管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制

第一章管道機(jī)器人概述1研究管道機(jī)器人的意義在當(dāng)今社會(huì)，各種各樣的管道得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活中都離不開管道，管道成為物質(zhì)輸送的重要工具之一，可以輸送水、石油、煤氣等氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)，它可應(yīng)用于煤氣、石油、水、醫(yī)療和中央空調(diào)通風(fēng)管道等多個(gè)領(lǐng)域。在使用過程中，管道需要檢測(cè)、清掃和維修，但是管道一般深埋在地下、空中或者建筑物中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜、環(huán)境惡劣，內(nèi)徑較小，人工難以在這樣的環(huán)境下工作，因此在20世紀(jì)70年代開始，發(fā)達(dá)國(guó)家就開始致力于研制各種各樣特殊用途的管道機(jī)器人。管道機(jī)器人是一種可沿較小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的研究成果已經(jīng)很多，但是在微小管道、特殊管道(如變徑管道、帶有L型、U型的管道)進(jìn)行檢測(cè)和維修還不夠成熟，在機(jī)構(gòu)、控制等方面還不夠完善，但是該類管道在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，因此研發(fā)各種特種管道機(jī)器人極具吸引力。本論文是針對(duì)中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行管道清掃機(jī)器人的開發(fā)研制?，F(xiàn)在的大樓普遍采用中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣的溫度、相對(duì)濕度、氣流速度等進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，來(lái)滿足人們對(duì)室內(nèi)工作環(huán)境的要求。但由于中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)長(zhǎng)期得不到清洗而引起的空氣污染已越來(lái)越引起人們的高度重視，特別是SARS之后，人們迫切要求提高工作、居住及其他公共場(chǎng)所的空氣質(zhì)量，但是通風(fēng)管道很長(zhǎng)、彎道多，而且安裝在大樓的天花板上，拆卸困難，人工清洗困難，效率很低。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，僅上海市目前安裝中央空調(diào)的樓宇有3000多幢，每年需要清洗和檢測(cè)空調(diào)管道的數(shù)量巨大，空調(diào)管道清掃機(jī)器人有較好的市場(chǎng)需求和十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此，研制開發(fā)中央空調(diào)管道清掃機(jī)器人具有較高的社會(huì)實(shí)用價(jià)值。-1-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文2管道機(jī)器人的歷史和現(xiàn)狀發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于管道機(jī)器人的研究處在世界前列，其中美國(guó)、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家處在領(lǐng)先階段。丹麥、瑞士、日本和韓國(guó)等也有管道機(jī)器人系列開發(fā)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)和公司也相繼研制開發(fā)了各種管道機(jī)器人，如中科院、西安交大、上海交大、清華大學(xué)和北京理工大學(xué)等也都相繼研制了各種管道機(jī)器人。國(guó)內(nèi)外部分有代表性的管道爬行機(jī)器人有：1、日本的福田敏男、細(xì)貝英實(shí)在1986年研制了能過“L”形的輪式管道機(jī)器人。該機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)分別由頭部和本體兩部分組成，頭部和本體可相對(duì)回轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)器人在直管內(nèi)行走時(shí)，本體上的電動(dòng)機(jī)1通過減速裝置帶動(dòng)本體上的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人沿直管行走。當(dāng)通過90度彎管時(shí)，電動(dòng)機(jī)2驅(qū)動(dòng)頭部做姿態(tài)調(diào)整，同時(shí)驅(qū)動(dòng)頭部履帶，引導(dǎo)機(jī)器人通過彎管。該機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑；φ，行走速度：8.1mm/s，轉(zhuǎn)彎性能：可以通過90度直角彎管機(jī)器人重量為：240g，機(jī)器人長(zhǎng)度：76mm[1]。2、Hirose，Ohno，，Mitsui，T研制的適應(yīng)φ25、φ50、φ150的輪式管50mmTheseus-I和用于實(shí)際煤氣管道的管內(nèi)機(jī)器人Theseus-II150mm的管道，基于控制構(gòu)形車輛的概念提出了Theseus-III機(jī)器人。