CN108730676A - 一种用于管道检测的球形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于管道检测的球形机器人，可以携带相关传感器进入复杂的管道内代替人工作业，属于管道检测机器人技术领域，本发明机器人包括左半球、中间连接件、右半球和控制部件；所述左半球通过中间连接件与右半球连接，所述左半球与右半球的结构相同，且左半球与右半球关于中间连接件对称，所述中间连接件上设有控制部件，本发明具有结构简单紧凑、在管道内部运动灵活，运动模型简单、与管道内部接触截面积小的优点，且本发明内部驱动方式采用双齿轮齿条进行驱动，两个齿轮与固定在球壳内表面的两个内齿圈精确啮合，避免了常规球形机器人采用轮子在球内壁滚动容易打滑的缺点，具有传动比准确、速度控制精确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于管道检测的球形机器人，属于管道检测机器人技术领 域。
背景技术
众所周知，随着运输业的发展，对石油和天然气的需求越来越大，而石油和 天然气所依赖的运输方式主要是管道运输，导致管道分布越来越密集，管道运输 的距离也越来越长。而管道随着使用年限的增长，会出现各种故障。例如由于内 部介质的腐蚀而导致的泄漏，或者由于受到外力的撞击而导致管道创伤性破裂等 等。由于管道内部储存的介质一般具有易燃易爆的特点，一旦发生泄漏，将会造 成严重的后果。所以对管道进行定期的检测是非常有必要的，但是由于这些管道 都错综复杂的分布在地下，环境不利于人工作业，使用机器人进行管道检测是目 前技术发展的一个主要方向。
目前应用到管道检测中的机器人主要有两种类型，一种是轮式器人，另外一 种是蠕动式机器人。轮式机器人运动方式简单，易于控制，一般适用于地势平坦 的环境中，在管道环境中行驶时，由于管道内壁是圆弧形的，容易造成机器人姿 态变化而倾翻，尤其在遇到弯管和支叉管时通过性不佳。而蠕虫式爬行机器人虽 然在管道中的通过性和转弯性能好，但是由于其运动自由度多，所需驱动力矩大， 运动速度慢，用于管道检测的工作效率低。此外，以上两种管道检测机器人还存 在空间占比高、与管道接触点多、接触面积较大的问题，容易干扰或破坏管道内 部环境；而且，由于外形复杂，这两种机器人封闭性不好，容易导致机器人内部 机构及传感器直接暴露在管道环境中，影响安全性。
本发明由国家自然科学基金项目51365019资助支持。
发明内容
本发明针对现有轮式、蠕动式管道检测机器人存在的不足，提供一种用于管 道检测的球形机器人，该机器人采用左右半球差速驱动方式，既有轮式机器人运 动控制简单的特点，又具备球形机器人外形规整、空间占比低、运动转弯灵活、 行驶阻力小、抗倾翻能力强等特点。在管道中运动时，与管道内壁最多有两个接 触点，接触截面积小，不会发生与管道内部的直接碰撞，从而避免了可能对管道 内部结构的破坏。由于该机器人是双半球的结构，左右半球可以完全封闭，中间 留有空隙，这样可以将机器人内部机构及不易暴露的传感器安置在封闭区域，一 些特殊的需要暴露于外部环境的传感器可以安装在非封闭区域。
本发明所采用的技术方案是：一种用于管道检测的球形机器人，包括左半 球、中间连接件、右半球和控制部件；所述左半球通过中间连接件与右半球连 接，所述左半球与右半球的结构相同，且左半球与右半球关于中间连接件对称， 所述中间连接件上设有控制部件。
