管道机器人

70年代，石油、化工、天然气及核工业的发展及管道维护的需要刺激了管内机器人的研究。一般认为，法国的J. VR`ERTUT最早开展管内机器人理论与样机的研究，他于1978年提出了轮腿式管内行走机构模型IPRIVO。80年代日本的福田敏男、细贝英实、冈田德次、屈正幸、福田镜二等人充分利用法、美等国的研究成果和现代技术，开发了多种结构的管内机器人。韩国成均馆大学的Hyouk R. C.等人研制了天然气管道检测机器人MRINSPECT系列。我国管内机器人技术的研究己有20余年的历史，哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、清华大学、浙江大学、北京石油化工学院、天津大学、太原理工大学、大庆石油管理局、胜利油田、中原油田等单位进行了这方面的研究工作。对于管道机器人的研究，以前对多轮支撑结构的研究较多，才研究传统轮式移动机器人直接用在圆形管道的检测和维护。空间多轮结构的管内机器人的轮子与壁面接触时，接触点与轮心的连线在柱面的半径方向上，并且轮子的行驶方向与柱面的母线平行，这是单个轮子在管道曲面上位姿的一种特殊情况。轮式移动机器人在管道中运行时，由于管道尺寸大小不、具有弯道和“T”型接头等，轮式移动机器人的每一个轮子在管道中的位姿是不可预测的产轮子的轴线方向可能不垂直于圆管的半径方向，所以有必要分析单个轮子在圆管曲面上任意位姿时满足纯滚动和无侧滑条件下的运动学特性。对于轮式管道机器人在实际应用过程沪遇到的问所譬如在弯管，和不规则管道时发生运动干涉，由于内耗造成的驱动力不足，由于壁面的变形万以及机器人本身的误差，导致机器人在管道中偏离正确的姿态，甚至侧翻和卡死这些问题。国内外的研究人员主要从结构上，如采用差速器、柔性联接等方面进行解决，但这会使结构更加复杂，增加成本。

对于轮式管道机器人，精确的运动学模型是实现精确运动控制的基础。对单个轮子、轮式移动机器人在管道曲面上的运动学特性及控制理论方面分析很少，需要建立一套关于轮式管道机器人运动学的理论。

Campion等人在前人研究成果的基础上，对轮式移动机器人在水平平整路面上的运动学与动力学模型进行了分析，总结了四种状态空间模型:二位姿运动学模型，位形运动学模型，位姿动力学模型，位形动力学模型。Karl Iagnemma等人分析了轮子与地面不是刚性条件下，地面为不规则路面时，轮子与地面的各种接触情况，一建立不厂套基于轮子与地面接触特性的模型理论。但上述模型前提假设是轮子和地面是不可变形的，地面是规则的水平路面。当轮式移动机器人运行在圆管中时，由于圆管管内环境是三维的曲面环境，轮式移动机器人实际运行在一个空间曲面上，所以上述模型不能应用于圆管中的轮式移动机器人。

由于轮式清污机器人在圆管中作业时运行在三维的空间中，其运动学模型和平面上轮式移动机器人的运动学模型完全不同，需要在考虑几何约束和速度约束的前提下，分析轮式移动机器人的控制输入与机器人位姿坐标变化之间的关系，建立其运动学模型。日前，国内外轮式管道机器人的研究热点主要是提高轮式管道机器人的可控性、通过性，机器人朝着自主行驶作业的方向发展。虽然很多学者从结构方面提高了机器人的性能，但对轮式移动机器人在圆管中的运动控制论方面还缺乏深入系统的分析。所以需要根据该运动学模型，设计相应的算法，使机器人在圆中实现稳定控制为满足工程应用的需要。

对于轮式排水管道机器人，除了从结构设计，材料选型需要下功夫之外，主要的科学问题在于建立轮式机器人在圆管中的运动学模型，并设计相应的控制算法，使机器人能够自主行驶作业，也能够根据姿态信息，手工操作控制其保持水平行驶作业，不出现侧翻、卡死、驱动力不足，有良好的可控性。

