CN202600485U - 一种管外行走机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种管外行走机器人的控制系统，它是由安装在管外行走机器人机身上的前端摄像头、后端摄像头、无线收发器、嵌入式主控机和由工作人员遥控操作的手持式无线监控终端组成；本实用新型通过上述各部件控制管外行走机器人在错综复杂的管道环境中攀爬直管、弯管、T形管或十字形管等多种管型并且可以围绕管道左右旋转，满足了对管道及各种圆柱形体工件的外部连续检测、维护、修复或清洁等的应用需要。

Description

一种管外行走机器人的控制系统

技术领域

本实用新型涉及仿生机器人的控制技术领域，尤其是一种管外行走机器人的控制系统及工作方法。

背景技术

对工业管道、大桥斜拉索、电缆等进行定期的检测、保养和维修是必不可少的。若使用人工方法，不仅耗费大量的人力和物力，效率低，安全性差，而且许多场合根本无法允许人工作业。

目前，也有一些管外行走机器人研究的报道或专利。在管道外表面上作业的机器人一般采用蠕动式、螺旋式、滚动式、交替攀爬式等多种移动方式，但是它们往往都有一些应用的局限性，如，它们多数都只能沿着管线方向行走而不具备绕管子转圈的功能，有的不能跨越管道上的障碍，有的只适合爬立杆或水平杆的一种管道状态，有的甚至不能连续、均匀地经过管道各处外表面，这样，它们就不能满足一些需对各种姿态的管道外表面进行连续检测或维护的要求。

为此，申请人曾申请了“管外行走机器人”，该机器人机械结构技术方案是：

一种管外行走机器人机械结构，技术方案是，它由前后2节车体组成，2节车体通过1个平面铰链机构铰连接在一起；

所述的平面铰链机构是在一个抬头舵机的驱动轴两端安装上摆动架，摆动架与前节车体铰接，舵机与后节车体固定，在舵机的驱动下实现前后2节车体间的上下相对摆动；

所述的前后2节车体的构造相同，车体的构造是，在车体架的底面中心轴线上安装有前、后支撑轮，在车体架的底面两侧安装有抱管行走机构；

所述的抱管行走机构的构造是，在车体架上固定安装一个直线电机体，直线电机体的芯部是一根螺杆轴，螺杆轴与车体架垂直关系，螺杆轴的底端固定安装有驱动盘，驱动盘顶部套上连杆架，连杆架上左右对称铰接2个连杆，2个连杆的外端分别铰接上滚轮支架，每个滚轮支架的顶端各自铰接在车体架上；滚轮支架上安装有行走舵机带动的行走滚轮；前后2节车体的行走滚轮的安装轴线对称呈八字形布置，每节车体的左右行走滚轮的安装轴线呈八字形布置，在直线电机体螺杆轴向下运动时，连杆架推动2个连杆向外张开，进而推动左右行走滚轮支架向外张开，使滚轮脱开管道，反之，左右行走滚轮支架向内合拢，使滚轮抱住钢管，并在行走舵机带动下抱管行走，以实现车体的前后运行。

虽然申请人公开了管外行走机器人机械结构，但还没有公开它的控制系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是公开一种管外行走机器人的控制系统，和控制系统的工作方法。通过该系统实现管外行走机器人在管道上的自动行走工作。

本实用新型的技术方案是：

一种管外行走机器人的控制系统，它是由安装在管外行走机器人机身上的前端摄像头、后端摄像头、无线收发器、嵌入式主控机和由工作人员遥控操作的手持式无线监控终端组成；其中

所述的前端摄像头是一种带云台的摄像头，可以任意调控其拍摄方向，位于管外行走机器人的前端，用于拍摄现场的图像；后端摄像头也是一种带云台的摄像头，可以任意调控其拍摄方向，位于管外行走机器人的后端，用于拍摄现场的图像；

所述的无线收发器由wifi模块、电源模块和天线连接组成；无线收发器用于接受来自手持式无线监控终端发射来的控制指令，也可以用于向手持式无线监控终端发射前端摄像头和后端摄像头拍摄到的图像；

