管道清洁机器人的控制方法

技术领域

本申请涉及机器人控制技术领域，具体地，涉及一种管道清洁机器人的控制方法。

背景技术

在石油、天然气、核工业、给排水、管道输送等工业应用领域里，管道作为一种重要的运输工具一直发挥着非常重要作用。管道是一种工业中常见的运输工具，如污水排放管道，石油天然气管道，中央空调通风管道等，由于管道所处环境的复杂性和工业需要，这些管道不仅仅是单纯的直管，而是多种形式，例如具有一定斜坡的管道，管径变化的管道，带有圆弧的弯道，T型管道等。在管道使用过程中，管道油污、变形、堵塞、断裂、泄漏等问题一直存在，管道的检测、维修、清洗工作是一项繁杂和困难的工作。

在采用传统的人工维护方法中，存在着费用高、危险性高、维护质量低等问题。随着近年来科学技术和新型材料的发展，管道清洁机器人的出现极大的解决了管道维护的难题。管道清洁机器人属于工业机器人中一种特种机器人。一般来说，管道清洁机器人携带各种传感器和作业装备并在操作人员或计算机的控制下在管道内部实现对管道的常规检测和维修保养。它是专门针对输送管道的检测、清理、焊接而研制出来的，通过对管道进行定期和特定的检测维护和清理工作，管道安全可以得到长期的保障。然而，现有的管道清洁机器人在作业过程中，对特殊类型的管道的适用性较差，无法保证清洁效果。

发明内容

为了克服现有技术中的至少一个不足，本申请实施例提供一种管道清洁机器人的控制方法。

第一方面，提供一种管道清洁机器人的控制方法，包括：

管道清洁机器人包括伞型清洁机构、履带行走机构、检测及防护机构、控制机构和控制箱，控制机构设置在控制箱内部，伞型清洁机构和履带行走机构均连接控制箱，检测及防护机构连接伞型清洁机构；

伞型清洁机构用于对管道进行清洁，包括多个清洁头，多个清洁头通过压力调节机构连接控制箱；

履带行走机构用于实现管道清洁机器人在管道内的行走和支撑，包括多个履带行进盘，每个履带行进盘通过一个支撑支架连接控制箱；

检测及防护机构用于实现管道清洁机器人对管道内的障碍物的检测和安全防护，包括盾状机械防护头，盾状机械防护头上安装有至少一个超声波传感器，超声波传感器用于检测管道内的障碍物信息；

控制机构获取伞型清洁机构的姿态信息、清洁头与管道内壁之间的压力，并根据伞型清洁机构的姿态信息、压力控制压力调节机构运动以调节清洁头与管道内壁之间的压力；

控制机构获取履带行走机构的姿态信息、履带行进盘与管道内壁之间的压力，并根据履带行走机构的姿态信息、压力控制支撑支架运动以调节履带行进盘与管道内壁之间的压力；

当清洁头与管道内壁之间的压力、履带行进盘与管道内壁之间的压力达到设定要求时，控制机构控制伞型清洁机构对管道进行清洁；当控制机构根据获取到的管道内的障碍物信息判断管道内存在障碍物时，控制履带行走机构运动以避开障碍物。

在一个实施例中，清洁头与管道内壁之间的压力达到设定要求，指的是清洁头与管道内壁之间的压力满足以下公式：

其中，F

在一个实施例中，履带行进盘与管道内壁之间的压力达到设定要求，指的是，履带行进盘与管道内壁之间的压力满足以下公式：

其中，Fn表示实时测得的履带行进盘与管道内壁之间的压力，j表示履带行走机构行走范围划分的第j个90度扇区，j＝1,2,3,4，b

在一个实施例中，控制机构包括系统控制器、伞型清洁机构姿态控制单元、履带行走机构姿态控制单元，伞型清洁机构姿态控制单元、履带行走机构姿态控制单元均连接系统控制器；伞型清洁机构姿态控制单元、履带行走机构姿态控制单元分别用于控制伞型清洁机构、履带行走机构以实现相应功能。

