一种基于Arduino的可变径管道机器人套件的制作方法

一种基于arduino的可变径管道机器人套件
技术领域
1.本发明属于管道机器人技术领域，涉及一种基于arduino的可变径管道机器人套件。


背景技术：

2.所谓管道机器人，即是一种可沿小型管道内部/外部自动行走、携带传感器及操作机械，可在工作人员的遥控操作或在计算机自动控制下，进行一系列内管道作业的机、电、传一体化系统。
3.自上世纪70年代发展至今，管道检测领域已发展出多种类型的管道机器人，它们被大量生产并被广泛运用于各个工业领域中。常见的管道机器人类型有轮式机器人，履带式机器人、腹壁式机器人、蠕动式机器人等。而轮式机器人这一类，主要适配于用于内管道检测的旋转式摄像头(该类摄像头的经典型号：森盼wp-70d)，这类旋转式摄像头可以在管道内作360度成像，成像效果极佳且无死角，但由于该种摄像头主机形状(见附图20)的限制，该类摄像头一般只能被安装在没有动力的滑轮支架上，然后以人力方式推入管道内进行作业；目前来看，国内暂时没有适配于该型旋转式摄像头的管道机器人套件。而无动力滑轮支架的结构的单一性，使其无法再增加更多的外设部件，大大限制了功能性，令这种旋转式摄像头只能单纯地用于拍摄管道内壁情况；而且这种无动力滑轮支架还会存在另外一个问题：出于成本考虑，这类无动力滑轮支架大多采用一体注塑成型，其结构从加工完成之后便不能再进行改变，根本无法做到变径功能，这一限制使得滑轮支架所搭载的摄像头只能用于检测限定规格的管道，而无法更好地去检测其他规格的管道。但如今工业领域中已然运用到了多类型的生产设备，这就不可避免地运用到多种规格的管道，在这种背景下，无动力滑轮支架一成不变的结构就极大限制了旋转式摄像头的应用前景。


