CN210348274U - 一种具有姿态调整功能的管道机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有姿态调整功能的管道机器人，包括行进装置，所述行进装置包括车轮和车轮悬架，所述车轮悬架设置有用于通过改变车轮悬架高度对管道机器人姿态进行调整的多个电动推杆，所述行进装置设置有姿态检测系统，以及根据姿态检测数据对管道机器人进行调平的调整系统，所述姿态检测系统包括角速度传感器、加速度传感器和磁传感器，上位机对检测数据进行拟合得出管道机器人在管道内的三维姿态模型；所述调整系统根据上位机显示的三维姿态模型对管道机器人进行调平。本实用新型能够在管道机器人作业时检测其姿态，并根据当前姿态对管道机器人进行调整从而防止管道机器人在管道内发生侧翻。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种具有姿态调整功能的管道机器人。
背景技术
现有管道爬行器、管道机器人等管道勘察设备在管道内极易发生侧翻，此类情况会对设备本身造成损坏，加上管道内救援设备短缺，发生侧翻后管道机器人很难自行复位。现有生产厂商未解决上述问题通常采用降低底盘，改变结构重心，或是加装多角度的从动辅助轮的方法解决上述问题。经过实验发现，前者会因为底盘过低，使设备的在管道内作业时容易被管道内过高的焊缝或者杂物磕绊造成无法通过或者设备卡在管道内无法动弹的状况，而后者会增加设备能耗负担，同时因为辅助轮接触的管道内壁不同，造成的摩擦力也不同，在行进一定距离后仍会出现设备的侧翻的情况。从而这两种方法均不能从根本上完全解决侧翻问题的发生。
发明内容
本实用新型为解决现有的管道机器人在进行管道勘察作业时容易发生侧翻的问题，提供了一种具有姿态调整功能的管道机器人，通过角速度传感器、加速度传感器和磁传感器检测管道机器人的三维坐标，并通过上位机拟合出三维姿态模型，工作人员通过三维姿态模型对管道机器人进行调平，防止管道机器人发生侧翻。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
一种具有姿态调整功能的管道机器人，包括行进装置，所述行进装置包括车轮和车轮悬架，所述车轮悬架设置有用于通过改变车轮悬架高度对管道机器人姿态进行调整的多个电动推杆，所述行进装置设置有姿态检测系统，以及根据姿态检测数据对管道机器人进行调平的调整系统，所述姿态检测系统包括角速度传感器、加速度传感器和磁传感器，所述角速度传感器、加速度传感器用于测量在管道中行进的管道机器人的三维坐标，所述角速度传感器、加速度传感器和磁传感器连接有控制单元，所述控制单元连接有上位机，所述控制单元通过角速度传感器、加速度传感器和磁传感器所测量的数据计算出角速度、加速度并将其传输给上位机，上位机对角速度、加速度等数据进行拟合得出管道机器人在管道内的三维姿态模型；所述调整系统根据上位机显示的三维姿态模型对管道机器人进行调平。
进一步地，所述控制单元包括第一单片机，所述第一单片机为STM32F103RCT6芯片。
进一步地，所述角速度传感器、加速度传感器和磁传感器分别与第一单片机的IO口连接，所述角速度传感器和加速度传感器为MPU6050芯片，所述磁传感器为HMC5883L芯片。
进一步地，所述第一单片机与上位机之间设置有NB-loT模块，所述NB-loT模块ADC和UART引脚分别与第一单片机的ADC和UART引脚连接，所述第一单片机通过NB-loT模块与上位机通信。
进一步地，所述电动推杆与第一单片机之间设置有驱动芯片，所述驱动芯片输入端与第一单片机的IO口连接，驱动芯片的输出端与电动推杆连接，第一单片机通过模拟PWM信号使驱动芯片对电动推杆进行长度调节。
进一步地，所述调整系统包括第二单片机和按键单元，所述按键单元用于根据三维姿态模型输出调节指令，按键单元与第二单片机的IO口连接。
进一步地，所述第二单片机与控制单元之间设置有蓝牙模块，所述蓝牙模块用于第二单片机与控制单元之间进行通信，蓝牙模块的RXD与TXD引脚与第二单片机和第一单片机的IO口连接。
通过上述技术方案，本实用新型的有益效果为：