所述的嵌入式主控机由CPU、数据存储模块、电源管理模块、网络控制模块、USB控制模块、串口控制模块、电机驱动模块连接组成；前述的前端摄像头和后端摄像头通过USB接口与嵌入式主控机连接，前端摄像头和后端摄像头的云台都通过串口与嵌入式主控机连接；管外行走机器人的抬头舵机通过串口与嵌入式主控机连接；管外行走机器人的左前行走舵机、右前行走舵机、左后行走舵机、右后行走舵机通过串口与嵌入式主控机连接；管外行走机器人的前后直线电机由嵌入式主控机的电机驱动电路驱动；无线收发器也通过USB接口与嵌入式主控机连接；嵌入式主控机用于实时监听无线收发器接收到的来自手持式无线监控终端发送来的控制指令，并根据监听到的控制指令控制管外行走机器人的抬头舵机、所有行走舵机、前后直线电机动作，并采集前端摄像头和后端摄像头拍摄到的图像，压缩编码后输出到无线收发器并发送给手持式无线监控终端；

所述的手持式无线监控终端由触摸屏、无线收发器和嵌入式监控机连接组成；其中

所述的触摸屏同时起到键盘和显示器的作用，用来显示监控图像和发出控制指令；

所述的无线收发器由wifi模块、电源模块和天线连接组成，可以用于接受来自管外行走机器人拍摄的现场图像，也可以用于向管外行走机器人发射控制指令；它通过USB接口与嵌入式监控机连接；

所述的嵌入式监控机是手持式无线监控终端的主控制器，由CPU、电源管理模块、数据存储模块、显示屏控制模块和USB控制模块连接组成，可以将触摸屏发出的控制指令输出到无线收发器并发送给管外行走机器人，也可以将无线收发器接受到的由管外行走机器人拍摄到的现场图像解码后显示在触摸屏上。

二、上述管外行走机器人的控制系统的工作方法是：

1、手持式无线监控终端和管外行走机器人采取全双工通信方式，手持式无线监控终端通过触摸屏监视管外行走机器人前后两个摄像头拍摄到的现场图像和发出控制指令给嵌入式监控机，控制指令包括“前端前进”、“前端进退停止”、“前端后退”、“后端前进”、“后端进退停止”、“后端后退”、“整体前进”、“整体进退停止”、“整体后退”、“前端夹紧”、“前端松紧停止”、“前端松开”、“后端夹紧”、“后端松紧停止”、“后端松开”、“左旋转”、“旋转停止”、“右旋转”、“抬头”、“抬低头停止”、“低头”、“前端摄像头左旋转”、“前端摄像头旋转停止”、“前端摄像头右旋转”、“前端摄像头抬头”、“前端摄像头抬低头停止”、“前端摄像头低头”、“后端摄像头左旋转”、“后端摄像头旋转停止”、“后端摄像头右旋转”、“后端摄像头抬头”、“后端摄像头抬低头停止”、“后端摄像头低头”等。手持式无线监控终端的触摸屏发出控制指令并输出给嵌入式监控机，嵌入式监控机将控制指令通过无线收发器发射给管外行走机器人；

