CN110186321B - 火炮身管机器人爬行驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了火炮身管机器人爬行驱动系统,可以推动测量系统爬行，记录、矫正周向位姿，同时可以调整管壁压力以保证行进稳定性，该系统设计实现包括了主控单元，爬行单元，位姿调整单元和压力调整单元。身管机器人在主控单元控制下进入狭窄管道中进行内壁测量，根据压力传感器和倾角传感器数据获得系统在管道内的管壁的压力和系统的周向偏转等状态，并以此控制位姿调整单元和压力调整单元，能够保证身管机器人在狭窄纤长、环境复杂管道中的位姿稳定和持续爬行。本发明具有装配简单、稳定性好、使用广泛的特点，可适应不同管径和不同内部环境的管道。

Description

火炮身管机器人爬行驱动系统

技术领域

本发明涉及爬行驱动系统，本发明尤其涉及火炮身管机器人爬行驱动系统。

背景技术

火炮在军工中具有价格低廉、技术成熟等优点，在军工武器中具有重要地位。而且由于军工领域的特殊之处，更需要保障管道的可靠性和安全性。必须定期测量管道内壁，科学地、定量地确定管道的质量与瑕疵损耗情况。但是火炮身管的内膛，具有长度较长(约10米)、口径较小(直径在百毫米级)、内部结构复杂(带有膛线、瑕疵)的特点。相对于定性的测量，更要求能对管道进行定量、精确地测量。为测量所设计的管道机器人一般分为三个子系统：测量子系统、驱动子系统和控制子系统。

其中驱动子系统也叫爬行系统。主要依靠高压力带来的摩擦力进行爬行的设备，驱动系统的设计难点主要有两个：1，火炮身管管壁内持续有一定缠角的滑膛线，极易阻碍爬进，同时容易导致系统产生旋转；2，推进系统依赖装置与管壁较高的压力支撑才可以正常顺着身管依靠摩擦力移动而不会打滑。而某型号155mm管径的火炮身管的实际实验数据显示，火炮在使用数十发炮弹后，其管径测量值从外部到内部变化范围达1mm，显而易见的，从外到内磨损愈加严重。在刚刚进入时，支撑压力合理可以正常运行，而随着身管机器人进入管道内部，管径变大，系统已经无法达到有效的支撑。导致身管机器人在内部打滑无法移动，或者管道内部进入异物或者内径不连续有凸起，导致身管机器人被卡住、电机停转。事实上，对于测量系统来说这两种情况都不应该出现。

现有国内的技术往往通过手持长竿携带摄像机进入管道，或者使用内窥镜测量，此种只能称为定性的测量，通过定性测量判断待测物的大致瑕疵程度，准确度很低，而且需要很多人力投入。最关键的是，无法保证测量装置轴向，周向的具体位置，无论是图像数据，还是点云数据都必然无法保证定量。只能用做简单的查看用途。

还有研究人员通过复杂的机械结构如行星轮等，提升了结构在管壁内部运动能力，可以简单克服管道的滑膛线，但是装配难度很高，且稳定性不好，对管壁环境要求很高，在狭长管道中稳定性和准确性都不好，难以发挥大作用。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺陷，提供一种可以稳定爬行、获取轴向偏转同时可以校正位姿的用于身管机器人的火炮身管机器人爬行驱动系统。

本发明的火炮身管机器人爬行驱动系统，包括沿竖直方向左右平行间隔设置的两块竖直支撑板，一块沿水平方向设置的水平顶板的左右两侧分别支撑固定在所述的两块竖直支撑板上，在所述的两块竖直支撑板之间的前端固定有一块连接板，所述的连接板用于安装测量火炮身管管壁形貌信息的测量子系统；在所述的两块竖直支撑板之间的前部和后部分别安装有一根沿水平方向设置的带轮轴，每根带轮轴分别与竖直支撑板固定相连，在前部的带轮轴上通过轴承转动安装有左右两个主动带轮，在后部的带轮轴中间通过轴承转动安装有一个从动带轮，所述的两个主动带轮与从动带轮分别通过履带相连，所述的履带用于直接接触火炮身管的管壁，行走步进电机通过连接件固定安装在两块竖直支撑板之间，所述的行走步进电机的转动轴沿水平方向设置且与一个蜗轮蜗杆传动副的蜗杆通过套筒同轴线固定相连，所述的蜗轮蜗杆传动副的蜗轮固定安装在前部的带轮轴的中间；

