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管道機器人
（機器人類型）
鎖定
管道機器人是一種可沿細小管道內部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下， 進行一系列管道作業的機、電、儀一體化系統。
- 中文名
- 管道機器人
- 外文名
- PIPE CRAWLER
- 種 類
- 八種
- 屬 性
- 機、電、儀一體化系統
- 最早研究者
- J. VR`ERTUT
管道機器人簡介
一、管道機器人分類
根據管道機器人的不同驅動模式，大致可以分為八種。
第二種是輪式機器人，這一類機器人廣泛運用於管道檢查工作，許多的商業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動器，並且難以控制。
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。
第八種是蛇型機器人，這類機器人有許多關節，像蛇一樣前行。
此外，還有一些機器人擁有多種驅動方式。 當然，隨着科技發展，技術創新，必將會有越來越多的類型被創造出來。
管道機器人國內發展
70年代，石油、化工、天然氣及核工業的發展及管道維護的需要刺激了管內機器人的研究。一般認為，法國的J. VR`ERTUT最早開展管內機器人理論與樣機的研究，他於1978年提出了輪腿式管內行走機構模型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代技術，開發了多種結構的管內機器人。韓國成均館大學的Hyouk R. C.等人研製了天然氣管道檢測機器人MRINSPECT系列。我國管內機器人技術的研究己有20餘年的歷史，哈爾濱工業大學、中國科學院瀋陽自動化研究所、上海交通大學、清華大學、浙江大學、北京石油化工學院、天津大學、太原理工大學、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。對於管道機器人的研究，以前對多輪支撐結構的研究較多，才研究傳統輪式移動機器人直接用在圓形管道的檢測和維護。空間多輪結構的管內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，並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，由於管道尺寸大小不、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測的產輪子的軸線方向可能不垂直於圓管的半徑方向，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滑條件下的運動學特性。對於輪式管道機器人在實際應用過程滬遇到的問所譬如在彎管，和不規則管道時發生運動干涉，由於內耗造成的驅動力不足，由於壁面的變形萬以及機器人本身的誤差，導致機器人在管道中偏離正確的姿態，甚至側翻和卡死這些問題。國內外的研究人員主要從結構上，如採用差速器、柔性聯接等方面進行解決，但這會使結構更加複雜，增加成本。
Campion等人在前人研究成果的基礎上，對輪式移動機器人在水平平整路面上的運動學與動力學模型進行了分析，總結了四種狀態空間模型:二位姿運動學模型，位形運動學模型，位姿動力學模型，位形動力學模型。Karl Iagnemma等人分析了輪子與地面不是剛性條件下，地面為不規則路面時，輪子與地面的各種接觸情況，一建立不廠套基於輪子與地面接觸特性的模型理論。但上述模型前提假設是輪子和地面是不可變形的，地面是規則的水平路面。當輪式移動機器人運行在圓管中時，由於圓管管內環境是三維的曲面環境，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用於圓管中的輪式移動機器人。
由於輪式清污機器人在圓管中作業時運行在三維的空間中，其運動學模型和平面上輪式移動機器人的運動學模型完全不同，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座標變化之間的關係，建立其運動學模型。日前，國內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，機器人朝着自主行駛作業的方向發展。雖然很多學者從結構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的分析。所以需要根據該運動學模型，設計相應的算法，使機器人在圓中實現穩定控制為滿足工程應用的需要。
對於輪式排水管道機器人，除了從結構設計，材料選型需要下功夫之外，主要的科學問題在於建立輪式機器人在圓管中的運動學模型，並設計相應的控制算法，使機器人能夠自主行駛作業，也能夠根據姿態信息，手工操作控制其保持水平行駛作業，不出現側翻、卡死、驅動力不足，有良好的可控性。
為了建立輪式機器人在圓管中的運動學模型，解決以下4個問題，並設計相應的運動控制算法從理論上需要解決：
(2) 分析輪式移動機器人在管道曲面的幾何約束，推導出6個位姿座標之間的關係
輪式機器人在管道中運行在三維的柱面環境中，其位姿座標從平面上的3維變成了空間的6維。但由於機器人在管道中運行時，具有特定的幾何約束tY這6個位姿座標並不是互相獨立的，所以有必要推導出這6個位姿座標之間的關係。
(3) 建立輪式移動機器人在圓管曲面上的運動學模型，推導運動學模型的難點在於如何建立控制輸天與位姿座標變化率之間的關係。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係。這一問題的實質在於推導機器人瞬時螺旋運動參數和控制輸入的關係，導機器人的位姿變化率與控制輸入之間的關係。
(4) 根據運動學模型和作業要求卜設計相應的控制率，使機器人在管道中能夠保持水平行駛，根據已經建立的運動學模型，把姿態角作為狀態變量，通過姿態傳感器的反饋，設計相應的控制率，控制機器人在管道中按照要求的姿態行駛。運動學模型主要用來設計控制率和運用李雅普諾夫(Lyapunov)函數對其進行穩定性分析。
主要研究內容：
(3) 柱面上輪式移動機器人的運動學分析
本項目將分析機器人控制輸入與機器人螺旋運動參數之間的關係，進而推導圓管中輪式移動機器人的運動學模型，並通過仿真實驗驗證該運動學模型。
(4) 設計一套輪式移動機器人系統和相應的控制算法，設計一套輪子可以展開，並設計相應的運動控制算法，使機器人能夠在管道中保持水平行駛作業。
(1) 單個輪子在圓管曲面上的運動學特性分析
單個輪子在圓管曲面上的位姿與運動描述借鑑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，那麼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，那麼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後，推導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，可推導出其軌跡參數方程。為了推導出輪心的軌跡，以接觸點Q處的切矢、主法線與副法線為座標軸建立活動座標系，即弗朗內特(Frenet)活動標架，求解出輪心C點的座標，然後對其進行微分，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滑條件下輪心瞬時速度和軌跡。根據推導的理論，設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座標和機器人的歐拉角表示。把輪子簡化成圓盤之後，每個輪子的外緣圓可以用空間圓的方f養示出來。於四輪或者多於四輪的多輪機器人，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‘那麼對於每個輪子，輪子與壁面接觸點的切向量垂直於圓管半徑向量，同時垂直與輪子半徑向量。根據這一相切條件可以推導出3個約束方程，推導出機器人的空間座標和歐拉角這6個座標之間的關係。
(3) 輪式移動機器人在圓管曲面上的運動學建模:，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特性與機器人本體的運動學特性之間的關係。
輪式移動機器人的控制輸入通常為驅動輪的轉速和舵輪的方向角。在某一時刻，機器人的位姿座標作為狀態變量已知，廣對於驅動輪，可以根據前面單個輪子在圓管中的運動學特性分析結果求解出輪心的瞬時速度大不和方向户對於與壁面接觸的被動輪，可求解出輪心瞬時速度的方向。
根據兩個輪心的速度可求解出輪式移動機器人做瞬時螺旋的螺旋運動參數，根據此螺旋運動的角速度向量可推導出歐拉角的變化率以及機器人座標系原點的速度向量，進而可推導出機器人的控制輸入與位姿座標變化的關係，即圓管中輪式移動機器人的運動學模型。
(4) 研製二套圓管中輪式移動機器人實驗系統，進行相關驗證實驗設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器人系統，配置相應的透明的管道，通過樣機的實際實驗驗證己建立的理論.
