本发明属于爬管设备领域，具体涉及一种管道外爬行器，以及管道外爬行器的运动控制方法。
背景技术：
1、工程领域存在许多需要爬行在管道上实现高空作业的任务，如各种电工作业和管道焊接等。人工攀爬管道实施高空作业存在较高的人身安全风险，因此技术人员开发出来多种用于实现管道外爬行的机器人，有机器人代替人工实施作业。
2、现有的管道外爬行器包括吸附性和夹持型两种主要类型。吸附型的管道外爬行器利用磁性机构或真空吸附机构实现与管道外壁的固定，这种机器对应用场景具有很强的局限性，例如，前者对管道类型具有限制，要求管道由具有铁磁性材料的材质制备而成，如钢管或铁管。后者则要求管道表面光滑。此外，后者在管道爬行时需要频繁实现真空和破真空，不仅成本高昂，而且故障率高。
3、夹持型的管道外爬行器通过夹持架构夹持在管道上，进而保持自身稳定并实现向上爬行。现有的夹持型管道外爬行器在作业时通常仅能工作在管径一致且相对光滑的管道上，当遇到管道不均匀、管道明显凹凸不平或存在变径段的复杂管道时，管道外爬行器不仅无法正常升降运动，还可能存在失稳坠落的风险。此外，现有的管道外爬行器功能简单，大多只能进行竖直升降，无法实现复杂的绕管运动或螺旋运动，这限制了其在管道焊接等特殊场景下的应用价值。
技术实现思路
1、为了解决现有管道外爬行器无法适应管径不均匀的管道，以及无法实现复杂爬行功能的问题，本发明提供一种管道外爬行器及其运动控制方法。
2、本发明提供的技术方案为：
3、一种管道外爬行器，其包括机架、两个调节臂、爬行组件、两个支撑组件、陀螺仪、压力传感器、以及控制器。
4、其中，机架呈方框型。两个调节臂对称安装在机架上沿长度方向两端，并构成用于环抱管道的夹爪结构。每个调节臂呈三段式，并包括两个分别通过第一动力源和第二动力源驱动的关节。
5、爬行组件包括主动轮、第一驱动电机、第一转向电机及其传动机构。主动轮安装在机架中间并位于朝向调节臂的一侧。第一驱动电机用于驱动主动轮运转；第一转向电机用于驱动主动轮以垂直于机架平面的方向为轴进行转向。
6、两个支撑组件分别安装在两个调节臂的末端。每个支撑组件包括辅助轮和第二转向电机。辅助轮朝向夹爪结构的内侧；第二转向电机用于驱动辅助轮转向。
7、陀螺仪安装在机架上；陀螺仪用于检测机架的运动信息以及检测辅助轮与主动轮的连线方向相对于水平方向的倾角。压力传感器安装在两个辅助轮上，并用于检测辅助轮施加在管道上的压力f1和f2。
8、控制器与第一驱动电机、第一转向电机，陀螺仪、压力传感器以及两调节臂中的第一动力源、第二动力源、第二转向电机电连接。管道外爬行器按照辅助轮在上、主动轮在下的方式倾斜套设在管道上以实现自锁。控制器用于获取陀螺仪和压力传感器的检测数据，并根据管道外爬行器的载重g1，自重g2，以及预设的目标倾角，通过如下的稳态控制模型求解出两辅助轮的压力f1和f2的控制目标，然后根据控制目标对第一动力源和/或第二动力源的运行状态进行自适应调节，进而使得管道外爬行器处于稳态：
9、，
10、上式中， l 1为辅助轮圆心到主动轮圆心之间的距离； l 2为主动轮圆心到设备重心之间的距离； v 表示辅助轮与主动轮的力矩倍差；fl表示两调节臂通过辅助轮产生的夹紧力；fn表示主动轮在管道上的支撑力；表示预设防坠落的控制率，＞1；表示主动轮与管道之间摩擦系数。
11、作为本发明进一步的改进，爬行组件包括第一轮架、支撑板、主动轮、第一驱动电机、第一转向电机、转向传动组件以及行走传动组件。
12、其中，第一轮架包括呈“π”形固定连接的两侧板和一个顶板。两侧板中远离顶板一端开设对称的第一通孔，靠近顶板一端开设对称的第二通孔。顶板中央设置第三通孔。主动轮的转轴沿两个第一通孔与第一轮架可转动连接。第一驱动电机和第一转向电机连接在支撑板上。
