CN105128032A - 具有核设备管道检测功能的蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其包括由至少两个关节模块相互连接构成的蛇身，与蛇身一同构成蛇体的蛇头和蛇尾，安装在关节模块内、用于带动其改变旋转角度的关节驱动器，以及检测系统、定位系统、通信系统、上位机、控制系统和供电系统。本发明设计合理、蛇体体积小巧、操作便捷、灵敏度高、监测定位准，可以成功应用于核设备管道及其他各个检测领域中，因此，本发明适于推广应用。

Description

具有核设备管道检测功能的蛇形机器人

技术领域

本发明涉及一种蛇形机器人，具体涉及的是一种具有核设备管道检测功能的蛇形机器人。

背景技术

作为核电站的主要设备，各回路蒸汽管道和冷却水废液管路是核设施中的核心部件，在核退役处理中能否快速获取管道中放射性污染的强弱、分布位置和实现高精度检测是核退役中减少辐射危害的关键之处。核退役处理在退役实施的前期阶段进行，通过对退役设施及场址中的放射性及有毒放射源进行分析、监测，收集到相关信息以为退役方案的选择和优化进行参考。

而随着电子技术，尤其是嵌入式技术的大力发展，机器人得到了广泛的发展与应用。蛇形机器人是一种模仿生物蛇运动的新型机器人，它能很好的完成如蛇体一般的无肢运动，尤其是在表面粗糙度较大的地面上能够自由移动。蛇形机器人因身体细长、横截面小、运动状态稳定、灵活性强和适应环境能力适应强等优点能够应用于有辐射、黑暗、地震和管道等不适宜人类工作的领域。

基于蛇形机器人的特点，如果将其应用到核退役处理方面，将会是理想的选择。然而，目前针对蛇形机器人的研究在国内刚刚起步，很多技术还不够成熟，尚不能灵活地应用于各个领域中，同样也难以应用到核检测领域中。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明提供了一种具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其能够灵活的进出于核设备及管道中，并实时采集其内部的图像和监测数据，从而很好地应用于核设备管道检测领域方面。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，包括由至少两个关节模块相互连接构成的蛇身，与蛇身一同构成蛇体的蛇头和蛇尾，以及安装在关节模块内、用于带动其改变旋转角度的关节驱动器；还包括检测系统、定位系统、通信系统、上位机、控制系统和供电系统，其中：

检测系统，安装在蛇头内，用于采集核设备内部图像，并探测其内的核辐射浓度、管道温度、湿度、压力以及障碍物；

定位系统，用于监测和反馈蛇体的实时位置；

通信系统，用于实现检测系统、定位系统、上位机和控制系统之间的通信；

上位机，用于接收检测系统和定位系统传输的数据并进行处理，然后根据处理的数据，通过通信系统向控制系统发送指令；

控制系统，用于根据上位机发送的指令，控制一个或多个关节驱动器带动与其对应的关节模块改变旋转角度，使蛇体改变运动步态；

供电系统，用于向所有的关节驱动器提供驱动力。

进一步地，相邻的关节模块之间采用正交方式连接。

作为优选，所述关节驱动器为舵机。

具体地说，所述检测系统包括均安装在蛇头内的摄像头、核辐射探测器以及用于监测核设备内部的温度、湿度、压力和障碍物的传感器组；所述的摄像头、核辐射器和传感器组均与通信系统连接。

再进一步地，所述定位系统为跟踪定位器。

具体地说，所述通信系统包括同时与上位机和控制系统连接的遥控器，以及安装在蛇头内、且同时与上位机、摄像头、核辐射探测器、传感器组和跟踪定位器连接的无线收发模块。

作为优选，所述无线收发模块的型号为nRF24L01。

更进一步地，所述控制系统包括安装在蛇头内的主控芯片，以及在每个关节模块内均有安装的从控芯片；所述主控芯片同时与遥控器及所有的从控芯片均相连接，并且每个关节模块内的从控芯片和关节驱动器均相互连接。

更进一步地，所述关节模块包括关节主体、第一安装槽、第二安装槽、第一连接部和第二连接部，其中：

第一安装槽，设置在关节主体内部，用于安装关节驱动器；

第二安装槽，设置在关节主体前部，用于安装从控芯片；

第一连接部，设置在关节主体右部，用于连接后端的关节模块，并可使关节主体绕着后端的关节模块在水平方向上做-90°～90°的转动；

第二连接部，设置在关节主体左部，用于连接前端的关节模块，并可使前端的关节模块绕着关节主体在竖直方向上做-90°～90°的转动。

作为优选，所述主控芯片和从控芯片均为AVR单片机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明通过设置检测系统、定位系统、通信系统、上位机和控制系统，在与由蛇头、蛇身和蛇尾组成的蛇体配合后，以软硬件有效结合的方式，能够精确地反馈蛇体的实时位置，并控制其完成诸如侧移、蜿蜒、蠕动等步态以及几种步态组合后的新型步态，实现了蛇形机器人的精确步态控制，从而灵活进出于核设备中各个部位和管道，完成对核设备内部的监控及相关参数（核辐射浓度、管道温度、湿度和压力等）的检测，进而顺利完成核退役处理工作，为核设备退役方案的选择和优化提供有意义、有价值的参考。

