基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人的制作方法
【专利摘要】一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于它包括本体机械结构和控制系统；其中，所述本体机械结构由螺旋头、机身和保持架构成；所述机身是机器人的主体；其优越性在于：⑴可以在倾斜、垂直、微小变径的管道内稳定灵活的行走；⑵动态响应性、鲁棒性和稳定性好；⑶信号传输方便；⑷可控性强，精准性高。
【专利说明】
基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人
(一)技术领域:
[0001]本实用新型属于管道检测机器人技术领域，特别是一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人。
(二)【背景技术】:
[0002]管道运输与铁路运输、公路运输、水路运输和航空运输并称为当今世界五大运输方式。凭借安全、经济、快捷、量大等传输特点，管道输送已广泛应用于石油化工、食品加工、城市供排水、生活资源供给、核工业等领域，在国民经济发展中占有极为重要的地位，是衡量一个国家工业发展水平的主要标志之一。随着国家经济建设的稳步推进，管道工业也迎来了快速发展期。在“十一五”期间，我国管道新增数量将接近34000公里.随着油气管道长时运行，由管道自身缺陷和后期运行期间发生的腐蚀穿孔、人为损坏和自然地质灾害等因素造成的管道泄漏、爆炸等事故将会增多，严重威胁着周边居民人身财产安全和自然环境，影响着国家正常的经济建设。传统管道检测都是由相关人员实施，有全面挖掘发和随机抽样法，工作量大，效率低下。而且有些管道位置人员无法安全到达实施监测，比如输送有毒化学品或内部结构复杂狭小的管道。此外特殊的管道环境也给管道检测带来了很大的困难。由此，管道检测机器人应运而生。管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。具有快速运动、灵活操纵、准确判断和低成本等优点。
[0003]目前，管道机器人多以普通结构的轮式或是履带式为主，可以在水平或是倾斜度不大的管道内运行，但在倾斜度较大甚至垂直的管道内很难稳定运行;驱动电机控制多以传统PID算法为主，但面对结构复杂、环境多变的管道，控制效果不佳。
(三)【实用新型内容】:
[0004]本实用新型的目的在于提供一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单，操作方便的机器人系统，它结合了压壁结构和螺旋驱动结构的机械本体设计，使机器人可以在具有倾斜、垂直、微小变径等特征的小型管道内稳定灵活地移动;底层单片机和上位PC机的联合控制方式，可以实现对管道机器人的远程遥控和在线数据采集。
[0005]本实用新型的技术方案:一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于它包括本体机械结构和控制系统；其中，所述本体机械结构由螺旋头、机身和保持架构成;所述机身是机器人的主体，所述螺旋头和保持架均安装在机身上;所述螺旋头在圆周方向上分布安装有驱动轮;所述保持架在圆周方向上分布安装有导向轮;所述驱动轮和导向轮均通过连接杆连接到螺旋头和保持架上。
[0006]所述螺旋头在圆周方向上均匀分布着三组驱动轮，每两组驱动轮之间的间隔为120。。
[0007]所述三组驱动轮的每组都由单个车轮构成，而且每个车轮的轴线与管道的中心线成一个夹角α，当车轮沿着管道内壁移动一圈时，管道机器人移动的直线距离为L = JiDtana,其中D为管道内径。
[0008]所述保持架在圆周方向上均匀分布着三组导向轮，每两组导向轮之间的间隔为120。。
[0009]所述三组导向轮的每组都由单个车轮构成，而且每个车轮的轴线与管道的中心线平行，对机器人起支撑、导向作用。
[0010]所述连接杆的径向装有高强度弹簧，使行走机构即驱动轮和导向轮对管壁始终保持一定的压力和摩擦力。
