本发明涉及一种用于管道检测的球形机器人，属于管道检测机器人技术领域。
背景技术
众所周知，随着运输业的发展，对石油和天然气的需求越来越大，而石油和天然气所依赖的运输方式主要是管道运输，导致管道分布越来越密集，管道运输的距离也越来越长。而管道随着使用年限的增长，会出现各种故障。例如由于内部介质的腐蚀而导致的泄漏，或者由于受到外力的撞击而导致管道创伤性破裂等等。由于管道内部储存的介质一般具有易燃易爆的特点，一旦发生泄漏，将会造成严重的后果。所以对管道进行定期的检测是非常有必要的，但是由于这些管道都错综复杂的分布在地下，环境不利于人工作业，使用机器人进行管道检测是目前技术发展的一个主要方向。
目前应用到管道检测中的机器人主要有两种类型，一种是轮式器人，另外一种是蠕动式机器人。轮式机器人运动方式简单，易于控制，一般适用于地势平坦的环境中，在管道环境中行驶时，由于管道内壁是圆弧形的，容易造成机器人姿态变化而倾翻，尤其在遇到弯管和支叉管时通过性不佳。而蠕虫式爬行机器人虽然在管道中的通过性和转弯性能好，但是由于其运动自由度多，所需驱动力矩大，运动速度慢，用于管道检测的工作效率低。此外，以上两种管道检测机器人还存在空间占比高、与管道接触点多、接触面积较大的问题，容易干扰或破坏管道内部环境；而且，由于外形复杂，这两种机器人封闭性不好，容易导致机器人内部机构及传感器直接暴露在管道环境中，影响安全性。
本发明由国家自然科学基金项目51365019资助支持。
技术实现要素：
本发明针对现有轮式、蠕动式管道检测机器人存在的不足，提供一种用于管道检测的球形机器人，该机器人采用左右半球差速驱动方式，既有轮式机器人运动控制简单的特点，又具备球形机器人外形规整、空间占比低、运动转弯灵活、行驶阻力小、抗倾翻能力强等特点。在管道中运动时，与管道内壁最多有两个接触点，接触截面积小，不会发生与管道内部的直接碰撞，从而避免了可能对管道内部结构的破坏。由于该机器人是双半球的结构，左右半球可以完全封闭，中间留有空隙，这样可以将机器人内部机构及不易暴露的传感器安置在封闭区域，一些特殊的需要暴露于外部环境的传感器可以安装在非封闭区域。
本发明所采用的技术方案是：一种用于管道检测的球形机器人，包括左半球、中间连接件、右半球和控制部件；所述左半球通过中间连接件与右半球连接，所述左半球与右半球的结构相同，且左半球与右半球关于中间连接件对称，所述中间连接件上设有控制部件。
所述左半球包括左齿轮齿条传动部件、左连接支架、垫片、轴、滚珠轴承，左半球壳、左半球壳封闭板；所述左半球壳内部设有左齿轮齿条传动部件、左连接支架、垫片、轴、滚珠轴承，所述左齿轮齿条传动部件包括内齿圈、齿轮和直流伺服电机，所述内齿圈内侧设有齿轮，所述内齿圈与齿轮内啮合，所述直流伺服电机与齿轮的轮毂固定连接，所述左连接支架包括连接板ⅰ、连接板ⅱ、连接板ⅲ，所述连接板ⅰ、连接板ⅲ竖直放置并分别与连接板ⅱ的两端垂直连接，所述左连接支架的连接板ⅲ上开有圆孔，且所述直流伺服电机穿过圆孔，所述左连接支架的连接板ⅰ与垫片连接，所述垫片与轴的一端连接，所述轴的另一端与滚珠轴承的内圈连接，所述左半球壳的内表面设有轴承座ⅰ，所述轴承座ⅰ与滚珠轴承的外圈连接，所述左半球壳封闭板的一侧设有螺孔ⅰ和螺孔ⅱ，用螺钉通过螺孔ⅰ将所述左半球壳封闭板与内齿圈连接，用螺钉通过螺孔ⅱ将所述左半球壳封闭板与左半球壳连接，所述左半球壳封闭板另一侧设有轴承座ⅱ，所述轴承座ⅱ与中间连接件连接。
所述中间连接件包括滚动轴承ⅰ、硬件搭载平台、支架、圆柱连接轴、滚动轴承ⅱ，所述圆柱连接轴的一端与滚动轴承ⅰ的内圈连接，所述圆柱连接轴的另一端与滚动轴承ⅱ的内圈连接，所述滚动轴承ⅰ的外圈与所述左半球壳封闭板一侧的轴承座ⅱ连接，所述滚动轴承ⅱ的外圈与右半球壳封闭板一侧的轴承座连接，所述支架位于圆柱连接轴外侧并与圆柱连接轴固定连接，且支架的上方设有硬件搭载平台，所述硬件搭载平台上设有螺孔，用螺钉通过螺孔固定所述控制部件。
