一種集成車架式管道機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集成車架式管道機器人，屬于管道機器人領域。其車體包括：車架，左主履帶組件和右主履帶組件，履帶角度調節(jié)機構，聲納固定架，聲納探頭，攝像頭升降架，攝像單元，輔助光源，電子控制箱，電子控制箱抽拉門及線纜牽引架。主履帶通過履帶轉軸孔位安裝在車體下方左右兩側。主履帶之間設置履帶角度調節(jié)機構，主履帶可以向外調整到某一個角度，呈八字形。聲納探頭通過聲納固定架安裝在車架上。攝像頭升降架一端設置在車架上，另一端安裝攝像單元和輔助光源。本發(fā)明的管道機器人具有結構緊湊、通過能力強、綜合作業(yè)能力完善的優(yōu)點。
【專利說明】一種集成車架式管道機器人【技術領域】[0001]本發(fā)明涉及一種管道機器人，具體涉及用于管道多維檢測和兩棲管道作業(yè)的集成車架式管道機器人。
【背景技術】
[0002]管道機器人是一種可以在管道內爬行并開展檢測、清理或維修等作業(yè)的設備。其可運用圖像采集及圖像處理技術、信息處理技術、機械工程、傳感器技術、電子工程、自動化控制工程、計算機工程以及人工智能控制系統(tǒng)，結合實時嵌入式技術、聲納探測技術等完成狹小空間(管道)遠距離(5公里)檢測及作業(yè)。管道機器人可應用于市政管網、電力、石油、軍事、考古等多個領域危險、人工無法到達的遠距離復雜環(huán)境下多維檢測及作業(yè)設備。
[0003]目前使用較多的管道機器人車體長度在300-600mm之間，寬高在100-300 mm之間。目前的管道機器人通常防水性能較差，允許浸泡在水中。但是如果水深超過300_，或水下有少量淤泥，常規(guī)的管道機器人就無法進行檢測工作。另外，目前的管道機器人檢測距離通常是幾十米，最大不超過300m。
[0004]常規(guī)管道機器人在管道檢測施工前，要求關閉管道的進水閥門，排掉管道中的水，影響管道的使用。而排水管網的主干道是不能關閉的，始終有水流動，目前的管道機器人通常難以開展檢測和作業(yè)。排水管網的主干道的兩個相鄰井口之間的距離可能達到I千米至幾千米，車體尺寸較小的常規(guī)管道機器人難以在排水管網主干道內施工。

【發(fā)明內容】

[0005]為克服管道機器人的上述缺陷，需要開發(fā)一種體型大、通過能力強、綜合作業(yè)能力完善的管道機器人，并注重改善管道機器人的結構布局，使其能夠適應管道內的狹小作業(yè)空間。
[0006]本發(fā)明提供一種集成車架式管道機器人，其中管道機器人車體包括:車架，左主履帶組件和右主履帶組件，履帶角度調節(jié)機構，聲納固定架，聲納探頭，攝像頭升降架，攝像單元，輔助光源，電子控制箱，電子控制箱抽拉門及線纜牽引架；左主履帶和右主履帶通過履帶轉軸孔位安裝在車體下方左右兩側；左主履帶和右主履帶之間設置履帶角度調節(jié)機構，左主履帶和右主履帶可以向外調整到某一個角度，呈八字形；聲納探頭通過聲納固定架安裝在車架上；攝像頭升降架一端設置在車架上另一端安裝攝像單元和輔助光源；左主履帶組件、右主履帶組件、履帶角度調節(jié)機構、聲納固定架、攝像頭升降架、電子控制箱及線纜牽引架均直徑安裝在車架上。
[0007]履帶式結構可實現(xiàn)地面支撐面積大，接地比壓小，滾動摩擦小，通過性能較好，轉彎半徑小，牽引附著性能、越野機動性、爬坡、越溝等性能。上述兩側履帶的八字形設置方式，一方面可以提高履帶與管壁的摩擦力，另一方面可避開管底部淤泥及其他沉積物。
[0008]優(yōu)選的，電子控制箱安裝在車架上方，車架的平面上設置有多個電子控制箱固定孔位，使電子控制箱能夠與車架緊密配合。[0009]上述整體結構方式節(jié)省空間，同時還提高了管道機器人車體的整體強度。
[0010]優(yōu)選的，車架由相互平行的兩根管材作為主要骨架而形成，兩根管材之間通過多個橫向肋骨件相連接。兩根相互平行的管材與肋骨件共同形成了電子控制箱的容納槽，電子控制箱可整體容納在車架上方形成的容納槽中，肋骨件上還分布有多個電子控制箱固定孔位，電子控制箱固定在車架上時電子控制箱與車架形成整體結構。
