下爬行块(505)重新压紧管壁。

5.根据权利要求4所述的一种对角升降式管道机器人的爬行方法，其特征在于：步骤三中，在左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的上电机(503)和下电机(504)动作之前或同时，左下爬升机构(5-3)和右下爬升机构(5-4)的摆动电机(508)动作，驱动摆动杆(507)转动，以配合上连杆(502)和下连杆(506)的转动，使上爬行块(501)和下爬行块(505)压紧管壁。

说明书

一种对角升降式管道机器人的爬行方法

[0001] 本申请是名称为：一种对角升降式管道机器人及其爬行方法，申请号为：201710656562.5，申请日为：2017年8月3日的发明专利申请的分案申请

技术领域

[0002] 本发明属于机器人技术领域，涉及用于管道检修、维护的机器人，更具体地说，涉及一种对角升降式管道机器人及其爬行方法。

背景技术

[0003] 在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛的应用。常年的应用使得管道的腐蚀和堵塞等情况越来越严重，这极易引起输送效率低下及管道损坏等各种危险，为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护，管道机器人为满足该需要而产生。

[0004] 管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。它属于特种作业机器人，其独特的行进和行动的方式方法为当今的管道内作业提供了较为先进和有创新性应用的选择。随着现代应用领域的拓宽，也随着现代制造技术水平提高，各个领域的应用都日益增多，由于管道作业环境的特殊性，有很多不能人工完成的作业，因此管道机器人将会成为重要的作业工具。

[0005] 目前管道内机器人存在以下问题：1、负载较小，由于工作方式的局限性，其负载较小，不能大负载情况下的操作；2、模式单一，机器人只能设定一种运行模式，不能根据外界环境、负载情况、运行速度情况，来更改运行模式，使得机器人的运用具有局限性。

[0006] 例如，中国专利申请号为：201610425656.7，公开日为：2016年10月12日的专利文献，公开了一种气动式管道机器人，包括伸缩模块和与伸缩模块连接的支撑模块；伸缩模块主要由驱动气缸和与驱动气缸连接的关节轴承构成，利用驱动气缸的伸缩来实现机器人的蠕动式行走，支撑模块由支撑气缸组产生推力，使机器人的支撑块与管壁压紧，支撑模块通过关节轴承中的球面副相对于伸缩模块可以绕动一个空间角度θ，并通过控制电磁阀的通断电时间实现有级调速功能。该机器人的“脚”即支撑杆可以通过添加不同长度的“加长脚”来改变“脚”的长度，以适应不同内径的管道，但是它的运行模式较为单一，采用气缸驱动的模式，其本身即需要气源，增加机器人本身重量，其负载能力较弱；如果出现意外漏气情况，机会发生坠落，安全性较低。

[0007] 例如，中国专利申请号为：201610812069.3，公开日为：2016年12月21日的专利文献，公开了一种管道机器人，包括机器人主体，该机器人主体上设置有用于在管道内工作的工作台，该管道机器人还包括设置在管道机器人主体上的车轮、与车轮连接的直角轮轴、设置直角轮轴与管道机器人主体之间的旋转机构，该直角轮轴包括相互垂直的第一轮轴和第二轮轴，该第一轮轴与旋转机构链接。该管道机器人根据管道为空心圆柱的特点，采用平设车轮，贴近管道最远的两端，实现稳定移动，同时通过旋转机构控制管道机器人在管道内转动，在管道弯折处还能稳定移动，但是其承载能力较弱，运行模式单一。

[0008] 因此，如何对现有的管道机器人进行改进，使其根据一方面能够适应管径，另一方面可根据不同的外界环境，调整运行模式，是本领域技术人员亟待解决的一个问题。

发明内容

[0009] 1、要解决的问题

[0010] 本发明提供一种多模式管道机器人，其目的在于解决现有管道机器人运行模式单一，不能有效根据外界环境调整爬行模式的问题。本发明的机器人对爬行的结构进行优化设计，可根据外界对于负载、速度的不同环境要求，选择不同的爬行模式，大大提高机器人适应能力。它不仅能够增大负载，而且可以减小机器人与管道之间的滑动，增大机器人的运行稳定性和安全性。本发明还提供该多模式管道机器人的三种不同爬行方法，实现了其三种不同工作模式。

