一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法，所述的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带倾角调节机构、设置在履带倾角调节机构上的十字交叉变构履带组件；所述机器人主体与其左右两侧的十字交叉变构履带组件之间通过履带倾角调节机构连接，所述履带倾角调节机构通过机器人主体底部的支撑滑块调节；所述十字交叉变构履带组件包含主行进履带、辅助行进履带和十字交叉变构滑块，主行进履带和辅助行进履带之间通过十字交叉变构滑块连接。本发明专利技术可实现对履带结构的改变，每组变构履带结构独立，具有很好的灵活性以爬坡、翻越障碍物来适应管道内的复杂环境。来适应管道内的复杂环境。来适应管道内的复杂环境。

【技术实现步骤摘要】
一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法


[0001]本专利技术属于机器人
，具体涉及一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法。

技术介绍

[0002]管道输送具有成本低、输送方便、输送量大等优点,在众多领域都发挥着重要作用。而化学腐蚀、环境变化、自然灾害和管道自身缺陷等都有可能导致物质泄漏、环境污染等事故的发生,因此管道必须进行持续巡检工作。而对于管道的巡检尤为不便，目前巡检方法多为人工巡检，对于恶劣环境下的管道巡检该方法具有巡检成本高、检出率低、巡检劳动强度大等缺点。管道巡检机器人常采用的行走机构有履带式、腿足式及轮式三种。其中履带式管道机器人与壁面接触面积大、适应能力强，相较于腿足式管道机器人运动速度慢、运动机构复杂，轮式管道机器人越障能力差、稳定性差的缺点，履带管道机器人是最佳的行走机构。但需要履带倾角的调节和辅助履带的加持才能使履带管道机器人适应不同类型的管道。
[0003]中国专利申请号为：CN202111613153.X，公布日为2022年2月18日的专利文献，公开了一种辅助式越障机器人及其工作方法，通过采用在中间车体的两端设置第一侧车体和第二侧车体，并运用电动缸拉伸的方式越障，但这种机构受地面环境的影响大，抓地能力弱，针对复杂障碍物环境自适应能力差。
[0004]中国专利申请号为：CN201911234990.4，授权日为2021年2月5日的专利文献，公开了一种海洋工程用全自动海底管道巡检机器人，通过采用轮式和履带式相结合的结构在海底管道内巡检，但这种结构无法结合管道内部情况适当调节履带和行走轮与管壁的接触位置，可导致履带和行走轮的磨损。
[0005]目前，如何让管道巡检机器人翻越复杂障碍物，自适应管道环境是亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对管道巡检机器人在管道的狭窄环境下不能够适配多种类型的管道以及不能够灵活翻越障碍物的问题，提出了一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人及其控制方法，用于解决管道内部含有杂质以使路况不够规则和管道内部杂质堆积管道巡检机器人不能够灵活翻越的问题，并提出了履带倾角调节控制方法和越障控制方法。
[0007]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带倾角调节机构、设置在履带倾角调节机构上的十字交叉变构履带组件；所述机器人主体与其左右两侧的十字交叉变构履带组件通过履带倾角调节机构连接；所述履带倾角调节机构包括与所述机器人主体连接的带有旋转轴面板和调节履带倾角的支撑滑轨，所述支撑滑轨上安装推杆电机，所述推杆电机的动力输出轴驱动一个能在支撑
滑轨上往复运动的支撑滑块，所述支撑滑块上安装一个支撑杆，所述支撑杆的一端连接支撑滑块，另一端与带有旋转轴面板上的支撑底座连接；所述十字交叉变构履带组件包括主行进履带、辅助行进履带和十字交叉变构滑块，所述主行进履带和辅助行进履带包括履带支撑板、驱动轮、从动轮、驱动电机和履带，所述履带支撑板的中间装有滑轨和丝杆，丝杆通过与安装在履带支撑板上步进电机的齿轮咬合驱动丝杆的转动；所述十字交叉变构滑块由两个小滑块和一个大扭矩电机组成。
[0009]所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，所述调节履带倾角的支撑滑轨有两组，中心对称安装于机器人主体的底部；所述带有旋转轴面板上有两个履带组件支撑杆，用于十字交叉变构履带组件的安装。
[0010]所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，所述十字交叉变构履带组件有两组，对称安装在机器人主体两边履带倾角调节机构的带有旋转轴面板上；所述主行进履带包含的驱动轮和从动轮中心内部安装有轴承，通过轴承与带有旋转轴面板上的两个履带组件支撑杆安装固定。
[0011]所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，所述十字交叉变构滑块包含的两个小滑块分别安装在主行进履带和辅助行进履带中间的丝杆上，这两个小滑块通过大扭矩电机连接；所述十字交叉变构滑块可以分别在主行进履带和辅助行进履带内部安装的步进电机动力驱动下，在主行进履带和辅助行进履带内的丝杆上滑动。
[0012]所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，所述机器人主体包括机器人主体面板、深度相机、电池组件、电源组件、主控组件、电台组件、IMU传感器、单线激光雷达；所述单线激光雷达安装于机器人主体面板底面正前方；所述深度相机安装于机器人主体面板上面正前方；所述电池组件安装于机器人主体面板底面，调节履带支撑滑轨的两侧；所述电源组件、主控组件、电台组件和IMU安装于机器人主体上面，IMU传感器安装于机器人主体中心。