技术实现要素：

4.发明目的
5.本发明为解决传统无动力滑轮支架结构死板、用途单一的问题，提供了一种基于arduino的可变径管道机器人套件。
6.技术方案
7.一种基于arduino的可变径管道机器人套件，该套件包括：主体支架、与主体支架底部相连的电机支撑件和设置在主体支架顶部的顶盖，及设于主体支架内的旋转式摄像头；
8.所述主体支架包括底部与电机支撑件连接的支撑件固定槽，支撑件固定槽的上方设有1/4球型的腔体，腔体的一侧壁设有管线安装孔，管线安装孔远离腔体的一面设有非穿透孔，腔体的顶面设有顶盖连接导轨和中控电路支承板。
9.所述中控电路支承板与顶盖连接导轨不在同一水平高度，中控电路支承板的高度低于顶盖连接导轨。
10.所述支撑件固定槽为有高度的匚形，匚形相对的两个面分别开设两个矩形通孔，用于与电机支撑件的底部连接。
11.所述电机支撑件的一端设有与支撑件固定槽连接的支撑件前端定位块，支撑件前端定位块的一端设有电机收纳腔，电机收纳腔的两侧壁面上设有电机安装孔。
12.所述顶盖的底部设有与顶盖连接导轨相对应的顶盖连接导槽，顶盖的顶部薄板上设有多个导轮安装孔。
13.所述旋转式摄像头的一端设有摄像头感光单元，旋转式摄像头的另一端设有能够插入安装孔的内含数据线的固定轴，摄像头感光单元与内含数据线的固定轴之间连接有摄像头控制主机。
14.优点及效果
15.一种基于arduino单片机控制的可变径管道机器人套件，本套件安装便捷、其机械结构设计巧妙，可依据实际情况选配不同型号、不同推力的编码器电机；且套件拥有较为灵活的机械结构，可根据所处管道的内径情况实现自动变径，因此能够适应不同内径管道，从而避免因管道的内径不一，而使机器人产生不必要的颠簸进而影响到摄像头的成像效果。目前本套件所能适应的管道内径(亦是变径范围)为150mm至180mm；同时该机器人采用了arduino nano作为中控芯片，配合编码器电机使用，可实现急停、速度调节等功能；套件的电路系统设计中配备有定位模块，可轻松实现管道机器人在管道内的定位；另外该管道机器人套件除了可以用于放置旋转式摄像头，套件上还具有较多拓展槽，可供用户安装各种相关配件，提高了设备的可拓展性，真正做到一机多用。
附图说明
16.图1为本实用新型的主体支架的立体结构图；
17.图2为本实用新型的主体支架的立体结构图；
18.图3为本实用新型的主体支架的俯视图；
19.图4为本实用新型的主体支架的右视图；
20.图5为本实用新型的电机支撑件的立体结构图；
21.图6为本实用新型的电机支撑件的立体结构图；
22.图7为本实用新型的电机支撑件的立体结构图；
23.图8为本实用新型的电机支撑件的右视图；
24.图9为本实用新型的电机支撑件的俯视图；
25.图10为本实用新型的顶盖的立体结构图；
26.图11为本实用新型的顶盖的立体结构图；
27.图12为本实用新型的安装前的立体结构示意图；
28.图13为本实用新型的安装前的立体结构示意图；
29.图14为本实用新型的安装后的立体结构示意图；
30.图15为本实用新型的安装后的立体结构示意图；
31.图16为本实用新型的安装后的立体结构示意图；
32.图17为本实用新型的安装后的右视图；
33.图18为旋转式摄像头的立体结构图；
34.图19为旋转式摄像头装配到主体支架之前的立体结构图；
35.图20为旋转式摄像头装配到主体支架之后的右视图；
36.图21为旋转式摄像头装配到主体支架之后的立体结构图；
37.图22为本实用新型的总装后的整体结构示意图；
38.图23为电气系统结构图；
39.图24为电气系统的数据流图。
40.附图标记：1.主体支架；101.支撑件固定槽；102.支撑件连接槽定位孔； 103.顶盖连接导轨；104.中控电路支承板；105.腔体；106.管线安装孔；107. 非穿透孔；2.电机支撑件；201.电机收纳腔；202.支撑件前端定位块；203.支撑件定位块上定位孔；204.电机安装孔；3.顶盖；301.导轮安装孔；302.顶盖连接导槽；4.旋转式摄像头；401.摄像头感光单元；402.摄像头控制主机；403. 内含数据线的固定轴。
具体实施方式
41.下面结合附图对本发明做进一步的说明：
42.实施例
43.一种基于arduino的可变径管道机器人套件，该套件包括：主体支架1、与主体支架1底部相连的电机支撑件2和设置在主体支架1顶部的顶盖3，及设于主体支架1内的旋转式摄像头4；
44.主体支架1包括底部与电机支撑件2连接的支撑件固定槽101，支撑件固定槽101的上方设有1/4球型的腔体105，腔体105的一侧壁设有管线安装孔106，管线安装孔106远离腔体105的一面设有非穿透孔107，腔体105的顶面设有顶盖连接导轨103和中控电路支承板104。中控电路支承板104与顶盖连接导轨 103不在同一水平高度，中控电路支承板104的高度低于顶盖连接导轨103。
45.如附图1，腔体105可用于承载旋转式摄像头的主机部分(见附图20、21 示例旋转式摄像头的主机部分形状)，作用是增大受力面积，使摄像头(示例型号wp-70d)在移动时更稳定，进而可以保证更好的成像效果；如附图2所示，非穿透孔107与管线安装孔106呈同轴心关系；管线安装孔106的设置是为了方便安装旋转式摄像头的数据传输线；主体支架1的顶部有一主体支架-顶盖连接导轨103，该导轨起到连接主体支架1与顶盖3的作用；主体支架1的上方设置有一个中控电路支承板104，可以用于放置管道机器人的中控电路板；主体支架1的底部设计有主体支架-顶盖连接导轨103，其形状如附图1所示，该导轨起到连接主体支架1与电机支撑件2的作用。