在一个实施例中，控制机构获取管道内的气体信息和温度信息，并根据气体信息和温度信息控制检测及防护机构喷水。

在一个实施例中，控制机构包括系统检测单元和清洁系统喷洒控制单元，系统检测单元包括气体传感器和温度传感器，气体传感器和温度传感器分别用于获取管道内的气体信息和温度信息，清洁系统喷洒控制单元用于控制检测及防护机构喷水。

在一个实施例中，伞型清洁机构设置有2个，在管道清洁机器人对管道进行清洁的过程中，2个伞型清洁机构位于管道清洁机器人沿管道长度方向的两端。

在一个实施例中，压力调节机构包括：支撑杆、多个伞骨、多个伞骨拉伸杆、多个电动驱动盒；

支撑杆的一端连接控制箱，支撑杆的另一端连接检测及防护机构；

支撑杆通过多个伞骨安装多个清洁头，每个清洁头与控制箱内的水箱连通，用于清洁管道；每个伞骨的中间位置通过一个伞骨拉伸杆连接支撑杆，多个伞骨在多个伞骨拉伸杆的作用下收拢或者展开；

每个清洁头上对应安装一个电动驱动盒，电动驱动盒用于驱动清洁头旋转以清洁管道；电动驱动盒内安装有压力传感器，用于检测清洁头与管道内壁之间的压力。

在一个实施例中，履带行进盘包括履带驱动盒、转动轴和履带机构，履带驱动盒通过转动轴带动履带机构转动；履带驱动盒内安装有压力传感器，用于检测履带行进盘与管道内壁之间的压力；

支撑支架包括底盘连接杆、横向支撑方形杆、两个活动限位杆、竖向可伸缩限位杆，竖向可伸缩限位杆上套装有支撑弹簧，底盘连接杆一端连接履带行进盘，另一端连接横向支撑方形杆，横向支撑方形杆通过两个活动限位杆和竖向可伸缩限位杆连接控制箱，横向支撑方形杆与两个活动限位杆和竖向可伸缩限位杆均活动连接。

在一个实施例中，控制机构还包括：通讯单元、系统供电单元和电池组；通讯单元用于实现管道清洁机器人与外界的通信，系统供电单元和电池组用于向管道清洁机器人的各个单元供电。

相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：本申请通过调节清洁头与管道内壁之间的压力、履带行进盘与管道内壁之间的压力达到设定要求时，控制伞型清洁机构对管道进行清洁；当控制机构根据获取到的管道内的障碍物信息判断管道内存在障碍物时，控制履带行走机构运动以避开障碍物。本申请通过对管道清洁机器人进行控制，能够调整清洁直径范围，使其适用于不同大小管径的管道清理工作；管道清洁机器人的结构简单，控制快捷，清洁能力强，具有避障能力，可以适用在不同管径、不同形状的管道。

附图说明

本申请可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。在附图中：

图1示出了根据本申请实施例的管道清洁机器人的结构示意图；

图2示出了根据本申请实施例的伞型清洁机构的结构示意图；

图3示出了根据本申请实施例的清洁头的结构示意图；

图4示出了根据本申请实施例的履带行走机构的结构示意图；

图5示出了根据本申请实施例的履带行进盘的结构示意图；

图6示出了根据本申请实施例的检测及防护机构的结构示意图；

图7示出了根据本申请实施例的控制机构的结构示意图。

附图标记：

1-管道；2-盾状机械防护头；3-支撑杆；4-控制箱；5-固定套筒；6-活动套筒；7-伞骨拉伸杆；8-伞骨；9-电动驱动盒；10-清洁头；11-供水管；12-履带机构；13-底盘连接杆；14-横向支撑方形杆；15-活动限位杆；16-竖向可伸缩限位杆；17-支撑弹簧；18-履带驱动盒；19-柔性连接绳；20-注水孔；21-转动轴；22-喷洒头；23-超声波传感器；24-系统控制器；25-伞型清洁结构姿态控制单元；26-清洁系统喷洒控制单元；27-水箱；28-履带行走机构姿态控制单元；29-系统检测单元；30-通讯单元；31-系统供电单元；32-电池组。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本申请的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施例的不同而有所改变。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本申请，在附图中仅仅示出了与根据本申请的方案密切相关的装置结构，而省略了与本申请关系不大的其他细节。