[0013]上述十字交叉变构履带的管道巡检机器人的履带倾角调节控制方法，该方法包括如下步骤：
[0014]步骤1，采样单线激光雷达输出的点云信息，根据点云信息计算与两侧履带接触的道路刨面曲率半径方向与机器人x轴方向的夹角θ
L
,θ
R
；
[0015]步骤2，计算调节左侧履带倾角的支撑滑轨需要移动的距离Δl；
[0016][0017]其中，l
init
为带有旋转轴面板与机器人主体面板相垂直时，即θ
L
＝π/2时到左侧带有旋转轴面板的距离，l1为支撑底座到旋转轴的距离，l2为支撑杆的长度；
[0018]步骤3，计算调节左侧履带倾角的推杆电机旋转圈数Δk；
[0019]根据Δl以及推杆电机旋转一周支撑滑块能够行进的距离l
o
，计算推杆电机旋转的圈数Δk；
[0020][0021]当θ
L
>π/2时，表示左侧履带接触的道路刨面曲率半径方向向右下，此时Δl<0，支撑滑块向右移动|Δl|，推杆电机顺时针旋转Δk圈，履带向内收缩；当θ
L
<π/2时，表示左侧履带接触的道路刨面曲率半径方向向右上，此时Δl>0，支撑滑块向左移动|Δl|，推杆电机逆时针旋转Δk圈，履带向外张开；
[0022]步骤4，经过步骤1
‑
3计算得到推杆电需要转动的圈数Δk，并根据θ
L
与π/2的大小关系判定顺时针还是逆时针，选用合理的控制算法驱动推杆电机旋转指定圈数；右侧履带也需经过步骤1
‑
3计算右侧支撑滑块移动距离Δl和右侧推杆电机转动圈数Δk，并驱动右侧推杆电机旋转相应的圈数；针对左右侧履带接触的道路刨面曲率半径不同，左右侧的推杆电机旋转圈数也会不同，进而巡检机器人可适应同一道路不同曲率半径的地形。
[0023]上述十字交叉变构履带的管道巡检机器人的越障控制方法，该方法包括如下步骤：
[0024]步骤1，采样IMU传感器输出的y轴方向角度φ、采样频率为100hz。采集深度相机数据并计算前方障碍物距离l、障碍物高度h；
[0025]步骤2，巡检机器人到达障碍物前，当l>l
s
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带倾角调节机构、设置在履带倾角调节机构上的十字交叉变构履带组件；其特征在于，所述机器人主体与其左右两侧的十字交叉变构履带组件通过履带倾角调节机构连接；所述履带倾角调节机构包括与所述机器人主体连接的带有旋转轴面板和调节履带倾角的支撑滑轨，所述支撑滑轨上安装推杆电机，所述推杆电机的动力输出轴驱动一个能在支撑滑轨上往复运动的支撑滑块，所述支撑滑块上安装一个支撑杆，所述支撑杆的一端连接支撑滑块，另一端与带有旋转轴面板上的支撑底座连接；所述十字交叉变构履带组件包括主行进履带、辅助行进履带和十字交叉变构滑块，所述主行进履带和辅助行进履带包括履带支撑板、驱动轮、从动轮、驱动电机和履带，所述履带支撑板的中间装有滑轨和滑丝杆，丝杆通过与安装在履带支撑板上步进电机的齿轮咬合驱动丝杆的转动；所述十字交叉变构滑块由两个小滑块和一个大扭矩电机组成。2.根据权利要求1所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述调节履带倾角的支撑滑轨有两组，中心对称安装于机器人主体的底部；所述带有旋转轴面板上有两个履带组件支撑杆，用于十字交叉变构履带组件的安装。3.根据权利要求1所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述十字交叉变构履带组件有两组，对称安装在机器人主体两边履带倾角调节机构的带有旋转轴面板上；所述主行进履带包含的驱动轮和从动轮中心内部安装有轴承，通过轴承与带有旋转轴面板上的两个履带组件支撑杆安装固定。4.根据权利要求2所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述十字交叉变构滑块包含的两个小滑块分别安装在主行进履带和辅助行进履带中间的丝杆上，这两个小滑块通过大扭矩电机连接；所述十字交叉变构滑块可以分别在主行进履带和辅助行进履带内部安装的步进电机动力驱动下，在主行进履带和辅助行进履带内的丝杆上滑动。5.根据权利要求1所述的十字交叉变构履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述机器人主体包括机器人主体面板、深度相机、电池组件、电源组件、主控组件、电台组件、IMU传感器、单线激光雷达；所述单线激光雷达安装于机器人主体面板底面正前方；所述深度相机安装于机器人主体面板上面正前方；所述电池组件安装于机器人主体面板底面，调节履带支撑滑轨的两侧；所述电源组件、主控组件、电台组件和IMU安装于机器人主体上面，IMU传感器安装于机器人主体中心。6.一种十字交叉变构履带的管道巡检机器人的履带倾角调节控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，采样单线激光雷达输出的点云信息，根据点云信息计算与两侧履带接触的道路刨面曲率半径方向与机器人x轴方向的夹角θ
L
,θ
R
；步骤2，计算调节左侧履带倾角的支撑滑轨需要移动的距离Δl；
其中，l
init
为带有旋转轴面板与机器人主体面板相垂直时，即θ
L
＝π/2时到左侧带有旋转轴面板的距离，l1为支撑底座到旋转轴的距离，l2为支撑杆的长度；步骤3，计算调节左侧履带倾角的推杆电机旋转圈数Δk；根据Δl以及推杆电机旋转一周支撑滑块能够行进的距离l
o
，计算推杆电机旋转的圈数Δk；当θ
L
＞π/2时，表示左侧履带接触的道路刨面曲率半径方向向右下，此时Δl＜0，支撑滑块向右移动|Δl|，推杆电机顺时针旋转Δk圈，履带向内收缩；当θ
L...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱国，王少虎，李会军，缪天缘，季钦杰，徐越锋，徐波，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：