[0011 ]所述控制系统，包括上位PC机、路由器、Wif i连接器，其特征在于它是由单片机、电源模块、电机驱动模块、直流驱动电机、检测模块和通讯模块构成;其中所述电源模块为单片机和检测模块提供5V直流电，为通讯模块提供3.3V直流电，为电机驱动模块提供12V直流电；所述单片机与通讯模块和检测模块分别呈双向连接，且所述单片机的输入端分别与电源模块和检测模块的输出端连接;所述单片机的输出端连接电机驱动模块的输入端;所述电机驱动模块的输出端输出驱动信号驱动直流驱动电机，最终驱动管道机器人本体运动。
[0012]所述单片机是美国微芯公司生产的PIC(Peripheral Interface Controller)系列单片机芯片。
[0013]所述通讯模块是Wifi通讯传输芯片，可以通过路由器和Wifi连接器与手机、摄像头、上位PC机连接。
[0014]所述电源模块是3节3.7V的可充电式锂电池，作为系统的主电源，系统峰值电压可达12.6V，电容量为2600mAh，可以对其它功能模块和执行元件实现无拖缆式直流供电。
[0015]所述电源模块经稳压元件可输出的电压为5V、3.3V。
[0016]所述电机驱动模块是美国国家半导体公司的LMD18200直流电机驱动芯片。
[0017]所述检测模块是由超声波测距单元、霍尔测速单元、倾角检测单元、温湿度检测单元、定位检测单元和视频检测单元构成;所述超声波测距单元采用超声波传感器;所述霍尔测速单元采用的是霍尔测速元件;所述霍尔测速单元的输入端采集管道机器人本体上导向轮的车轮信息，其输出端连接PIC单片机的输入端;所述倾角检测单元采用倾角传感器;所述温湿度检测单元采用温湿度传感器;所述定位检测单元是非接触式读卡器;所述视频检测单元是Wifi摄像头。
[0018]所述单片机、直流驱动电机、电源模块、电机驱动模块、检测模块和通讯模块均安装在机身内部。
[0019]本实用新型的工作方法:以车轮直线速度为反馈量的全闭环伺服控制系统，采用模糊自适应PID控制算法，具体包括以下步骤:
[0020]①由上位PC机设定管道机器人车轮直线移动速度，作为设定值，通过通讯模块输送给单片机。
[0021]②单片机把速度设定值处理转化成PWM信号，输送给电机驱动模块。再由电机驱动模块驱动直流驱动电机旋转。
[0022]③用霍尔测速元件检测管道机器人直线移动速度脉冲，反馈给单片机；
[0023]④单片机把采集到的霍尔测速元件信号进行计算处理，得到管道机器人实际直线移动速度，通过通讯模块，输送回上位PC机。
[0024]⑤在上位PC机中，实际直线移动速度与设定值作比较，得出的偏差量和偏差率，作为模糊自适应PID控制器的输入量。而输出量则是经模糊自适应PID算法调节后的新的速度设定值，重复①-④的步骤，直至速度偏差为零，系统稳定下来。
[0025]本实用新型的工作原理:当驱动电机得电旋转时，通过联轴器带动螺旋头旋转，由于驱动轮的轴线与管道的轴线有夹角，则驱动轮会沿管壁做螺旋运动。随着驱动电机轴旋转方向不同，螺旋运动的方向也不同。同时保持架的导向轮轴线与管道的轴线无夹角，受周向摩擦力的作用不会旋转，只会沿着管道轴向运动。这样在驱动电机的带动下，管道机器人本体可以沿着管道轴向运动，而且运动方向与驱动电机旋转方向相对应。由于驱动电机选用的是有刷直流电机，电机转速与电枢电压的大小成正比，改变电枢电压即可控制电机转速。本实用新型采用数字式PWM控制方式，通过PIC单片机发出可调节脉宽宽度(占空比)的PWM信号，经高速光电耦合器(起避免信号干扰的作用)输送给电机驱动模块，再由电机驱动模块进行信号放大，放大后的信号即可直接驱动电机运转，控制电机的转速和方向。当电机停转后，受高强度压壁弹簧的作用，管道机器人的车轮与管壁间存有较大的摩擦力，可使管道机器人静止在倾斜管道内，不会产生下溜、打滑现象。PIC单片机模块通过PffM接口为电机驱动模块输出PWM控制信号，通过串行接口与通讯模块、读卡器相连接收发送数据，通过A/D转换接口接收倾角传感器采集的数据，通过普通I/O接口接收测距传感器和温湿度传感器采集的数据，通过捕捉接口接收霍尔测速元件发出的脉冲；电机驱动模块接收PIC单片机PffM控制信号，通过输出变化的直流电压控制直流驱动电机的转速。
