CN107990085B - 多姿态可变径管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多姿态可变径管道机器人，包括车轮、电机、主控仓、机械腿和摄像头，主控仓位于机器人中心，主控仓外壳为半球体结构，在主控仓上沿中心对称的设有若干机械腿；机械腿包括连接在主控仓外壳半球体结构上的连接架，连接架另一端连接活动块，活动块与车轮中心的控制块相连，在控制块上设有控制车轮转动的电机；在活动块与控制块之间设有联轴器；连接架与活动块之间设有连杆和弹簧两个并列的连接结构；在连杆内设有舵机，舵机与车轮上的电机相连；舵机和电机通过连接架及连杆内的线路与主控仓连接，主控仓内设有处理器和驱动的控制芯片。本发明的管道机器人具有自主差动特性和自适应变径特性。

Description

多姿态可变径管道机器人

技术领域

本发明涉及管道机器人领域，具体涉及一种多姿态可变径管道机器人。

背景技术

管道机器人技术自上个世纪50年代开始慢慢兴起，管道机器人研究是特种机器人的研究分支之一，是工作于管道内特定空间有多种传感器(如CCD传感器、红外传感器等)、检测设备(如超声检测仪、涡流检测仪、激光扫描仪、红外热像仪、机械手等)及作业装置(如喷枪、焊枪等)，在操作人员的远程遥控或机器人自身计算机控制系统的操纵下，用来完成管道内部的缺陷检测、防腐涂层的涂敷、管壁的清洁、管内修复等任务。

研究并设计具有实际工程化应用价值的管道机器人能够极大地提高了管内检测和管内作业的准确性和可靠性，提高工作效率，使得人们可以对各类管线采用非挖掘和拆分的方式来进行探测及修复。由于管道内部的空间有限、结构环境较为复杂,因此管道机器人自身的变径能力、越障能力及驱动能力成为了影响机器人综合性能的重要指标，是机器人能否在管道内部适用不同外部环境，完成各项任务的关键所在。设计变径范围大、环境适应性强、灵活性好、越障能力强的结构，是实现机器人管内高效作业的必要条件。机器人在管道内部运行可以有多种运动方式，主要类型有轮式、履带式、蠕动式、螺旋驱动式、行走式、介质压差式、蛇形式等类型。

为了使机器人能够拥有较长的作业距离，要求所设计的管道机器人具备以下性能：①环境适应能力好；②驱动效率高；③结构紧凑；功率体积比大；④移动速度较快；⑤运行平稳。圆柱形的管道在管道运输中应用最为普遍，其中适应圆柱形管道的机器人运动方式多以轮式、履带式和旋转驱动式这三种类型为主，其中又以轮式最为常见。

发明内容

为了实现机器人在管道内部的高效行进，本发明提供了一种采用单电机进行驱动并具有自主差动特性和自适应变径特性的管道机器人。该机器人在弯管中行进时，可以经由差动机构自主调节各个驱动轮的转速，进而消除驱动轮与管壁之间的相对滑动；当机器人在管道内部运行中遭遇管径尺寸变化时，机器人能够利用变径机构来适应外部环境的改变，进而提高了机器人在管道中运行的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种多姿态可变径管道机器人，包括车轮、电机、主控仓、机械腿和摄像头，所述主控仓位于机器人中心，所述主控仓外壳为半球体结构，在所述主控仓上沿中心对称的设有若干机械腿；所述机械腿包括连接在主控仓外壳半球体结构上的连接架，所述连接架另一端连接活动块，所述活动块与车轮中心的控制块相连，在所述控制块上设有控制车轮转动的电机；在所述活动块与控制块之间设有联轴器；所述连接架与活动块之间设有连杆和弹簧两个并列的连接结构；在所述连杆内设有舵机，所述舵机与车轮上的电机相连；所述舵机和所述电机通过连接架及连杆内的线路与主控仓连接，所述主控仓内设有处理器和驱动的控制芯片。

进一步的，所述主控仓的芯片搭载有Steam32和树莓派作为处理器。

进一步的，在所述主控仓上设有摄像头和传感器。

进一步的，所述连杆为中部具有弯折关节的两个相同长度的杆件组成。

进一步的，所述车轮具有表面凹凸增强摩擦力的轮胎。

本发明中，驱动控制芯片根据处理器给的由传感器反馈的信号来调整电机的转速，同时反馈信号的输出会由中心控制芯片同时传递给舵机，对舵机实施不同环境情况下的调控。舵机的转动可以带动电机的角度调整从而通过联轴器完成对车轮角度控制。同时舵机的转动可由旋转运动通过连杆结构使活动块做直线运动，来增加变径的可行性。

舵机放于连动的杆件中，对弹簧的拉伸整个机械腿部分实现长度的控制，机械腿的控制也同时需要轮胎的摩擦力作为支撑。弹簧的压缩可以缩短机械腿长度，同时弹簧也会根据形变给出相应的弹力来作为机器人轮胎给管道壁的压力增大摩擦力。

