CN113883359A - 一种自适应履带管道机器人爬坡装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及油气管道机器人领域，尤其涉及一种自适应履带管道机器人爬坡装置及控制方法。提供一种自适应履带管道机器人爬坡装置，通过各电机和摇臂相配合自适应调节管道机器人的工作半径，从而适应不通管径的管道内壁，并通过被动支撑部分提供足够的作用力，使机器人可以紧贴管壁，提供足够的摩擦力，达到爬坡的目的，实用方便，结构简单，应用面广；还提供了一种自适应履带管道机器人爬坡装置控制方法，通过本发明的爬坡装置与机器人自带的控制器、传感器相配合，能够稳定可靠地使管道机器人自动完成爬坡运行。

Description

一种自适应履带管道机器人爬坡装置及控制方法
技术领域
本发明涉及油气管道机器人领域，尤其涉及一种自适应履带管道机器人爬坡装置及控制方法。
背景技术
油气管道运输作为全球五大运输方式之一，在石油、化工、天然气等多个领域得到广泛应用，给社会的发展、生产以及人类的生活带来诸多便利和巨大的经济效益。但是油气管道输送的介质为易燃易爆的物质，并且管道深埋在地下或者建筑物中，随着油气管道大量的铺设，仅仅依靠人工进行检测、维修远远不能提高工作效率，并且还伴随着巨大的人身风险，因此，现有技术常采用管道机器人进行油气管道的检测、维修工作。
但现有的油气管道机器人适应管道能力有限，当管道内径出现大的变化，往往需要针对不同情况设计不同的管道机器人，成本较高，且当管道内存在大坡度时，传统管道机器人会出现溜坡、翻倒的情况，无法执行大坡度油气管道的检测、维修任务。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种自适应履带管道机器人爬坡装置及控制方法，能够较大范围的适应不同内径的管道，且能够平稳的沿着管道内壁进行爬坡，适应性强，使用范围广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种自适应履带管道机器人爬坡装置，包括被动支撑机构101和履带驱动机构102，所述被动支撑机构101设置在管道机器人本体103顶部，所述履带驱动机构102有两套，对称设置在管道机器人本体103两侧底部，其特征在于：所述履带驱动机构102包括履带轮侧板1，所述履带轮侧板1两端分别设有主动轮2和从动轮3，所述主动轮2和从动轮3上绕有履带5，所述主动轮2上设有履带驱动电机4，所述履带轮侧板1中部连接有摇臂调节机构Ⅰ6，所述摇臂调节机构Ⅰ6另一端连接在管道机器人本体103侧面底部，所述摇臂调节机构Ⅰ6上设有摇臂调节电机Ⅰ7，所述履带轮侧板1设有倾角传感器8，所述履带驱动电机4、摇臂调节电机Ⅰ7、倾角传感器8均通过接线与装在管道机器人本体103内部的控制器105相连；
所述被动支撑机构101包括支撑架10，所述支撑架10两端均设有支撑轮9，所述支撑架10中部连接有支撑杆11，所述支撑杆11上连接有摇臂调节机构Ⅱ12，所述摇臂调节机构Ⅱ12另一端连接在管道机器人本体103顶部的支撑支架104上，所述摇臂调节机构Ⅱ12上设有摇臂调节电机Ⅱ13，所述摇臂调节电机Ⅱ13通过接线与装在管道机器人本体103内部的控制器105相连。
进一步的，所述摇臂调节电机Ⅰ7可驱动摇臂调节机构Ⅰ6改变摇臂夹角，且摇臂调节电机Ⅰ7具有锁死功能，可使摇臂调节机构Ⅰ6的摇臂夹角保持固定；所述摇臂调节电机Ⅱ13可驱动摇臂调节机构Ⅱ12改变摇臂夹角，且摇臂调节电机Ⅱ13具有锁死功能，可使摇臂调节机构Ⅱ12的摇臂夹角保持固定。
