CN113932090B - 一种测绘机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种测绘机器人，包括头部装置和跟随装置，头部装置带动跟随装置运行，头部装置和跟随装通过关节轴承连接，使得跟随装置可以跟随头部装置以任意角度旋转摆动，又通过跟随装置的结构设计尽可能削弱装置本体运行过程中的抖动、机械震动等因素对惯性传感器检测效果的影响，从而使得检测结果更加准确。行走轮相对于装置本体倾斜安装，当装置本体在管道内行进时，行走轮上的轮齿与管道内壁充分接触，避免了遇到障碍物时由于接触不充分容易发生的倾倒现象，使得装置本体的运行更加平稳。轮齿端部设计为尖头状，更加适用于非金属管道，使得装置本体与管道内壁的接触面积更小，抓地力更强。

Description

一种测绘机器人

技术领域

本发明涉及一种测绘机器人。

背景技术

随着中国城市化进程的快速发展，城市所需的地下管网越来越多。地下管网是城市的“生命线”，是城市赖以生存和发展的基础，在城市基础设施高质量发展中发挥着重要作用。然而，当前我国一些城市地下管网建设水平相对滞后，已无法满足经济高质量发展的要求，比如管道建设过程中会需要通过某种方式来记录管道的地理位置，以便后期的维护和保养。但记录管道的地理位置是个非常复杂且有技术难度的工程项目，针对在特殊环境下以“顶管穿越”施工方法铺设的穿越管，铺设时受到地形或实际环境的影响，穿越管往往高度起伏不定，处于地表之上无法预见管道在地底下的走向，这时就需要通过其他特殊设备来测绘管道在地底下的轮廓走向。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测绘机器人，对地下穿越管的分布走向进行测绘，实现穿越管分布走向的准确测绘。

本申请公开了一种测绘机器人，包括头部装置和跟随装置，所述头部装置与跟随装置柔性连接，头部装置带动跟随装置运行；所述头部装置包括装置本体和设置在装置本体上的检测组件、电源模块和控制器；所述检测组件与控制器电连接，用于检测管道环境并记录测绘机器人在管道内的行走情况；所述电源模块为装置本体提供行进动力，为检测组件和控制器供电；所述控制器用于根据检测组件检测到的信号控制装置本体的运行；所述跟随装置用于搭载惯性传感器，通过惯性传感器检测测绘机器人在管道内的行走姿态，惯性传感器与控制器电连接；所述跟随装置包括连接骨架，连接骨架的前端通过连接组件与装置本体柔性连接，惯性传感器设置在连接骨架上；所述测绘机器人还设有里程传感器，所述里程传感器与控制器电连接。

作为优选，所述连接骨架的中部还设有舵机和用于安装惯性传感器的摇篮架，所述舵机与摇篮架固定连接；所述舵机与控制器电性连接；所述控制器根据接收到的来自惯性传感器的检测信号，判断惯性传感器的扭动情况，继而输出控制信号至舵机，通过舵机调整摇篮架转动，使得惯性传感器恢复平衡状态。

作为优选，所述连接组件包括一十字形支架，所述十字形支架两端分别通过关节轴承与装置本体、连接骨架连接。

作为优选，所述连接骨架的上表面固定设置有第一支架；所述连接骨架两端分别设置有一组随动轮，所述连接骨架的前方设有用于安装随动轮的第一轮架，所述第一支架与第一轮架通过弹性件连接。

作为优选，所述里程传感器设置在行走轮或随动轮上。

作为优选，所述十字形支架的横杆与第一轮架的外端面通过第一弹性件连接，所述第一弹性件与十字形支架处于同一水平位置。

作为优选，所述随动轮相对于连接骨架的中轴线向外倾斜安装。

作为优选，所述装置本体沿中轴线左右两侧各设有一组行走轮，所述行走轮相对装置本体倾斜安装，行走轮的中轴线与装置本体的中轴线具有一定的夹角，使得所述行走轮相对管道内壁的运行切面呈垂直或近似垂直状态。

