一种可变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可变履带的管道巡检机器人及其控制方法，本发明专利技术的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带组件、行进驱动机构；所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间通过履带固定架连接，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间分别连接一个履带角度调节机构。本发明专利技术可实现对履带的倾角调节，每组履带角度调节机构独立，具有很好的灵活性以适应不同的管道环境。

【技术实现步骤摘要】
一种可变履带的管道巡检机器人及其控制方法
本专利技术涉及一种可变履带的管道巡检机器人及其控制方法，属于机器人

技术介绍
随着自动化水平提高，物料输送需求增大，管道运输凭借输送量大、成本低、运输速度快等优势，已广泛应用于石油、天然气、水资源供给、核工业等领域，但管道运输过程存在管道侵蚀破损、物料遗留管道等问题，造成物料泄露、堵塞等故障。需要定期对管道进行巡检工作，传统的人工方式存在效率低、难度大、且人工测量范围有限等缺点，需要设计一种管道巡检机器人代替人力完成管道巡检任务。目前常见的管道巡检机器人种类有轮式机器人、履带式机器人和腹壁式机器人等，轮式机器人无法适应管道内部越障和管道变径交接区域，履带式机器人可以凭借抓地能力强的优势提高在管道内巡检的机动性，但需要调整履带角度，使履带面与管壁接触，提高传动效率，腹壁式机器人通过伸张机械臂紧贴管道内壁，需要多节驱动，效率低，控制难。中国专利申请号为：201310690872.0，授权日为2015年1月21日的专利文献，公开了一种可调履带角度的管道机器人，通过转轴上调节齿轮使左右主履带可向外调整到某一个角度，呈八字形，履带面与管壁接触，具有很好的管壁适应能力，但该管道机器人机构上存在一些缺陷：其一，齿轮传动机构裸露在外易受侵蚀且存在较大机械磨损，这对专利技术中的履带调节角度有很大影响；其二，通过齿轮传动调节履带倾角的方式，左右履带外倾角度一致，使机器人在运动过程具有很好的稳定性，但在一些不规则管道场景下，角度调节的局限性会引发一侧履带与壁面接触不充分的问题；其三，左右履带与车架为分体模块化设计，驱动履带进行的步进电机安装与履带组件中，对所选电机的体积与扭矩有一些限制，同时增加了履带组件的重量，给调节履带倾角带来更大负担。中国专利申请号为201810981630.X，公布日为2018年12月11日的专利文献提出了一种比较新颖的管道机器人，通过万向节连接两个镜像的三履带式行走机构与机身，用步进电机控制丝杆旋转，调节履带足的张开程度，具有一定的管道环境适应性，但也存在履带足驱动电机选型受限，驱动轮扭矩不足的问题。中国专利申请号为：201811494015.2，公布日为2020年6月16日的专利文献，公开了一种管道机器人，通过控制每个驱动轮所在一端的弹簧组进行伸缩来单独改变每个驱动轮与管壁的接触位置，从而使多个驱动轮中的每个驱动轮都可以与管壁接触，更易于管道机器人通过变径区域，但这种机构在调节弹簧组时无法满足驱动轮与管壁的完全接触，在行进过程会对驱动轮产生一定的磨损，整个机器人系统不仅要包含进行的驱动电机还要包含多个调节弹簧组的驱动电机，驱动机构多而复杂，控制难，工作效率较低。目前，如何让管道巡检机器人在行进过程中，不需要人工干预，可自动调整机构使之适应管径变化也是亟需解决的一个问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种可变履带的管道巡检机器人及其控制方法，在保证驱动能力的同时解决履带面与管壁接触不充分的问题，并提出自动调整机构使之适应管径变化的方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种可变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组件、行进驱动机构；所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间通过履带固定架连接，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间分别连接一个履带角度调节机构；每个所述履带角度调节机构包括与所述机器人主体连接的滑轨，所述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滑轨上往复运动的滑块，所述滑块上安装一个四连杆机构，所述四连杆机构包括一个下连杆、一个上连杆、两个侧连杆，所述下连杆的一端通过转动副安装在下销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合；两个所述侧连杆的下部通过转动副与所述下销轴连接，上部通过转动副与上销轴连接；所述上连杆又通过转动副安装在所述上销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合。所述的可变履带的管道巡检机器人，所述履带组件包括驱动轮、涨紧轮、支撑轮、履带固定侧板；所述履带固定侧板分别设置在两侧所述的履带组件的内侧，所述驱动轮和所述涨紧轮分别位于履带的前、后两端，所述支撑轮设置在履带中部。所述的可变履带的管道巡检机器人，左右两侧的履带组件的涨紧轮上分别设置有一个三维力传感器。所述的可变履带的管道巡检机器人，所述行进驱动机构有两组，对称安装于机器人主体前部，包括伺服电机、加强连杆和万向节，所述伺服电机固定于机器人主体内部底板上并与所述的加强连杆连接，所述万向节一端与加强连杆连接，另一端与所述履带驱动轮连接。所述的可变履带的管道巡检机器人，所述履带固定架有四组，前后对称、左右对称安装于机器人主体内部，其前后安装的对称面为四连杆机构所在平面，且安装高度为履带固定侧板的横向中轴线的高度，采用“人”字型结构，一端通过球形铰链与履带固定侧板铰接，另外一端伸出的两个分叉与机器人主体连接。所述的可变履带的管道巡检机器人，所述履带组件的球头设置在履带固定侧板上。上述可变履带的管道巡检机器人的控制方法，该方法包括如下步骤：步骤1，采样三维力传感器输出的Y轴方向和Z轴方向力值，采样频率为100Hz，使用中位值平均算法滤波，得到左履带的Y轴方向力FY1、Z轴方向力FZ1和右履带的Y轴方向力FY2、Z轴方向力FZ2；步骤2，计算左右履带各自Y轴方向力与Z轴方向力比值，分别为α1和α2。步骤3，计算履带倾角调整判定依据，选择合适的控制算法。Δ1＝|α1|-δ(2)Δ2＝|α2|-δ(3)η＝α1α2(4)μ＝Δ1-Δ2(5)δ为设定的正阈值，当α1>δ且α2>δ时，左右履带均需要向外张开；当-α1>δ且-α2>δ时，左右履带均需要向内收缩；处于以上两种状态下，使用梯度下降的方法同时控制两个推杆电机，调整履带倾角快速逼近最佳状态，即Δ1≤0或Δ2≤0；在接近最佳状态情况下，即Δ1≤0或Δ2≤0，或者在左、右履带均需要顺/逆时针调整情况下，即当Δ1>0,Δ2>0且η<0时，采用“定一动一”PI控制的方法，PI控制即比例-积分控制，PID(比例-积分-微分)是比较经典的运动控制方法。所述“定一动一”PI控制的方法是：若μ>0,则只PI控制左推杆电机，调节左履带倾角，使α1＝0，反之则只PI控制右推杆电机，调节右履带倾角，使α2＝0，直至到达履带面与管壁接触的最佳状态，即α1＝0且α2＝0；步骤4，当管道巡检机器人经过管道变径区域或不规则管道区域，由步骤1-3自动监测履带与管壁接触状态，若监测到履带处于非最佳状态，则先通过伺服电机调节万向节至合适角度，后通过履带角度调节机构自动调整履带倾角至最佳状态；步骤5，上述步骤1-4为履带倾角自适应调节步骤，管道巡检机器人的运动通过行进驱动机构实现，车体转向使用左右履带差速方法控制。有益效果：1.本专利技术采用平面四连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变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组件、行进驱动机构；其特征在于，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间通过履带固定架连接，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间分别连接一个履带角度调节机构；每个所述履带角度调节机构包括与所述机器人主体连接的滑轨，所述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滑轨上往复运动的滑块，所述滑块上安装一个四连杆机构，所述四连杆机构包括一个下连杆、一个上连杆、两个侧连杆，所述下连杆的一端通过转动副安装在下销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合；两个所述侧连杆的下部通过转动副与所述下销轴连接，上部通过转动副与上销轴连接；所述上连杆又通过转动副安装在所述上销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合。/n