[0011]這些肋骨件一方面與兩根平行管材共同構成穩(wěn)定的車架結構體，另一方面肋骨件也形成了管道機器人的多個其它部件的安裝面。車體設計考慮了各功能部件的集成安裝要求，車架結構簡單，但功能緊湊，整體強度高，設計合理。
[0012]進一步優(yōu)選的，位于車架兩根平行管材兩端的肋骨件上分別設置了兩側履帶轉軸孔位，履帶角度調節(jié)轉軸孔位，角度調節(jié)軸旋轉手柄，角度定位孔和聲納固定架孔位。
[0013]進一步優(yōu)選的，兩根平行管材兩側緊靠平行管材位置設置了攝像組件安裝翅片，該翅片上設有多組升降架固定孔位，分別用于安裝攝像頭升降架和可定位氣彈簧，攝像頭升降架和可定位氣彈簧安裝在沿兩根平行管材延伸方向不同位置的孔位中；在兩根平行管材兩側離開一段距離位置，還設置有線纜牽引架的安裝翅片，該安裝翅片外部設置有線纜牽引架連接軸和線纜引導架的限位塊。
[0014]可以根據實際需要(例如:調整車體重心或改變攝像作業(yè)方向)調整安裝孔位。線纜牽引架的安裝翅片離開兩根平行管材一段距離，從而使攝像頭升降架與線纜牽引架之間互不影響
優(yōu)選的，履帶角度調節(jié)機構的調節(jié)轉軸設置在車架的履帶角度調節(jié)轉軸孔位中。
[0015]使得履帶角度調節(jié)機構及左、右主履帶均與車架相結合。
[0016]優(yōu)選的，左主履帶和右主履帶前方分別設置前置左輔助履帶和前置右輔助履帶。前置左輔助履帶和前置右輔助履帶包括輔助履帶主動輪，輔助履帶，輔助履帶從動輪，輔助履帶支架，盤式減速電機及外護板。
[0017]輔助履帶的使用提高了履帶爬行機器人的越障能力。當機器人越障時，近覺傳感器把遇到前方障礙發(fā)送給總控制系統(tǒng)，總控制系統(tǒng)判斷是否可以翻越。如果判斷結果可以翻越，則控制前擺臂驅動電機向上轉動，使前擺向上抬起一定角度。繼續(xù)前進時前側的履帶輪被抬離地面，后面的履帶輪著地繼續(xù)驅動履帶前進。履帶在憑借副履帶的摩擦力以及履刺對障礙物的抓爬力來實現(xiàn)不斷的向上攀爬。
[0018]優(yōu)選的，管道機器人的左主履帶組件和右主履帶組件包括:主履帶外側板，主履帶內側板，主履帶，輔助履帶固定位，電機控制箱，主動輪，壓帶輪，從動輪和蝸輪蝸桿減速電機。
[0019]主履帶組件集成為整體結構，提高了系統(tǒng)的可靠性，并使其便于安裝和更換。車體由兩臺步進電機分別驅動兩條履帶，以相同脈沖驅動時實現(xiàn)直線前進或后退，以不同脈沖驅動時可實現(xiàn)曲線運動。當以相反脈沖驅動時可以繞固定軸的旋轉運動。該軸過主從動軸所確定平面的幾何中心。
[0020]優(yōu)選的，聲納探頭的安裝位置不高于車架的水平位置。
[0021]使得管道機器人適于兩棲作業(yè)，當車體進入半潛或全潛工作方式時，聲納探頭可以探測水下部分的管道形態(tài)。
[0022]優(yōu)選的，攝像單元包括:多功能全方位攝像機，擺動半球，主光源和可變焦/變倍攝像頭機芯；多功能全方位攝像機可以自動/手動變焦，10倍光學+10倍數字變倍，210度左右擺動，360度旋轉；升降架還配置有可定位氣彈簧。
[0023]本發(fā)明還提供一種包括上述任意一種管道機器人的管道機器人系統(tǒng)，該管道機器人系統(tǒng)還包括收線車和控制器；收線車包括:收線車車體，計米結構，計米結構滑動桿，急停開關，主線盤，復合光纜，收線車拉手，副線盤，保護鋼纜，收放線手柄，車輪，控制線纜接口，電源開關；收線車內部裝有一塊光端機，通過復合光纜與爬行機器人連接；收發(fā)485通訊數據及接收視頻信號；通過控制線纜接口連接控制器；復合光纜可以向搭載設備下發(fā)指令，接收搭載設備的檢測數據；當機器人在管道內施工出現(xiàn)故障時，保護鋼纜用于牽引設備；控制器包括:控制器機殼，液晶屏，觸摸，USB 口，網口，數傳模塊天線，散熱通風口，電源開及綜合線纜插口 ；綜合線纜插口連接至收線車。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明管道機器人的主體結構示意圖；
圖2是本發(fā)明管道機器人的車架的結構示意圖；
圖3是本發(fā)明管道機器人的主履帶組件的結構示意圖；
圖4是本發(fā)明管道機器人的前置輔助履帶組件的結構示意圖；