2、管外行走机器人的嵌入式主控机实时监听无线收发器接收到的来自手持式无线监控终端发送来的控制指令；当监听到的控制指令是“前端前进”、“前端进退停止”或“前端后退”时，左前行走舵机和右前行走舵机同时向前转动、同时停止转动或者同时向后转动；当监听到的控制指令是“后端前进”、“后端进退停止”或“后端后退”时，左后行走舵机和右后行走舵机同时向前转动、同时停止转动或同时向后转动；当监听到的控制指令是“整体前进”、“整体进退停止”或“整体后退”时，左前行走舵机、右前行走舵机、左后行走舵机和右后行走舵机同时向前转动、同时停止或同时向后转动；当监听到的控制指令是“前端夹紧”、“前端松紧停止”或“前端松开”时，前端直线电机驱使前端的机械结构夹紧管道、前端直线电机停止转动或者前端直线电机驱使机械结构松开管道；当监听到的控制指令是“后端夹紧”、“后端松紧停止”或“后端松开”时，后端直线电机驱使后端的机械结构夹紧管道、后端直线电机停止转动或者后端直线电机驱使机械结构松开管道；当监听到的控制指令是“左旋转”时，左前行走舵机向前转动，右前行走舵机向后转动，左后行走舵机向后转动，右后行走舵机向前转动，此时在舵机的驱使下管外行走机器人将围绕管道向左旋转；当监听到的控制指令是“旋转停止”时，四个舵机同时停止；当监听到的控制指令是“右旋转”时，左前行走舵机向后转动，右前行走舵机向前转动，左后行走舵机向前转动，右后行走舵机向后转动，此时在舵机的驱使下管外行走机器人将围绕管道向右旋转；当监听到的控制指令是“抬头”时，抬头舵机驱使管外行走机器人的前后两端的夹角由180度向夹角变小方向运动；当监听到的控制指令是“抬低头停止”时，抬头舵机停止转动；当监听到的控制指令是“低头”时，抬头舵机驱使管外行走机器人的前后两端的夹角由小变大；当监听到的控制指令是“前端摄像头左旋转”时，前端摄像头的云台控制摄像头向左旋转；同样的，当监听到的控制指令是控制摄像头运动的控制指令时，前端摄像头或后端摄像头的云台控制前端摄像头或后端摄像头左右旋转或抬低头以便调整拍摄角度；

3、管外行走机器人的嵌入式主控机实时采集管外行走机器人携带的前端摄像头和后端摄像头拍摄的图像并将两组图像压缩编码后通过无线收发器发送给手持式无线监控终端；

4、手持式无线监控终端的无线收发器接收到管外行走机器人发送来的两组经过压缩编码的图像数据后，传输给嵌入式监控机进行解码，嵌入式监控机将解码后的由前端摄像头和后端摄像头拍摄的两组图像显示在触摸屏上；

5、通过观察手持式无线监控终端的触摸屏上的两组现场图像可以根据实际情况合理编排控制指令的发出顺序可以控制管外行走机器人完成攀爬直管、弯管、L形管、T形管和十字形管等多种管型或围绕管道左右旋转等多种任务。

本实用新型的积极效果是，采用无线通信避免了线路的限制并且可以在高处的管道中或者错综复杂的管道环境中攀爬直管、弯管、T形管或十字形管等多种管型并且可以围绕管道左右旋转；通过摄像头监控更是可以在某些人眼看不见的管道中攀爬直管、弯管、T形管或十字形管等多种管型并且可以围绕管道左右旋转；管外行走机器人可以携带焊缝检测装置、喷漆工具或清洁工具等，这样便可以满足对管道及各种圆柱形体工件的外部连续检测、维护、修复或清洁等的应用需要。

附图说明

图1为本实用新型的手持式无线监控终端原理框图；

图2为本实用新型的管外行走机器人控制原理框图。

图中：1-嵌入式主控机，2-前端摄像头，3-后端摄像头，4-无线收发器，5-抬头舵机，6-前端行走舵机组，7-后端行走舵机组，8-前端直线电机，9-后端直线电机，10-机械结构，11-嵌入式监控机，12-触摸屏，13-无线收发器，14-左前行走舵机，15-右前行走舵机，16-左后行走舵机，17-右后行走舵机。

具体实施方式

如图1、2所示，一种管外行走机器人的控制系统，它是由安装在管外行走机器人机身上的前端摄像头1、后端摄像头2、无线收发器4、嵌入式主控机1和由工作人员遥控操作的手持式无线监控终端组成；其中

所述的前端摄像头2是一种带云台的摄像头，可以任意调控其拍摄方向，位于管外行走机器人的前端，用于拍摄现场的图像；后端摄像头3也是一种带云台的摄像头，可以任意调控其拍摄方向，位于管外行走机器人的后端，用于拍摄现场的图像；

所述的无线收发器4由wifi模块、电源模块和天线连接组成；无线收发器4用于接受来自手持式无线监控终端发射来的控制指令，也可以用于向手持式无线监控终端发射前端摄像头2和后端摄像头3拍摄到的图像；