[0011] 2、技术方案

[0012] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

[0013] 一种对角升降式管道机器人，包括机身和爬升机构，所述爬升机构包括四个，所述爬升机构包括四个，分别由设置在机身四个拐角上的左上爬升机构、右上爬升机构、左下爬升机构和右下爬升机构组成；所述的爬升机构包括上连杆、上电机、下电机、下连杆、摆动杆和摆动电机；所述摆动杆的一端连接机身，并通过摆动电机驱动；所述上电机和下电机都安装在摆动杆的另一端，上电机连接上连杆的一端，下电机连接下连杆的一端；所述上连杆的另一端连接有上爬行块，下连杆的另一端连接有下爬行块。

[0014] 上述一种对角升降式管道机器人的爬行方法，其操作步骤为：

[0015] ①左上爬升机构的上连杆在上电机的驱动作用下逆时针转动，右下爬升机构的上连杆在上电机的驱动作用下顺时针转动；同时，右上爬升机构的摆动杆在摆动电机驱动作用下顺时针转动，上连杆在上电机的驱动作用下逆时针转动，而左下爬升机构的摆动杆在摆动电机驱动作用下逆时针转动，上连杆在上电机的驱动作用下顺时针转动；此时，机身上端向右扭动，机身下端向左扭动，机身轴线与管道轴线呈夹角β，机身的重心向右上方偏移；

[0016] 此步骤中，左上爬升机构和右下爬升机构的下连杆在下电机的驱动作用下分别逆时针和顺时针转动，使下爬行块逐渐脱离管壁；左下爬升机构和右上爬升机构的下连杆在下电机的驱动作用下分别逆时针和顺时针转动，使下爬行块逐渐脱离管壁；

[0017] ②当左上爬升机构的上连杆转动到与管道轴线垂直时，β角度达到最大；此时，左上爬升机构和右下爬升机构继续动作；而右上爬升机构的摆动杆在摆动电机驱动作用下反向开始逆时针转动，上连杆在上电机的驱动作用下反向开始顺时针转动；左下爬升机构的摆动杆在摆动电机驱动作用下反向开始顺时针转动，上连杆在上电机的驱动作用下反向开始逆时针转动；β角度逐渐减小，直至机身轴线与管道轴线重合，机身重心沿管道轴线方向向上移动一段距离H；此时，左上爬升机构和右下爬升机构的上连杆转动到与其初始位置对称的位置；

[0018] 此步骤中，左上爬升机构、右上爬升机构、左下爬升机构和右下爬升机构的下连杆继续转动，当机身轴线与管道轴线重合时，爬升机构的下爬行块重新与管壁接触压紧，且下连杆已位于上连杆的上方，上连杆和下连杆实现了位置的交替；

[0019] ③在右上爬升机构和左下爬升机构的下爬行块压紧管壁后，右上爬升机构的下连杆继续顺时针转动，左下爬升机构的下连杆继续逆时针转动，而右上爬升机构和左下爬升机构的摆动电机驱动停止动作，摆动杆停止转动；同时，左上爬升机构和右下爬升机构的下爬行块压紧管壁后，左上爬升机构的下连杆继续顺时针转动，左上爬升机构的摆动电机开始动作，驱动摆动杆逆时针转动，而右下爬升机构的下连杆继续逆时针转动，右下爬升机构的摆动电机开始动作，驱动摆动杆顺时针转动；此时，机身上端向左扭动，机身下端向右扭动，机身轴线与管道轴线的夹角β逐渐增大，机身的重心向左上方偏移；