在所述的水平顶板的前后两端分别安装有一个前部压力调整单元和一个后部压力调整单元,所述的后部压力调整单元包括一个电机座固定在水平顶板后部顶壁上的后部丝杠步进电机，所述的后部丝杠步进电机的后部丝杠转轴沿竖直方向设置，在所述的后部丝杠转轴上螺纹连接有一个后部丝杠螺母，在所述的后部丝杠螺母上固定安装有一个沿水平方向设置的后部压力传感器，在所述的后部压力传感器以及后部滑轮底座上分别左右平行间隔固定有两个侧板，在每两个对应设置的侧板上分别沿水平方向固定有一根滑轮轴，在每根所述的滑轮轴中间分别转动连接有一个滑轮，后部滑轮以及前部滑轮能够与火炮身管管壁接触设置；

所述的前部压力调整单元包括一个固定在水平顶板前部底壁上的前部丝杠步进电机，所述的前部丝杠步进电机的前部丝杠转轴沿竖直方向穿过水平顶板设置，在穿过水平顶板设置的前部丝杠转轴上螺纹连接有前部丝杠螺母，在所述的前部丝杠螺母上沿水平方向固定有前部压力传感器，在所述的前部压力传感器上沿水平方向固定有一个水平板，所述的水平板以上部分的前部丝杠转轴为光轴，在所述的光轴上转动套有前部滑轮底座，所述的前部滑轮底座支撑设置在水平板上，在所述的前部滑轮底座前侧的水平板上固定有一个水平丝杠步进电机，所述的水平丝杠步进电机的水平丝杠上螺纹连接有一个水平丝杠螺母，在所述的水平丝杠螺母上沿竖直方向固定有一个销轴，所述的销轴插在一个位于水平丝杠上方且沿水平方向设置的旋转板的滑槽内，所述的旋转板的后端固定在前部滑轮底座上，所述的旋转板在销轴的带动下能够以前部丝杠电机的丝杠中心轴为轴进行摆动，两圆形磁铁分别固定在靠近水平丝杠左右两端的水平板的顶壁上，在所述的旋转板的前端固定有一个霍尔芯片，当旋转板旋转带动霍尔芯片靠近到两圆形磁铁时，霍尔芯片向固定在水平顶板上的主控单元输出限位控制信号，所述的主控单元根据收到的限位控制信号向水平丝杠步进电机输出停止工作信号；

倾角传感器通过绝缘板固定在水平顶板上，倾角传感器用于检测竖直支撑板与竖直方向的夹角，所述的主控单元通过控制线分别与倾角传感器、后部丝杠步进电机、前部丝杠步进电机、水平丝杠步进电机、后部压力传感器、前部压力传感器以及霍尔芯片相连主控单元分别读取前部压力传感器输出的压力测量值以及后部压力传感器输出的压力测量值，并将读取的压力测量值分别与设定的最小压力阈值、最大压力阈值比较，若小于最小压力阈值，主控单元分别向与压力传感器对应设置的丝杠步进电机输出控制信号以控制相应的丝杠步进电机转动使丝杠螺母向上移动带动相应的压力调整单元上升，增大压力直到处于最大最小压力阈值之间；若大于最大压力阈值，主控单元分别向与压力传感器对应设置的丝杠步进电机输出控制信号以控制相应的丝杠步进电机转动使丝杠螺母向下移动带动相应的压力调整单元下降,减小压力直到处于最大压力阈值以及最小压力阈值之间，主控单元读取倾角传感器数据输出的倾角数据并与设定的偏移阈值比较，若超过设定的偏移阈值，则主控单元向位姿调整单元的水平丝杠步进电机输出反方向转动信号。

