（机械电子工程专业论文）非等径垂直管道机器人控制系统研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：却s j 日期：佛年多月7 日 东华大学硕士学位论文 摘要 非等径垂直管道机器人控制系统研究 摘要 管道机器人的研究有着广泛的应用前景和社会需求，可以应用于石油、天然 气、化工、核工业、楼宇等管道。因此，研究在非结构环境下，具有运行平稳、 适应性强等特点的管道机器人具有重要的意义和研究价值。 首先，针对管道机器人管内运动力学的有关问题进行了详细的分析研究，包 括机器人的管内运动阻力、管径主动适应、牵引力与径向调节运动控制及电机选 用等问题 其次，结合机器人功能需求、机械系统特性和控制系统可行性分析，确定了 基于“p c + d s p 运动控制板+ 驱动器”的开放式控制系统总体设计方案。它将控 制系统的规划+ 伺服闭环+ 放大器有层次、模块化地体现出来，在决策规划、任务 分级控制、实时性等方面优势明显。 根据控制系统的整体架构，设计了机器人控制系统的硬件平台，包括控制部 件的选型和底层控制系统电路设计，并提出了模块化的软件设计思想，完成了上 位机控制决策软件、d s p 运动控制软件及r s 4 8 5 通信流程设计。 针对机器人在管道中的弯道通过及其控制问题，在基于机器人在转弯过程中 的阻力负载特性分析的基础上，提出了独立协调转弯的控制策略。 最后，对管道机器人系统进行了相关实验，实验结果证明了机器人的硬件系 统和软件系统的有效性，同时验证了管道机器人的各项运行指标基本达到任务要 求。 关键词：管道机器人，r s 4 8 5 ，d s p ，运动控制 东华大学硕士学位论文 摘要 r e s e a r c h o ni n p i p er o b o ti nt h ev e r t i c a lp i p e l i n e w i t hv a r i a n td i a m e t e ra n di t sc o n t r o ls y s t e m a bs t r a c t t h es t u d i e so fi n p i p er o b o t sh a v eb r o a da p p l i c a t i o nf i e l d sa n ds o c i a ln e e d s i n p i p er o b o t sc a nb e u s e dt oo i l ，g a s ，c h e m i c a l ，n u c l e a rp l a n t ，b u i l d i n ga n ds oo n f o rt h i sr e a s o n ，r e s e a r c ho fm o b i l e r o b o t su n d e ru n s t r u c t u r e de n v i r o n m e n tw h i c hh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fr u n n i n gs m o o t h l y , a n d a d a p t i o nh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ea n d r e s e a r c hv a l u e s f i r s t ，s o m et o p i c so fi n - p i p ek i n e t i cc h a r a c t e ro fp i p e l i n e r o b o ta r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e dd e e p l y , i n c l u d i n gi t si n - p i p em o v i n gr e s i s t a n t ，r a d i a la d j u s t i n gc a p a b i l i t y t h e nc o n s i d e r i n gr o b o tf u n c t i o n ，m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r 0 1s y s t e mf e a s i b i l i t ya n a l y s i s ， o p e nc o n t r o ls y s t e mg e n e r a ld e s i g ns c h e m eb a s e do np c + d s p m o t i o nc o n t r 0 1b o a r d + m o t i o n d r i v e ri sc o n f i r m e d