圖5是本發(fā)明管道機器人的履帶角度調節(jié)機構的結構示意圖 圖6是本發(fā)明管道機器人的聲納組件的示意圖；
圖7是本發(fā)明管道機器人的攝像單元的示意圖；
圖8是本發(fā)明管道機器人的電子控制箱的結構示意圖；
圖9是本發(fā)明管道機器人的收線車的結構示意圖；
圖10是本發(fā)明管道機器人的軟件系統(tǒng)總控制平臺的結構圖；
圖11是本發(fā)明管道機器人的車體內主控制板的邏輯框圖；
圖12是本發(fā)明管道機器人的電機閉環(huán)驅動電路的邏輯圖；
圖13是本發(fā)明管道機器人的控制器的示意圖；
圖14是本發(fā)明管道機器人的機器人控制軟件主界面圖；
圖15、16是本發(fā)明管道機器人的控制軟件的邏輯流程圖。
具體實施例
[0025]本發(fā)明的核心是提供一種管道機器人，該管道機器人能夠在復雜的管道環(huán)境中完成遠程檢測和作業(yè)功能。為了使本【技術領域】的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0026]圖1是本發(fā)明管道機器人的主體結構示意圖。如圖所示，管道機器人包括:車架101，左主履帶組件103和右主履帶組件103，履帶角度調節(jié)機構102，前置左輔助履帶組件104和前置右輔助履帶組件104，聲納固定架105，聲納探頭106，攝像頭升降架107，攝像單元108，輔助光源109，電子控制箱110，電子控制箱抽拉門111及線纜牽引架112。
[0027]本發(fā)明的管道機器人行走部件為履帶式，左主履帶103和右主履帶103通過履帶轉軸孔位201安裝在車架101下方左右兩側，分別與設置在其前方的前置左輔助履帶104和前置右輔助履帶104形成管道機器人的足部。左主履帶103和右主履帶103之間設置履帶角度調節(jié)機構102，用以控制和改變兩側足部之間的夾角，履帶式結構可實現(xiàn)地面支撐面積大，接地比壓小，滾動摩擦小，通過性能較好，轉彎半徑小，牽引附著性能、越野機動性、爬坡、越溝等性能。
[0028]在管道機器人前方布置有聲納探頭106，聲納探頭106經由聲納固定架105連接至車架101的聲納固定架孔位中。管道機器人前部上方布置可升降運動的攝像單元108，攝像單元108通過攝像頭升降架107可樞轉的連接至車架101的升降架固定孔位203，攝像頭升降架107可繞升降架固定孔位203處的軸轉動，從而實現(xiàn)攝像單元108的升降運動；另外，攝像單元108后方還配合有可以共同升降的輔助光源109。電子控制箱110安裝在車架101上方，車架101的平面上設置有多個電子控制箱固定孔位206，使電子控制箱110能夠與車架101緊密配合。本發(fā)明的管道機器人還配置有可在其運動的直線上前后牽引的線纜牽引架112，線纜牽引架112可樞轉的連接在車架101左右兩側的線纜牽引架連接軸205上。
[0029]圖2是本發(fā)明管道機器人的車架101的結構示意圖。如圖所示，管道機器人的車架101包括兩側履帶轉軸孔位201，履帶角度調節(jié)轉軸孔位202，升降架固定孔位203，聲納固定架孔位204，線纜牽引架連接軸205，電子控制箱固定孔位206。
[0030]車架101由相互平行的兩根管材作為主骨架而形成，兩根管材之間通過多個橫向肋骨件相連接。這些肋骨件一方面與兩根平行管材共同構成穩(wěn)定的車架結構體，另一方面肋骨件也形成了管道機器人的多個其它部件的安裝面。兩根平行的管材與肋骨件還共同形成了電子控制箱110的容納槽，電子控制箱110整體容納在車架101上方形成的容納槽中，肋骨件上還分布有多個電子控制箱固定孔位206，從而可以將電子控制箱牢固的固定在車架101上，并使電子控制箱110與車架101形成整體結構，提高了管道機器人車體的整體強度。位于車架101的兩根平行管材兩端的肋骨件上分別設置了兩側履帶轉軸孔位201、履帶角度調節(jié)轉軸孔位202、角度調節(jié)軸旋轉手柄506、角度定位孔507和聲納固定架孔位204。兩根平行管材兩側緊靠平行管材位置設置了攝像組件安裝翅片，該翅片上設有多組升降架固定孔位203，分別用于安裝攝像頭升降架107和可定位氣彈簧701 (見圖7)，攝像頭升降架107和可定位氣彈簧701安裝在沿兩根平行管材延伸方向不同位置的孔位中，也可以根據實際需要(例如:調整車體重心或改變攝像作業(yè)方向)調整安裝孔位。在兩根平行管材兩側離開一段距離位置，還設置有線纜牽引架112的安裝翅片，該安裝翅片外部設置有線纜牽引架連接軸205和線纜引導架112的限位塊；線纜牽引架112的安裝翅片離開兩根平行管材一段距離，從而使攝像頭升降架107與線纜牽引架112之間互不影響。本發(fā)明的管道機器人車體設計考慮了各功能部件的集成安裝要求，車架結構簡單，但功能緊湊，整體強度高，設計合理。
