管道机器人双缆驱动转向机构及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种管道机器人双缆驱动转向机构及控制方法，包括前机体组件，推进组件、后机体组件和缆控组件，推进组件连接在前机体组件和后机体组件之间，缆控组件连接在后机体组件的后端；前机体组件包括弹性支撑轮腿、伸缩转向轮腿以及机壳；弹性支撑轮腿包括支撑轮、弹簧、滑套；支撑轮通过弹簧与滑套作弹性滑动连接；伸缩转向轮腿包括左压轮和右压轮、双推杆气缸；左压轮和右压轮分别与双推杆气缸的两端输出轴连接并可自由转动；上述机构及控制方法基于缆绳控制和伸缩机构协调作用，机器人本体无需携带转向电机，实现机器人本体结构的轻量化以及在管内的零曲率半径转向，提高对管道结构的适应性。

【技术实现步骤摘要】
管道机器人双缆驱动转向机构及控制方法
本专利技术专利涉及管道机器人控制
，具体涉及一种管道机器人双缆驱动转向机构及控制方法。适用于竖直面弯管处转向实现机器人由竖直管道到水平管道（竖直面，即垂直于地面的平面）的直角转向。
技术介绍
在清管作业过程中，管道机器人要想投入管道工作，往往要从竖井进入水平管道，需要经过曲率半径为零的弯管，也就是直角弯管，这类弯管几乎没有圆角过渡。管道机器人实现转向需要克服自身重力作用，对于没有圆角过渡的直角管道，机器人无法借助圆角管壁作被动导向转向，必须在旋转关节处配置大功率转向电机及减速机进行主动转向，大大增加了机器人本体在直行过程中的负担，不利于机器人本体的轻量化。因此，针对管道机器人难以实现零曲率半径转向和轻量化的问题，从实际情况出发，基于双缆绳控制和伸缩机构协调作用，研制开发出一种双缆驱动的轻量化管道机器人，从而为竖直面内直角转向的管道清理的实现提供基础。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种管道机器人双缆驱动转向机构及控制方法，基于缆绳控制和伸缩机构协调作用，机器人本体无需携带转向电机，实现机器人本体结构的轻量化以及在管内的零曲率半径转向，提高对管道结构的适应性。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种管道机器人双缆驱动转向机构，包括前机体组件，推进组件、后机体组件和缆控组件，推进组件连接在前机体组件和后机体组件之间，所述缆控组件连接在后机体组件的后端；所述前机体组件包括弹性支撑轮腿、伸缩转向轮腿以及机壳；所述弹性支撑轮腿包括支撑轮、弹簧、滑套；所述支撑轮通过弹簧与滑套作弹性滑动连接；所述伸缩转向轮腿包括左压轮和右压轮、双推杆气缸；所述左压轮和右压轮分别与双推杆气缸的两端输出轴连接并可自由转动；所述缆控组件包括卷筒、支架、卷筒、左缆绳和右缆绳；所述卷筒和卷筒分别由步进电机独立驱动，可精确控制收放左缆绳和右缆绳的长度，从而控制机器人本体的转向角度；所述左缆绳和右缆绳分别连接在后机体组件的后端面上；支架上安装有两个张力传感器，左缆绳和右缆绳分别穿过该张力传感器。所述推进组件包括单杆气缸，单杆气缸的活塞杆与缸体分别与前机体组件和后机体组件连接，从而前机体组件和后机体组件做伸缩运动。所述推进组件包括电动推缸，电动推缸的活塞杆与缸体分别与前机体组件和后机体组件连接，从而前机体组件和后机体组件做伸缩运动。管道机器人双缆驱动转向机构控制方法，包括以下步骤：a.首先，由人工将装有倾角传感器、编码器、张力传感器、摄像头的管道机器人置入管道，管道机器人由（a）蠕动直行到（b）位置;b.前机体组件收缩、后机体组件支撑，通过双缆绳联合控制缆绳长度，使得机器人绕后机体组件中心顺时针旋转45°到（c）位置，前后机体轴向伸展到（d）位置，前机体组件支撑、后机体组件收缩，前后机体轴向收缩到（e）位置;c.通过双缆绳联合控制缆绳长度，使得机器人绕前机体组件中心顺时针旋转45°到（f）位置，实现转向过弯；其中，0°～45°和45°～90°转向控制中，表示电机控制缆绳收缩或释放的节距，可通过程序修改这一参数，越小，控制转向精度越高;d.