[0026]采用上位机+PIC单片机联合控制方式。PIC单片机作为底层硬件系统的控制器，通过Wif i无线通讯模块，实时接收上位机发出的控制指令，以一定的控制算法驱动电机运转，并把采集来的检测信息数据经简单处理后上传给上位机;上位机作为顶层软件控制端，主要起到发出控制指令和显示数据、图像的作用。控制系统中的底层硬件驱动是以PIC单片机为核心控制器，根据上位机发出的控制指令驱动其它功能模块工作，并接收、处理传感元件检测到的数据;通过A/D转换、普通I/0、CCP、UART等接口驱动其它功能模块工作，同时接收、处理、上传传感元件检测到的数据，通过A/D转换、普通1/0、CCP、UART等接口驱动其它功能模块工作，同时接收、处理、上传传感元件检测到的数据。电机驱动模块选用美国国家半导体公司生产的LMD18200直流电机驱动芯片，受单片机PWM信号控制，驱动直流电机运转；可以实现直流电机的速度控制和方向控制。
[0027]检测模块包括超声波测距、霍尔测速、倾角检测、温湿度检测、定位检测、视频检测等单元，由PIC单片机协调控制，完成对管道内障碍物距离检测、机器人直线速度检测、管道倾斜度检测、温湿度检测、机器人位置检测和图形采集等任务。超声波测距单元采用超声波传感器，接收Pic单片机发出的脉冲信号驱动，并返回高电平，高电平持续的时间与前方障碍物的距离成正比；霍尔测速单元采用的是霍尔元件，当检测到车轮上的磁钢片时会发出脉冲信号给Pic单片机，脉冲信号的间隔即是车轮旋转一周的时间;倾角检测单元采用的是倾角传感器，输出与管道倾斜度成正比的电压模拟信号给Pic单片机;温湿度检测单元采用的是温湿度传感器，输出数字信号给PIC单片机;定位检测单元采用的是非接触式读卡器，通过串口UART发送卡号给PIC单片机;视频检测单元采用的是Wif i摄像头，可以直接把视频信号发送给上位PC机。
[0028]通讯模块选用Wifi通讯传输芯片。该芯片硬件上通过UART串口与PIC单片机进行数据的交换，由外接3.3V直流电供电，SBl为复位按钮，SB2为恢复出厂设置按钮，并接有L3准备就绪灯及L4通讯指示灯。内部设置为透传工作模式，STA无线组网方式，通过路由器可与上位机和多个手机APP进行无线通讯，实现了上位机和手机APP对管道机器人的远程遥控。
[0029]控制系统中的上位机软件是以Win7操作系统为开发平台，C#为开发语言，编写出一套以Wifi无线通讯方式来接收、显示、发出指令，并能对采集上传的图像进行显示、预处理的上位机控制软件。该控制软件的开发流程是先建立Socket连接用于搜索无线网络。搜索到网络后，一方面就可以与底层单片机开始相互接收、发送数据，并把数据存储到数据库；另一方面可显示上传的图像，并在线做图像的处理，包括灰度化、图像增强、滤波、二值化等。通过该软件，可以实时显示管道XY双轴角度值、管道内障碍物距离值、管道内温湿度值、机器人直线速度值及其管内位置;可以实时控制管道机器人的移动速度和方向；可以在线显示管道内图像并做图像预处理。
[0030]控制系统的软件部分使用C#语言开发出上位机控制软件，利用Wifi通讯实现对管道机器人的远程遥控。并且构建了以管道机器人直线移动速度为反馈量的全闭环伺服控制系统，采用了模糊自适应PID控制算法来提高控制系统的精度和稳定性。
[0031 ]控制算法采用了融合模糊自适应算法优化的PID控制，可以根据不同情况实时在线地调整PID控制参数，使机器人更好地适应非线性、时变、滞后的系统模型;此外，构建了以管道机器人直线移动速度为反馈量的全闭环伺服控制系统，来提高整个控制系统的精度。建立了一套基于车轮直线移动速度为反馈量的全闭环伺服控制系统。此控制系统可以根据不同的运行情况和条件，在线调整PID控制参数，即使有干扰也能快速恢复系统的稳定性，减小系统的超调量，增强系统的鲁棒性。
[0032]本实用新型的优越性在于:⑴带有高强度弹簧压壁装置的螺旋驱动机构可以使机器人在倾斜、垂直、微小变径的管道内稳定灵活的行走;⑵构建了以车轮直线速度为反馈量的全闭环伺服控制系统，提高了管道机器人控制系统的精度；引入了数字式模糊自适应PID控制算法，使控制系统在动态响应性、鲁棒性和稳定性方面优于传统的PID控制算法;⑶应用了 Wif i无线通讯技术，实现了上位机和手机APP对管道机器人的远程遥控和图像采集，确保机器人可靠运行和有效检测；⑷可以实现管道的在线检测和诊断，可控性强，精准性高，可以代替人工完成管道检测任务，避免人员的意外伤害。
(四)【附图说明】:
[0033]图1为本实用新型所涉一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人的本体结构图。
[0034]图2为本实用新型所涉一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人的控制结构图。
