基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人的制作方法
【專利摘要】一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于它包括本體機械結構和控制系統；其中，所述本體機械結構由螺旋頭、機身和保持架構成；所述機身是機器人的主體；其優越性在于：⑴可以在傾斜、垂直、微小變徑的管道內穩定靈活的行走；⑵動態響應性、魯棒性和穩定性好；⑶信號傳輸方便；⑷可控性強，精準性高。
【專利說明】
基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人
(一)技術領域:
[0001]本實用新型屬于管道檢測機器人技術領域，特別是一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人。
(二)【背景技術】:
[0002]管道運輸與鐵路運輸、公路運輸、水路運輸和航空運輸并稱為當今世界五大運輸方式。憑借安全、經濟、快捷、量大等傳輸特點，管道輸送已廣泛應用于石油化工、食品加工、城市供排水、生活資源供給、核工業等領域，在國民經濟發展中占有極為重要的地位，是衡量一個國家工業發展水平的主要標志之一。隨著國家經濟建設的穩步推進，管道工業也迎來了快速發展期。在“十一五”期間，我國管道新增數量將接近34000公里.隨著油氣管道長時運行，由管道自身缺陷和后期運行期間發生的腐蝕穿孔、人為損壞和自然地質災害等因素造成的管道泄漏、爆炸等事故將會增多，嚴重威脅著周邊居民人身財產安全和自然環境，影響著國家正常的經濟建設。傳統管道檢測都是由相關人員實施，有全面挖掘發和隨機抽樣法，工作量大，效率低下。而且有些管道位置人員無法安全到達實施監測，比如輸送有毒化學品或內部結構復雜狹小的管道。此外特殊的管道環境也給管道檢測帶來了很大的困難。由此，管道檢測機器人應運而生。管道機器人是一種可沿細小管道內部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業的機、電、儀一體化系統。具有快速運動、靈活操縱、準確判斷和低成本等優點。
[0003]目前，管道機器人多以普通結構的輪式或是履帶式為主，可以在水平或是傾斜度不大的管道內運行，但在傾斜度較大甚至垂直的管道內很難穩定運行;驅動電機控制多以傳統PID算法為主，但面對結構復雜、環境多變的管道，控制效果不佳。
(三)【實用新型內容】:
[0004]本實用新型的目的在于提供一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，它可以克服現有技術的不足，是一種結構簡單，操作方便的機器人系統，它結合了壓壁結構和螺旋驅動結構的機械本體設計，使機器人可以在具有傾斜、垂直、微小變徑等特征的小型管道內穩定靈活地移動;底層單片機和上位PC機的聯合控制方式，可以實現對管道機器人的遠程遙控和在線數據采集。
[0005]本實用新型的技術方案:一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于它包括本體機械結構和控制系統；其中，所述本體機械結構由螺旋頭、機身和保持架構成;所述機身是機器人的主體，所述螺旋頭和保持架均安裝在機身上;所述螺旋頭在圓周方向上分布安裝有驅動輪;所述保持架在圓周方向上分布安裝有導向輪;所述驅動輪和導向輪均通過連接桿連接到螺旋頭和保持架上。
[0006]所述螺旋頭在圓周方向上均勻分布著三組驅動輪，每兩組驅動輪之間的間隔為120。。
[0007]所述三組驅動輪的每組都由單個車輪構成，而且每個車輪的軸線與管道的中心線成一個夾角α，當車輪沿著管道內壁移動一圈時，管道機器人移動的直線距離為L = JiDtana,其中D為管道內徑。
[0008]所述保持架在圓周方向上均勻分布著三組導向輪，每兩組導向輪之間的間隔為120。。
[0009]所述三組導向輪的每組都由單個車輪構成，而且每個車輪的軸線與管道的中心線平行，對機器人起支撐、導向作用。
[0010]所述連接桿的徑向裝有高強度彈簧，使行走機構即驅動輪和導向輪對管壁始終保持一定的壓力和摩擦力。