對(duì)于直徑的管道，提出了驅(qū)動(dòng)器在管道外的管內(nèi)機(jī)器人Theseus-IV，如圖1.1所示。Theseus-II機(jī)器人是以電池為動(dòng)力源，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，最大行走距離為150m，運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到3m/s，目前東京煤氣公司已經(jīng)采用此類機(jī)器人進(jìn)行煤氣管道的檢修[2][3]。3、腳式管道機(jī)器人，西門子公司Neubern等人研制的蜘蛛型微管道機(jī)器人有3、6和8只腳三種類型，原理是利用腿推壓管壁來(lái)運(yùn)動(dòng)；國(guó)內(nèi)的太原理工大學(xué)研制成功管內(nèi)腳式行走機(jī)器人，該機(jī)器人可在管內(nèi)雙向行走，自動(dòng)隨管道彎度轉(zhuǎn)向。該機(jī)器人由撐腳機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等構(gòu)成[4]。4、履帶式管道機(jī)器人，如加拿大Inuktun和SystemInc公司的產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化了，和東華大學(xué)的多履帶機(jī)構(gòu)管道機(jī)器人[5]。5、蠕動(dòng)式微型機(jī)器人，它們利用電磁伸縮、氣缸伸縮或形狀記憶合金等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如上海交通大學(xué)研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是模仿昆蟲-2-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文在地面上爬行時(shí)蠕動(dòng)前進(jìn)與后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)的；西安交通大學(xué)、中科院等以電致伸縮陶瓷微位移器做驅(qū)動(dòng)器，電磁鐵機(jī)構(gòu)做可吸附于行走表面的保持器，設(shè)計(jì)制作了蠕動(dòng)式微動(dòng)直線自行走機(jī)構(gòu)，如圖1.2所示[6][7][8]。6、利用管道流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng)的無(wú)動(dòng)力（無(wú)纜）管道機(jī)器人。廣東工業(yè)大學(xué)提出的采用流體運(yùn)動(dòng)的能量推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電能對(duì)機(jī)器人的儲(chǔ)能元件充電的機(jī)器人[9]。7、隨著科技的不斷進(jìn)步，開始嘗試用微波和磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人。日本研究并設(shè)計(jì)了采用微波方式供應(yīng)能源來(lái)驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人。在機(jī)器人的尾部是直徑9.5mm天線和RF模塊，用于能量交換和信號(hào)通訊，其中傳送能量的微波信號(hào)頻率為22HZ，通訊信號(hào)的頻率為24GHz。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度可以達(dá)到20mm/s，所需要的微波的能量為650mW。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件是積層壓電元件，運(yùn)動(dòng)原理是慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)[10]。8、具有內(nèi)窺鏡各項(xiàng)功能的柔性管內(nèi)微機(jī)器人的概念是由日本的Ikuta于1988年提出的。同年Ikuta研究與開發(fā)用于大腸檢查的小型醫(yī)用機(jī)器人MEDIWORM，該機(jī)器人是一個(gè)半自動(dòng)裝置，由操作人員通過一定的人機(jī)界面進(jìn)行交互操作，后來(lái)又加入了記憶合金轉(zhuǎn)向裝置。另外，還有吸附式、蛇形等各種管道機(jī)器人。-3-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖1.1日本Theseus-II、III、IV管道機(jī)器人Fig.1.1Theseus-II、III、IVpiperobotofJapan國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)有不少，但是目前大部分還處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，部分國(guó)外已經(jīng)商業(yè)化的管道機(jī)器人也存在很多不足，如控制方法都比較簡(jiǎn)單，還沒有將現(xiàn)代智能控制技術(shù)應(yīng)用于這些機(jī)器人的控制。圖1.2電磁力蠕動(dòng)管道機(jī)器人Fig.1.2Magnetoelectriccreeperpiperobot3管道機(jī)器人的技術(shù)展望,進(jìn)入實(shí)用化階段,必須在以下幾個(gè)方面有所突破：-4-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文1、研究開發(fā)能夠適應(yīng)復(fù)雜管道和特殊管道的多功能行走機(jī)構(gòu)，管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人在彎管、支岔管中的通過性問題仍未很好解決，要解決這一問題，首先要在機(jī)構(gòu)上保證機(jī)器人能夠在這些特殊環(huán)境中順利行走，提高機(jī)器人在彎管、L型和T型管中的通過性。