[0031]圖3是本發(fā)明管道機器人的主履帶組件103的結構示意圖。如圖所示，管道機器人左右主履帶包括:主履帶外側板301，主履帶內側板309，主履帶302，輔助履帶固定位303，電機控制箱304，主動輪305，壓帶輪306，從動輪307和蝸輪蝸桿減速電機308等部件。主履帶組件集成為整體結構，提高了系統(tǒng)的可靠性，并使其便于安裝和更換。
[0032]車體由兩臺步進電機分別驅動兩條履帶，以相同脈沖驅動時實現(xiàn)直線前進或后退，以不同脈沖驅動時可實現(xiàn)曲線運動。當以相反脈沖驅動時可以繞固定軸的旋轉運動。該軸過主從動軸所確定平面的幾何中心。
[0033]機器人履帶的材料使用過橡膠和聚氨酯履帶。經過實驗對比，聚氨酯材料與地面接觸性質更好。本發(fā)明用了摩擦力較小且更耐磨的聚氨酯材料。
[0034]圖4是本發(fā)明管道機器人的前置輔助履帶組件104的結構示意圖。如圖所示，管道機器人的前置輔助履帶包括:輔助履帶主動輪401，輔助履帶402，輔助履帶從動輪403，輔助履帶支架405，盤式減速電機406及外護板404等部件。
[0035]輔助履帶的作用是為了提高履帶爬行機器人的越障能力。由于管道機器人車體的結構限制，不可能安裝任意大的電機。既要保證有足夠的動力，又要盡量選擇體積小的電機。要根據履帶車的自身重量和設計載重及牽引力計算需要提供的電機扭矩力。當機器人越障時，近覺傳感器把遇到前方障礙發(fā)送給總控制系統(tǒng)，總控制系統(tǒng)判斷是否可以翻越。如果判斷結果可以翻越.則控制前擺臂驅動電機向上轉動，使前擺向上抬起一定角度。繼續(xù)前進時前側的履帶輪被抬離地面，后面的履帶輪著地繼續(xù)驅動履帶前進。履帶在憑借副履帶的摩擦力以及履刺對障礙物的抓爬力來實現(xiàn)不斷的向上攀爬。一直持續(xù)到主履帶爬到障礙物上面，機器人繼續(xù)攀爬。爬越障礙的臨界狀態(tài)是重心越過垂直障礙物邊界線上，只要越過這個界線就能夠爬上障礙物。故機器人采用三節(jié)履帶傳動方式，進行主動輪與從動輪的運動傳遞。為了使履帶與地面能夠充分接觸，提高履帶的傳動效率，機器人輪系的設計采用同步帶輪設計方法。
[0036]為了讓車體履帶與管壁表面充分接觸，兩側履帶可以向外調整到某一個角度，呈八字形。圖5示出了本發(fā)明管道機器人的履帶角度調節(jié)機構102的結構示意圖。如圖所示，管道機器人的雙側履帶角度調整結構包括:履帶角度調節(jié)轉軸501，雙側履帶旋轉軸502，履帶懸掛臂503，角度限位塊504，角度調節(jié)齒輪505，角度調節(jié)軸旋轉手柄506和角度定位孔507等部件。上述兩側履帶的八字形設置方式，一方面可以提高履帶與管壁的摩擦力，另一方面可避開管底部淤泥及其他沉積物。
[0037]左主履帶組件103和右主履帶組件103分別安裝在履帶懸掛臂503上，并通過履帶懸掛臂503實現(xiàn)與車架101的連接角度調整。車架101的端頭和中部肋骨件上的履帶轉軸孔位201和履帶角度調節(jié)轉軸孔位202分別插裝雙側履帶旋轉軸502和履帶角度調節(jié)轉軸501，履帶角度調節(jié)轉軸501上套設角度調節(jié)齒輪505，角度調節(jié)齒輪與一側的履帶懸掛臂503上的齒條嚙合，該側齒條又與另一側的履帶懸掛臂503上的齒條嚙合，履帶角度調節(jié)轉軸501的端頭連接角度調節(jié)軸旋轉手柄506，角度定位孔507根據需要的角度值連續(xù)設置多個。用手動轉動角度調節(jié)軸旋轉手柄506，兩側主履帶組件103的夾角可以在O度(圖5中左下位置508所示)到120度(圖5中右下位置509所示)之間調整。角度調節(jié)軸旋轉手柄506將角度調節(jié)到位后可固定在相應位置的角度定位孔507上。角度限位塊504設置在一側的履帶懸掛臂503端頭，當兩側主履帶組件103的夾角達到最大上限時，角度限位塊504卡在履帶角度調節(jié)轉軸501端頭上，以對該側的履帶懸掛臂503和主履帶組件103的運動進行限制。