作为优选，所述行走轮包括驱动电机和轮体，所述轮体的外侧面设有伞状轮架；所述驱动电机通过固定架与装置本体安装座固定连接，驱动电机相对装置本体倾斜安装； 所述驱动电机的输入端与控制器连接，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与轮架的中心连接，所述驱动电机驱动轮架转动同时带动轮体转动。

作为优选，所述轮体一圈安装有尖头状的轮齿。

有益效果：本申请提出的测绘机器人，将头部装置和跟随装通过关节轴承连接，使得跟随装置可以跟随头部装置以任意角度旋转摆动，又通过跟随装置的结构设计尽可能削弱装置本体运行过程中的抖动、机械震动等因素对惯性传感器检测效果的影响，从而使得检测结果更加准确。行走轮相对于装置本体倾斜安装，使得行走轮相对管道内壁的运行切面呈垂直或近似垂直状态。当装置本体在管道内行进时，行走轮上的轮齿与管道内壁充分接触，避免了遇到障碍物时由于接触不充分容易发生的倾倒现象，使得装置本体的运行更加平稳。轮齿端部设计为尖头状，更加适用于非金属管道，使得装置本体与管道内壁的接触面积更小，抓地力更强。

附图说明

图1为本申请测绘机器人的整体连接图；

图2为装置本体与连接骨架的连接图；

图3为本申请行走轮相对装置本体的位置示意图；

图4为图3中行走轮示意图；

图5为图4沿B-B方向的剖面图；

图6为安装有轮齿的轮体（1）；

图7为安装有轮齿的轮体（2）；

图8为头部装置示意图；

图9为图1中跟随装置示意图；

图10是惯性传感器摆动调节的闭环设计；

其中，附图标记说明如下：

1000、头部装置；1100、控制器；500、装置本体；510、轮毂；520、安装座；190、轮盘；100、管道；200、轮体；201、安装孔；202、轮齿；210、轮架；310、驱动电机；320、联轴器；410、固定架；600、撑轮。

2000、跟随装置；2100、连接骨架；2200、第一轮架；2300、轮子；2400、第二支架；2500、立柱；2600、第一支架；2700、摇篮架；2800、惯性传感器；2900、舵机；

3100、关节轴承；3200、十字形支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释 本发明，并不用于限定本发明。

一种测绘机器人，如图1所示，包括头部装置1000和跟随装置2000，头部装置1000与跟随装置2000连接，头部装置带动跟随装置运行，二者柔性连接，使得跟随装置能够灵活跟随头部装置在管道内运行。

头部装置2000包括装置本体1200和设置在装置本体上的检测组件、电源模块和控制器。检测组件与控制器电连接，用于检测管道环境并记录测绘机器人在管道内的行走情况。电源模块为装置本体提供行进动力，为检测组件和控制器供电。头部装置的顶端还设有一撑轮600，当爬坡角度大于25°时，撑轮向外撑开，与顶端管壁相抵，保证机器人的平稳运行。

其中，如图2所示，装置本体1200采用四轮四驱结构，前后左右分别设有一个行走轮200，通过四个独立驱动电机（也叫减速电机）带动轮体运行，继而带着装置本体前进或后退。值得注意的是，普通轮子在安装时，***行设置，沿轴向处于同一中心轴上，这样的轮子在管道内运行时，管道内壁与轮子的接触面的受力方向与装置本体的重力方向是不一致的，这就极容易出现轮子在管道内打滑的现象，只能通过增加轮子表面的摩擦力来解决。再者，如轮子是采用轮盘上安装有轮齿的结构，当轮齿具有一定宽度，势必有一部分是无法与管道内壁完全接触的，即便是采用尖头轮齿，齿轮伸入管道内壁的方向也是一侧深一侧浅，这样会减弱行进过程中的抓地力，不利于装置本体行进的稳定性。对此，本申请中将行走轮200相对装置本体倾斜安装。如图3所示，从装置本体的正面看，行走轮200的中轴线与装置本体的中轴线具有一定的夹角a（非直角），行走轮200的中轴线与水平线的夹角b为锐角。由于管道内壁是呈圆弧状的，行走轮200的这种结构使得行走轮200相对管道内壁的运行切面呈垂直或近似垂直状态，这就使得行走轮200的施力方向与管道内壁的受力方向是相同的，也可以做到行走轮200与管道内壁的完全接触，保证装置本体运行的平稳性。