i tr e v e a l st h ec o n t r o ls y s t e mi na s p e c t so fp l a n n i n g , s e r v oc l o s e dl o o pc o n t r o l a n da m p l i f i e ri nah i e r a r c h i c a la n dm o d u l a rw a y , a n dh a so b v i o u sa d v a n t a g e so ns t r a t e g y - m a k i n g ， h i e r a r c h i c a l l ya s s i g n m e n t - c o n t r o l l i n ga n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e h a r d w a r ep l a t f o r mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt oh i e r a r c h i c a lc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c ，i n c l u d i n gs e l e c t i n g c o n t r o lu n i ta n dd e s i g n i n gb a s ec o n t r o ls y s t e mc i r c u i t m e a n w h i l e ，d e s i g ni d e a so fm o d u l a r i z e d s o f t w a r ei s p r o p o s e d ，c o n t r o ls t r a t e g ys o f t w a r eo fp c ，m o t i o nc o n t r o l s o f t w a r ea n dr s 4 8 5 c o m m u n i c a t i o np r o c e s so fd s pa r ed e s i g n e ds u c c e s s f u l l y a i m i n ga tt h er o b o tp a s s i n gt h r o u g he l b o wp i p es t e e r i n gc o n t r o li np i p e l i n e ，b a s e do nt h ea n a l y s i s o fr e s i s t a n c el o a dc h a r a c t e r i s t i c s t h es p e c i f i c so fr o b o ti n d e p e n d e n tc o o r d i n a t e dm o t i o nc o n t r o l s t r a t e g yi nt y p i c a la r ce l b o wp i p ei sp r e s e n t e d f i n a l l yw em a k ee x p e r i m e n t so ft h em o b i l er o b o t t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sc o m p e t e n tf o rt h er o b o ta n dt h em o b i l er o b o tc a nf i l lf o rt h er e q u e s to ft h ed e s i g n k e y w o r d s ：p i p er o b o t ，r s 4 8 5 ，d s p , m o t i o nc o n t r o l 东华大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 管道机器人的研究现状1 1 3 课题研究的内容和意义一8 1 4 本章小结8 第二章机器人的机械系统特性及运动力学分析9 2 1 引言9 2 2 管道机器人机械系统特性分析9 2 2 1 管道机器人机械本体9 2 2 2 机构设计创新点1 1 2 2 3 管道机器人主要技术指标1 1 2 2 4 非等径垂直管道机器人作业环境1 2 2 3 管内运动阻力分析。