本机构的有益效果是：

(1)没有过于复杂难以制作的部件，成本合理，装配模块化，易于拆卸维护，降低了实操的难度。

(2)在运行过程中可以为运动进行校正反馈给运动部件，不仅能够保证不打滑或者卡死，维持轴向方向运动，还能大大减少管径周向的偏移。

(3)传感器的数据不仅为爬行进行校正，还能够为不同的待测数据进行一定的补偿，提高了测量的准确性。

(4)此驱动系统，适用性好，拓展度高，控制电路集成度高，足以应对小管径，而且在特殊情况下可进行改造成异形的电路板，可以应对更多情况。进行适当改造各部分可以适用不同的管壁环境和不同的管道管径。

附图说明

图1为本发明的火炮身管机器人爬行驱动系统主视图；

图2为图1所示的系统中的爬行单元4的主视图；

图3为图2所示的爬行单元的俯视图；

图4为图3为所示的爬行单元的蜗轮蜗杆的结构示意图；

图5为图1所示的系统中的后部压力调整单元正视图；

图6为图1所示的系统中的位姿调整单元和部分前部压力调整单元正视图；

图7为图6所示的结构的俯视图；

图8为图1所示的系统放置于管道内偏转结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如附图1所示，本发明的火炮身管机器人爬行驱动系统，包括沿竖直方向左右平行间隔设置的两块竖直支撑板2，一块沿水平方向设置的水平顶板1的左右两侧分别支撑固定在所述的两块竖直支撑板2上。在所述的两块竖直支撑板2之间的前端固定有一块连接板3，所述的连接板用于安装测量火炮身管管壁形貌信息的测量子系统，测量子系统采用现有系统即可，如小型工业相机及机械组件或激光位移传感器及其机械组件。

在所述的两块竖直支撑板2之间的前部和后部分别安装有一根沿水平方向设置的带轮轴，每根带轮轴分别与竖直支撑板2固定相连，在前部的带轮轴上通过轴承转动安装有左右两个主动带轮4B，在后部的带轮轴中间通过轴承转动安装有一个从动带轮4C，所述的两个主动带轮4B与从动带轮4C分别通过履带4A相连，所述的履带4A用于直接接触火炮身管的管壁。行走步进电机4D通过连接件固定安装在两块竖直支撑板2之间，所述的行走步进电机4D的转动轴沿水平方向设置且与一个蜗轮蜗杆传动副的蜗杆4G通过套筒4E同轴线固定相连，所述的蜗轮蜗杆传动副的蜗轮4F固定安装在前部的带轮轴4H的中间。行走步进电机4D转动，蜗轮蜗杆传动副通过主动带轮4B带动从动带轮4C和履带运动。

在所述的水平顶板1的前后两端分别安装有一个前部压力调整单元8和一个后部压力调整单元7,所述的后部压力调整单元7包括一个电机座固定在水平顶板1后部顶壁上的后部丝杠步进电机5。所述的后部丝杠步进电机的后部丝杠转轴沿竖直方向设置，在所述的后部丝杠转轴上螺纹连接有一个后部丝杠螺母，在所述的后部丝杠螺母上固定安装有一个沿水平方向设置的后部压力传感器7C，在所述的后部压力传感器7C以及后部滑轮底座上分别左右平行间隔固定有两个侧板，在每两个对应设置的侧板上分别沿水平方向固定有一根滑轮轴，在每根所述的滑轮轴中间分别转动连接有一个滑轮。如图后部滑轮7B、前部滑轮8A可以绕各自的滑轮轴转动，滑轮与管壁接触提供系统的压力，利用滚动适应爬行。后部滑轮7B能够与火炮身管管壁接触设置，后部滑轮7B通过侧板7A固定在后部压力传感器7C上，可以获取与管壁的压力。后部压力传感器7C固定在丝杠步进电机的螺母上，可随后部竖直丝杠步进电机5上下微量移动来改变与管壁的压力。前部滑轮8A与后部滑轮7B结构相同，两侧板8B与滑轮8A转动连接，固定于滑轮底座8C上。前部竖直丝杠步进电机6丝杠螺母的移动对前部滑轮8A的高度进行微调，前部滑轮能够与火炮身管管壁接触设置。