进一步的，所述两套履带驱动机构102呈110～130度夹角对称设置在管道机器人本体103两侧底部，所述两套履带驱动机构102可同步运行，也可异步运行。
进一步的，所述支撑架10两端的支撑轮9呈140～160度夹角设置，所述支撑架10总长度不小于管道机器人本体103总长度的三分之二。
进一步的，所述履带驱动电机4采用直流无刷电机。
进一步的，所述履带5采用橡胶材质。
进一步的，所述主动轮2、从动轮3、支撑轮9均采用碳纤维材质。
一种自适应履带管道机器人爬坡装置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，通过倾角传感器8检测当前管道机器人所在管道的坡度，判断管道坡度是否大于15度，则是，则同步执行步骤S2，若否，则执行步骤S7；
S2，通过摇臂调节电机Ⅱ13驱动摇臂调节机构Ⅱ12，使其摇臂夹角增大，带动支撑轮9上升；
S3，判断支撑轮9与管道顶壁是否接触，若是，则锁死驱动摇臂调节机构Ⅱ12的摇臂夹角，使其保持固定，并执行S4，若否，则继续执行S2；
S4，通过摇臂调节电机Ⅰ7驱动摇臂调节机构Ⅰ6，使其摇臂夹角增大，带动管道机器人本体103上升；
S5，判断主动轮2和从动轮3受到的来自管道底面的压力是否达到设定值，若是，则锁死驱动摇臂调节机构Ⅰ6的摇臂夹角，使其保持固定，并执行S6，若否，则继续执行S4；
S6，通过履带驱动电机4驱动履带5运转，带动管道机器人进行爬坡，并重复执行S1；
S7，通过摇臂调节电机Ⅱ13驱动摇臂调节机构Ⅱ12，使其摇臂夹角减小，带动支撑轮9收回。
进一步的，所述倾角传感器8检测信号传递给控制器105，由控制器105判断当前管道机器人所在管道的坡度；所述履带驱动电机4、摇臂调节电机Ⅰ7、摇臂调节电机Ⅱ13均由控制器105进行控制。
进一步的，所述支撑轮9与管道顶壁是否接触、主动轮2和从动轮3受到的来自管道底面的压力是否达到设定值均由控制器105配合管道机器人自带的传感器进行判断。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
1、通过摇臂调节电机Ⅰ可驱动摇臂调节机构Ⅰ改变摇臂夹角，进而改变履带驱动机构与管道机器人本体之间的距离，实现管道机器人工作半径的自适应调整，从而较大范围的适应不同内径的管道。
2、通过摇臂调节电机Ⅱ可驱动摇臂调节机构Ⅱ改变摇臂夹角，进而驱动支撑架和支撑轮升起和收回，在管道机器人爬坡时，摇臂调节机构Ⅱ的摇臂夹角变大，带动支撑轮抵住管道顶壁，从而起到支撑机器人的作用，使其稳定的爬坡；在坡度较小或水平时，摇臂调节机构Ⅱ的摇臂夹角变小，带动支撑轮收回，从而减少水平运行时主动轮和从动轮所承受的压力。
3、由于摇臂调节电机Ⅰ和摇臂调节电机Ⅱ均具有锁死功能，可使摇臂调节机构Ⅰ和摇臂调节机构Ⅱ对应的摇臂夹角保持固定，因而在管道机器人爬坡时，使主动轮、从动轮、支撑轮始终承受一定的压力，进而保证履带与管道底面间具备足够的摩擦力，可以防止管道机器人在爬坡时出现溜坡的现象，即使电量不足的时候，也可以防止机器人溜坡造成的损失。
4、提供了一种自适应履带管道机器人爬坡装置的控制方法，通过本发明的爬坡装置与机器人自带的控制器、传感器相配合，能够稳定可靠地使管道机器人自动完成爬坡运行。
附图说明
图1为本发明管道机器人爬坡装置整体示意图；
图2为本发明履带驱动部分示意图；
图3为本发明被动支撑部分示意图；
图4为本发明管道机器人爬坡装置控制方法流程图。