为了建立轮式机器人在圆管中的运动学模型，解决以下4个问题，并设计相应的运动控制算法从理论上需要解决：

(1) 单个轮子在管道曲面上的任意位姿时轮心的瞬时速度，轮心的轨迹单个轮子在管道中运动学特性的科学问题在于对其位姿的描述卜以及其在满足纯滚动和无侧滑条件下轮心的速度。

(2) 分析轮式移动机器人在管道曲面的几何约束，推导出6个位姿坐标之间的关系

轮式机器人在管道中运行在三维的柱面环境中，其位姿坐标从平面上的3维变成了空间的6维。但由于机器人在管道中运行时，具有特定的几何约束tY这6个位姿坐标并不是互相独立的，所以有必要推导出这6个位姿坐标之间的关系。

(3) 建立轮式移动机器人在圆管曲面上的运动学模型，推导运动学模型的难点在于如何建立控制输天与位姿坐标变化率之间的关系。机器人的控制输入直接影响轮心的速度，而轮心确定了机器人刚体的速度，所以需要分析机器人刚体与轮心速度之间的关系。这一问题的实质在于推导机器人瞬时螺旋运动参数和控制输入的关系，导机器人的位姿变化率与控制输入之间的关系。

(4) 根据运动学模型和作业要求卜设计相应的控制率，使机器人在管道中能够保持水平行驶，根据已经建立的运动学模型，把姿态角作为状态变量，通过姿态传感器的反馈，设计相应的控制率，控制机器人在管道中按照要求的姿态行驶。运动学模型主要用来设计控制率和运用李雅普诺夫(Lyapunov)函数对其进行稳定性分析。

主要研究内容：

(1) 管道曲面的几何建模，研究单个轮子在管道曲面上任意位姿下的运动学特性，分析其在满足纯滚动和无侧滑条件下轮心速度与驱动控制输入的关系，轮心轨迹与轮子位姿的关系。

(2) 轮式移动机器人在圆管曲面上的几何约束分析，根据轮式移动机器人在圆管中每个轮子与壁面相切的条件，分析其在圆管中的几何约束，特别是姿态坐标和空间位置坐标6个坐标之间的关系。

(3) 柱面上轮式移动机器人的运动学分析

本项目将分析机器人控制输入与机器人螺旋运动参数之间的关系，进而推导圆管中轮式移动机器人的运动学模型，并通过仿真实验验证该运动学模型。

(4) 设计一套轮式移动机器人系统和相应的控制算法，设计一套轮子可以展开，并设计相应的运动控制算法，使机器人能够在管道中保持水平行驶作业。

施罗德工业测控设备有限公司在爬行机器人平台的总体研究方案

(1) 单个轮子在圆管曲面上的运动学特性分析

单个轮子在圆管曲面上的位姿与运动描述借鉴单个轮子在平面上的位姿与运动描述，通过接触点的切平面推广到圆管的曲面上。以水平圆管中单个轮子分析为例。轮子与圆管的内壁面接触点Q点，圆管的柱面是一个空间曲面，而轮子的外缘圆是一条空间曲线，那么Q同时在空间曲线和空间曲面上。过Q作空间曲线的切线m和空间曲面的切平面，同时作圆柱母线I，那么m和I在切平面上。切平面的法向量，即过接触点的圆柱的半径矢量，和切线m的法线之间的夹角为旦，切线m与柱面母线!之间的夹角为a。确定了单个轮子在管道曲面上位姿描述之后，推导其在管道曲面上纯滚动时轮心的轨迹方程。当轮子以角速度。在柱面上纯滚动时，柱面上与轮子接触点的轨迹是一条圆柱螺旋线，可推导出其轨迹参数方程。为了推导出轮心的轨迹，以接触点Q处的切矢、主法线与副法线为坐标轴建立活动坐标系，即弗朗内特(Frenet)活动标架，求解出轮心C点的坐标，然后对其进行微分，即可计算出柱面上单个轮子满足纯滚动和无侧滑条件下轮心瞬时速度和轮心轨迹扩用同样的方法分析单个轮子在圆管弯道的曲面上，16T”型接头处的满足纯滚动和无侧滑条件下轮心瞬时速度和轨迹。根据推导的理论，设计轮式管道机器人新型的轮子。

