CN111506077A - 一种管内机器人的径向运动系统及其方法 - Google Patents

Abstract

管内机器人的径向运动系统及其方法，其系统适于安装在管内机器人上，包括探测装置、姿态角度传感器、驱动装置和控制中枢，探测装置安装于管内机器人的前部机身上，姿态角度传感器至少设置有前部机身姿态角度传感器和后部机身姿态角度传感器，且分别安装于前部机身和管内机器人的后部机身上，驱动装置安装于管内机器人的机身上，驱动前部机身和后部机身进行径向相对运动，控制中枢和探测设备、姿态角度传感器、驱动装置进行信号连接或驱动连接。探测管内机器人在探测到前方的障碍物或陷阱时，控制前部机身和后部机身进行同一径向方向的转动，通过多次转体避开障碍物或陷阱，提高管内机器人径向运动控制的可靠性。

Description

一种管内机器人的径向运动系统及其方法

技术领域

本发明涉及机器人运动控制领域，尤其涉及一种适于调整管内机器人在管内的径向方位的位置，便于管内机器人进行管内工作的径向运动系统及其方法。

背景技术

管内机器人是特种机器人的重要分支之一，它是在现代石化、城市建设等管内施工、检修技术的推动下产生的。从管内机器人出现至今,研究人员对高效驱动单元的研究就一直没有间断过,陆续研制出了轮式、履带式、仿生蠕动式以及惯性冲击式等驱动方式。

一套完整的管内机器人系统，由行走机构、管内部环境识别检测系统、信号传递和动力传输系统及控制系统组成，其中行走机构是管内机器人的核心部分，管内机器人开发者们都是围绕着它在管内的轴向运动进行研究和开发，而管内机器人的检测、检修、安装等动作的实现，也要求管内机器人能够在管内进行径向的转体运动。径向的转体运动可以使管内机器人跨过管内遇到的小型障碍物或陷阱，调整管内机器人在管内的径向位置，其后再沿管内进行轴向行走，使得管内机器人携带的作业工具能作用到管内的任意径向位置。

因此，管内机器人的径向姿态检测和径向运动控制也成为了管内机器人开发的一个重要方面。

发明内容

本发明的目的在于提供适用于管内机器人的径向运动系统及其方法，该系统可对机器人的径向运动角度进行检测和运算，较为准确地完成机器人径向连续特定角度的转动，同时提高了转动的顺畅性，简化旋转机构因前后机身之间的连续反方向相对转动而进行的复杂连接。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

管内机器人的径向运动系统，适于安装在管内机器人上，包括探测装置、姿态角度传感器、驱动装置和控制中枢，所述探测装置安装于所述管内机器人的前部机身上，所述姿态角度传感器至少设置有前部机身姿态角度传感器和后部机身姿态角度传感器，且分别安装于所述前部机身和所述管内机器人的后部机身上，所述驱动装置安装于所述管内机器人的机身上，分别对所述前部机身和所述后部机身的径向相对运动进行驱动，所述控制中枢和所述探测设备、姿态角度传感器、驱动装置进行信号连接或驱动连接，接收所述探测设备和所述姿态角度传感器的信号，并向所述驱动装置发送运动指令；

相应的，所述探测设备包括红外摄像机和声呐扫描仪，通过红外摄像机或/和声呐扫描仪获取管内机器人前方一定距离的路况，并将路况信号传输到所述控制中枢；

相应的，所述姿态角度传感器包括至少可以检测横滚角的倾角仪；

相应的，所述驱动装置包括动力源设备、减速器和传动轴，所述动力源设备包括回转缸和马达，所述减速器的动力输入端通过第一传动轴与动力源设备连接，所述减速器的动力输出端通过第二传动轴连接所述管内机器人的所述前部机身和所述后部机身；

相应的，所述减速器的减速比为1:2—1:200。

管内机器人的径向运动方法，包括如下步骤：探测管内机器人前行方向上的路况，在探测到前方的障碍物、陷阱或作业目标时，控制前部机身和后部机身进行同一径向方向的相对转动，通过多次转动使管内机器人实现预期角度的转体，从而避开障碍物或陷阱，或使其携带的作业工具对准作业目标；

相应的，后部机身固定，前部机身径向转体一个角度a，其后，前部机身固定，后部机身进行同一方向的径向转体相同角度a，依次进行n次转体，使整个机身转体角度达到n*a，通过多次小角度转体实现机身的大转体，以便避开前方的障碍物、陷阱或对准作业目标。进行多次转体，一方面确保了转体的精确度，另一方面，同方向的转体运动降低了力矩传动结构的复杂性，使得力矩传动过程更为连贯可靠；

