本實用新型屬于管道機器人技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及六輪同步涵管內(nèi)壁檢測機器人。
背景技術(shù):
水庫放水涵管作為下游灌溉、供水的輸送通道,是重要的水工建筑物之一。涵管道在服役期間,由于受到長期的流體沖刷及自然環(huán)境的作用,不可避免的會出現(xiàn)管道破損。涵管出險具有隱蔽性、突發(fā)性和牽連性,一旦出現(xiàn)險情就有可能造成重大損失,甚至造成其他破壞性后果,因此放水涵管的定期檢測格外重要。然而管道所處的環(huán)境往往是人們所不易直接達(dá)到或不允許人們直接進入的,檢修難度很大。
目前,國內(nèi)外對涵管的檢測主要采取人工觀察測量、局破損檢測的辦法,并需要進一步通過挖掘作業(yè)才能完全確定管道破損的位置。顯然這種檢測管道的方法能耗大、效率低,且容易破壞管道附近的其他設(shè)施。而國內(nèi)外所研制的管道機器人大部分也是針對工業(yè)管道和細(xì)小的管道,只有少部分針對水庫涵管的機器人,但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴,而且具體檢測效果也不理想。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本實用新型的目的是針對現(xiàn)有涵管檢測裝置的不足,提供一種安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單的管道內(nèi)壁檢測機器人。
本實用新型包括兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu)、鏈條、前驅(qū)動輪腿機構(gòu)、紅外傳感器、后驅(qū)動輪腿機構(gòu)、鏈輪、傾角傳感器、支撐結(jié)構(gòu)架、步進電機、密封防水蓋板、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。所述的支撐結(jié)構(gòu)架由通過三根連架桿固定連接的前、后兩個支撐結(jié)構(gòu)組成;所述的驅(qū)動系統(tǒng)包括前進驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng);前進驅(qū)動系統(tǒng)支撐在前面的支撐結(jié)構(gòu)上,轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)支撐在后面的支撐結(jié)構(gòu)上;支撐結(jié)構(gòu)為正六邊形框架;支撐結(jié)構(gòu)外端固定密封防水蓋板;前面支撐結(jié)構(gòu)的六個側(cè)面上分別間隔設(shè)置前驅(qū)動輪腿機構(gòu)和紅外傳感器,后面支撐結(jié)構(gòu)的六個側(cè)面上分別間隔設(shè)置后驅(qū)動輪腿機構(gòu)和紅外傳感器;前、后支撐結(jié)構(gòu)在紅外傳感器所在側(cè)面處均設(shè)置傾角傳感器;所述的密封防水蓋板上設(shè)有兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu);所述的控制系統(tǒng)固定在支撐結(jié)構(gòu)架上,紅外傳感器和傾角傳感器將信號傳給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)控制步進電機和兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu);支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)板上固定步進電機,步進電機的輸出軸中心與支撐結(jié)構(gòu)的中心軸重合;所述的前進驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)均采用分動機構(gòu),且分設(shè)在前、后支撐結(jié)構(gòu)內(nèi);前面的步進電機通過前進驅(qū)動系統(tǒng)同時給三個前驅(qū)動輪腿機構(gòu)提供前進動力;后面的步進電機通過轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)同時帶動三個后驅(qū)動輪腿機構(gòu)轉(zhuǎn)動;固定在后驅(qū)動輪腿機構(gòu)的周轉(zhuǎn)輪筒上的鏈輪與對應(yīng)一個前驅(qū)動輪腿機構(gòu)的周轉(zhuǎn)輪筒上固定的鏈輪通過鏈條連接。
所述的分動機構(gòu)包括主錐齒輪、分動錐齒輪和分動錐齒輪軸;所述的主錐齒輪固定在步進電機的輸出軸上,與主錐齒輪嚙合的三個分動錐齒輪固定在三根分動錐齒輪軸上;分動錐齒輪軸通過軸承支承在支撐結(jié)構(gòu)上。
所述的前驅(qū)動輪腿機構(gòu)和后驅(qū)動輪腿機構(gòu)均包括伸縮彈簧、周轉(zhuǎn)輪筒、浮動支架、滾動輪、滾動輪軸;前驅(qū)動輪腿機構(gòu)還包括滾動輪驅(qū)動軸、滾動輪從動錐齒輪和滾動輪主動錐齒輪。