所述的前部压力调整单元8包括一个固定在水平顶板1前部底壁上的前部丝杠步进电机6，所述的前部丝杠步进电机的前部丝杠转轴沿竖直方向穿过水平顶板1设置，在穿过水平顶板1设置的前部丝杠转轴上螺纹连接有前部丝杠螺母，在所述的前部丝杠螺母上沿水平方向固定有前部压力传感器，在所述的前部压力传感器上沿水平方向固定有一个水平板8D，所述的水平板8D以上部分的前部丝杠转轴为光轴，在所述的光轴上转动套有前部滑轮底座8C，所述的前部滑轮底座8C支撑设置在水平板8D上，在所述的前部滑轮底座8C前侧的水平板8D上固定有一个水平丝杠步进电机9A，所述的水平丝杠步进电机9A的水平丝杠上螺纹连接有一个水平丝杠螺母，在所述的水平丝杠螺母上沿竖直方向固定有一个销轴，所述的销轴插在一个位于水平丝杠上方且沿水平方向设置的旋转板9B的滑槽内，所述的旋转板9B的后端固定在前部滑轮底座8C上，所述的旋转板9B在销轴的带动下能够以前部丝杠电机的丝杠中心轴为轴进行摆动。当销轴随着水平丝杠步进电机前后移动，旋转板9B会随着销插的移动带动前部滑轮底座8C及固定于底座上的滑轮进行摆动。滑轮8A起“方向盘”的作用，影响驱动系统在火炮身管管壁的周向方向的微量旋转，前部压力传感器8E此处功能与后部压力传感器7C功能相同，测量前部位姿调整单元与身管内壁的压力。

两圆形磁铁9C分别固定在靠近水平丝杠左右两端的水平板8D的顶壁上，在所述的旋转板9B的前端固定有一个霍尔芯片9D，当旋转板9B旋转带动霍尔芯片9D靠近到两圆形磁铁9C时，霍尔芯片9D向固定在水平顶板1上的主控单元10输出限位控制信号，所述的主控单元10根据收到的限位控制信号向水平丝杠步进电机9A输出停止工作信号，霍尔芯片9D与圆形磁铁9C靠近会产生限位信号防止滑轮8A旋转过多。滑轮的过度旋转会影响沿着身管轴向方向的爬行。

倾角传感器12通过绝缘板11固定在水平顶板1上，绝缘板11防止倾角传感器12的金属管脚与水平顶板接触。位姿调整是由倾角传感器10的数值决定的，倾角传感器用于检测此驱动系统竖直支撑板2与竖直方向(重力)的夹角，反映了系统类似图8的微量偏移。

主控单元10主要包含单片机和数字芯片CPLD。所述的主控单元10通过控制线分别与倾角传感器12、后部丝杠步进电机5、前部丝杠步进电机6、水平丝杠步进电机9A、后部压力传感器7C、前部压力传感器8E以及霍尔芯片9D相连。操作者根据预实验设定压力的最小最大阈值，压力处于两阈值中，驱动系统的爬行状态正常，主控单元10分别读取前部压力传感器8E输出的压力测量值以及后部压力传感器7C输出的压力测量值，并将读取的压力测量值分别与设定的最小、最大压力阈值比较，若小于最小压力阈值，主控单元10分别向与压力传感器对应设置的丝杠步进电机输出控制信号以控制相应的丝杠步进电机转动使丝杠螺母向上移动带动相应的压力调整单元7,8上升，增大压力直到处于最大最小阈值之间；若大于最大压力阈值，主控单元10分别向与压力传感器对应设置的丝杠步进电机输出控制信号以控制相应的丝杠步进电机转动使丝杠螺母向下移动带动相应的压力调整单元7,8下降，减小压力直到处于最大最小压力阈值之间。处于最大最小压力阈值之间时，主控单元判断系统压力合理，不需要调整压力调整单元。

