CN206206900U - 六轮同步涵管内壁检测机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了六轮同步涵管内壁检测机器人。现有水库涵管机器人结构复杂，检测效果也不理想。本实用新型的红外传感器和倾角传感器将信号传给控制***，控制***控制步进电机和两自由度云台摄像检测结构；支撑结构上固定步进电机；前进驱动***和转向驱动***分设在前、后支撑结构内；前面的步进电机通过前进驱动***同时给三个前驱动轮腿机构提供前进动力；后面的步进电机通过转向驱动***同时带动三个后驱动轮腿机构转动；固定在后驱动轮腿机构的周转轮筒上的链轮与对应一个前驱动轮腿机构的周转轮筒上固定的链轮通过链条连接。本实用新型适合不同管径大小的涵管，往返过程中均能实现避障。
Description
技术领域
本实用新型属于管道机器人技术领域，具体涉及六轮同步涵管内壁检测机器人。
背景技术
水库放水涵管作为下游灌溉、供水的输送通道，是重要的水工建筑物之一。涵管道在服役期间，由于受到长期的流体冲刷及自然环境的作用，不可避免的会出现管道破损。涵管出险具有隐蔽性、突发性和牵连性，一旦出现险情就有可能造成重大损失，甚至造成其他破坏性后果，因此放水涵管的定期检测格外重要。然而管道所处的环境往往是人们所不易直接达到或不允许人们直接进入的，检修难度很大。
目前，国内外对涵管的检测主要采取人工观察测量、局破损检测的办法，并需要进一步通过挖掘作业才能完全确定管道破损的位置。显然这种检测管道的方法能耗大、效率低，且容易破坏管道附近的其他设施。而国内外所研制的管道机器人大部分也是针对工业管道和细小的管道，只有少部分针对水库涵管的机器人，但是结构复杂、价格昂贵，而且具体检测效果也不理想。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有涵管检测装置的不足，提供一种安全可靠、结构简单的管道内壁检测机器人。
本实用新型包括两自由度云台摄像检测结构、链条、前驱动轮腿机构、红外传感器、后驱动轮腿机构、链轮、倾角传感器、支撑结构架、步进电机、密封防水盖板、驱动***和控制***。所述的支撑结构架由通过三根连架杆固定连接的前、后两个支撑结构组成；所述的驱动***包括前进驱动***和转向驱动***；前进驱动***支撑在前面的支撑结构上，转向驱动***支撑在后面的支撑结构上；支撑结构为正六边形框架；支撑结构外端固定密封防水盖板；前面支撑结构的六个侧面上分别间隔设置前驱动轮腿机构和红外传感器，后面支撑结构的六个侧面上分别间隔设置后驱动轮腿机构和红外传感器；前、后支撑结构在红外传感器所在侧面处均设置倾角传感器；所述的密封防水盖板上设有两自由度云台摄像检测结构；所述的控制***固定在支撑结构架上，红外传感器和倾角传感器将信号传给控制***，控制***控制步进电机和两自由度云台摄像检测结构；支撑结构的内侧板上固定步进电机，步进电机的输出轴中心与支撑结构的中心轴重合；所述的前进驱动***和转向驱动***均采用分动机构，且分设在前、后支撑结构内；前面的步进电机通过前进驱动***同时给三个前驱动轮腿机构提供前进动力；后面的步进电机通过转向驱动***同时带动三个后驱动轮腿机构转动；固定在后驱动轮腿机构的周转轮筒上的链轮与对应一个前驱动轮腿机构的周转轮筒上固定的链轮通过链条连接。
