本发明公开了一种小型履带式管道机器人及其运动方法，该机器人的控制及驱动模块安装在前支撑体和后支撑体内，履带及履带轮安装在支撑体两侧,本发明所述的机器人结构紧凑，可以实现水平管道中的前进、后退、差速转弯；竖直管道中爬升、变径；检测管内情况的功能。机器人机体中部和机器人机体前部或机器人机体后部通过子母铆钉连接实现偏摆自由度，机器人机体中部包含两个舵机实现俯仰自由度，使得机身呈“Z”字形支撑在竖直管道中，舵机支撑件之间有丝杠、丝杠螺母和编码盘蜗轮蜗杆减速电机组成的变径机构实现机身长度的变化从而适应不同的管径。该机器人具有检测狭小管道、越障以及适应不同管径的运动性能。
1.一种小型履带式管道机器人，其特征在于，所述管道机器人包括机体前部、机体中部及机体后部，所述机体前部铰链连接所述机体中部，所述机体中部铰链连接所述机体后部，其中将所述机体中部和所述机体后部称为一组组合体；所述机体前部内设有第一驱动模块，所述机体中部内设有第二驱动模块，所述机体后部内设有第三驱动模块；所述机体中部包括两个舵机连接件（14），两个所述舵机连接件（14）的一端均设有子母铆钉（13），所述机体中部通过所述子母铆钉（13）铰链连接于第一连接部和第二连接部；靠近所述机体前部、所述舵机连接件（14）转动连接舵机支撑件（20），靠近所述机体后部、所述舵机连接件（14）转动连接舵机电机支撑件（22），所述舵机支撑件（20）和所述舵机电机支撑件（22）上均设有舵机（15），所述舵机电机支撑件（22）上还设有两个垂直编码盘蜗轮蜗杆减速电机(16)，两个所述垂直编码盘蜗轮蜗杆减速电机(16)上设有电机盖板（17），所述舵机支撑件（20）的一侧设有丝杆螺母（19），两个所述垂直编码盘蜗轮蜗杆减速电机(16)的驱动端均设有丝杆（18），所述丝杆（18）和丝杆螺母（19）螺纹连接，两个所述舵机连接件（14）的一侧均固定连接舵机固定件（21），所述舵机固定件（21）的一端固定连接于所述舵机（15）的驱动端，两个所述舵机连接件（14）的另一侧均转动连接于所述舵机支撑件（20）或所述舵机电机支撑件（22）。
2.如权利要求1所述的一种小型履带式管道机器人，其特征在于，所述机体前部和所述机体后部均包括支撑体（11），所述支撑体（11）的两侧均设有履带（3），所述履带（3）的两端均传动连接履带轮（7），所述履带轮（7）内设有履带轮转轴（8），其中一个所述履带轮转轴（8）连接水平编码盘蜗轮蜗杆减速电机（2）的驱动端，另一个所述履带轮转轴（8）内设有履带轮传动轴（10），所述履带轮传动轴（10）通过轴承（9）转动连接于所述支撑体（11）的一端；
所述支撑体（11）的内部还设有舵机驱动板（12）；
所述支撑体（11）的两侧还设有支撑板（4），所述支撑板（4）上设有多组支撑轮心轴(5)，多组所述支撑轮心轴(5)上均设有支撑轮（6），所述支撑轮（6）传动连接所述履带（3）；
所述机体前部的前端设有图传相机（1），其后端设有第一连接部，所述第一连接部铰链连接所述机体中部；所述机体后部的前端设有第二连接部，其另一端设有第三连接部。
3.如权利要求2所述的一种小型履带式管道机器人，其特征在于，所述机体后部的内部还设有STM32驱动板（25），所述STM32驱动板（25）的上方电性连接电机驱动板（24）；
所述第一驱动模块和所述第三驱动模块均包括两个所述水平编码盘蜗轮蜗杆减速电机（2），四个所述水平编码盘蜗轮蜗杆减速电机（2）均电性连接于所述电机驱动板（24）；
所述第二驱动模块包括两个所述垂直编码盘蜗轮蜗杆减速电机(16)，两个所述垂直编码盘蜗轮蜗杆减速电机（16）均电性连接于所述电机驱动板（24）；
