[发明专利]一种具有相对位置导航功能的管道爬行机器人

摘要

本发明公开了一种具有相对位置导航功能的管道爬行机器人，包括图像采集部分、机器人主体、手臂机构和相对定位系统；所述图像采集部分实现机器人行走过程中对目标和障碍物的识别，所述机器人主体作为机器人承载结构并用于连接其他结构，所述手臂机构驱动机器人在管道内的运动。管道爬行机器人实现对管道这种特殊空间的巡检、修复等工作，具有相对位置导航的定位系统，管道爬行机器人的大臂驱动机构中只使用一个曲柄驱动四个大臂同时运动，增加了机构的紧凑性，保证机器人大臂运动的协调性，有助于机器人在湿滑的管壁内保持重心的稳定与平衡；管道爬行机器人在管道内部面对不同管径时，通过改变小臂弯曲量，使机器人可以通过管径不同的管道。

主权项

1.一种具有相对位置导航功能的管道爬行机器人，其特征在于，包括图像采集部分、机器人主体、手臂机构和相对定位系统；/n所述图像采集部分包括摄像头、俯仰机构和转向机构，所述摄像头和俯仰机构均固定在转向机构上，所述摄像头采集管道内部的图像信息，摄像头和转向机构通过俯仰机构连接，所述俯仰机构用于使摄像头上升或者下降，改变摄像头的上下摆动的位置，所述转向机构用于使摄像头和俯仰机构进行180°旋转；/n所述机器人主体作为机器人承载结构，包括前盖板和后盖板，所述后盖板上安装有环形的轴承支架、滚针轴承、偏心重块和陀螺仪；所述轴承支架与滚针轴承的外环过盈配合，所述滚针轴承的内环与偏心重块过盈配合，所述偏心重块呈圆环形，通过滚针轴承能够进行回旋运动，并且内部装有半圆形的配重块，配重块上装有陀螺仪，所述配重块用于减少因地形特征引起的机器人回旋偏移对陀螺仪测量精度的影响；/n所述手臂机构包括大臂、动力杆、小臂、丝杆电机、丝杆、连接头和大臂驱动机构；/n所述大臂上开有滑槽，并通过旋转铰链和小臂相连，所述丝杆电机与丝杆固连，所述丝杆与连接头的一端形成螺旋副，所述连接头的另一端与动力杆固连，所述小臂和动力杆通过销连接。所述丝杆电机通过控制丝杆的旋转量，进而控制连接头和动力杆的位置，最终实现对小臂的控制；管道爬行机器人在管道内部面对不同管径时，通过调节丝杆电机改变小臂弯曲量，进而使机器人可以通过管径不同的管道；/n所述大臂驱动机构包括滑块、运动支架、光轴、光轴座、连杆和曲柄；所述曲柄和光轴座安装在机器人主体的前盖板上，所述曲柄与连杆通过铰链连接，所述连杆通过光轴座与光轴连接，连杆用于将曲柄的驱动力传递至光轴，所述光轴与运动支架固连，光轴与光轴座形成移动副，用于约束所述运动支架的运动，使其运动只能沿着机器人垂直中心线方向运动；所述滑块截面呈T字型，与大臂上的滑槽相配合，所述运动支架与滑块铰链连接，用于保证滑块与滑槽配合时不会发生径向移动；/n所述相对定位系统包括编码器、陀螺仪、控制器和电源模块；所述电源模块和控制器固连在机器人主体的后盖板上，所述编码器的中心连接有主动轮电机；所述编码器与陀螺仪均与控制器连接；所述控制器、编码器和陀螺仪均与电源模块连接；所述陀螺仪能够采集管道爬行机器人俯仰角、横滚角和航向角；当编码器的中心旋转时，编码器产生脉冲信号，控制器对编码器脉冲信号进行累加计数，并将累计的脉冲数转换为管道爬行机器人的直线位移长度，与陀螺仪产生的角位移一并写入控制器，控制管道爬行机器人转向；/n当管道爬行机器人开机工作时，所述控制器以初始爬行方向为X轴，初始水平面为XOY面建立符合右手定则的欧拉坐标系，所述控制器将每次累加脉冲计数的运行结果进行三维正交分解，投影至X轴、Y轴和Z轴坐标轴上，以形成相对位置导航的定位系统；并引入具有递归特性的贝叶斯滤波对机器人运动的相对位置进行修正，得到管道爬行机器人三维坐标的观测值后，管道爬行机器人在管道内t时刻估计位置的概率分布设为M_t：/nM_t＝p(M_t|M_1:t-1,N_1:t-1)/n式中，M_1:t-1与N_1:t-1分别表征从t＝1时刻到t-1时刻管道爬行机器人在管道内估计位置与观察位置的概率分布；陀螺仪上采集到管道爬行机器人在管道内t时刻的观测位置的概率分布建模为N_t：/nN_t＝p(N_t|M_1:t,N_1:t-1)M_1:t/n陀螺仪采集的观测量与管道爬行机器人具有独立性，并且假定t时刻管道爬行机器人的位置只与t-1时刻有关，引入朴素贝叶斯思想和马尔科夫链简化管道爬行机器人位置估计模型，并引入批处理方法对历次贝叶斯滤波计算结果进行递归，构建t时刻管道爬行机器人位置估计值p(M_t|N_1:t-1)与t-1时刻p(M_t-1|N_1:t-1)的关系：/np(M_t|N_1:t-1)＝∫p(M_t|M_t-1)p(M_t-1|N_1:t-1)dM_t-1/n通过陀螺仪采集到的t时刻观测位置N_t更新管道爬行机器人位置估计值，从而得到t时刻管道爬行机器人位置的后验分布p(M_t|N_1:t)：/n /n计算得到t时刻管道爬行机器人位置的后验分布后，作为下一时刻t+1时刻管道爬行机器人的先验分布，从而完成贝叶斯滤波算法的批处理；利用贝叶斯滤波算法增强相对位置导航功能的管道爬行机器人的导航定位精度。/n