所述的分动机构包括主锥齿轮、分动锥齿轮和分动锥齿轮轴；所述的主锥齿轮固定在步进电机的输出轴上，与主锥齿轮啮合的三个分动锥齿轮固定在三根分动锥齿轮轴上；分动锥齿轮轴通过轴承支承在支撑结构上。
所述的前驱动轮腿机构和后驱动轮腿机构均包括伸缩弹簧、周转轮筒、浮动支架、滚动轮、滚动轮轴；前驱动轮腿机构还包括滚动轮驱动轴、滚动轮从动锥齿轮和滚动轮主动锥齿轮。
所述的前驱动轮腿机构中，周转轮筒通过周转轮筒支承件与支撑结构构成转动副；浮动支架与周转轮筒侧壁的滑槽构成滑动副，且浮动支架内端与周转轮筒通过伸缩弹簧连接；滚动轮轴通过轴承支承在浮动支架外端；滚动轮轴两端均固定滚动轮；滚动轮驱动轴的外端固定滚动轮主动锥齿轮；滚动轮主动锥齿轮与固定在滚动轮轴上的滚动轮从动锥齿轮啮合；每个前驱动轮腿机构的滚动轮驱动轴内端与前进驱动***对应的一根分动锥齿轮轴外端固定。
所述的后驱动轮腿机构中，周转轮筒通过周转轮筒支承件与支撑结构构成转动副；浮动支架与周转轮筒侧壁的滑槽构成滑动副，且浮动支架内端与周转轮筒通过伸缩弹簧连接；滚动轮轴通过轴承支承在浮动支架外端；滚动轮轴两端均固定滚动轮；每个后驱动轮腿机构的周转轮筒内端与转向驱动***对应的一根分动锥齿轮轴固定。
所述的两自由度云台摄像检测结构包括云台外框、周转底盘、机械臂、摄像头、360°舵机和180°舵机；所述的云台外框固定在密封防水盖板上，周转底盘与云台外框构成转动副，360°舵机的输出轴与周转底盘固定，180°舵机的底座与周转底盘固定，机械臂与180°舵机的输出轴固定，摄像头与机械臂固定。
所述的控制***包括控制芯片、wifi模块、无线串口模块和六轴加速度传感器；六轴加速度传感器、步进电机、180°舵机、360°舵机、红外传感器和倾角传感器均通过电缆与控制芯片相连，控制芯片通过无线串口模块与上位机通信。摄像头通过wifi模块与上位机通信；上位机将运动指令由无线串口模块发给控制芯片来控制步进电机、180°舵机和360°舵机的运动，从而控制前驱动轮腿机构和后驱动轮腿机构。
所述的摄像头带有环状光源。
所述的控制芯片采用以ARM CORTEX-M3为内核的STM32F103RCT6芯片。
所述的wifi模块由移动电源降至+5V供电。
本实用新型具有的有益效果是：
本实用新型适合不同管径大小的涵管，结构简单轻便；采用两自由度云台摄像检测结构作为摄像头支架，底盘周转配合机械臂180度摆动可实现多方位角检测；带环状光源的高清摄像头成像效果好，适合管内无光环境；而且本实用新型前后各装置一个摄像头，往返过程中均能实现避障；所采用的红外传感器不仅能探测距离而且还能检测障碍物大小，判断机器人是否能完全通过，大大地提高了安全性；本实用新型装有倾角传感器，能测量其围绕自身轴线周向转动时所转的角度，实现精准调控机器人在管道中的姿态的同时实现摄像头绝对方位角不变；转向轮腿间采用链传动实现同步，提高了可靠性；本实用新型的控制***极大程度上提高了机器人的灵活性和作业效率，并且当遇到突发状况时，还可通过上位机采用手动模式安全退出。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构立体图；
图2为本实用新型中两自由度云台摄像检测结构的结构立体图；
图3为本实用新型中前进驱动***的结构示意图；
图4为本实用新型中前驱动轮腿机构的运动简图；
图5为本实用新型中后驱动轮腿机构的运动简图；
图6为本实用新型中支撑结构架的示意图；
图7为本实用新型中转向驱动***的结构示意图；