所述左半球包括左齿轮齿条传动部件、左连接支架、垫片、轴、滚珠轴承， 左半球壳、左半球壳封闭板；所述左半球壳内部设有左齿轮齿条传动部件、左连 接支架、垫片、轴、滚珠轴承，所述左齿轮齿条传动部件包括内齿圈、齿轮和直 流伺服电机，所述内齿圈内侧设有齿轮，所述内齿圈与齿轮内啮合，所述直流伺 服电机与齿轮的轮毂固定连接，所述左连接支架包括连接板Ⅰ、连接板Ⅱ、连接 板Ⅲ，所述连接板Ⅰ、连接板Ⅲ竖直放置并分别与连接板Ⅱ的两端垂直连接，所 述左连接支架的连接板Ⅲ上开有圆孔，且所述直流伺服电机穿过圆孔，所述左连 接支架的连接板Ⅰ与垫片连接，所述垫片与轴的一端连接，所述轴的另一端与滚 珠轴承的内圈连接，所述左半球壳的内表面设有轴承座Ⅰ，所述轴承座Ⅰ与滚珠 轴承的外圈连接，所述左半球壳封闭板的一侧设有螺孔Ⅰ和螺孔Ⅱ，用螺钉通过 螺孔Ⅰ将所述左半球壳封闭板与内齿圈连接，用螺钉通过螺孔Ⅱ将所述左半球壳 封闭板与左半球壳连接，所述左半球壳封闭板另一侧设有轴承座Ⅱ，所述轴承座 Ⅱ与中间连接件连接。
所述中间连接件包括滚动轴承Ⅰ、硬件搭载平台、支架、圆柱连接轴、滚动 轴承Ⅱ，所述圆柱连接轴的一端与滚动轴承Ⅰ的内圈连接，所述圆柱连接轴的另 一端与滚动轴承Ⅱ的内圈连接，所述滚动轴承Ⅰ的外圈与所述左半球壳封闭板一 侧的轴承座Ⅱ连接，所述滚动轴承Ⅱ的外圈与右半球壳封闭板一侧的轴承座连 接，所述支架位于圆柱连接轴外侧并与圆柱连接轴固定连接，且支架的上方设有 硬件搭载平台，所述硬件搭载平台上设有螺孔，用螺钉通过螺孔固定所述控制部 件。
所述控制部件包括电池模块、无线信号接收模块、电机驱动模块、主制模 块和传感器模块，所述控制部件通过螺钉固定在硬件搭载平台上，所述硬件搭载 平台上设有电池座，所述电池模块放置在电池座上，所述主控模块通过铜柱与电 池座固定连接，所述主控模块的上方分别放置着无线接收模块和电机驱动模块， 无线接收模块和电机驱动模块分别通过铜柱与主控模块连接，其中电池模块用于 提供球形机器人运动***的动力，无线信号接收模块用于上位机与机器人主机的 通信、控制模块是球形机器人的指挥中心、传感器模块主要是一些用于检测管道 内部环境的视觉传感器。
所述垫片为矩形。
所述齿轮为单边开口的直线齿轮，所述轴为阶梯轴。
所述直流伺服电机与齿轮的轮毂通过螺钉连接。
所述支架为U型支架。
所述传感器模块的传感器为视觉传感器。
本发明球形机器人的运动原理是：
如说明书附图7所示为本发明用于管道检测的球形机器人的运动原理分析 图，本发明的球形机器人是一种双半球的差动结构，其运动方式有三种：直线 运动、原地转弯运动和圆弧运动；在以下的叙述中，设定ωl表示左齿轮齿条传 动机构伺服电机的角速度，设定ωr表示右齿轮齿条传动机构伺服电机的角速 度，设定Q表示瞬心，设定P表示球形机器人左右半球的中心，设定Vr表示右 半球内齿圈的线速度，Vl表示左半球内齿圈的线速度，Vp表示球形机器人左右 半球中心点的速度，r表示左右半球的半径，A表示P点到Q点的距离，X表示 球形机器人在X轴方向的位移量，Y表示球形机器人在Y轴的位移量，θ表示 球形机器人朝向与Y轴的夹角，表示球形机器人与Y轴的角速度，表示球 形机器人速度在X轴方向的分量，表示球形机器人速度在Y轴方向上的分量， 则得到公式如下：
将上式整理成矩阵的形式得:
下面分别对这三种运动原理进行说明：
(1)当ωr＝ωl并且方向相同时，根据公式4可以知道球形机器人在X轴和 Y轴方向上的分量不为零，而为零，所以可以判定球形机器人在做直线运 动。
