一种地下管道人井排查多功能八爪机器人及其排查方法技术

本发明专利技术提供了一种地下管道人井排查多功能八爪机器人，其特征在于：本体为蝴蝶状，包括：行走模块，包括仿生脚掌和足部，足部包括三个主动关节，分别为髋关节、膝关节以及踝关节，脚掌与髌骨节通过球铰相连，同时在脚掌与髌骨节之间设置有复位弹簧，足部安装力传感器；清洁结构，包括壳体，蜗杆电机，清洁毛刷，机械爪和清洁舵机；控制机构，包括主控模块、数据传输模块、上位机控制模块和电机驱动控制模块，采用慎思式体系架构的分层递阶控制系统；感知模块，包括危险气体传感器、第一红外传感器、360度旋转式摄像头以及LED照明灯；供电模块，采用专用航空锂电池；以及关节驱动系统，采用全封闭步进电机驱动。还公开了相应的排查方法。

【技术实现步骤摘要】
一种地下管道人井排查多功能八爪机器人及其排查方法
本专利技术涉及机器人领域，特别是涉及地下管道人井排查多功能八爪机器人及其排查方法。
技术介绍
城市地下管道具备电、热、水系统的运送和排污等功能，使城市生存和发展所依赖的主要基础设施。目前，地下管道的清管和管道检测主要依赖于污水流量或施工人员的工作，不仅效率低下而且恶劣的环境对人体有害。并且，随着数字城市建设的大力发展，地下管网的检查及简单的故障检修和正在施工中的管网的监视，由于管网空间的限制，正在成为一个极大的问题。现有的中国管道机器人采用的是模块化设计，同时配有远端内部管道检测系统，然而不能适应不同管径的要求，机构过于复杂，并且仅有侦查功能，无法轻松，而且都是采用轮式行走方式，在潮湿及复杂环境中可能出现打滑现象，无法适应全地形检测以及复杂和恶劣环境监测要求，对于电磁干扰以及高温的恶劣环境干扰的抗干扰能力差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种地下管道人井排查多功能八爪机器人，通过摄像头采集现场图像，通过气体传感器采集管道内相应气体数据，并将所有数据通过以太网传输至远端控制系统，控制系统监测管道环境，同时控制八爪机器人的行走、机械臂的操作，本体为蝴蝶状，包括：行走模块，包括仿生脚掌和足部，设计为8脚趾结构，8个趾节均匀分布，脚掌与足部通过球铰链节，从而适应复杂全地形；所述足部与所述脚掌连接，包括三个主动关节，分别为髋关节、膝关节以及踝关节，每个主动关节由舵机驱动，每一条足都包括基节、股节和髌骨节，基节通过髋关节与机器人本体相连，股节通过膝关节与基节相连，髌骨节通过踝关节与髌骨节相连，髋关节、膝关节、踝关节分别由一个舵机驱动，通过控制髋关节实现腿的前后摆动，膝关节和踝关节控制腿的抬放，脚掌与髌骨节通过球铰相连，同时在脚掌与髌骨节之间设置有复位弹簧，在脚掌接触到管道面时自动调整球铰转动并保持初始姿态不变，在机器人足部安装力传感器，从而使得机器人每条腿都具有力感知能力，通过实时监测脚掌受力和爬行表面状况实现机器人行动的反馈控制，增加稳定性和适应性；清洁结构，包括壳体，蜗杆电机，清洁毛刷，机械爪和清洁舵机，通过清洁舵机安装在足部前端，清洁毛刷与蜗杆电机的输出轴连接，机械爪通过清洁舵机安装在壳体的另一端，控制清洁舵机，从而实现清洁毛刷与机械爪之间的切换，配合完成各项作业任务；控制机构，采用线控或者无线遥控，包括主控模块、数据传输模块、上位机控制模块和电机驱动控制模块，所述主控模块与供电模块、感知模块、电机驱动控制模块连接，通过电机驱动控制模块与行走模块连接，采用慎思式体系架构的分层递阶控制系统，包括组织级、协调级和执行级，所述组织级对机器人运动任务统一规划，由通信模块和人机界面组成，所述执行级位于所述控制系统末端，实现各关节互补干涉，所述协调级协调所述组织级和所述执行级之间的关系，包括舵机控制板以及获取环境变化的主控板，从而将接收组织级的运动命令并驱动舵机转动；感知模块，包括机身上安装的危险气体传感器、第一红外传感器、360度旋转式摄像头以及LED照明灯，所述摄像头通过360度舵机安装在机身上方，实现摄像头360度旋转，并将图像信号实时传输到上位机控制模块，所述LED照明灯设置于机身外围，用于探测管道内环境；供电模块，采用专用航空锂电池作为电源；以及关节驱动系统，采用全封闭步进电机驱动，不产生火花及电磁干扰。优选的，所述危险气体传感器包括甲烷传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器。