行走轮200包括驱动电机和轮体，轮体的外侧面设有伞状轮架；驱动电机通过固定架与装置本体安装座固定连接，驱动电机相对装置本体倾斜安装；驱动电机的输入端与控制器连接，驱动电机的输出轴通过联轴器与轮架的中心连接，驱动电机驱动轮架转动同时带动轮体转动。此外，因为管道内壁非常光滑加上地形起伏，会经常出现上下坡的情况，普通轮子会因打滑而影响机器人的运行。为了解决这一问题，本机器人针对非金属管道采用带刺(钢钉)轮子，即在轮体一圈安装尖头状的轮齿，用以提高机器人设备的抓地力，实现高效运行。

具体地，装置本体上设有用于行走轮200与装置本体固定连接的安装座520，每个安装座520左右安装两个行走轮200。

如图4-图5所示，行走轮200包括驱动电机310、空心轮体200以及设置在轮体200外侧面的伞状轮架210。驱动电机310通过固定架410与装置本体安装座520固定连接。具体地，驱动电机310相对装置本体倾斜安装，驱动电机310的中轴线与装置本体安装座520的水平中心线呈一夹角，倾斜的程度以使得轮体200相对管道内壁的运行切面呈垂直或近似垂直状态为宜。具体倾斜角度的设置与所选用的驱动电机的轴向长度、轮体半径的大小、适用的管道内径以及装置本体的大小等相关。轮架210第一端（即开口端）与轮体200一圈固定连接，轮架210与轮体200也可以设为一体式结构。驱动电机310一部分伸入伞状轮架210内，轮架210位于驱动电机310中部外圈。驱动电机310的输入端与装置本体的控制器连接，控制器为驱动电机310提供电源和运行信号，驱动电机310的输出轴通过联轴器320与轮架210中心连接，驱动轮架210转动同时带动轮体200转动，继而带动装置本体前进或后退。具体地，轮架210第二端内部设有一安装腔，用于与联轴器320的第一端固定连接，联轴器320的第二端与驱动电机310的输出端连接。更进一步地，可将驱动电机310相对装置本体安装座520设置为角度可调结构，用以适应不同内径的管道。

轮体200一圈设有多个用于安装轮齿202的安装孔201。轮齿202与管道内壁接触的端部可设置为平面状，如图6所示，这种行走轮200既适用于金属管道也适用于非金属管道，装置本体运行过程中，轮齿端部可与管道内壁充分接触，加大行进的摩擦力。此外，针对非金属管道，轮齿与管道内壁接触的端部可选择尖头状，如图7所示，这种行走轮200在非金属管道行进时，轮齿与管道内壁垂直接触，抓地力更强，更不容易出现打滑或倾倒现象。

其中，如图8所示，检测组件包括摄像头300、红外测距传感器400以及测水电极（图中未示出），摄像头300、红外测距传感器400以及测水电极均与控制器连接。摄像头300安装在装置本体前端，用于实时拍摄或录像机器人在管道内部的作业过程并进行取证，在遇到紧急情况，如砖石泥等障碍物时进行有效图像记录。红外测距传感器400位于装置本体的左右两侧，测绘机器人在管道内部自主行走时，通过红外测距传感器400实时判断管道的环境，例如控制器通过采集红外测距传感器400与管壁距离值的变化，可以判断头部装置在管内是否遇到了“三通接头”，如果是，则选择做出运动线路的改变。测水电极可以选择安装在装置本体的底部，向下伸出，应用“水有弱电阻”原理，当遇到管道积水时，电极两端会有微弱电流导通，与测水电机连接的控制器通过监测测水电极两端的电流时可以控制装置本体回退到起点，并且拍照记录下管内真实情况。当然，本申请的头部装置根据测绘需要，也可以选择性搭载不同的检测设备。