所述的前驅(qū)動輪腿機構(gòu)中,周轉(zhuǎn)輪筒通過周轉(zhuǎn)輪筒支承件與支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副;浮動支架與周轉(zhuǎn)輪筒側(cè)壁的滑槽構(gòu)成滑動副,且浮動支架內(nèi)端與周轉(zhuǎn)輪筒通過伸縮彈簧連接;滾動輪軸通過軸承支承在浮動支架外端;滾動輪軸兩端均固定滾動輪;滾動輪驅(qū)動軸的外端固定滾動輪主動錐齒輪;滾動輪主動錐齒輪與固定在滾動輪軸上的滾動輪從動錐齒輪嚙合;每個前驅(qū)動輪腿機構(gòu)的滾動輪驅(qū)動軸內(nèi)端與前進驅(qū)動系統(tǒng)對應(yīng)的一根分動錐齒輪軸外端固定。
所述的后驅(qū)動輪腿機構(gòu)中,周轉(zhuǎn)輪筒通過周轉(zhuǎn)輪筒支承件與支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副;浮動支架與周轉(zhuǎn)輪筒側(cè)壁的滑槽構(gòu)成滑動副,且浮動支架內(nèi)端與周轉(zhuǎn)輪筒通過伸縮彈簧連接;滾動輪軸通過軸承支承在浮動支架外端;滾動輪軸兩端均固定滾動輪;每個后驅(qū)動輪腿機構(gòu)的周轉(zhuǎn)輪筒內(nèi)端與轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)對應(yīng)的一根分動錐齒輪軸固定。
所述的兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu)包括云臺外框、周轉(zhuǎn)底盤、機械臂、攝像頭、360°舵機和180°舵機;所述的云臺外框固定在密封防水蓋板上,周轉(zhuǎn)底盤與云臺外框構(gòu)成轉(zhuǎn)動副,360°舵機的輸出軸與周轉(zhuǎn)底盤固定,180°舵機的底座與周轉(zhuǎn)底盤固定,機械臂與180°舵機的輸出軸固定,攝像頭與機械臂固定。
所述的控制系統(tǒng)包括控制芯片、wifi模塊、無線串口模塊和六軸加速度傳感器;六軸加速度傳感器、步進電機、180°舵機、360°舵機、紅外傳感器和傾角傳感器均通過電纜與控制芯片相連,控制芯片通過無線串口模塊與上位機通信。攝像頭通過wifi模塊與上位機通信;上位機將運動指令由無線串口模塊發(fā)給控制芯片來控制步進電機、180°舵機和360°舵機的運動,從而控制前驅(qū)動輪腿機構(gòu)和后驅(qū)動輪腿機構(gòu)。
所述的攝像頭帶有環(huán)狀光源。
所述的控制芯片采用以ARM CORTEX-M3為內(nèi)核的STM32F103RCT6芯片。
所述的wifi模塊由移動電源降至+5V供電。
本實用新型具有的有益效果是:
本實用新型適合不同管徑大小的涵管,結(jié)構(gòu)簡單輕便;采用兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu)作為攝像頭支架,底盤周轉(zhuǎn)配合機械臂180度擺動可實現(xiàn)多方位角檢測;帶環(huán)狀光源的高清攝像頭成像效果好,適合管內(nèi)無光環(huán)境;而且本實用新型前后各裝置一個攝像頭,往返過程中均能實現(xiàn)避障;所采用的紅外傳感器不僅能探測距離而且還能檢測障礙物大小,判斷機器人是否能完全通過,大大地提高了安全性;本實用新型裝有傾角傳感器,能測量其圍繞自身軸線周向轉(zhuǎn)動時所轉(zhuǎn)的角度,實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控機器人在管道中的姿態(tài)的同時實現(xiàn)攝像頭絕對方位角不變;轉(zhuǎn)向輪腿間采用鏈傳動實現(xiàn)同步,提高了可靠性;本實用新型的控制系統(tǒng)極大程度上提高了機器人的靈活性和作業(yè)效率,并且當(dāng)遇到突發(fā)狀況時,還可通過上位機采用手動模式安全退出。
附圖說明
圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)立體圖;
圖2為本實用新型中兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)立體圖;
圖3為本實用新型中前進驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4為本實用新型中前驅(qū)動輪腿機構(gòu)的運動簡圖;
圖5為本實用新型中后驅(qū)動輪腿機構(gòu)的運動簡圖;
圖6為本實用新型中支撐結(jié)構(gòu)架的示意圖;
圖7為本實用新型中轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8為本實用新型中分動機構(gòu)的運動簡圖;