图中：1、履带轮侧板；2、主动轮；3、从动轮；4、履带驱动电机；5、履带；6、摇臂调节机构Ⅰ；7、摇臂调节电机Ⅰ；8、倾角传感器；9、支撑轮；10、支撑架；11、支撑杆；12、摇臂调节机构Ⅱ；13、摇臂调节电机Ⅱ；101、被动支撑部分；102、履带驱动部分；103、管道机器人本体；104、支撑支架；105、控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1～4及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
如图1所示，本发明提供的一种自适应履带管道机器人爬坡装置，包括被动支撑机构101和履带驱动机构102，所述被动支撑机构101设置在管道机器人本体103顶部，所述履带驱动机构102有两套，对称设置在管道机器人本体103两侧底部。
其中，所述两套履带驱动机构102呈110～130度夹角(本实施例取120度)对称设置在管道机器人本体103两侧底部，在各自履带驱动电机4的驱动下，可同步运行，带动管道机器人前进/后退；也可异步运行，带动管道机器人转弯。
如图2所示，所述履带驱动机构102包括履带轮侧板1，所述履带轮侧板1两端分别设有主动轮2和从动轮3，所述主动轮2和从动轮3上绕有履带5，所述主动轮2上设有履带驱动电机4，所述履带轮侧板1中部连接有摇臂调节机构Ⅰ6，所述摇臂调节机构Ⅰ6另一端连接在管道机器人本体103侧面底部，所述摇臂调节机构Ⅰ6上设有摇臂调节电机Ⅰ7，所述履带轮侧板1设有倾角传感器8，所述履带驱动电机4、摇臂调节电机Ⅰ7、倾角传感器8均通过接线与装在管道机器人本体103内部的控制器105相连。
其中，所述摇臂调节电机Ⅰ7可驱动摇臂调节机构Ⅰ6改变摇臂夹角，进而改变履带驱动机构102与管道机器人本体103之间的距离，实现管道机器人工作半径的自适应调整，从而较大范围的适应不同内径的管道。
进一步的，所述履带驱动电机4采用直流无刷电机，具体可为GM6020直流无刷电机，内部集成驱动器的高性能直流无刷电机，电机采用空心轴设计，扭矩密度大、控制精度高、交互方式灵活、保护功能强，适用于低转速、大扭矩直接驱动的应用场景，非常适合紧贴管壁的履带轮驱动。
如图3所示，所述被动支撑机构101包括支撑架10，所述支撑架10两端均设有支撑轮9，所述支撑架10中部连接有支撑杆11，所述支撑杆11上连接有摇臂调节机构Ⅱ12，所述摇臂调节机构Ⅱ12另一端连接在管道机器人本体103顶部的支撑支架104上，所述摇臂调节机构Ⅱ12上设有摇臂调节电机Ⅱ13，所述摇臂调节电机Ⅱ13通过接线与装在管道机器人本体103内部的控制器105相连。
其中，所述摇臂调节电机Ⅱ13可驱动摇臂调节机构Ⅱ12改变摇臂夹角，进而驱动支撑架10和支撑轮9升起和收回。在管道机器人爬坡时，摇臂调节机构Ⅱ12的摇臂夹角变大，带动支撑轮9抵住管道顶壁，从而起到支撑机器人的作用，使其稳定的爬坡；在坡度较小(不大于15度)或水平时，摇臂调节机构Ⅱ12的摇臂夹角变小，带动支撑轮9收回，从而减少水平运行时主动轮2和从动轮3所承受的压力。
进一步的，所述支撑架10两端的支撑轮9呈140～160度夹角设置(本实施例取150度)，所述支撑架10总长度不小于管道机器人本体103总长度的三分之二，使得爬坡时所受的外力能够合理的分配到主动轮2和从动轮3上。
此外，所述摇臂调节电机Ⅰ7和摇臂调节电机Ⅱ13均具有锁死功能，可使摇臂调节机构Ⅰ6和摇臂调节机构Ⅱ12对应的摇臂夹角保持固定，在管道机器人爬坡时，使主动轮2、从动轮3、支撑轮9始终承受一定的压力，进而保证履带5与管道底面间具备足够的摩擦力，可以防止管道机器人在爬坡时出现溜坡的现象，即使电量不足的时候，也可以防止机器人溜坡造成的损失。