此驱动系统初始位置时水平顶板1水平，竖直支撑板竖直向下。主控单元10读取倾角传感器12数据(倾角传感器12测得此驱动系统与竖直方向的倾角)，并与设定的偏移阈值比较，若超过设定的偏移阈值，则主控单元向位姿调整单元9的水平丝杠步进电机9A输出反方向转动信号以改变前部滑轮8A的方向，起校正位姿作用。

本装置的使用方法为：

在放入管道之前，首先执行位姿调整单元9的初始化：调整水平丝杠步进电机9A的位置，使后部滑轮7C与前部滑轮8A在初始时平行，具体过程为主控单元10输出脉冲，控制水平丝杠调整销插的位置，使旋转板9B与丝杠垂直，此时前部滑轮8A方向回归零位。

之后是后部压力调整单元7和前部压力调整单元8的初始化，主要有两个步骤：1，经验值的获取；在对压力调整单元进行调整之前，由于不同的火炮身管内壁环境和摩擦系数不同，不同管道适合爬行的压力不相同。所以在正式实验前，应做多次前进后退的基础爬行实验，根据实验中驱动系统的运行情况，得到管壁压力的最小阈值与最大阈值经验值(含义为与火炮身管压力处于阈值范围内时爬行系统可以正常爬行，压力小于最小阈值会产生打滑，压力大于最大阈值容易使行走步进电机发生堵转)。此过程主要为设定程序的压力参考值，在正式试验时作为实际压力调整时的参考值。2，测量装置(包含驱动系统)置于身管之中，通过主控单元调整后部丝杠步进电机5和前部丝杠步进电机6使后部压力调整单元7和前部压力调整单元8与管壁的压力处于最大、最小压力阈值之间，即根据经验值设定。测试爬行，可以正常移动，两压力传感器反馈正常。压力调整单元的初始化完成。

本装置的具体工作过程为：操作人员使用电脑软件通过控制主控单元10进而操作驱动系统各个功能，软件选择“开始测量”后，驱动系统的主控单元10控制行走步进电机移动，并在爬行过程中不断的查询各传感器数值和循环发出控制功能，直至停止测量功能。在循环中执行四种功能，压力检测：由于管道内部情况复杂，可能会导致管壁压力的变化，在压力低于最小阈值或者高于最大阈值后，调整两竖直丝杠步进电机，使压力始终保持在两阈值之间，稳定地压力保证了稳定的驱动力；位姿检测：检测系统的位姿偏转角，倾角传感器10也会发生相同的偏转，根据倾角传感器的反馈数值调整水平的丝杠步进电机以改变前部滑轮8A的方向，起校正位姿作用；三是位置限位功能，前部滑轮8A的过度旋转会阻碍爬行，所以在位姿校正单元存在限位功能，通过限位信号实现，即使发出继续旋转滑轮的信号，也会被霍尔芯片反馈的限位信号屏蔽而停止运动，保持到最大转角；四是倾角传感器的倾角数值可提升测量的周向准确度。

本发明利用简单的丝杠结构，在多传感器数据基础上调整驱动系统的运动，具有装配简单，适用范围广的特点，且对数据的获取与处理提升了准确度和可用性。

以上所述仅是本发明的一个较佳实例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原来所做的等效变化或修饰，包含在本发明专利申请的保护范围内。

Claims (1)

1.火炮身管机器人爬行驱动系统，包括沿竖直方向左右平行间隔设置的两块竖直支撑板，一块沿水平方向设置的水平顶板的左右两侧分别支撑固定在所述的两块竖直支撑板上，在所述的两块竖直支撑板之间的前端固定有一块连接板，所述的连接板用于安装测量火炮身管管壁形貌信息的测量子系统；其特征在于：