其中，控制器用于纪录测绘机器人在管道内的运行情况，根据检测组件检测到的信号控制装置本体的运行。控制器包括上位机主控板和下位机主板。上位机主控板主要以Ubuntu***为载体，进行开发机器人自主控制智能程序，主要进行计算机器人设备采集的原始数据、数据优化纠偏、数据分类及归档等运算工作。下位机主控板主要以STM32F407系列MCU为核心处理器，主要用于传感器数据采集、驱动轮运动控制、执行上位机指令、电源管理等功能。

跟随装置用于搭载惯性传感器，通过惯性传感器检测测绘机器人在管道内的行走姿态，惯性传感器与控制器电连接。惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多***的传感器，在本申请中通过惯性传感器感知头部装置的行走路线和行走姿态，再结合里程传感器测得的行走距离，测绘出管道在地下的分布情况，比如哪里有转弯，哪里有上坡，哪里有下坡等。本申请所提出的测绘机器人主要是用于对以“顶管穿越”施工方法铺设的穿越管进行测绘，之所以将惯性传感器搭载于跟随装置上是为了通过跟随装置的结构设计尽可能削弱装置本体运行过程中的抖动、机械震动等因素对惯性传感器检测效果的影响，包括使得惯性测量单元的累计误差逐渐增大，最终得到的测量结果与实际数据偏差较大的问题。

以下具体阐述跟随装置2000的结构设计。如图9所示，跟随装置2000包括长条形连接骨架2100，连接骨架2100的前端通过连接组件与装置本体柔性连接，所谓柔性连接是指跟随装置可以跟随头部装置以任意角度旋转摆动。惯性传感器2800设置在连接骨架2100的中部；连接骨架2100的两端分别设置有一组随动轮2300随动轮2300相对于连接骨架2100的中轴线向外倾斜安装，以便于适应管道内的弧形内壁。里程传感器可安装在任一随动轮2300上，也可以安装在行走轮200上。本实施例将里程传感器设置在位于连接骨架2100最前端的其中一个随动轮2300上。

设计一：连接骨架2100的长度设计。连接骨架2100过长会导致外出作业不方便，连接骨架2100过短又不足以消除装置本体经过管道接缝等处产生的抖动对惯性传感器2800的影响，根据多次实验，连接骨架2100的长度宜设置在0.7-1m之间，最佳长度可选择0.8m。每组随动轮2300一个位于连接骨架2100的左侧，一个位于连接骨架2100的右侧。

设计二：运动姿态的滑动传导设计。连接组件包括一十字形支架3200，十字形支架3200两端分别通过关节轴承3100（具体为杆端关节轴承3100）与装置本体、连接骨架2100连接。杆端关节包括一个孔状头,孔状头带有整体式杆端,构成了一个球面滑动轴承的杆端座，当装置本体的运动发生转向或扭动时，通过关节轴承3100以滑动的方式，将转向或扭动传导到连接骨架2100上。

设计三：左右摆动幅度限制设计。所述随动轮2300安装在第一轮架2200上，第一轮架2200中部为口字型空心状，向两侧伸出两个用于安装随动轮2300的支杆，第一轮架2200还包括一个与第一轮架2200固定连接的封装板，第一轮架2200中部穿过关节轴承3100，封装板的一侧与关节轴承3100连接，封装板的另一侧通过不锈钢滑轮轴承与连接骨架2100固定连接。十字形支架3200的横杆与第一轮架2200的外端面通过第一弹性件连接，第一弹性件与十字形支架3200处于同一水平位置，具体地，包括两个第一弹性件，分别对称的设置于十字形支架3200的左右两侧，第一弹性件的第一端与设置在横杆上的挂头连接，第一弹性件的第二端与设置在第一轮架2200外端面的挂头连接。两个第一弹性件的设置是为了限制连接骨架2100左右摆动的幅度，并起到减震的作用。

