一种可变履带的管道巡检机器人及其控制方法

摘要

本发明公开一种可变履带的管道巡检机器人及其控制方法，本发明的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带组件、行进驱动机构；所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间通过履带固定架连接，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间分别连接一个履带角度调节机构。本发明可实现对履带的倾角调节，每组履带角度调节机构独立，具有很好的灵活性以适应不同的管道环境。

权利要求

1.一种可变履带的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带组件、行进驱动机构；其特征在于，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间通过履带固定架连接，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间分别连接一个履带角度调节机构；每个所述履带角度调节机构包括与所述机器人主体连接的滑轨，所述滑轨上安装推杆电机，所述推杆电机的动力输出轴驱动一个能在滑轨上往复运动的滑块，所述滑块上安装一个四连杆机构，所述四连杆机构包括一个下连杆、一个上连杆、两个侧连杆，所述下连杆的一端通过转动副安装在下销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合；两个所述侧连杆的下部通过转动副与所述下销轴连接，上部通过转动副与上销轴连接；所述上连杆又通过转动副安装在所述上销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合；

所述行进驱动机构有两组，对称安装于机器人主体前部，包括伺服电机、加强连杆和万向节，所述伺服电机固定于机器人主体内部底板上并与所述的加强连杆连接，所述万向节一端与加强连杆连接，另一端与所述履带组件的驱动轮连接。

2.根据权利要求1所述的可变履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述履带组件包括驱动轮、涨紧轮、支撑轮、履带固定侧板；所述履带固定侧板分别设置在两侧所述的履带组件的内侧，所述驱动轮和所述涨紧轮分别位于履带的前、后两端，所述支撑轮设置在履带中部。

3.根据权利要求2所述的可变履带的管道巡检机器人，其特征在于，左右两侧的履带组件的涨紧轮上分别设置有一个三维力传感器。

4.根据权利要求1所述的可变履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述履带固定架有四组，前后对称、左右对称安装于机器人主体内部，其前后安装的对称面为四连杆机构所在平面，且安装高度为履带固定侧板的横向中轴线的高度，采用“人”字型结构，一端通过球形铰链与履带固定侧板铰接，另外一端伸出的两个分叉与机器人主体连接。

5.根据权利要求2所述的可变履带的管道巡检机器人，其特征在于，所述履带组件的球头设置在履带固定侧板上。

6.一种权利要求1‑5之一所述可变履带的管道巡检机器人的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1，采样三维力传感器输出的Y轴方向和Z轴方向力值，采样频率为100Hz，使用中位值平均算法滤波，得到左履带的Y轴方向力FY1、Z轴方向力FZ1和右履带的Y轴方向力FY2、Z轴方向力FZ2；

步骤2，计算左右履带各自Y轴方向力与Z轴方向力比值，分别为α1和α2；

步骤3，计算履带倾角调整判定依据，选择合适的控制算法；

Δ1＝|α1|‑δ      (2)Δ2＝|α2|‑δ     (3)η＝α1α2                  (4)μ＝Δ1‑Δ2                (5)δ为设定的正阈值，当α1>δ且α2>δ时，左右履带均需要向外张开；

当‑α1>δ且‑α2>δ时，左右履带均需要向内收缩；

处于以上两种状态下，使用梯度下降的方法同时控制两个推杆电机，调整履带倾角快速逼近最佳状态，即Δ1≤0或Δ2≤0；

在接近最佳状态情况下，即Δ1≤0或Δ2≤0，或者在左、右履带均需要顺/逆时针调整情况下，即当Δ1>0,Δ2>0且η<0时，采用“定一动一”PI控制的方法，所述“定一动一”PI控制的方法是：若μ>0,则只PI控制左推杆电机，调节左履带倾角，使α1＝0，反之则只PI控制右推杆电机，调节右履带倾角，使α2＝0，直至到达履带面与管壁接触的最佳状态，即α1＝0且α2＝0；

步骤4，当管道巡检机器人经过管道变径区域或不规则管道区域，由步骤1‑3自动监测履带与管壁接触状态，若监测到履带处于非最佳状态，则先通过伺服电机调节万向节至合适角度，后通过履带角度调节机构自动调整履带倾角至最佳状态；

步骤5，上述步骤1‑4为履带倾角自适应调节步骤，管道巡检机器人的运动通过行进驱动机构实现，车体转向使用左右履带差速方法控制。

说明书

一种可变履带的管道巡检机器人及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种可变履带的管道巡检机器人及其控制方法，属于机器人技术领域。