[0011 ]所述控制系統，包括上位PC機、路由器、Wif i連接器，其特征在于它是由單片機、電源模塊、電機驅動模塊、直流驅動電機、檢測模塊和通訊模塊構成;其中所述電源模塊為單片機和檢測模塊提供5V直流電，為通訊模塊提供3.3V直流電，為電機驅動模塊提供12V直流電；所述單片機與通訊模塊和檢測模塊分別呈雙向連接，且所述單片機的輸入端分別與電源模塊和檢測模塊的輸出端連接;所述單片機的輸出端連接電機驅動模塊的輸入端;所述電機驅動模塊的輸出端輸出驅動信號驅動直流驅動電機，最終驅動管道機器人本體運動。
[0012]所述單片機是美國微芯公司生產的PIC(Peripheral Interface Controller)系列單片機芯片。
[0013]所述通訊模塊是Wifi通訊傳輸芯片，可以通過路由器和Wifi連接器與手機、攝像頭、上位PC機連接。
[0014]所述電源模塊是3節3.7V的可充電式鋰電池，作為系統的主電源，系統峰值電壓可達12.6V，電容量為2600mAh，可以對其它功能模塊和執行元件實現無拖纜式直流供電。
[0015]所述電源模塊經穩壓元件可輸出的電壓為5V、3.3V。
[0016]所述電機驅動模塊是美國國家半導體公司的LMD18200直流電機驅動芯片。
[0017]所述檢測模塊是由超聲波測距單元、霍爾測速單元、傾角檢測單元、溫濕度檢測單元、定位檢測單元和視頻檢測單元構成;所述超聲波測距單元采用超聲波傳感器;所述霍爾測速單元采用的是霍爾測速元件;所述霍爾測速單元的輸入端采集管道機器人本體上導向輪的車輪信息，其輸出端連接PIC單片機的輸入端;所述傾角檢測單元采用傾角傳感器;所述溫濕度檢測單元采用溫濕度傳感器;所述定位檢測單元是非接觸式讀卡器;所述視頻檢測單元是Wifi攝像頭。
[0018]所述單片機、直流驅動電機、電源模塊、電機驅動模塊、檢測模塊和通訊模塊均安裝在機身內部。
[0019]本實用新型的工作方法:以車輪直線速度為反饋量的全閉環伺服控制系統，采用模糊自適應PID控制算法，具體包括以下步驟:
[0020]①由上位PC機設定管道機器人車輪直線移動速度，作為設定值，通過通訊模塊輸送給單片機。
[0021]②單片機把速度設定值處理轉化成PWM信號，輸送給電機驅動模塊。再由電機驅動模塊驅動直流驅動電機旋轉。
[0022]③用霍爾測速元件檢測管道機器人直線移動速度脈沖，反饋給單片機；
[0023]④單片機把采集到的霍爾測速元件信號進行計算處理，得到管道機器人實際直線移動速度，通過通訊模塊，輸送回上位PC機。
[0024]⑤在上位PC機中，實際直線移動速度與設定值作比較，得出的偏差量和偏差率，作為模糊自適應PID控制器的輸入量。而輸出量則是經模糊自適應PID算法調節后的新的速度設定值，重復①-④的步驟，直至速度偏差為零，系統穩定下來。
[0025]本實用新型的工作原理:當驅動電機得電旋轉時，通過聯軸器帶動螺旋頭旋轉，由于驅動輪的軸線與管道的軸線有夾角，則驅動輪會沿管壁做螺旋運動。隨著驅動電機軸旋轉方向不同，螺旋運動的方向也不同。同時保持架的導向輪軸線與管道的軸線無夾角，受周向摩擦力的作用不會旋轉，只會沿著管道軸向運動。這樣在驅動電機的帶動下，管道機器人本體可以沿著管道軸向運動，而且運動方向與驅動電機旋轉方向相對應。由于驅動電機選用的是有刷直流電機，電機轉速與電樞電壓的大小成正比，改變電樞電壓即可控制電機轉速。本實用新型采用數字式PWM控制方式，通過PIC單片機發出可調節脈寬寬度(占空比)的PWM信號，經高速光電耦合器(起避免信號干擾的作用)輸送給電機驅動模塊，再由電機驅動模塊進行信號放大，放大后的信號即可直接驅動電機運轉，控制電機的轉速和方向。當電機停轉后，受高強度壓壁彈簧的作用，管道機器人的車輪與管壁間存有較大的摩擦力，可使管道機器人靜止在傾斜管道內，不會產生下溜、打滑現象。PIC單片機模塊通過PffM接口為電機驅動模塊輸出PWM控制信號，通過串行接口與通訊模塊、讀卡器相連接收發送數據，通過A/D轉換接口接收傾角傳感器采集的數據，通過普通I/O接口接收測距傳感器和溫濕度傳感器采集的數據，通過捕捉接口接收霍爾測速元件發出的脈沖；電機驅動模塊接收PIC單片機PffM控制信號，通過輸出變化的直流電壓控制直流驅動電機的轉速。