进一步的，所述履带5采用橡胶材质，抗腐蚀能力强，综合性能好，可以使履带5具有更大的摩擦力，更容易爬坡。
更进一步的，所述主动轮2、从动轮3、支撑轮9均采用轻材质、高强度、耐高温、抵抗摩擦的碳纤维材质，在很大程度上增加了车轮的使用寿命，且具有减轻整车的重量，增加续航等优势。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种自适应履带管道机器人爬坡装置控制方法，如图4所示，包括如下步骤：
S1，通过倾角传感器8检测当前管道机器人所在管道的坡度，判断管道坡度是否大于15度，则是，则同步执行步骤S2，若否，则执行步骤S7；
S2，通过摇臂调节电机Ⅱ13驱动摇臂调节机构Ⅱ12，使其摇臂夹角增大，带动支撑轮9上升；
S3，判断支撑轮9与管道顶壁是否接触，若是，则锁死驱动摇臂调节机构Ⅱ12的摇臂夹角，使其保持固定，并执行S4，若否，则继续执行S2；
S4，通过摇臂调节电机Ⅰ7驱动摇臂调节机构Ⅰ6，使其摇臂夹角增大，带动管道机器人本体103上升；
S5，判断主动轮2和从动轮3受到的来自管道底面的压力是否达到设定值，若是，则锁死驱动摇臂调节机构Ⅰ6的摇臂夹角，使其保持固定，并执行S6，若否，则继续执行S4；
S6，通过履带驱动电机4驱动履带5运转，带动管道机器人进行爬坡，并重复执行S1；
S7，通过摇臂调节电机Ⅱ13驱动摇臂调节机构Ⅱ12，使其摇臂夹角减小，带动支撑轮9收回。
进一步的，所述倾角传感器8检测信号传递给控制器105，由控制器105判断当前管道机器人所在管道的坡度；所述履带驱动电机4、摇臂调节电机Ⅰ7、摇臂调节电机Ⅱ13均由控制器105进行控制。
进一步的，所述支撑轮9与管道顶壁是否接触、主动轮2和从动轮3受到的来自管道底面的压力是否达到设定值均由控制器105配合管道机器人自带的传感器进行判断。
采用上述的自适应履带管道机器人爬坡装置及其控制方法，通过各电机和摇臂相配合自适应调节管道机器人的工作半径，从而适应不通管径的管道内壁，并通过被动支撑部分提供足够的作用力，使机器人可以紧贴管壁，提供足够的摩擦力，达到爬坡的目的，实用方便，结构简单，应用面广。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应履带管道机器人爬坡装置，包括被动支撑机构(101)和履带驱动机构(102)，所述被动支撑机构(101)设置在管道机器人本体(103)顶部，所述履带驱动机构(102)有两套，对称设置在管道机器人本体(103)两侧底部，其特征在于：所述履带驱动机构(102)包括履带轮侧板(1)，所述履带轮侧板(1)两端分别设有主动轮(2)和从动轮(3)，所述主动轮(2)和从动轮(3)上绕有履带(5)，所述主动轮(2)上设有履带驱动电机(4)，所述履带轮侧板(1)中部连接有摇臂调节机构Ⅰ(6)，所述摇臂调节机构Ⅰ(6)另一端连接在管道机器人本体(103)侧面底部，所述摇臂调节机构Ⅰ(6)上设有摇臂调节电机Ⅰ(7)，所述履带轮侧板(1)设有倾角传感器(8)，所述履带驱动电机(4)、摇臂调节电机Ⅰ(7)、倾角传感器(8)均通过接线与装在管道机器人本体(103)内部的控制器(105)相连；
所述被动支撑机构(101)包括支撑架(10)，所述支撑架(10)两端均设有支撑轮(9)，所述支撑架(10)中部连接有支撑杆(11)，所述支撑杆(11)上连接有摇臂调节机构Ⅱ(12)，所述摇臂调节机构Ⅱ(12)另一端连接在管道机器人本体(103)顶部的支撑支架(104)上，所述摇臂调节机构Ⅱ(12)上设有摇臂调节电机Ⅱ(13)，所述摇臂调节电机Ⅱ(13)通过接线与装在管道机器人本体(103)内部的控制器(105)相连。