背景技术

[0002] 随着自动化水平提高，物料输送需求增大，管道运输凭借输送量大、成本低、运输速度快等优势，已广泛应用于石油、天然气、水资源供给、核工业等领域，但管道运输过程存
在管道侵蚀破损、物料遗留管道等问题，造成物料泄露、堵塞等故障。需要定期对管道进行
巡检工作，传统的人工方式存在效率低、难度大、且人工测量范围有限等缺点，需要设计一
种管道巡检机器人代替人力完成管道巡检任务。

[0003] 目前常见的管道巡检机器人种类有轮式机器人、履带式机器人和腹壁式机器人等，轮式机器人无法适应管道内部越障和管道变径交接区域，履带式机器人可以凭借抓地
能力强的优势提高在管道内巡检的机动性，但需要调整履带角度，使履带面与管壁接触，提
高传动效率，腹壁式机器人通过伸张机械臂紧贴管道内壁，需要多节驱动，效率低，控制难。

[0004] 中国专利申请号为：201310690872.0，授权日为2015年1月21日的专利文献，公开了一种可调履带角度的管道机器人，通过转轴上调节齿轮使左右主履带可向外调整到某一
个角度，呈八字形，履带面与管壁接触，具有很好的管壁适应能力，但该管道机器人机构上
存在一些缺陷：其一，齿轮传动机构裸露在外易受侵蚀且存在较大机械磨损，这对发明中的
履带调节角度有很大影响；其二，通过齿轮传动调节履带倾角的方式，左右履带外倾角度一
致，使机器人在运动过程具有很好的稳定性，但在一些不规则管道场景下，角度调节的局限
性会引发一侧履带与壁面接触不充分的问题；其三，左右履带与车架为分体模块化设计，驱
动履带进行的步进电机安装与履带组件中，对所选电机的体积与扭矩有一些限制，同时增
加了履带组件的重量，给调节履带倾角带来更大负担。中国专利申请号为201810981630.X，
公布日为2018年12月11日的专利文献提出了一种比较新颖的管道机器人，通过万向节连接
两个镜像的三履带式行走机构与机身，用步进电机控制丝杆旋转，调节履带足的张开程度，
具有一定的管道环境适应性，但也存在履带足驱动电机选型受限，驱动轮扭矩不足的问题。

[0005] 中国专利申请号为：201811494015.2，公布日为2020年6月16日的专利文献，公开了一种管道机器人，通过控制每个驱动轮所在一端的弹簧组进行伸缩来单独改变每个驱动
轮与管壁的接触位置，从而使多个驱动轮中的每个驱动轮都可以与管壁接触，更易于管道
机器人通过变径区域，但这种机构在调节弹簧组时无法满足驱动轮与管壁的完全接触，在
行进过程会对驱动轮产生一定的磨损，整个机器人系统不仅要包含进行的驱动电机还要包
含多个调节弹簧组的驱动电机，驱动机构多而复杂，控制难，工作效率较低。

[0006] 目前，如何让管道巡检机器人在行进过程中，不需要人工干预，可自动调整机构使之适应管径变化也是亟需解决的一个问题。

发明内容

[0007] 本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种可变履带的管道巡检机器人及其控制方法，在保证驱动能力的同时解决履带面与管壁接触不充分的问题，并提出自动
调整机构使之适应管径变化的方法。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0009] 一种可变履带的管道巡检机器人，包括机器人主体、对称设置在机器人主体左右两侧的履带组件、行进驱动机构；所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间通过履带
固定架连接，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间分别连接一个履带角度调节机
构；每个所述履带角度调节机构包括与所述机器人主体连接的滑轨，所述滑轨上安装推杆
电机，所述推杆电机的动力输出轴驱动一个能在滑轨上往复运动的滑块，所述滑块上安装
一个四连杆机构，所述四连杆机构包括一个下连杆、一个上连杆、两个侧连杆，所述下连杆
的一端通过转动副安装在下销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合；两个所述侧连杆
的下部通过转动副与所述下销轴连接，上部通过转动副与上销轴连接；所述上连杆又通过
转动副安装在所述上销轴上，另一端与所述履带组件的球头配合。