应理解的是，本申请并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。在本文中，在可行的情况下，实施例可以相互组合、不同实施例之间的特征替换或借用、在一个实施例中省略一个或多个特征。

图1示出了根据本申请实施例的管道清洁机器人的结构示意图，参见图1，管道清洁机器人包括：伞型清洁机构、履带行走机构、检测及防护机构、控制机构和控制箱4，控制机构设置在控制箱4内部，伞型清洁机构和履带行走机构均连接控制箱4，检测及防护机构连接伞型清洁机构，以下对管道清洁机器人中各个机构的具体结构进行详细介绍。

图2示出了根据本申请实施例的伞型清洁机构的结构示意图，图3示出了根据本申请实施例的清洁头的结构示意图，参见图2和图3，伞型清洁机构用于对管道进行清洁，包括多个清洁头10，具体可以设置为6个，多个清洁头10通过压力调节机构连接控制箱4；伞型清洁机构设置有2个，在管道清洁机器人对管道进行清洁的过程中，2个伞型清洁机构位于管道清洁机器人沿管道长度方向的两端，可以高效完成管道的清洁。

压力调节机构包括：支撑杆3、多个伞骨8、多个伞骨拉伸杆7、多个电动驱动盒9；支撑杆3的一端连接控制箱4，支撑杆3的另一端连接检测及防护机构；支撑杆3通过多个伞骨8安装多个清洁头10，每个清洁头10与控制箱4内的水箱27连通；每个伞骨8的中间位置通过一个伞骨拉伸杆7连接支撑杆3，多个伞骨8在多个伞骨拉伸杆7的作用下收拢或者展开以调节清洁头10与管道内壁的距离，每个清洁头10上对应安装一个电动驱动盒9，电动驱动盒9用于驱动清洁头10旋转以清洁管道；电动驱动盒9内安装有压力传感器，用于检测清洁头10与管道内壁之间的压力。这里，伞骨8一端与支撑杆3通过固定套筒5连接，固定套筒5固定在支撑杆3上，伞骨8另一端与电动驱动盒9铰接，多个伞骨8在空间上均匀分布，每两个伞骨8之间用柔性连接绳19连接以限制伞骨8撑起最大角度。伞骨拉伸杆7一端铰接在伞骨8上，另一端铰接在活动套筒6上，活动套筒6与支撑杆3内部的拉伸装置连接，拉伸装置能够在控制机构的作用下伸缩。2个伞型清洁机构在空间角度上互差30度，2个伞型清洁机构的清洁头在管道清洁机器人清洁工作期间，按照相反的旋转方向和恒定的转速自旋转。这里，每个电动驱动盒9的注水孔20通过一根供水管11与水箱27连通，为清洁头10提供清洁用水。

图4示出了根据本申请实施例的履带行走机构的结构示意图，图5示出了根据本申请实施例的履带行进盘的结构示意图，参见图4和图5，履带行走机构用于实现管道清洁机器人在管道内的行走和支撑，包括多个履带行进盘，每个履带行进盘通过一个支撑支架连接控制箱，这里可以设置4个履带行进盘；