本实用新型设置有姿态检测系统，通过设置在行进装置上的角速度传感器、加速度传感器以及磁传感器检测管道机器人在行进时三轴角速度三轴加速度加上磁传感器可向应用端输出完整的 9 轴融合演算数据，通过卡尔曼滤波算法在上位机上拟合出管道机器人的三维姿态模型，工作人员根据三维姿态模型可以清楚看出管道机器人当前是否需要进行调平作业。在车轮悬架上设置有用于通过改变车轮悬架高度对管道机器人姿态进行调整的电动推杆，当管道机器人出现侧偏有侧翻风险时，电推杆与调整系统连接，工作人员可根据调整系统中的按键结合三维姿态模型对电动推杆进行远程控制，通过调节电动推杆的长度达到对管道机器人进行调平的效果。
附图说明
图1是本实用新型一种具有姿态调整功能的管道机器人姿态检测系统的电气原理图。
图2是本实用新型一种具有姿态调整功能的管道机器人的调整系统的电气原理图。
图3是本实用新型一种具有姿态调整功能的管道机器人控制单元与NB-loT模块电气原理图。
附图中标号为：1为MPU6050芯片， 2为HMC5883L芯片，4为控制单元，5为第二单片机，6按键单元，8为驱动芯片， 9为NB-loT模块，10为电动推杆，11为蓝牙模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明：
如图1所示，一种具有姿态调整功能的管道机器人，包括行进装置，所述行进装置包括车轮和车轮悬架，所述车轮悬架设置有用于通过改变车轮悬架高度对管道机器人姿态进行调整的多个电动推杆10，所述行进装置设置有姿态检测系统，以及根据姿态检测数据对管道机器人进行调平的调整系统，所述姿态检测系统包括角速度传感器、加速度传感器和磁传感器，所述角速度传感器、加速度传感器用于测量在管道中行进的管道机器人的三维坐标，所述角速度传感器、加速度传感器和磁传感器连接有控制单元4，所述控制单元4连接有上位机，所述控制单元4通过角速度传感器、加速度传感器和磁传感器所测量的数据计算出角速度、加速度并将其传输给上位机，上位机对角速度、加速度等数据进行拟合得出管道机器人在管道内的三维姿态模型；所述调整系统根据上位机显示的三维姿态模型对管道机器人进行调平。
为优化产品结构，如图1所示，所述控制单元4包括第一单片机，所述第一单片机为STM32F103RCT6芯片。所述角速度传感器和加速度传感器为MPU6050芯片1，所述磁传感器为HMC5883L芯片2。
为避免MPU6050芯片1在使用时出现零点漂移现象，在数据拟合时通过卡尔曼滤波算法使上述演算数据融合，所述MPU6050芯片1的SDA和SCL引脚经驱动电路与STM32F103RCT6芯片的PB9和PB8引脚连接，HMC5883L芯片2的SDA和SCL引脚与MPU6050芯片1的XCL和XDA引脚连接。
为了将第一单片机的数据传输给上位机，如图3所示，所述第一单片机与上位机之间设置有NB-loT模块9，所述NB-loT模块9的ADC和UART引脚分别与第一单片机的ADC和UART引脚连接，所述第一单片机通过NB-loT模块9与上位机通信。
为了能够根据三维姿态模型对管道机器人进行调平，如图2所示，所述电动推杆10与第一单片机之间设置有驱动芯片8，所述驱动芯片8采用L9110S芯片，L9110S芯片的数量与电动推杆10的数量一致，在本实施例中电动推杆10的数量为4个呈矩形对称分布于车轮悬架的边角处，L9110S芯片的数量也为4个，所述所述驱动芯片8输入端与第一单片机的PC0~PC7引脚连接，四个驱动芯片8的输出端与电动推杆10对应连接，第一单片机通过模拟PWM信号使驱动芯片8对电动推杆10进行长度调节。
为了便于工作人员发出调整指令，所述调整系统包括第二单片机5和按键单元6所述按键单元6用于根据三维姿态模型输出调节指令，在本实施例中按键单元6包括8个按键，所述按键分别为K1~K8，所述按键两个为一组，分别对四个电动推杆10的电机发出正转或反转指令，所述按键K1~K8与第二单片机5的P1.0~P1.7引脚连接。
为了能够使按键单元6的指令信号发送至第一单片机，所述第二单片机5与第一单片机之间设置有蓝牙模块11，所述蓝牙模块11包括两个型号为HC-05蓝牙芯片，其中一个蓝牙芯片的RXD与TXD引脚与第二单片机的P3.2和P3.3引脚连接，另一个蓝牙芯片的RXD与TXD引脚与第一单片机的PC8和PC9引脚连接。