[0020] 此步骤中，左上爬升机构和左下爬升机构的上连杆在上电机的驱动作用下继续逆时针转动，使上爬行块逐渐远离管壁；右上爬升机构和右下爬升机构的上连杆在上电机的驱动作用下继续顺时针转动，使上爬行块逐渐脱离管壁；

[0021] ④当右上爬升机构的下连杆转动到与机身垂直时，β角度再次达到最大；此时，右上爬升机构和左下爬升机构继续动作；而左上爬升机构的摆动杆在摆动电机驱动作用下反向开始顺时针转动，下连杆在下电机的驱动作用下反向开始逆时针转动；右下爬升机构的摆动杆在摆动电机驱动作用下反向开始逆时针转动，下连杆在下电机的驱动作用下反向开始顺时针转动；β角度逐渐减小，直至机身轴线与管道轴线重合，机身重心沿管道轴线方向向上移动H距离；此时，右上爬升机构和左下爬升机构的下连杆转动初始位置状态；

[0022] 此步骤中，左上爬升机构、右上爬升机构、左下爬升机构和右下爬升机构的上连杆继续转动，当机身轴线与管道轴线重新重合时，爬升机构的上爬行块重新与管壁接触压紧，且上连杆再次位于下连杆的上方；此时，机器人已恢复到步骤①前的初始状态；

[0023] ⑤重复上述步骤①至④，实现机器人在管道内的持续爬行。

[0024] 作为进一步改进，所述的机身包括通过升降机构连接的上机身和下机身，升降机构可控制上机身和下机身的相对运动，使上机身和下机身相靠近或远离；所述左上爬升机构和右上爬升机构位于上机身上，左下爬升机构和右下爬升机构位于下机身上；所述的升降机构包括丝杠螺母副和升降电机，上机身和下机身之间通过丝杠螺母副连接，并通过升降电机驱动；

[0025] 在步骤①之前，通过以下步骤使上机身和下机身贴合到一起：

[0026] 一、左上爬升机构和右上爬升机构的上电机和下电机动作，驱动上连杆和下连杆分别顺时针和逆时针转动，使左上爬升机构和右上爬升机构的上爬行块和下爬行块脱离与管壁的接触；

[0027] 二、升降机构工作，升降电机通过丝杠螺母副驱动上机身移动，使上机身与下机身相贴合；

[0028] 三、升降机构停止工作，左上爬升机构和右上爬升机构的上电机和下电机动作，驱动上连杆和下连杆分别逆时针和顺时针转动，使左上爬升机构和右上爬升机构的上爬行块和下爬行块重新压紧管壁。

[0029] 作为进一步改进，步骤三中，在上电机和下电机动作之前或同时，左上爬升机构和右上爬升机构的摆动电机动作，驱动摆动杆转动，以配合上连杆和下连杆的转动，使上爬行块和下爬行块压紧管壁。

[0030] 作为进一步改进，所述的机身包括通过升降机构连接的上机身和下机身，升降机构可控制上机身和下机身的相对运动，使上机身和下机身相靠近或远离；所述左上爬升机构和右上爬升机构位于上机身上，左下爬升机构和右下爬升机构位于下机身上；所述的升降机构包括丝杠螺母副和升降电机，上机身和下机身之间通过丝杠螺母副连接，并通过升降电机驱动；

[0031] 在步骤①之前，通过以下步骤使上机身和下机身贴合到一起：

[0032] 一、左下爬升机构和右下爬升机构的上电机和下电机动作，驱动上连杆和下连杆分别顺时针和逆时针转动，使左下爬升机构和右下爬升机构的上爬行块和下爬行块脱离与管壁的接触；

[0033] 二、升降机构工作，升降电机通过丝杠螺母副驱动下机身移动，使下机身与上机身贴合；

[0034] 三、升降机构停止工作，左下爬升机构和右下爬升机构的上电机和下电机动作，驱动上连杆和下连杆分别逆时针和顺时针转动，使左下爬升机构和右下爬升机构的上爬行块和下爬行块重新压紧管壁。

