CN112728293B - 一种智能管道检测机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能管道检测机器人及其控制方法，机器人包括：机器人机身以及设置在机器人机身底部的多个移动轮，移动轮与行走驱动电机驱动连接，机器人机身上设置有控制器、无线通信模块、监控摄像机以及多自由度机械手臂，多自由度机械臂上设置有若干关节驱动电机，多自由度机械臂的末端设置有双目相机和电控清洁组件，行走驱动电机、无线通信模块、监控摄像机、关节驱动电机、双目相机和电控清洁组件分别与控制器电性连接，控制器通过无线通信模块与远程监控终端通信连接。本发明具有智能化程度高、移动灵活性高、工作范围广的特点，通过多自由度机械臂可以灵活调整拍摄角度，并可清除杂质获得清晰的管道缺陷图像。

Description

一种智能管道检测机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及管道检测机器人技术领域，特别是涉及一种智能管道检测机器人及其控制方法。
背景技术
城市排水管道是排除城市污水和雨水的重要途径，城市里纵横交错的地下排水管道是一种极为重要的市政设施，甚至成为城市稳定发展的基础设施，其正常运行是保障城市生产生活正常秩序的重要保证。由于城市地下管道内部环境恶劣，因此管道容易出现破损、渗漏或堵塞等管道故障，影响城市地下管道的正常排水功能，从而影响城市人们的生产和生活。鉴于此，定期对城市地下排水管道进行检测，检测排水管道及其内部环境的各项技术参数，以便及时发现问题、及时进行保养维护就显得非常重要。
传统排水管道的检测长期以来都是通过简单的潜望镜以及人工手摸管道内壁等方法来进行的进行检测，检测效率低，为了进一步提高检测效率，现有技术中研发了通过驱动小车搭载摄像头在井下或管道内行走的方式对排水管道进行检测，但是现有的管道检测小车功能单一，无法对管道缺陷位置进行清晰、准确的图像采集，因此需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能管道检测机器人及其控制方法，具有智能化程度高、移动灵活性高、工作范围广的特点，通过多自由度机械臂可以灵活调整拍摄角度，并可清除杂质获得清晰的管道缺陷图像。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种智能管道检测机器人，包括：机器人机身以及设置在机器人机身底部的多个移动轮，所述移动轮与行走驱动电机驱动连接，所述机器人机身上设置有控制器、通信模块、监控摄像机以及多自由度机械手臂，所述多自由度机械臂上设置有若干关节驱动电机，所述多自由度机械臂的末端设置有双目相机、照明装置和电控清洁组件，所述行走驱动电机、通信模块、监控摄像机、关节驱动电机、双目相机、照明装置和电控清洁组件分别与所述控制器电性连接，所述控制器通过控制行走驱动电机驱动所述移动轮转动，所述控制器通过控制若干所述关节驱动电机控制所述多自由度机械臂的运动，所述监控摄像机用于采集管道内的视频，所述双目相机用于采集管道缺陷区域的图像，所述电控清洁组件用于清除管道壁上的杂质；所述控制器通过所述通信模块与远程监控终端通信连接。
可选的，所述多自由度机械臂为三自由度机械臂，包括腰关节、肩关节和肘关节，若干所述关节驱动电机分别为第一关节驱动电机、第二关节驱动电机、第三关节驱动电机，所述腰关节与第一关节驱动电机驱动连接，所述第一关节驱动电机固定在所述机器人机身上，所述腰关节、肩关节和肘关节之间分别通过第二关节驱动电机和第三关节驱动电机驱动连接，所述肘关节的末端设置所述双目相机和电控清洁组件。
可选的，所述电控清洁组件包括清洁电机、电控伸缩杆以及刷头，所述电控伸缩杆与所述清洁电机的转轴连接，所述刷头设置在所述电控伸缩杆的末端，所述清洁电机和电控伸缩杆分别与所述控制器电性连接。
可选的，所述机器人机身的两侧分别设置有两个防撞轮。
可选的，所述机器人机身的前侧、后侧、左侧、右侧位置分别设置有超声波传感器，所述超声波传感器与所述控制器电性连接。
可选的，所述远程监控终端为云服务器、移动终端或监控计算机。
