面向地下管道的四向行走智能机器人制造技术

面向地下管道的四向行走智能机器人，包括机身、安装在机身底部的行走机构、安装在机身上部的三自由度机械臂组件、清洁机构、控制机构以及供电机构，行走机构包括行走驱动电机、滚轮组件以及包覆在滚轮组件外部的履带；三自由度机械臂组件包括第一蜗杆电机、第二蜗杆电机、第一舵机和三自由度机械臂；清洁机构包括壳体、第三蜗杆电机、清洁毛刷、机械爪和第四舵机；控制机构包括主控模块、数据传输模块、上位机控制模块、电机驱动控制模块、工作模块和行走模块以及感知模块、供电模块。本发明专利技术的有益效果是：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传感器数据，并输到给远端控制系统；从而实现对人力的代替。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种智能机器人，尤其是涉及一种面向地下管道的四向行走智能机器人，属于机器人

技术介绍
城市地下管道承担负着电、热、水系统的运送和排污等工能，是城市生存和发展所依赖的主要基础设施。随着城市的建设和发展，以及地下管道的长期使用，管道会越来越复杂并日益老化，急需定期维护。但是地下管道内径狭小，人员进出不易，利用人工维护显得困难重重。一直以来，由于维护管道而发生的事故屡见不鲜，甚至会造成人员伤亡。造成人员伤亡的原因之一是来源于地下管道中的有毒气体。地下管道中含有甲烷、硫化物、氮氢化合物等多种有毒气体，工程人员贸然下去作业可能导致人员窒息，甚至气体爆炸。媒体已有多次报道，工人在进行下水道工程时，疑似吸入过多沼气，导致死亡。这些有毒气体浓度过高，甚至会伤害到下水道上方的路人安危。造成人员伤亡的原因之二是地下管道里有许多异物如玻璃、铁钉、木头等可能会导致施工人员受伤，再加上管道内充满各种病菌，也会危及施工人员生命。为了能够减小人员伤亡的同时也能够降低城市地下管道维护的成本，众多管道机器人应运而生。如国外的Versatrax150探索机器人，中国电子科技集团公司的WT3090型管道内部检测系统，韩国TS-ROBOCAM检测爬行器等。然而对这些管道机器人的控制都需通过特制的控制箱或者是控制盒，约束了管道机器人的使用场景，并且不利于携带，操作困难。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种管道机器人控制系统，以克服上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目标是研制一种适用于地下管道工程作业的智能机器人，该机器人能够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传感器数据，并将所有数据通过以太网传输到给远端控制系统；控制系统能够控制机器人的行走、机械臂的操作，从而实现对人力的代替。本专利技术所述的面向地下管道的四向行走智能机器人，包括机身、安装在机身底部的行走机构、安装在机身上部的三自由度机械臂组件、清洁机构、控制机构以及供电机构，其特征在于：所述的行走机构包括行走驱动电机、滚轮组件以及包覆在滚轮组件外部的履带，所述的行走驱动电机安装在所述的机身上，所述的行走驱动电机的驱动端与安装在机身两侧底部的所述的滚轮组件连接，所述的履带与所述的滚轮组件啮合，实现所述的滚轮组件与包覆其外的履带的同步运转；所述的三自由度机械臂组件包括第一蜗杆电机、第二蜗杆电机、第一舵机和三自由度机械臂，所述的第一蜗杆电机的驱动端通过连杆与所述的第二蜗杆电机的底架相连，所述的第二蜗杆电机的驱动端与所述的三自由度机械臂的底部铰接，所述的三自由度机械臂的上部安装清洁机构；所述的清洁机构包括壳体、第三蜗杆电机、清洁毛刷、机械爪和第四舵机，所述的清洁毛刷与所述的第三蜗杆电机的输出轴连接，所述的清洁机构通过第二舵机安装在所述的三自由度机械臂组件的第二机械臂前端，所述的机械爪通过第四舵机安装在所述的壳体端部，并且所述第三蜗杆电机的控制端与所述的控制机构的电机驱动控制模块电连，所述的第四舵机的控制端与所述的主控模块的舵机控制端口电连；所述的控制机构包括主控模块、与主控模块相连的数据传输模块、用于发送用户操作指令的上位机控制模块、与主控模块相连的电机驱动控制模块、通过电机驱动控制模块驱动的工作模块和行走模块以及用于感知外界环境的感知模块、用于与供电机构相连的供电模块，所述的数据传输模块、电机驱动控制模块以及感知模块分别与所述的主控模块的双向通信，所述的上位机控制模块、所述的感知模块分别与所述的数据传输模块信号连接；所述的工作模块、行走模块分别与所述的电机驱动控制模块信号连接；所述的电机驱动控制模块与所述的第一蜗杆电机的控制端、所述的第二蜗杆电机的控制端电连，所述的行走模块与所述的行走驱动电机的控制端电连；所述的供电模块与所述的主控模块的电源端口连接，所述的电机驱动控制模块与所述的主控模块的电机控制端口连接。