相应的，所述径向单次转体角度a范围为-45°—45°，其中，正号代表径向顺时针转动，负号代表径向逆时针转动。

相应的，通过姿态角度传感器检测的当前姿态角度值和期望的姿态角度的比较，来确定前部机身和后部机身需要旋转的角度和方向。

相应的，通过期望的姿态角度和单次旋转的角度之比来确定旋转次数n。

需要特别注意的是，本内容中所述的“径向转体”、“径向运动”中的“径向”是以管道的轴向和径向进行的划分，是在管道的径向上进行转体的运动，即，“径向转体”和“径向运动”均是指机身在垂直于管道的轴向上进行顺时针或逆时针转体。

本发明的有益效果为：

1)前部机身和后部机身依次先后向同一径向方向进行转体，通过多次转体实现整体机身的大角度转体，保证了转体角度的可控性，较少转体角度误差，准确避开障碍物或陷阱，使得管内机器人可以在避开障碍物后继续沿管内进行轴向运动，并且还可以使管内机器人能作用到管内的任意径向位置，使其携带的作业工具对准作业目标；

2)前部机身和后部机身转体方向一致，使得前部机身和后部机身的传动连接结构较为简单，传动更为顺畅，使得连接线缆和连接管线不会因前后机身之间的连续反方向运动而需要进行复杂连接，提高管内机器人径向运动控制的可靠性。

附图说明

图1所示是本发明一实施例所述的管内机器人的径向运动系统的结构示意图；

图中：

1、前部机身；2、后部机身；3、红外摄像机；4、声呐扫描仪；5、前部机身姿态角度传感器；6、后部机身姿态角度传感器；7、回转气缸；8、减速器；9、第一传动轴；10、第二传动轴。

具体实施方式

如图1所示，在本发明的一个实施例中，管内机器人的径向运动系统，适于安装在管内机器人机身上，当然，管内应该作广泛的理解，管内可以是油管、水管等各种管内，也可以是下水道这类管状环境内部。例如，可以安装在用于在下水道中清淤作业的管内机器人机体上，如申请号为CN201810227127.5所公开的管内机器人，当然，该系统也可根据具体需要安装在其他管内作业的设备上，为了简化说明，本实施例仅以下水道清淤疏通的管内机器人作为本系统的安装载体进行举例说明。

该径向运动系统包括探测装置、姿态角度传感器、驱动装置和控制中枢。

探测装置安装于管内机器人的前部机身1上，以此产生向前的视觉，获取管内机器人前方的路况，并将路况信号传输到控制中枢，本实施例中，为了提高探测的准确性，探测装置设置为红外摄像机3和声呐扫描仪4，在其他实施例中，可以选择其中一种探测装置或者现有可以对障碍物进行探测的装置，因其探测装置种类较多，本实施例中就不一一举例。

鉴于本实施例是以将系统安装于CN201810227127.5所公开的管内机器人的机身上为例进行说明，而该管内机器人包括前部机身1和后部机身2，因此，姿态角度传感器至少设置有前部机身姿态角度传感器5和后部机身姿态角度传感器6，且分别安装于前部机身1和后部机身2上，以此获得前部机身1和后部机身2的径向运动姿态角度，姿态角度传感器至少是可以检测横滚角的倾角仪，本实施例中，前部机身1和后部机身2均采用具有横滚角、俯仰角和航向角的三轴姿态角度传感器进行检测。

驱动装置安装于管内机器人的机身上，鉴于管内机器人自身的行走驱动需要，管内机器人本身就具备向前部机身1和后部机身2供应高压液体、气体或电力的结构，因此，该高压液体、气体或电力可直接作为本系统的动力。驱动装置包括动力源设备、减速器和传动轴，动力源设备包括气动、液动或电动的回转缸和马达，本实施例中，为了便于说明，采用气动的回转缸，简称回转气缸7，通过压缩空气驱动回转气缸7来回正反向旋转，给径向运动提供动力。减速器8的动力输入端通过第一传动轴9与回转气缸7连接，减速器8的动力输出端通过第二传动轴10连接管内机器人的前部机身1和后部机身2上(需要特别注意，第二传动轴10包括可独立控制的两根，分别连接于前部机身1和后部机身2中)，通常情况下，考虑到管内机器人的后部机身2空间较之前部机身1大，因此，本实施例中，回转气缸7设置于后部机身2内，本实施例中，选用减速比为1:10的减速器8，其承载力和转轴强度根据前部机身1和后部机身2的受力数据进行配置选型。

