CN214823733U - 管道内壁四足爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种管道内壁四足爬壁机器人,包括腰关节、连接腰关节的四条腿和控制器,四条腿两两一组,分布在腰关节的两侧,每条腿由髋关节、大腿关节、小腿关节、连接架和足端构成,髋关节、大腿关节、小腿关节均可旋转地安装在连接架上,且髋关节、大腿关节、小腿关节和足端通过连接架依次连接,同组的两条腿之间通过连接架相连接;控制器设于腰关节,控制器连接并控制每条腿的关节和足端。本实用新型四足爬壁机器人可在管道内灵活运动。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域,特别涉及一种管道内壁四足爬壁机器人。
背景技术
管道广泛应用在我们生活的方方面面,比如城市大型下水管道、城市电网管道、燃气大型输送管道、水厂送水管路、工业输油管道、电网高压GIS管道开关等。但在面对各种各样的管路问题,比如堵塞、检修、泄露、老化等时,由于管路的特殊性,管道内的物质人体不易接触,且大部分也不宜直接接触到,管道也较为狭窄,人工也不易操作,因此对管道的维修检测造成了极大的困难,即使人工可达,但是效率也极其低下。因此很多学者针对管道问题研制专用的机器人代替人工进行操作。
四足爬壁机器人由于其独特的结构,自由度多,除了能够实现简单的前后左右,还可以实现转弯和强大的负载能力,因此越来越多地被使用在管道环境中。爬壁机器人在实际工作中,遇到的壁面一般也不是平面,大多数是弧面或因工艺误差、外力作用或杂质沉积形成的凹凸不平的表面,因此如何设计能在管道中灵活运动的四足爬壁机器人,如何对四足爬壁机器人进行运动控制,是目前的研究热点,其中四足爬壁机器人的运动学分析是运动控制的基础。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种管道内壁四足爬壁机器人,可在管道内灵活运动。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现:
一种管道内壁四足爬壁机器人,包括腰关节、连接腰关节的四条腿和控制器,四条腿两两一组,分布在腰关节的左、右两侧,每条腿由髋关节、大腿关节、小腿关节、连接架和足端构成,髋关节、大腿关节、小腿关节均可旋转地安装在连接架上,且髋关节、大腿关节、小腿关节和足端通过连接架依次连接,同组的两条腿之间通过连接架相连接;控制器设于腰关节,控制器连接并控制每条腿的髋关节、大腿关节、小腿关节、足端。
优选的,髋关节、大腿关节、小腿关节均含有舵盘和安装在舵盘上的关节伺服电机,舵盘与连接架机械连接,舵盘与每个关节伺服电机的输出轴相连接,且随输出轴的转动而转动。
更进一步的,每个关节伺服电机通过线缆连接至控制器。
优选的,两组腿在腰关节上对称分布。
优选的,对于腰关节前、后两端的两个髋关节,其轴心线所在平面和腰关节上表面平行;大腿关节的关节轴心线和髋关节的关节轴心线连线相交且垂直;大腿关节的关节轴心线和小腿关节的关节轴心线相互平行;小腿关节的关节轴心线和足端对称轴轴心线相互平行。
优选的,腰关节上安装有摄像头,摄像头连接控制器,并由控制器控制。
优选的,足端为真空吸盘装置。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果:
(1)本实用新型四足爬壁机器人中,四条腿分布在腰关节侧面,每条腿均设有三个关节,关节旋转角度不会受到机身限制,旋转范围大,可在管道内灵活运动。
(2)本实用新型四足爬壁机器人中,同组的两条腿通过连接架连接在一起,使得两条腿与腰关节共同形成一闭合回路,如此可以减少连接架的形变,进而提高关节的控制精度。
附图说明
图1是本实用新型管道内壁四足爬壁机器人的示意图。
图2是本实用新型管道内壁四足爬壁机器人的俯视图。
图3是管道基础坐标系和机器人本体坐标系的示意图。
图4是起始状态下的机器人本体坐标系的示意图。
图5是单足坐标系的示意图。
附图中各标记所标号说明:
1:小腿关节;2:大腿关节;3:舵盘;4:腰关节;5:2号连接架;6:3号连接架;7:4号连接架;8:5号连接架;9:1号连接架;10:固定架;11:真空吸盘;12:摄像头。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述,但本实用新型的实施方式不限于此。
本实施例公开了一种管道内壁四足爬壁机器人,如图1和图2所示,包括腰关节4、连接腰关节的四条腿和控制器。
腰关节作为机身本体,四条腿两两一组,对称分布在腰关节的左、右两侧。腰关节可采用金属板如5052铝板切割及组装成型。
每条腿由髋关节、大腿关节2、小腿关节1、连接架和足端构成。髋关节、大腿关节、小腿关节均可旋转地安装在连接架上,且髋关节、大腿关节、小腿关节和足端通过连接架依次连接。连接架可采用金属板如5052铝板制成。
对于腰关节前、后两端的两个髋关节,其关节轴心线所在平面和腰关节上表面平行,大腿关节的关节轴心线和髋关节的关节轴心线垂直,大腿关节的关节轴心线和小腿关节的关节轴心线相互平行,小腿关节的关节轴心线和足端对称轴轴心线相互平行。
髋关节、大腿关节、小腿关节均含有舵盘3和关节伺服电机,舵盘与连接架机械连接,本实施例是通过螺栓固定。关节伺服电机输出轴末端安装舵盘,随着输出轴的转动,使得舵盘、与舵盘连接的连接架和与连接架相固定的零件这整个部分一起转动。
足端可采用真空吸盘装置。真空吸盘装置的真空吸盘11可以通过真空管泄气和进气。机器人可以利用真空吸盘可靠地吸附在管道内壁面上。
在本实施例中,单腿通过串联结构连接,髋关节固定在机身上,髋关节输出轴的舵盘与1号连接架9固定,1号连接架与大腿关节相固定,大腿关节输出轴的舵盘和2号连接架5相连,2号连接架与3号连接架6相连,3号连接架和小腿关节电机输出轴舵盘相连,小腿关节电机和4号连接架7相连,4号连接架和5号连接架8相连,5号连接架和足端的真空吸盘11相连。
同组的两条腿之间还通过连接架相连接,如图1和图2所示,两条腿的1号连接架通过固定架10相连,使两条腿与腰关节共同连成一闭合回路,如此可以减少连接架的形变,进而提高关节的控制精度。另外,该另一连接架还可以通过固定杆连接至机身,以起到固定机身的作用。如图1所示,本实施例机器人参考壁虎的生物结构,四条腿直接设置在腰关节侧面,而不是位于腰关节下方,因此机身重心可以设置得更低,关节的旋转不会受到机身限制,因此旋转范围更大,运动更灵活。
控制器设于腰关节,本实施例是收容在腰关节内,每个关节伺服电机通过线缆连接至控制器,控制器可对每条腿的髋关节、大腿关节、小腿关节的旋转角度、足端对地面的吸附进行控制。具体来说,当机器人不需要动作时,关节伺服电机不工作,足端通过真空管泄气以吸附在壁面上;当机器人需要动作时,足端先通过真空管进气,关节伺服电机再工作,因此真空吸盘的真空状态是随着机器人的运动情况而变化的。
在本实施例中,腰关节上还安装有摄像头12,摄像头连接控制器,并由控制器控制,摄像头可将其采集的环境图像传输给控制器,以便了解机器人所在环境,更好地控制机器人。
上述管道内壁四足爬壁机器人的运动学分析具体如下:
S1、构建管道基础坐标系{O}和机器人本体坐标系{E}:
如图3~图5所示,以管道的中心位置为原点,管道轴向为x轴方向,以垂直向上为y轴,z轴与x、y轴相垂直,建立管道基础坐标系{O};
以四足爬壁机器人的机械中心为原点,x轴与四足爬壁机器人的前进方向共线,垂直机身表面向上为y轴,z轴与x、y轴相垂直,建立机器人本体坐标系{E}。
S2、通过管道基础坐标系和机器人本体坐标系的旋转变化,确定四足爬壁机器人在管道中的位置:
设定四足爬壁机器人腰关节长2a,宽2b,高2c,髋关节L1,大腿关节长L2,小腿关节长L3,足端关节长L4;定义机器人本体坐标系原点OE在管道基础坐标系{O}中的位置为(LX,LY,LZ),其坐标系相对管道基础坐标系沿x、y、z轴旋转的三个角度参数为α、β、γ。这些数据均已知,可经测量计算得到;
坐标系{E}相对{O}坐标系变换矩阵为:
式中:R(z,γ)、R(y,β)、R(x,α)分别表示坐标系绕z、y、x轴旋转的角度;L(LX,LY,LZ)表示坐标系移动的位移。
