管道機(jī)器人

70年代，石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展及管道維護(hù)的需要刺激了管內(nèi)機(jī)器人的研究。一般認(rèn)為，法國的J. VR`ERTUT最早開展管內(nèi)機(jī)器人理論與樣機(jī)的研究，他于1978年提出了輪腿式管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)模型IPRIVO。80年代日本的福田敏男、細(xì)貝英實、岡田德次、屈正幸、福田鏡二等人充分利用法、美等國的研究成果和現(xiàn)代技術(shù)，開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的管內(nèi)機(jī)器人。韓國成均館大學(xué)的Hyouk R. C.等人研制了天然氣管道檢測機(jī)器人MRINSPECT系列。我國管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的研究己有20余年的歷史，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京石油化工學(xué)院、天津大學(xué)、太原理工大學(xué)、大慶石油管理局、勝利油田、中原油田等單位進(jìn)行了這方面的研究工作。對于管道機(jī)器人的研究，以前對多輪支撐結(jié)構(gòu)的研究較多，才研究傳統(tǒng)輪式移動機(jī)器人直接用在圓形管道的檢測和維護(hù)?？臻g多輪結(jié)構(gòu)的管內(nèi)機(jī)器人的輪子與壁面接觸時，接觸點與輪心的連線在柱面的半徑方向上，并且輪子的行駛方向與柱面的母線平行，這是單個輪子在管道曲面上位姿的一種特殊情況。輪式移動機(jī)器人在管道中運行時，由于管道尺寸大小不、具有彎道和“T”型接頭等，輪式移動機(jī)器人的每一個輪子在管道中的位姿是不可預(yù)測的產(chǎn)輪子的軸線方向可能不垂直于圓管的半徑方向，所以有必要分析單個輪子在圓管曲面上任意位姿時滿足純滾動和無側(cè)滑條件下的運動學(xué)特性。對于輪式管道機(jī)器人在實際應(yīng)用過程滬遇到的問所譬如在彎管，和不規(guī)則管道時發(fā)生運動干涉，由于內(nèi)耗造成的驅(qū)動力不足，由于壁面的變形萬以及機(jī)器人本身的誤差，導(dǎo)致機(jī)器人在管道中偏離正確的姿態(tài)，甚至側(cè)翻和卡死這些問題。國內(nèi)外的研究人員主要從結(jié)構(gòu)上，如采用差速器、柔性聯(lián)接等方面進(jìn)行解決，但這會使結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，增加成本。

對于輪式管道機(jī)器人，精確的運動學(xué)模型是實現(xiàn)精確運動控制的基礎(chǔ)。對單個輪子、輪式移動機(jī)器人在管道曲面上的運動學(xué)特性及控制理論方面分析很少，需要建立一套關(guān)于輪式管道機(jī)器人運動學(xué)的理論。

Campion等人在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對輪式移動機(jī)器人在水平平整路面上的運動學(xué)與動力學(xué)模型進(jìn)行了分析，總結(jié)了四種狀態(tài)空間模型:二位姿運動學(xué)模型，位形運動學(xué)模型，位姿動力學(xué)模型，位形動力學(xué)模型。Karl Iagnemma等人分析了輪子與地面不是剛性條件下，地面為不規(guī)則路面時，輪子與地面的各種接觸情況，一建立不廠套基于輪子與地面接觸特性的模型理論。但上述模型前提假設(shè)是輪子和地面是不可變形的，地面是規(guī)則的水平路面。當(dāng)輪式移動機(jī)器人運行在圓管中時，由于圓管管內(nèi)環(huán)境是三維的曲面環(huán)境，輪式移動機(jī)器人實際運行在一個空間曲面上，所以上述模型不能應(yīng)用于圓管中的輪式移動機(jī)器人。