可选的，所述无线通信模块为GPRS模块、ZIGBEE模块或WIFI模块。
本发明还提供了一种智能管道检测机器人的控制方法，应用于上述的智能管道检测机器人，包括以下步骤：
通过监控摄像机实时采集管道内的全局图像，传输给控制器，并通过无线通信模块传到远程监控终端，确定待检测管道缺陷区域；
利用神经网络算法对待检测管道缺陷区域进行目标识别和语义分割，获取待检测管道缺陷区域相对于机器人所在的中心坐标位置；
机器人基于SLAM技术，进行自主定位导航，移动到待检测管道缺陷区域所在位置；
控制器控制电控清洁组件清洁管道壁，通过双目相机获取清晰的管道缺陷特写图像。
可选的，所述控制器控制电控清洁组件清洁管壁，通过双目相机获取清晰的管道缺陷特写图像，具体包括：
通过控制器控制多自由度机械臂调整电控清洁组件的清洁位置以及双目相机的拍摄角度；
控制器控制电控伸缩杆调整刷头的伸出长度，然后控制清洁电机控制刷头转动，对管道壁上的杂质进行清洁；
待电控清洁组件清洁完毕后，所述双目相机拍摄清晰的管道缺陷特写图像，传输给所述控制器，并通过无线通信模块传动到远程监控终端。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的智能管道检测机器人及其控制方法，第一，在机器人机身上设置多自由度机械臂，用于搭载双目相机和电控清洁组件，一方面能够实现对管道缺陷区域图像的精准采集，另一方面，通过电控清洁组件可以清楚管壁表面的污垢，从而便于观察管壁缺陷；第二，还设置有监控摄像机，与双目相机配合，可以采集管道内部完整图像以及机器人的移动位置监测，确保图像的准确性和全面性；第三，机器人机身的两侧分别设置有两个防撞轮，防撞轮一方面能够避免机器人机身与管壁相撞，另一方面可以起到平衡支撑作用，避免在圆弧管道内机器人出现侧翻；同时，配合超声波传感器，可以监测到机器人四周的障碍物，掌控机器人的行车状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例智能管道检测机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例智能管道检测机器人的俯视图；
图3为本发明实施例智能管道检测机器人的控制原理框图；
图4为本发明实施例智能管道检测机器人的控制方法流程图；
附图标记：1、机器人机身；2、移动轮；3、行走驱动电机；4、超声波传感器；5、防撞轮；6、第一关节驱动电机；7、腰关节；8、第二关节驱动电机；9、肩关节；10、第三关节驱动电机；11、肘关节；12、双目相机；13、刷头；14、电控伸缩杆；15、清洁电机；16、监控摄像机；17、控制箱；17-1、控制器；17-2、无线通信模块；18、远程监控终端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种智能管道检测机器人及其控制方法，具有智能化程度高、移动灵活性高、工作范围广的特点，通过多自由度机械臂可以灵活调整拍摄角度，并可清除杂质获得清晰的管道缺陷图像。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图3所示，本发明实施例提供的智能管道检测机器人，包括：机器人机身1以及设置在机器人机身1底部的多个移动轮2，所述移动轮2与行走驱动电机3驱动连接，所述机器人机身1上设置有控制器17-1、无线通信模块17-2、监控摄像机16以及多自由度机械手臂，所述多自由度机械臂上设置有若干关节驱动电机，所述多自由度机械臂的末端设置有双目相机12、照明装置和电控清洁组件，所述行走驱动电机3、无线通信模块17-2、监控摄像机16、关节驱动电机、双目相机12、照明装置和电控清洁组件分别与所述控制器17-1电性连接，所述控制器17-1通过控制行走驱动电机3驱动所述移动轮2转动，所述控制器17-1通过控制若干所述关节驱动电机控制所述多自由度机械臂的运动，所述监控摄像机16用于采集管道内的视频，所述双目相机12用于采集管道缺陷区域的图像，所述电控清洁组件用于清除管道壁上的杂质；所述控制器17-1通过所述无线通信模块17-2与远程监控终端18通信连接。所述控制器17-1、无线通信模块17-2设置在控制箱17内，所述控制箱17固定在所述机器人机身1上。
