一种履带式管径重力自适应侦察机器人

摘要

本发明公开了一种履带式管径重力自适应侦察机器人。其包括支撑机构、升降机构、行走机构和主体控制部分；支撑机构包括主支撑板；升降机构包括升降平台、升降导轨、升降杆和支撑块；行走机构包括在支撑机构两侧对称设置的两个履带轮机构；主体控制部分包括主控制腔体、颜色识别传感器、云台、树莓派、驱动器和图像处理器；主控制腔体安装在升降机构的升降平台上。本发明的机器人能够适用于现有通用的管道直径，拓展其使用范围延伸其使用空间；本发明通过颜色传感器、云台、图像处理器和外部工控设备的配合使用，能方便的实现侦察功能；具有较高的稳定性、实用性、安全性等，且造价低廉、结构简单和机动灵活性强。

说明书

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，具体是一种履带式管径重力自适应侦察机器人。

背景技术

管道机器人是一种可沿细小管道内部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下， 进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。

现阶段管道内部行走的管道机器人大多采用轮式结构，对于轮式排水管道机器人，除了从结构设计，材料选型需要下功夫之外，主要的科学问题在于建立轮式机器人在圆管中的运动学模型，并需设计相应的控制算法，使机器人能够自主行驶作业，也能够根据姿态信息，手工操作控制其保持水平行驶作业，防止出现侧翻、卡死、驱动力不足等问题，在解决上述问题的同时往往需要投入大量的人力财力去开发相应的控制算法，且机器人行走过程中需要人工干预。如何提高管道机器人的自适应能力对其使用范围的拓展和使用空间的延伸具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，为提高管道机器人的自适应能力，本发明提供了一种履带式管径重力自适应侦察机器人，其通过采用重力自适应技术，可以实现行走机构在相应范围内的自我调整，使得管道机器人能够适用与现有通用的管道直径，拓展其使用范围延伸其使用空间。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种履带式管径重力自适应侦察机器人，其包括支撑机构、升降机构、行走机构和主体控制部分；其中：

支撑机构包括主支撑板，主支撑板的中间位置设置方形孔，方形孔的两侧对称设置两根导轨固定杆；主支撑板的两侧对称设置两根摆架；

升降机构包括升降平台、升降导轨、第一转动块、第二转动块、第一滚轮组、第二滚轮组、连接桥、升降电机、升降丝杆和升降杆；升降平台设置在支撑机构上方，升降平台的底面四周设有若干支撑块，升降导轨设有四根，其中两根平行设置在升降平台的下侧，另外两根平行设置在支撑机构的两根导轨固定杆的侧面；设置在升降平台下侧的两根升降导轨上对称安装第二滚轮组，尾部设置第二转动块；设置在支撑机构的两根导轨固定杆的侧面的两根升降导轨上对称安装第一滚轮组，尾部设置第一转动块；第一滚轮组和第二滚轮组中各自包括两个滚轮；升降杆有四根，其中两根的一端与第一转动块连接，另一端与第二滚轮组的轴端连接，另外两根的一端与第二转动块连接，另一端与第一滚轮组的轴端连接，四根升降杆被分为基于升降杆的中心孔同轴的X状的两个升降杆组；两个升降杆组的中心孔之间用升降杆连接杆相连；连接桥呈三角结构，上部两侧与导轨固定杆侧面升降导轨内的第一滚轮组连接，连接桥下端设置螺纹孔，升降电机安装在主支撑板上，升降电机的出轴端通过联轴器和升降丝杆的一端连接，升降丝杆的另一端穿过连接桥下端的螺纹孔连接在主支撑板上；

主体控制部分包括主控制腔体、颜色识别传感器、云台、控制主安装板、树莓派、AC-DC电源、驱动器和图像处理器；主控制腔体安装在升降机构的升降平台上；颜色识别传感器和云台安装在主控制腔体的前端盖上，云台用于完成作业环境的图像传输，颜色识别传感器用于对作业环境进行颜色识别，主控制腔体内设置控制主安装板，控制主安装板上安装AC-DC电源、树莓派、驱动器和图像处理器；AC-DC电源分别和树莓派、驱动器、图像处理器、颜色识别传感器和云台连接；树莓派和驱动器连接，驱动器分别和升降机构中的升降电机、行走机构中的轮毂电机连接；颜色识别传感器、云台分别和图像处理器相连。