(2)当ωr＞ωl时，根据公式4可以知道球形机器人在X轴和Y轴方向上的 分量不为零，而不为零，所以可以判定球形机器人在做弧线运动。
(3)当ωr＝-ωl时，根据公式4可以知道球形机器人在X轴和Y轴方向上 的分量都为零，而不为零，所以可以判定球形机器人在做原地转弯运动。
通过以上各式可知，通过控制ωr和ωl两个值就可以判定机器人是否在做直 线、转弯以及原地转弯运动，故可通过控制ωr和ωl这两个值从而控制机器人的 运动。
本发明的有益效果是：
(1)本发明球形机器人采用左右半球差动式驱动结构，运动学模型简单易于 控制。
(2)本发明机器人整体外型为球形，保留了球形机器人外形规整、空间占比 低、运动转弯灵活、行驶阻力小、抗倾翻能力强的优点，在管道中运动时，与管 道内壁最多有两个接触点，接触截面积小，不会发生与管道内部的直接碰撞，避 免了可能对管道内部结构的破坏。
(3)本发明机器人内部驱动方式采用双齿轮齿条进行驱动，两个齿轮与固定 在球壳内表面的两个内齿圈精确啮合，避免了常规球形机器人采用轮子在球内壁 滚动容易打滑的缺点，具有传动比准确、速度控制精确的优点。
(4)本发明机器人是双半球的结构，左右半球完全封闭，保留了球形机器人 封闭性好的优点，可以将机器人内部机构及不易暴露的传感器安置在封闭区域， 两个半球中间留有空隙，便于安装一些特殊的需要暴露于外部环境的传感器。
附图说明
图1为本发明球形机器人的整体结构示意图；
图2a为本发明球形机器人的左齿轮齿条传动机构的结构示意图；
图2b为本发明球形机器人的右齿轮齿条传动机构的结构示意图；
图3a为本发明球形机器人的左球壳的结构示意图；
图3b为本发明球形机器人的右球壳的结构示意图；
图4a为本发明球形机器人的左半球封闭板一侧的结构示意图；
图4b为本发明球形机器人的左半球封闭板另一侧的结构示意图；
图5a为本发明球形机器人的右半球封闭板一侧的结构示意图；
图5b为本发明球形机器人的右半球封闭板另一侧的结构示意图；
图6为本发明球形机器人的中间连接件的结构示意图；
图7为本发明球形机器人的运动原理分析图；
其中：1-左半球、2-中间连接件、3-右半球、4-内齿圈、5-齿轮、6-直流伺服 电机、7-左连接支架、8-垫片、9-轴、10-滚珠轴承、11-连接板I、12-连接板II、 13-连接板III、14-左半球壳、15-轴承座I、16-左半球壳封闭板、17-螺孔I、18- 螺孔II、19-轴承座II、20-滚动轴承I、21-硬件搭载平台、22-支架、23-圆柱连接 轴、24-滚动轴承Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，以方便技术人员理解。
实施例1：如图1～6所示，本发明用于管道检测的球形机器人，包括左半球 1、中间连接件2、右半球3和控制部件；所述左半球1通过中间连接件2与右 半球3连接，所述左半球1与右半球3的结构相同，且左半球1与右半球3关于 中间连接件2对称，所述中间连接件2上设有控制部件。