(2) 轮式移动机器人在圆管曲面上的几何约束分析入，轮式移动机器人在管道曲面上的位姿用机器人上一点空间坐标和机器人的欧拉角表示。把轮子简化成圆盘之后，每个轮子的外缘圆可以用空间圆的方f养示出来。于四轮或者多于四轮的多轮机器人，机器人在管道的柱面上运行时，都能找到三个同时与壁面接触轮子。机器人在圆管的柱面上行驶时，3个与壁面接触的轮子与圆管的柱面始终相切‘那么对于每个轮子，轮子与壁面接触点的切向量垂直于圆管半径向量，同时垂直与轮子半径向量。根据这一相切条件可以推导出3个约束方程，推导出机器人的空间坐标和欧拉角这6个坐标之间的关系。

(3) 轮式移动机器人在圆管曲面上的运动学建模:，轮式移动机器人在圆管中运行时，轮心之间的相对距离不变，轮心和机器人本体上所有质点之间的距离不变，所以不包括轮子，俱包括轮心的轮式机器人本体可以看成一个刚体。轮式机器人在圆管中的运动是一个刚体螺旋运动。轮心既是刚体上一点，又是轮子上的一点，所以通过轮心的速度建立机器人各个轮子运动学特性与机器人本体的运动学特性之间的关系。

轮式移动机器人的控制输入通常为驱动轮的转速和舵轮的方向角。在某一时刻，机器人的位姿坐标作为状态变量已知，广对于驱动轮，可以根据前面单个轮子在圆管中的运动学特性分析结果求解出轮心的瞬时速度大不和方向户对于与壁面接触的被动轮，可求解出轮心瞬时速度的方向。

根据两个轮心的速度可求解出轮式移动机器人做瞬时螺旋的螺旋运动参数，根据此螺旋运动的角速度向量可推导出欧拉角的变化率以及机器人坐标系原点的速度向量，进而可推导出机器人的控制输入与位姿坐标变化的关系，即圆管中轮式移动机器人的运动学模型。

(4) 研制二套圆管中轮式移动机器人实验系统，进行相关验证实验设计一套轮子一可张开，即左右两排轮子可以由原来平行伸展成“八”字型的新型轮式移动机器人系统，配置相应的透明的管道，通过样机的实际实验验证己建立的理论.

爬行机器人搭载平台又称“运动搭载平台”，是以运动机构作为载体，根据生产任务可选择性搭载相关检测仪器的平台。已应用于军事、电力、石油石化、无损检测、市政、考古等行业,施罗德工业对这一项目的研发投入了一定的精力，在一批批优秀人才的攻克下，产品销售国内外。深圳质量报告（三）详细讲解了此公司为城市跳动的脉搏打造过硬的管道检测设备。宋清荣2100433B

一、管道机器人分类

根据管道机器人的不同驱动模式，大致可以分为八种。

第一种是流动式机器人，这类机器人没有驱动装置，只是随着管内流体流动，属于不需要消耗能源的被动型机器人，但是其运动模式相当有限。

第二种是轮式机器人，这一类机器人广泛运用于管道检查工作，许多的商业机器人就是这一类型。

第三种是履带式机器人，即用履带代替轮子。

第四种是腹壁式机器人，这类机器人通过可以伸张的机械臂紧贴管道内壁，推动机器人前进。

第五种是行走式机器人，这类机器人通过机械足运动，但是这类机器人需要大量驱动器，并且难以控制。

第六种是蠕动式机器人，这类机器人像蚯蚓一样通过身体的伸缩前进。

第七种是螺旋驱动式，即驱动机构做旋转运动，螺旋前进。

第八种是蛇型机器人，这类机器人有许多关节，像蛇一样前行。

此外，还有一些机器人拥有多种驱动方式。 当然，随着科技发展，技术创新，必将会有越来越多的类型被创造出来。

“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”由上海大学研制。

包含：20mm内径的垂直排列工业管道中的机器人机构和控制技术（包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等）、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术，在此基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测。2100433B