[0035] 作为进一步改进，步骤三中，在左下爬升机构和右下爬升机构的上电机和下电机动作之前或同时，左下爬升机构和右下爬升机构的摆动电机动作，驱动摆动杆转动，以配合上连杆和下连杆的转动，使上爬行块和下爬行块压紧管壁。

[0036] 一种对角升降式管道机器人的爬行方法，其操作步骤为：

[0037] 首先，将上机身和下机身贴合到一起；

[0038] 在未遇到管径或管道方向变化时，采用上述的对角升降式方法进行爬行；

[0039] 当遇到管径或管道方向发生变化时，切换到如下方法进行爬行：

[0040] ①左上爬升机构和右上爬升机构的上电机和下电机动作，驱动上连杆和下连杆分别顺时针和逆时针转动，使左上爬升机构和右上爬升机构的上爬行块和下爬行块脱离与管壁的接触；

[0041] ②升降机构工作，升降电机通过丝杠螺母副驱动上机身移动，远离或靠近下机身；

[0042] ③升降机构停止工作，左上爬升机构和右上爬升机构的上电机和下电机动作，驱动上连杆和下连杆分别逆时针和顺时针转动，同时，左上爬升机构和右上爬升机构的摆动电机动作，驱动摆动杆转动，以配合上连杆和下连杆的转动，使左上爬升机构和右上爬升机构的上爬行块和下爬行块重新压紧管壁；

[0043] ④左下爬升机构和右下爬升机构的上电机和下电机动作，驱动上连杆和下连杆分别顺时针和逆时针转动，使左下爬升机构和右下爬升机构的上爬行块和下爬行块脱离与管壁的接触；

[0044] ⑤升降机构工作，升降电机通过丝杠螺母副驱动下机身移动，靠近或远离上机身；

[0045] ⑥升降机构停止工作，左下爬升机构和右下爬升机构的上电机和下电机动作，驱动上连杆和下连杆分别逆时针和顺时针转动，同时，左下爬升机构和右下爬升机构的上电机和下电机动作，左下爬升机构和右下爬升机构的摆动电机动作，驱动摆动杆转动，以配合上连杆和下连杆的转动，使左下爬升机构和右下爬升机构的上爬行块和下爬行块重新压紧管壁；

[0046] 当越过管径或管道方向变化处时，再切换回上述的对角升降式方法进行爬行。

[0047] 3、有益效果

[0048] 相比于现有技术，本发明的有益效果为：

[0049] (1)本发明管道机器人，在爬升或下降的过程中，利用上爬行块、下爬行块与管道内壁之间的静摩擦力来实现机器人的爬升，传统的机器人大都采用滚轮来完成爬升，由于滚轮与管道之间产生滚动，其利用动摩擦力来完成机器人的爬升，由于静摩擦力不仅比动摩擦力大，而且不容易产生滑动，因此本发明不仅能够增大负载，而且可以减小机器人与管道之间的滑动，增大了机器人的安全性。

[0050] (2)本发明管道机器人，运动步态采用仿生学原理，模仿动物界爬升的规律，利用不同的步态来实现不同环境下的爬行模式，不仅使得爬升更为可靠，而且能根据具体情况选择运动模式，增大了机器人对于环境与任务的适应性，增大了其应用范围，为特定场合下的使用提供了可能性。

[0051] (3)本发明管道机器人，其与管壁的固定采用仿生学原理设计，模仿壁虎与墙面的固定模式，以增大与墙面的接触面积来增大于墙面的附着力，利用多个上爬行块、下爬行来提高了机器人与墙面的附着力，不仅提高了机器人的负载，而且增大了安全性。