图8为本实用新型中分动机构的运动简图；
图9为本实用新型中控制***的结构框图。
图中：1、前置高清摄像头，2、环状光源，3、两自由度云台摄像检测结构，4、前进驱动***，5、链条，6、前驱动轮腿机构，7、红外传感器，8、后驱动轮腿机构，9、链轮，10、后置高清摄像头，11、倾角传感器，12、支撑结构架，13、步进电机，14、转向驱动***，15、密封防水盖板，16、驱动***，17、摄像头，18、控制芯片，19、wifi模块，20、无线串口模块，21、六轴加速度传感器，22、上位机，3-1、云台外框，3-2、周转底盘，3-3、机械臂，3-4、180°度舵机，3-5、360°度舵机，4-1、分动锥齿轮，4-2、主锥齿轮，6-1、周转轮筒支承件，6-2、伸缩弹簧，6-3周转轮筒，6-4、浮动支架，6-5、滚动轮驱动轴，6-6、滚动轮，6-7、滚动轮轴，6-8、滚动轮从动锥齿轮，6-9、滚动轮主动锥齿轮，6-10、分动锥齿轮轴，12-1、内侧板，12-2、支撑结构，12-3、连架杆。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1、图3、图6、图7所示，六轮同步涵管内壁检测机器人，包括两自由度云台摄像检测结构3、链条5、前驱动轮腿机构6、红外传感器7、后驱动轮腿机构8、链轮9、倾角传感器11、支撑结构架12、步进电机13、密封防水盖板15、驱动***16和控制***。控制***固定在支撑结构架12上；支撑结构架12由通过三根连架杆12-3固定连接的前、后两个支撑结构12-2组成；驱动***16包括前进驱动***4和转向驱动***14；前进驱动***4支撑在前面的支撑结构12-2上，转向驱动***14支撑在后面的支撑结构12-2上；支撑结构12-2为正六边形框架；支撑结构12-2外端固定密封防水盖板15；前面支撑结构12-2的六个侧面上分别间隔设置前驱动轮腿机构6和红外传感器7，后面支撑结构12-2的六个侧面上分别间隔设置后驱动轮腿机构8和红外传感器7；前、后支撑结构12-2在红外传感器7所在侧面处均设置倾角传感器11；密封防水盖板15上设有两自由度云台摄像检测结构3；支撑结构的内侧板12-1上固定步进电机13，步进电机13的输出轴中心与支撑结构的中心轴重合；前进驱动***4和转向驱动***14均采用分动机构，且分设在前、后支撑结构12内；前面的步进电机13通过前进驱动***4同时给三个前驱动轮腿机构6提供前进动力；后面的步进电机13通过转向驱动***14同时带动三个后驱动轮腿机构8转动；固定在后驱动轮腿机构8的周转轮筒6-3上的链轮9与对应一个前驱动轮腿机构6的周转轮筒6-3上固定的链轮9通过链条5连接，实现后驱动轮腿机构8与前驱动轮腿机构6的同步转动。
如图8所示，分动机构包括主锥齿轮4-2、分动锥齿轮4-1和分动锥齿轮轴6-10；主锥齿轮4-2固定在步进电机13的输出轴上，与主锥齿轮4-2啮合的三个分动锥齿轮4-1固定在三根分动锥齿轮轴6-10上，通过分动锥齿轮轴6-10传出动力；分动锥齿轮轴6-10通过轴承支承在支撑结构12上。
如图4和5所示，前驱动轮腿机构6和后驱动轮腿机构8均包括伸缩弹簧6-2、周转轮筒6-3、浮动支架6-4、滚动轮6-6、滚动轮轴6-7；前驱动轮腿机构6还包括滚动轮驱动轴6-5、滚动轮从动锥齿轮6-8和滚动轮主动锥齿轮6-9。
