一种可变形的履带式管道机器人及其差速过弯方法

本发明属于管道机器人，具体涉及一种可变形的履带式管道机器人及其差速过弯方法。

背景技术：

1、管道是现代工业和城市基础设施的重要组成部分，广泛应用于输送各种物质，如水、石油、天然气。管道的高效和安全运作对经济和公共安全至关重要。随着时间的推移，管道内部可能出现腐蚀、结垢、堵塞等问题，这些问题会影响管道的正常功能。这些问题不仅降低了管道的效率，还可能导致环境污染和安全事故，需要定期巡检，管道机器人可以携带各种传感器进入管道内完成作业任务，但是管道内部的复杂环境，如狭窄空间、曲率、障碍物等，为机器人的设计和运行带来了挑战。当管道机器人通过不同曲率半径的管道以及存在障碍物的管道时，管道内机器人的行进路径就比较复杂，机器人很难通过此类管道。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提出一种可变形的履带式管道机器人及其差速过弯方法；解决目前的管道机器人很难通过不同曲率半径的管道以及存在障碍物的管道的问题。

2、为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

3、一种可变形的履带式管道机器人，包括机身主体，在机身主体的外侧面上沿着周圈设置有三个圆形阵列的履带足模块，每个履带足模块均通过一个中心变径模块与机身主体相连接，通过中心变径模块调节履带足模块与机身主体之间的间距，使得三个履带足模块都与管道内壁相接触；

4、所述履带足模块包括两块相互平行的主侧板，在两块主侧板的一端之间设置有主动支腿模块，在两块主侧板的另一端之间设置有从动支腿模块，主动支腿模块与从动支腿模块之间通过同步带传动机构相连接，在主动支腿模块与从动支腿模块内部均设置有履带轮，主动支腿模块与从动支腿模块的履带轮外侧套接有同一条履带，在主动支腿模块处的主侧板上设置有驱动电机，在从动支腿模块处的主侧板上设置有制动器；

5、当制动器处于通电锁定状态时，同步带传动机构停止运行，驱动电机控制主动支腿模块内部的履带轮转动而带动履带运行，当制动器处于断电解锁状态时，同步带传动机构开始运行，驱动电机控制主动支腿模块整体转动，主动支腿模块通过同步带传动机构带动从动支腿模块同步转动。

6、进一步的，所述主动支腿模块包括两块主动侧板，两块主动侧板位于两块主侧板之间，两块主动侧板通过多根连接杆相固定连接；在两块主动侧板的一端之间转动设置有第一履带轮，在两块主动侧板的另一端之间转动设置有第二履带轮，在第一履带轮的转轴上固定设置有从动直齿轮，从动直齿轮随着第一履带轮同步转动；在靠近主动支腿模块的一块主侧板的外侧面上固定设置有所述驱动电机，驱动电机的输出轴上固定设置有主动锥齿轮，在同侧的主侧板上转动设置有一根输入轴，在输入轴的外侧一端固定设置有从动锥齿轮，主动锥齿轮与从动锥齿轮相啮合。

7、进一步的，输入轴的内侧一端伸入至两块主动侧板之间，在输入轴的内侧一端固定设置有主动直齿轮，主动直齿轮与从动直齿轮相啮合；在两块主动侧板之间设置有传动轴，在远离输入轴的另一侧的主动侧板内部固定插接有联轴器，传动轴的一端与主动直齿轮相固定连接，传动轴的另一端通过轴承与联轴器的内侧一端相转动连接。

8、进一步的，所述从动支腿模块包括两块从动侧板，两块从动侧板位于两块主侧板之间，两块从动侧板通过多根连接杆相固定连接；在两块从动侧板的一端之间转动设置有第三履带轮，在两块从动侧板的另一端之间转动设置有第四履带轮；在第三履带轮与第四履带轮之间设置有一根从动轴，从动轴的两端固定插接于两块从动侧板内部并且伸出至两块从动侧板的外侧；在靠近从动支腿模块的一块主侧板的外侧面上固定设置有所述制动器，制动器的输出轴与从动轴的一端相固定连接；当制动器断电解锁时，从动轴与制动器的输出轴能够自由转动；当制动器通电锁定时，制动器的输出轴与从动轴均无法自由转动；在从动轴靠近制动器的一端外侧套接有扭簧，扭簧的两端分别与主侧板以及从动侧板相固定连接；从动轴远离制动器的一端伸出至远离制动器一侧的主侧板外侧。

9、进一步的，在第一履带轮、第二履带轮、第三履带轮、第四履带轮的外侧套接有同一个履带，第一履带轮与第二履带轮之间的连线同第三履带轮与第四履带轮之间的连线之间保持平行，因此履带为平行四边形的环状结构。

10、进一步的，所述同步带传动机构包括主动同步带轮、从动同步带轮、同步带，所述主动同步带轮固定设置于联轴器远离驱动电机的一端外侧，所述从动同步带轮固定设置于从动轴远离制动器的一端外侧，在主动同步带轮与从动同步带轮外侧套接有同步带。