所述控制部件包括电池模块、无线信号接收模块、电机驱动模块、主制模块和传感器模块，所述控制部件通过螺钉固定在硬件搭载平台上，所述硬件搭载平台上设有电池座，所述电池模块放置在电池座上，所述主控模块通过铜柱与电池座固定连接，所述主控模块的上方分别放置着无线接收模块和电机驱动模块，无线接收模块和电机驱动模块分别通过铜柱与主控模块连接，其中电池模块用于提供球形机器人运动系统的动力，无线信号接收模块用于上位机与机器人主机的通信、控制模块是球形机器人的指挥中心、传感器模块主要是一些用于检测管道内部环境的视觉传感器。
所述垫片为矩形。
所述齿轮为单边开口的直线齿轮，所述轴为阶梯轴。
所述直流伺服电机与齿轮的轮毂通过螺钉连接。
所述支架为u型支架。
所述传感器模块的传感器为视觉传感器。
本发明球形机器人的运动原理是：
如说明书附图7所示为本发明用于管道检测的球形机器人的运动原理分析图，本发明的球形机器人是一种双半球的差动结构，其运动方式有三种：直线运动、原地转弯运动和圆弧运动；在以下的叙述中，设定ωl表示左齿轮齿条传动机构伺服电机的角速度，设定ωr表示右齿轮齿条传动机构伺服电机的角速度，设定q表示瞬心，设定p表示球形机器人左右半球的中心，设定vr表示右半球内齿圈的线速度，vl表示左半球内齿圈的线速度，vp表示球形机器人左右半球中心点的速度，r表示左右半球的半径，a表示p点到q点的距离，x表示球形机器人在x轴方向的位移量，y表示球形机器人在y轴的位移量，θ表示球形机器人朝向与y轴的夹角，
将上式整理成矩阵的形式得:
下面分别对这三种运动原理进行说明：
(1)当ωr＝ωl并且方向相同时，根据公式4可以知道球形机器人在x轴和y轴方向上的分量不为零，而
(2)当ωr＞ωl时，根据公式4可以知道球形机器人在x轴和y轴方向上的分量不为零，而
(3)当ωr＝-ωl时，根据公式4可以知道球形机器人在x轴和y轴方向上的分量都为零，而
通过以上各式可知，通过控制ωr和ωl两个值就可以判定机器人是否在做直线、转弯以及原地转弯运动，故可通过控制ωr和ωl这两个值从而控制机器人的运动。
本发明的有益效果是：
(1)本发明球形机器人采用左右半球差动式驱动结构，运动学模型简单易于控制。
(2)本发明机器人整体外型为球形，保留了球形机器人外形规整、空间占比低、运动转弯灵活、行驶阻力小、抗倾翻能力强的优点，在管道中运动时，与管道内壁最多有两个接触点，接触截面积小，不会发生与管道内部的直接碰撞，避免了可能对管道内部结构的破坏。
(3)本发明机器人内部驱动方式采用双齿轮齿条进行驱动，两个齿轮与固定在球壳内表面的两个内齿圈精确啮合，避免了常规球形机器人采用轮子在球内壁滚动容易打滑的缺点，具有传动比准确、速度控制精确的优点。
(4)本发明机器人是双半球的结构，左右半球完全封闭，保留了球形机器人封闭性好的优点，可以将机器人内部机构及不易暴露的传感器安置在封闭区域，两个半球中间留有空隙，便于安装一些特殊的需要暴露于外部环境的传感器。
附图说明
图1为本发明球形机器人的整体结构示意图；
图2a为本发明球形机器人的左齿轮齿条传动机构的结构示意图；
图2b为本发明球形机器人的右齿轮齿条传动机构的结构示意图；
图3a为本发明球形机器人的左球壳的结构示意图；
图3b为本发明球形机器人的右球壳的结构示意图；
图4a为本发明球形机器人的左半球封闭板一侧的结构示意图；
图4b为本发明球形机器人的左半球封闭板另一侧的结构示意图；
图5a为本发明球形机器人的右半球封闭板一侧的结构示意图；
图5b为本发明球形机器人的右半球封闭板另一侧的结构示意图；
图6为本发明球形机器人的中间连接件的结构示意图；
图7为本发明球形机器人的运动原理分析图；