附图说明

[0052] 图1为本发明多模式管道机器人的爬升状态结构示意图；

[0053] 图2为本发明多模式管道机器人的爬行机构示意图；

[0054] 图3为图2中M-M的剖视示意图；

[0055] 图4为图2中N-N的剖视示意图。

[0056] 附图中的标号分别表示为：

[0057] 1、上机身；2、下机身；3、丝杠螺母副；4、升降电机；5、爬行机构；5-1、左上爬升机构；5-2、右上爬升机构；5-3、左下爬升机构；5-4、右下爬升机构；501、上爬行块；502、上连杆；503、上电机；504、下电机；505、下爬行块；506、下连杆；507、摆动杆；508、摆动电机。

具体实施方式

[0058] 下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

[0059] 实施例1

[0060] 如图1所示，本实施例一种多模式管道机器人，包括机身和爬升机构5；其中，爬升机构5用于支撑机身，并驱动机身在管道中运动。有别于传统的机器人大都采用滚轮与管壁之间产生滚动摩擦来完成爬升的结构，本实施例采用的是静摩擦形式，主要通过对爬升机构5优化设计得到。具体地，爬升机构5包括四个，分别由设置在机身的上下左右四个拐角上的左上爬升机构5-1、右上爬升机构5-2、左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4组成，它们结构相同，通过四个爬升机构5的相互配合，完成机器人在管道中的攀爬动作。下面对爬升机构5的结构进行详细说明。

[0061] 结合图2至图4所示，爬升机构5包括上连杆502、上电机503、下电机504、下连杆506、摆动杆507和摆动电机508；其中，摆动杆507的一端连接机身，并通过摆动电机508驱动；上电机503和下电机504都安装在摆动杆507的另一端，上电机503连接上连杆502的一端，下电机504连接下连杆506的一端；上连杆502的另一端连接有上爬行块501，下连杆506的另一端连接有下爬行块505，上爬行块501和下爬行块505用于机器人在管道爬行中与管壁接触支撑。

[0062] 本实施例的多模式管道机器人，在爬行过程中，利用上爬行块501、下爬行块505与管道内壁之间的静摩擦力来实现机器人的爬升，相比传统的机器人大都采用滚轮来完成爬升，由于滚轮与管道之间产生滚动，其利用动摩擦力来完成机器人的爬升，由于静摩擦力不仅比动摩擦力大，而且不容易产生滑动，因此，本实施例的机器人不仅能够增大负载，而且可以减小机器人与管道之间的滑动，增大了机器人的安全性。

[0063] 实施例2

[0064] 通过实施例1的多模式管道机器人，可实现机器人在管道内的攀爬动作，而且它可采用不同的步态来实现不同环境下的爬行模式。本实施例提供一种管道机器人的爬行方法，采用对角升降模式步态完成爬行动作，此模式类似于动物，如蜥蜴的对角爬行，此过程中，左上爬升机构5-1和右下爬升机构5-4同步工作，右上爬升机构5-2和左下爬升机构5-3同步工作，对角配合动作，实现攀爬。此模式主要运用在小负载、低运动的情况。下面对该方法的步骤进行详细说明。

[0065] 该对角升降式管道机器人的爬行方法，其操作步骤为：

[0066] ①左上爬升机构5-1的上连杆502在上电机503的驱动作用下逆时针转动，右下爬升机构5-4的上连杆502在上电机503的驱动作用下顺时针转动，左上爬升机构5-1和右下爬升机构5-4的摆动电机508不动作，摆动杆507不转动；同时，右上爬升机构5-2的摆动杆507在摆动电机508驱动作用下顺时针转动，上连杆502在上电机503的驱动作用下逆时针转动，而左下爬升机构5-3的摆动杆507在摆动电机508驱动作用下逆时针转动，上连杆502在上电机503的驱动作用下顺时针转动；此时，机身上端向右扭动，机身下端向左扭动，机身轴线与管道轴线呈夹角β，机身的重心向右上方偏移；