圖9為本實用新型中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖中:1、前置高清攝像頭,2、環(huán)狀光源,3、兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu),4、前進驅(qū)動系統(tǒng),5、鏈條,6、前驅(qū)動輪腿機構(gòu),7、紅外傳感器,8、后驅(qū)動輪腿機構(gòu),9、鏈輪,10、后置高清攝像頭,11、傾角傳感器,12、支撐結(jié)構(gòu)架,13、步進電機,14、轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng),15、密封防水蓋板,16、驅(qū)動系統(tǒng),17、攝像頭,18、控制芯片,19、wifi模塊,20、無線串口模塊,21、六軸加速度傳感器,22、上位機,3-1、云臺外框,3-2、周轉(zhuǎn)底盤,3-3、機械臂,3-4、180°度舵機,3-5、360°度舵機,4-1、分動錐齒輪,4-2、主錐齒輪,6-1、周轉(zhuǎn)輪筒支承件,6-2、伸縮彈簧,6-3周轉(zhuǎn)輪筒,6-4、浮動支架,6-5、滾動輪驅(qū)動軸,6-6、滾動輪,6-7、滾動輪軸,6-8、滾動輪從動錐齒輪,6-9、滾動輪主動錐齒輪,6-10、分動錐齒輪軸,12-1、內(nèi)側(cè)板,12-2、支撐結(jié)構(gòu),12-3、連架桿。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明。
如圖1、圖3、圖6、圖7所示,六輪同步涵管內(nèi)壁檢測機器人,包括兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu)3、鏈條5、前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6、紅外傳感器7、后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8、鏈輪9、傾角傳感器11、支撐結(jié)構(gòu)架12、步進電機13、密封防水蓋板15、驅(qū)動系統(tǒng)16和控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)固定在支撐結(jié)構(gòu)架12上;支撐結(jié)構(gòu)架12由通過三根連架桿12-3固定連接的前、后兩個支撐結(jié)構(gòu)12-2組成;驅(qū)動系統(tǒng)16包括前進驅(qū)動系統(tǒng)4和轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)14;前進驅(qū)動系統(tǒng)4支撐在前面的支撐結(jié)構(gòu)12-2上,轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)14支撐在后面的支撐結(jié)構(gòu)12-2上;支撐結(jié)構(gòu)12-2為正六邊形框架;支撐結(jié)構(gòu)12-2外端固定密封防水蓋板15;前面支撐結(jié)構(gòu)12-2的六個側(cè)面上分別間隔設(shè)置前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6和紅外傳感器7,后面支撐結(jié)構(gòu)12-2的六個側(cè)面上分別間隔設(shè)置后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8和紅外傳感器7;前、后支撐結(jié)構(gòu)12-2在紅外傳感器7所在側(cè)面處均設(shè)置傾角傳感器11;密封防水蓋板15上設(shè)有兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu)3;支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)板12-1上固定步進電機13,步進電機13的輸出軸中心與支撐結(jié)構(gòu)的中心軸重合;前進驅(qū)動系統(tǒng)4和轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)14均采用分動機構(gòu),且分設(shè)在前、后支撐結(jié)構(gòu)12內(nèi);前面的步進電機13通過前進驅(qū)動系統(tǒng)4同時給三個前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6提供前進動力;后面的步進電機13通過轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)14同時帶動三個后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8轉(zhuǎn)動;固定在后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8的周轉(zhuǎn)輪筒6-3上的鏈輪9與對應(yīng)一個前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6的周轉(zhuǎn)輪筒6-3上固定的鏈輪9通過鏈條5連接,實現(xiàn)后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8與前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6的同步轉(zhuǎn)動。
如圖8所示,分動機構(gòu)包括主錐齒輪4-2、分動錐齒輪4-1和分動錐齒輪軸6-10;主錐齒輪4-2固定在步進電機13的輸出軸上,與主錐齒輪4-2嚙合的三個分動錐齒輪4-1固定在三根分動錐齒輪軸6-10上,通過分動錐齒輪軸6-10傳出動力;分動錐齒輪軸6-10通過軸承支承在支撐結(jié)構(gòu)12上。