[0010] 所述的可变履带的管道巡检机器人，所述履带组件包括驱动轮、涨紧轮、支撑轮、履带固定侧板；所述履带固定侧板分别设置在两侧所述的履带组件的内侧，所述驱动轮和
所述涨紧轮分别位于履带的前、后两端，所述支撑轮设置在履带中部。

[0011] 所述的可变履带的管道巡检机器人，左右两侧的履带组件的涨紧轮上分别设置有一个三维力传感器。

[0012] 所述的可变履带的管道巡检机器人，所述行进驱动机构有两组，对称安装于机器人主体前部，包括伺服电机、加强连杆和万向节，所述伺服电机固定于机器人主体内部底板
上并与所述的加强连杆连接，所述万向节一端与加强连杆连接，另一端与所述履带驱动轮
连接。

[0013] 所述的可变履带的管道巡检机器人，所述履带固定架有四组，前后对称、左右对称安装于机器人主体内部，其前后安装的对称面为四连杆机构所在平面，且安装高度为履带
固定侧板的横向中轴线的高度，采用“人”字型结构，一端通过球形铰链与履带固定侧板铰
接，另外一端伸出的两个分叉与机器人主体连接。

[0014] 所述的可变履带的管道巡检机器人，所述履带组件的球头设置在履带固定侧板上。

[0015] 上述可变履带的管道巡检机器人的控制方法，该方法包括如下步骤：

[0016] 步骤1，采样三维力传感器输出的Y轴方向和Z轴方向力值，采样频率为100Hz，使用中位值平均算法滤波，得到左履带的Y轴方向力FY1、Z轴方向力FZ1和右履带的Y轴方向力FY2、
Z轴方向力FZ2；

[0017] 步骤2，计算左右履带各自Y轴方向力与Z轴方向力比值，分别为α1和α2。

[0018]

[0019] 步骤3，计算履带倾角调整判定依据，选择合适的控制算法。

[0020] Δ1＝|α1|‑δ        (2)

[0021] Δ2＝|α2|‑δ       (3)

[0022] η＝α1α2           (4)

[0023] μ＝Δ1‑Δ2       (5)

[0024] δ为设定的正阈值，当α1>δ且α2>δ时，左右履带均需要向外张开；

[0025] 当‑α1>δ且‑α2>δ时，左右履带均需要向内收缩；

[0026] 处于以上两种状态下，使用梯度下降的方法同时控制两个推杆电机，调整履带倾角快速逼近最佳状态，即Δ1≤0或Δ2≤0；

[0027] 在接近最佳状态情况下，即Δ1≤0或Δ2≤0，或者在左、右履带均需要顺/逆时针调整情况下，即当Δ1>0,Δ2>0且η<0时，采用“定一动一”PI控制的方法，PI控制即比例‑积分控
制，PID(比例‑积分‑微分)是比较经典的运动控制方法。所述“定一动一”PI控制的方法是：
若μ>0,则只PI控制左推杆电机，调节左履带倾角，使α1＝0，反之则只PI控制右推杆电机，调
节右履带倾角，使α2＝0，直至到达履带面与管壁接触的最佳状态，即

[0028] α1＝0且α2＝0；

[0029] 步骤4，当管道巡检机器人经过管道变径区域或不规则管道区域，由步骤1‑3自动监测履带与管壁接触状态，若监测到履带处于非最佳状态，则先通过伺服电机调节万向节
至合适角度，后通过履带角度调节机构自动调整履带倾角至最佳状态；

[0030] 步骤5，上述步骤1‑4为履带倾角自适应调节步骤，管道巡检机器人的运动通过行进驱动机构实现，车体转向使用左右履带差速方法控制。

[0031] 有益效果：

[0032] 1.本发明采用平面四连杆与推杆电机结合方式，通过球形铰链对接履带组件，可实现对履带的倾角调节，每组履带角度调节机构独立，具有很好的灵活性以适应不同的管
道环境。

[0033] 2.本发明采用三维力传感器，安装于每组履带的涨紧轮处，可以精确测量每个轴向的力值，并推断出当前每组履带与管壁的接触状态。

[0034] 3.本发明采用梯度下降与PI控制结合的方法，可自动调节履带倾角使履带面与管壁接触，使履带面与管壁接触，履带倾角调节通过履带角度调节机构实现，以左履带倾角调
节为例，当推杆电机向左推动滑块，带动平面四连杆机构，通过球形铰链使履带固定侧板及
履带绕其横向中轴线顺时针旋转，反之同理。履带倾角调节根据管道巡检机器人机构，通过
限制履带角度调节机构中滑块的行程，可以限制履带顺逆方向的最大调节角度。从而减少
履带磨损，降低能量损耗，提高管道巡检机器人的工作效率。