[0067] 此步骤中，左上爬升机构5-1和右下爬升机构5-4的下连杆506在下电机504的驱动作用下分别逆时针和顺时针转动，使下爬行块505逐渐脱离管壁；左下爬升机构5-3和右上爬升机构5-2的下连杆506在下电机504的驱动作用下分别逆时针和顺时针转动，使下爬行块505逐渐脱离管壁；

[0068] ②当左上爬升机构5-1的上连杆502转动到与管道轴线垂直时，β角度达到最大；此时，左上爬升机构5-1和右下爬升机构5-4继续动作；而右上爬升机构5-2的摆动杆507在摆动电机508驱动作用下反向开始逆时针转动，上连杆502在上电机503的驱动作用下反向开始顺时针转动；左下爬升机构5-3的摆动杆507在摆动电机508驱动作用下反向开始顺时针转动，上连杆502在上电机503的驱动作用下反向开始逆时针转动；β角度逐渐减小，直至机身轴线与管道轴线重合，机身重心沿管道轴线方向向上移动一段距离H，且H等于上爬行块501和下爬行块505之间的距离，也就是上连杆502和下连杆506与管壁形成的等腰三角形的底边，若上连杆502和下连杆506的长度为L，之间夹角为α，则 此时，左上爬升机构5-1和右下爬升机构5-4的上连杆502转动到与其初始位置对称的位置；

[0069] 此步骤中，左上爬升机构5-1、右上爬升机构5-2、左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的下连杆506继续转动，当机身轴线与管道轴线重合时，爬升机构5的下爬行块505重新与管壁接触压紧，且下连杆506已位于上连杆502的上方，上连杆502和下连杆506实现了位置的交替；

[0070] ③在右上爬升机构5-2和左下爬升机构5-3的下爬行块505压紧管壁后，右上爬升机构5-2的下连杆506继续顺时针转动，左下爬升机构5-3的下连杆506继续逆时针转动，而右上爬升机构5-2和左下爬升机构5-3的摆动电机508驱动停止动作，摆动杆507停止转动；同时，左上爬升机构5-1和右下爬升机构5-4的下爬行块505压紧管壁后，左上爬升机构5-1的下连杆506继续顺时针转动，左上爬升机构5-1的摆动电机508开始动作，驱动摆动杆507逆时针转动，而右下爬升机构5-4的下连杆506继续逆时针转动，右下爬升机构5-4的摆动电机508开始动作，驱动摆动杆507顺时针转动；此时，机身上端向左扭动，机身下端向右扭动，机身轴线与管道轴线的夹角β逐渐增大，机身的重心向左上方偏移；

[0071] 此步骤中，左上爬升机构5-1和左下爬升机构5-3的上连杆502在上电机503的驱动作用下继续逆时针转动，使上爬行块501逐渐远离管壁；右上爬升机构5-2和右下爬升机构5-4的上连杆502在上电机503的驱动作用下继续顺时针转动，使上爬行块501逐渐脱离管壁；

[0072] ④当右上爬升机构5-2的下连杆506转动到与机身垂直时，β角度再次达到最大；此时，右上爬升机构5-2和左下爬升机构5-3继续动作；而左上爬升机构5-1的摆动杆507在摆动电机508驱动作用下反向开始顺时针转动，下连杆506在下电机504的驱动作用下反向开始逆时针转动；右下爬升机构5-4的摆动杆507在摆动电机508驱动作用下反向开始逆时针转动，下连杆506在下电机504的驱动作用下反向开始顺时针转动；β角度逐渐减小，直至机身轴线与管道轴线重合，机身重心沿管道轴线方向向上移动H距离；此时，右上爬升机构5-2和左下爬升机构5-3的下连杆506转动初始位置状态；

[0073] 此步骤中，左上爬升机构5-1、右上爬升机构5-2、左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的上连杆502继续转动，当机身轴线与管道轴线重新重合时，爬升机构5的上爬行块501重新与管壁接触压紧，且上连杆502再次位于下连杆506的上方；此时，机器人已恢复到步骤①前的初始状态；