[0038]圖6是本發(fā)明管道機器人的聲納組件的示意圖。如圖所示，聲納部件包括:聲納固定架105，聲納探頭106和車架101。聲納探頭屬于搭載設備，安裝在車體靠下的部位，通常不高于車架。當車體進入半潛或全潛工作方式時，聲納探頭可以探測水下部分的管道形態(tài)。
[0039]圖7是本發(fā)明管道機器人的攝像單元108的示意圖。如圖所示，攝像單元包括:多功能全方位攝像機704 (自動/手動變焦，10倍光學+10倍數字變倍，210度左右擺動，360度旋轉)，擺動半球705，主光源707，輔助光源109，升降架107，可定位氣彈簧701和可變焦/變倍攝像頭機芯706等部件。多功能全方位攝像機704可以自動/手動變焦，10倍光學+10倍數字變倍，210度左右擺動，360度旋轉。本實施例采用的是人工手動升降方式，也可以加裝電動自動升降結構。
[0040]圖8是本發(fā)明管道機器人的電子控制箱的結構示意圖。如圖所示，電子控制箱110包括:控制箱外殼802，內部抽拉結構框架810，電子控制箱抽拉門111，拉手806，多個防水接頭805，線纜牽引架112，充氣嘴801，密封墊圈803，電池808，控制板和電子器件(電機驅動模塊、光端機等)安裝位809等部件。電池808，控制板和電子器件安裝位809可設置在內部抽拉結構框架810上，電池808及控制板/電子器件等電子電路部分結合內部抽拉結構框架810裝配成一個框架，放在一個箱體內，形成抽拉式結構。箱體后端有一個面可以打開，該面與箱體用密封墊803密封。盡量減少密封面的面積，達到最好的密封效果。通過充氣嘴801可以向電子控制箱110內充入干燥空氣，保持其與外界的正壓。多條線纜通過防水接頭805，連接到履帶、攝像機等設備。氣體可以在線纜內部通過，氣壓可以傳送到主履帶組件103的電機控制箱304及攝像單元108的多功能全方位攝像機704內部，使其同樣保持正壓。
[0041]圖9是本發(fā)明管道機器人的收線車的結構示意圖。如圖所示，收線車包括:收線車車體901，計米結構902，計米結構滑動桿903，急停開關904，主線盤905，復合光纜906，收線車拉手907，副線盤908，保護鋼纜909，收放線手柄910，車輪911，控制線纜接口 912，電源開關913等部件。收線車內部裝有一塊光端機，通過復合光纜與爬行機器人連接。收發(fā)485通訊數據及接收視頻信號。通過控制線纜接口 912連接控制器。復合光纜還可以向搭載設備下發(fā)指令，接收搭載設備的檢測數據。當機器人在管道內施工時一旦出現(xiàn)故障，在設備回收時，保護鋼纜用于牽引設備。
[0042]本發(fā)明的管道機器人除按照上述方式進行結構配置外，還可實現(xiàn)下面的多種功能。例如:
(1)可根據在不同環(huán)境的應用要求搭載高分辨率2D、3D視頻傳感模塊、聲納環(huán)形掃描檢測模塊、紅外掃描檢測模塊、機械臂、切鋸作業(yè)模塊、高壓沖洗作業(yè)模塊、打磨銑頭作業(yè)模塊等;
(2)可以配備前置攝像機系統(tǒng)、照明光源系統(tǒng)、聲納檢測系統(tǒng)，攝像機系統(tǒng)可在管道內直視和側視觀察，運作靈活。同時，可在高分辨率彩色監(jiān)視器上實時顯示管道內視頻畫面信息，以及聲納分析圖像，將管道內部狀況以及管道形變狀況一目了然的提供給檢測工作人員，從而形成準確、專業(yè)的檢測報告，為后期系統(tǒng)自動作業(yè)提供可靠依據；
(3)可以根據檢測結果接收系統(tǒng)總控平臺的指令利用搭載設備完成異物清理、樹根切除、輔助清淤等兩棲作業(yè)工作。
[0043]本發(fā)明的管道機器人還配合有相應的軟件系統(tǒng)。圖10是本發(fā)明管道機器人的軟件系統(tǒng)總控制平臺的結構圖。如圖所示，軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)總控制平臺1001，控制層1002，應用層1003，基礎層1004，動力及驅動系統(tǒng)1005，多功能作業(yè)系統(tǒng)1006，多維檢測系統(tǒng)1007，多用途搭載系統(tǒng)1008等系統(tǒng)功能模塊。
