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道雨耐節能科技(上海)有限公司
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閱讀：150發布時間：2021-5-21
CCTV管道機器人的原理：
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開展管內機器人理論與樣機的研究，他于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.等人研制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余年的歷史，哈爾濱工業大沈陽自動化研究所、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。對于管道機器人的研究，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，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測的產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滑條件下的運動學特性。對于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，由于內耗造成的驅動力不足，由于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，如采用差速器、柔性聯接等方面進行解決，但這會使結構更加復雜，增加成本。
對于輪式管道機器人，準確的運動學模型是實現準確運動控制的基礎。對單個輪子、輪式移動機器人在管道曲面上的運動學特性及控制理論方面分析很少，需要建立一套關于輪式管道機器人運動學的理論。
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，一建立不廠套基于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，由于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*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系，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，機器人朝著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。
對于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，主要的科學問題在于建立輪式機器人在圓管中的運動學模型，并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，并設計相應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特性的科學問題在于對其位姿的描述卜以及其在滿足純滾動和無側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，推導出6個位姿坐標之間的關系
輪式機器人在管道中運行在三維的柱面環境中，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，所以有必要推導出這6個位姿坐標之間的關系。
(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于如何建立控制輸天與位姿坐標變化率之間的關系。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系。這一問題的實質在于推導機器人瞬時螺旋運動參數和控制輸入的關系，導機器人的位姿變化率與控制輸入之間的關系。
(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。
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