所述的嵌入式主控机1由CPU、数据存储模块、电源管理模块、网络控制模块、USB控制模块、串口控制模块、电机驱动模块连接组成；前述的前端摄像头2和后端摄像头3通过USB接口与嵌入式主控机1连接，前端摄像头2和后端摄像头3的云台都通过串口与嵌入式主控机1连接；抬头舵机5通过串口与嵌入式主控机1连接；左前行走舵机14、右前行走舵机15、左后行走舵机16、右后行走舵机17通过串口与嵌入式主控机1连接；前、后端直线电机8和9由嵌入式主控机1的电机驱动模块驱动；无线收发器4也通过USB接口与嵌入式主控机连接1；嵌入式主控机1用于实时监听无线收发器4接收到的来自手持式无线监控终端发送来的控制指令，并根据监听到的控制指令控制管外行走机器人的抬头舵机5、所有行走舵机14/15/16/17以及前、后直端线电机8和9动作，并采集前端摄像头2和后端摄像头3拍摄到的图像，压缩编码后输出到无线收发器4并发送给手持式无线监控终端；

所述的手持式无线监控终端由触摸屏12、无线收发器13和嵌入式监控机11连接组成；其中

所述的触摸屏12同时起到键盘和显示器的作用，用来显示监控图像和发出控制指令；

所述的无线收发器13由wifi模块、电源模块和天线连接组成，可以用于接受来自管外行走机器人拍摄的现场图像，也可以用于向管外行走机器人发射控制指令；它通过USB接口与嵌入式监控机11连接；

所述的嵌入式监控机11是手持式无线监控终端的主控制器，由CPU、电源管理模块、数据存储模块、显示屏控制模块和USB控制模块连接组成；它可以将触摸屏12发出的控制指令输出到无线发射器13并发送给管外行走机器人，也可以将无线收发器13接受到的由管外行走机器人拍摄到的现场图像解码后显示在触摸屏上。

图2中还显示了管外行走机器人的机械结构框图；图中抬头舵机5、前端行走舵机组6、后端行走舵机组7、前端直线电机8和后端直线电机9是管外行走机器人的执行机构，机械结构10分为前车体和后车体两个部分，前后车体由抬头舵机5连接，抬头舵机5可以驱动机械结构10的前端使前车体抬起和落下也可以驱动机械结构10的后端使后车体抬起和落下，前端行走舵机组6位于机械结构10的前端，由左前行走舵机14和右前行走舵机15组成，它们可以驱动机械结构10的前端使前车体前行或后退，后端行走舵机组7位于机械结构10的后端，由左后行走舵机16和右后行走舵机17组成，它们可以驱动机械结构10的后端使后车体前行或后退，前端直线电机8可以驱动机械结构10的前端夹紧管道或松开管道，使管外行走机器人表现为前端夹紧管道或松开管道，后端直线电机9可以驱动机械结构10的后端夹紧管道或松开管道，使管外行走机器人表现为后端夹紧管道或松开管道；

参照附图，对上述管外行走机器人的控制系统的工作方法进行描述：

1、手持式无线监控终端和管外行走机器人采取全双工通信方式，手持式无线监控终端通过触摸屏12监视管外行走机器人前后两个摄像头拍摄到的现场图像和发出控制指令给嵌入式监控机11，控制指令包括“前端前进”、“前端进退停止”、“前端后退”、“后端前进”、“后端进退停止”、“后端后退”、“整体前进”、“整体进退停止”、“整体后退”、“前端夹紧”、“前端松紧停止”、“前端松开”、“后端夹紧”、“后端松紧停止”、“后端松开”、“左旋转”、“旋转停止”、“右旋转”、“抬头”、“抬低头停止”、“低头”“前端摄像头左旋转”、“前端摄像头旋转停止”、“前端摄像头右旋转”、“前端摄像头抬头”、“前端摄像头抬低头停止”、“前端摄像头低头”、“后端摄像头左旋转”、“后端摄像头旋转停止”、“后端摄像头右旋转”、“后端摄像头抬头”、“后端摄像头抬低头停止”、“后端摄像头低头”等。手持式无线监控终端的触摸屏12发出控制指令并输出给嵌入式监控机11，嵌入式监控机11将控制指令通过无线收发器13发射给管外行走机器人；