[0035]图3为本实用新型所涉一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人的电源模块设计图。
[0036]图4为本实用新型所涉一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人的电机驱动模块设计图。
[0037]图5为本实用新型所涉一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人的通讯模块设计图。
[0038]图6为本实用新型所涉基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人的上位PC机软件设计流程图。
[0039]其中，I为螺旋头;2为机身;3为保持架;4为驱动轮;5为导向轮;6为连接杆;7为高强度弹簧。
(五)【具体实施方式】:
[0040]实施例:一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人(见图1)，其特征在于它包括本体机械结构和控制系统;其中，所述本体机械结构由螺旋头1、机身2和保持架3构成;所述机身2是机器人的主体，所述螺旋头I和保持架3均安装在机身2上;所述螺旋头I在圆周方向上分布安装有驱动轮4;所述保持架3在圆周方向上分布安装有导向轮5;所述驱动轮4和导向轮5均通过连接杆6连接到螺旋头I和保持架3上。
[0041]所述螺旋头I在圆周方向上均匀分布着三组驱动轮4，每两组驱动轮4之间的间隔为120°(见图1)。
[0042]所述三组驱动轮4的每组都由单个车轮构成，而且每个车轮的轴线与管道的中心线成一个夹角α，当车轮沿着管道内壁移动一圈时，管道机器人移动的直线距离为L = JiDtanα，其中D为管道内径(见图1)。
[0043]所述保持架3在圆周方向上均匀分布着三组导向轮5，每两组导向轮5之间的间隔为120°(见图1)。
[0044]所述三组导向轮5的每组都由单个车轮构成，而且每个车轮的轴线与管道的中心线平行，对机器人起支撑、导向作用(见图1)。
[0045]所述连接杆6的径向装有高强度弹簧7，使行走机构即驱动轮4和导向轮5对管壁始终保持一定的压力和摩擦力(见图1)。
[0046]所述控制系统(见图2?图6)，包括上位PC机、路由器、Wifi连接器，其特征在于它是由单片机、电源模块、电机驱动模块、直流驱动电机、检测模块和通讯模块构成;其中所述电源模块为单片机和检测模块提供5V直流电，为通讯模块提供3.3V直流电，为电机驱动模块提供12V直流电;所述单片机与通讯模块和检测模块分别呈双向连接，且所述单片机的输入端分别与电源模块和检测模块的输出端连接;所述单片机的输出端连接电机驱动模块的输入端;所述电机驱动模块的输出端输出驱动信号驱动直流驱动电机，最终驱动管道机器人本体运动。
[0047]所述单片机是美国微芯公司生产的PIC(Peripheral Interface Controller)系列单片机芯片(见图3、图5)。
[0048]所述通讯模块是Wifi通讯传输芯片，可以通过路由器和Wifi连接器与手机、摄像头、上位PC机连接(见图2)。
[0049 ]所述电源模块是3节3.7 V的可充电式锂电池，作为系统的主电源，系统峰值电压可达12.6V，电容量为2600mAh，可以对其它功能模块和执行元件实现无拖缆式直流供电。
[0050]所述电源模块经稳压元件可输出的电压为5V、3.3V。
[0051 ]所述电机驱动模块是美国国家半导体公司的LMD18200直流电机驱动芯片(见图4)0
[0052]所述检测模块(见图2)是由超声波测距单元、霍尔测速单元、倾角检测单元、温湿度检测单元、定位检测单元和视频检测单元构成;所述超声波测距单元采用超声波传感器；所述霍尔测速单元采用的是霍尔测速元件;所述霍尔测速单元的输入端采集管道机器人本体上导向轮5的车轮信息，其输出端连接PIC单片机的输入端;所述倾角检测单元采用倾角传感器;所述温湿度检测单元采用温湿度传感器;所述定位检测单元是非接触式读卡器;所述视频检测单元是Wifi摄像头(见图6)。
[0053]所述单片机、直流驱动电机、电源模块、电机驱动模块、检测模块和通讯模块均安装在机身2内部(见图1)。
【主权项】