其中：1-左半球、2-中间连接件、3-右半球、4-内齿圈、5-齿轮、6-直流伺服电机、7-左连接支架、8-垫片、9-轴、10-滚珠轴承、11-连接板i、12-连接板ii、13-连接板iii、14-左半球壳、15-轴承座i、16-左半球壳封闭板、17-螺孔i、18-螺孔ii、19-轴承座ii、20-滚动轴承i、21-硬件搭载平台、22-支架、23-圆柱连接轴、24-滚动轴承ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，以方便技术人员理解。
实施例1：如图1～6所示，本发明用于管道检测的球形机器人，包括左半球1、中间连接件2、右半球3和控制部件；所述左半球1通过中间连接件2与右半球3连接，所述左半球1与右半球3的结构相同，且左半球1与右半球3关于中间连接件2对称，所述中间连接件2上设有控制部件。
所述左半球1包括左齿轮齿条传动部件、左连接支架7、垫片8、轴9、滚珠轴承10，左半球壳14、左半球壳封闭板16；所述左半球壳14内部设有左齿轮齿条传动部件、左连接支架7、垫片8、轴9、滚珠轴承10，所述左齿轮齿条传动部件包括内齿圈4、齿轮5和直流伺服电机6，所述内齿圈4内侧设有齿轮5，所述内齿圈4与齿轮5内啮合，所述直流伺服电机6与齿轮5的轮毂通过螺钉固定连接，所述左连接支架7包括连接板ⅰ11、连接板ⅱ12、连接板ⅲ13，所述连接板ⅰ11、连接板ⅲ13竖直放置并分别与连接板ⅱ12的两端垂直连接，所述左连接支架7的连接板ⅲ13上开有圆孔，且所述直流伺服电机6穿过圆孔，所述左连接支架7的连接板ⅰ11与垫片8连接，所述垫片8为矩形，所述垫片8与轴9的一端连接，所述轴9的另一端与滚珠轴承10的内圈连接，所述左半球壳14的内表面设有轴承座ⅰ15，所述轴承座ⅰ15与滚珠轴承10的外圈连接，所述左半球壳封闭板16的一侧设有螺孔ⅰ17和螺孔ⅱ18，用螺钉通过螺孔ⅰ17将所述左半球壳封闭板16与内齿圈4连接，用螺钉通过螺孔ⅱ18将所述左半球壳封闭板16与左半球壳14连接，所述左半球壳封闭板16另一侧设有轴承座ⅱ19，所述轴承座ⅱ19与中间连接件2连接。
所述中间连接件2包括滚动轴承ⅰ20、硬件搭载平台21、支架22、圆柱连接轴23、滚动轴承ⅱ24，所述圆柱连接轴23的一端与滚动轴承ⅰ20的内圈连接，所述圆柱连接轴23的另一端与滚动轴承ⅱ24的内圈连接，所述滚动轴承ⅰ20的外圈与所述左半球壳封闭板16一侧的轴承座ⅱ19连接，所述滚动轴承ⅱ24的外圈与右半球壳封闭板一侧的轴承座连接，所述支架22位于圆柱连接轴23外侧并与圆柱连接轴23固定连接，所述支架22为u型支架，且支架22的上方设有硬件搭载平台21，所述硬件搭载平台21上设有螺孔，用螺钉通过螺孔固定所述控制部件。
所述控制部件包括电池模块、无线信号接收模块、电机驱动模块、主制模块和传感器模块，所述控制部件通过螺钉固定在硬件搭载平台21上，所述硬件搭载平台21上设有电池座，所述电池模块放置在电池座上，所述主控模块通过铜柱与电池座固定连接，所述主控模块的上方分别放置着无线接收模块和电机驱动模块，无线接收模块和电机驱动模块分别通过铜柱与主控模块连接。
实施例2：本实施例结构同实施例1，不同之处在于，所述齿轮5为单边开口的直线齿轮，所述轴9为阶梯轴。所述传感器模块的传感器为视觉传感器。
本实施例双齿轮齿条半球差动球形机器人的运动过程为：直流伺服电机6带动直线齿轮5转动，直线齿轮5与内齿圈4相互啮合，从而左半球运动，同理右半球的直线齿轮与内齿圈相互啮合，从而右半球运动，当直流伺服电机6与右半球的直流伺服电机的转动速度和方向相同时，机器人做直线运动；当直流伺服电机6与右半球的直流伺服电机的转动速度大小相同、方向相反时，机器人做原地转弯运动；当直流伺服电机6与右半球的直流伺服电机的转动速度大小不同、方向相同时，机器人做弧线运动，当直流伺服电机6与右半球的直流伺服电机的转动速度为零时，机器人停止运动。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。