基于高強(qiáng)度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
(一)技術(shù)領(lǐng)域:
[0001]本發(fā)明屬于管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于高強(qiáng)度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人系統(tǒng)。
(二)【背景技術(shù)】:
[0002]管道運(yùn)輸與鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸和航空運(yùn)輸并稱為當(dāng)今世界五大運(yùn)輸方式。憑借安全、經(jīng)濟(jì)、快捷、量大等傳輸特點(diǎn)，管道輸送已廣泛應(yīng)用于石油化工、食品加工、城市供排水、生活資源供給、核工業(yè)等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有極為重要的地位，是衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，管道工業(yè)也迎來了快速發(fā)展期。在“十一五”期間，我國管道新增數(shù)量將接近34000公里.隨著油氣管道長時(shí)運(yùn)行，由管道自身缺陷和后期運(yùn)行期間發(fā)生的腐蝕穿孔、人為損壞和自然地質(zhì)災(zāi)害等因素造成的管道泄漏、爆炸等事故將會(huì)增多，嚴(yán)重威脅著周邊居民人身財(cái)產(chǎn)安全和自然環(huán)境，影響著國家正常的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。傳統(tǒng)管道檢測(cè)都是由相關(guān)人員實(shí)施，有全面挖掘發(fā)和隨機(jī)抽樣法，工作量大，效率低下。而且有些管道位置人員無法安全到達(dá)實(shí)施監(jiān)測(cè)，比如輸送有毒化學(xué)品或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜狹小的管道。此外特殊的管道環(huán)境也給管道檢測(cè)帶來了很大的困難。由此，管道檢測(cè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。管道機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。具有快速運(yùn)動(dòng)、靈活操縱、準(zhǔn)確判斷和低成本等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]目前，管道機(jī)器人多以普通結(jié)構(gòu)的輪式或是履帶式為主，可以在水平或是傾斜度不大的管道內(nèi)運(yùn)行，但在傾斜度較大甚至垂直的管道內(nèi)很難穩(wěn)定運(yùn)行;驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制多以傳統(tǒng)PID算法為主，但面對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境多變的管道，控制效果不佳。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于高強(qiáng)度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人系統(tǒng)，它可以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便的機(jī)器人系統(tǒng)，它結(jié)合了壓壁結(jié)構(gòu)和螺旋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械本體設(shè)計(jì)，使機(jī)器人可以在具有傾斜、垂直、微小變徑等特征的小型管道內(nèi)穩(wěn)定靈活地移動(dòng);底層單片機(jī)和上位PC機(jī)的聯(lián)合控制方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控和在線數(shù)據(jù)采集。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于高強(qiáng)度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于它包括本體機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；其中，所述本體機(jī)械結(jié)構(gòu)由螺旋頭、機(jī)身和保持架構(gòu)成;所述機(jī)身是機(jī)器人的主體，所述螺旋頭和保持架均安裝在機(jī)身上;所述螺旋頭在圓周方向上分布安裝有驅(qū)動(dòng)輪;所述保持架在圓周方向上分布安裝有導(dǎo)向輪;所述驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪均通過連接桿連接到螺旋頭和保持架上。
[0006]所述螺旋頭在圓周方向上均勻分布著三組驅(qū)動(dòng)輪，每?jī)山M驅(qū)動(dòng)輪之間的間隔為120。。
[0007]所述三組驅(qū)動(dòng)輪的每組都由單個(gè)車輪構(gòu)成，而且每個(gè)車輪的軸線與管道的中心線成一個(gè)夾角α，當(dāng)車輪沿著管道內(nèi)壁移動(dòng)一圈時(shí)，管道機(jī)器人移動(dòng)的直線距離為L = 3iDtana，其中D為管道內(nèi)徑。
[0008]所述保持架在圓周方向上均勻分布著三組導(dǎo)向輪，每?jī)山M導(dǎo)向輪之間的間隔為120。。
[0009]所述三組導(dǎo)向輪的每組都由單個(gè)車輪構(gòu)成，而且每個(gè)車輪的軸線與管道的中心線平行，對(duì)機(jī)器人起支撐、導(dǎo)向作用。
[0010]所述連接桿的徑向裝有高強(qiáng)度彈簧，使行走機(jī)構(gòu)即驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪對(duì)管壁始終保持一定的壓力和摩擦力。
[0011 ]所述控制系統(tǒng)，包括上位PC機(jī)、路由器、Wifi連接器，其特征在于它是由單片機(jī)、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、檢測(cè)模塊和通訊模塊構(gòu)成;其中所述電源模塊為單片機(jī)和檢測(cè)模塊提供5V直流電，為通訊模塊提供3.3V直流電，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供12V直流電；所述單片機(jī)與通訊模塊和檢測(cè)模塊分別呈雙向連接，且所述單片機(jī)的輸入端分別與電源模塊和檢測(cè)模塊的輸出端連接;所述單片機(jī)的輸出端連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端;所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最終驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)。