13、行走传动组件包括第一皮带轮、第二皮带轮、第一皮带，传动轴、第一锥齿轮和第二锥齿轮。传动轴沿两个第二通孔与第一轮架可转动连接。传动轴中段对应第一轮架内侧的部分设有第二锥齿轮。第一皮带轮固定连接在主动轮的转轴端部，第二皮带轮固定连接在传动轴的端部，二者位于第一轮架的同一侧并通过第一皮带传动连接。第一锥齿轮位于第一轮架内侧并与沿第三通孔插入的第一驱动电机的输出轴固定连接。第一锥齿轮和第二锥齿轮相互啮合。
14、转向传动组件包括第三皮带轮、转向环以及第二皮带；转向环固定连接在顶板中远离主动轮的一侧，并与第一轮架上的第三通孔同心设置；第三皮带轮与第一转向电机的输出轴固定连接；第三皮带轮和转向轮通过第二皮带传动连接。
15、作为本发明进一步的改进，支撑组件包括辅助轮、第二轮架、第二转向电机、蜗杆、涡轮、以及转向支架。辅助轮可转动连接在第二轮架上；涡轮与第二轮架固定连接，涡轮与第二轮架的顶板平行；涡轮、第二轮架和辅助轮的组合体可转动连接在转向支架上；第二转向电机固定在转向支架上，第二转向电机的输出轴与所述蜗杆轴连接。蜗杆与涡轮啮合。
16、作为本发明进一步的改进，调节臂包括首尾连接并可相对转动的固定臂、第一动臂和第二动臂，用于调节固定臂和第一动臂间夹角的第一动力源，以及用于调节第一动臂和第二动臂间夹角的第二动力源。第一动力源和第二动力源分别采用第一伸缩缸和第二伸缩缸。
17、作为本发明进一步的改进，主动轮和辅助轮均采用包胶轮，且主动轮的轮径大于辅助轮的轮径。
18、且/或
19、管道外爬行器采用电缆供电或自备电池供电。
20、作为本发明进一步的改进，控制器中包括一个无线通信模块；管道外爬行器还包括一个遥控器。遥控器与控制器无线通信，进而实现对管道外爬行器进行远程操纵。
21、作为本发明进一步的改进，管道外爬行器还包括一个安装在机架下部的防坠落机构。防坠落机构与调节臂位于机架的同一侧，并用于在管道外爬行器失稳坠落时夹紧管道。
22、防坠落机构包括基座、两个弧形的夹臂，以及两个电动推杆。两个夹臂可转动连接在基座两端，两个夹臂对称设置构成钳形结构。两个电动推杆分别用于调节夹臂与基座间的夹角。两个电动推杆与控制器电连接。
23、且/或
24、支撑组件采用与爬行组件相同的机构，并同时具有转向和行走功能。
25、作为本发明进一步的改进，控制器中预先存储表征管道外爬行器的不同载重g1与其理想倾角之间映射关系的参数对照表或数学模型。进而在自适应调节过程中通过查表或运算的方法确定当前载重条件下的理想倾角，并将其作为预设的目标倾角。
26、作为本发明进一步的改进，表征管道外爬行器的不同载重g1与其理想倾角之间映射关系的参数对照表或数学模型的构建方法如下：
27、（1）创建管道外爬行器的功耗模型p和稳态控制模型：
28、 p= p1 + p2 + p3，
29、上式中， p 1~ p 3分别表示第一动力源、第二动力源以及第一驱动电机的运行功耗。
30、（2）以功率最小化的优化目标，稳态控制模型为约束条件，构建如下的一个单目标优化模型；
31、，
32、（3）通过遗传算法对单目标优化模型进行求解，得到不同载重g1条件下满足优化目标的理想倾角，构成一系列离散的二维数组；
33、（4）根据上步骤求解出的大量二维数组建立参数对照表或拟合出数学模型。
34、本发明还包括一种管道外爬行器的运动控制方法，其用于控制如前述的管道外爬行器。管道外爬行器具有竖直爬升、水平环绕和螺旋爬升三种工作模式，各个工作模式的控制策略如下：