2.根据权利要求1所述的一种自适应履带管道机器人爬坡装置，其特征在于：所述摇臂调节电机Ⅰ(7)可驱动摇臂调节机构Ⅰ(6)改变摇臂夹角，且摇臂调节电机Ⅰ(7)具有锁死功能，可使摇臂调节机构Ⅰ(6)的摇臂夹角保持固定；所述摇臂调节电机Ⅱ(13)可驱动摇臂调节机构Ⅱ(12)改变摇臂夹角，且摇臂调节电机Ⅱ(13)具有锁死功能，可使摇臂调节机构Ⅱ(12)的摇臂夹角保持固定。
3.根据权利要求1所述的一种自适应履带管道机器人爬坡装置，其特征在于：所述两套履带驱动机构(102)呈110～130度夹角对称设置在管道机器人本体(103)两侧底部，所述两套履带驱动机构(102)可同步运行，也可异步运行。
4.根据权利要求1所述的一种自适应履带管道机器人爬坡装置，其特征在于：所述支撑架(10)两端的支撑轮(9)呈140～160度夹角设置，所述支撑架(10)总长度不小于管道机器人本体(103)总长度的三分之二。
5.根据权利要求1所述的一种自适应履带管道机器人爬坡装置，其特征在于：所述履带驱动电机(4)采用直流无刷电机。
6.根据权利要求1所述的一种自适应履带管道机器人爬坡装置，其特征在于：所述履带(5)采用橡胶材质。
7.根据权利要求1所述的一种自适应履带管道机器人爬坡装置，其特征在于：所述主动轮(2)、从动轮(3)、支撑轮(9)均采用碳纤维材质。
8.一种自适应履带管道机器人爬坡装置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，通过倾角传感器(8)检测当前管道机器人所在管道的坡度，判断管道坡度是否大于15度，则是，则同步执行步骤S2，若否，则执行步骤S7；
S2，通过摇臂调节电机Ⅱ(13)驱动摇臂调节机构Ⅱ(12)，使其摇臂夹角增大，带动支撑轮(9)上升；
S3，判断支撑轮(9)与管道顶壁是否接触，若是，则锁死驱动摇臂调节机构Ⅱ(12)的摇臂夹角，使其保持固定，并执行S4，若否，则继续执行S2；
S4，通过摇臂调节电机Ⅰ(7)驱动摇臂调节机构Ⅰ(6)，使其摇臂夹角增大，带动管道机器人本体(103)上升；
S5，判断主动轮(2)和从动轮(3)受到的来自管道底面的压力是否达到设定值，若是，则锁死驱动摇臂调节机构Ⅰ(6)的摇臂夹角，使其保持固定，并执行S6，若否，则继续执行S4；
S6，通过履带驱动电机(4)驱动履带(5)运转，带动管道机器人进行爬坡，并重复执行S1；
S7，通过摇臂调节电机Ⅱ(13)驱动摇臂调节机构Ⅱ(12)，使其摇臂夹角减小，带动支撑轮(9)收回。
9.根据权利要求8所述的一种自适应履带管道机器人爬坡装置控制方法，其特征在于：所述倾角传感器(8)检测信号传递给控制器(105)，由控制器(105)判断当前管道机器人所在管道的坡度；所述履带驱动电机(4)、摇臂调节电机Ⅰ(7)、摇臂调节电机Ⅱ(13)均由控制器(105)进行控制。
10.根据权利要求8所述的一种自适应履带管道机器人爬坡装置控制方法，其特征在于：所述支撑轮(9)与管道顶壁是否接触、主动轮(2)和从动轮(3)受到的来自管道底面的压力是否达到设定值均由控制器(105)配合管道机器人自带的传感器进行判断。
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CN114776936A (zh) * 2022-04-24 2022-07-22 杭州赫恩数字技术有限公司 带有撑轮的管道机器人
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