[0012]所述單片機(jī)是美國微芯公司生產(chǎn)的PIC(Peripheral Interface Controller)系列單片機(jī)芯片。
[0013]所述通訊模塊是Wifi通訊傳輸芯片，可以通過路由器和Wifi連接器與手機(jī)、攝像頭、上位PC機(jī)連接。
[0014]所述電源模塊是3節(jié)3.7V的可充電式鋰電池，作為系統(tǒng)的主電源，系統(tǒng)峰值電壓可達(dá)12.6V，電容量為2600mAh，可以對(duì)其它功能模塊和執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)無拖纜式直流供電。
[0015]所述電源模塊經(jīng)穩(wěn)壓元件可輸出的電壓為5V、3.3V。
[0016]所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是美國國家半導(dǎo)體公司的LMD18200直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。
[0017]所述檢測(cè)模塊是由超聲波測(cè)距單元、霍爾測(cè)速單元、傾角檢測(cè)單元、溫濕度檢測(cè)單元、定位檢測(cè)單元和視頻檢測(cè)單元構(gòu)成;所述超聲波測(cè)距單元采用超聲波傳感器;所述霍爾測(cè)速單元采用的是霍爾測(cè)速元件;所述霍爾測(cè)速單元的輸入端采集管道機(jī)器人本體上導(dǎo)向輪的車輪信息，其輸出端連接PIC單片機(jī)的輸入端;所述傾角檢測(cè)單元采用傾角傳感器;所述溫濕度檢測(cè)單元采用溫濕度傳感器;所述定位檢測(cè)單元是非接觸式讀卡器;所述視頻檢測(cè)單元是Wifi攝像頭。
[0018]所述單片機(jī)、直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、檢測(cè)模塊和通訊模塊均安裝在機(jī)身內(nèi)部。
[0019]—種基于高強(qiáng)度彈簧壓壁裝置的螺旋輪式驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人系統(tǒng)的工作方法，其特征在于它是以車輪直線速度為反饋量的全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，采用模糊自適應(yīng)PID控制算法，具體包括以下步驟:
[0020]①由上位PC機(jī)設(shè)定管道機(jī)器人車輪直線移動(dòng)速度，作為設(shè)定值，通過通訊模塊輸送給單片機(jī)。
[0021]②單片機(jī)把速度設(shè)定值處理轉(zhuǎn)化成PWM信號(hào)，輸送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
[0022]③用霍爾測(cè)速元件檢測(cè)管道機(jī)器人直線移動(dòng)速度脈沖，反饋給單片機(jī)；
[0023]④單片機(jī)把采集到的霍爾測(cè)速元件信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，得到管道機(jī)器人實(shí)際直線移動(dòng)速度，通過通訊模塊，輸送回上位PC機(jī)。
[0024]⑤在上位PC機(jī)中，實(shí)際直線移動(dòng)速度與設(shè)定值作比較，得出的偏差量和偏差率，作為模糊自適應(yīng)PID控制器的輸入量。而輸出量則是經(jīng)模糊自適應(yīng)PID算法調(diào)節(jié)后的新的速度設(shè)定值，重復(fù)①-④的步驟，直至速度偏差為零，系統(tǒng)穩(wěn)定下來。
[0025]本發(fā)明的工作原理:當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)得電旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)螺旋頭旋轉(zhuǎn)，由于驅(qū)動(dòng)輪的軸線與管道的軸線有夾角，則驅(qū)動(dòng)輪會(huì)沿管壁做螺旋運(yùn)動(dòng)。隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)方向不同，螺旋運(yùn)動(dòng)的方向也不同。同時(shí)保持架的導(dǎo)向輪軸線與管道的軸線無夾角，受周向摩擦力的作用不會(huì)旋轉(zhuǎn)，只會(huì)沿著管道軸向運(yùn)動(dòng)。這樣在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下，管道機(jī)器人本體可以沿著管道軸向運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)方向與驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)應(yīng)。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用的是有刷直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電壓的大小成正比，改變電樞電壓即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。本發(fā)明采用數(shù)字式PWM控制方式，通過PIC單片機(jī)發(fā)出可調(diào)節(jié)脈寬寬度(占空比)的PWM信號(hào)，經(jīng)高速光電耦合器(起避免信號(hào)干擾的作用)輸送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行信號(hào)放大，放大后的信號(hào)即可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)后，受高強(qiáng)度壓壁彈簧的作用，管道機(jī)器人的車輪與管壁間存有較大的摩擦力，可使管道機(jī)器人靜止在傾斜管道內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生下溜、打滑現(xiàn)象。PIC單片機(jī)模塊通過PWM接口為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出PWM控制信號(hào)，通過串行接口與通訊模塊、讀卡器相連接收發(fā)送數(shù)據(jù)，通過A/D轉(zhuǎn)換接口接收傾角傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過普通I/O接口接收測(cè)