所述左半球1包括左齿轮齿条传动部件、左连接支架7、垫片8、轴9、滚 珠轴承10，左半球壳14、左半球壳封闭板16；所述左半球壳14内部设有左齿 轮齿条传动部件、左连接支架7、垫片8、轴9、滚珠轴承10，所述左齿轮齿条 传动部件包括内齿圈4、齿轮5和直流伺服电机6，所述内齿圈4内侧设有齿轮 5，所述内齿圈4与齿轮5内啮合，所述直流伺服电机6与齿轮5的轮毂通过螺 钉固定连接，所述左连接支架7包括连接板Ⅰ11、连接板Ⅱ12、连接板Ⅲ13，所 述连接板Ⅰ11、连接板Ⅲ13竖直放置并分别与连接板Ⅱ12的两端垂直连接，所 述左连接支架7的连接板Ⅲ13上开有圆孔，且所述直流伺服电机6穿过圆孔， 所述左连接支架7的连接板Ⅰ11与垫片8连接，所述垫片8为矩形，所述垫片8 与轴9的一端连接，所述轴9的另一端与滚珠轴承10的内圈连接，所述左半球 壳14的内表面设有轴承座Ⅰ15，所述轴承座Ⅰ15与滚珠轴承10的外圈连接， 所述左半球壳封闭板16的一侧设有螺孔Ⅰ17和螺孔Ⅱ18，用螺钉通过螺孔Ⅰ17 将所述左半球壳封闭板16与内齿圈4连接，用螺钉通过螺孔Ⅱ18将所述左半球 壳封闭板16与左半球壳14连接，所述左半球壳封闭板16另一侧设有轴承座Ⅱ 19，所述轴承座Ⅱ19与中间连接件2连接。
所述中间连接件2包括滚动轴承Ⅰ20、硬件搭载平台21、支架22、圆柱连 接轴23、滚动轴承Ⅱ24，所述圆柱连接轴23的一端与滚动轴承Ⅰ20的内圈连接， 所述圆柱连接轴23的另一端与滚动轴承Ⅱ24的内圈连接，所述滚动轴承Ⅰ20 的外圈与所述左半球壳封闭板16一侧的轴承座Ⅱ19连接，所述滚动轴承Ⅱ24 的外圈与右半球壳封闭板一侧的轴承座连接，所述支架22位于圆柱连接轴23 外侧并与圆柱连接轴23固定连接，所述支架22为U型支架，且支架22的上方 设有硬件搭载平台21，所述硬件搭载平台21上设有螺孔，用螺钉通过螺孔固定 所述控制部件。
所述控制部件包括电池模块、无线信号接收模块、电机驱动模块、主制模 块和传感器模块，所述控制部件通过螺钉固定在硬件搭载平台21上，所述硬件 搭载平台21上设有电池座，所述电池模块放置在电池座上，所述主控模块通过 铜柱与电池座固定连接，所述主控模块的上方分别放置着无线接收模块和电机驱 动模块，无线接收模块和电机驱动模块分别通过铜柱与主控模块连接。
实施例2：本实施例结构同实施例1，不同之处在于，所述齿轮5为单边开 口的直线齿轮，所述轴9为阶梯轴。所述传感器模块的传感器为视觉传感器。
本实施例双齿轮齿条半球差动球形机器人的运动过程为：直流伺服电机6 带动直线齿轮5转动，直线齿轮5与内齿圈4相互啮合，从而左半球运动，同理 右半球的直线齿轮与内齿圈相互啮合，从而右半球运动，当直流伺服电机6与右 半球的直流伺服电机的转动速度和方向相同时，机器人做直线运动；当直流伺服 电机6与右半球的直流伺服电机的转动速度大小相同、方向相反时，机器人做原 地转弯运动；当直流伺服电机6与右半球的直流伺服电机的转动速度大小不同、 方向相同时，机器人做弧线运动，当直流伺服电机6与右半球的直流伺服电机的 转动速度为零时，机器人停止运动。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限 于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱 离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (9)
1.一种用于管道检测的球形机器人，其特征在于，包括左半球(1)、中间连接件(2)、右半球(3)和控制部件；所述左半球(1)通过中间连接件(2)与右半球(3)连接，所述左半球(1)与右半球(3)的结构相同，且左半球(1)与右半球(3)关于中间连接件(2)对称，所述中间连接件(2)上设有控制部件。