具体地，履带行进盘包括履带驱动盒18、转动轴21和履带机构12，履带驱动盒18内设置有电机驱动系统，通过转动轴21带动履带机构12转动；履带驱动盒18内安装有压力传感器，用于检测履带行进盘与管道内壁之间的压力；支撑支架包括底盘连接杆13、横向支撑方形杆14、两个活动限位杆15、竖向可伸缩限位杆16，竖向可伸限位杆16上套装有支撑弹簧17，底盘连接杆13一端连接履带行进盘，另一端连接横向支撑方形杆14，横向支撑方形杆14通过两个活动限位杆15和竖向可伸限位杆16连接控制箱4，竖向可伸缩限位杆16一端穿过横向支撑方形杆14，两个活动限位杆15的一端与横向支撑方形杆14铰接，实现横向支撑方形杆14纵向位移量的调整，这里，支撑弹簧17可以有效抑制履带行走机构在行进过程中的震动问题，同时可以保证履带行走机构适用于不同直径的管道工作环境。采用履带作为机器人行走主要结构可以增大机器人的与管道内管面的摩擦力，保证机器人在清洁工作中不随意发生滑动。该机构也可以通过支撑支架调整与管道内壁的接触距离，可以满足不同管径的管道清洁。清洁机器人进入了不同管径的管道时候，控制机构根据伞型清洁机构和履带行走机构回传的压力传感器信息进行管道特征判断，同时逐渐调整伞型清洁机构和履带行走机构结构的姿态，直到机器人的各个压力传感器数值满足理论计算值。机器人进入不同管径管道过程中，清洁工作一直持续进行直到整个清洁任务完成。

图6示出了根据本申请实施例的检测及防护机构的结构示意图，参见图6，检测及防护机构用于实现管道清洁机器人对管道内的障碍物的检测和安全防护，包括盾状机械防护头2，检测及防护机构设置有2个，分别安装在2个伞型清洁机构上，盾状机械防护头2可以保护管道清洁机器人控制机构、伞型清洁机构、履带行走机构的安全运行。盾状机械防护头2上安装有至少一个超声波传感器23，超声波传感器23用于检测管道内的障碍物信息；盾状机械防护头2上设置有至少一个喷洒头22，用于根据控制机构的指令喷洒水雾以减低危险烟尘浓度喷水。

图7示出了根据本申请实施例的控制机构的结构示意图，参见图7，控制机构包括系统控制器24、伞型清洁机构姿态控制单元25、履带行走机构姿态控制单元28，伞型清洁机构姿态控制单元25、履带行走机构姿态控制单元28均连接系统控制器24；伞型清洁机构姿态控制单元25、履带行走机构姿态控制单元28分别用于控制伞型清洁机构、履带行走机构以实现相应功能。

其中，系统控制器24为STM32控制器，主要采用STM32F103C8T6控制芯片。该芯片是一款32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V～3.6V，工作温度为-40℃～85℃。该芯片采用高性能的ARM Cortex-M3的72兆赫频率的32位RISC核心操作系统，具有高速嵌入式记忆体和广泛的增强型I/O及其他外设。该芯片丰富的接口和外设可以实现系统的伞型清洁结构、清洁系统喷洒控制、履带行走机构姿态控制、障碍物检测、通讯等功能。

控制机构还包括系统检测单元29和清洁系统喷洒控制单元26，系统检测单元29包括姿态角度传感器、气体传感器和温度传感器，姿态角度传感器用于获取伞型清洁机构的姿态信息和履带行走机构的姿态信息，气体传感器、温度传感器分别用于获取管道内的气体信息和温度信息，清洁系统喷洒控制单元26用于控制检测及防护机构喷水，清洁系统喷洒控制单元26还用于控制输送到清洁头的水量；控制机构还包括GPS卫星定位模块，GPS卫星定位模块可以实现机器人在管道内部的精确定位。

控制机构还包括：通讯单元30、系统供电单元31和电池组32；通讯单元30用于实现管道清洁机器人与外界的通信，系统供电单元31和电池组32用于向管道清洁机器人的各个单元供电。

外部控制中心下达清洁指令，清洁机器人控制系统根据通讯单元接收到的控制指令进入管道开始清洁工作。清洁机器人的压力检测器、超声波传感器、姿态角度传感器、气体传感器和温度传感器等检测传感器开始实时工作并反馈检测数据到系统控制器，同时这些数据通过通讯单元无线上传到管道外部的控制中心。清洁机器人控制策略根据压力传感器和姿态角度传感器实时检测数据实时调整机器人伞型清洁机构和履带行走机构的行进姿态。当机器人接近管道检修口后，机器人清洁作业停止并进入待机状态。此时，人工补充水箱清洁用水。如果电池组电量不足，及时人工更好电池组并做简单设备检修。机器人状态正常后，机器人继续执行清洁作业任务直到完成整个管道的清洁工作。