1 3 2 3 1 爬坡阻力1 3 2 3 2 地面变形阻力1 3 2 3 3 履带装置运行内阻力1 4 2 3 4 外部行使阻力1 4 2 3 5 拖缆作业阻力1 4 2 3 6 弯道阻力15 2 3 6 总阻力估算1 8 2 4 主动管径适应l8 2 5 功率的计算和电机的选择2 1 2 5 1 行走机构所需功率的计算和电机的选择2 2 2 5 2 支撑机构所需功率的计算和电机的选择2 4 2 6 牵引力与径向调节运动控制2 5 2 7 本章小结2 7 第三章管道机器人控制系统硬件设计2 8 3 1 引言2 8 3 2 控制系统可行性分析2 8 3 2 控制系统体系结构2 9 3 3 管道机器人控制系统硬件设计3 0 l 东华大学硕士学位论文 目录 3 3 1 控制系统部件的选型3 0 3 3 2 控制电路设计3 3 3 4 本章小结3 9 第四章管道机器人控制系统软件设计4 0 4 1 引言4 0 4 2 控制系统软件架构4 0 4 3 上位机控制决策软件4 1 4 3 1 基本运动控制模块4 1 4 3 2 串口通信协议4 2 4 3 3 图像采集模块4 4 4 3 4 上位机软件界面4 5 4 4 d s p 运动控制软件4 6 4 4 1 主控模块4 6 4 4 2 电机控制模块4 7 4 4 3 传感器控制模块4 9 4 4 4 串口通信模块5 0 4 5 本章小结5 3 第五章机器人管内运动与控制策略5 4 5 1 引言5 4 5 2 管道机器人控制结构5 4 5 3 运动控制策略5 4 5 4 速度协调模型5 7 5 5 机器人独立驱动协调控制5 8 5 4 本章小结5 9 第六章实验与分析6 0 6 1 引言6 0 6 2 闭环参数选择6 0 6 2 电源防反接仿真6 1 6 4 调节臂压缩弹簧标定实验6 2 6 4 机器人运行实验6 3 6 5 本章小结6 5 第七章结论与展望6 6 7 1 结论6 6 7 2 展望6 6 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 0 致谢7 1 i v 东华大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 机器人自1 9 2 0 年捷克作家卡雷尔卡佩克的笔下诞生至今发展迅猛，但机器 人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。我国科学家对机器人 的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或 生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具 有高度灵活性的自动化机器”l l j 。 自2 0 世纪6 0 年代工业机器人问世以来，随着社会的进步和科学技术的迅猛 发展，特别是在信息技术、控制理论等学科迅速发展的支持下，机器人的种类日 益繁多，性能不断地改进，工作领域也在不断地扩大。从深海到宇宙空间，在各 种人类所不能承受的极限环境中都能找到机器人的应用。可以说，现代机器人技 术已经突破了传统的工业机器人的范畴，逐步转向应用于各种特殊工况的特种机 器人技术幽j 。 特种机器人工作于非结构环境中，即工作无法在事先布置好的条件下进行， 而且在工作进行过程中环境或工作的内容可能随时发生变化。开发在非结构环境 下工作的特种机器人，使人脱离危险作业的生产第一线，减轻人的劳动强度，是 机器人发展的一个必然方向。特种机器人的新机构、新结构、新传感器和新型伺 服驱动系统的开发和先进的控制算法、控制策略的研究已经成为机器人研究的一 个重要领域。 管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走，携一种或多种传感器和操 作机械( 如操作手、焊枪、刷子) ，在操作人员的遥控操作或计算机自动控制下 完成一系列管道作业的机电仪一体化系统1 7 j 。 用于管道机器人，不仅可提高提高管道清理的效率，而且对改善劳动条件、 减轻劳动强度、提高作业效率、降低作业成本、保障人身安全有着十分重要的意 义。 1 2 管道机器人的研究现状 管道机器人的研究始于2 0 世纪四十年代，由于7 0 年代微电子技术、计算机 技术、自动化技术的发展和进步，国外的管道机器人技术于9 0 年代初得到了迅 猛发展，研制了许多实验样机，取得了大量的研究成果，正逐渐接近于应用水平。 日本学者t m o r 曲i t s u 【8 1 0 1 等人于1 9 8 7 年研制成功了振动式管道机器人，图 东华大学硕十学位论文 第一一章绪论 1 1 所示为结构简图，其工作原理是在机器人的外表面装有若干与机器人本体成 一定角度的弹性针，靠弹性针的变形使管道机器人压紧在管道内壁上。管道机器 人的机身内装有由电动机驱动的偏心重物，当偏心重物旋转时，产生的离心力使 弹性针变形、滑动，从而带动机器人整体移动。该机器人结构简单，容易小型化， 但是其在管道内的行走速度难以控制，而且振动使管道机器人沿圆周方向自转， 导致机器人运动时姿态不稳定且难以有效地控制，这些对机器人的使用寿命均会 产生很大的影响。 