【技术特征摘要】
1.一种可变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组件、行进驱动机构；其特征在于，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间通过履带固定架连接，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间分别连接一个履带角度调节机构；每个所述履带角度调节机构包括与所述机器人主体连接的滑轨，所述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滑轨上往复运动的滑块，所述滑块上安装一个四连杆机构，所述四连杆机构包括一个下连杆、一个上连杆、两个侧连杆，所述下连杆的一端通过转动副安装在下销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合；两个所述侧连杆的下部通过转动副与所述下销轴连接，上部通过转动副与上销轴连接；所述上连杆又通过转动副安装在所述上销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合。


2.根据权利要求1所述的可变履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述履带组件包括驱动轮、涨紧轮、支撑轮、履带固定侧板；所述履带固定侧板分别设置在两侧所述的履带组件的内侧，所述驱动轮和所述涨紧轮分别位于履带的前、后两端，所述支撑轮设置在履带中部。


3.根据权利要求2所述的可变履带的管道巡检机器人，其特征在于，左右两侧的履带组件的涨紧轮上分别设置有一个三维力传感器。


4.根据权利要求1所述的可变履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述行进驱动机构有两组，对称安装于机器人主体前部，包括伺服电机、加强连杆和万向节，所述伺服电机固定于机器人主体内部底板上并与所述的加强连杆连接，所述万向节一端与加强连杆连接，另一端与所述履带驱动轮连接。


5.根据权利要求1所述的可变履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述履带固定架有四组，前后对称、左右对称安装于机器人主体内部，其前后安装的对称面为四连杆机构所在平面，且安装高度为履带固定侧板的横向中轴线的高度，采用“人”字型结构，一端通过球形铰链与履带固定侧板铰接，另外一端伸出的两个分叉与机器人主体连接。
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【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱国，缪天缘，邵斌澄，徐宝国，宋光明，徐波，刘爽，闵济海，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32