本发明涉及内管道巡检机器人领域，更具体地说，涉及一种刚柔转换过弯管道巡检机器人及其控制方法。
背景技术：
1、管道运输是一种高效、安全、环保的运输方式，具有传输距离长、成本低、安全可靠、节能环保等特点，管道运输广泛应用于石油、天然气等工业领域，是现代化的重要运输方式之一。由于管道长时间运行，会不可避免的产生腐蚀、磨损、变形等各种缺陷，因此需要定期对管道内壁进行有效的检测和维护。由于管道空间狭小，内部结构复杂，常规的检测检测方法效率较低，因此需要用到管道巡检机器人。
2、管道机器人是一种能够在管道内自主运动、巡检、检测和维修的机器人系统，携带一种或多种传感器及操作装置，通过工作人员远距离的遥控操作或计算机的自主控制，完成管道缺陷检测、管道清洁等一系列的工作。采用管道机器人来代替人工进行巡检，具有高效、安全、全面和准确的特点。
3、但目前已有的管道巡检机器人在巡检效率、管径适应能力、越障能力等方面仍存在一些不足，因此，开发一种能够在管道内自主行走、越障、变换运动模式、高灵活性以及进行巡检任务的机器人，具有重要的意义和价值。
技术实现思路
1、本发明的主要目的是提出一种刚柔转换过弯管道巡检机器人及其控制方法，旨在解决目前管道巡检机器人存在的适应管径范围小、运动不平稳、灵活性差、检测效率和精度较低的问题。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
3、一种刚柔转换过弯管道巡检机器人，包括前后两套结构相同的支撑与驱动单元、一套刚柔转换单元和一套转向单元共四个部分，其中支撑与驱动单元包括机体、用于行走及支撑的自适应变径机构和检测装置。
4、更进一步的，机体包括一套前端挡板、机体外壳、后端挡板、置物盒；所述前端挡板与后端挡板形状为六边形，分别布置在机体的前后位置；所述机体外壳整体结构呈中空的六棱柱，所述机体外壳的三个相隔的侧面设有矩形滑槽，所述矩形滑槽的中心处设有轴承组件安装孔一，所述矩形滑槽的两侧中间各设有两个固定铰座，所述机体外壳两端面设有若干螺纹孔一；所述置物盒为一个中空的六棱柱，中间设有隔板；所述前端挡板与后端挡板分别与机体外壳两端螺纹孔一通过螺钉固连，所述置物盒位于机体外壳内部且一端与前端挡板通过螺钉固连。
5、更进一步的，自适应变径机构共三套，呈120°周向均布安装在机体中部的固定铰座上，每套自适应变径机构包括一套变径支撑机构与一套行走驱动机构；所述变径支撑机构包括滑块导向杆、第一弹簧、第一滑块、第二滑块、第二弹簧、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、齿轮、齿轮两侧的一对对称交错布置的第一齿条与第二齿条、变径驱动组件、第一驱动电机、第一驱动电机安装支座。
6、更进一步的，所述滑块导向杆中部设有限位凸台且两端设有螺纹孔，所述滑块导向杆两端分别与所述前端挡板与后端挡板固连；所述第一弹簧、第一滑块和第一齿条构成第一变径组件，所述第二弹簧、第二滑块和第二齿条构成第二变径组件，所述第一变径组件与第二变径组件结构相同且相对于机体中心对称交错布置；所述第一齿条与第二齿条位于所述齿轮两侧，呈对称交错布置且分别与齿轮进行啮合传动；所述第一滑块与第二滑块均呈“t”字型并设有导向孔，所述第一滑块通过导向孔套在滑块导向杆上，所述第一滑块下端的矩形导块与所述机体外壳的矩形滑槽配合构成移动副；所述第一弹簧套在滑块导向杆上且两端分别与前端挡板、第一滑块固连；所述第一齿条位于机体外壳的矩形滑槽中且与第一滑块一侧固连。
7、更进一步的，变径驱动组件包括第一轴承组件、第一传动轴、第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述第一轴承组件安装在所述轴承组件安装孔中，所述第一传动轴由所述第一轴承组件支撑并穿过机体外壳，所述齿轮固定在第一传动轴一端并位于机体外壳的矩形滑槽中；所述第一锥齿轮固定在所述第一传动轴的另一端；所述第一驱动电机安装支座位于机体外壳内并固定在后端挡板上，所述第一驱动电机固定在第一驱动电机安装支座上，所述第一驱动电机的输出轴与第二锥齿轮固定连接，第二锥齿轮与第一锥齿轮进行啮合传动。