所述图传相机（1）、所述舵机驱动板（12）和所述电机驱动板（24）均电性连接于所述STM32驱动板（25），两个所述舵机（15）均电性连接所述舵机驱动板（12）。
4.如权利要求2所述的一种小型履带式管道机器人，其特征在于，通过所述第三连接部铰链连接n组所述组合体。
5.一种小型履带式管道机器人的运动方法，应用于权利要求3的小型履带式管道机器人，其特征在于，包括：
1）通过改变所述水平编码盘蜗轮蜗杆减速电机（2）的旋转速度、旋转方向实现管道机器人的前进、后退；通过改变支撑体（11）两侧的水平编码盘蜗轮蜗杆减速电机（2）的相对速度调节管道机器人的方向；
2）在水平管道和竖直管道过渡的过程中，管道机器人的机体前部经舵机驱动板（12）调节舵机（15）进行俯仰动作，同时改变垂直编码盘蜗轮蜗杆减速电机（16）的旋转速度、旋转方向和旋转位置调节丝杆（18）和丝杆螺母（19）的相对位置，使得管道机器人在竖直管道中呈“Z”形支撑在管壁两侧爬升。
一种小型履带式管道机器人及其运动方法
技术领域
[0001] 本发明属于机器人应用技术领域，具体涉及一种小型履带式管道机器人及其运动方法。
背景技术
[0002] 管道是一种具有狭长空间的地形，传统的管道检测手段，例如内窥镜，在操作上具有一定的局限性，且能够检测的范围有限，而管道机器人是专门针对管道这种地形环境的勘测而设计的。管道机器人具有轮式、履带式，蠕动式等多种运动形式，以履带作为运动部件的管道机器人具有接触面积大，越障能力强等特点。
[0003] 国内外对履带式管道机器人的研究已经有了一定的进展，申请日为20190314，申请号为CN110056742A的发明专利提出了一种具有可伸缩行走装置的管道机器人及其控制系统，公开了三组履带轮沿管道轴线120°均布；申请日为20191125，申请号为CN212226420U的发明专利提出了一种履带式管道机器人底盘结构，公开了两组履带轮沿管道中垂面对称分布；对比这些管道机器人，存在的主要问题在于尺寸过大，主要应用于大管径管道。日本的KOHGA蛇形机器人整体尺寸在180×135×2050(mm)(Tetsushi Kamegawa, Tatsuhiro Yarnasaki, Hiroki Igarashi, et al.Development of the snake‑like rescue robot[C]//Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA'04. 2004 IEEE Internationa1 Conference on. IEEE. 2004. 5: 5081‑5086.)，美国的Sarcos蛇形机器人整体尺寸在132×120×1321(mm)(https://www.sarcos.com/),申请日为20150819，申请号为CN 103624765B的发明专利提出的履带机器人整体尺寸在256×158×1100(mm)。
[0004] 大管径管道机器人的特点在于功能齐全，不仅可以检测，甚至可以维修，但很多场合下使用的管道管径较小，检测小管径管道内部状况的管道机器人较少。
发明内容
[0005] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种小型履带式管道机器人及其运动方法；
[0006] 技术方案：本发明提供一种小型履带式管道机器人，所述管道机器人包括机体前部、机体中部及机体后部，所述机体前部铰链连接所述机体中部，所述机体中部铰链连接所述机体后部，其中将所述机体中部和所述机体后部称为一组；所述机体前部内设有第一驱动模块，所述机体中部内设有第二驱动模块，所述机体后部内设有第三驱动模块。