[0074] ⑤重复上述步骤①至④，实现机器人在管道内的持续爬行。

[0075] 实施例3

[0076] 本实施例一种多模式管道机器人，在实施例1的机器人结构基础上进行了优化改进，通过将机身采用分体设计，并加入升降机构，从而增加机器人的运动步态模式，增强机器人对不同使用环境的适应能力。

[0077] 结合图1所示，本实施例中，机身主要由通过升降机构连接的上机身1和下机身2组成，升降机构可控制上机身1和下机身2的相对运动，使上机身1和下机身2相靠近或远离，从而将机身分成可活动的两部分。其中，左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2位于上机身1上，左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4位于下机身2上。

[0078] 升降机构的结构有多种选择，只要能够实现上机身1和下机身2的相对运动即可。本实施例中，升降机构包括丝杠螺母副3和升降电机4，上机身1和下机身2之间通过丝杠螺母副3连接，并通过升降电机4驱动。

[0079] 该机器人不仅可实现实施例2的对角升降模式爬行，还可实现交替升降和整体升降模式爬行模式，能够适应不同的负载、速度、管径和管道方向变化，大大增强机器人的适应能力。后面的实施例会对其它步态模式进行详细说明。

[0080] 实施例4

[0081] 通过实施例2的多模式管道机器人，可实现机器人在管道内的攀爬动作，具有多种爬行模式可供选择，本实施例提供一种交替升降爬行模式，主要运用在大负载、低速运动的情况。下面对该方法的步骤进行详细说明。

[0082] 本实施例交替升降式管道机器人的爬行方法，其操作步骤为：

[0083] ①左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2的上电机503和下电机504动作，驱动上连杆502和下连杆506分别顺时针和逆时针转动，使左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2的上爬行块501和下爬行块505脱离与管壁的接触；

[0084] ②升降机构工作，升降电机4通过丝杠螺母副3驱动上机身1移动，远离或靠近下机身2；

[0085] ③升降机构停止工作，左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2的上电机503和下电机504动作，驱动上连杆502和下连杆506分别逆时针和顺时针转动，使左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2的上爬行块501和下爬行块505重新压紧管壁；

[0086] ④左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的上电机503和下电机504动作，驱动上连杆502和下连杆506分别顺时针和逆时针转动，使左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的上爬行块501和下爬行块505脱离与管壁的接触；

[0087] ⑤升降机构工作，升降电机4通过丝杠螺母副3驱动下机身2移动，靠近或远离上机身1；

[0088] ⑥升降机构停止工作，左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的上电机503和下电机504动作，驱动上连杆502和下连杆506分别逆时针和顺时针转动，使左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的上爬行块501和下爬行块505重新压紧管壁；

[0089] ⑦重复上述步骤①至⑥，上机身1和下机身2交替移动，实现机器人在管道内的爬行。

[0090] 实施例5

[0091] 本实施例提供一种交替升降式管道机器人的爬行方法，在实施例4的基础上进一步改进，其不仅适用于大负载、低速运动的情况，而且能够适应管径和弯曲管道的爬行。该方法与实施例4的方法基本相同，所不同之处主要有以下两点：

[0092] 一、步骤③中，在上电机503和下电机504动作之前或同时，左上爬升机构5-1和右上爬升机构5-2的摆动电机508动作，驱动摆动杆507转动，以配合上连杆502和下连杆506的转动，使上爬行块501和下爬行块505压紧管壁。此步骤，在上机身1进入管径变化或方向变化的管道中时，可通过摆动杆507、上连杆502和下连杆506的配合适应此变化。

[0093] 二、步骤⑥中，在左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的上电机503和下电机504动作之前或同时，左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的摆动电机508动作，驱动摆动杆507转动，以配合上连杆502和下连杆506的转动，使上爬行块501和下爬行块505压紧管壁。
此步骤在上机身1已经进入直径变化的管道或方向变化的管道后，下机身2再次进入时的动作，也是通过摆动杆507、上连杆502和下连杆506的配合适应此变化。

