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閱讀：165發(fā)布時(shí)間：2021-5-21
CCTV管道機(jī)器人的原理：
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(guó)的J. VR`ERTUT開(kāi)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(shí)、岡田德次、屈正幸、福田鏡二等人充分利用法、美等國(guó)的研究成果和現(xiàn)代技術(shù)，開(kāi)發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的管內(nèi)機(jī)器人。韓國(guó)成均館大學(xué)的Hyouk R. C.等人研制了天然氣管道檢測(cè)機(jī)器人MRINSPECT系列。我國(guó)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)大沈陽(yáng)自動(dòng)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(duì)于管道機(jī)器人的研究，以前對(duì)多輪支撐結(jié)構(gòu)的研究較多，才研究傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)器人直接用在圓形管道的檢測(cè)和維護(hù)。空間多輪結(jié)構(gòu)的管內(nèi)機(jī)器人的輪子與壁面接觸時(shí)，接觸點(diǎn)與輪心的連線(xiàn)在柱面的半徑方向上，并且輪子的行駛方向與柱面的母線(xiàn)平行，這是單個(gè)輪子在管道曲面上位姿的一種特殊情況。輪式移動(dòng)機(jī)器人在管道中運(yùn)行時(shí)，由于管道尺寸大小不、具有彎道和“T"型接頭等，輪式移動(dòng)機(jī)器人的每一個(gè)輪子在管道中的位姿是不可預(yù)測(cè)的產(chǎn)輪子的軸線(xiàn)方向可能不垂直于圓管的半徑方向，所以有必要分析單個(gè)輪子在圓管曲面上任意位姿時(shí)滿(mǎn)足純滾動(dòng)和無(wú)側(cè)滑條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。對(duì)于輪式管道機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程滬遇到的問(wèn)所譬如在彎管，和不規(guī)則管道時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，由于內(nèi)耗造成的驅(qū)動(dòng)力不足，由于壁面的變形萬(wàn)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(wèn)題。國(guó)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(huì)使結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，增加成本。
對(duì)于輪式管道機(jī)器人，準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。對(duì)單個(gè)輪子、輪式移動(dòng)機(jī)器人在管道曲面上的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)的理論。
Campion等人在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人在水平平整路面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型，位形運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，位姿動(dòng)力學(xué)模型，位形動(dòng)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(shí)，輪子與地面的各種接觸情況，一建立不廠(chǎng)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(dòng)機(jī)器人運(yùn)行在圓管中時(shí)，由于圓管管內(nèi)環(huán)境是三維的曲面環(huán)境，輪式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行在一個(gè)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(dòng)機(jī)器人。
由于輪式清污機(jī)器人在圓管中作業(yè)時(shí)運(yùn)行在三維的空間中，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和平面上輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型*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(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型。日前，國(guó)內(nèi)外輪式管道機(jī)器人的研究熱點(diǎn)主要是提高輪式管道機(jī)器人的可控性、通過(guò)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(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人在圓管中的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，使機(jī)器人在圓中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制為滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需要。
對(duì)于輪式排水管道機(jī)器人，除了從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選型需要下功夫之外，主要的科學(xué)問(wèn)題在于建立輪式機(jī)器人在圓管中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型，解決以下4個(gè)問(wèn)題，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制算法從理論上需要解決：
(1) 單個(gè)輪子在管道曲面上的任意位姿時(shí)輪心的瞬時(shí)速度，輪心的軌跡單個(gè)輪子在管道中運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的科學(xué)問(wèn)題在于對(duì)其位姿的描述卜以及其在滿(mǎn)足純滾動(dòng)和無(wú)側(cè)滑條件下輪心的速度。
(2) 分析輪式移動(dòng)機(jī)器人在管道曲面的幾何約束，推導(dǎo)出6個(gè)位姿坐標(biāo)之間的關(guān)系
輪式機(jī)器人在管道中運(yùn)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(yùn)行時(shí)，具有特定的幾何約束tY這6個(gè)位姿坐標(biāo)并不是互相獨(dú)立的，所以有必要推導(dǎo)出這6個(gè)位姿坐標(biāo)之間的關(guān)系。
(3) 建立輪式移動(dòng)機(jī)器人在圓管曲面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的難點(diǎn)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(wèn)題的實(shí)質(zhì)在于推導(dǎo)機(jī)器人瞬時(shí)螺旋運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型和作業(yè)要求卜設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型，把姿態(tài)角作為狀態(tài)變量，通過(guò)姿態(tài)傳感器的反饋，設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型主要用來(lái)設(shè)計(jì)控制率和運(yùn)用李雅普諾夫(Lyapunov)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。
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