优选的，所述人机界面采用可见光及热成像系统，地面站通过所述人机界面将运动指令发送给机器人的控制系统，并且机器人将其运动位姿、速度参数通过所述人机界面反馈给地面站，从而实时掌握机器人所在地域参数及高清图像，并且可以通过人机界面进行智能查询，从而使得人工全程参与管理。优选的，所述上位机控制模块中的上位机采用便携式计算机、智能移动终端或无线手柄，通过开源电子平台定义上位机与舵机驱动板的通讯协议，将上位机解锁后，通过预先下载程序到控制器，实现实时操作；所述下位机主控器采用Intel与Arduino联合卡发的Arduino101和QSC舵机驱动板，上位机作为命令发送端，Arduino101对外界信息进行处理，感知结构接收外界信息，QSC负责动作协调，程序编辑在ArduinoIDE中完成。优选的，所述控制机构还设有保护模块，所述保护模块为限位开关机红外传感器，所述限位开关安装在所述机器人机身，限制机械臂的最大活动范围，而红外传感器探测传感器前方障碍物，防止撞击对机器人带来的损伤。优选的，还包括以太网，所述上位机通过控制软件经以太网向下位机发送控制指令，数据传输模块接收到上位机数据后，通过串口将指令传输到机器人主控板，指令数据经过下位机程序解析后，执行相对应的机器人行为。优选的，所述机器人的本体和腿部的构件材料采用铝合金，采用电火花线切割加工技术。优选的，所述管道机器人质量为15kg，行走速度为10m/s，电池续航时间为24小时，地下管道内有线通信距离为100m，机身整体采用IP68防水防尘标准。本专利技术的目的还在于提供一种采用多功能八爪机器人进行地下管道人井排查的方法，包括：(1)启动供电模块为整个系统供电，机器人自动将足部、清洁毛刷和机械爪复位，同时上位机控制模块启动、初始化，并选择有线或无线方式与机器人建立连接；(2)上位机控制模块下选择机器人不同的运动和工作方式，上位机控制模块通过以太网或者无线WiFi将控制指令发送至数据传输模块，数据传输模块经过串口送至主控模块；(3)主控模块根据通信协议对接收到的控制指令进行解析，进而执行相应的操作，过程中如果保护模块检测到足部活动幅度过大或者检测到一定距离内出现障碍物，或感知模块中的危险气体传感器检测到危险气体浓度过高时，机器人将停止运行，并给出相应的警示信息。本专利技术的机器人技术优点在于：1、考虑到轮式和链条结构的适应范围限制，采用八爪结构适应复杂及恶劣的环境；2、全地形，防水防高温防电磁干扰，具有智能查询及简单的清洁性能，人工可全程参与管理；3、使用专用航空锂电池，全封闭步进电机驱动，不产生电火花及电磁干扰，多种控制方式并且人机界面友好。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本专利技术的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：附图1为根据本专利技术实施例的地下管道人井排查多功能八爪机器人结构示意图；附图2为根据本专利技术实施例的地下管道人井排查多功能八爪机器人的足部结构示意图；附图3为根据本专利技术实施例的控制系统模块结构示意图。具体实施方式参见图1，本实施例的一种地下管道人井排查多功能八爪机器人，通过摄像头采集现场图像，通过气体传感器采集管道内相应气体数据，并将所有数据通过以太网传输至远端控制系统，控制系统监测管道环境，同时控制八爪机器人的行走、机械臂的操作，本体为蝴蝶状，包括：行走模块，包括仿生脚掌和足部，设计为8脚趾结构，8个趾节均匀分布，脚掌与足部通过球铰链节，从而适应复杂全地形。参见图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地下管道人井排查多功能八爪机器人，其特征在于：本体为蝴蝶状，包括：行走模块，包括仿生脚掌和足部，设计为8脚趾结构，8个趾节均匀分布，脚掌与足部通过球铰链节，从而适应复杂全地形；所述足部与所述脚掌连接，包括三个主动关节，分别为髋关节、膝关节以及踝关节，每个主动关节由舵机驱动，每一条足都包括基节、股节和髌骨节，基节通过髋关节与机器人本体相连，股节通过膝关节与基节相连，髌骨节通过踝关节与髌骨节相连，髋关节、膝关节、踝关节分别由一个舵机驱动，通过控制髋关节实现腿的前后摆动，膝关节和踝关节控制腿的抬放，脚掌与髌骨节通过球铰相连，同时在脚掌与髌骨节之间设置有复位弹簧，在脚掌接触到管道面时自动调整球铰转动并保持初始姿态不变，在机器人足部安装力传感器，