[0026]采用上位機+PIC單片機聯合控制方式。PIC單片機作為底層硬件系統的控制器，通過Wif i無線通訊模塊，實時接收上位機發出的控制指令，以一定的控制算法驅動電機運轉，并把采集來的檢測信息數據經簡單處理后上傳給上位機;上位機作為頂層軟件控制端，主要起到發出控制指令和顯示數據、圖像的作用。控制系統中的底層硬件驅動是以PIC單片機為核心控制器，根據上位機發出的控制指令驅動其它功能模塊工作，并接收、處理傳感元件檢測到的數據;通過A/D轉換、普通I/0、CCP、UART等接口驅動其它功能模塊工作，同時接收、處理、上傳傳感元件檢測到的數據，通過A/D轉換、普通1/0、CCP、UART等接口驅動其它功能模塊工作，同時接收、處理、上傳傳感元件檢測到的數據。電機驅動模塊選用美國國家半導體公司生產的LMD18200直流電機驅動芯片，受單片機PWM信號控制，驅動直流電機運轉；可以實現直流電機的速度控制和方向控制。
[0027]檢測模塊包括超聲波測距、霍爾測速、傾角檢測、溫濕度檢測、定位檢測、視頻檢測等單元，由PIC單片機協調控制，完成對管道內障礙物距離檢測、機器人直線速度檢測、管道傾斜度檢測、溫濕度檢測、機器人位置檢測和圖形采集等任務。超聲波測距單元采用超聲波傳感器，接收Pic單片機發出的脈沖信號驅動，并返回高電平，高電平持續的時間與前方障礙物的距離成正比；霍爾測速單元采用的是霍爾元件，當檢測到車輪上的磁鋼片時會發出脈沖信號給Pic單片機，脈沖信號的間隔即是車輪旋轉一周的時間;傾角檢測單元采用的是傾角傳感器，輸出與管道傾斜度成正比的電壓模擬信號給Pic單片機;溫濕度檢測單元采用的是溫濕度傳感器，輸出數字信號給PIC單片機;定位檢測單元采用的是非接觸式讀卡器，通過串口UART發送卡號給PIC單片機;視頻檢測單元采用的是Wif i攝像頭，可以直接把視頻信號發送給上位PC機。
[0028]通訊模塊選用Wifi通訊傳輸芯片。該芯片硬件上通過UART串口與PIC單片機進行數據的交換，由外接3.3V直流電供電，SBl為復位按鈕，SB2為恢復出廠設置按鈕，并接有L3準備就緒燈及L4通訊指示燈。內部設置為透傳工作模式，STA無線組網方式，通過路由器可與上位機和多個手機APP進行無線通訊，實現了上位機和手機APP對管道機器人的遠程遙控。
[0029]控制系統中的上位機軟件是以Win7操作系統為開發平臺，C#為開發語言，編寫出一套以Wifi無線通訊方式來接收、顯示、發出指令，并能對采集上傳的圖像進行顯示、預處理的上位機控制軟件。該控制軟件的開發流程是先建立Socket連接用于搜索無線網絡。搜索到網絡后，一方面就可以與底層單片機開始相互接收、發送數據，并把數據存儲到數據庫；另一方面可顯示上傳的圖像，并在線做圖像的處理，包括灰度化、圖像增強、濾波、二值化等。通過該軟件，可以實時顯示管道XY雙軸角度值、管道內障礙物距離值、管道內溫濕度值、機器人直線速度值及其管內位置;可以實時控制管道機器人的移動速度和方向；可以在線顯示管道內圖像并做圖像預處理。
[0030]控制系統的軟件部分使用C#語言開發出上位機控制軟件，利用Wifi通訊實現對管道機器人的遠程遙控。并且構建了以管道機器人直線移動速度為反饋量的全閉環伺服控制系統，采用了模糊自適應PID控制算法來提高控制系統的精度和穩定性。
[0031 ]控制算法采用了融合模糊自適應算法優化的PID控制，可以根據不同情況實時在線地調整PID控制參數，使機器人更好地適應非線性、時變、滯后的系統模型;此外，構建了以管道機器人直線移動速度為反饋量的全閉環伺服控制系統，來提高整個控制系統的精度。建立了一套基于車輪直線移動速度為反饋量的全閉環伺服控制系統。此控制系統可以根據不同的運行情況和條件，在線調整PID控制參數，即使有干擾也能快速恢復系統的穩定性，減小系統的超調量，增強系統的魯棒性。
[0032]本實用新型的優越性在于:⑴帶有高強度彈簧壓壁裝置的螺旋驅動機構可以使機器人在傾斜、垂直、微小變徑的管道內穩定靈活的行走;⑵構建了以車輪直線速度為反饋量的全閉環伺服控制系統，提高了管道機器人控制系統的精度；引入了數字式模糊自適應PID控制算法，使控制系統在動態響應性、魯棒性和穩定性方面優于傳統的PID控制算法;⑶應用了 Wif i無線通訊技術，實現了上位機和手機APP對管道機器人的遠程遙控和圖像采集，確保機器人可靠運行和有效檢測；⑷可以實現管道的在線檢測和診斷，可控性強，精準性高，可以代替人工完成管道檢測任務，避免人員的意外傷害。
(四)【附圖說明】:
[0033]圖1為本實用新型所涉一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人的本體結構圖。
[0034]圖2為本實用新型所涉一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人的控制結構圖。
