CN114789759B - 一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法，所述的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带倾角调节机构、设置在履带倾角调节机构上的十字交叉变构履带组件；所述机器人主体与其左右两侧的十字交叉变构履带组件之间通过履带倾角调节机构连接，所述履带倾角调节机构通过机器人主体底部的支撑滑块调节；所述十字交叉变构履带组件包含主行进履带、辅助行进履带和十字交叉变构滑块，主行进履带和辅助行进履带之间通过十字交叉变构滑块连接。本发明可实现对履带结构的改变，每组变构履带结构独立，具有很好的灵活性以爬坡、翻越障碍物来适应管道内的复杂环境。

Description

一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法。
背景技术
管道输送具有成本低、输送方便、输送量大等优点,在众多领域都发挥着重要作用。而化学腐蚀、环境变化、自然灾害和管道自身缺陷等都有可能导致物质泄漏、环境污染等事故的发生,因此管道必须进行持续巡检工作。而对于管道的巡检尤为不便，目前巡检方法多为人工巡检，对于恶劣环境下的管道巡检该方法具有巡检成本高、检出率低、巡检劳动强度大等缺点。管道巡检机器人常采用的行走机构有履带式、腿足式及轮式三种。其中履带式管道机器人与壁面接触面积大、适应能力强，相较于腿足式管道机器人运动速度慢、运动机构复杂，轮式管道机器人越障能力差、稳定性差的缺点，履带管道机器人是最佳的行走机构。但需要履带倾角的调节和辅助履带的加持才能使履带管道机器人适应不同类型的管道。
中国专利申请号为：CN202111613153.X，公布日为2022年2月18日的专利文献，公开了一种辅助式越障机器人及其工作方法，通过采用在中间车体的两端设置第一侧车体和第二侧车体，并运用电动缸拉伸的方式越障，但这种机构受地面环境的影响大，抓地能力弱，针对复杂障碍物环境自适应能力差。
中国专利申请号为：CN201911234990.4，授权日为2021年2月5日的专利文献，公开了一种海洋工程用全自动海底管道巡检机器人，通过采用轮式和履带式相结合的结构在海底管道内巡检，但这种结构无法结合管道内部情况适当调节履带和行走轮与管壁的接触位置，可导致履带和行走轮的磨损。
目前，如何让管道巡检机器人翻越复杂障碍物，自适应管道环境是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对管道巡检机器人在管道的狭窄环境下不能够适配多种类型的管道以及不能够灵活翻越障碍物的问题，提出了一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法，用于解决管道内部含有杂质以使路况不够规则和管道内部杂质堆积管道巡检机器人不能够灵活翻越的问题，并提出了履带倾角调节控制方法和越障控制方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带倾角调节机构、设置在履带倾角调节机构上的十字交叉变构履带组件；所述机器人主体与其左右两侧的十字交叉变构履带组件通过履带倾角调节机构连接；所述履带倾角调节机构包括与所述机器人主体连接的带有旋转轴面板和调节履带倾角的支撑滑轨，所述支撑滑轨上安装推杆电机，所述推杆电机的动力输出轴驱动一个能在支撑滑轨上往复运动的支撑滑块，所述支撑滑块上安装一个支撑杆，所述支撑杆的一端连接支撑滑块，另一端与带有旋转轴面板上的支撑底座连接；所述十字交叉变构履带组件包括主行进履带、辅助行进履带和十字交叉变构滑块，所述主行进履带和辅助行进履带包括履带支撑板、驱动轮、从动轮、驱动电机和履带，所述履带支撑板的中间装有滑轨和丝杆，丝杆通过与安装在履带支撑板上步进电机的齿轮咬合驱动丝杆的转动；所述十字交叉变构滑块由两个小滑块和一个大扭矩电机组成。
所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，所述调节履带倾角的支撑滑轨有两组，中心对称安装于机器人主体的底部；所述带有旋转轴面板上有两个履带组件支撑杆，用于十字交叉变构履带组件的安装。
所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，所述十字交叉变构履带组件有两组，对称安装在机器人主体两边履带倾角调节机构的带有旋转轴面板上；所述主行进履带包含的驱动轮和从动轮中心内部安装有轴承，通过轴承与带有旋转轴面板上的两个履带组件支撑杆安装固定。