[0044]該管道機器人的總控制平臺實行主從控制平臺1001，通過上位機的硬件資源及系統(tǒng)資源來完成坐標變換、圖形仿真、軌跡分析等功能，并把信息分發(fā)給下位機；下位機主要完成節(jié)點位置的控制，并負責把相關數據信息上傳上位機。該平臺采用應用模塊化設計，底層平臺統(tǒng)一數據存儲、共享。既可以實現(xiàn)模塊的獨立性操作，也可以實現(xiàn)整體的協(xié)同作業(yè)。機器人控制系統(tǒng)由多個單片機組成，負責機體本身的傳感器信息采集、電機控制及通訊傳輸。搭載設備由其通訊通道傳輸信息至總控制平臺。單片機和系統(tǒng)通訊采用串行通信異步傳遞方式，實現(xiàn)接收和發(fā)送可以隨時或間斷進行，而不受時間限制。
[0045]圖11是本發(fā)明管道機器人的車體內主控制板的邏輯框圖。如圖所示，車體電子控制箱主控板包括總接口 1101，光端機1102，燈光照明調節(jié)控制電路1103，左側電機1104，右側電機1106，左側電機驅動模塊1105，右側電機驅動模塊1107，大容量電池1108，前攝像頭1109，后攝像頭1112，前后攝像頭切換1110，車體主控板等模塊?？刂齐娐钒宓目偨涌?1101連接收線車復合光纜1106。接收控制器1108發(fā)出的控制指令，并通過收線車向控制器返回車體參數及視頻數據。
[0046]圖12是本發(fā)明管道機器人的電機閉環(huán)驅動電路的邏輯圖。如圖所示，電機閉環(huán)驅動電路包括:數字伺服驅動器1201，電動機1202，光電耦合器1203，減速器1204。機器人的驅動方式采用無刷直流電機(DC)電動驅動。閉環(huán)驅動電路控制電機按照給定的速度運轉。
[0047]圖13是本發(fā)明管道機器人的控制器的示意圖。如圖所示，本發(fā)明使用的控制器包括:控制器機殼1301，液晶屏，觸摸1302，USB 口 1303，網口 1304，數傳模塊天線1305，散熱通風口 1306，電源開1307，綜合線纜插口 1308及檢測控制軟件1401。綜合線纜插口連接至收線車。檢測控制軟件的主要功能模塊有:“系統(tǒng)選項”、“編輯片頭”、“參數標定”、“檢測及控制”。
[0048]圖14是本發(fā)明管道機器人的機器人控制軟件主界面圖。如圖所示，檢測控制主界面包括:視頻窗口 1301,氣壓、傾角等參數顯示窗口 1302-1308,提示信息顯示窗口1309-1310，車體控制按鍵1313-1316，收放線、升降架、光源控制按鍵1317-1320，攝像機控制按鍵1321-1323，參數設置按鍵1324，系統(tǒng)開啟按鍵1325，關閉按鍵1311。錄像/拍照/回放組合按鍵1326?？刂栖浖鹘缑鎴D各部件具體功能說明如下:
1301一視頻顯不窗口 ；
1302—爬行器平臺高度示意圖；
1303—爬行器左右傾角示意圖；
1304—爬行器前后傾角示意圖；
1305—爬行器車體氣壓數字表頭(單位:帕)；
1306—攝像頭氣壓數字表頭(單位:帕)；
1307—系統(tǒng)名稱及版本說明；
1308—系統(tǒng)實時檢測參數表:前后傾角、左右傾角、平臺高度(mm)、行進速度(米/分鐘)、距離(米)；
1309—爬行器行駛軌跡；
1310一系統(tǒng)/[目息窗口 ；
1311一系統(tǒng)總開關；
1312—距離清零。操控爬行器行駛到將要檢測的管道起始點，在開始檢測(錄像)前，點擊清零，可以把距離設為零；
1313—爬行器右轉彎。釋放按鍵-停止右轉；
1314—爬行器后退。向下拉圖標，控制爬行器后退，下拉的距離可以改變后退的速度。釋放按鍵，停止后退；
1315—爬行器前進。向上推圖標，控制爬行器前行，上推的距離可以改變前行的速度。釋放按鍵，停止前進；
1316—爬行器左轉。釋放按鍵-停止左轉；
1317—收線車放線/收線；
1318—爬行器平臺升/降；
1319—燈光亮度調節(jié):主光源、輔助光源、后光源；
1320一IU /后攝像頭切換；