因此要研究一種既融合各種機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，能夠提供較大的牽引力，又具有快速靈活，可靠性高的驅(qū)動(dòng)方案。2、基于多傳感器的管況識(shí)別技術(shù)的研究。對(duì)管道內(nèi)部這類非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，現(xiàn)有的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中的傳感器或無(wú)法正常發(fā)揮作用，或過多地依賴人的介入，已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。經(jīng)過多年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳感器的集成，即多種傳感器(光，機(jī)，電，儀)的綜合運(yùn)用是解決上述問題的有效手段，才能為提高管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的智能控制水平打下良好的基礎(chǔ)。其中以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的視覺傳感器，將是發(fā)展的一個(gè)主要方向。例如，目前已經(jīng)在機(jī)械手控制中引入視覺伺服技術(shù)，即利用視覺傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置閉環(huán)控制。視覺對(duì)管內(nèi)機(jī)器人具有重要意義，利用視覺可以：（1）確定作業(yè)位置；（2）識(shí)別管內(nèi)環(huán)境(是否拐彎,是否有枝杈等)；（3）識(shí)別機(jī)器人的姿態(tài)(是否有轉(zhuǎn)體,相對(duì)于作業(yè)位置的距離等)。在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中采用視覺伺服技術(shù)，有利于提高其控制性能和自主能力，并對(duì)其智能化進(jìn)程有重要意義。3、在復(fù)雜管道環(huán)境下機(jī)器人智能控制技術(shù)的研究。在管道內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境中，為減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，機(jī)器人具有自主能力是必要的，先進(jìn)的控制策略，如路徑規(guī)劃，控制器參數(shù)的在線優(yōu)化等的研究也必將使管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的智能化水平得到進(jìn)一步的提高。但這有賴于先進(jìn)的傳感器技術(shù)，特別是管內(nèi)環(huán)境識(shí)別技術(shù)作保證。4信號(hào)、電力的傳輸和供給方式：在直管道線纜可以順利進(jìn)出，但是在彎曲管道里，尤其是有幾個(gè)彎曲的管道里，必須考慮線纜在轉(zhuǎn)彎處的阻力，因此現(xiàn)在的機(jī)器人一般只能進(jìn)入帶彎道管道的深度為30m。采用無(wú)線的方式來(lái)傳遞信號(hào)，由于金屬管道具有一定的屏蔽作用，需要考慮發(fā)射信號(hào)的頻率。電力的供給現(xiàn)在一般采用高能干電池、蓄電池和管外供電(線纜)的方式。這些方式對(duì)機(jī)器人的行程有較大的影響。-5-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文5、機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器的小型化、微型化。4論文的主要工作本論文是整個(gè)課題的一部分，本課題致力于研究和設(shè)計(jì)一種從事檢測(cè)、清掃管道和噴灑清掃液體的管道機(jī)器人。該機(jī)器人可以工作在φ350-φ600mm的圓管和寬度大于270mm的方管以及在平地或30度以下坡度上運(yùn)動(dòng)，可以通過線控對(duì)它進(jìn)行控制，并對(duì)智能控制算法和自適應(yīng)不同直徑的圓形管道算法進(jìn)行了研究。我的主要工作：1、在查閱和掌握大量有關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，分析了管道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)地研究了管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)原理和方式、移動(dòng)原理以及機(jī)械結(jié)構(gòu)。在綜合考慮各種因數(shù)的基礎(chǔ)上，確定了管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)，指出了在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)應(yīng)考慮的主要問題。2、針對(duì)中央空調(diào)通風(fēng)管道系統(tǒng)復(fù)雜多變的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了履帶式管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，闡述了履帶式機(jī)器人的組成與特點(diǎn)。