图1 - 1 振动式管内管道机器人 日本东京工业大学航空机械系s h i g e oh i r o s e 和h i d e t a k ao h n o i l1 等人于19 9 3 年开始研究管道机器人，先后研制成功痧5 0 m m 管道的t h e s i 、t h e s i i 型管道 机器人和矽1 5 0 m m 管道的t h e s i i i 型管道机器人。 t h e s 。i 型管道机器人的总长为3 0 0 m m ，重量只有3 1 0 9 ，其外形如图1 2 ( a ) 所示，在机器人本体的滚轮上沿圆周方向成放射状均布四根弹簧钢丝，每根弹簧 钢丝的末端都安装了一个有一定倾斜角的轮子，所有的轮子在弹簧压力的作用下 撑紧在管道的内壁上。沿圆周方向履带足子时，由于存在倾斜角将产生螺旋推进 运动，从而推动机器人在管道中的运动，且轮子的倾斜角可以随着阻力大小的改 变而改变，当机器人的负载较大时，轮子的倾斜角将产生变化，从而减小行走速 度，增加推进力。 t h e s i i 型管道机器人的每一节机器人单元的左右两侧分别布置着由弹簧板 支撑的一对轮子，轮子由电动机通过减速齿轮箱驱动，以实现机器人在管道中的 前进和后退运动，t h e s i i 型管道机器人可以在带有弯管接头的管道中运动，如 图1 - 2 ( b ) 所示。t h e s i i i 型管道机器人采用“电机一蜗轮蜗杆一履带足”的驱动方 案，如图1 - 2 ( c ) 所示，同时每个履带足都有一个倾斜角度测量轮，通过测量轮探 测机器人的倾斜角度，并反馈给电机从而保证管道机器人的履带足以垂直的姿态 运动。该管道机器人系统通过c c d 摄像头实现信息的采集，整个系统采用拖缆 控制方式，检测距离超过1 0 0 m ，图1 - 2 ( d ) 为t h e s i i i 样机。 壅些查兰堡兰垒兰奎j 兰! ! ! 鱼 ( b ) t h e s - 型实验样机 ( “m 型结构原理示意 ( d ) t h e s - i 型实啦降机 图1 - 2t h e s 系列机器人样机 德国i n s t i t u t ef o ra p p l i e dm e c h a n i c s t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo fm u n i c h 的 d i p l i 峨a n d r e a s z a g l e r 开发了管道爬行机器人吟1 ”，如图1 - 3 。该管道爬行机器 人重量为2 0k g ，采用八足爬动。驱动能力为1 5k g 。机器人长为0 7 5 m ，宽为0 6 m ， 高为0 6 m ，最大速度为0 1 m s ，采用直流供电方式。 凰l - 3 管道爬行机器人 德国学者b e 盯1 i l a r dk j a a s s c n 、h e r m a n ns t r e i c h 和f r a n kk i r c h n e r 1 6 “5 1 等人在 德国教育部的资助下于2 0 0 0 年研制成功了多关节蠕虫式管道机器人系统 m a k r o ( 胭1 - 4 ) 。该机器人由六节单元体组成，其头部和尾部两个单元体完全 相同，每个单元体之间的节点由三个电动机驱动，使得m a k r o 机器人本体可 以抬起或者弯曲，从而越过障碍物或实现拐弯运动，通过弯管接头部分。m a i g r o 具有2 1 个自由度，长度为2 m ，重量为5 0 k g ，采用无缆控制方式，适用于直径 为3 0 0 “l f p 6 0 0 m m 的管道，但该机器人牵引能力有限，不能运行于垂直管道 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 零悠 图1 - 4m a k r o 机器人系统 韩国也开展了管道机器人的研究工作，并取得了较大的进展。其中较有代表 性的是s u n g l 叮u n k w a n 大学机械工程学院i n t e l i g e n tr o b o t i c sa n dm e c h a t r o n i c s y s t e ml a b o r a t o r y 的s e g o nr o h 等进行的m r l n s p e c t 系列管道机器人研究 【1 ”，如图1 5 所示。 ( c ) m r i n s p e c t e l i( d ) m r i n s p e c t i v 图1 - 5m r i n s p e c t 系列管道机器人 该系列机器人采用拖缆的方式进行能源供给和通信。m r i n s p e c tl 为单节， 采用非独立驱动方式，通过弹簧实现柔性支撑，能适应一定的管径变化，可以被 动转弯。m r i n s p e c ti i 采用多节方式，节与节之间通过可控万向绞接连接，可 以通过弯管接头，其支撑方式采用弹簧支撑式连杆机构，能适应一定的管径范围。 