CN214823733U

CN214823733U - 管道内壁四足爬壁机器人

Info

Publication number: CN214823733U
Application number: CN202120474197.8U
Authority: CN
Inventors: 张铁; 吴骄任
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2031-03-05

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

管道内壁四足爬壁机器人

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O_E在管道基础坐标系{O}中的位置为(L_X,L_Y,L_Z)，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(L_X,L_Y,L_Z)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O_E在管道世界坐标系原点O_O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：

式中，R表示管道内径半径。

为两个坐标系原点在z轴上的坐标差。

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y_A2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，y_A3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：θ_A1，θ_A2，θ_A3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；x_A0，y_A0，z_A0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：

其中，

n_A＝x_A0-a-L₁。

因此，给定足端的目标位置(即给定x_A0，y_A0，z_A0)，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

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。