該機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)獨(dú)特、簡(jiǎn)單、實(shí)用、牽引力大和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)既能夠適應(yīng)多種方形管道和圓形管道，還可以適應(yīng)變徑園管；毛刷機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，滿足方管和圓管的不同需求。3、對(duì)履帶式移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了受力分析和動(dòng)力學(xué)分析，討論了機(jī)器人的通過性、自定心效應(yīng)和側(cè)傾問題。4、根據(jù)履帶式機(jī)器人滑動(dòng)嚴(yán)重、難以建立精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和非完整性約束系統(tǒng)的特性，將分層模糊控制策略應(yīng)用到機(jī)器人的控制上，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主控制。通過分層輸入和輸出疊加，大幅度減少了多輸入模糊控制系統(tǒng)的維數(shù)和計(jì)算量，簡(jiǎn)化了機(jī)器人的控制，便于工程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)闡述了管道機(jī)器人自適應(yīng)管徑原理。對(duì)自適應(yīng)分層模糊控制算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，得出了初步仿真結(jié)果。5、針對(duì)分層模糊控制參數(shù)難以確定的問題，運(yùn)用遺傳算法對(duì)分層模糊控制器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。-6-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)管道機(jī)器人通常是由驅(qū)動(dòng)器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和工作裝置等幾部分組成。其中驅(qū)動(dòng)機(jī)械和移動(dòng)方式有較大程度上決定了機(jī)器人的整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)。1管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式由于管道機(jī)器人是在管道限定的環(huán)境里運(yùn)行，尤其是在有彎曲的管道里運(yùn)行，一方面，機(jī)器人在彎管(包括垂直管道)行走中要有足夠的摩擦力來(lái)克服重力的影響，另一方面需要提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力來(lái)克服各種阻力。驅(qū)動(dòng)器的選擇在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)?，F(xiàn)在使用的驅(qū)動(dòng)方式主要有：1、電磁驅(qū)動(dòng)。最常用的是微電機(jī)，微電機(jī)又分為有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn)電機(jī)采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置(stepposition)；直流電機(jī)則是以電機(jī)電壓或電流作為控制變量，以位置或速度作為命令變量，小尺寸可以產(chǎn)生較大的扭矩。直流電機(jī)需要反饋控制系統(tǒng)，它會(huì)以間接方式控制電機(jī)位置，步進(jìn)電機(jī)可以產(chǎn)生精確控制，一般采用開環(huán)方式。無(wú)刷直流電機(jī)以電子組件和傳感器取代電刷，不但延長(zhǎng)電機(jī)壽命和減少維護(hù)成本，而且也沒有電刷產(chǎn)生的噪音，因此無(wú)刷直流電機(jī)可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。對(duì)電機(jī)的控制比較成熟，目前小型電機(jī)常采用控制方法，控制方法比較簡(jiǎn)單，精度比較高。受到尺寸的限制，管道機(jī)器人需要尺寸小而扭矩大的驅(qū)動(dòng)器，這正是電機(jī)所具有的特性，因此電機(jī)在機(jī)器人上應(yīng)用最多，本課題也是采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。2、壓電驅(qū)動(dòng)。壓電材料是一種受力即產(chǎn)生應(yīng)變，在其表面出現(xiàn)與外力成比例電荷的材料，又稱壓電陶瓷。反過來(lái)，把一電場(chǎng)加到壓電元件上，則壓電元件產(chǎn)生應(yīng)變，輸出力或變位。通常壓電元件的能量變換率高（約50%大（3500N/cm2電元件有兩種驅(qū)動(dòng)方式：一種是利用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，作高頻振動(dòng)，把振動(dòng)-7-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文作為動(dòng)力源；另一種是利用驅(qū)動(dòng)力大、精度高的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)位移或力作為驅(qū)動(dòng)源[14]。