[0035] 4.本发明每个履带组件与机器人主体通过一组球形铰链铰接，铰接处为履带固定侧板的横向中轴线上，对履带倾角调节起到约束作用，同时可减少平面四连杆上的推拉力，
降低倾角调节能耗。

[0036] 5.本发明采用的履带倾角调节方式，将行进驱动机构置于机器人主体内部，通过万向节连接履带驱动轮，解决履带角度可调的同时，也可保证履带的驱动能力。

附图说明

[0037] 图1显示了本发明的一种可变履带的管道巡检机器人机构俯视图；

[0038] 图2显示了本发明的一种可变履带的管道巡检机器人机构侧视图；

[0039] 图3显示了本发明的一种可变履带的管道巡检机器人机构的俯视结构示意图；

[0040] 图4显示了本发明的一种可变履带的管道巡检机器人机构的侧视结构示意图；

[0041] 图5显示了履带角度调节机构的结构示意图；

[0042] 图6显示了管道巡检机器人在管道内部自动调整履带倾角以适用管壁的前后的状态示意图，其中图6(a)为调整履带倾角前的状态示意图，图6(b)为调整履带倾角后的状态
示意图。

[0043] 附图中的标号分别表示为：

[0044] 1：机器人主体；11：履带固定架；12：履带角度调节机构；121：推杆电机；122：滑块；123：滑轨；124：上连杆；125：下连杆；126：侧连杆；127：上销轴；128：下销轴；129：球形槽；2：
履带组件；21：驱动轮；22：涨紧轮；23：支撑轮；24：履带固定侧板；25：三维力传感器；26：固
定侧板横向中轴线；3：行进驱动机构；31：伺服电机；32：加强连杆；33：万向节。

具体实施方式

[0045] 下面结合说明书附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0046] 如图1和图2所示，一种可变履带的管道巡检机器人机构，包括机器人主体1、左右两侧的履带组件2、行进驱动机构3；所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间通过履
带固定架11连接，所述机器人主体与其左右两侧的履带组件之间分别连接一个履带角度调
节机构12。

[0047] 所述履带固定架有四组，前后对称、左右对称安装于机器人主体内部，其前后安装的对称面为四连杆机构所在平面，且安装高度为履带固定侧板的横向中轴线24的高度，对
履带倾角调节起到约束作用，同时可减少平面四连杆上的推拉力，降低倾角调节能耗。

[0048] 所述履带固定架采用“人”字型结构，一端通过球形铰链与履带固定侧板铰接，另外一端伸出的两个分叉与机器人主体连接。

[0049] 所述履带角度调节机构有两组，左右对称安装于机器人主体中部，每个所述履带角度调节机构包括与所述机器人主体连接的滑轨123，所述滑轨上安装推杆电机121，所述
推杆电机的动力输出轴驱动一个能在滑轨上往复运动的滑块122，所述滑块上安装一个四
连杆机构，所述四连杆机构包括下连杆125、上连杆124、侧连杆126，所述下连杆的一端通过
转动副安装在下销轴128上，另一端为球形槽，与所述履带组件的球头配合；两个所述侧连
杆的下部通过转动副与所述下销轴连接，上部通过转动副与上销轴127连接；所述上连杆又
通过转动副安装在所述上销轴上，另一端为球形槽，与所述履带组件的球头配合。

[0050] 所述平面四连杆的上连杆124与下连杆125穿过机器人主体外壳，且与主体外壳留有传动间隙，采用平面四连杆与推杆电机结合方式，通过球形铰链对接履带组件，可实现对
履带的倾角调节，每组履带角度调节机构独立，具有很好的灵活性以适应不同的管道环境。

[0051] 所述履带组件包括驱动轮21、涨紧轮22、支撑轮23、履带固定侧板24；所述履带固定侧板分别设置在两侧所述的履带组件的内侧，所述驱动轮和所述涨紧轮分别位于履带的
前、后两端，所述支撑轮设置在履带中部。所述履带固定侧板共有四个球头，前后两个球头
较大，用于与履带固定架对接，上下两个球头较小，用于与平面四连杆对接，前后两个球头
安装孔在履带固定侧板的横向中轴线上，且左右对称于平面四连杆两侧，上下两个球头的
安装孔位置上下对称，对称轴为履带固定侧板的横向中轴线。