（2）本发明中相邻关节模块采用正交方式连接，可方便实现两个关节模块中一个在水平方向上、另一个在竖直方向上做-90°～90°的转动，从而使蛇体的转动更加灵活。

（3）本发明中的关节驱动器采用舵机，其具有体积紧凑、便于安装、输出力矩大、稳定性好、控制简单的优点，在配合AVR单片机的主、从控芯片后，可以更好地控制关节模块的旋转，提高其旋转的响应速度。

（4）本发明中的定位系统采用跟踪定位器，不仅可以对蛇体进行定位，而且当蛇体在检测过程中自身出现故障时，还可以准确定位出蛇体所处的位置。

（5）本发明采用nRF24L01无线收发模块作为数据传输器件，其接口通用性非常强，并且电流消耗极低，能很好地在传输相关检测数据的同时，向主控芯片发送蛇体运动步态指令。

（6）本发明合理设计了单个关节模块的结构，使其不仅能够在水平或竖直方向上转动，而且可以很好地安装其他系统的设备，令蛇体与参数检测及步态执行设备之间得到完美的结合，从而保证了蛇形机器人对核设备及管道内部环境检测的全面性和准确性，进一步提高了参考的价值。

（7）本发明设计合理，蛇体体积小巧，控制灵活、便捷，灵敏度高，监测定位准，稳定性和可靠性强，因此，其具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为本发明的系统组成构架示意图。

图2为本发明中蛇头、蛇身和蛇尾的连接示意图。

图3为相邻两个关节模块的组装示意图。

其中，附图标记对应的零部件名称为：

1-蛇头，11-凹槽，12-蛇嘴，13-蛇眼，2-蛇身，31-关节主体，32-第一安装槽，33-第二安装槽，34-第一连接部，35-第二连接部，4-蛇尾。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

本发明提供了一种可以应用到核设备及管道检测方面的蛇形机器人，其系统组成构架如图1所示，包括蛇体、检测系统、定位系统、通信系统、上位机、控制系统和供电系统。如图2所示，所述的蛇体包括蛇头1、蛇身2和蛇尾4，其中，蛇身2由至少两个关节模块相互连接构成，每个关节模块中均安装有关节驱动器，而所述的蛇头1与蛇身2前端活动连接，所述的蛇尾4与蛇身2的后端活动连接。再如图2、3所示，本实施例中，所述的蛇头1包括凹槽11、蛇嘴12和蛇眼13，所述的关节模块包括关节主体31、第一安装槽32、第二安装槽33、第一连接部34和第二连接部35，图3中，相邻的两个关节模块采用正交方式连接，其具体的连接方式：前面一个关节主体右部的第一连接部34打孔，然后扣接后面一个关节主体左部的第二连接部35。如此一来，前面的关节主体可以绕着后面的关节主体在水平方向上做-90°～90°的转动；而后面的关节主体则可以绕着更后面的关节主体在竖直方向上做-90°～90°的转动。所述的关节驱动器为舵机，在每个关节主体31内部的第一安装槽32中均有安装，用于改变相应的关节模块的旋转角度。

所述的检测系统用于采集核设备内部图像，并探测其内的核辐射浓度、管道温度、湿度、压力以及障碍物。该检测系统包括摄像头、核辐射探测器和传感器组，其中，摄像头用于采集核设备的内部图像，核辐射探测器用于探测核设备内的核辐射浓度，传感器组包含有多种传感器，例如温度传感器、红外传感器、湿度传感器和压力传感器等等，可以监测核设备内的温度、湿度、压力以及障碍物。本实施例中，检测系统放置在蛇头1的凹槽11中。

所述的定位系统安装在蛇身部位，其用于监测和反馈蛇体的实时位置，本实施例采用跟踪定位器作为蛇体的定位系统，旨在准确反映蛇体的位置及可能出现问题的部位。

所述的通信系统用于实现检测系统、定位系统、上位机和控制系统之间的通信；所述的上位机用于接收检测系统和定位系统传输的数据并进行处理，然后根据处理的数据，通过通信系统向控制系统发送指令；所述的控制系统则用于根据上位机发送的指令，控制一个或多个关节驱动器带动与其对应的关节模块改变旋转角度，使蛇体改变运动步态。

具体地说，所述的通信系统包括遥控器和无线收发模块，所述的控制系统包括主控芯片和从控芯片，其中，遥控器同时与上位机和主控芯片连接；无线收发模块安装在蛇嘴12中，其同时与上位机、摄像头、核辐射探测器、传感器组和跟踪定位器连接；从控芯片在每个关节主体31前部的第二安装槽33中均有安装，其同时与主控芯片及同一关节模块中的关节驱动器连接。本实施例中，主控芯片和从控芯片分别选用Atmega128AVR控制器和Atmega8AVR控制器；而无线收发模块则选用nRF24L01无线收发模块。