有益效果：

本发明的管道机器人在机器人的机械结构做出了改进和创新，通过对机械腿和电机的连接方式的改进，使用舵机改变电机驱动的方向和角度来用螺旋的方式实现机器人自主的垂直管道上升：将舵机转到指定角度，借助弹簧进一步加大卡紧管壁的力，当确保机器人完全卡紧时可即可开始攀爬。若发现机器人快速移动(下坠)就立即将舵机角度转到使电机水平强行制动，稳定以后在通过逐步释放舵机角度度寻找到移动和不滑动的平衡点。同时自体旋转和弹簧的设计也兼顾解决了：机器人可以适应多管径的管道，在管道内遇到大型污物无法越过导致机器人停滞检修工作的问题。弹簧的设计主要目的是以弥补现有管道机器人在对管径大小适应方面的不足，目前管道机器人大多以固定的结构方式，无法进入比其自身小的管道中，弹簧、和舵机的搭配，实现了在受力上面的不足，这样更有利于达到多姿态的管道行走方式的目的。

附图说明

图1：本发明的原理示意图。

图2：多姿态可变径管道机器人的结构示意图。

图3：多姿态可变径管道机器人的俯视结构示意图。

图4：车轮处的结构放大图。

图5：连杆处的结构放大图。

图中：1-车轮，2-联轴器，3-弹簧，4-电机，5-主控仓，6-连杆，7-舵机，8-机械腿，9-摄像头，10-连接架，11-控制块，12-活动块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种多姿态可变径管道机器人，包括车轮1、电机4、主控仓5、机械腿8和摄像头9，所述主控仓5位于机器人中心，所述主控仓5外壳为半球体结构，在所述主控仓5上沿中心对称的设有若干机械腿8。

所述机械腿8包括连接在主控仓5外壳半球体结构上的连接架10，所述连接架10另一端连接活动块12，所述活动块12与车轮1中心的控制块11相连，在所述控制块11上设有控制车轮1转动的电机4。

在所述活动块12与控制块11之间设有联轴器2；所述连接架10与活动块12之间设有连杆6和弹簧3两个并列的连接结构；在所述连杆6内设有舵机7，所述舵机7与车轮1上的电机4相连。

所述舵机7和所述电机4通过连接架10及连杆6内的线路与主控仓5连接，所述主控仓5内设有处理器和驱动的控制芯片。

所述主控仓5的为单片机芯片，搭载有Steam32和树莓派作为处理器。在所述主控仓5上设有摄像头9和传感器。所述主控仓5可以通过无线信号连接装置与PC机或其他智能终端连接。

所述连杆6为中部具有弯折关节的两个相同长度的杆件组成。

所述车轮1具有表面凹凸增强摩擦力的轮胎。

本发明中，驱动控制芯片根据处理器给的由传感器反馈的信号来调整电机4的转速，同时反馈信号的输出会由中心控制芯片同时传递给舵机7，对舵机7实施不同环境情况下的调控。

舵机7的转动可以带动电机4的角度调整从而通过联轴器2完成对车轮1角度控制。同时舵机7的转动可由旋转运动通过连杆6结构使活动块做直线运动，来增加变径的可行性。

舵机7放于连动的杆件6中，对弹簧3的拉伸整个机械腿部分实现长度的控制，机械腿的控制也同时需要轮胎1的摩擦力作为支撑。弹簧3的压缩可以缩短机械腿长度，同时弹簧3也会根据形变给出相应的弹力来作为机器人轮胎1给管道壁的压力增大摩擦力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多姿态可变径管道机器人，其特征在于：包括车轮(1)、电机(4)、主控仓(5)、机械腿(8)和摄像头(9)，所述主控仓(5)位于机器人中心，所述主控仓(5)外壳为半球体结构，在所述主控仓(5)上沿中心对称的设有若干机械腿(8)；所述机械腿(8)包括连接在主控仓(5)外壳半球体结构上的连接架(10)，所述连接架(10)另一端连接活动块(12)，所述活动块(12)与车轮(1)中心的控制块(11)相连，在所述控制块(11)上设有控制车轮(1)转动的电机(4)；在所述活动块(12)与控制块(11)之间设有联轴器(2)；所述连接架(10与活动块(12)之间设有连杆(6)和弹簧(3)两个并列的连接结构；在所述连杆(6)内设有舵机(7) ，所述舵机(7)与车轮(1)上的电机(4)相连；所述舵机(7)和所述电机(4)通过连接架(10)及连杆(6)内的线路与主控仓(5)连接，所述主控仓(5)内设有处理器和驱动的控制芯片；所述连杆(6)为中部具有弯折关节的两个相同长度的杆件组成；所述车轮(1)具有表面凹凸增强摩擦力的轮胎。

2.根据权利要求1所述的多姿态可变径管道机器人，其特征在于：所述主控仓(5)的芯片搭载有Steam32和树莓派作为处理器。

3.根据权利要求1所述的多姿态可变径管道机器人，其特征在于：在所述主控仓(5)上设有摄像头(9)和传感器。