46.支撑件固定槽101为有高度的匚形，匚形相对的两个面分别开设两个矩形通孔，用于与电机支撑件2的底部连接。
47.如附图6、7、8、9所示，电机支撑件2的一端设有与支撑件固定槽101连接的支撑件前端定位块202，支撑件前端定位块202的一端设有电机收纳腔201 (推荐使用的电机型号为：5840-3650编码器电机，该型电机可完全安装于腔体内)，电机收纳腔201的两侧壁面上设有电机安装孔204。电机安装孔204会与通用电机本体上的螺丝安装孔一一对应；分别用两颗螺栓固定相对的两个定位孔内，至此就将电机支撑件2限制在主体支架1上，完成固定后，电机支撑件2 只会发生相对于主体支架1的竖直运动而不产生冗余位移，达到适应不同
内径管道的目的。
48.如附图10、11所示，顶盖3的底部设有与顶盖连接导轨103相对应的顶盖连接导槽302，顶盖3的顶部薄板上设有多个导轮安装孔301。这些导轮安装孔可用于固定导轮，而导轮则可以使机器人在管道内行走得更流畅；顶盖连接导槽302可以与主体支架-顶盖连接导轨103契合
49.旋转式摄像头4的一端设有摄像头感光单元401，旋转式摄像头4的另一端设有能够插入安装孔109的内含数据线的固定轴403，摄像头感光单元401与内含数据线的固定轴403之间连接有摄像头控制主机402。
50.如附图18、19所示，旋转式摄像头的前部较大的圆柱体(圆直径为66mm) 是摄像头感光单元401、中部的锥形体是摄像头控制主机402、后部较小的圆柱体(圆直径为15mm)是内含数据线的固定轴403。
51.将该旋转式摄像头4固定在主体支架1上：在装配之前，旋转式摄像头4 与主体支架1的相对位置，以摄像头感光单元401朝外，固定轴403朝向主体支架1的形式准备进行装配；装配之后如附图20、21所示，摄像头控制主机402 完全贴合于主体支架1中的主体支架腔体105，而固定轴403通过管线安装孔 106伸出外面(注意，管线安装孔106的直径亦为15mm，故固定轴403与管线安装孔106产生了“零对零配合”，即两者之间无间隙，配合得很紧密)，此时还可以用膨胀螺栓或是自紧螺母通过非穿透孔107将固定轴403牢牢固定在主体支架1上，至此完成了将旋转式摄像头4固定在主体支架1的工作。
52.如附图22、23所示，中控电路以arduino nano单片机为核心，单片机的 rx0口外接有一个hc12无线模块(采用433mhz无线技术)，用以接收无线控制手柄发送的控制指令，电机系统(一般为5840-3650编码器电机)的控制线接入arduino nano单片机的两个端口内，直接受单片机控制，从而实现管道机器人的启停、速度控制、前进后退功能；同时，本套件还安装有gt-u12双模卫星模块，该模块通过arduino nano 8位单片机连有一独立hc12无线模块(亦采用433mhz无线技术)，可以先通过卫星定位获取机器人所处位置，然后通过无线传输的方式向上位机实时反馈机器人的位置，整个流程快捷且方便。
53.该套件的使用过程为：将主体支架1、电机支撑件2、顶盖3组装成一个完整的管道机器人结构后，先把旋转式摄像头的主机部分放置在主体支架腔体105 内，由于主体支架腔体105与旋转式摄像头的主机形状完全适配，可以保证旋转式摄像头始终与被测管道处于同轴心位置上；然后把电机(已将车轮安装至电机的传动轴；建议使用直径为80mm，宽度为20mm的窄车轮；车轮安装方式：根据电机传动轴的形状及型号选择不同规格的联轴器，再通过联轴器将车轮安装至电机上)安装在电机支撑件2中的电机收纳腔201上，用螺栓通过电机安装孔将电机固定到电机支撑件2上，接着把中控电路板(例程电路如附图所示) 用螺栓方式安装在中控电路支承板104上，最后将电机的信号控制线直接接入 arduino nano单片机的相应接口上。整个系统的供电可以用一块航模电池去解决，在这里建议使用格氏电池(规格：电压11.1v，电池容量：2200mah)，理由是该电池重量轻(约186g)，供电稳定且容量高。
54.在系统满载的情况下，根据公式：
55.续航时间＝6/(载重/(电池实际容量*电池电压*电池效率))
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(1)
56.(1)式中，载重取1000g，电池实际容量取2200mah，电池电压取11.1v，电池效率取
0.6(60％)；
57.得出：续航时间＝6/(1000/(2200*11.1*0.6))＝87.91(单位：分钟)
58.考虑到内阻消耗、电机待机的因素，在使用格氏2200mah电池的情况下，可以令系统持续运行约一小时(60分钟)，完全满足用户的管道内检测需求。接下来，用户可以通过无线控制手柄通过无线模块(型号：hc12)控制单片机，这里建议将无线控制手柄及无线模块的波特率均设置为38400，此举是为了避免影响另一个无线模块(此模块的波特率被设置为9600；如果模块之间的波特率相同，则会产生不可避免的信号干扰)对定位数据的传输；用户可以通过无线控制手柄上的按键控制电机的正反转、并通过手柄摇杆方式以输出pwm幅度调制信号的方式控制电机的运行速度；至于卫星定位模块，这里建议使用gt-u12 双模模块，搭配5dbi增益的天线，可以在较开阔环境下在管道内进行定位。
59.为了增加套件上电器元件的耐用性，可以为中控电路支承板107增加三防设计；
60.为了增加构件的强度及牢固性，可以使用cnc金属加工来生产机械构件；
61.本实用新型的管道机器人套件，在需要运用旋转式摄像头对目标管道进行检测时，只需将摄像头按操作章程安装到管道机器人套件上，然后便可以透过无线遥控器遥控该机器人套件，使其带着摄像头对管道进行勘测。