本发明中，主支撑板的下部前端对称设置两个车灯。

本发明中，升降平台的底面四周设有若干支撑块。

本发明中，支撑块为8块。

本发明中，升降导轨的前端设置升降导轨限位块。

本发明中，升降丝杆通过升降丝杆轴承座安装在主支撑板上。

本发明中，轮毂电机采用外转子结构，履带安装在外转子上。

本发明中，还包括外部工控设备，外部工控设备接收或发送信号给树莓派、颜色识别传感器和云台。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种履带式管径重力自适应侦察机器人，主要采用重力自适应技术，可以实现行走机构在相应范围内的自我调整，使得管道机器人能够适用与现有通用的管道直径，拓展其使用范围延伸其使用空间。本发明采用包括云台和颜色识别传感器的侦察设备，云台可在外部工控设备控制下完成作业环境的图像传输，颜色识别传感器可在本发明移动过程中进行环境的颜色识别，并对比图像处理器中设置的金属锈迹颜色图谱，区分管道中生锈的部位，将信号回传至外部工控设备完成侦察功能。本发明具有较高的稳定性、实用性、安全性等特点，且造价低廉、结构简单和机动灵活性强。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的展开示意图。

图3为本发明的主视图。

图4为本发明的后视图。

图5为本发明的部分结构示意图。

图6为本发明的行走机构结构示意图一。

图7为本发明的行走机构内部结构示意图。

图8为本发明的行走机构结构示意图二。

图9为本发明的升降机构仰视图。

图10为本发明的滑轮组一结构示意图。

图11为本发明的滑轮组二结构示意图。

图12为本发明的支撑机构俯视图。

图13为本发明的支撑机构结构示意图。

图14为本发明的整体示意图。

图15为本发明的主体控制部分示意图。

图16为本发明的主体控制部分内部示意图。

图17为本发明的腔体尾端盖结构示意图。

图18为本发明的主体控制部分内部示意图。

附图标记说明：

100-支撑机构、101-主支撑板、102-连接梁、103-摆架、104-导轨固定杆、105-车灯、200-升降机构、201-升降平台、202-升降导轨、203-升降导轨限位块、204-第一转动块、205-第二转动块、206-第一滚轮组、2061-第一滚轮支架、2062-滚轮侧支架、2063-滚轮、207-第二滚轮组、2071-第二滚轮支架、208-连接桥、209-升降电机支架、210-升降电机、211-联轴器、212-升降丝杆、213-升降丝杆轴承座、214-石墨轴承、215-升降杆、216-升降杆销钉、217-升降杆连接杆、218-支撑块、300-行走机构、301-履带主支架、302-履带侧支架、303-履带支重轮、304-履带、305-轮毂电机、306-石墨铜套、307-摆架销、308-接线弯头、400-主体控制部分、401-主控制腔体、402-腔体前端盖、403-前端罩、404-颜色识别传感器、405-腔体尾端盖、406-云台安装底板、407-云台、408-控制主安装板支杆、409-控制主安装板、410-树莓派支杆、411-树莓派、412-AC-DC电源、413-驱动器、414-图像处理器、415-防水接头主体、416-防水接头穿线接头、417-防水接头堵头、418-电缆接头。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1~图18所示，一种履带式管径重力自适应侦察机器人，包括支撑机构100、升降机构200、行走机构300和主体控制部分400。升降机构200、行走机构300与支撑机构100连接；主体控制部分400与升降机构200连接在一起。

支撑机构100包括主支撑板101、连接梁102、摆架103、导轨固定杆104和车灯105。主支撑板101为本发明的主要结构，其上设置众多相应的部件连接孔位。连接梁102位于主支撑板101的下部中间位置与主支撑板101通过螺钉连接，连接梁102主要起到加固的作用。摆架103设有两个，分别位于主支撑板101的两侧，呈对称分布。导轨固定杆104设有两个，分别位于主支撑板101内侧的方形孔的两侧，呈对称分布。车灯105设有两个，位于主支撑板101的下部前端，呈对称分布。