本申请实施例提供一种管道机器人的控制方法，包括：

步骤1，管道检修口安装临时通讯天线，启动管道清洁机器人。

步骤2，系统初始化。设置控制系统参数，检测管道清洁机器人各个机构是否正常。

步骤3，控制机构获取伞型清洁机构的姿态信息、清洁头与管道内壁之间的压力，并根据伞型清洁机构的姿态信息、压力控制压力调节机构运动以调节清洁头与管道内壁之间的压力；

具体地，系统控制器根据获取的伞型清洁机构的姿态信息确定伞型清洁机构当前姿态，当检测到清洁头与管道内壁之间的压力未达到设定要求时，通过伞型清洁机构姿态控制单元，控制支撑杆内的拉伸装置根据伞型清洁机构当前姿态带动压力调节机构的伞骨和伞骨拉伸杆运动使得伞型清洁机构展开，使得清洁头紧靠在管道内壁；

步骤4，控制机构获取履带行走机构的姿态信息、履带行进盘与管道内壁之间的压力，并根据履带行走机构的姿态信息、压力控制支撑支架运动以调节履带行进盘与管道内壁之间的压力；

具体地，系统控制器根据获取的履带行走机构的姿态信息确定履带行走机构的当前姿态，当检测到履带行进盘与管道内壁之间的压力未达到设定要求，通过履带行走机构姿态控制单元，根据履带行走机构的姿态信息控制支撑支架的两个活动限位杆运动，使得履带行进盘紧靠在管道内壁，当两个活动限位杆相互靠近时，履带行走机构与管道内壁之间的垂直距离减小，当两个活动限位杆相互远离时，履带行走机构与管道内壁之间的垂直距离增大，两个活动限位杆位移变化可以调节履带行走机构和管道内壁之间的有效距离，从而达到了调节伞型清洁机构紧靠管道内壁进行清洁作业任务；

步骤5，当清洁头与管道内壁之间的压力、履带行进盘与管道内壁之间的压力达到设定要求时，控制机构控制伞型清洁机构对管道进行清洁；这里，控制机构中的清洁系统喷洒控制单元控制水箱中的水进入清洁头，并控制进入清洁头的水量，减小清洁头清洁阻力，提高清洁质量。

当控制机构根据获取到的管道内的障碍物信息判断管道内存在障碍物时，控制履带行走机构运动以避开障碍物。

其中，清洁头与管道内壁之间的压力达到设定要求，指的是压力满足以下公式：

其中，F

履带行进盘与管道内壁之间的压力达到设定要求，指的是，压力满足以下公式：

其中，Fn表示实时测得的履带行进盘与管道内壁之间的压力，j表示履带行走机构行走范围划分的第j个90度扇区，j＝1,2,3,4，b

在一个实施例中，方法还包括：控制机构获取管道内的气体信息和温度信息，并根据气体信息和温度信息控制检测及防护机构喷水。

该实施例中，系统控制器不断分析气体检测传感器检测值，当出现危险烟尘时，系统控制器启动水泵将水箱中的清洁用水通过水管管路匀速加压到检测及防护机构的喷洒头，所喷洒出的水雾可以降低危险烟尘浓度，这样可以提高机器人的安全性和各个子设备工作稳定性。

综上，本申请通过调节清洁头与管道内壁之间的压力、履带行进盘与管道内壁之间的压力达到设定要求时，控制伞型清洁机构对管道进行清洁；当控制机构根据获取到的管道内的障碍物信息判断管道内存在障碍物时，控制履带行走机构运动以避开障碍物。本申请通过对管道清洁机器人进行控制，能够调整清洁直径范围，使其适用于不同大小管径的管道清理工作；管道清洁机器人的结构简单，控制快捷，清洁能力强，具有避障能力，可以适用在不同管径、不同形状的管道。

以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。