在所述的两块竖直支撑板之间的前部和后部分别安装有一根沿水平方向设置的带轮轴，每根带轮轴分别与竖直支撑板固定相连，在前部的带轮轴上通过轴承转动安装有左右两个主动带轮，在后部的带轮轴中间通过轴承转动安装有一个从动带轮，所述的两个主动带轮与从动带轮分别通过履带相连，所述的履带用于直接接触火炮身管的管壁，行走步进电机通过连接件固定安装在两块竖直支撑板之间，所述的行走步进电机的转动轴沿水平方向设置且与一个蜗轮蜗杆传动副的蜗杆通过套筒同轴线固定相连，所述的蜗轮蜗杆传动副的蜗轮固定安装在前部的带轮轴的中间；

在所述的水平顶板的前后两端分别安装有一个前部压力调整单元和一个后部压力调整单元,所述的后部压力调整单元包括一个电机座固定在水平顶板后部顶壁上的后部丝杠步进电机，所述的后部丝杠步进电机的后部丝杠转轴沿竖直方向设置，在所述的后部丝杠转轴上螺纹连接有一个后部丝杠螺母，在所述的后部丝杠螺母上固定安装有一个沿水平方向设置的后部压力传感器，在所述的后部压力传感器以及后部滑轮底座上分别左右平行间隔固定有两个侧板，在每两个对应设置的侧板上分别沿水平方向固定有一根滑轮轴，在每根所述的滑轮轴中间分别转动连接有一个滑轮，后部滑轮以及前部滑轮能够与火炮身管管壁接触设置；

所述的前部压力调整单元包括一个固定在水平顶板前部底壁上的前部丝杠步进电机，所述的前部丝杠步进电机的前部丝杠转轴沿竖直方向穿过水平顶板设置，在穿过水平顶板设置的前部丝杠转轴上螺纹连接有前部丝杠螺母，在所述的前部丝杠螺母上沿水平方向固定有前部压力传感器，在所述的前部压力传感器上沿水平方向固定有一个水平板，所述的水平板以上部分的前部丝杠转轴为光轴，在所述的光轴上转动套有前部滑轮底座，所述的前部滑轮底座支撑设置在水平板上，在所述的前部滑轮底座前侧的水平板上固定有一个水平丝杠步进电机，所述的水平丝杠步进电机的水平丝杠上螺纹连接有一个水平丝杠螺母，在所述的水平丝杠螺母上沿竖直方向固定有一个销轴，所述的销轴插在一个位于水平丝杠上方且沿水平方向设置的旋转板的滑槽内，所述的旋转板的后端固定在前部滑轮底座上，所述的旋转板在销轴的带动下能够以前部丝杠电机的丝杠中心轴为轴进行摆动，两圆形磁铁分别固定在靠近水平丝杠左右两端的水平板的顶壁上，在所述的旋转板的前端固定有一个霍尔芯片，当旋转板旋转带动霍尔芯片靠近到两圆形磁铁时，霍尔芯片向固定在水平顶板上的主控单元输出限位控制信号，所述的主控单元根据收到的限位控制信号向水平丝杠步进电机输出停止工作信号；

倾角传感器通过绝缘板固定在水平顶板上，倾角传感器用于检测竖直支撑板与竖直方向的夹角，所述的主控单元通过控制线分别与倾角传感器、后部丝杠步进电机、前部丝杠步进电机、水平丝杠步进电机、后部压力传感器、前部压力传感器以及霍尔芯片相连主控单元分别读取前部压力传感器输出的压力测量值以及后部压力传感器输出的压力测量值，并将读取的压力测量值分别与设定的最小压力阈值、最大压力阈值比较，若小于最小压力阈值，主控单元分别向与压力传感器对应设置的丝杠步进电机输出控制信号以控制相应的丝杠步进电机转动使丝杠螺母向上移动带动相应的压力调整单元上升，增大压力直到处于最大最小压力阈值之间；若大于最大压力阈值，主控单元分别向与压力传感器对应设置的丝杠步进电机输出控制信号以控制相应的丝杠步进电机转动使丝杠螺母向下移动带动相应的压力调整单元下降,减小压力直到处于最大压力阈值以及最小压力阈值之间，主控单元读取倾角传感器数据输出的倾角数据并与设定的偏移阈值比较，若超过设定的偏移阈值，则主控单元向水平丝杠步进电机输出反方向转动信号。

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