所述的三自由度机械臂组件为四连杆结构，包括第一机械臂、第二机械臂、第一连杆和第二连杆，所述的第一机械臂的底部与所述的第二蜗杆电机的输出轴连接，所述的第二机械臂的后端与所述的第一机械臂的上端铰接，所述的第二机械臂的前端配有用于安装清洁机构的第一舵机；所述的第一连杆的一端与所述的第一机械臂的底部铰接，所述的第一连杆的另一端与所述的第二连杆的一端铰接，所述的第二连杆的另一端与安装在第二机械臂后端的第二舵机铰接；所述的第一舵机的控制端、所述的第二舵机的控制端分别与主控模块的舵机控制端口电连，实现三自由度机械臂组件三个方向的运动。所述主控模块为基于ARM-cortex系列芯片的嵌入式控制主板，其用于解析上位机控制模块的控制指令，并驱动机器人各部分模块进行协同工作。所述数据传输模块包括型号为MT7620N的智能路由芯片，，该模块能同时提供无线(wifi)、有线(以太网)两种数据传输方式与上位机控制模块进行通讯，其用于传输主控模块与上位机控制模块之间的通讯数据。所述上位机控制模块为便携式计算机或者智能移动终端，其用于向用户提供一个可视化的机器人操作界面，同时将摄像头采集到的图像数据、传感器数据、机器人状态等信息通过可视化界面展现出来。所述电机驱动控制模块包括单片机或DSP嵌入式电机控制芯片，其用于驱动机器人各部分电机，如行走模块的直流电机、机械臂的伺服电机等。所述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，所述的机身上装有所述的摄像头、气体(甲烷、硫化氢、一氧化碳)传感器、第一红外传感器以及LED照明灯，其中所述的摄像头通过第三舵机安装在所述的第二机械臂的前端，实现摄像头360度旋转；所述的LED照明灯设置在所述的机身的外围，，其用于探测管道内环境，同时为操作人员提供更广阔的视野，方便其操作。所述的控制机构还设有保护模块，所述的保护模块的信号输出端与所述的主控模块相应的信号端电连；所述保护模块包括第二红外传感器以及限位开关，第二红外传感器用于测量机器人与障碍物之间的距离；限位开关安装于机器人机身，限制机械臂的最大活动范围，该模块用于确保机器人自身安全。所述供电模块包括一块电压为12V的锂电池以及12V转5V电源转换模块，其用于为整个系统提供电源。履带与机身之间通过U型支架进行连接，且U型支架中预留活动空间。本专利技术的有益效果是：1)机器人可前后左右行走，可用于转弯、复杂管道及狭隘空间。机器人上方装有多模块的三自由度机械手臂，其清洁机构设计了可切换功能，能够自由切换清洁毛刷和机械爪，以进行管道清洁、异物移除等工作；2)机器人后方装有气体传感器，用于监测管道内气体的主要成分；3)可调节的不锈钢履带，使得其能够适应不同直径的管道；4)多个机器人对地下管道网进行作业时，将各个机器人传回的数据通过操作电脑无线传输到后台服务器平台统一进行数据分析，使各个机器人能协同工作；5)不依赖特制的机器人控制箱，能够在任意便携式笔记本电脑或者智能移动终端上通过有线或者无线的方式对机器人进行实时的操作控制，抗干扰性强、应用范围广；6)管道机器人的状态、摄像头的图像以及传感器数据能够在上位机操作模块中实时显示，配合上位机操作模块中的控制软件，操作简便、直观；7)保护模块能够有效保证机器人自身的安全。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的左视图；图3为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