所述多自由度机械臂为三自由度机械臂，包括腰关节7、肩关节9、肘关节11，若干所述关节驱动电机分别为第一关节驱动电机6、第二关节驱动电机8、第三关节驱动电机10，所述腰关节7与第一关节驱动电机6驱动连接，所述第一关节驱动电机6固定在所述机器人机身1上，所述腰关节7、肩关节9和肘关节11之间分别通过第二关节驱动电机8和第三关节驱动电机10驱动连接，所述肘关节11的末端设置所述双目相机12和电控清洁组件。
所述电控清洁组件包括清洁电机15、电控伸缩杆14以及刷头13，所述电控伸缩杆14与所述清洁电机15的转轴连接，所述刷头13设置在所述电控伸缩杆14的末端，所述清洁电机15和电控伸缩杆14分别与所述控制器17-1电性连接。
所述机器人机身1的两侧分别设置有两个防撞轮5。所述防撞轮5可以在机器人发生侧翻时起到支撑作用。所述防撞轮5采用橡胶轮，用于确保机身安全。
所述机器人机身1的前侧、后侧、左侧、右侧位置分别设置有超声波传感器4，所述超声波传感器4与所述控制器17-1电性连接。
所述远程监控终端18为云服务器、移动终端或监控计算机。
所述无线通信模块17-2为GPRS模块、ZIGBEE模块或WIFI模块。
所述机器人机身1的底部设置有供电模块，例如蓄电池，用于为机器人供电。控制器17-1可以采用MEGA2560，具有54路数字输入输出，满足机器人外接大量传感器、控制多个电机的需求。
所述移动轮2可以选用为福特轮，福特轮具有全向移动能力，所述福特轮设置有四个，设置在机器人机身底部的四个角，相邻两个所述福特轮的轴向垂直设置，其中，右前和左后方位的福特轮为纵向驱动轮，左前和右后的福特轮为横向驱动轮，行走驱动电机采用四个直流减速电机，控制器17-1产生四路PWM信号，通过驱动电路控制四个直流减速电机的转速，实现机器人的横纵、斜行及自旋运动，从而完成机器人任意方向行进，机器人机身的底部还设置有横臂式悬挂系统，与移动轮配合设置。
本发明提供的智能管道检测机器人，第一，在机器人机身上设置多自由度机械臂，用于搭载双目相机和电控清洁组件，一方面能够实现对管道缺陷区域图像的精准采集，另一方面，通过电控清洁组件可以清楚管壁表面的污垢，从而便于观察管壁缺陷；第二，还设置有监控摄像机，与双目相机配合，可以采集管道内部完整图像以及机器人的移动位置监测，确保图像的准确性和全面性；第三，机器人机身的两侧分别设置有两个防撞轮，防撞轮一方面能够避免机器人机身与管壁相撞，另一方面可以起到平衡支撑作用，避免在圆弧管道内机器人出现侧翻；同时，配合超声波传感器，可以监测到机器人四周的障碍物，掌控小车的行车状况。
如图4所示，本发明还提供了一种智能管道检测机器人的控制方法，应用于上述的智能管道检测机器人，包括以下步骤：
通过监控摄像机实时采集管道内的全局图像，传输给控制器，并通过无线通信模块传到远程监控终端，确定待检测管道缺陷区域；
利用神经网络算法对待检测管道缺陷区域进行目标识别和语义分割，获取待检测管道缺陷区域相对于机器人所在的中心坐标位置；
机器人基于SLAM技术，进行自主定位导航，移动到待检测管道缺陷区域所在位置；
控制器控制电控清洁组件清洁管道壁，通过双目相机获取清晰的管道缺陷特写图像。
其中，所述控制器控制电控清洁组件清洁管壁，通过双目相机获取清晰的管道缺陷特写图像，具体包括：
通过控制器控制多自由度机械臂调整电控清洁组件的清洁位置以及双目相机的拍摄角度；
控制器控制电控伸缩杆调整刷头的伸出长度，然后控制清洁电机控制刷头转动，对管道壁上的杂质进行清洁；
待电控清洁组件清洁完毕后，所述双目相机拍摄清晰的管道缺陷特写图像，传输给所述控制器，并通过无线通信模块传动到远程监控终端。