如图4所示，前驱动轮腿机构6中，周转轮筒6-3通过周转轮筒支承件6-1与支撑结构构成转动副；浮动支架6-4与周转轮筒6-3侧壁的滑槽构成滑动副，且浮动支架6-4内端与周转轮筒6-3通过伸缩弹簧6-2连接；滚动轮轴6-7通过轴承支承在浮动支架6-4外端；滚动轮轴6-7两端均固定滚动轮6-6；滚动轮驱动轴6-5的外端固定滚动轮主动锥齿轮6-9；滚动轮主动锥齿轮6-9与固定在滚动轮轴6-7上的滚动轮从动锥齿轮6-8啮合；每个前驱动轮腿机构6的滚动轮驱动轴6-5内端与前进驱动***4对应的一根分动锥齿轮轴6-10外端固定，把动力从滚动轮驱动轴6-5传到滚动轮轴6-7，进而传递到滚动轮6-6。
如图5所示，后驱动轮腿机构8中，周转轮筒6-3通过周转轮筒支承件6-1与支撑结构构成转动副；浮动支架6-4与周转轮筒6-3侧壁的滑槽构成滑动副，且浮动支架6-4内端与周转轮筒6-3通过伸缩弹簧6-2连接；滚动轮轴6-7通过轴承支承在浮动支架6-4外端；滚动轮轴6-7两端均固定滚动轮6-6；每个后驱动轮腿机构8的周转轮筒6-3内端与转向驱动***14对应的一根分动锥齿轮轴6-10固定，进而直接带动整个后驱动轮腿机构8转动。
如图2所示，两自由度云台摄像检测结构3包括云台外框3-1、周转底盘3-2、机械臂3-3、摄像头17、360°舵机3-5和180°舵机3-4；摄像头带有环状光源2；云台外框3-1固定在密封防水盖板15上，周转底盘3-2与云台外框3-1构成转动副，360°舵机3-5的输出轴与周转底盘3-2固定，180°舵机3-4的底座与周转底盘3-2固定，机械臂3-3与180°舵机3-4的输出轴固定，摄像头与机械臂3-3固定。位于前面的两自由度云台摄像检测结构3的摄像头设为前置高清摄像头1，位于后面的两自由度云台摄像检测结构3的摄像头设为后置高清摄像头10。
如图9所示，控制***包括控制芯片18、wifi模块19、无线串口模块20和六轴加速度传感器21；控制芯片采用以ARM CORTEX-M3为内核的STM32F103RCT6芯片。六轴加速度传感器、步进电机13、180°舵机3-4、360°舵机3-5、红外传感器7和倾角传感器11均通过电缆与控制芯片相连，控制芯片读取六轴加速度传感器、倾角传感器11和红外传感器的传感器信号后，通过无线串口模块将传感器信号传给上位机22。摄像头通过wifi模块将图像数据发射给上位机读取；wifi模块由移动电源降至+5V供电。上位机综合分析图像数据和传感器信号后，分别预测得到障碍角和障碍物距离，自动生成运动指令，并将运动指令由无线串口模块发给控制芯片来控制步进电机13、180°舵机3-4和360°舵机3-5的运动，使周转轮筒6-3带动前驱动轮腿机构6和后驱动轮腿机构8转动避障的同时保持摄像头1方位角不动，方便实时连续避障，从而来控制机器人在水库涵管内正常通行并采集裂纹的图像数据。
Claims (5)
1.六轮同步涵管内壁检测机器人，包括两自由度云台摄像检测结构、链条、前驱动轮腿机构、红外传感器、后驱动轮腿机构、链轮、倾角传感器、支撑结构架、步进电机、密封防水盖板、驱动***和控制***，其特征在于：所述的支撑结构架由通过三根连架杆固定连接的前、后两个支撑结构组成；所述的驱动***包括前进驱动***和转向驱动***；前进驱动***支撑在前面的支撑结构上，转向驱动***支撑在后面的支撑结构上；支撑结构为正六边形框架；支撑结构外端固定密封防水盖板；前面支撑结构的六个侧面上分别间隔设置前驱动轮腿机构和红外传感器，后面支撑结构的