[0035]圖3為本實用新型所涉一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人的電源模塊設計圖。
[0036]圖4為本實用新型所涉一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人的電機驅動模塊設計圖。
[0037]圖5為本實用新型所涉一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人的通訊模塊設計圖。
[0038]圖6為本實用新型所涉基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人的上位PC機軟件設計流程圖。
[0039]其中，I為螺旋頭;2為機身;3為保持架;4為驅動輪;5為導向輪;6為連接桿;7為高強度彈簧。
(五)【具體實施方式】:
[0040]實施例:一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人(見圖1)，其特征在于它包括本體機械結構和控制系統;其中，所述本體機械結構由螺旋頭1、機身2和保持架3構成;所述機身2是機器人的主體，所述螺旋頭I和保持架3均安裝在機身2上;所述螺旋頭I在圓周方向上分布安裝有驅動輪4;所述保持架3在圓周方向上分布安裝有導向輪5;所述驅動輪4和導向輪5均通過連接桿6連接到螺旋頭I和保持架3上。
[0041]所述螺旋頭I在圓周方向上均勻分布著三組驅動輪4，每兩組驅動輪4之間的間隔為120°(見圖1)。
[0042]所述三組驅動輪4的每組都由單個車輪構成，而且每個車輪的軸線與管道的中心線成一個夾角α，當車輪沿著管道內壁移動一圈時，管道機器人移動的直線距離為L = JiDtanα，其中D為管道內徑(見圖1)。
[0043]所述保持架3在圓周方向上均勻分布著三組導向輪5，每兩組導向輪5之間的間隔為120°(見圖1)。
[0044]所述三組導向輪5的每組都由單個車輪構成，而且每個車輪的軸線與管道的中心線平行，對機器人起支撐、導向作用(見圖1)。
[0045]所述連接桿6的徑向裝有高強度彈簧7，使行走機構即驅動輪4和導向輪5對管壁始終保持一定的壓力和摩擦力(見圖1)。
[0046]所述控制系統(見圖2?圖6)，包括上位PC機、路由器、Wifi連接器，其特征在于它是由單片機、電源模塊、電機驅動模塊、直流驅動電機、檢測模塊和通訊模塊構成;其中所述電源模塊為單片機和檢測模塊提供5V直流電，為通訊模塊提供3.3V直流電，為電機驅動模塊提供12V直流電;所述單片機與通訊模塊和檢測模塊分別呈雙向連接，且所述單片機的輸入端分別與電源模塊和檢測模塊的輸出端連接;所述單片機的輸出端連接電機驅動模塊的輸入端;所述電機驅動模塊的輸出端輸出驅動信號驅動直流驅動電機，最終驅動管道機器人本體運動。
[0047]所述單片機是美國微芯公司生產的PIC(Peripheral Interface Controller)系列單片機芯片(見圖3、圖5)。
[0048]所述通訊模塊是Wifi通訊傳輸芯片，可以通過路由器和Wifi連接器與手機、攝像頭、上位PC機連接(見圖2)。
[0049 ]所述電源模塊是3節3.7 V的可充電式鋰電池，作為系統的主電源，系統峰值電壓可達12.6V，電容量為2600mAh，可以對其它功能模塊和執行元件實現無拖纜式直流供電。
[0050]所述電源模塊經穩壓元件可輸出的電壓為5V、3.3V。
[0051 ]所述電機驅動模塊是美國國家半導體公司的LMD18200直流電機驅動芯片(見圖4)0
[0052]所述檢測模塊(見圖2)是由超聲波測距單元、霍爾測速單元、傾角檢測單元、溫濕度檢測單元、定位檢測單元和視頻檢測單元構成;所述超聲波測距單元采用超聲波傳感器；所述霍爾測速單元采用的是霍爾測速元件;所述霍爾測速單元的輸入端采集管道機器人本體上導向輪5的車輪信息，其輸出端連接PIC單片機的輸入端;所述傾角檢測單元采用傾角傳感器;所述溫濕度檢測單元采用溫濕度傳感器;所述定位檢測單元是非接觸式讀卡器;所述視頻檢測單元是Wifi攝像頭(見圖6)。
[0053]所述單片機、直流驅動電機、電源模塊、電機驅動模塊、檢測模塊和通訊模塊均安裝在機身2內部(見圖1)。
【主權項】