2、管外行走机器人的嵌入式主控机1实时监听无线收发器4接收到的来自手持式无线监控终端发送来的控制指令。当监听到的控制指令是“前端前进”、“前端进退停止”或“前端后退”时，左前行走舵机14和右前行走舵机15同时向前转动、同时停止转动或者同时向后转动；当监听到的控制指令是“后端前进”、“后端进退停止”或“后端后退”时，左后行走舵机16和右后行走舵机17同时向前转动、同时停止转动或同时向后转动；当监听到的控制指令是“整体前进”、“整体进退停止”或“整体后退”时，左前行走舵机14、右前行走舵机15、左后行走舵机16和右后行走舵机17同时向前转动、同时停止或同时向后转动；当监听到的控制指令是“前端夹紧”、“前端松紧停止”或“前端松开”时，前端直线电机8驱使前端的机械结构10夹紧管道、前端直线电机8停止转动或者前端直线电机8驱使机械结构10松开管道；当监听到的控制指令是“后端夹紧”、“后端松紧停止”或“后端松开”时，后端直线电机9驱使后端的机械结构10夹紧管道、后端直线电机9停止转动或者后端直线电机9驱使机械结构10松开管道；当监听到的控制指令是“左旋转”时，左前行走舵机14向前转动，右前行走舵机15向后转动，左后行走舵机16向后转动，右后行走舵机17向前转动，此时在舵机的驱使下管外行走机器人将围绕管道向左旋转；当监听到的控制指令是“旋转停止”时，四个舵机同时停止；当监听到的控制指令是“右旋转”时，左前行走舵机14向后转动，右前行走舵机15向前转动，左后行走舵机16向前转动，右后行走舵机17向后转动，此时在舵机的驱使下管外行走机器人将围绕管道向右旋转；当监听到的控制指令是“抬头”时，抬头舵机5驱使管外行走机器人的前后两端的夹角由180度向夹角变小方向运动；当监听到的控制指令是“抬低头停止”时，抬头舵机5停止转动；当监听到的控制指令是“低头”时，抬头舵机5驱使管外行走机器人的前后两端的夹角由小变大；当监听到的控制指令是“前端摄像头左旋转”时，前端摄像头2的云台控制摄像头向左旋转；同样的，当监听到的控制指令是控制摄像头运动的控制指令时，前端摄像头2或后端摄像头3的云台控制前端摄像头2或后端摄像头3左右旋转或抬低头以便调整拍摄角度。

3、管外行走机器人的嵌入式主控机1实时采集管外行走机器人携带的前端摄像头2和后端摄像头3拍摄的图像并将两组图像压缩编码后通过无线收发器4发送给手持式无线监控终端；

4、手持式无线监控终端的无线收发器13接收到管外行走机器人发送来的两组经过压缩编码的图像数据后，传输给嵌入式监控机11进行解码，嵌入式监控机11将解码后的由前端摄像头2和后端摄像头3拍摄的两组图像显示在触摸屏12上；

5、通过观察手持式无线监控终端的触摸屏12上的两组现场图像可以根据实际情况合理编排控制指令的发出顺序可以控制管外行走机器人完成攀爬直管、弯管、L形管、T形管和十字形管等多种管型或围绕管道左右旋转等多种任务；

下面结合通过手持式无线监控终端远程控制现场的管外行走机器人围绕管道左旋转一周的例子对本实用新型的工作方法做具体说明：

1、假设，管外行走机器人已经放置在现场的管道之上并已经抱紧管道，此时通过按压手持式无线监控终端的触摸屏12发出“左旋转”控制指令，嵌入式监控机11将该控制指令通过无线收发器13发送给管外行走机器人；

2、管外行走机器人的嵌入式主控机1实时监听来自手持式无线监控终端的控制指令。当监听到由无线收发器4接受到的来自手持式无线监控终端发送来的“左旋转”的控制指令后，嵌入式主控机1控制左前行走舵机14向前转动，右前行走舵机15向后转动，左后行走舵机16向后转动，右后行走舵机17向前转动，此时在舵机的驱使下管外行走机器人将围绕管道向左旋转；