六个侧面上分别间隔设置后驱动轮腿机构和红外传感器；前、后支撑结构在红外传感器所在侧面处均设置倾角传感器；所述的密封防水盖板上设有两自由度云台摄像检测结构；所述的控制***固定在支撑结构架上，红外传感器和倾角传感器将信号传给控制***，控制***控制步进电机和两自由度云台摄像检测结构；支撑结构的内侧板上固定步进电机，步进电机的输出轴中心与支撑结构的中心轴重合；所述的前进驱动***和转向驱动***均采用分动机构，且分设在前、后支撑结构内；前面的步进电机通过前进驱动***同时给三个前驱动轮腿机构提供前进动力；后面的步进电机通过转向驱动***同时带动三个后驱动轮腿机构转动；固定在后驱动轮腿机构的周转轮筒上的链轮与对应一个前驱动轮腿机构的周转轮筒上固定的链轮通过链条连接；
所述的分动机构包括主锥齿轮、分动锥齿轮和分动锥齿轮轴；所述的主锥齿轮固定在步进电机的输出轴上，与主锥齿轮啮合的三个分动锥齿轮固定在三根分动锥齿轮轴上；分动锥齿轮轴通过轴承支承在支撑结构上；
所述的前驱动轮腿机构和后驱动轮腿机构均包括伸缩弹簧、周转轮筒、浮动支架、滚动轮、滚动轮轴；前驱动轮腿机构还包括滚动轮驱动轴、滚动轮从动锥齿轮和滚动轮主动锥齿轮；
所述的前驱动轮腿机构中，周转轮筒通过周转轮筒支承件与支撑结构构成转动副；浮动支架与周转轮筒侧壁的滑槽构成滑动副，且浮动支架内端与周转轮筒通过伸缩弹簧连接；滚动轮轴通过轴承支承在浮动支架外端；滚动轮轴两端均固定滚动轮；滚动轮驱动轴的外端固定滚动轮主动锥齿轮；滚动轮主动锥齿轮与固定在滚动轮轴上的滚动轮从动锥齿轮啮合；每个前驱动轮腿机构的滚动轮驱动轴内端与前进驱动***对应的一根分动锥齿轮轴外端固定；
所述的后驱动轮腿机构中，周转轮筒通过周转轮筒支承件与支撑结构构成转动副；浮动支架与周转轮筒侧壁的滑槽构成滑动副，且浮动支架内端与周转轮筒通过伸缩弹簧连接；滚动轮轴通过轴承支承在浮动支架外端；滚动轮轴两端均固定滚动轮；每个后驱动轮腿机构的周转轮筒内端与转向驱动***对应的一根分动锥齿轮轴固定；
所述的两自由度云台摄像检测结构包括云台外框、周转底盘、机械臂、摄像头、360°舵机和180°舵机；所述的云台外框固定在密封防水盖板上，周转底盘与云台外框构成转动副，360°舵机的输出轴与周转底盘固定，180°舵机的底座与周转底盘固定，机械臂与180°舵机的输出轴固定，摄像头与机械臂固定。
2.根据权利要求1所述的六轮同步涵管内壁检测机器人，其特征在于：所述的控制***包括控制芯片、wifi模块、无线串口模块和六轴加速度传感器；六轴加速度传感器、步进电机、180°舵机、360°舵机、红外传感器和倾角传感器均通过电缆与控制芯片相连，控制芯片通过无线串口模块与上位机通信；摄像头通过wifi模块与上位机通信；上位机将运动指令由无线串口模块发给控制芯片来控制步进电机、180°舵机和360°舵机的运动，从而控制前驱动轮腿机构和后驱动轮腿机构。
3.根据权利要求2所述的六轮同步涵管内壁检测机器人，其特征在于：所述的摄像头带有环状光源。
4.根据权利要求2所述的六轮同步涵管内壁检测机器人，其特征在于：所述的控制芯片采用以ARM CORTEX-M3为内核的STM32F103RCT6芯片。
5.根据权利要求2所述的六轮同步涵管内壁检测机器人，其特征在于：所述的wifi模块由移动电源降至+5V供电。
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