[0007] 本发明所述的履带式管道机器人结构紧凑，整体尺寸为56×35×520(mm)，机身在包容编码盘蜗轮蜗杆减速电机、STM32驱动板、电机驱动板、舵机驱动板的同时，结构尺寸能够满足在80mm以上的管径中进行探测任务。机体结构前部的主体由前支撑体构成，前支撑体上安装了编码盘蜗轮蜗杆减速电机、图传相机、履带、履带轮、支撑轮。控制机体两侧编码盘蜗轮蜗杆减速电机的旋转速度、旋转方向和相对速度实现前进、后退和转向，机身前侧的履带轮为主动轮，通过履带带动后侧履带轮转动。图传相机检测管道内的情况后传输图像到接收器上。机体结构中部包含两个俯仰舵机实现竖直管道爬行和一个丝杠及丝杠螺母变径结构适应管径变化的竖直管道，机体结构中部与机体结构前部或机体结构后部都通过子母铆钉连接，机体结构后部的运动方式和前部一样，机体结构后部引出电源线接到管道之外的电源，通过电源线的走线量可以判断样机在管道中的位置。
[0008] 本发明的管道机器人，主要包括前支撑体、后支撑体和舵机连接件，它们之间通过子母铆钉连接，舵机安装在舵机连接件和舵机支撑件之间，舵机支撑件中间安装适应变径的丝杠及丝杠螺母变径结构。俯仰舵机与前支撑体或后支撑体之间是刚性连接，通过STM32驱动板控制舵机驱动板，再通过舵机驱动板控制舵机的输出角度来实现管道机器人由水平管道壁面经管道过渡面爬升到竖直管道壁面，爬升的过程中后面的机体支撑着前面的机体并推动前面的机体不断向上，并呈“Z”字形以支撑在竖直管道内。俯仰舵机与丝杠及丝杠螺母变径结构之间也是刚性连接，丝杠通过过盈配合和花键连接编码盘蜗轮蜗杆减速电机，STM32驱动板和电机驱动板控制电机的旋转速度、旋转位置和旋转方向来实现丝杠及丝杠螺母的相对运动，从而实现机器人机身长度的变化以适应内径130±20mm的竖直管道。
[0009] 有益效果：
[0010] 1、机器人机体的运动部件采用履带，履带可以增大机体与壁面的接触面积，适应管道的曲面地形。
[0011] 2、机器人的机体结构设计紧凑，可以在内径80mm以上的小管径管道中实现前进、后退、转向、探测等功能。
[0012] 3、机器人机体结构为多节结构，可使机身前部爬升时，后部实现支撑并推动前部的功能。
[0013] 4、机器人机体结构中的俯仰舵机可使机器人呈“Z”形在竖直管道爬行，配合丝杠及丝杠螺母变径结构，可使机器人适应内径130±20mm变化的竖直管道，丝杠连接的编码盘蜗轮蜗杆减速电机可以控制丝杠与丝杠螺母的相对位置。
附图说明
[0014] 图1是本发明所述的履带式管道机器人立体轴侧视图；
[0015] 图2是本发明所述的履带式管道机器人机体前部爆炸视图；
[0016] 图3是本发明所述的履带式管道机器人机体中部爆炸视图；
[0017] 图4是本发明所述的履带式管道机器人机体后部爆炸视图；
[0018] 图5是本发明所述的履带式管道机器人在内径80mm的管道中的工作示意图；
[0019] 图6是本发明所述的履带式管道机器人在内径80mm以及转弯半径180mm的管道中的工作示意图；
[0020] 图7是本发明所述的履带式管道机器人由水平管道向竖直管道过渡时，机体前部抬起时的工作示意图；
[0021] 图8是本发明所述的履带式管道机器人由水平管道向竖直管道过渡时，管道机器人支撑在管壁内时的工作示意图；
[0022] 图9是本发明所述的履带式管道机器人通过丝杠和丝杠螺母在内径130±20mm的竖直管道中实现变径。
