管道機器人分類及國內(nèi)發(fā)展
一、管道機器人分類
根據(jù)管道機器人的不同驅(qū)動模式，大致可以分為八種。
*種是流動式機器人，這類機器人沒有驅(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器人，但是其運動模式相當有限。
第二種是輪式機器人，這一類機器人廣泛運用于管道檢查工作，許多的商業(yè)機器人就是這一類型。
第三種是履帶式機器人，即用履帶代替輪子。
第四種是腹壁式機器人，這類機器人通過可以伸張的機械臂緊貼管道內(nèi)壁，推動機器人前進。
第五種是行走式機器人，這類機器人通過機械足運動，但是這類機器人需要大量驅(qū)動器，并且難以控制。
第六種是蠕動式機器人，這類機器人像蚯蚓一樣通過身體的伸縮前進。
第七種是螺旋驅(qū)動式，即驅(qū)動機構(gòu)做旋轉(zhuǎn)運動，螺旋前進。
第八種是蛇型機器人，這類機器人有許多關(guān)節(jié)，像蛇一樣前行。
此外，還有一些機器人擁有多種驅(qū)動方式。 當然，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。
二、國內(nèi)應(yīng)用
70年代，石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展及管道維護的需要刺激了管內(nèi)機器人的研究。一般認為，法國的J. VR`ERTUT*早開展管內(nèi)機器人理論與樣機的研究，他于1978年提出了輪腿式管內(nèi)行走機構(gòu)模型IPRIVO 80年代日本的福田敏男、細貝英實、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器人MRINSPECT系列。我國管內(nèi)機器人技術(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、中原油田等單位進行了這方面的研究工作。對于管道機器人的研究，以前對多輪支撐結(jié)構(gòu)的研究較多，才研究傳統(tǒng)輪式移動機器人直接用在圓形管道的檢測和維護�？臻g多輪結(jié)構(gòu)的管內(nèi)機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器人本身的誤差，導(dǎo)致機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，對輪式移動機器人在水平平整路面上的運動學(xué)與動力學(xué)模型進行了分析，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。當輪式移動機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器人。
由于輪式清污機器人在圓管中作業(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，分析輪式移動機器人的控制輸入與機器人位姿坐標變化之間的關(guān)系，建立其運動學(xué)模型。日前，國內(nèi)外輪式管道機器人的研究熱點主要是提高輪式管道機器人的可控性、通過性，機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)方面提高了機器人的性能，但對輪式移動機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) 分析輪式移動機器人在管道曲面的幾何約束，推導(dǎo)出6個位姿坐標之間的關(guān)系
輪式機器人在管道中運行在三維的柱面環(huán)境中，其位姿坐標從平面上的3維變成了空間的6維。但由于機器人在管道中運行時，具有特定的幾何約束tY這6個位姿坐標并不是互相獨立的，所以有必要推導(dǎo)出這6個位姿坐標之間的關(guān)系。
(3) 建立輪式移動機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變化率之間的關(guān)系。機器人的控制輸入直接影響輪心的速度，而輪心確定了機器人剛體的速度，所以需要分析機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)機器人瞬時螺旋運動參數(shù)和控制輸入的關(guān)系，導(dǎo)機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) 輪式移動機器人在圓管曲面上的幾何約束分析，根據(jù)輪式移動機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)坐標和空間位置坐標6個坐標之間的關(guān)系。
(3) 柱面上輪式移動機器人的運動學(xué)分析
本項目將分析機器人控制輸入與機器人螺旋運動參數(shù)之間的關(guān)系，進而推導(dǎo)圓管中輪式移動機器人的運動學(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，使機器人能夠在管道中保持水平行駛作業(yè)。
工業(yè)測控設(shè)備有限公司在爬行機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軸建立活動坐標系，即弗朗內(nèi)特(Frenet)活動標架，求解出輪心C點的坐標，然后對其進行微分，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)計輪式管道機器人新型的輪子。
(2) 輪式移動機器人在圓管曲面上的幾何約束分析入，輪式移動機器人在管道曲面上的位姿用機器人上一點空間坐標和機器人的歐拉角表示。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器人，機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)出機器人的空間坐標和歐拉角這6個坐標之間的關(guān)系。
(3) 輪式移動機器人在圓管曲面上的運動學(xué)建模:，輪式移動機器人在圓管中運行時，輪心之間的相對距離不變，輪心和機器人本體上所有質(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器人本體可以看成一個剛體。輪式機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器人各個輪子運動學(xué)特性與機器