3、形狀記憶合金。形狀記憶合金是一種特殊的合金，其形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是相變，其相變是由可逆的熱彈性馬氏體的相變產(chǎn)生，一旦使他記憶了任意形狀，當(dāng)加熱到某一適當(dāng)?shù)臏囟葧r(shí)，則恢復(fù)為變形前的形狀。它的特點(diǎn)：一是變化率大，是普通金屬的近十倍，達(dá)到每10oC；二是變位方向的自由度大，由兩種金屬片貼合而成的雙金屬片的變位方向只能是垂直于貼合面的方向，形狀記憶合金是單一材料，沒有方向的依賴性，可向任何方向變位，如做成線圈狀擴(kuò)大動(dòng)作行程；三是在特定的溫度下，變位急劇發(fā)生，并且具有溫度的遲滯性，適合于開關(guān)動(dòng)作。4、超聲波驅(qū)動(dòng)是利用超聲波振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力，即由振動(dòng)部分和移動(dòng)部分組成，靠振動(dòng)部分和移動(dòng)部分之間的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)快、力矩大，不需要減速就可以低速運(yùn)行，常用于照相機(jī)快門的動(dòng)作等。超聲波驅(qū)動(dòng)由三種驅(qū)動(dòng)方式：振動(dòng)方向變換型、行進(jìn)波型和復(fù)合振動(dòng)型，這兩種驅(qū)動(dòng)方式一般應(yīng)用在微機(jī)器人上。5、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)或氣缸運(yùn)動(dòng)，適合潮濕惡劣的環(huán)境，不需要電源，但運(yùn)動(dòng)精度比較低。橡膠筒套及外部纖維編織網(wǎng)構(gòu)成，當(dāng)對(duì)橡膠筒套充氣時(shí),橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長(zhǎng)度縮短。此時(shí)，如果將氣動(dòng)人工肌肉與負(fù)載相聯(lián),就會(huì)產(chǎn)生收縮力；反之，當(dāng)放氣時(shí)氣動(dòng)人工肌肉彈性回縮，直徑變細(xì)，長(zhǎng)度增加，收縮力減小，因此氣動(dòng)人工肌肉具有重量輕、輸出力大、柔順性好等特點(diǎn)。如圖2.1所示，其缺點(diǎn)是：（1）氣動(dòng)人工肌肉與傳統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行元件相比行程小(氣動(dòng)人工肌肉空載時(shí)可達(dá)20%，有載時(shí)只可達(dá)到10%，而有的傳統(tǒng)氣缸可達(dá)到40%)2）氣動(dòng)人工肌肉的變形為非線性環(huán)節(jié)，具有時(shí)變性，使準(zhǔn)確控制其位移十分困難；（3）在工作過程中，氣動(dòng)人工肌肉自身溫度會(huì)發(fā)生變化，隨著溫度的變化，其性能也會(huì)改變，這給高精度控制帶來(lái)困難[15]。英國(guó)Salfold大學(xué)的Caldwell采用18根氣動(dòng)人工肌肉設(shè)計(jì)了四手指機(jī)械柔性手，機(jī)械柔性手拇指具有3個(gè)自由度，其-8-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文它3個(gè)手指具有2個(gè)獨(dú)立自由度和1個(gè)關(guān)聯(lián)自由度，可實(shí)現(xiàn)并攏和手指彎曲動(dòng)作。圖2.1人工肌肉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2.1Structurediagramofman-mademuscle2管道機(jī)器人的移動(dòng)方式管道機(jī)器人的移動(dòng)方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式、螺旋式和流體推動(dòng)式等（如圖2.21然而對(duì)于輪式也還有限制：輪式越障礙能力比較差，牽引力相對(duì)履帶式要?。辉诓黄秸孛姝h(huán)境下，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，易傾斜；微型化比較難[16]。2、履帶式機(jī)器人具有牽引力大，抓地性好，適應(yīng)地面環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同等條件下，可以跨越的障礙是所有驅(qū)動(dòng)方式中最大的，但精確控制比較難，微型化也比較困難，不能適合在圓管中運(yùn)行。這些特性適合空調(diào)通風(fēng)管道的特點(diǎn)，本課題因此采用了擺動(dòng)式履帶移動(dòng)方式[17]。(a)輪式(b)履帶式(c)足式(d)螺旋式(e)張緊式(f)流體推動(dòng)式(g)蠕動(dòng)式圖2.2管道機(jī)器人的移動(dòng)方式Fig.2.2locomotionofpiperobot-9-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文3、足式是一種模仿昆蟲結(jié)構(gòu)功能的移動(dòng)方式，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，能越過較大的壕溝和臺(tái)階，其缺點(diǎn)是速度和效率低，轉(zhuǎn)向比較困難，控制系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)橥群偷孛娴慕佑|面積小而使得單位的壓強(qiáng)太大，所以應(yīng)用起來(lái)比較困難。