2.根据权利要求1所述的用于管道检测的球形机器人，其特征在于：所述左半球(1)包括左齿轮齿条传动部件、左连接支架(7)、垫片(8)、轴(9)、滚珠轴承(10)，左半球壳(14)、左半球壳封闭板(16)；所述左半球壳(14)内部设有左齿轮齿条传动部件、左连接支架(7)、垫片(8)、轴(9)、滚珠轴承(10)，所述左齿轮齿条传动部件包括内齿圈(4)、齿轮(5)和直流伺服电机(6)，所述内齿圈(4)内侧设有齿轮(5)，所述内齿圈(4)与齿轮(5)内啮合，所述直流伺服电机(6)与齿轮(5)的轮毂固定连接，所述左连接支架(7)包括连接板Ⅰ(11)、连接板Ⅱ(12)、连接板Ⅲ(13)，所述连接板Ⅰ(11)、连接板Ⅲ(13)竖直放置并分别与连接板Ⅱ(12)的两端垂直连接，所述左连接支架(7)的连接板Ⅲ(13)上开有圆孔，且所述直流伺服电机(6)穿过圆孔，所述左连接支架(7)的连接板Ⅰ(11)与垫片(8)连接，所述垫片(8)与轴(9)的一端连接，所述轴(9)的另一端与滚珠轴承(10)的内圈连接，所述左半球壳(14)的内表面设有轴承座Ⅰ(15)，所述轴承座Ⅰ(15)与滚珠轴承(10)的外圈连接，所述左半球壳封闭板(16)的一侧设有螺孔Ⅰ(17)和螺孔Ⅱ(18)，用螺钉通过螺孔Ⅰ(17)将所述左半球壳封闭板(16)与内齿圈(4)连接，用螺钉通过螺孔Ⅱ(18)将所述左半球壳封闭板(16)与左半球壳(14)连接，所述左半球壳封闭板(16)另一侧设有轴承座Ⅱ(19)，所述轴承座Ⅱ(19)与中间连接件(2)连接。
3.根据权利要求1所述的用于管道检测的球形机器人，其特征在于：所述中间连接件(2)包括滚动轴承Ⅰ(20)、硬件搭载平台(21)、支架(22)、圆柱连接轴(23)、滚动轴承Ⅱ(24)，所述圆柱连接轴(23)的一端与滚动轴承Ⅰ(20)的内圈连接，所述圆柱连接轴(23)的另一端与滚动轴承Ⅱ(24)的内圈连接，所述滚动轴承Ⅰ(20)的外圈与所述左半球壳封闭板(16)一侧的轴承座Ⅱ(19)连接，所述滚动轴承Ⅱ(24)的外圈与右半球壳封闭板一侧的轴承座连接，所述支架(22)位于圆柱连接轴(23)外侧并与圆柱连接轴(23)固定连接，且支架(22)的上方设有硬件搭载平台(21)，所述硬件搭载平台(21)上设有螺孔，用螺钉通过螺孔固定所述控制部件。
4.根据权利要求1所述的用于管道检测的球形机器人，其特征在于：所述控制部件包括电池模块、无线信号接收模块、电机驱动模块、主制模块和传感器模块，所述控制部件通过螺钉固定在硬件搭载平台(21)上，所述硬件搭载平台(21)上设有电池座，所述电池模块放置在电池座上，所述主控模块通过铜柱与电池座固定连接，所述主控模块的上方分别放置着无线接收模块和电机驱动模块，无线接收模块和电机驱动模块分别通过铜柱与主控模块连接。
5.根据权利要求2所述的用于管道检测的球形机器人，其特征在于：所述垫片(8)为矩形。
6.根据权利要求2所述的用于管道检测的球形机器人，其特征在于：所述齿轮(5)为单边开口的直线齿轮，所述轴(9)为阶梯轴。
7.根据权利要求2所述的用于管道检测的球形机器人，其特征在于：所述直流伺服电机(6)与齿轮(5)的轮毂通过螺钉连接。
8.根据权利要求3所述的用于管道检测的球形机器人，其特征在于：所述支架(22)为U型支架。
9.根据权利要求4所述的用于管道检测的球形机器人，其特征在于：所述传感器模块的传感器为视觉传感器。
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