8、更进一步的，所述变径支撑机构还包括四组结构相同的以滑块为主动件的曲柄滑块四杆机构，且它们对称布置在机体外壳上，其中，由第一滑块、第一连杆、第二连杆和滑块导向杆构成第一曲柄滑块四杆机构，由第二滑块、第三连杆、第四连杆和滑块导向杆构成第二曲柄滑块四杆机构，第三曲柄滑块四杆机构和第一曲柄滑块四杆机构的结构相同且相对于滑块导向杆对称布置，第四曲柄滑块四杆机构和第二曲柄滑块四杆机构的结构相同且相对于滑块导向杆对称布置；所述第一连杆两端与中间设有铰接孔，所述第二连杆两端设有铰接孔，所述第一连杆一端与第一滑块的滑块铰座进行铰接，所述第二连杆的一端与所述机体中部的固定铰座进行铰接，所述第二连杆另一端与第一连杆中间的铰接孔进行铰接。
9、更进一步的，所述行走驱动机构包括驱动轮、第二轴承组件、第二传动轴、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第二驱动电机、u型架、第二驱动电机安装架、超声波检测探头安装槽、第三驱动电机安装板、第三驱动电机、第一弹簧减震器、第二弹簧减震器、连杆支撑板、第三轴承组件。所述连杆支撑板为u型槽钢且其两个侧面设有腰型滑槽和铰接孔一，所述第一连杆与连杆支撑板的腰型滑槽铰接，且第一连杆的一端可在腰型滑槽中移动，所述第四连杆一端与连杆支撑板的铰接孔一铰接；所述第三驱动电机安装板为矩形平板且上端面设有轴承组件安装孔，所述第一弹簧减震器和第二弹簧减震器分别对称布置于所述连杆支撑板的两侧，所述第一弹簧减震器和第二弹簧减震器的下端分别与连杆支撑板固连，上端分别与第三驱动电机安装板固连。
10、更进一步的，所述第三轴承组件安装在所述第三驱动电机安装板的轴承组件安装孔中并与u型架底部凸台进行过盈配合连接；所述第三驱动电机安装在第一弹簧减震器与第二弹簧减震器的中间且与第三驱动电机安装板下端面固连，所述第三驱动电机输出轴穿过第三驱动电机安装板与u型架底部凸台固连；所述超声波检测探头安装槽位于u型架两侧。
11、更进一步的，所述u型架两侧设有与轴承组件相配合的通孔，所述第二传动轴通过布置在u型架两侧孔中的两个第二轴承组件支撑；所述第四锥齿轮固连在第二传动轴上，两个所述驱动轮对称安装在第二传动轴的两端且位于u型架外侧；所述第二驱动电机安装架呈l型且固定在u型架上，所述第二驱动电机固定安装在第二驱动电机安装架上；所述第三锥齿轮与第二驱动电机输出轴固连，所述第三锥齿轮与第四锥齿轮进行啮合传动。
12、更进一步的，刚柔转换单元包括刚性卡块和刚柔转换机构组件，所述刚柔转换机构组件包括第一电动推杆、第一连接杆、第二电动推杆和第二连接杆；所述第一电动推杆尾端与前端挡板上的铰座连接，所述第一电动推杆伸出端与第一连接杆一端铰接，所述第一连接杆通过后端挡板上的通孔支撑且第一连接杆靠近铰链一端设有限位凸台；所述刚性卡块整体为圆柱形，中间设有圆柱通孔，两侧设有凸耳，所述第一连接杆的另一端与刚性卡块的凸耳固连；所述第二电动推杆、第二连接杆与第一电动推杆、第一连接杆结构相同，对称布置在机体另一侧，第二连接杆与刚性卡块的另一侧凸耳固连。
13、更进一步的，所述转向单元包括转向机构组件和第四驱动电机，所述转向机构组件包括第一连接轴、第四轴承组件、u型连接板、第四驱动电机固定板、第五轴承组件和第二连接轴；所述u型连接板u型底部设有轴承组件安装孔，所述第一连接轴与u型连接板通过第四轴承组件支撑连接；所述u型连接板的两侧设有螺纹孔，所述第四驱动电机的双出轴与u型连接板两侧的螺纹孔固连；所述第四驱动电机固定板呈u型，u型第四驱动电机固定板底部设有轴承组件安装孔，两侧设有螺纹孔，所述第四驱动电机本体与第四驱动电机固定板两侧螺纹孔固连；所述第二连接轴与第四驱动电机固定板通过第五轴承组件支撑连接；所述第一连接轴一端设有螺纹孔且与机体后端挡板外侧的凸台固连。
14、更进一步的，所述检测装置包括红外摄像机、gps定位装置、数据处理器、plc、控制器、电池组件、超声波检测探头和压力传感器；所述红外摄像机固连于机体前端挡板的前端；所述超声波检测探头安装在行走驱动机构的超声波检测探头安装槽中；所述压力传感器安装在第一弹簧减震器和第二弹簧减震器中；所述gps定位装置、数据处理器、plc、控制器和电池组件依次安装在机体的置物盒中，所述数据处理器中包括数据分析单元、数据存储单元、信号单元、检测控制单元和运动控制单元；所述控制器中包括通讯单元、第一驱动控制单元、第二驱动控制单元、第三驱动控制单元、第四驱动控制单元、刚柔转换控制单元和压力传感器控制单元。