由于輪式清污機(jī)器人在圓管中作業(yè)時運行在三維的空間中，其運動學(xué)模型和平面上輪式移動機(jī)器人的運動學(xué)模型完全不同，需要在考慮幾何約束和速度約束的前提下，分析輪式移動機(jī)器人的控制輸入與機(jī)器人位姿坐標(biāo)變化之間的關(guān)系，建立其運動學(xué)模型。日前，國內(nèi)外輪式管道機(jī)器人的研究熱點主要是提高輪式管道機(jī)器人的可控性、通過性，機(jī)器人朝著自主行駛作業(yè)的方向發(fā)展。雖然很多學(xué)者從結(jié)構(gòu)方面提高了機(jī)器人的性能，但對輪式移動機(jī)器人在圓管中的運動控制論方面還缺乏深入系統(tǒng)的分析。所以需要根據(jù)該運動學(xué)模型，設(shè)計相應(yīng)的算法，使機(jī)器人在圓中實現(xiàn)穩(wěn)定控制為滿足工程應(yīng)用的需要。

對于輪式排水管道機(jī)器人，除了從結(jié)構(gòu)設(shè)計，材料選型需要下功夫之外，主要的科學(xué)問題在于建立輪式機(jī)器人在圓管中的運動學(xué)模型，并設(shè)計相應(yīng)的控制算法，使機(jī)器人能夠自主行駛作業(yè)，也能夠根據(jù)姿態(tài)信息，手工操作控制其保持水平行駛作業(yè)，不出現(xiàn)側(cè)翻、卡死、驅(qū)動力不足，有良好的可控性。

為了建立輪式機(jī)器人在圓管中的運動學(xué)模型，解決以下4個問題，并設(shè)計相應(yīng)的運動控制算法從理論上需要解決：

(1) 單個輪子在管道曲面上的任意位姿時輪心的瞬時速度，輪心的軌跡單個輪子在管道中運動學(xué)特性的科學(xué)問題在于對其位姿的描述卜以及其在滿足純滾動和無側(cè)滑條件下輪心的速度。

(2) 分析輪式移動機(jī)器人在管道曲面的幾何約束，推導(dǎo)出6個位姿坐標(biāo)之間的關(guān)系

輪式機(jī)器人在管道中運行在三維的柱面環(huán)境中，其位姿坐標(biāo)從平面上的3維變成了空間的6維。但由于機(jī)器人在管道中運行時，具有特定的幾何約束tY這6個位姿坐標(biāo)并不是互相獨立的，所以有必要推導(dǎo)出這6個位姿坐標(biāo)之間的關(guān)系。

(3) 建立輪式移動機(jī)器人在圓管曲面上的運動學(xué)模型，推導(dǎo)運動學(xué)模型的難點在于如何建立控制輸天與位姿坐標(biāo)變化率之間的關(guān)系。機(jī)器人的控制輸入直接影響輪心的速度，而輪心確定了機(jī)器人剛體的速度，所以需要分析機(jī)器人剛體與輪心速度之間的關(guān)系。這一問題的實質(zhì)在于推導(dǎo)機(jī)器人瞬時螺旋運動參數(shù)和控制輸入的關(guān)系，導(dǎo)機(jī)器人的位姿變化率與控制輸入之間的關(guān)系。

(4) 根據(jù)運動學(xué)模型和作業(yè)要求卜設(shè)計相應(yīng)的控制率，使機(jī)器人在管道中能夠保持水平行駛，根據(jù)已經(jīng)建立的運動學(xué)模型，把姿態(tài)角作為狀態(tài)變量，通過姿態(tài)傳感器的反饋，設(shè)計相應(yīng)的控制率，控制機(jī)器人在管道中按照要求的姿態(tài)行駛。運動學(xué)模型主要用來設(shè)計控制率和運用李雅普諾夫(Lyapunov)函數(shù)對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

主要研究內(nèi)容：

(1) 管道曲面的幾何建模，研究單個輪子在管道曲面上任意位姿下的運動學(xué)特性，分析其在滿足純滾動和無側(cè)滑條件下輪心速度與驅(qū)動控制輸入的關(guān)系，輪心軌跡與輪子位姿的關(guān)系。

(2) 輪式移動機(jī)器人在圓管曲面上的幾何約束分析，根據(jù)輪式移動機(jī)器人在圓管中每個輪子與壁面相切的條件，分析其在圓管中的幾何約束，特別是姿態(tài)坐標(biāo)和空間位置坐標(biāo)6個坐標(biāo)之間的關(guān)系。