[0052] 所述履带涨紧轮处各安装一个三维力传感器，用于精确测量每个轴向的力值。

[0053] 所述进行驱动机构有两组，对称安装于机器人主体前部，包括伺服电机31、加强连杆32和万向节33，所述伺服电机固定于机器人主体内部底板上，所述万向节一端与加强连
杆连接，另一端与履带驱动轮连接。

[0054] 所述万向节固定位置穿过机器人主体外壳，且与主体外壳留有传动间隙。

[0055] 本发明还提供一种可变履带的管道巡检机器人控制方法，基于三维力传感器，使用梯度下降与PI控制(比例积分控制)结合的方法，自动调节履带倾角使履带面与管壁接
触。

[0056] 一种可变履带的管道巡检机器人控制方法，包括如下步骤。

[0057] 步骤1，采样三维力传感器输出的Y轴方向和Z轴方向力值，采样频率为100Hz,使用中位值平均算法滤波，得到左履带的Y轴方向力FY1、Z轴方向力FZ1和右履带的Y轴方向力FY2、
Z轴方向力FZ2。

[0058] 步骤2，计算左右履带各自Y轴方向力与Z轴方向力比值，分别为α1和α2。

[0059]

[0060] 本发明的一种可变履带的管道巡检机器人控制方法，可调节履带倾角，使履带面与管壁接触，履带倾角调节通过履带角度调节机构实现，以左履带倾角调节为例，当推杆电
机向左推动滑块，带动平面四连杆机构，通过球形铰链使履带固定侧板及履带绕其横向中
轴线顺时针旋转，反之同理。

[0061] 本发明根据三维力传感器返回力值，可推断出当前每组履带与管壁的接触状态。

[0062] 以左履带为例，当左履带只有左侧边沿与管壁接触时，α1>0，此时需要使左履带绕履带固定侧板横向中轴线顺时针旋转，即推杆向左运动；当左履带的左侧边沿与右侧边沿
均与管壁接触时，α1＝0(允许存在极小范围波动)，此时为履带面与管壁接触的最佳状态；
当左履带只有右侧边沿与管壁接触时，α1<0，此时需要使左履带绕履带固定侧板横向中轴
线逆时针旋转，即推杆向右运动。

[0063] 步骤3，计算履带倾角调整判定依据，选择合适的控制算法。

[0064] Δ1＝|α1|‑δ       (2)

[0065] Δ2＝|α2|‑δ        (3)

[0066] η＝α1α2         (4)

[0067] μ＝Δ1‑Δ2       (5)

[0068] δ为设定的正阈值，当α1>δ且α2>δ时，左右履带均需要向外张开,当‑α1>δ且‑α2>δ时，左右履带均需要向内收缩，处于以上两种状态下，本发明使用梯度下降的方法同时控制
两个推杆电机，调整履带倾角快速逼近最佳状态；在接近最佳状态情况下(即当Δ1≤0或Δ2
≤0时)，或者在左右履带均需要顺(逆)时针调整情况下(即当Δ1>0,Δ2>0且η<0时)，采用
“定一动一”，PI控制的方法，若μ>0,则只PI控制左推杆电机，调节左履带倾角，使α1＝0，反
之则只PI控制右推杆电机，调节右履带倾角，使α2＝0，直至到达履带面与管壁接触的最佳
状态(α1＝0且α2＝0)。

[0069] 步骤4，当管道巡检机器人经过管道变径区域或不规则管道区域，由步骤1‑3可自动监测履带与管壁接触状态，若监测到履带处于非最佳状态，则先通过伺服电机调节万向
节至合适角度，后通过履带角度调节机构自动调整履带倾角至最佳状态；

[0070] 步骤5，上述步骤1‑4为履带倾角自适应调节步骤，管道巡检机器人的运动通过行进驱动机构实现，车体转向使用左右履带差速方法。

[0071] 采用梯度下降与PI控制结合的方法，可自动调节履带倾角使履带面与管壁接触，减少履带磨损，降低能量损耗，提高管道巡检机器人的工作效率。

[0072] 履带倾角调节根据管道巡检机器人机构，通过限制履带角度调节机构中滑块的行程，可以限制履带顺逆方向的最大调节角度。

[0073] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这
些等同变换均属于本发明的保护范围。