张力传感器通过实时检测缆绳张力，保证两根绳子协调运动，可有效避免两根绳子作用力相互制约而造成的能量损耗;在机器人顺时针旋转0°～45°过程中，左缆绳承担主控收缩作用，右缆绳依靠张力传感器感知保持张力为0状态，作从动释放作用，从而避免右缆绳阻碍转向运动;e.在机器人顺时针旋转45°～90°过程中，右缆绳承担主控释放作用，左缆绳依靠张力传感器感知作从动释放作用，且在释放的同时保持左缆绳和右缆绳的张力相同，以均衡两个电机负载及延长缆绳使用寿命;f.重复进行步骤a至步骤e至管道机器人完成转向。管道机器人双缆驱动转向机构控制方法，管道机器人由（a）蠕动直行到（b）位置，前机体组件收缩、后机体组件支撑，通过双缆绳联合控制缆绳长度，使得机器人绕后机体组件中心顺时针旋转45°到（c）位置，前机体组件和后机体组件的同时轴向伸展到（d）位置，前机体组件支撑、后机体组件收缩；然后前机体组件和后机体组件轴向收缩到（e）位置，通过双缆绳联合控制缆绳长度，使得机器人绕前机体组件（1）中心顺时针旋转45°到（f）位置，实现转向过弯；其中，在0°～45°和45°～90°转向控制中，表示电机控制缆绳收缩或释放的节距，可通过程序修改这一参数，越小，控制转向精度越高；张力传感器通过实时检测缆绳张力，保证两根绳子协调运动，可有效避免右缆绳和左缆绳的作用力相互制约而造成的能量损耗；在机器人顺时针旋转0°～45°过程中，左缆绳承担主控收缩作用，右缆绳依靠张力传感器感知保持张力为0状态，作从动释放作用，从而避免右缆绳（4-3）阻碍转向运动；在机器人顺时针旋转45°～90°过程中，右缆绳承担主控释放作用，左缆绳依靠张力传感器感知作从动释放作用，且在释放的同时保持右缆绳和左缆绳的张力相同，以均衡两个电机负载。由于上述技术方案的运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：通过缆控组件和伸缩机构协调作用，机器人本体无需携带转向电机，实现机器人本体结构的轻量化以及在管内的零曲率半径转向，提高对管道结构的适应性。通过张力传感器感知双缆绳作用力，实现用控制算法自动调节两绳收放长度，平衡两绳受力状态，增长了缆绳使用寿命。对管道综合清理具有实际工程意义。附图说明下面结合附图对本专利技术技术方案作进一步说明：图1是本专利技术的立体结构示意图；图2是本专利技术的主视图；图3是本专利技术的俯视图；图4是本专利技术的侧视图；图5是本专利技术的弹性支撑轮腿和伸缩转向轮腿结构示意图；图6是本专利技术的直角转向管道结构图；图7是本专利技术的缆控装置结构图；图8是本专利技术的直行运动流程图（B-B截面视图）；图9是本专利技术的转向运动流程图（A-A截面视图）；图10转向控制流程图（顺时针0°～45°）；图11转向控制流程图（顺时针45°～90°）；图12机器人硬件控制系统层级构架图。其中：1、前机体组件；1-1、弹性支撑轮腿；1-1-1、支撑轮；1-1-2、弹簧；1-1-3、滑套；1-2、伸缩转向轮腿；1-2-1、左压轮；1-2-2、左驱动电机；1-2-3、双推杆气缸；1-2-4、右驱动电机；1-2-5、左压轮；1-3、机壳；2、推进组件；3、后机体组件；4、缆控组件；4-1、左卷筒；4-2、支架；4-3、左缆绳；4-4、右卷筒；4-5、右缆绳。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。如图1至图5所示的管道机器人双缆驱动转向机构，包括前机体组件1，推进组件2、后机体组件3和缆控组件4等功能组件。缆控组件4将转向机构其它部件悬吊起来，使管道机器人在从竖直管道接触水平管道的同时完成转向。前机体组件1包括弹性支撑轮腿1-1、伸缩转向轮腿1-2以及机壳1-3。弹性支撑轮腿1-1包括支撑轮1-1-1、弹簧1-1-2、滑套1-1-3；支撑轮1-1-1通过弹簧1-1-2与滑套1-1-3作弹性滑动连接。伸缩转向轮腿1-2包括左压轮1-2-1和有压轮1-2-3、双推杆电缸1-2-2；左压轮1-2-1和右压轮1-2-3分别与双推杆电缸1-2-2的两端输出轴连接可做自由旋转运动。