15、更进一步的，机器人运动模式变换具体过程如下：
16、s1、手动控制机器人到管道的指定位置，第二驱动控制单元控制第二驱动电机正转，机器人开始前进检测；行进过程中，数据处理器接收来自信号单元包括红外摄像机、gps定位装置、超声波检测探头和压力传感器分别回传的图像信息、位置信号、状态信号和压力信号；
17、s2、若发现机器人前进区段管道环境复杂或遇到弯管与管道异物堆积，第二驱动控制单元控制第二驱动电机停转，机器人停止前进；根据信号单元回传的图像信息、位置信号、状态信号和压力信号，分析驱动轮旋转的角度，第三驱动控制单元控制第三驱动电机运转，实现驱动轮沿管道中心轴线0～90°旋转；
18、s3、当驱动轮转动相应角度后，第三驱动控制单元控制第三驱动电机停转；第二驱动控制单元控制第二驱动电机正转，机器人开始前进检测；
19、s4、通过改变驱动轮与管道中心轴线的螺旋角可以改变机器人螺旋前进的速度，实现机器人直进与螺旋运动方式的转变，当螺旋角为90°时，机器人进行原地自转运动，实现机器人避障；至此机器人运动模式变换过程结束；
20、更进一步的，机器人具体的刚柔转换及主动转向过程如下：
21、s1、机器人位于直管管道中，刚柔转换控制单元控制两套电动推杆同步伸出，电动推杆带动连接杆与刚性卡块伸出并将转向单元卡住，第二驱动控制单元控制第二驱动电机正转，机器人保持刚性前进检测；行进过程中，数据处理器接收来自信号单元包括红外摄像机、gps定位装置、超声波检测探头和压力传感器分别回传的图像信息、位置信号、状态信号和压力信号；
22、s2、若发现前方区段管道出现弯管，刚柔转换控制单元控制两套电动推杆同步缩回，进而带动连接杆与刚性卡块缩回，从而转向单元可以实现自由转动，机器人完成刚性到柔性的转换；第四驱动控制单元控制第四驱动电机运转，进而带动u型连接板与前支撑与驱动单元转动，带动机器人实现转向；
23、s3、信号单元获取实时数据、信号和图像，当检测到管道机器人已经通过弯管进入直管中运行时，第四驱动控制单元控制第四驱动电机停转，u型连接板恢复自由状态，至此机器人主动转向过程结束；刚柔转换控制单元控制电动推杆伸出，进而带动连接杆与刚性卡块伸出并将转向单元卡住，机器人继续保持刚性前进检测，至此机器人刚柔转换过程结束。
24、更进一步的，机器人具体的自适应变径过程如下：
25、s1、手动控制机器人到管道的指定位置，第二驱动控制单元控制第二驱动电机正转，机器人开始前进检测；行进过程中，数据处理器接收来自信号单元包括红外摄像机、超声波检测探头、激光测距仪、gps定位装置和压力传感器分别回传的图像信息、位置信号、状态信号和压力信号；
26、s2、若发现前方区段管道的管径出现小范围的变化，则可通过第一弹簧减震器和第二弹簧减震器来实现；若发现前方区段管道的管径出现大范围的变化，第一驱动控制单元控制第一驱动电机运转，第一驱动电机通过变径驱动组件带动齿轮转动，齿轮转动带动齿轮两侧对称交错布置的两根齿条同步反向直线移动，进而带动机体两端的滑块同步反向移动，从而实现驱动轮沿管道周向撑开或收回；
27、s3、位于行走驱动机构中的压力传感器接收压力信号，通过观察压力信号值的大小来判断驱动轮是否压紧在管道内壁上；若压力信号达到预定值，则驱动轮已经压紧，主动变径控制过程结束，第一驱动控制单元控制第一驱动电机停转；若压力信号未达到预定值，驱动轮未压紧在管道内壁上，则数据处理器输出控制信号，由第一驱动控制单元控制第一驱动电机继续运转，使驱动轮最终压紧在管道内壁上，至此机器人自适应过程结束。
28、更进一步的，机器人具体巡检过程如下：
29、s1、手动控制机器人到管道的指定位置，第二驱动控制单元控制第二驱动电机正转，机器人开始前进检测；行进过程中，数据处理器接收来自信号单元包括红外摄像机、gps定位装置、超声波检测探头和压力传感器分别回传的图像信息、位置信号、状态信号和压力信号；
30、s2、先将状态信号与正常信号范围进行对比，当状态信号在正常信号范围内时，信号无异常，此时机器人将继续前进，进行巡检；当状态信号不在正常信号范围内时，此时状态信号异常，数据处理器发出指令到plc，再由plc操控控制器控制第二驱动单元使第二驱动电机停转，然后数据处理器记录该位置的图像、状态、位置等信息，并对该位置的图像数据进行分析；