升降机构200包括升降平台201、升降导轨202、升降导轨限位块203、第一转动块204、第二转动块205、第一滚轮组206、第一滚轮支架2061、滚轮侧支架2062、滚轮2063、第二滚轮组207、第二滚轮支架2071、连接桥208、升降电机支架209、升降电机210、联轴器211、升降丝杆212、升降丝杆轴承座213、石墨轴承214、升降杆215、升降杆销钉216、升降杆连接杆217和支撑块218。升降平台201作为升降机构200的主要支撑部件，其位置位于支撑机构100的上部。升降导轨202设有四根，其中两根位于两根导轨固定杆104的侧面，呈对称布置，另外两根安装于升降平台201的下侧，呈对称布置。升降导轨限位块203设有四个，分别安装在升降导轨202的前端，通过螺钉与升降导轨202连接。第一转动块204设有两个，位于导轨固定杆104侧面的升降导轨202的尾部，呈对称分布。第二转动块205设有两个，位于升降平台201下侧的升降导轨202的尾部，呈对称分布。第一滚轮组206位于导轨固定杆104侧面的升降导轨202的内部，呈对称分布。第一滚轮组206由第一滚轮支架2061、滚轮侧支架2062、两个滚轮2063构成，滚轮支架2061为第一滚轮组206的主要支撑结构，滚轮侧支架2062与第一滚轮支架2061通过螺钉连接，构成第一滚轮组206的主要组成部分，滚轮侧支架2062上安装两轴，两个滚轮2063安装在滚轮侧支架2062的两轴上，位于第一滚轮支架2061与滚轮侧支架2062之间。第二滚轮组207位于升降平台201下侧的升降导轨202的内部，呈对称分布，第二滚轮组207起到稳定升降机构200的作用。第二滚轮组207由第二滚轮支架2071、滚轮侧支架2062、两个滚轮2063构成，第二滚轮支架2071为第二滚轮组207的主要支撑结构，滚轮侧支架2062与第二滚轮支架2071连接构成第二滚轮组207的主要组成部分，滚轮2063安装在滚轮侧支架2062的两轴上，位于第二滚轮支架2071与滚轮侧支架2062之间。连接桥208呈三角结构，其上部两侧与导轨固定杆104侧面升降导轨202内的第一滚轮组206连接。连接桥208的作用在于连接两侧的第一滚轮组206，使其能够同步运动。升降电机支架209位于主支撑板101下侧尾部，与主支撑板101通过螺钉连接。升降电机210位于主支撑板101的下侧尾部，被升降电机支架209固定至主支撑板101上。联轴器211位于升降电机210的出轴端，与电机轴连接。升降丝杆212与升降电机210出轴同轴，且一端与联轴器211连接，与连接桥208下端的螺纹孔配合在一起。升降丝杆轴承座213设有两个，其中一个位于主支撑板101的升降电机210侧，另一个与其对称设置，位于主支撑板101的前部，其中两升降丝杆轴承座213的轴承孔与升降丝杆212同轴。石墨轴承214外形为T字形，设有两个，分别位于升降丝杆轴承座213内，其中大端设置在两升降丝杆轴承座213所构成空间的内部，且对称分布，升降丝杆212的两轴端与石墨轴承214接触。升降杆215设有四根，其中两根的一端与第一转动块204连接，另一端与第二滚轮组207的轴端连接，另外两根的一端与第二转动块205连接，另一端与第一滚轮组206的轴端连接，其中四根分为两组，每一组连接完成后位于升降杆215中间的孔同轴均构成X状的升降杆组。连接杆销钉设有两个，位于升降杆215构成的升降杆组的中间孔内，呈对称分布。升降杆连接杆217位于升降杆215构成的两升降杆组中间，用于稳定升降机构202，与升降杆组中间孔同轴心。支撑块218设有八个，分别位于升降平台201的底面四周。支撑块212可以保证升降机构200在下降过程中超出设定位置，起到超限保护、减震的作用。工作时，连接桥208和升降丝杆212采用螺纹配合，在升降电机210转动时升降丝杆212发生转动，带动连接桥208向一侧运动，第一滚轮组206被连接桥208连接，连接桥208横向移动，带动第一滚轮组206向一侧移动，进而带动升降杆组完成升降作业。

行走机构300包括履带主支架301、履带侧支架302、履带支重轮303、履带304、轮毂电机305、石墨铜套306、摆架销307、接线弯头308。行走机构300有两个，其分别和支撑机构100两侧的摆架103连接。履带主支架301作为行走机构300的主要支撑部件。履带侧支架302与履带主支架301通过螺钉连接构成行走机构300的主要支撑部件。履带支重轮303设有两个，分别位于履带主支架301与履带侧支架302构成的支撑体的两端安装孔内，履带304安装至履带支重轮303上。轮毂电机305位于履带主支架301的内侧中间位置，一端面通过螺钉与履带主支架301连接，另一端面通过螺钉与履带侧支架302连接。轮毂电机305，采用外转子结构设计，履带304安装在外转子上，轮毂电机305与履带304配合使得轮毂电机305的转动带动履带304的移动，提供行走动力。石墨铜套306安装在摆架103的水平孔内。摆架销307连接履带主支架301与摆架103，摆架销307穿至履带主支架301外部下侧的销钉孔内直至穿过摆架103的销钉孔。接线弯头308位于履带主支架301的外侧中间位置，与履带主支架301通过螺纹连接。