控制中枢和红外摄像机3、声呐扫描仪4、前部机身姿态角度传感器5、后部机身姿态角度传感器6以及回转气缸7进行信号连接，并且控制中枢和回转气缸7进行驱动连接，控制中枢接收红外摄像机3和声呐扫描仪4探测到的轴向前行路况，在前方存在障碍物或陷阱时，控制中枢启动回转气缸7动作，控制管内机器人的机身进行顺时针或逆时针的径向转体，与此同时，通过前部机身姿态角度传感器5和后部机身姿态角度传感器6获取转体姿态角度，以此更好控制机身整体的转体角度和次数。当然，对于管内机器人已设置有控制中枢的，只需在原有的控制中枢添加前述功能的控制模块即可。

根据本实施例所述的管内机器人的径向运动系统，可以得到如下径向运动方法：

1)通过红外摄像机3和声呐扫描仪4获取管内机器人轴向前行方向的路况，并将路况信号传输到控制中枢；

2)在探测到前行方向存在作业目标、障碍物或陷阱时，控制中枢控制回转气缸7的回转方向，继而控制前部机身1和后部机身2的转体方向；

3)后部机身2固定，前部机身1径向转体一个角度a，例如顺时针转体6°(如果显示-6°，则为逆时针转体)，因此径向转体动作的误差范围为0°-6°，在其他实施例中，也可以设定更大(或更小)误差范围的转动角。其后，前部机身1固定，后部机身2也顺时针转体6°，依次进行n次转体，使整个机身转体角度达到n*6°，以便作业工具对准作业目标或避开前方的障碍物或陷阱。同理，当得知机身转体角度达到n*6°时，则可以反推机身的转体次数：n*6°/6°＝n。特别注意的是，如果因存在小误差而无法取到整数n，只需进行取整操作即可；

4)管内机器人经过多次小转体完成了一个较为准确的大角度转体后，使其携带的作业工具对准作业目标或成功避开障碍物或陷阱，继续沿管内轴向运动进行清淤操作。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.管内机器人的径向运动系统，适于安装在管内机器人上，包括探测装置、姿态角度传感器、驱动装置和控制中枢，其特征在于，所述探测装置安装于所述管内机器人的前部机身上，所述姿态角度传感器至少设置有前部机身姿态角度传感器和后部机身姿态角度传感器，且分别安装于所述前部机身和所述管内机器人的后部机身上，所述驱动装置安装于所述管内机器人的机身上，分别对所述前部机身和所述后部机身的径向相对运动进行驱动，所述控制中枢和所述探测设备、姿态角度传感器、驱动装置进行信号连接或驱动连接，接收所述探测设备和所述姿态角度传感器的信号，并向所述驱动装置发送运动指令。

2.根据权利要求1所述的管内机器人的径向运动系统，其特征在于，所述探测设备包括红外摄像机和声呐扫描仪，通过红外摄像机或/和声呐扫描仪获取管内机器人前方一定距离的路况，并将路况信号传输到所述控制中枢。

3.根据权利要求1所述的管内机器人的径向运动系统，其特征在于，所述姿态角度传感器包括至少可以检测横滚角的倾角仪。

4.根据权利要求1所述的管内机器人的径向运动系统，其特征在于，所述驱动装置包括动力源设备、减速器和传动轴，所述动力源设备包括回转缸和马达，所述减速器的动力输入端通过第一传动轴与动力源设备连接，所述减速器的动力输出端通过第二传动轴连接所述管内机器人的所述前部机身和所述后部机身。

5.根据权利要求1所述的管内机器人的径向运动系统，其特征在于，所述减速器的减速比为1:2—1:200。

6.基于权利要求1-5任一所述的管内机器人的径向运动系统的运动方法，其特征在于，包括如下步骤：探测管内机器人前行方向上的路况，在探测到前方的障碍物、陷阱或作业目标时，控制前部机身和后部机身进行同一径向方向的相对转动，通过多次转动使管内机器人实现预期角度的转体，从而避开障碍物或陷阱，或使其携带的作业工具对准作业目标。

7.根据权利要求6所述的管内机器人的径向运动方法，其特征在于，后部机身固定，前部机身径向转体一个角度a，其后，前部机身固定，后部机身进行同一径向转体相同角度a，依次进行n次转体，使整个机身转体角度达到n*a，通过多次小角度转体实现机身的大转体，以便避开前方的障碍物、陷阱或对准作业目标。

8.根据权利要求7所述的管内机器人的径向运动方法，其特征在于，所述径向单次转体角度a范围-45°—45°。

9.根据权利要求7所述的管内机器人的径向运动方法，其特征在于，通过姿态角度传感器检测的当前姿态角度值和期望的姿态角度的比较，来确定前部机身和后部机身需要旋转的角度和方向。

10.根据权利要求7所述的管内机器人的径向运动方法，其特征在于，通过期望转体的姿态角度和单次旋转的角度之比来确定旋转次数n。

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