推进组件2包括单杆伸缩电缸2，单杆电缸2的活塞杆与缸体分别与前机体组件1和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.管道机器人双缆驱动转向机构，其特征在于：包括前机体组件（1），推进组件（2）、后机体组件（3）和缆控组件（4），推进组件（2）连接在前机体组件（1）和后机体组件（3）之间，所述缆控组件（4）连接在后机体组件（3）的后端；所述前机体组件（1）包括弹性支撑轮腿（1‑1）、伸缩转向轮腿（1‑2）以及机壳（1‑3）；所述弹性支撑轮腿（1‑1）包括支撑轮（1‑1‑1）、弹簧（1‑1‑2）、滑套（1‑1‑3）；所述支撑轮（1‑1‑1）通过弹簧（1‑1‑2）与滑套（1‑1‑3）作弹性滑动连接；所述伸缩转向轮腿（1‑2）包括左压轮（1‑2‑1）和右压轮（1‑2‑3）、双推杆气缸（1‑2‑2）；所述左压轮（1‑2‑1）和右压轮（1‑2‑3）分别与双推杆气缸（1‑2‑2）的两端输出轴连接并可自由转动；所述缆控组件（4）包括卷筒（4‑1）、支架（4‑2）、卷筒（4‑4）、左缆绳（4‑3）和右缆绳（4‑5）；所述卷筒（4‑1）和卷筒（4‑4）分别由步进电机独立驱动，可精确控制收放左缆绳（4‑3）和右缆绳（4‑5）的长度，从而控制机器人本体的转向角度；所述左缆绳（4‑3）和右缆绳（4‑5）分别连接在后机体组件（3）的后端面上；支架（4‑2）上安装有两个张力传感器，左缆绳（4‑3）和右缆绳（4‑5）分别穿过该张力传感器。...

【技术特征摘要】
1.管道机器人双缆驱动转向机构，其特征在于：包括前机体组件（1），推进组件（2）、后机体组件（3）和缆控组件（4），推进组件（2）连接在前机体组件（1）和后机体组件（3）之间，所述缆控组件（4）连接在后机体组件（3）的后端；所述前机体组件（1）包括弹性支撑轮腿（1-1）、伸缩转向轮腿（1-2）以及机壳（1-3）；所述弹性支撑轮腿（1-1）包括支撑轮（1-1-1）、弹簧（1-1-2）、滑套（1-1-3）；所述支撑轮（1-1-1）通过弹簧（1-1-2）与滑套（1-1-3）作弹性滑动连接；所述伸缩转向轮腿（1-2）包括左压轮（1-2-1）和右压轮（1-2-3）、双推杆气缸（1-2-2）；所述左压轮（1-2-1）和右压轮（1-2-3）分别与双推杆气缸（1-2-2）的两端输出轴连接并可自由转动；所述缆控组件（4）包括卷筒（4-1）、支架（4-2）、卷筒（4-4）、左缆绳（4-3）和右缆绳（4-5）；所述卷筒（4-1）和卷筒（4-4）分别由步进电机独立驱动，可精确控制收放左缆绳（4-3）和右缆绳（4-5）的长度，从而控制机器人本体的转向角度；所述左缆绳（4-3）和右缆绳（4-5）分别连接在后机体组件（3）的后端面上；支架（4-2）上安装有两个张力传感器，左缆绳（4-3）和右缆绳（4-5）分别穿过该张力传感器。2.根据权利要求1所述的管道机器人双缆驱动转向机构，其特征在于：所述推进组件（2）包括单杆气缸，单杆气缸的活塞杆与缸体分别与前机体组件（1）和后机体组件（3）连接，从而前机体组件（1）和后机体组件（3）做伸缩运动。3.根据权利要求1所述的管道机器人双缆驱动转向机构，其特征在于：所述推进组件（2）包括电动推缸，电动推缸的活塞杆与缸体分别与前机体组件（1）和后机体组件（3）连接，从而前机体组件（1）和后机体组件（3）做伸缩运动。4.管道机器人双缆驱动转向机构控制方法，其特征在于，包括以下步骤：a.首先，由人工将装有倾角传感器、编码器、张力传感器、摄像头的管道机器人置入管道，管道机器人由（a）蠕动直行到（b）位置;b.前机体组件（1）收缩、后机体组件（3）支撑，通过双缆绳联合控制缆绳长度，使得机器人绕后机体组件（3）中心顺时针旋转45°到（c）位置，前后机体轴向伸展到（d）位置，前机体组件（1）支撑、后机体组件（3）收缩，前后机体轴向收缩到（e）...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢奇志，刘送永，李洪盛，李伟，崔新霞，江红祥，沈刚，唐玮，贾新庆，马浩，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32