主体控制部分400包括主控制腔体401、腔体前端盖402、前端罩403、颜色识别传感器404、腔体尾端盖405、云台安装底板406、云台407、控制主安装板支杆408、控制主安装板409、树莓派支杆410、树莓派411、AC-DC电源412、驱动器413、图像处理器414、防水接头主体415、防水接头穿线接头416、防水接头堵头417和电缆接头418。主控制腔体401作为主体控制部分400的主要支撑结构。腔体前端盖402位于主控制腔体401的前端，通过螺钉与主控制腔体401连接。前端罩403位于腔体前端盖402的前端，与腔体前端盖402中心圆孔同轴心。颜色识别传感器404设有四个，分别位于腔体前端盖402上四周分布的安装孔内，且从腔体前端盖402的后端面安装。腔体尾端盖405位于主控制腔体401的尾端，通过螺钉与主控制腔体401连接。云台安装底板406位于腔体前端盖402的后侧，与腔体前端盖402通过螺钉连接。云台407安装在云台安装底板406上，云台407头部靠近前端罩403侧。控制主安装板支杆408设有四根，其底端位于主控制腔体401的内侧底板上四个安装孔。控制主安装板409安装至控制主安装板支杆408的上端，且与控制主安装板支杆408通过螺钉连接。树莓派支杆410设有四根，其底端位于控制主安装板409前端的四个安装孔处。树莓派411安装至树莓派支杆410的上端通过螺钉连接。AC-DC电源412位于控制主安装板409的尾部。驱动器413位于控制主安装板409的中间靠右侧。图像处理器414位于控制主安装板409的中间靠左侧。防水接头主体415设有九个，位于腔体尾端盖405分布的外侧九个安装孔内。防水接头穿线接头416设有六个，安装至防水接头主体415上。防水接头堵头417设有三个，安装至防水接头主体415上。电缆接头418安装至所述腔体尾端盖405中心安装孔内。

实施方案：

在本发明工作前，工作人员检测各零部件安装及紧固状态，确保本发明符合工作需求，工作人员将本发明投放入管道中，履带304接触管道壁面，通过外部工控设备将信号传输至主体控制部分400内部的树莓派411中。

树莓派411将外部工控设备控制信号进行编译和数据处理，将行进信号传输至驱动器413，驱动器413将行进信号传输至行走机构300，驱动轮毂电机305转动带动履带304转动，驱使本发明行进，本发明行进过程中履带304贴合管壁，由于本发明重力的存在，当本发明行进过程中管道直径发生变化，行进机构将会沿着摆架进行自适应的角度调整，使其能够在不同管径的管道之间进行自我调整。

行进过程中，对于在不同管径的管道内行驶时，侦察设备的高度也能够实现高度调整。本发明可通过升降机构200进行升降平台201的升降作业。外部工控设备将信号传输至树莓派411，树莓派411将信号传输至驱动器413，驱动器413驱动升降电机210转动带动升降丝杆212转动，连接桥208与升降丝杆212配合，随着升降丝杆212的转动，驱动连接桥208向一侧移动，连接桥208两侧与导轨固定杆104侧面升降导轨202内的第一滚轮组206连接，使得第一滚轮组206向一侧移动，由于四根升降杆215的一端与第一转动块204和第二转动块205连接，限制其发生移动只能够转动，升降杆215的另一端与第一滚轮组206和第二滚轮组207连接，在升降电机210发生转动时，升降平台201会在升降电机210的驱动下向上或者向下完成平移作业，带动主体控制部分400移动，实现侦察设备的高度调整。

侦察设备包括云台407和颜色识别传感器404，云台407可在外部工控设备控制下完成作业环境的图像传输，颜色识别传感器404在本发明移动过程中进行环境的颜色识别，对比图像处理器414中设置的金属锈迹颜色图谱，区分管道中生锈的部位，将信号回传至外部工控设备完成侦察功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。