所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，所述十字交叉变构滑块包含的两个小滑块分别安装在主行进履带和辅助行进履带中间的丝杆上，这两个小滑块通过大扭矩电机连接；所述十字交叉变构滑块可以分别在主行进履带和辅助行进履带内部安装的步进电机动力驱动下，在主行进履带和辅助行进履带内的丝杆上滑动。
所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，所述机器人主体包括机器人主体面板、深度相机、电池组件、电源组件、主控组件、电台组件、IMU传感器、单线激光雷达；所述单线激光雷达安装于机器人主体面板底面正前方；所述深度相机安装于机器人主体面板上面正前方；所述电池组件安装于机器人主体面板底面，调节履带支撑滑轨的两侧；所述电源组件、主控组件、电台组件和IMU安装于机器人主体上面，IMU传感器安装于机器人主体中心。
上述十字交叉变构履带的管道巡检机器人的履带倾角调节控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，采样单线激光雷达输出的点云信息，根据点云信息计算与两侧履带接触的道路刨面曲率半径方向与机器人x轴方向的夹角θL,θR；
步骤2，计算调节左侧履带倾角的支撑滑轨需要移动的距离Δl；
其中，linit为带有旋转轴面板与机器人主体面板相垂直时，即θL＝π/2时到左侧带有旋转轴面板的距离，l2为支撑底座到旋转轴的距离，l1为支撑杆的长度；
步骤3，计算调节左侧履带倾角的推杆电机旋转圈数Δk；
根据Δl以及推杆电机旋转一周支撑滑块能够行进的距离lo，计算推杆电机旋转的圈数Δk；
当θL<π/2时，表示左侧履带接触的道路刨面曲率半径方向向左上，此时Δl<0，支撑滑块向右移动|Δl|，推杆电机顺时针旋转Δk圈，履带向内收缩；当θL>π/2时，表示左侧履带接触的道路刨面曲率半径方向向右上，此时Δl>0，支撑滑块向左移动|Δl|，推杆电机逆时针旋转Δk圈，履带向外张开；
步骤4，经过步骤1-3计算得到推杆电机需要转动的圈数Δk，并根据θL与π/2的大小关系判定顺时针还是逆时针，选用合理的控制算法驱动推杆电机旋转指定圈数；右侧履带也需经过步骤1-3计算右侧支撑滑块移动距离Δl和右侧推杆电机转动圈数Δk，并驱动右侧推杆电机旋转相应的圈数；针对左右侧履带接触的道路刨面曲率半径不同，左右侧的推杆电机旋转圈数也会不同，进而巡检机器人可适应同一道路不同曲率半径的地形。
本发明的有益效果：
1、本发明采用带有旋转轴面板与机器人主体面板相连接，在机器人主体面板底部安装两组调节履带倾角的支撑滑轨，并在支撑滑轨上安装与带有旋转轴面板通过支撑杆相连接的支撑滑块，通过支撑滑块的往复运动实现履带倾角调节；每组履带倾角调节机构独立控制，可适应同一道路不同刨面曲率半径的地形。
2、本发明采用在机器人主体面板的底面正前方安装有单线激光雷达，根据单线激光雷达输出的点云信息计算与两侧履带接触的道路刨面曲率半径，并结合履带倾角调节控制方法，可实现履带倾角的自适应调节。
3、本发明采用在机器人主体的两端通过履带倾角调节机构连接安装的十字交叉变构履带，每组十字交叉变构履带包含的主行进履带和辅助行进履带内部均安装有滑轨和丝杆，主行进履带和辅助行进履带通过十字交叉变构滑块相连接；十字变构滑块内包含的大扭矩电机可实现在主行进履带与履带倾角调节机构固定的情况下，辅助行进履带360°旋转。辅助行进履带的旋转可用于支撑机器人主体翻越障碍物。
4、本发明采用在机器人前方安装深度相机可实现对前方障碍物的距离和高度信息的获取，在机器人主体中心安装的IMU可实现对道路坡度信息的获取，并结合越障控制方法，可实现对在具有不同坡度的地面上的障碍物的翻越。
5、本发明采用将驱动轮分别安装在主行进履带和辅助行进履带上，可保证结构变动的情况下仍然保证履带的驱动能力。
附图说明
图1是本发明的一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人机构侧视图；
图2是本发明的一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人底部机构示意图；
图3是机器人主体机构示意图；
图4是履带倾角调节机构示意图；
图5是十字交叉变构履带组件机构示意图；
图6是十字交叉变构履带组件内部爆炸视图；
图7是履带倾角调节前巡检机器人在管道内的状态示意图；