在管道机器人投入工作时，管道机器人在管道内作业，在管道机器人行进的同时，角速度传感器和加速度传感器以及磁传感器会对机器人的角速度加速度等数据进行测量，MPU6050芯片1和HMC5883L芯片2与第一单片机连接，通过第一单片机模拟 I2C总线进行通讯，角速度传感器和加速度传感器以及磁传感器将检测数据传输给第一单片机，检测数据通过卡尔曼滤波最终由NB-loT模块9上传上位机，上位机拟合出三维姿态模型，从三维姿态模型中可看出管道机器人的当前姿态是否平稳。工作人员根据图像中三维姿态模型预判管道机器人是否存在侧翻的可能，当存在侧翻的风险，工作人员将行进装置停机，然后通过调节车轮悬架高度对管道机器人进行调平。
在本实施例中通过三维姿态模型可以看出管道机器人前后左右四个方位与管道底面的夹角，既管道机器人当前是否平稳，所述四个电动推杆10布设于行进装置的四角，电动推杆10在伸缩时可改变车轮悬架的高度借此对管道机器人进行调平，根据情况按下按键K1~K8，其中奇数按键对应控制四个电动推杆10伸长，偶数按键对应控制四个电动推杆10缩短，工作人员一边调整一边观察三维姿态模型，最终使管道机器人处于调平状态，以此来达到防止管道机器人侧翻的效果。
以上所述之实施例，只是本实用新型的较佳实施例而已，并非限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本实用新型申请专利范围内。
Claims (7)
1.一种具有姿态调整功能的管道机器人，包括行进装置，所述行进装置包括车轮和车轮悬架，其特征在于，所述车轮悬架设置有用于通过改变车轮悬架高度对管道机器人姿态进行调整的多个电动推杆（10），所述行进装置设置有姿态检测系统，以及根据姿态检测数据对管道机器人进行调平的调整系统，所述姿态检测系统包括角速度传感器、加速度传感器和磁传感器，所述角速度传感器、加速度传感器用于测量在管道中行进的管道机器人的三维坐标，所述角速度传感器、加速度传感器和磁传感器连接有控制单元（4），所述控制单元（4）连接有上位机，所述控制单元（4）通过角速度传感器、加速度传感器和磁传感器所测量的数据计算出角速度、加速度并将其传输给上位机，上位机对角速度、加速度数据进行拟合得出管道机器人在管道内的三维姿态模型；所述调整系统根据上位机显示的三维姿态模型对管道机器人进行调平。
2.根据权利要求1所述的一种具有姿态调整功能的管道机器人，其特征在于，所述控制单元（4）包括第一单片机，所述第一单片机型号为STM32F103RCT6芯片。
3.根据权利要求2所述的一种具有姿态调整功能的管道机器人，其特征在于，所述角速度传感器、加速度传感器和磁传感器分别与第一单片机的IO口连接，所述角速度传感器和加速度传感器型号为MPU6050芯片（1），所述磁传感器型号为HMC5883L芯片（2）。
4.根据权利要求2所述的一种具有姿态调整功能的管道机器人，其特征在于，所述第一单片机与上位机之间设置有NB-loT模块（9），所述NB-loT模块（9）ADC和UART引脚分别与第一单片机的ADC和UART引脚连接，所述第一单片机通过NB-loT模块（9）与上位机通信。
5.根据权利要求2所述的一种具有姿态调整功能的管道机器人，其特征在于，所述电动推杆（10）与第一单片机之间设置有驱动芯片（8），所述驱动芯片（8）输入端与第一单片机的IO口连接，驱动芯片（8）的输出端与电动推杆（10）连接，第一单片机通过模拟PWM信号使驱动芯片（8）对电动推杆（10）进行长度调节。
6.根据权利要求1所述的一种具有姿态调整功能的管道机器人，其特征在于，所述调整系统包括第二单片机（5）和按键单元（6），所述按键单元（6）用于根据三维姿态模型输出调节指令，按键单元（6）与第二单片机（5）的IO口连接。
7.根据权利要求6所述的一种具有姿态调整功能的管道机器人，其特征在于，所述第二单片机（5）与控制单元（4）之间设置有蓝牙模块（11），所述蓝牙模块（11）用于第二单片机（5）与控制单元（4）之间进行通信，蓝牙模块（11）的RXD与TXD引脚与第二单片机（5）和第一单片机的IO口连接。
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