[0094] 需要说明的是，本实施例的方法，其要求管道在方向变化时，其弯曲的曲率半径不能太大，否则机身将难以越过，这当然对机器人的体积有所要求，在使用时根据实际情况确定。

[0095] 实施例6

[0096] 通过实施例1的多模式管道机器人，可实现机器人在管道内的攀爬动作，具有多种爬行模式可供选择，本实施例提供一种整体升降爬行步态模式，主要运用在震动明显，需要快速移动等特殊情况。此步态与对角升降步态类似，当不同的是该步态中，四个爬升机构5同时工作。下面对该方法的步骤进行详细说明。

[0097] ①左上爬升机构5-1、右上爬升机构5-2、左下爬升机构5-3和右下爬升机构5-4的摆动电机508和上电机503同时动作，驱动左上爬升机构5-1和左下爬升机构5-3的摆动杆507和上连杆502均逆时针转动，右上爬升机构5-2和右下爬升机构5-4的摆动杆507和上连杆502均顺时针转动，机身沿管道轴向移动；

[0098] 此步骤中，四个爬升机构5的下电机504动作，驱动下连杆506逆时针转动，使下爬行块505逐渐脱离管壁；

[0099] ②当四个爬升机构5的上连杆502旋转到与管道轴线垂直的位置时，摆动杆507转动到极限位置，此时，四个爬升机构5的上连杆502继续转动，而摆动杆507在摆动电机508的驱动作用下，开始反向转动；

[0100] ③当四个爬升机构5的上连杆502反转到与其初始位置对称的位置时，四个爬升机构5的摆动杆507也反转到初始位置，而四个爬升机构5的下连杆506在下电机504的驱动作用下，使下爬行块505重新压紧管壁；此时，上连杆502和下连杆506的位置相互交替，下爬行块505位于上爬行块501上方，机身重心沿管道轴线移动一段距离，该距离等于上爬行块501和下爬行块505之间的间距；

[0101] ④重复上述步骤①至③，四个爬升机构5的上爬行块501和下爬行块505沿管道轴线交替压紧或脱离管壁，实现机器人沿管道的移动。

[0102] 实施例7

[0103] 通过实施例2的多模式管道机器人，实现机器人在管道的爬行，提供了一种爬行方法，其是结合实施例2的方法和实施例5的方法与一体，能够适应管径或管道方向的变化。下面进行简单叙述。

[0104] 首先，在爬行之前，通过实施例5中的步骤①至③或步骤④至⑥使上机身1和下机身2贴合到一起；因为如果上机身1和下机身2分离，上侧两个爬升机构5距离下面两个爬升机构5较远，在采用对角升降模式爬行时，其对于管壁的附着难度较高，在爬行过程中具有滑落的危险，因此，爬行前完成此动作；然后，在管径或管道方向未发生变化时，采用实施例2的对角爬行模式进行爬行；当遇到管径或管道方向发生变化时，此时，切换成实施例5的交替升降爬行模式；在越过管径或管道方向变化处后，再切回对角升降模式爬行模式。

[0105] 实施例8

[0106] 通过实施例2的多模式管道机器人，实现机器人在管道的爬行，提供了一种爬行方法，其是结合实施例5的方法和实施例6的方法与一体，能够适应管径或管道方向的变化。下面进行简单叙述。

[0107] 首先，在爬行之前，通过实施例5中的步骤①至③或步骤④至⑥使上机身1和下机身2贴合到一起；然后，在管径或管道方向未发生变化时，采用实施例6的整体升降爬行模式进行爬行；当遇到管径或管道方向发生变化时，此时，切换成实施例5的交替升降爬行模式；在越过管径或管道方向变化处后，再切回整体升降爬行模式。

[0108] 本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。