所述的供电系统用于向所有的关节驱动器提供驱动力，其包括电池模块和稳压电路。电池模块与蛇尾连接，其电压为5-10V，可随时充放电；而稳压电路则可以起到稳定电压的作用，保证供电系统的正常使用。

本发明是基于“生物蛇的运动是依靠鳞片和地面的摩擦力前进后退”这一理念开展设计的。整个蛇体的运动控制过程大体为：检测人员首先根据管道的外部环境利用上位机设置蛇形机器人的运动步态，并控制其进入核设备管道。而后，上位机根据检测系统和定位系统传输的数据（核设备内部图像、管道温度、湿度、压力、障碍物、蛇体位置等），然后通过遥控器发送相应的蛇体运动步态（例如蛇体左右移动、前后蠕动、抬头、侧移等动作）指令至主控芯片，由该主控芯片解析完运动程序之后，将每一关节需要做的运动情况传达至相应关节模块中的从控芯片，并由该从控芯片解析程序，将自身需要旋转的角度传达给与之对应的关节驱动器。从控芯片通过信号线向舵机发送控制信号，控制信号的周期为20ms的PWM波，在20ms中前2.5ms必须为低电平，因为在该段时间中舵机需要解析当前目标位置，在20ms内起作用的实际脉冲高电平仅有0.5ms-2.0ms。

关节驱动器接收指令后，控制PWM波改变占空比，实现完成对应关节模块-90°～90°的自由旋转，使蛇体完成相应的运动步态。而当遇到障碍物或需要检测其他部位或管道的相关参数时，亦可由上位机根据检测系统和定位系统传输的数据，做出改变蛇体运动步态的指令，使蛇体实时改变当前的运动步态。如此一来，通过控制一个或多个关节驱动器的旋转角度变化，便可使蛇形机器人灵活进出核设备及其管道内部，并最终完成所需的检测工作。

本发明通过对蛇形机器人的技术改进，使其能够灵活出入各种检测环境，而后续基于本发明基础上开发出来的多功能、低功耗、高适应性及高分辨率的快速检测设备，则可以有助于工作人员对核设备进行有效的监测，降低环境污染，减轻对从事核工作人员的身体危害，并提高检测效率。本发明与现有技术相比，技术进步明显，很好地实现创新，因此，其具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，包括由至少两个关节模块相互连接构成的蛇身，与蛇身一同构成蛇体的蛇头和蛇尾，以及安装在关节模块内、用于带动其改变旋转角度的关节驱动器；其特征在于，还包括检测系统、定位系统、通信系统、上位机、控制系统和供电系统，其中：

检测系统，安装在蛇头内，用于采集核设备内部图像，并探测其内的核辐射浓度、管道温度、湿度、压力以及障碍物；

定位系统，用于监测和反馈蛇体的实时位置；

通信系统，用于实现检测系统、定位系统、上位机和控制系统之间的通信；

上位机，用于接收检测系统和定位系统传输的数据并进行处理，然后根据处理的数据，通过通信系统向控制系统发送指令；

控制系统，用于根据上位机发送的指令，控制一个或多个关节驱动器带动与其对应的关节模块改变旋转角度，使蛇体改变运动步态；

供电系统，用于向所有的关节驱动器提供驱动力。

2.根据权利要求1所述的具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其特征在于，相邻的关节模块之间采用正交方式连接。

3.根据权利要求2所述的具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其特征在于，所述关节驱动器为舵机。

4.根据权利要求2或3所述的具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其特征在于，所述检测系统包括均安装在蛇头内的摄像头、核辐射探测器以及用于监测核设备内部的温度、湿度、压力和障碍物的传感器组；所述的摄像头、核辐射器和传感器组均与通信系统连接。

5.根据权利要求4所述的具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其特征在于，所述定位系统为跟踪定位器。

6.根据权利要求5所述的具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其特征在于，所述通信系统包括同时与上位机和控制系统连接的遥控器，以及安装在蛇头内、且同时与上位机、摄像头、核辐射探测器、传感器组和跟踪定位器连接的无线收发模块。

7.根据权利要求6所述的具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其特征在于，所述无线收发模块的型号为nRF24L01。

8.根据权利要求6或7所述的具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其特征在于，所述控制系统包括安装在蛇头内的主控芯片，以及在每个关节模块内均有安装的从控芯片；所述主控芯片同时与遥控器及所有的从控芯片均相连接，并且每个关节模块内的从控芯片和关节驱动器均相互连接。

9.根据权利要求8所述的具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其特征在于，所述关节模块包括关节主体、第一安装槽、第二安装槽、第一连接部和第二连接部，其中：

第一安装槽，设置在关节主体内部，用于安装关节驱动器；

第二安装槽，设置在关节主体前部，用于安装从控芯片；

第一连接部，设置在关节主体右部，用于连接后端的关节模块，并可使关节主体绕着后端的关节模块在水平方向上做-90°～90°的转动；

第二连接部，设置在关节主体左部，用于连接前端的关节模块，并可使前端的关节模块绕着关节主体在竖直方向上做-90°～90°的转动。

10.根据权利要求9所述的具有核设备管道检测功能的蛇形机器人，其特征在于，所述主控芯片和从控芯片均为AVR单片机。