[发明专利]基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人系统

权利要求书

1.一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人系统， 其特征在于它包括本体机械结构和控制系统；其中，所述本体机械结构 由螺旋头、机身和保持架构成；所述机身是机器人的主体，所述螺旋头 和保持架均安装在机身上；所述螺旋头在圆周方向上分布安装有驱动 轮；所述保持架在圆周方向上分布安装有导向轮；所述驱动轮和导向轮 均通过连接杆连接到螺旋头和保持架上。

2.根据权利要求1所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式 驱动管道机器人系统，其特征在于所述螺旋头在圆周方向上均匀分布着 三组驱动轮，每两组驱动轮之间的间隔为120°。

3.根据权利要求2所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式 驱动管道机器人系统，其特征在于所述三组驱动轮的每组都由单个车轮 构成，而且每个车轮的轴线与管道的中心线成一个夹角α，当车轮沿着 管道内壁移动一圈时，管道机器人移动的直线距离为L＝πDtanα，其中 D为管道内径。

4.根据权利要求1所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式 驱动管道机器人系统，其特征在于所述保持架在圆周方向上均匀分布着 三组导向轮，每两组导向轮之间的间隔为120°。

5.根据权利要求4所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式 驱动管道机器人系统，其特征在于所述三组导向轮的每组都由单个车轮 构成，而且每个车轮的轴线与管道的中心线平行，对机器人起支撑、导 向作用。

6.根据权利要求1所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式 驱动管道机器人系统，其特征在于所述连接杆的径向装有高强度弹簧， 使行走机构即驱动轮和导向轮对管壁始终保持一定的压力和摩擦力。

7.根据权利要求1所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式 驱动管道机器人系统，其特征在于所述控制系统，包括上位PC机、路 由器、Wifi连接器，其特征在于它是由单片机、电源模块、电机驱动模 块、直流驱动电机、检测模块和通讯模块构成；其中所述电源模块为单 片机和检测模块提供5V直流电，为通讯模块提供3.3V直流电，为电机 驱动模块提供12V直流电；所述单片机与通讯模块和检测模块分别呈双 向连接，且所述单片机的输入端分别与电源模块和检测模块的输出端连 接；所述单片机的输出端连接电机驱动模块的输入端；所述电机驱动模 块的输出端输出驱动信号驱动直流驱动电机，最终驱动管道机器人本体 运动。

8.根据权利要求7所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式 驱动管道机器人系统，其特征在于所述单片机是美国微芯公司生产的 PIC系列单片机芯片；所述通讯模块是Wifi通讯传输芯片，可以通过路 由器和Wifi连接器与手机、摄像头、上位PC机连接；所述电源模块是 3节3.7V的可充电式锂电池，作为系统的主电源，系统峰值电压可达 12.6V，电容量为2600mAh，可以对其它功能模块和执行元件实现无拖 缆式直流供电；所述电源模块经稳压元件可输出的电压为5V、3.3V； 所述电机驱动模块是美国国家半导体公司的LMD18200直流电机驱动 芯片。

9.根据权利要求7所述一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式 驱动管道机器人系统，其特征在于所述检测模块是由超声波测距单元、 霍尔测速单元、倾角检测单元、温湿度检测单元、定位检测单元和视频 检测单元构成；所述超声波测距单元采用超声波传感器；所述霍尔测速 单元采用的是霍尔测速元件；所述霍尔测速单元的输入端采集管道机器 人本体上导向轮的车轮信息，其输出端连接PIC单片机的输入端；所述 倾角检测单元采用倾角传感器；所述温湿度检测单元采用温湿度传感 器；所述定位检测单元是非接触式读卡器；所述视频检测单元是Wifi 摄像头；所述单片机、直流驱动电机、电源模块、电机驱动模块、检测 模块和通讯模块均安装在机身内部。

10.一种基于高强度弹簧压壁装置的螺旋轮式驱动管道机器人系统 的工作方法，其特征在于它是以车轮直线速度为反馈量的全闭环伺服控 制系统，采用模糊自适应PID控制算法，具体包括以下步骤：

①由上位PC机设定管道机器人车轮直线移动速度，作为设定值， 通过通讯模块输送给单片机。

②单片机把速度设定值处理转化成PWM信号，输送给电机驱动模 块。再由电机驱动模块驱动直流驱动电机旋转。

③用霍尔测速元件检测管道机器人直线移动速度脉冲，反馈给单片 机；

④单片机把采集到的霍尔测速元件信号进行计算处理，得到管道机 器人实际直线移动速度，通过通讯模块，输送回上位PC机。

⑤在上位PC机中，实际直线移动速度与设定值作比较，得出的偏 差量和偏差率，作为模糊自适应PID控制器的输入量。而输出量则是经 模糊自适应PID算法调节后的新的速度设定值，重复①-④的步骤，直 至速度偏差为零，系统稳定下来。