1321—攝像頭姿態(tài)控制:左/右擺、順轉/逆轉；
1322—攝像頭控制切換:1.攝像頭姿態(tài)控制，2.攝像機參數設置，3.攝像機菜單選擇。姿態(tài)控制見(21);
1323—攝像頭復位。攝像頭返回到起始位置；
1324—系統(tǒng)參數設置；
1325—開始/停止檢測按鈕；
1326—錄像、拍照、回放操作工具。點擊攝像頭姿態(tài)控制區(qū)域-彈出工具條，再次點擊-隱藏工具條；
1327—錄像提示圖標。點擊紅色圖標，彈出“停止錄像”對話框；
1328一顯不錄像時間(單位秒)；
1329一電池電量顯示。在車體上攜帶有動力驅動電池。此處所顯示的就是車體上攜帶的電池電量。當系統(tǒng)提示“電池電量低(深紅色)”時，應操控爬行器車體開始返回。當系統(tǒng)顯示“電池電量過低(鮮紅色)”時，必須操控爬行器車體返回。參見參數標定一電池電壓標定，‘低報警值’對應于“電池電量低”；‘最低限值’對應于“電池電量過低”。
[0049]圖15、16是本發(fā)明管道機器人的控制軟件的邏輯流程圖。本發(fā)明管道機器人的軟件系統(tǒng)功能可按照相應流程圖實現(xiàn)。
[0050]本發(fā)明的一個【具體實施方式】可以按照如下方式和步驟開展。
[0051]機器人車體組成設備性能配置為:
<1>電池容量:由于車體的設計承載能力為200Kg?？梢匝b載足夠的高能聚合物電池。保證給車體提供足夠的電力供應。
[0052]<2>車體結構:大部分采用不銹鋼材料。每一個部件都采用3D設計，激光控制精確加工。保證車體的結構精度和強度，保證設備的抗腐蝕性，具有防水特性(防護等級為IP6/8,可滿足水下10米工作要求)和防爆特性(符合國家G3836防爆標準)。功率為雙200W馬達可搭載200Kg設備，車體重78Kg ;升降架收起為1646mm*700mm*501mm，升降架最高為1646mm*700mm*954mmo
[0053]<3>燈光視頻:采用該亮度LED燈，亮度可調。全方位的攝像頭，地下管道的任何一個部位都可以觀察、錄像和拍照。
[0054]<4>聲納探測:在水下部分的管壁形態(tài)，通過聲納系統(tǒng)探測。聲納的頻率為2MHz，探測精度〈1mm。
[0055]<5>數據傳輸:全部數據通過光纜傳輸，最大限度地減少視頻干擾。
[0056]<6>動力驅動:裝配兩個300-500W直流電機。每一個電機(經變速箱減速后)提供的扭矩>60Nm。為提供足夠的驅動力，雙側履帶可選型:300-500W直流電機。
[0057]〈7>控制系統(tǒng):上位機采用工控專用機，雙核2.3G以上CPU，4G以上內存。下位機，根據完成的任務不同，由多個單片機組成。
[0058]〈8>線纜收線車:配備電子計米裝置，線纜采用鋼絲繩+光纖可實現(xiàn)電動、手動收放線方式，電池容量:60V * 36Ah，可連續(xù)工作時間>5小時。
[0059]從而實現(xiàn)管道機器人的主要技術指標如下:
【權利要求】
1.一種集成車架式管道機器人，包括:車架(101)，左主履帶組件(103)和右主履帶組件(103)，履帶角度調節(jié)機構(102)，聲納固定架(105)，聲納探頭(106)，攝像頭升降架(107)，攝像單元(108)，輔助光源(109)，電子控制箱(110)，電子控制箱抽拉門(111)及線纜牽引架(112);左主履帶(103)和右主履帶(103)通過履帶轉軸孔位(201)安裝在車體(101)下方左右兩側；左主履帶(103)和右主履帶(103)之間設置履帶角度調節(jié)機構(102)，左主履帶(103)和右主履帶(103)可以向外調整到某一個角度，呈八字形；聲納探頭(106)通過聲納固定架(105)安裝在車架(101)上；攝像頭升降架(107) —端設置在車架(101)上另一端安裝攝像單元(108)和輔助光源(109);其特征在于，左主履帶組件(103)、右主履帶組件(103)、履帶角度調節(jié)機構(102)、聲納固定架(105)、攝像頭升降架(107)、電子控制箱(110)及線纜牽引架(112)均直徑安裝在車架(101)上。
2.根據權利要求1的管道機器人，其特征在于，電子控制箱(110)安裝在車架(101)上方，車架(101)的平面上設置有多個電子控制箱固定孔位(206 )，使電子控制箱(110)能夠與車架(101)緊密配合。