(3) 柱面上輪式移動機(jī)器人的運動學(xué)分析

本項目將分析機(jī)器人控制輸入與機(jī)器人螺旋運動參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)圓管中輪式移動機(jī)器人的運動學(xué)模型，并通過仿真實驗驗證該運動學(xué)模型。

(4) 設(shè)計一套輪式移動機(jī)器人系統(tǒng)和相應(yīng)的控制算法，設(shè)計一套輪子可以展開，并設(shè)計相應(yīng)的運動控制算法，使機(jī)器人能夠在管道中保持水平行駛作業(yè)。

施羅德工業(yè)測控設(shè)備有限公司在爬行機(jī)器人平臺的總體研究方案

(1) 單個輪子在圓管曲面上的運動學(xué)特性分析

單個輪子在圓管曲面上的位姿與運動描述借鑒單個輪子在平面上的位姿與運動描述，通過接觸點的切平面推廣到圓管的曲面上。以水平圓管中單個輪子分析為例。輪子與圓管的內(nèi)壁面接觸點Q點，圓管的柱面是一個空間曲面，而輪子的外緣圓是一條空間曲線，那么Q同時在空間曲線和空間曲面上。過Q作空間曲線的切線m和空間曲面的切平面，同時作圓柱母線I，那么m和I在切平面上。切平面的法向量，即過接觸點的圓柱的半徑矢量，和切線m的法線之間的夾角為旦，切線m與柱面母線!之間的夾角為a。確定了單個輪子在管道曲面上位姿描述之后，推導(dǎo)其在管道曲面上純滾動時輪心的軌跡方程。當(dāng)輪子以角速度。在柱面上純滾動時，柱面上與輪子接觸點的軌跡是一條圓柱螺旋線，可推導(dǎo)出其軌跡參數(shù)方程。為了推導(dǎo)出輪心的軌跡，以接觸點Q處的切矢、主法線與副法線為坐標(biāo)軸建立活動坐標(biāo)系，即弗朗內(nèi)特(Frenet)活動標(biāo)架，求解出輪心C點的坐標(biāo)，然后對其進(jìn)行微分，即可計算出柱面上單個輪子滿足純滾動和無側(cè)滑條件下輪心瞬時速度和輪心軌跡擴(kuò)用同樣的方法分析單個輪子在圓管彎道的曲面上，16T”型接頭處的滿足純滾動和無側(cè)滑條件下輪心瞬時速度和軌跡。根據(jù)推導(dǎo)的理論，設(shè)計輪式管道機(jī)器人新型的輪子。

(2) 輪式移動機(jī)器人在圓管曲面上的幾何約束分析入，輪式移動機(jī)器人在管道曲面上的位姿用機(jī)器人上一點空間坐標(biāo)和機(jī)器人的歐拉角表示。把輪子簡化成圓盤之后，每個輪子的外緣圓可以用空間圓的方f養(yǎng)示出來。于四輪或者多于四輪的多輪機(jī)器人，機(jī)器人在管道的柱面上運行時，都能找到三個同時與壁面接觸輪子。機(jī)器人在圓管的柱面上行駛時，3個與壁面接觸的輪子與圓管的柱面始終相切‘那么對于每個輪子，輪子與壁面接觸點的切向量垂直于圓管半徑向量，同時垂直與輪子半徑向量。根據(jù)這一相切條件可以推導(dǎo)出3個約束方程，推導(dǎo)出機(jī)器人的空間坐標(biāo)和歐拉角這6個坐標(biāo)之間的關(guān)系。

(3) 輪式移動機(jī)器人在圓管曲面上的運動學(xué)建模:，輪式移動機(jī)器人在圓管中運行時，輪心之間的相對距離不變，輪心和機(jī)器人本體上所有質(zhì)點之間的距離不變，所以不包括輪子，俱包括輪心的輪式機(jī)器人本體可以看成一個剛體。輪式機(jī)器人在圓管中的運動是一個剛體螺旋運動。輪心既是剛體上一點，又是輪子上的一點，所以通過輪心的速度建立機(jī)器人各個輪子運動學(xué)特性與機(jī)器人本體的運動學(xué)特性之間的關(guān)系。