11、进一步的，所述机身主体为圆柱形筒状结构，在机身主体的外侧圆柱面两端分别固定设置有三块圆形阵列的固定板，机身主体一端的三块固定板与机身主体另一端的三块固定板一一对应设置，在相对应的两块固定板之间设置有一组中心变径模块；在机身主体的内部设置有控制模块和ccd摄像模块。

12、进一步的，所述中心变径模块包括固定架、长杆、短杆、固定铰链、移动铰链、弹簧；所述固定架固定设置于两块相对应的固定板之间的机身主体外侧面上，在固定架的中部转动插接有两根固定铰链，在固定架上沿着其长度方向设置有两个相对称的移动槽，在每个移动槽内部设置有一个弹簧以及一根移动铰链，弹簧位于移动铰链远离固定铰链的一侧，弹簧的一端与移动槽远离固定铰链的一端相固定连接，弹簧的另一端与移动铰链相固定连接。

13、更进一步的，在每根移动铰链的两端分别转动连接有一根长杆，长杆的一端与移动铰链的端部相转动连接，长杆的另一端与同侧的主侧板相转动连接；在每根固定铰链的两端分别转动连接有一根短杆，短杆的一端与固定铰链的端部相转动连接，短杆的另一端与同侧的长杆的中部相转动连接。

14、一种可变形的履带式管道机器人的差速过弯方法，包括下述步骤，

15、第一步：通过管道机器人前端的ccd摄像模块来捕捉管道内部的全貌；

16、第二步：根据ccd摄像模块所捕捉到的图像进行预处理和分析，以清晰地标识出管道轴线；

17、第三步：使用边缘检测算法来识别管道的边界；

18、第四步：根据管道的边界，计算出管道的中心轴线；

19、第五步：进行数据转换和输出，通过线性插值法增加数据点，来完成空间曲线的拟合；

20、递归算法从一组线性插值得到的点开始，逐步细化每个段落，使之更接近实际的曲率；每次迭代，算法调整曲线点的位置，以更好地适应实际的管道形状；最终得到的空间曲线是由许多不同曲率的弧段连接而成的，这些弧段紧密地匹配管道轴线的实际形状；

21、第六步：从上述空间曲线上计算出不同位置的曲率，再进行坐标转换，即将图像坐标转换为管道机器人的三个履带足模块与管道接触点的实际空间坐标；

22、第七步：根据曲率数据计算履带足模块的理想速度；

23、第八步：使用pid控制器来实现速度的精准调节，首先确定履带足模块的目标速度，此目标速度是根据管道的曲率来计算得出的，计算目标速度与实际速度之间的误差，将pid控制器的输出应用到履带足模块的驱动器上，以调整履带足模块的速度，实时监测并调整控制输出，以确保履带足模块的速度接近或达到目标值，通过这种方式，pid控制器能够确保管道机器人的履带足模块在不同的管道曲率条件下保持合适的速度，从而优化管道机器人在管道内的导航和运动效率。

24、本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

25、（1）本发明提供了一种可变形的履带式管道机器人及其差速过弯方法，管道机器人通过ccd摄像模块，测量管道的中心轴线离散距离的弯曲曲率，管道轴线的离散位置的间距通常较长，通过线性插值法对曲线的曲率进行插值，可以获得更多的数据，从而提高空间曲线拟合的精度。通过插值后相邻两点之间的曲线长度很小，那么空间曲线可以看作是许多曲率不同的弧的连接，采用递归算法来获取每个曲线点的位置信息，从而拟合出空间曲线。结合ccd摄像模块测量的管道轴线作为空间曲线的弯曲曲率，通过递归算法提高空间曲线拟合的精度，通过所拟合的空间曲线准确地调节三个履带足模块的速度，使得管道机器人顺利通过弯管并且优化管道机器人通过弯道时的效率。

26、（2）本发明提供了一种可变形的履带式管道机器人及其差速过弯方法，在机身主体的外侧面上沿着周圈设置有三个圆形阵列的履带足模块，每个履带足模块均通过一个中心变径模块与机身主体相连接，通过中心变径模块可以调节履带足模块与机身主体之间的间距；通过中心变径模块内部的弹簧可以使得三个履带足模块都与管道内壁贴紧，从而使履带足模块和管道内壁之间有足够的正压力；通过中心变径模块内部的两组长杆以及短杆可以使得履带足模块的角度进行调整，从而使得履带足模块可以与变直径的管道内壁相贴紧；当管道机器人在没有障碍物的管道内壁前进时可以驱动履带运行来顺利通过管道；当管道机器人在有障碍物的管道内壁前进时可以驱动主动支腿模块以及从动支腿模块同时旋转，来使得主动支腿模块以及从动支腿模块同时抬升，从而可以顺利通过有障碍物的管道。

27、（3）本发明提供了一种可变形的履带式管道机器人及其差速过弯方法，采用三个周向120°布局的履带足模块，适应管道内的几何约束，并且在运行过程中对于弯管、障碍管有良好的通过性。此外，通过测量管道轴线的空间曲线的拟合方法来调节履带足模块的速度，从而控制管道机器人来通过不同曲率半径的弯管。