图8是履带倾角调节后巡检机器人在管道内的状态示意图；
附图标识列表：
1：机器人主体；11：机器人主体面板；12：深度相机；13：电源组件；14：主控组件；15：IMU传感器；16：电台组件；17：单线激光雷达；18：电池组件；2：履带倾角调节机构；21：带有旋转轴面板；22：支撑杆；23：支撑滑块；24：支撑滑轨；25：推杆电机；211：支撑底座；212：履带组件支撑杆；3：十字交叉变构履带组件；31：主行进履带；32：辅助行进履带；33：十字交叉变构滑块；311：驱动轮；312：从动轮；313：履带支撑板；314：履带；315：驱动电机；331：大扭矩电机；332：小滑块；3131：步进电机；3132：丝杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1和图2所示，一种十字交叉变构履带巡检机器人，包括机器人主体1、对称设置在机器人主体左右两侧的履带倾角调节机构2、设置在履带倾角调节机构上的十字交叉变构履带组件3；所述机器人主体与其左右两侧的十字交叉变构履带组件通过履带倾角调节机构连接；所述履带倾角调节机构包括与所述机器人主体连接的带有旋转轴面板21和调节履带倾角的支撑滑轨24，所述支撑滑轨上安装推杆电机25，所述推杆电机的动力输出轴驱动一个能在支撑滑轨上往复运动的支撑滑块23，所述支撑滑块上安装一个支撑杆22，所述支撑杆的一端连接支撑滑块，另一端与带有旋转轴面板上的支撑底座211连接；所述十字交叉变构履带组件包括主行进履带31、辅助行进履带32和十字交叉变构滑块33，所述主行进履带和辅助行进履带包括履带支撑板313、驱动轮311、从动轮312、驱动电机315和履带314，所述履带支撑板的中间装有滑轨和丝杆3132，丝杆通过与安装在履带支撑板上步进电机3131的齿轮咬合驱动丝杆的转动；所述十字交叉变构滑块由两个小滑块332和一个大扭矩电机331组成。
所述调节履带倾角的支撑滑轨24有两组，中心对称安装于机器人主体的底部；所述带有旋转轴面板21上有两个履带组件支撑杆212，用于十字交叉变构履带组件的安装。
所述十字交叉变构履带3组件有两组，对称安装在机器人主体两边履带倾角调节机构的带有旋转轴面板21上；所述主行进履带31包含的驱动轮和从动轮中心内部安装有轴承，通过轴承与带有旋转轴面板上的两个履带组件支撑杆安装固定。
所述十字交叉变构滑块包含的两个小滑块332分别安装在主行进履带和辅助行进履带中间的丝杆3132上，这两个小滑块332通过大扭矩电机331连接；所述十字交叉变构滑块33可以分别在主行进履带31和辅助行进履带32内部安装的步进电机动力驱动下，在主行进履带和辅助行进履带内的丝杆3132上滑动。
所述机器人主体包括机器人主体面板11、深度相机12、电池组件18、电源组件13、主控组件14、电台组件16、IMU传感器15、单线激光雷达17；所述单线激光雷达安装于机器人主体面板底面正前方；所述深度相机安装于机器人主体面板上面正前方；所述电池组件安装于机器人主体面板底面，调节履带支撑滑轨的两侧；所述电源组件、主控组件、电台组件和IMU安装于机器人主体上面，IMU传感器安装于机器人主体中心。
一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人的履带倾角调节控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，采样单线激光雷达输出的点云信息，根据点云信息计算与两侧履带接触的道路刨面曲率半径方向与机器人x轴方向的夹角θL,θR；
步骤2，计算调节左侧履带倾角的支撑滑轨需要移动的距离Δl；
其中，linit为带有旋转轴面板与机器人主体面板相垂直时，即θL＝π/2时到左侧带有旋转轴面板的距离，l2为支撑底座到旋转轴的距离，l1为支撑杆的长度；
步骤3，计算调节左侧履带倾角的推杆电机旋转圈数Δk；
根据Δl以及推杆电机旋转一周支撑滑块能够行进的距离lo，计算推杆电机旋转的圈数Δk；
当θL<π/2时，表示左侧履带接触的道路刨面曲率半径方向向左上，此时Δl<0，支撑滑块向右移动|Δl|，推杆电机顺时针旋转Δk圈，履带向内收缩；当θL>π/2时，表示左侧履带接触的道路刨面曲率半径方向向右上，此时Δl>0，支撑滑块向左移动|Δl|，推杆电机逆时针旋转Δk圈，履带向外张开；