31、s3、数据处理器对红外摄像机回传的图像信息进行分析，并自动识别异常类型，其中异常类型包括管道缺陷和管道异物堆积，若该异常属于管道缺陷，则信号单元回传的图像信息、位置信号、状态信号和压力信号；若该异常属于管道异物堆积，则机器人转入越障控制。
32、本发明的有益效果：
33、(1)本发明所提出的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人，该机器人可通过弹簧减震器实现被动变径，以适应小范围的管径变化；也可通过齿轮齿条及曲柄滑块四杆机构来实现主动变径，以适应大范围的管径变化，机器人对管径的适应性好。机器人通过一个变径驱动电机即可驱动三组周向布置的两根齿条与滑块反向同步运动，使得机器人的各驱动轮沿管道周向同步撑开与收回，完成主动变径动作，且每组滑块相互独立，可以有效分担负载，增加机器人的稳定性与灵活性。
34、(2)本发明所提出的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人，其具有刚柔转换单元，可以实现机器人在管道内的刚性与柔性行走；当机器人在直管道中行走时，其电动推杆通过连接杆将刚性卡块推出，卡住连接单元，使机器人以刚性连接方式前进，具有较高稳定性与行驶速度；当机器人需要通过弯管时，其电动推杆带动刚性卡块缩回，其转向单元可以自由运动，机器人以柔性连接方式前进，使机器人可适应不同曲率的弯管与复杂管道。
35、(3)本发明所提出的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人，其利用第三驱动电机实现机器人运动模式的变换，通过第三驱动电机的输出轴和u型架的设计，实现了驱动轮沿管道中心轴线0～90°旋转，机器人可以实现直进与螺旋运动方式的变换；当驱动轮的角度为0°时可实现高速高效直行；当驱动轮的角度为0～90°时可实现螺旋式行走，具有较强的管道适应能力与较大的牵引力；当驱动轮的角度为90°时可实现原地周向自转避障；机器人运动模式的变换有效提高了机器人管道适应能力与越障能力，同时也提高了管道的巡检效率。
36、(4)本发明所提出的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人及其控制方法，其检测装置包括红外摄像头与超声波检测探头；其中头部和尾部红外摄像机可用于观察管道地形与异物，以及用于对管道表面缺陷进行观察和识别，可以记录机器人巡检过程图像并回传；超声波检测探头用于对管道内部缺陷情况进行无损探测；gps定位装置可实现对管道缺陷的精确定位。
1.一种刚柔转换过弯管道巡检机器人，其特征在于，包括前后两套结构相同的支撑与驱动单元、一套刚柔转换单元和一套转向单元共四个部分；
2.根据权利要求1所述的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人,其特征在于，所述机体包括一套呈中空的机体外壳(2)，所述机体外壳(2)的前后位置分别设置有前端挡板(1)、后端挡板(3)，所述机体外壳(2)上等距离设有三个矩形滑槽(201)，所述矩形滑槽(201)的中心处设有轴承组件安装孔一(202)，所述矩形滑槽(201)的两侧中间各设有多个固定铰座(203)，所述机体外壳(2)内部设置有置物盒(4)，且置物盒(4)一端与前端挡板(1)固连。
3.根据权利要求2所述的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人，其特征在于，所述自适应变径机构共三套，呈120°周向均布安装在所述机体中部的固定铰座(203)上，每套自适应变径机构包括一套变径支撑机构与一套行走驱动机构。
4.根据权利要求3所述的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人,其特征在于，所述变径支撑机构包括滑块导向杆(5)，所述滑块导向杆(5)上设置有相对或相向运动的第一滑块(7)和第二滑块(8)；