如圖4和5所示,前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6和后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8均包括伸縮彈簧6-2、周轉(zhuǎn)輪筒6-3、浮動支架6-4、滾動輪6-6、滾動輪軸6-7;前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6還包括滾動輪驅(qū)動軸6-5、滾動輪從動錐齒輪6-8和滾動輪主動錐齒輪6-9。
如圖4所示,前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6中,周轉(zhuǎn)輪筒6-3通過周轉(zhuǎn)輪筒支承件6-1與支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副;浮動支架6-4與周轉(zhuǎn)輪筒6-3側(cè)壁的滑槽構(gòu)成滑動副,且浮動支架6-4內(nèi)端與周轉(zhuǎn)輪筒6-3通過伸縮彈簧6-2連接;滾動輪軸6-7通過軸承支承在浮動支架6-4外端;滾動輪軸6-7兩端均固定滾動輪6-6;滾動輪驅(qū)動軸6-5的外端固定滾動輪主動錐齒輪6-9;滾動輪主動錐齒輪6-9與固定在滾動輪軸6-7上的滾動輪從動錐齒輪6-8嚙合;每個前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6的滾動輪驅(qū)動軸6-5內(nèi)端與前進驅(qū)動系統(tǒng)4對應(yīng)的一根分動錐齒輪軸6-10外端固定,把動力從滾動輪驅(qū)動軸6-5傳到滾動輪軸6-7,進而傳遞到滾動輪6-6。
如圖5所示,后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8中,周轉(zhuǎn)輪筒6-3通過周轉(zhuǎn)輪筒支承件6-1與支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副;浮動支架6-4與周轉(zhuǎn)輪筒6-3側(cè)壁的滑槽構(gòu)成滑動副,且浮動支架6-4內(nèi)端與周轉(zhuǎn)輪筒6-3通過伸縮彈簧6-2連接;滾動輪軸6-7通過軸承支承在浮動支架6-4外端;滾動輪軸6-7兩端均固定滾動輪6-6;每個后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8的周轉(zhuǎn)輪筒6-3內(nèi)端與轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)14對應(yīng)的一根分動錐齒輪軸6-10固定,進而直接帶動整個后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8轉(zhuǎn)動。
如圖2所示,兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu)3包括云臺外框3-1、周轉(zhuǎn)底盤3-2、機械臂3-3、攝像頭17、360°舵機3-5和180°舵機3-4;攝像頭帶有環(huán)狀光源2;云臺外框3-1固定在密封防水蓋板15上,周轉(zhuǎn)底盤3-2與云臺外框3-1構(gòu)成轉(zhuǎn)動副,360°舵機3-5的輸出軸與周轉(zhuǎn)底盤3-2固定,180°舵機3-4的底座與周轉(zhuǎn)底盤3-2固定,機械臂3-3與180°舵機3-4的輸出軸固定,攝像頭與機械臂3-3固定。位于前面的兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu)3的攝像頭設(shè)為前置高清攝像頭1,位于后面的兩自由度云臺攝像檢測結(jié)構(gòu)3的攝像頭設(shè)為后置高清攝像頭10。
如圖9所示,控制系統(tǒng)包括控制芯片18、wifi模塊19、無線串口模塊20和六軸加速度傳感器21;控制芯片采用以ARM CORTEX-M3為內(nèi)核的STM32F103RCT6芯片。六軸加速度傳感器、步進電機13、180°舵機3-4、360°舵機3-5、紅外傳感器7和傾角傳感器11均通過電纜與控制芯片相連,控制芯片讀取六軸加速度傳感器、傾角傳感器11和紅外傳感器的傳感器信號后,通過無線串口模塊將傳感器信號傳給上位機22。攝像頭通過wifi模塊將圖像數(shù)據(jù)發(fā)射給上位機讀??;wifi模塊由移動電源降至+5V供電。上位機綜合分析圖像數(shù)據(jù)和傳感器信號后,分別預(yù)測得到障礙角和障礙物距離,自動生成運動指令,并將運動指令由無線串口模塊發(fā)給控制芯片來控制步進電機13、180°舵機3-4和360°舵機3-5的運動,使周轉(zhuǎn)輪筒6-3帶動前驅(qū)動輪腿機構(gòu)6和后驅(qū)動輪腿機構(gòu)8轉(zhuǎn)動避障的同時保持?jǐn)z像頭1方位角不動,方便實時連續(xù)避障,從而來控制機器人在水庫涵管內(nèi)正常通行并采集裂紋的圖像數(shù)據(jù)。