步骤4，经过步骤1-3计算得到推杆电机需要转动的圈数Δk，并根据θL与π/2的大小关系判定顺时针还是逆时针，选用合理的控制算法驱动推杆电机旋转指定圈数；右侧履带也需经过步骤1-3计算右侧支撑滑块移动距离Δl和右侧推杆电机转动圈数Δk，并驱动右侧推杆电机旋转相应的圈数；针对左右侧履带接触的道路刨面曲率半径不同，左右侧的推杆电机旋转圈数也会不同，进而巡检机器人可适应同一道路不同曲率半径的地形。
采用履带倾角调节控制方法，可使管道巡检机器人适应不同管道类型，翻越管道内堆积的杂物，使管道巡检的效率有效提高。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带倾角调节机构、设置在履带倾角调节机构上的十字交叉变构履带组件；其特征在于，所述机器人主体与其左右两侧的十字交叉变构履带组件通过履带倾角调节机构连接；所述履带倾角调节机构包括与所述机器人主体连接的带有旋转轴面板和调节履带倾角的支撑滑轨，所述支撑滑轨上安装推杆电机，所述推杆电机的动力输出轴驱动一个能在支撑滑轨上往复运动的支撑滑块，所述支撑滑块上安装一个支撑杆，所述支撑杆的一端连接支撑滑块，另一端与带有旋转轴面板上的支撑底座连接；所述十字交叉变构履带组件包括主行进履带、辅助行进履带和十字交叉变构滑块，所述主行进履带和辅助行进履带包括履带支撑板、驱动轮、从动轮、驱动电机和履带，所述履带支撑板的中间装有滑轨和滑丝杆，丝杆通过与安装在履带支撑板上步进电机的齿轮咬合驱动丝杆的转动；所述十字交叉变构滑块由两个小滑块和一个大扭矩电机组成；
所述十字交叉变构滑块包含的两个小滑块分别安装在主行进履带和辅助行进履带中间的丝杆上，这两个小滑块通过大扭矩电机连接；所述十字交叉变构滑块分别在主行进履带和辅助行进履带内部安装的步进电机动力驱动下，在主行进履带和辅助行进履带内的丝杆上滑动；
所述十字交叉变构履带的管道巡检机器人的履带倾角调节控制方法，包括如下步骤：
步骤1，采样单线激光雷达输出的点云信息，根据点云信息计算与两侧履带接触的道路刨面曲率半径方向与机器人x轴方向的夹角θL,θR；
步骤2，计算调节左侧履带倾角的支撑滑轨需要移动的距离△l；
其中，linit为带有旋转轴面板与机器人主体面板相垂直时，即θL＝π/2时到左侧带有旋转轴面板的距离，l2为支撑底座到旋转轴的距离，l1为支撑杆的长度；
步骤3，计算调节左侧履带倾角的推杆电机旋转圈数△k；
根据△l以及推杆电机旋转一周支撑滑块能够行进的距离lo，计算推杆电机旋转的圈数△k；
当θL<π/2时，表示左侧履带接触的道路刨面曲率半径方向向左上，此时△l<0，支撑滑块向右移动|△l|，推杆电机顺时针旋转△k圈，履带向内收缩；当θL>π/2时，表示左侧履带接触的道路刨面曲率半径方向向右上，此时△l>0，支撑滑块向左移动|△l|，推杆电机逆时针旋转△k圈，履带向外张开；
步骤4，经过步骤1-3计算得到推杆电机需要转动的圈数△k，并根据θL与π/2的大小关系判定顺时针还是逆时针，选用合理的控制算法驱动推杆电机旋转指定圈数；右侧履带也需经过步骤1-3计算右侧支撑滑块移动距离△l和右侧推杆电机转动圈数△k，并驱动右侧推杆电机旋转相应的圈数；针对左右侧履带接触的道路刨面曲率半径不同，左右侧的推杆电机旋转圈数也会不同，进而巡检机器人可适应同一道路不同曲率半径的地形。
2.根据权利要求1所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述调节履带倾角的支撑滑轨有两组，中心对称安装于机器人主体的底部；所述带有旋转轴面板上有两个履带组件支撑杆，用于十字交叉变构履带组件的安装。
3.根据权利要求1所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述十字交叉变构履带组件有两组，对称安装在机器人主体两边履带倾角调节机构的带有旋转轴面板上；所述主行进履带包含的驱动轮和从动轮中心内部安装有轴承，通过轴承与带有旋转轴面板上的两个履带组件支撑杆安装固定。
4.根据权利要求1所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述机器人主体包括机器人主体面板、深度相机、电池组件、电源组件、主控组件、电台组件、IMU传感器、单线激光雷达；所述单线激光雷达安装于机器人主体面板底面正前方；所述深度相机安装于机器人主体面板上面正前方；所述电池组件安装于机器人主体面板底面，调节履带支撑滑轨的两侧；所述电源组件、主控组件、电台组件和IMU安装于机器人主体上面，IMU传感器安装于机器人主体中心。
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