面向地下管道的四向行走智能机器人，包括机身、安装在机身底部的行走机构、安装在机身上部的三自由度机械臂组件、清洁机构、控制机构以及供电机构，其特征在于：所述的行走机构包括行走驱动电机、滚轮组件以及包覆在滚轮组件外部的履带，所述的行走驱动电机安装在所述的机身上，所述的行走驱动电机的驱动端与安装在机身两侧底部的所述的滚轮组件连接，所述的履带与所述的滚轮组件啮合，实现所述的滚轮组件与包覆其外的履带的同步运转；所述的三自由度机械臂组件包括第一蜗杆电机、第二蜗杆电机、第一舵机和三自由度机械臂，所述的第一蜗杆电机的驱动端通过连杆与所述的第二蜗杆电机的底架相连，所述的第二蜗杆电机的驱动端与所述的三自由度机械臂的底部铰接，所述的三自由度机械臂的上部安装清洁机构；所述的清洁机构包括壳体、第三蜗杆电机、清洁毛刷、机械爪和第四舵机，所述的清洁毛刷与所述的第三蜗杆电机的输出轴连接，所述的清洁机构通过第二舵机安装在所述的三自由度机械臂组件的第二机械臂前端，所述的机械爪通过第四舵机安装在所述的壳体端部，并且所述第三蜗杆电机的控制端与所述的控制机构的电机驱动控制模块电连，所述的第四舵机的控制端与所述的主控模块的舵机控制端口电连；所述的控制机构包括主控模块、与主控模块相连的数据传输模块、用于发送用户操作指令的上位机控制模块、与主控模块相连的电机驱动控制模块、通过电机驱动控制模块驱动的工作模块和行走模块以及用于感知外界环境的感知模块、用于与供电机构相连的供电模块，所述的数据传输模块、电机驱动控制模块以及感知模块分别与所述的主控模块的双向通信，所述的上位机控制模块、所述的感知模块分别与所述的数据传输模块信号连接；所述的工作模块、行走模块分别与所述的电机驱动控制模块信号连接；所述的电机驱动控制模块与所述的第一蜗杆电机的控制端、所述的第二蜗杆电机的控制端电连，所述的行走模块与所述的行走驱动电机的控制端电连；所述的供电模块与所述的主控模块的电源端口连接，所述的电机驱动控制模块与所述的主控模块的电机控制端口连接。...

【技术特征摘要】
1.面向地下管道的四向行走智能机器人，包括机身、安装在机身底部的行走机构、安装在机身上部的三自由度机械臂组件、清洁机构、控制机构以及供电机构，其特征在于：所述的行走机构包括行走驱动电机、滚轮组件以及包覆在滚轮组件外部的履带，所述的行走驱动电机安装在所述的机身上，所述的行走驱动电机的驱动端与安装在机身两侧底部的所述的滚轮组件连接，所述的履带与所述的滚轮组件啮合，实现所述的滚轮组件与包覆其外的履带的同步运转；所述的三自由度机械臂组件包括第一蜗杆电机、第二蜗杆电机、第一舵机和三自由度机械臂，所述的第一蜗杆电机的驱动端通过连杆与所述的第二蜗杆电机的底架相连，所述的第二蜗杆电机的驱动端与所述的三自由度机械臂的底部铰接，所述的三自由度机械臂的上部安装清洁机构；所述的清洁机构包括壳体、第三蜗杆电机、清洁毛刷、机械爪和第四舵机，所述的清洁毛刷与所述的第三蜗杆电机的输出轴连接，所述的清洁机构通过第二舵机安装在所述的三自由度机械臂组件的第二机械臂前端，所述的机械爪通过第四舵机安装在所述的壳体端部，并且所述第三蜗杆电机的控制端与所述的控制机构的电机驱动控制模块电连，所述的第四舵机的控制端与所述的主控模块的舵机控制端口电连；所述的控制机构包括主控模块、与主控模块相连的数据传输模块、用于发送用户操作指令的上位机控制模块、与主控模块相连的电机驱动控制模块、通过电机驱动控制模块驱动的工作模块和行走模块以及用于感知外界环境的感知模块、用于与供电机构相连的供电模块，所述的数据传输模块、电机驱动控制模块以及感知模块分别与所述的主控模块的双向通信，所述的上位机控制模块、所述的感知模块分别与所述的数据传输模块信号连接；所述的工作模块、行走模块分别与所述的电机驱动控制模块信号连接；所述的电机驱动控制模块与所述的第一蜗杆电机的控制端、所述的第二蜗杆电机的控制端电连，所述的行走模块与所述的行走驱动电机的控制端电连；所述的供电模块与所述的主控模块的电源端口连接，所述的电机驱动控制模块与所述的主控模块的电机控制端口连接。2.根据权利要求1所述的面向地下管道的四向行走智能机器人，其特征在于：所述的三自由度机械臂组件为四连杆结构，包括第一机械臂、第二机械臂、第一连杆和第二连杆，所述的第一机械臂的底部与所述的第二蜗杆电机的输出轴连接，所述的第二机械臂的...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛科技，邬锦彬，金洪波，虞敏哲，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33