m r i n s p e c t l i i 采用列车多节方式，前后各有一个驱动节和转向节，中间为工作 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 节，可携带n d t 检测和作业装置，前进、后退方向都具备主动转向能力，能通 过各种弯管接头。m r i n s p e c ti v 是在m r i n s p e c ti i i 基础上对结构进行改进 后缩小设计的，其重量和形状都大大减小，采用单节独立驱动，配置有三组驱动 电机，采用剪刀”式前后独立的柔性支撑，重量o 7 k g ，最大运行速度9 m r a i n ， 牵引力l o k g g 机器人具有较好的运动灵活性和转向适应性，具有较高的牵引力 自重比。该机器人还装备有c c d 摄像头，采用差速驱动控制，能通过“e l b o w ” “t ”型管道接头，但适应管径范围小，拖缆能力有限，目前还处于实验室研究 阶段。 美国纽约煤气集团公司( n y g a s ) 的d a p h n ed z u r k o 和卡内基梅隆大学机 器人技术学院的h a g e ns c h e m p 2 2 ) 博士在美国国家航空和宇宙航行局( n a s a ) 的资助下于2 0 0 1 年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统e x p l o r e r ，专 门用于检测地下煤气管道的状况，其原型如图l - 6 所示。该机器人系统采用无线 通讯方式，具有自推进能力，直线管道内一次作业检测距离达到5 0 0 m ，自带电 池提供能源，电池可以多次反复充电，适合在铸铁和钢质煤气管道条件下工作。 机器人整体结构采用类似列车的多节方式，能通过9 0 。弯管接头。前端携带配备 嵌入式“鱼眼”镜头的彩色摄像头，可以通过视频图像观察煤气管道内部是否有水 渗透、阻塞物堆积。 图1 - 6 脚印“m e r 煤气管道机器人 俄罗斯的t a r i s 公司针对地下输水管道的检测、清理研制了多个系列管道 机器人系统【2 3 - 2 4 ，参看图1 7 。这些管道机器人为轮式驱动，能源供给和通信采 用拖缆方式，带有方向可旋转控制的彩色摄像头，能进行视频探测，采用防水材 料制作，具有较好的密封防水性。 ( a ) p - 1 0 0 机器人系统 ( ”p 2 帅机器人系统 ( c ) c - 2 机器人系统 圈1 7 t a r i s 公司的管道机器人系列 p - 1 0 0c c t vr o b o t i cs y s t e m 适应管径9 0 r m n 9 0 0 m m ，p - 2 0 0c c t v 5 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 r o b o t i cs y s t e m 适应管径1 5 0 m m 1 2 0 0 m m ，c - 2 0 0c c t vr o b o t i cs y s t e m 除了 能进行视频探测外，还可以进行切割、清理工作，适应管径中2 0 0 m m 6 0 0 m m ， 管道内最大作业距离为3 0 0 m 。 比利时l i b i l e 大学a c t i v es t r u f t u r e sl a b o r a t o r y 的m i h a i t ah o r o d i n c a 等 研制了一种螺旋驱动方式的管道机器人原型阱j ，如图1 - 8 所示。该机器人携带电 池，可以工作2 小时，采用拖缆控制方式，能在管道内自主移动。机器人总体结 构由转子和定子两部分组成，定子部分的轮子沿管道母线方向平行移动；转子部 分轮子与管道母线之间有一个倾斜角度，当电机履带足子沿管道轴线旋转时，轮 子沿管道以螺旋方式转动，推动机器人前进，两部分之间通过万向节连接。目前， 已针对庐1 7 0 r a m 、庐7 0 r a m 、# 4 0 r a m 三种直径的管道研制了样机。 圈1 - 8 螺旋运动的管道机器人 国内对管道机器人的研究已有1 0 余年的历史，上海交通大学、上海大学、 哈尔滨工业大学、大庆石油管理局、胜利油田、中国石油天然气管道局、沈阳工 业大学等单位都进行了这方面的研究工作t 2 6 - 2 9 1 。总体看来国内管道机器人的研制 和应用已经有了一定的基础，但是仍处于起步阶段。哈尔滨工业大学邓宗全等早 在1 9 8 7 年起就开展了管内机器人行走机构的研究。1 9 8 9 年在国家自然科学基金 的资助下，研究了不同类型的管道机器人行走机构模型，研制了多种管内机器人 实验样机，并获得了三项专利成果。1 9 9 2 年，在“8 6 3 ”计划“注水管路用管内 管道机器人”项目资助下，于1 9 9 4 年研制成功直进轮式全主动管内管道机器人。 