3.根據權利要求2的管道機器人，其特征在于，車架(101)由相互平行的兩根管材作為主要骨架而形成，兩根管材之間通過多個橫向肋骨件相連接；兩根相互平行的管材與肋骨件共同形成了電子控制箱(110)的容納槽，電子控制箱(110)可整體容納在車架(101)上方形成的容納槽中，肋骨件上還分布有多個電子控制箱固定孔位(206)，電子控制箱(110)固定在車架(101)上時電子控制箱(I 10)與車架(101)形成整體結構。
4.根據權利要求3的管道機器人，其特征在于，位于車架(101)的兩根平行管材兩端的肋骨件上分別設置了兩側履帶轉軸孔位(201)，履帶角度調節(jié)轉軸孔位(202)，角度調節(jié)軸旋轉手柄(506 )， 角度定位孔(507 )和聲納固定架孔位(204)。
5.根據權利要求3的管道機器人，其特征在于，兩根平行管材兩側緊靠平行管材位置設置了攝像組件安裝翅片，該翅片上設有多組升降架固定孔位(203)，分別用于安裝攝像頭升降架(107)和可定位氣彈簧(701)，攝像頭升降架(107)和可定位氣彈簧(701)安裝在沿兩根平行管材延伸方向不同位置的孔位中；在兩根平行管材兩側離開一段距離位置，還設置有線纜牽引架(112)的安裝翅片，該安裝翅片外部設置有線纜牽引架連接軸(205)和線纜引導架(112)的限位塊。
6.根據權利要求1-5任一項的管道機器人，其特征在于，左主履帶(103)和右主履帶(103)前方分別設置前置左輔助履帶(104)和前置右輔助履帶(104);前置左輔助履帶(104)和前置右輔助履帶(104)包括輔助履帶主動輪(401)，輔助履帶(402)，輔助履帶從動輪(403 )，輔助履帶支架(405 )，盤式減速電機(406 )及外護板(404 )。
7.根據權利要求1-5任一項的管道機器人，其特征在于，管道機器人的左主履帶組件(103)和右主履帶組件(103)包括:主履帶外側板(301)，主履帶內側板(309)，主履帶(302)，輔助履帶固定位(303)，電機控制箱(304)，主動輪(305)，壓帶輪(306)，從動輪(307 )和蝸輪蝸桿減速電機(308 )。
8.根據權利要求1-5任一項的管道機器人，其特征在于，聲納探頭(106)的安裝位置不高于車架(101)的水平位置。
9.根據權利要求1-5任一項的管道機器人，其特征在于，攝像單元(108)包括:多功能全方位攝像機(704)，擺動半球(705)，主光源(707)和可變焦/變倍攝像頭機芯(706);多功能全方位攝像機(704)可以自動/手動變焦，10倍光學+10倍數字變倍，210度左右擺動，360度旋轉；升降架(107 )還配置有可定位氣彈簧(701)。
10.一種包括權利要求1-9任一項的管道機器人的管道機器人系統(tǒng),該管道機器人系統(tǒng)還包括收線車和控制器；收線車包括:收線車車體(901)，計米結構(902)，計米結構滑動桿(903)，急停開關(904)，主線盤(905)，復合光纜(906)，收線車拉手(907)，副線盤(908)，保護鋼纜(909)，收放線手柄(910)，車輪(911)，控制線纜接口(912)，電源開關(913);收線車內部裝有一塊光端機，通過復合光纜與爬行機器人連接；收發(fā)485通訊數據及接收視頻信號；通過控制線纜接口(912)連接控制器；復合光纜可以向搭載設備下發(fā)指令，接收搭載設備的檢測數據；當機器人在管道內施工出現(xiàn)故障時，保護鋼纜用于牽引設備；控制器包括:控制器機殼(1301)，液晶屏，觸摸(1302)，USB 口( 1303)，網口( 1304)，數傳模塊天線(1305),散熱通風口( 1306)，電源開(1307)及綜合線纜插口( 1308);綜合線纜插口連接至收 線車。
【文檔編號】F16L55/34GK103672296SQ201310690873
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權日:2013年12月17日
【發(fā)明者】王軍, 路光, 宋有聚, 王楨, 鄔皓天, 宋曉輝, 萬文彪, 樊太岳, 王倩倩 申請人:王軍, 宋有聚, 鄔皓天, 王楨, 路光