3、嵌入式主控机1实时采集管外行走机器人携带的前端摄像头2和后端摄像头3拍摄的管外行走机器人前方和后方的图像并将两组图像压缩编码后通过无线收发器4发送给手持式无线监控终端；

4、手持式无线监控终端的无线收发器13接收到管外行走机器人发送来的两组经过压缩编码的图像数据后，传输给嵌入式监控机11进行解码，嵌入式监控机11将解码后的由前端摄像头2和后端摄像头3拍摄的两组图像显示在触摸屏12上；

5、观察手持式无线监控终端的触摸屏12上的两组现场图像确认管外行走机器人已经围绕管道左旋转了一周后，通过触摸屏12发出“旋转停止”的控制指令，嵌入式监控机11将该控制指令通过无线收发器13发送给管外行走机器人，当管外行走机器人的嵌入式主控机1监听到由无线收发器4接受到的来自手持式无线监控终端发送来的“旋转停止”的控制指令后，控制左前行走舵机14、右前行走舵机15、左后行走舵机16和右后行走舵机17使它们停止转动，此时管外行走机器人在手持式无线监控终端的监控下完成了围绕管道旋转一周的任务；

至此，手持式无线监控终端完成了控制管外行走机器人围绕管道旋转一周的任务。通过合理的组织控制指令的发出顺序可以完成攀爬直管、弯管、L形管、T形管和十字形管等多种管型，并可围绕管道左旋转或右旋转。

本实用新型说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术或理论。

Claims (1)

1.一种管外行走机器人的控制系统，其特征在于，它是由安装在管外行走机器人机身上的前端摄像头、后端摄像头、无线收发器、嵌入式主控机和由工作人员遥控操作的手持式无线监控终端组成；其中

所述的前端摄像头是一种带云台的摄像头，可以任意调控其拍摄方向，位于管外行走机器人的前端，用于拍摄现场的图像；后端摄像头也是一种带云台的摄像头，可以任意调控其拍摄方向，位于管外行走机器人的后端，用于拍摄现场的图像；

所述的无线收发器由wifi模块、电源模块和天线连接组成；无线收发器用于接收来自手持式无线监控终端发射来的控制指令，也可以用于向手持式无线监控终端发射前端摄像头和后端摄像头拍摄到的图像；

所述的嵌入式主控机由CPU、数据存储模块、电源管理模块、网络控制模块、USB控制模块、串口控制模块、电机驱动模块连接组成；前述的前端摄像头和后端摄像头通过USB接口与嵌入式主控机连接，前端摄像头和后端摄像头的云台都通过串口与嵌入式主控机连接；管外行走机器人的抬头舵机通过串口与嵌入式主控机连接；管外行走机器人的左前行走舵机、右前行走舵机、左后行走舵机、右后行走舵机通过串口与嵌入式主控机连接；管外行走机器人的前后直线电机由嵌入式主控机的电机驱动电路驱动；无线收发器也通过USB接口与嵌入式主控机连接；嵌入式主控机用于实时监听无线收发器接收到的来自手持式无线监控终端发送来的控制指令，并根据监听到的控制指令控制管外行走机器人的抬头舵机、所有行走舵机、前后直线电机动作，并采集前端摄像头和后端摄像头拍摄到的图像，压缩编码后输出到无线收发器并发送给手持式无线监控终端； 

所述的手持式无线监控终端由触摸屏、无线收发器和嵌入式监控机连接组成；其中：

所述的触摸屏同时起到键盘和显示器的作用，用来显示监控图像和发出控制指令；

所述的无线收发器由wifi模块、电源模块和天线连接组成，可以用于接收来自管外行走机器人拍摄的现场图像，也可以用于向管外行走机器人发射控制指令；它通过USB接口与嵌入式监控机连接；

所述的嵌入式监控机是手持式无线监控终端的主控制器，由CPU、电源管理模块、数据存储模块、显示屏控制模块和USB控制模块连接组成，可以将触摸屏发出的控制指令输出到无线收发器并发送给管外行走机器人，也可以将无线收发器接收到的由管外行走机器人拍摄到的现场图像解码后显示在触摸屏上。 

Images