该管道机器人运行平稳，具有高可靠性和实用性的特点。1 9 9 5 年5 月又获8 6 3 5 1 2 主题资助“管内管道机器人产业化开发”课题资助，并于1 9 9 6 与大庆油建公司 合作研制成功庐6 6 0 r a m 野外大口径管线对接焊缝工业x 射线检测系统，该机器 人管内移动距离3 0 0 m ，在技术上解决了收放线的控制问题和长距离强弱信号混 传干扰问题。此外，还与大庆油建公司合作研制成8 9 r a m 管道机器人补口系统。 1 9 9 7 年1 0 月又研制出航空输油管道管内喷涂机器人。 综上所述，经过多年的研究与发展，国内外已经在管道机器人领域取得了大 量的研究成果，管道机器人的技术得到了迅猛发展，但从总体技术水平来看，管 道机器人的研制和开发在国内外都还处于发展阶段，上述成果大多停留在实验室 样机，距离大规模实用化还有一定的差距，主要面临以下几个方面的问题。 东华大学硕+ 学位沦文第章绪论 ( 1 ) 能源供给问题。 由于能源和通信的限制，目前研制的机器人在管道内移动距离短，较难满足 工程实际中长距离检测作业的需求。 从驱动方式来看，目前的管道机器人大多由电机驱动，少数为气动或液压驱 动，不论采用何种动力源，其能源供给方式目前只有两种选择：有缆方式和无缆 方式。对于有缆方式供能的管道机器人，主要存在的问题是当机器人行走距离达 到一定程度时，尤其是当转弯较多时，线缆与管壁的摩擦力会变得很大，甚至超 过机器人牵引力所能承受的范围，这严重地影响了机器人作业时的最大行走距 离，而且还会带来可靠性等一系列的问题。对于无缆方式并具有自主行走能力的 管道机器人，其能源供给主要依靠携带的蓄电池。这种方式一个共有的缺点是蓄 电池容量小，所储存的能量有限，而且受电池质量、充电工艺等因素的影响，因 此机器人的驱动能力及一次作业行走距离仍然受限制。如果机器人连续进行作 业，电池的能量将无法提供给机器人长时问运行和操作，一旦电池能源消耗过大， 机器人就面临着有去无回的危险。此外，携带蓄电池还会导致体积增大以及机器 人本体重量增加等问题。 ( 2 ) 通信问题。 在通信方面，管道机器人在管道内进行检测、维修等作业时，需要随时与外 界进行联系，将传感器采集到的数据及有关管道内部环境的信息传递给外部的控 制台，并接受操作人员的命令，因此，实现高效、可靠、准确的远程通讯是管道 机器人正常工作的必要条件。这种信息的传递也只有两种方式：有线方式和无线 方式。若采用导线则同样面临着电缆与管道内壁的摩擦问题，限制了机器人在管 道内的移动距离。若采用无线通讯的方式，对机器人的管内行走比较方便，但是 需要解决信号有效传输问题。从目前的技术来看，信号经过管壁、土壤、天然气 等介质后衰减很大，特别是管壁为金属时，由于电磁屏蔽作用，通常的高频无线 电信号很难穿过管壁，无线通讯很难满足要求，而且，与有线通信方式相比，整 个系统的成本会大幅度上升。事实上，能源供给问题和通讯问题都涉及到机器人 是否采用拖缆方式。目前比较现实的方案是尽量减少拖缆的线数，以减少线缆的 重量，从而有利于提高机器人的一次作业行走距离。 ( 3 ) 对带有各种弯管接头的复杂管道的通过性问题。 从已经取得的研究成果来看，目前研究的管道机器人，大部分只能运行在一 般的直管道内，而能够顺利通过工程中广泛应用的弯管、变径管等复杂管道的管 道机器人还处在实验开发阶段，通用性和实用性较差，国内所做的研究，大多针 对单一管道环境的假设，对机器人的运动方式、行走机构、管内运动控制等所做 的研究很少。 ( 4 ) 机器人运动状态参数及管道环境的自主识别问题。 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 管道机器人在管内的姿态参数识别，如机器入平面与管道主平面的夹角、机 器人的倾斜角等参数的识别，目前识别工作需要外部操作人员的大量参与，而不 是由机器人本身来自主地完成。目前的大部分管道机器人，操作者对环境的识别 起了决定性的作用，机器人本身的自主性较差。 1 3 课题研究的内容和意义 本课题介绍一种管道机器人它将自主变位履带足结构应用到管道机器人上， 其不仅吸收了履带式行走机构支撑面积大，地形适应能力强的优点，而且利用自 主变位履带足结构自主灵活的机构特性，提高了现有管道机器人的越障能力；管 道机器人的三组行走机构可独立控制，在一定条件下可实现机器人其水平和垂直 管道直线运动和弯管转弯的能力。 本课题主要完成以下内容： ( 1 ) 结合机器人功能需求、机械系统特性和控制系统可行性分析，确定了 基于“p c + d s p 运动控制器+ 驱动器”的开放式控制系统总体设计方案。 ( 2 ) 完成了控制系统硬件总体设计。包括d s p 控制核心芯片的选择和性能 分析；通信电路模块电路的设计，电机驱动模块的设计；传感器模块中基于各种 传感器检测内容和功能的分析，及对各种传感器部件的选型。 ( 3 ) 完成了控制系统的软件设计。采用模块化的设计思想，用v c + + 编写 了上位机控制决策软件和用c 编写了d s p 运动控制软件。 ( 4 ) 设计了管径主动适应模型。提出了主动管径适应及牵引力调节的力学 模型，设计了具体的调整控制策略。 ( 5 ) 设计了弯道的运动协调控制策略。提出了基于实时反馈的控制器模型， 设计了具体的调整控制策略。 l 。4 本章小结 本章首先介绍了管道机器人技术的研究概况，包括国内外管道机器人研究概 况，管道机器人控制技术的分析和比较，接着对本课题研究意义及主要内容作了 扼要的说明。 东华大学硕士学位论文第二章机器人的机械系统特性及运动力学分析 第二章机器人的机械系统特性及运动力学分析 2 1 引言 由于管道是一种特殊的任务工作空间，管道机器人在管道内作业具有不同于 其它任务空间的运动力学特性，涉及机器人的管内空间运动方程、管内运动阻力、 姿态偏转、径向调节运动等问题，这些问题影响到机器人的管道环境适应能力及 管内运动控制，需要进行研究探讨。 本章将针对所设计的行走机构和驱动方式，对管道机器人运动力学的有关问 题进行分析研究。首先，介绍机器人机械本体结构设计，然后建立机器人的管内 空间运动方程，分析机器人各种管内运动阻力的计算模型，针对机器人的径向调 节运动问题，给出主动管径适应及牵引力调节的控制方案。 2 2 管道机器人机械系统特性分析 机器人所需实现的功能和达到的技术参数决定了机械系统和控制系统的设 计，而机械结构的类型、布局、传动方法以及驱动方式直接影响到机器人的控制 性能。因此，在熟悉机械结构并充分考虑机器人功能特性的前提下，才能设计出 合理的机器人控制系统。 2 2 1 管道机器人机械本体 履带式管道机器人机械系统试验样机如图2 1 所示，主要由以下几部分组成： 1 、支撑履带足2 、调节臂3 、滑动支座4 、机体5 、行进履带足6 、摆腿7 、丝杆 8 、调节电机。 管道本机器人本体机械参数如下： 1 ) 机器人总重1 0 k g 2 ) 最大载重5 k g 3 ) 机器人车体外形尺寸机械外表尺寸：4 0 7 2 5 0 3 0 0 ( 长宽高m m ) 非等径垂直管道机器人由以下部分组成：机器人本体、底盘机构系统，支撑 机构系统。 机器人本体位于底盘系统和支撑机构系统中问，用来联结、固定上下两个机 构系统零部件。 底盘机构系统包括一个摆腿角度调节机构、两套摆腿角度锁定机构和一套移 动机构；摆腿角度调节机构包括两对完全相同且啮合的第一角度齿轮和第二角度 9 东华大学硕士学位论文 第二章机器人的机械系统特性及运动力学分析 齿轮，一对摆腿轴，一对摆腿轴按纵向对称的方式设置在机器人本体的下部，且 每一摆腿轴的两端都与机体转动连接；移动机构包括四条摆腿，四个摆腿关节， 四个履带足；四个底盘摆腿。其中摆腿关节上设置有锁紧螺栓，当锁紧螺栓松开 时，可以调节履带足转轴与机体的夹角，当锁紧螺栓锁紧时，履带足转轴与摆腿 固联。 图2 1 管道机器人试验样机 支撑机构系统包括，调节电机，一对啮合的主动齿轮、被动齿轮，丝杆，前、 后滑动支座，前、后支撑臂，左、右轨道，其中丝杆两侧螺纹分别为左旋、右旋 外螺纹；调节电机与机体固定联接，调节电机的输出轴与主动齿轮固定联接；主 动齿轮和被动齿轮啮合连接，被动齿轮和丝杆固定联接；丝杆两端与机体转动连 接，丝杆的转动会带动两侧的滑动支座相对或相向移动。 两个滑动支座和两个支撑臂的下端转动连接，调节臂包括：调节臂、调节杆、 压缩弹簧、开口框、限位钢丝挡圈。通过装在调节臂内预紧压缩弹簧，借助于弹 簧力作用于与之相连的连杆，进行力封闭机构的调整。 因此，当调节电机转轴转动而带动丝杆转动时，丝杆会带动两侧的丝杆螺母 向中间或两侧移动，改变支撑机构的展臂高度，从而调整支撑履带足对管壁的压 紧程度，不同于传统的预紧弹簧固定、恒值施力方式。在此过程中，通过电子尺 测量压缩弹簧的位移量可以间接地检测各组履带足和管道内壁之间的压力和，保 证行走机构以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使管道机器人具有充足而稳定的 牵引力，提高了力封闭机构的柔性。此外，压紧力间接检测还会起到过载保护作 用，防止机构超过额定载荷，实现封闭力的在线调整，进一步增强力封闭可调机 构的功能。 底盘机构系统和支撑机构系统均可独立调节高度，使非等径垂直管道机器人 东华大学硕+ 学位论文第二章机器人的机械系统特性及运动力学分析 具有双重高度调节机构，提高了机器人的高度调节范围和管径适应能力；支撑机 构系统运用丝杆螺母副结构与调节臂相结合使机器人既可以调节高度又可以调 节对管壁的压力；支撑履带足与底盘履带足在横截面构成一个等腰三角形，将机 器人底盘履带足与支撑履带足调节到平行状态时可以适应矩形管道，调节到共圆 状态时又可以进入圆形管道。这些特征大大提高了非等径垂直管道机器人的复杂 管道适应性和管内运行稳定性。 