35、在竖直爬升模式下，控制器在管道外爬行器处于稳态的前提下，向第一转向电机和第二转向电机下达指令，进而将主动轮和两个辅助轮的前进方向调节至与管道的延伸方向平行的状态；然后向第一驱动电机下达指令，驱动主动轮运转。
36、在水平环绕模式下，控制器在管道外爬行器处于稳态的前提下，向第一转向电机和第二转向电机下达指令，进而将主动轮和两个辅助轮的前进方向调节成沿主动轮与辅助轮的连线方向；然后向第一驱动电机下达指令，驱动主动轮运转。
37、在螺旋爬升模式下，控制器在管道外爬行器处于稳态的前提下，向第一转向电机和第二转向电机下达指令，进而将主动轮和两个辅助轮的前进方向同步调节至指定的转向角；然后向第一驱动电机下达指令，驱动主动轮运转。
38、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
39、本发明设计了一种由机架、调节臂、爬行组件和支撑组件构成的管道外爬行器，这种管道外爬行器结构简单，并可以通过摩擦力作用在管道上实现自锁。特别地，本发明为管道外爬行器的设计了一套用于根据不同的工况对支撑组件的夹持力进行自适应调节的控制系统，进而使得该谁可以适应管径不均匀或表面凹凸不平的管道，提高了管道外爬行器在复杂工况下的稳定性和可靠性。
40、本发明设计的管道外爬行器具有竖直升降，螺旋爬升和水平环绕等多种工作模式，并具有防坠落和简单的越障功能，因而可以作为管道探测装置，清洗装置，喷涂装置的载具，应用场景更加广泛，实用性更强。
1.一种管道外爬行器，其特征在于，其包括：
2.如权利要求1所述的管道外爬行器，其特征在于：所述爬行组件包括第一轮架、支撑板、主动轮、第一驱动电机、第一转向电机、转向传动组件以及行走传动组件；
3.如权利要求2所述的管道外爬行器，其特征在于：所述支撑组件包括辅助轮、第二轮架、第二转向电机、蜗杆、涡轮、以及转向支架；所述辅助轮可转动连接在所述第二轮架上；所述涡轮与所述第二轮架固定连接，所述涡轮与第二轮架的顶板平行；所述涡轮、第二轮架和辅助轮的组合体可转动连接在所述转向支架上；所述第二转向电机固定在所述转向支架上，第二转向电机的输出轴与所述蜗杆轴连接；所述蜗杆与所述涡轮啮合。
4.如权利要求1所述的管道外爬行器，其特征在于：所述调节臂包括首尾连接并可相对转动的固定臂、第一动臂和第二动臂，用于调节所述固定臂和第一动臂间夹角的第一伸缩缸，以及用于调节所述第一动臂和第二动臂间夹角的第二伸缩缸。
5.如权利要求1所述的管道外爬行器，其特征在于：所述主动轮和辅助轮均采用包胶轮，且所述主动轮的轮径大于所述辅助轮的轮径；
6.如权利要求1所述的管道外爬行器，其特征在于：所述控制器中包括一个无线通信模块；所述管道外爬行器还包括一个遥控器；所述遥控器与所述控制器无线通信，进而实现对所述管道外爬行器进行远程操纵。
7.如权利要求3所述的管道外爬行器，其特征在于：其还包括一个安装在所述机架下部的防坠落机构，所述防坠落机构与所述调节臂位于机架的同一侧，并用于在所述管道外爬行器失稳坠落时夹紧管道；
8.如权利要求1所述的管道外爬行器，其特征在于：所述控制器中预先存储表征管道外爬行器的不同载重g1与其理想倾角之间映射关系的参数对照表或数学模型；进而在自适应调节过程中通过查表或运算的方法确定当前载重条件下的理想倾角，并将其作为预设的目标倾角。
9.如权利要求8所述的管道外爬行器，其特征在于：表征管道外爬行器的不同载重g1与其理想倾角之间映射关系的参数对照表或数学模型的构建方法如下：
10.一种管道外爬行器的运动控制方法，其特征在于：其用于控制如权利要求1-9中任意一项所述的所述管道外爬行器；所述管道外爬行器具有竖直爬升、水平环绕和螺旋爬升三种工作模式，各个工作模式的控制策略如下：