1.一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于它包括本體機械結構和控制系統;其中，所述本體機械結構由螺旋頭、機身和保持架構成;所述機身是機器人的主體，所述螺旋頭和保持架均安裝在機身上;所述螺旋頭在圓周方向上分布安裝有驅動輪;所述保持架在圓周方向上分布安裝有導向輪;所述驅動輪和導向輪均通過連接桿連接到螺旋頭和保持架上。2.根據權利要求1所述一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于所述螺旋頭在圓周方向上均勻分布著三組驅動輪，每兩組驅動輪之間的間隔為120。。3.根據權利要求2所述一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于所述三組驅動輪的每組都由單個車輪構成，而且每個車輪的軸線與管道的中心線成一個夾角α，當車輪沿著管道內壁移動一圈時，管道機器人移動的直線距離為L = JiDtana,其中D為管道內徑。4.根據權利要求1所述一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于所述保持架在圓周方向上均勻分布著三組導向輪，每兩組導向輪之間的間隔為120。。5.根據權利要求4所述一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于所述三組導向輪的每組都由單個車輪構成，而且每個車輪的軸線與管道的中心線平行，對機器人起支撐、導向作用。6.根據權利要求1所述一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于所述連接桿的徑向裝有高強度彈簧，使行走機構即驅動輪和導向輪對管壁始終保持一定的壓力和摩擦力。7.根據權利要求1所述一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于所述控制系統，包括上位PC機、路由器、Wifi連接器，它是由單片機、電源模塊、電機驅動模塊、直流驅動電機、檢測模塊和通訊模塊構成;其中所述電源模塊為單片機和檢測模塊提供5V直流電，為通訊模塊提供3.3V直流電，為電機驅動模塊提供12V直流電;所述單片機與通訊模塊和檢測模塊分別呈雙向連接，且所述單片機的輸入端分別與電源模塊和檢測模塊的輸出端連接;所述單片機的輸出端連接電機驅動模塊的輸入端;所述電機驅動模塊的輸出端輸出驅動信號驅動直流驅動電機，最終驅動管道機器人本體運動。8.根據權利要求7所述一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于所述單片機是美國微芯公司生產的PIC系列單片機芯片；所述通訊模塊是Wifi通訊傳輸芯片，可以通過路由器和Wifi連接器與手機、攝像頭、上位PC機連接;所述電源模塊是3節3.7V的可充電式鋰電池，作為系統的主電源，系統峰值電壓可達12.6V，電容量為2600mAh，可以對其它功能模塊和執行元件實現無拖纜式直流供電;所述電源模塊經穩壓元件可輸出的電壓為5V、3.3V;所述電機驅動模塊是美國國家半導體公司的LMD18200直流電機驅動芯片。9.根據權利要求7所述一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于所述檢測模塊是由超聲波測距單元、霍爾測速單元、傾角檢測單元、溫濕度檢測單元、定位檢測單元和視頻檢測單元構成;所述超聲波測距單元采用超聲波傳感器;所述霍爾測速單元采用的是霍爾測速元件;所述霍爾測速單元的輸入端采集管道機器人本體上導向輪的車輪信息，其輸出端連接Pic單片機的輸入端;所述傾角檢測單元采用傾角傳感器;所述溫濕度檢測單元采用溫濕度傳感器;所述定位檢測單元是非接觸式讀卡器;所述視頻檢測單元是Wifi攝像頭。10.根據權利要求7所述一種基于高強度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅動管道機器人，其特征在于所述單片機、直流驅動電機、電源模塊、電機驅動模塊、檢測模塊和通訊模塊均安裝在機身內部。
【文檔編號】G05D1/02GK205540266SQ201620083556
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月28日
【發明人】邵磊, 王毅, 董克建, 陳小奇, 劉宏利, 李季
【申請人】天津理工大學