輪式移動機(jī)器人的控制輸入通常為驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速和舵輪的方向角。在某一時刻，機(jī)器人的位姿坐標(biāo)作為狀態(tài)變量已知，廣對于驅(qū)動輪，可以根據(jù)前面單個輪子在圓管中的運動學(xué)特性分析結(jié)果求解出輪心的瞬時速度大不和方向戶對于與壁面接觸的被動輪，可求解出輪心瞬時速度的方向。

根據(jù)兩個輪心的速度可求解出輪式移動機(jī)器人做瞬時螺旋的螺旋運動參數(shù)，根據(jù)此螺旋運動的角速度向量可推導(dǎo)出歐拉角的變化率以及機(jī)器人坐標(biāo)系原點的速度向量，進(jìn)而可推導(dǎo)出機(jī)器人的控制輸入與位姿坐標(biāo)變化的關(guān)系，即圓管中輪式移動機(jī)器人的運動學(xué)模型。

(4) 研制二套圓管中輪式移動機(jī)器人實驗系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)驗證實驗設(shè)計一套輪子一可張開，即左右兩排輪子可以由原來平行伸展成“八”字型的新型輪式移動機(jī)器人系統(tǒng)，配置相應(yīng)的透明的管道，通過樣機(jī)的實際實驗驗證己建立的理論.

爬行機(jī)器人搭載平臺又稱“運動搭載平臺”，是以運動機(jī)構(gòu)作為載體，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)可選擇性搭載相關(guān)檢測儀器的平臺。已應(yīng)用于軍事、電力、石油石化、無損檢測、市政、考古等行業(yè),施羅德工業(yè)對這一項目的研發(fā)投入了一定的精力，在一批批優(yōu)秀人才的攻克下，產(chǎn)品銷售國內(nèi)外。深圳質(zhì)量報告（三）詳細(xì)講解了此公司為城市跳動的脈搏打造過硬的管道檢測設(shè)備。宋清榮2100433B

一、管道機(jī)器人分類

根據(jù)管道機(jī)器人的不同驅(qū)動模式，大致可以分為八種。

第一種是流動式機(jī)器人，這類機(jī)器人沒有驅(qū)動裝置，只是隨著管內(nèi)流體流動，屬于不需要消耗能源的被動型機(jī)器人，但是其運動模式相當(dāng)有限。

第二種是輪式機(jī)器人，這一類機(jī)器人廣泛運用于管道檢查工作，許多的商業(yè)機(jī)器人就是這一類型。

第三種是履帶式機(jī)器人，即用履帶代替輪子。

第四種是腹壁式機(jī)器人，這類機(jī)器人通過可以伸張的機(jī)械臂緊貼管道內(nèi)壁，推動機(jī)器人前進(jìn)。

第五種是行走式機(jī)器人，這類機(jī)器人通過機(jī)械足運動，但是這類機(jī)器人需要大量驅(qū)動器，并且難以控制。

第六種是蠕動式機(jī)器人，這類機(jī)器人像蚯蚓一樣通過身體的伸縮前進(jìn)。

第七種是螺旋驅(qū)動式，即驅(qū)動機(jī)構(gòu)做旋轉(zhuǎn)運動，螺旋前進(jìn)。

第八種是蛇型機(jī)器人，這類機(jī)器人有許多關(guān)節(jié)，像蛇一樣前行。

此外，還有一些機(jī)器人擁有多種驅(qū)動方式。 當(dāng)然，隨著科技發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新，必將會有越來越多的類型被創(chuàng)造出來。

“細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動探測器集成系統(tǒng)”由上海大學(xué)研制。

包含：20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)（包括螺旋輪移動機(jī)構(gòu)、行星輪移動機(jī)構(gòu)和壓電片驅(qū)動移動機(jī)構(gòu)等）、機(jī)器人管內(nèi)位置檢測技術(shù)、渦流檢測和視頻檢測應(yīng)用技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動探測機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動探測。2100433B