[0023] 图中：1.图传相机；2.水平编码盘蜗轮蜗杆减速电机；3.履带；4.支撑板；5.支撑轮心轴；6.支撑轮；7.履带轮；8.履带轮转轴；9.轴承；10.履带轮传动轴；11.前支撑体；12.舵机驱动板；13.子母铆钉；14.舵机连接件；15.舵机；16.垂直编码盘蜗轮蜗杆减速电机；17.电机盖板；18.丝杠；19.丝杠螺母；20.舵机支撑件；21.舵机固定件；22.舵机电机支撑件；23.后支撑体；24.电机驱动板；25.STM32驱动板。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0025] 结合图1所示，图1为履带式管道机器人的结构示意图，管道机器人由机器人机体前部A、机器人机体中部B、机器人机体后部C三个模块组成，这三个模块分别通过子母铆钉进行连接。
[0026] 结合图2所示，机器人机体前部A的主体由前支撑体11构成，前支撑体11的内部对称安装两个水平编码盘蜗轮蜗杆减速电机2和舵机驱动板12，前部安装图传相机1，后部安装履带轮传动轴10，水平编码盘蜗轮蜗杆减速电机2上安装履带轮转轴8和履带轮7，履带轮传动轴10双侧对称安装轴承9、履带轮转轴8和履带轮7，两个支撑板4对称安装在支撑体11两侧，支撑板4上安装四组支撑轮心轴5和支撑轮6，履带3安装在履带轮7上。机器人机体前部A通过控制水平编码盘蜗轮蜗杆减速电机2实现前进、后退和差速转向。
[0027] 结合图4所示，机器人机体中部B包含两个舵机15为机身提供俯仰的自由度，子母铆钉13连接舵机连接件14和机器人机体前部A或机器人机体后部C，它们之间通过间隙配合提供被动的偏摆自由度。两个舵机连接件14上分别安装舵机支撑件20和舵机电机支撑件22。舵机支撑件20上安装舵机15和丝杠螺母19，舵机电机支撑件22上安装舵机15、垂直编码盘蜗轮蜗杆减速电机16和电机盖板17，垂直编码盘蜗轮蜗杆减速电机16上安装丝杠18。丝杠18和丝杠螺母19配合，通过控制丝杠18的转动实现机身长度的变化从而适应不同的管径。
[0028] 结合图5所示，机器人机体后部C的主体由后支撑体23构成，后支撑体23的内部安装电机驱动板24和STM32驱动板25，其余部件的安装与机器人机体前部A相同。
[0029] 关于电源与控制：该履带式管道机器人有一个图传相机，通过STM32驱动板25供电、六个编码盘蜗轮蜗杆减速电机连接在电机驱动板24上，通过STM32驱动板25控制电机驱动板24进而控制电机，两个舵机15连接在舵机驱动板上，通过STM32驱动板25控制舵机驱动板12进而控制舵机。电机驱动板24、舵机驱动板12和STM32驱动板25通过7.4V锂电池和降压模块供电。
[0030] 关于管道适用范围：结合图1所示，该履带式管道机器人整体尺寸在56×35×520(mm)。结合图5所示，该履带式管道机器人可以在内径80mm的管道中前进和后退。结合图6所示，该履带式管道机器人可以在内径80mm以及转弯半径180mm的管道中差速转弯。结合图7和图8所示，该履带式管道机器人可以通过舵机15的俯仰动作实现水平管道和竖直管道之间的过渡，在过渡的过程中，机器人机体前部A、机器人机体中部B通过舵机15的动作接触竖直管道管壁，机器人机体后部C推动机器人机体中部B向上攀爬，并支撑在管壁两侧。结合图9所示，该履带式管道机器人可以在内径130±20mm的竖直管道中变径并呈“Z”形支撑实现行走。
[0031] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