1.一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于它包括本体机械结构和控制系统;其中，所述本体机械结构由螺旋头、机身和保持架构成;所述机身是机器人的主体，所述螺旋头和保持架均安装在机身上;所述螺旋头在圆周方向上分布安装有驱动轮;所述保持架在圆周方向上分布安装有导向轮;所述驱动轮和导向轮均通过连接杆连接到螺旋头和保持架上。2.根据权利要求1所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于所述螺旋头在圆周方向上均匀分布着三组驱动轮，每两组驱动轮之间的间隔为120。。3.根据权利要求2所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于所述三组驱动轮的每组都由单个车轮构成，而且每个车轮的轴线与管道的中心线成一个夹角α，当车轮沿着管道内壁移动一圈时，管道机器人移动的直线距离为L = JiDtana,其中D为管道内径。4.根据权利要求1所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于所述保持架在圆周方向上均匀分布着三组导向轮，每两组导向轮之间的间隔为120。。5.根据权利要求4所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于所述三组导向轮的每组都由单个车轮构成，而且每个车轮的轴线与管道的中心线平行，对机器人起支撑、导向作用。6.根据权利要求1所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于所述连接杆的径向装有高强度弹簧，使行走机构即驱动轮和导向轮对管壁始终保持一定的压力和摩擦力。7.根据权利要求1所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于所述控制系统，包括上位PC机、路由器、Wifi连接器，它是由单片机、电源模块、电机驱动模块、直流驱动电机、检测模块和通讯模块构成;其中所述电源模块为单片机和检测模块提供5V直流电，为通讯模块提供3.3V直流电，为电机驱动模块提供12V直流电;所述单片机与通讯模块和检测模块分别呈双向连接，且所述单片机的输入端分别与电源模块和检测模块的输出端连接;所述单片机的输出端连接电机驱动模块的输入端;所述电机驱动模块的输出端输出驱动信号驱动直流驱动电机，最终驱动管道机器人本体运动。8.根据权利要求7所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于所述单片机是美国微芯公司生产的PIC系列单片机芯片；所述通讯模块是Wifi通讯传输芯片，可以通过路由器和Wifi连接器与手机、摄像头、上位PC机连接;所述电源模块是3节3.7V的可充电式锂电池，作为系统的主电源，系统峰值电压可达12.6V，电容量为2600mAh，可以对其它功能模块和执行元件实现无拖缆式直流供电;所述电源模块经稳压元件可输出的电压为5V、3.3V;所述电机驱动模块是美国国家半导体公司的LMD18200直流电机驱动芯片。9.根据权利要求7所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于所述检测模块是由超声波测距单元、霍尔测速单元、倾角检测单元、温湿度检测单元、定位检测单元和视频检测单元构成;所述超声波测距单元采用超声波传感器;所述霍尔测速单元采用的是霍尔测速元件;所述霍尔测速单元的输入端采集管道机器人本体上导向轮的车轮信息，其输出端连接Pic单片机的输入端;所述倾角检测单元采用倾角传感器;所述温湿度检测单元采用温湿度传感器;所述定位检测单元是非接触式读卡器;所述视频检测单元是Wifi摄像头。10.根据权利要求7所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人，其特征在于所述单片机、直流驱动电机、电源模块、电机驱动模块、检测模块和通讯模块均安装在机身内部。
【文档编号】G05D1/02GK205540266SQ201620083556
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】邵磊, 王毅, 董克建, 陈小奇, 刘宏利, 李季
【申请人】天津理工大学