工業管道的管外行走關節式機器人的研發應用

引言

　　當管道輸送高溫、高壓、劇毒等流體介質時，為了安全性，必須對管道工作情況進行定期檢查或實時監控。管內機器人不適合完成該項任務，而管外機器人顯示了明顯的優越性能。

　　從上世紀70年代開始，國外學者進行了管外行走機器人研究，并已研制出多種管外行走機器人_lI3 J。之后西班牙學者利用Stewart—Cough并聯機構研制出一種攀登機器人 J，它不僅能爬水平管，還能爬立管。美國Envision L 5l公司2000年設計推出的一些小型管外軸向行走機構，采用磁性輪結構。以及一種周向爬行器，它利用一條金屬軟帶緊箍在管道上作為軌道，行走輪帶動車體沿其上行走而驅動儀器作旋轉運動。文獻[6]提出采用一種基于撓形體摩擦傳動的特殊的鏈傳動實現管外周向運動。但管道上有各種障礙，如，T型和L型管道、并行管道和法蘭等，因此要求管外機器人具有靈活跨越這些障礙的能力。針對這一要求，文中提出一種關節式管外機器人，它是關節式串聯機器人在管道上的一種應用，并具有跨越這些越障能力。

下面著重介紹關節式機器人的運動學模型和跨越典型障礙時的運動學反解。

1 關節式管外機器人運動模型

　　設計的關節式管外機器人拓撲結構如圖1所示，坐標系設置如圖2所示。腕關節只是實現手指抓握管道，不參與確定手爪的位姿。因此，當手爪抓握管道時，腕關節可視為自由度為零，即與手臂固結。關節式管外機器人行走原理為：手爪A、B交替得抓緊管道并通過各關節的運動，實現各種復雜運動。翻轉關節、回轉關節和腕關節都是鉸鏈，移動關節是移動副。當沿管道軸向移動時，回轉關節和移動關節工作；當跨越法蘭或T型和L型管道等障礙時，翻轉關節也參加工作。實際上機器人跨越障礙就是對手爪的位姿進行軌跡規劃，文中采用D—H方法描述手爪的位姿。

　　當手爪4抓握管道時，以手爪A為機器人的基礎桿，在θ1=0時，基坐標系|0|與|1|重合(故圖中未畫出)，同時建立手爪A的固定坐標系：OA-XaYaZa。