从而使得机器人每条腿都具有力感知能力，通过实时监测脚掌受力和爬行表面状况实现机器人行动的反馈控制，增加稳定性和适应性；清洁结构，包括壳体，蜗杆电机，清洁毛刷，机械爪和清洁舵机，通过清洁舵机安装在足部前端，清洁毛刷与蜗杆电机的输出轴连接，机械爪通过清洁舵机安装在壳体的另一端，控制清洁舵机，从而实现清洁毛刷与机械爪之间的切换，配合完成各项作业任务；控制机构，采用线控或者无线遥控，包括主控模块、数据传输模块、上位机控制模块和电机驱动控制模块，所述主控模块与供电模块、感知模块、电机驱动控制模块连接，通过电机驱动控制模块与行走模块连接，采用慎思式体系架构的分层递阶控制系统，包括组织级、协调级和执行级，所述组织级对机器人运动任务统一规划，由通信模块和人机界面组成，所述执行级位于所述控制系统末端，实现各关节互补干涉，所述协调级协调所述组织级和所述执行级之间的关系，包括舵机控制板以及获取环境变化的主控板，从而将接收组织级的运动命令并驱动舵机转动；感知模块，包括机身上安装的危险气体传感器、第一红外传感器、360度旋转式摄像头以及LED照明灯，所述摄像头通过360度舵机安装在机身上方，实现摄像头360度旋转，并将图像信号实时传输到上位机控制模块，所述LED照明灯设置于机身外围，用于探测管道内环境；供电模块，采用专用航空锂电池作为电源；以及关节驱动系统，采用全封闭步进电机驱动，不产生火花及电磁干扰。...

【技术特征摘要】
1.一种地下管道人井排查多功能八爪机器人，其特征在于：本体为蝴蝶状，包括：行走模块，包括仿生脚掌和足部，设计为8脚趾结构，8个趾节均匀分布，脚掌与足部通过球铰链节，从而适应复杂全地形；所述足部与所述脚掌连接，包括三个主动关节，分别为髋关节、膝关节以及踝关节，每个主动关节由舵机驱动，每一条足都包括基节、股节和髌骨节，基节通过髋关节与机器人本体相连，股节通过膝关节与基节相连，髌骨节通过踝关节与髌骨节相连，髋关节、膝关节、踝关节分别由一个舵机驱动，通过控制髋关节实现腿的前后摆动，膝关节和踝关节控制腿的抬放，脚掌与髌骨节通过球铰相连，同时在脚掌与髌骨节之间设置有复位弹簧，在脚掌接触到管道面时自动调整球铰转动并保持初始姿态不变，在机器人足部安装力传感器，从而使得机器人每条腿都具有力感知能力，通过实时监测脚掌受力和爬行表面状况实现机器人行动的反馈控制，增加稳定性和适应性；清洁结构，包括壳体，蜗杆电机，清洁毛刷，机械爪和清洁舵机，通过清洁舵机安装在足部前端，清洁毛刷与蜗杆电机的输出轴连接，机械爪通过清洁舵机安装在壳体的另一端，控制清洁舵机，从而实现清洁毛刷与机械爪之间的切换，配合完成各项作业任务；控制机构，采用线控或者无线遥控，包括主控模块、数据传输模块、上位机控制模块和电机驱动控制模块，所述主控模块与供电模块、感知模块、电机驱动控制模块连接，通过电机驱动控制模块与行走模块连接，采用慎思式体系架构的分层递阶控制系统，包括组织级、协调级和执行级，所述组织级对机器人运动任务统一规划，由通信模块和人机界面组成，所述执行级位于所述控制系统末端，实现各关节互补干涉，所述协调级协调所述组织级和所述执行级之间的关系，包括舵机控制板以及获取环境变化的主控板，从而将接收组织级的运动命令并驱动舵机转动；感知模块，包括机身上安装的危险气体传感器、第一红外传感器、360度旋转式摄像头以及LED照明灯，所述摄像头通过360度舵机安装在机身上方，实现摄像头360度旋转，并将图像信号实时传输到上位机控制模块，所述LED照明灯设置于机身外围，用于探测管道内环境；供电模块，采用专用航空锂电池作为电源；以及关节驱动系统，采用全封闭步进电机驱动，不产生火花及电磁干扰。2.根据权利要求1所述的一种地下管道人井排查多功能八爪机器人，其特征在于：所述危险气体传感器包括甲烷传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器。3.根据权利要求1所述的一种地下管道人井排查多功能八爪机器人，其特征在于：所述人机界面采用可见光及热成像系统，地面站通过所述人机界面将运动指令发送给机器人的控制系统，并且机器人将其运动位姿、速度参数通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜学海，
申请(专利权)人：河北艺海机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13