本发明提供的智能管道检测机器人的控制方法，通过训练好的深度神经网络对消毒物体进行目标检测和环境语义分割，识别并获取待检测管道缺陷区域相对于机器人所在的中心坐标位置；在获取待检测管道缺陷区域相对位置后，通过融合视觉、超声波等多种传感器信息的SLAM技术，实现机器人的自主定位和建图功能，并计算出待检测管道缺陷区域所在地图中坐标位置，通过实时避障路径规划，机器人向待检测管道缺陷区域方向移动，在移动地过程中需要保持对周围环境的感知并进行实时地图构建更新，并获取自身定位，重复以上过程直到接近待检测管道缺陷区域；在接近待检测管道缺陷区域后，通过机械臂上的双目相机获取待检测管道缺陷区域的精确三维模型信息，并计算出精确位置关系，融合多自由度机械臂柔性控制参数工艺，自主生成机器人清洗杂质的轨迹，实现机器人轨迹的自适应在线规划，并采集清洗的管道缺陷图像。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种智能管道检测机器人，其特征在于，包括：机器人机身以及设置在机器人机身底部的多个移动轮，所述移动轮与行走驱动电机驱动连接，所述机器人机身上设置有控制器、通信模块、监控摄像机以及多自由度机械臂，所述多自由度机械臂上设置有若干关节驱动电机，所述多自由度机械臂的末端设置有双目相机、照明装置和电控清洁组件，所述行走驱动电机、通信模块、监控摄像机、关节驱动电机、双目相机、照明装置和电控清洁组件分别与所述控制器电性连接，所述控制器通过控制行走驱动电机驱动所述移动轮转动，所述控制器通过控制若干所述关节驱动电机控制所述多自由度机械臂的运动，所述监控摄像机用于采集管道内的视频，所述双目相机用于采集管道缺陷区域的图像，所述电控清洁组件用于清除管道壁上的杂质；所述控制器通过所述通信模块与远程监控终端通信连接；所述电控清洁组件包括清洁电机、电控伸缩杆以及刷头，所述电控伸缩杆与所述清洁电机的转轴连接，所述刷头设置在所述电控伸缩杆的末端，所述清洁电机和电控伸缩杆分别与所述控制器电性连接；
所述移动轮选用为福特轮，福特轮具有全向移动能力，所述福特轮设置有四个，设置在机器人机身底部的四个角，相邻两个所述福特轮的轴向垂直设置，其中，右前和左后方位的福特轮为纵向驱动轮，左前和右后的福特轮为横向驱动轮，行走驱动电机采用四个直流减速电机，控制器产生四路PWM信号，通过驱动电路控制四个直流减速电机的转速，实现机器人的横纵、斜行及自旋运动，从而完成机器人任意方向行进，机器人机身的底部还设置有横臂式悬挂系统，与移动轮配合设置；所述机器人机身的两侧分别设置有两个防撞轮；所述机器人机身的前侧、后侧、左侧、右侧位置分别设置有超声波传感器，所述超声波传感器与所述控制器电性连接；
应用于所述的智能管道检测机器人的控制方法，包括以下步骤：
通过监控摄像机实时采集管道内的全局图像，传输给控制器，并通过无线通信模块传到远程监控终端，确定待检测管道缺陷区域；
利用神经网络算法对待检测管道缺陷区域进行目标识别和语义分割，获取待检测管道缺陷区域相对于机器人所在的中心坐标位置；
机器人基于SLAM技术，进行自主定位导航，移动到待检测管道缺陷区域所在位置；
控制器控制电控清洁组件清洁管道壁，通过双目相机获取清晰的管道缺陷特写图像，具体包括：
通过控制器控制多自由度机械臂调整电控清洁组件的清洁位置以及双目相机的拍摄角度；
控制器控制电控伸缩杆调整刷头的伸出长度，然后控制清洁电机控制刷头转动，对管道壁上的杂质进行清洁；
待电控清洁组件清洁完毕后，所述双目相机拍摄清晰的管道缺陷特写图像，传输给所述控制器，并通过无线通信模块传动到远程监控终端。
2.根据权利要求1所述的智能管道检测机器人，其特征在于，所述多自由度机械臂为三自由度机械臂，包括腰关节、肩关节和肘关节，所述腰关节与第一关节驱动电机驱动连接，所述第一关节驱动电机固定在所述机器人机身上，若干所述关节驱动电机分别为第一关节驱动电机、第二关节驱动电机、第三关节驱动电机，所述腰关节、肩关节和肘关节之间分别通过第二关节驱动电机和第三关节驱动电机驱动连接，所述肘关节的末端设置所述双目相机和电控清洁组件。
3.根据权利要求1所述的智能管道检测机器人，其特征在于，所述远程监控终端为云服务器、移动终端或监控计算机。
4.根据权利要求1所述的智能管道检测机器人，其特征在于，所述通信模块为无线通信模块，所述无线通信模块为GPRS模块、ZIGBEE模块或WIFI模块。
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