即可通过三个已知的转角和位移,求得机器人机身的位姿矩阵,以量化机器人在管道中的位置和姿态。
在四足爬壁机器人运动过程中,给定具体的机器人起始姿态,机器人机身坐标系原点OE在管道世界坐标系原点OO的正下方,其偏角α、β、γ都为零,坐标系{E}相对{O}坐标系变换矩阵为:
S3、根据四足爬壁机器人的关节位置,建立多个单腿坐标系:如图5所示,单腿坐标系{A0}与机器人本体坐标系{E}重合;单腿坐标系{A1}建立在髋关节的关节伺服电机轴心上,三轴方向与坐标系{A0}相同;单腿坐标系{A2}建立在大腿关节的关节伺服电机轴心上,其yA2轴与大腿关节电机左、右侧表面平行;单腿坐标系{A3}建立在小腿关节的关节伺服电机轴心上,yA3轴与小腿关节电机左、右侧表面平行;单腿坐标系{A4}建立在小腿关节末端上,三轴的方向与单腿坐标系{A3}相同;单腿坐标系{A5}建立在足端上,三轴的方向与单腿坐标系{A4}相同;
S4、通过单腿坐标系之间的旋转变化,得出四足爬壁机器人的正运动学解:
联立单腿坐标系{A5}和{A0}的旋转变换,单腿坐标系{A0}相对于坐标系{A5}的旋转矩阵为:
式中:θA1,θA2,θA3分别表示单腿髋关节、大腿关节、小腿关节的转角;为{A4}相对于坐标系{A5}的旋转矩阵;为{A3}相对于坐标系{A4}的旋转矩阵;为{A2}相对于坐标系{A3}的旋转矩阵;为{A1}相对于坐标系{A2}的旋转矩阵;为{A0}相对于坐标系{A1}的旋转矩阵;
得出正运动学解:
其中,A0P为{A0}的正运动学解;A5P为{A5}的正运动学解;xA0,yA0,zA0是指足端位置的坐标值。
S5、再对正运动学解进行公式变换,得出四足爬壁机器人的逆运动学解:
因此,给定足端的目标位置(即给定xA0,yA0,zA0),基于逆运动学解,即可求解出需控制的髋关节、大腿关节、小腿关节的旋转角度。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式,但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种管道内壁四足爬壁机器人,其特征在于,包括腰关节、连接腰关节的四条腿和控制器,四条腿两两一组,分布在腰关节的左、右两侧,每条腿由髋关节、大腿关节、小腿关节、连接架和足端构成,髋关节、大腿关节、小腿关节均可旋转地安装在连接架上,且髋关节、大腿关节、小腿关节和足端通过连接架依次连接,同组的两条腿之间通过连接架相连接;控制器设于腰关节,控制器连接并控制每条腿的髋关节、大腿关节、小腿关节、足端。
2.根据权利要求1所述的管道内壁四足爬壁机器人,其特征在于,髋关节、大腿关节、小腿关节均含有舵盘和安装在舵盘上的关节伺服电机,舵盘与连接架机械连接,舵盘与每个关节伺服电机的输出轴相连接,且随输出轴的转动而转动。
3.根据权利要求2所述的管道内壁四足爬壁机器人,其特征在于,每个关节伺服电机通过线缆连接至控制器。
4.根据权利要求1所述的管道内壁四足爬壁机器人,其特征在于,两组腿在腰关节上对称分布。
5.根据权利要求1所述的管道内壁四足爬壁机器人,其特征在于,对于腰关节前、后两端的两个髋关节,其轴心线所在平面和腰关节上表面平行;大腿关节的关节轴心线和髋关节的关节轴心线连线相交且垂直;大腿关节的关节轴心线和小腿关节的关节轴心线相互平行;小腿关节的关节轴心线和足端对称轴轴心线相互平行。
6.根据权利要求1所述的管道内壁四足爬壁机器人,其特征在于,腰关节上安装有摄像头,摄像头连接控制器,并由控制器控制。
7.根据权利要求1所述的管道内壁四足爬壁机器人,其特征在于,足端为真空吸盘装置。
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- 2021-03-05 CN CN202120474197.8U patent/CN214823733U/zh active Active
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