5.根据权利要求4所述的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人,其特征在于，所述行走驱动机构包括驱动轮(20)、第二轴承组件(21)、第二传动轴(22)、第三锥齿轮(23)、第四锥齿轮(24)、第二驱动电机(25)、u型架(26)、第二驱动电机安装架(27)、超声波检测探头安装槽(28)、第三驱动电机安装板(29)、第三驱动电机(30)、第一弹簧减震器(31)、第二弹簧减震器(32)、连杆支撑板(33)、第三轴承组件(34)；
6.根据权利要求1所述的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人,其特征在于，所述刚柔转换单元包括刚性卡块(36)和刚柔转换机构组件(37)，所述刚柔转换机构组件(37)包括第一电动推杆(3701)、第一连接杆(3702)、第二电动推杆(3703)和第二连接杆(3704)；所述第一电动推杆(3701)尾端与前端挡板(1)上的铰座连接，所述第一电动推杆(3701)伸出端与第一连接杆(3702)一端铰接，所述第一连接杆(3702)通过后端挡板(3)上的通孔支撑且第一连接杆(3702)靠近铰链一端设有限位凸台；所述刚性卡块(36)整体为圆柱形，中间设有圆柱通孔(3601)，两侧设有凸耳(3602)，所述第一连接杆(3702)的另一端与刚性卡块的凸耳(3602)固连；所述第二电动推杆(3703)、第二连接杆(3704)与第一电动推杆(3701)、第一连接杆(3702)结构相同，对称布置在机体另一侧，第二连接杆(3704)与刚性卡块的另一侧凸耳(3602)固连。
7.根据权利要求1所述的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人,其特征在于，所述转向单元包括转向机构组件(38)和第四驱动电机(39)，所述转向机构组件(38)包括第一连接轴(3801)、第四轴承组件(3802)、u型连接板(3803)、第四驱动电机固定板(3804)、第五轴承组件(3805)和第二连接轴(3806)；所述u型连接板(3803)底部设有轴承组件安装孔，所述第一连接轴(3801)与u型连接板(3803)通过第四轴承组件(3802)支撑连接；所述u型连接板(3803)的两侧设有螺纹孔，所述第四驱动电机(39)的双出轴与u型连接板(3803)两侧的螺纹孔固连；所述第四驱动电机固定板(3804)呈u型，u型第四驱动电机固定板(3804)底部设有轴承组件安装孔，两侧设有螺纹孔，所述第四驱动电机(39)本体与第四驱动电机固定板(3804)两侧螺纹孔固连；所述第二连接轴(3806)与第四驱动电机固定板(3804)通过第五轴承组件(3805)支撑连接；所述第一连接轴(3801)一端设有螺纹孔且与机体后端挡板(3)外侧的凸台固连。
8.根据权利要求1所述的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人,其特征在于，所述检测装置包括红外摄像机(3501)、gps定位装置(3502)、数据处理器(3503)、plc(3504)、控制器(3505)、电池组件(3506)、超声波检测探头(3507)和压力传感器(3508)；所述红外摄像机(3501)固连于机体前端挡板(1)的前端；所述超声波检测探头(3507)安装在行走驱动机构的超声波检测探头安装槽(28)中；所述压力传感器(3508)安装在第一弹簧减震器(31)和第二弹簧减震器(32)中；所述gps定位装置(3502)、数据处理器(3503)、plc(3504)、控制器(3505)和电池组件(3506)依次安装在机体的置物盒(4)中，所述数据处理器(3503)中包括数据分析单元、数据存储单元、信号单元、检测控制单元和运动控制单元；所述控制器(3505)中包括通讯单元、第一驱动控制单元、第二驱动控制单元、第三驱动控制单元、第四驱动控制单元、刚柔转换控制单元和压力传感器控制单元。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人的控制方法,其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种刚柔转换过弯管道巡检机器人的控制方法,其特征在于，包括以下步骤：