设计四：扭动快速归位限制设计。位于第一轮架2200正上方设有第二支架2400，第二支架2400的左右两侧与随动轮2300的外侧面固定连接（可选），第二支架2400中部与第一轮架2200通过一立柱2500固定连接。连接骨架2100的上表面固定设置有呈L形的第一支架2600，第一支架2600和第二支架2400通过第二弹性件连接。第二弹性件的设置为了抑制连接骨架2100的扭动幅度，保证扭动过后及时归位。

设计五：惯性传感器摆动调节的闭环设计和摇篮设计。连接骨架2100的中部还设有舵机2900和用于安装惯性传感器2800的摇篮架2700，舵机2900与摇篮架2700固定连接；舵机2900与控制器1100电性连接。如图10所示，控制器1100根据接收到的来自惯性传感器2800的检测信号，判断惯性传感器2800的扭动情况，继而输出控制信号至舵机2900，通过舵机2900调整摇篮架2700转动，使得惯性传感器2800恢复平衡状态。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

虽然本发明所公开的实施方式如上，所公开的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种测绘机器人，其特征在于，包括头部装置和跟随装置，头部装置带动跟随装置运行；

所述头部装置包括装置本体和设置在装置本体上的检测组件、电源模块和控制器；所述检测组件与控制器电连接，用于检测管道环境并记录测绘机器人在管道内的行走情况；所述电源模块为装置本体提供行进动力，为检测组件和控制器供电；

所述跟随装置用于搭载惯性传感器，通过惯性传感器检测测绘机器人在管道内的行走姿态，惯性传感器与控制器电连接；所述跟随装置包括连接骨架，连接骨架的前端通过连接组件与装置本体连接，惯性传感器设置在连接骨架上；所述连接骨架为长条形，连接骨架的前端通过连接组件与装置本体柔性连接，跟随装置跟随头部装置以任意角度旋转摆动；

所述测绘机器人还设有里程传感器，所述里程传感器与控制器电连接；

连接骨架的前方设有用于安装随动轮的第一轮架；

所述连接组件包括十字形支架和两个第一弹性件，十字形支架两端分别通过关节轴承与装置本体、连接骨架连接；

两个第一弹性件分别对称的设置于十字形支架的左右两侧，第一弹性件的第一端与设置在十字形之间横杆上的挂头连接，第一弹性件的第二端与设置在第一轮架外端面的挂头连接；

连接骨架的上表面固定设置有呈L形的第一支架，第一支架和第二支架通过第二弹性件连接。

2.根据权利要求1所述的一种测绘机器人，其特征在于，所述连接骨架的中部还设有舵机和用于安装惯性传感器的摇篮架，所述舵机与摇篮架固定连接；所述舵机与控制器电性连接；所述控制器根据接收到的来自惯性传感器的检测信号，判断惯性传感器的扭动情况，继而输出控制信号至舵机，通过舵机调整摇篮架转动，使得惯性传感器恢复平衡状态。

3.根据权利要求1所述的一种测绘机器人，其特征在于，所述连接骨架的上表面固定设置有第一支架；所述连接骨架两端分别设置有一组随动轮，所述连接骨架的前方设有用于安装随动轮的第一轮架，所述第一支架与第一轮架通过弹性件连接。

4.根据权利要求3所述的一种测绘机器人，其特征在于，所述里程传感器设置在随动轮上。

5.根据权利要求3所述的一种测绘机器人，其特征在于，所述随动轮相对于连接骨架的中轴线向外倾斜安装。

6.根据权利要求1所述的一种测绘机器人，其特征在于，所述装置本体沿中轴线左右两侧各设有一组行走轮，所述行走轮相对装置本体倾斜安装，使得所述行走轮相对管道内壁的运行切面呈垂直状态。

7.根据权利要求6所述的一种测绘机器人，其特征在于，所述行走轮包括驱动电机和轮体，所述轮体的外侧面设有伞状轮架；

所述驱动电机通过固定架与装置本体安装座固定连接，驱动电机相对装置本体倾斜安装；

所述驱动电机的输入端与控制器连接，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与轮架的中心连接，所述驱动电机驱动轮架转动同时带动轮体转动。

8.根据权利要求7所述的一种测绘机器人，其特征在于，所述轮体一圈安装有尖头状的轮齿。