履带足是机器人移动机构的关键部件，由于履带足独特的结构设计和五个履 带足在机体上的分布特点使得非等径垂直管道机器人行走机构具有很强的越障 性能，相对于一般的轮式和履带式移动机构具有很强的优越性。 图2 - 2 履带足越障时受力状态示意图 如图2 2 所示为管道机器人移动机构履带足触碰到障碍的受力分析示意图， 履带足的回转轴心o 低于两带轮中心线连线，履带足可在一定范围内自由摆动。 碰到障碍物时，障碍物对履带足的反作用力n 以及其产生的摩擦力f 共同产生 一个使履带足绕回转轴o 向切线方向的翻转力矩。这种机构设计大大提高了机 器人的越障性能。 2 2 2 机构设计创新点 ( 1 ) 机器人能够实现在垂直管道及弯道中行走，使其更具适应管内复杂作 业环境的能力。 ( 2 ) 机器人采用了可调高度的底盘机构和可调高度的支撑机构相结合的双 重高度调节机构，提高了机器人管径适应范围。 ( 3 ) 机器人既适用于垂直方管和也适用于垂直圆管，并且动态平稳性有很 大的提高。 ( 4 ) 机器人具有管内越障功能。 2 2 3 管道机器人主要技术指标 根据管道机器人在管道内作业任务的要求，机器人的整体性能应达到如下主 东华大学硕士学位论文 第二章机器人的机械系统特性及运动力学分析 要技术指标： ( 1 ) 能够在高度2 5 0 4 0 0 m m 矩形管道和直径2 5 0 3 8 0 m m 圆管道中实现 水平、垂直、弯管行进平稳和主动转向； ( 2 ) 行走速度为：0 5 m m i n ； ( 3 ) 实现实时图象和数据传输，通过在控制端进行监视和控制。 ( 4 ) 通过对d s p 控制器的编程，实现各传感器的信息采集、各履带足电机 驱动器开环、调节电机闭环控制及上下位机通迅数据传递及控制信息处理。 2 2 4 非等径垂直管道机器人作业环境 管道按截面形状分有圆管和方管，按管道轴线类型分有直管、弯管、t 型管 和十字型管等。机器人在直管道中运行时，机器人运动特征是简单直线行走；在 水平面弯道中运行时，机器人做横向转弯运动；在垂直面弯道中运行时，机器人 做纵向转弯运动。 本系统主要考虑直管和弯管由于加工、使用等原因，实际使用的管道并不一 定时理想的几何体，履带、管道均有一定的弹性，在重力、外界挤压等力的作用 下会产生变形。我们在研究管内行走机构动力学时，在不失实际意义的前提下， 假定： l 、管道具有理想的几何形状，接头、分岔处都是理想的几何过渡或相贯。 2 、管道及机器人的履带变形可以忽略或不变形。 机器人在管道中的运动受到管道空间的约束，是一种受限空间运动，除了沿 着管道前后管道机器人运动，还可能绕管道中心轴线转动，后者属于机器人姿态 偏转问题，不在此处机器人空间运动的分析范围内。 图2 - 3 相关坐标系定义 东华大学硕士学位论文 第二章机器人的机械系统特性及运动力学分析 为描述管道机器人的履带在管内的运动姿态，如图示2 3 我们给出下列定义： ( 1 ) 管道主平面：指过管道轴心线并与水平面夹角等于管道轴心线与水平线 夹角的平面。如果管道轴心线与水平面平行，则管道主平面也与水平面平行。 ( 2 ) 管道主截面：与管道轴心线相垂直的平面。 ( 3 ) 管道坐标系：以管道轴心线为x 轴，指向机器人运动的方向；以管道主 平面与管道主截面的交线为y 轴的右手坐标系x y z o ，为静坐标系。原点e 在 管道中心轴线上，z 轴由右手规则确定。 ( 4 ) 机器人坐标系：以机器人重心为原点建立的坐标系x y z o ，为动坐标系， 是与管道机器人固连在一起的。动坐标系的原点在机器人的中心对称轴线上，到 前后履带足的距离相等，o x 轴与机器人的中心对称轴线取向一致，o y 轴垂直于 第一组行走机构平面，o z 轴由右手规则确定，在第一组行走机构平面内，且垂 直于机器人的对称中心轴线。 2 3 管内运动阻力分析 机器人行走阻力和行走速度是确定履带驱动电机的功率的主要依据。一般来 讲，管道机器人行走过程中有如下阻力需要考虑： ( 1 ) 爬坡阻力 ( 2 ) 地面变形阻力 ( 3 ) 履带装置运行内阻力 ( 4 ) 外部行驶阻力 ( 5 ) 拖线阻力 ( 6 ) 弯道阻力 2 3 1 爬坡阻力 由于机器人自身存在重量，因此，在通过有上升坡度的管道时，在重力的作 用下，会产生爬坡阻力。设机器人的质量为m ，管道的上升坡度角为( p ，则爬坡 阻力为 巧= m g s i n 缈( 2 1 ) 当机器人在垂直管道直线上行时，爬坡阻力就等于机器人的重力，而下行时， 重力也转化为行进动力的一部分。 2 3 2 地面变形阻力 管道机器人主要应用于硬质管道环境，考虑到履带与管壁为面接触，管道在 此压力下变形很小，直线行走时的地面变形阻力忽略不计。 东华大学硕士学位论文第二章机器人的机械系统特性及运动力学分析 2 3 3 履带装置运行内阻力 履带装置运行内阻力瓦，是由同步带和带轮，传动齿轮之间