日本用壓電元件制成的足式步行機(jī)器人采用雙壓晶片型的壓電元件，利用它的振動(dòng)直接蹬著地面前進(jìn)[18]。如圖2.3所示。圖2.3微型六足機(jī)器人Fig.2.3Hexapodemicro-robot4、螺旋式機(jī)器人是利用旋轉(zhuǎn)摩擦管壁產(chǎn)生推力。適合在管徑很小的管道中運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是效率低，推力比較小[19]。5、張緊式移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是適合在垂直管道或大坡度管道中運(yùn)動(dòng)，它通過可變形的機(jī)構(gòu)始終張緊管壁，保持與管壁的緊配合。一般與其他移動(dòng)方式（如輪式和履帶式）結(jié)合使用，缺點(diǎn)是不能適合L型等沒有圓弧過渡的彎道，適應(yīng)得管道直徑范圍比較小[20]。如圖2.4所示（適合直徑85-105mm-10-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.4SungkyunkwanUniversity的管道機(jī)器人Fig.2.4PiperobotofSungkyunkwanUniversity6、流體推動(dòng)式是一種無(wú)動(dòng)力或被動(dòng)式的移動(dòng)方式，利用管道內(nèi)的流動(dòng)液體的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)，可以在管道不停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行管道的檢測(cè)，一般沒有纜繩，因此不受行走距離的限制，缺點(diǎn)是難以控制速度和方向[21]。7、蠕動(dòng)式機(jī)器人是依靠柔性形體的變形產(chǎn)生移動(dòng)，具有較大的吸引力，運(yùn)用的驅(qū)動(dòng)元件不同，但蠕動(dòng)原理大致相同，對(duì)于不同的蠕動(dòng)機(jī)理，蠕動(dòng)規(guī)律及控制尚需深入研究，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向困難，速度和效率低，牽引力小。蠕動(dòng)式有蛇行、仿蚯蚓等運(yùn)動(dòng)模型[22]，如圖1.2所示。在實(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到較理想的效果和性能，克服不同機(jī)構(gòu)的缺陷，常采用多種移動(dòng)方式的結(jié)合，如在小管徑管道中常把輪式和張緊式相結(jié)合。3幾種典型的空調(diào)管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能分析由于中央空調(diào)通風(fēng)管道有圓管和方管，管道尺寸變化很大，既有方管，又200mm×100mm到5000mm×1750mm?180mm到?3000mm以上，有大量的彎道、L型或T型管道，甚至變徑。因此現(xiàn)有的空調(diào)管道清掃機(jī)器人都屬于非張緊式爬行類機(jī)器人。因?yàn)轵?qū)動(dòng)原理和移動(dòng)方式?jīng)Q定了管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)有的管道清掃機(jī)器人主要有輪式、履帶式、漠風(fēng)暴”和“工大學(xué)和東華大學(xué)開發(fā)的機(jī)器人，如圖2.5所示。-11-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2.5國(guó)內(nèi)外各種典型管道機(jī)器人Fig.2.5Varioustypicalpiperobot1、加拿大的“沙漠風(fēng)暴”機(jī)器人，如圖2.5（b）所示，采用雙電機(jī)金屬履帶驅(qū)動(dòng)，上面裝有云臺(tái)，系統(tǒng)牽引力大，因具有誘導(dǎo)輪而越障礙能力強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單可靠，但對(duì)圓形管道的適應(yīng)能力差，幾乎不能在圓管中運(yùn)行。主要的技術(shù)參數(shù)：適應(yīng)管道寬度300mm以上，速度4.5或9m/min，進(jìn)入管道深度，重量約。2（d調(diào)整，因此可以適應(yīng)方管和圓管。其重要的特點(diǎn)是采用了模塊化設(shè)計(jì)，可以通過不同組件組成適合不同管徑的機(jī)器人，如圖2.6所示。最小型號(hào)的主要技術(shù)參數(shù)：最小適應(yīng)管徑100mm，速度0-10m/min，進(jìn)入管道深度，重量9Kg。但此機(jī)器人的履帶張開角是由人為調(diào)整，因此不適合變管徑的管道中運(yùn)行。圖2.6機(jī)器人適應(yīng)圓管和小口徑管道的情況Fig.2.6robotofadaptingcircularpipeandmin.pipe3、東華大學(xué)管道機(jī)器人采用了四腿履帶式驅(qū)動(dòng)，如圖2.5（a）所示，它結(jié)-12-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文合了履帶和足式兩種驅(qū)動(dòng)方式，采用了四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，四腿可以左右張開，在遇到障礙時(shí)，前履帶可以前后傾斜，提高了跨越臺(tái)階能力，可以適合方管和不同直徑的圓管，但機(jī)構(gòu)和控制都比較復(fù)雜，控制較困難，而且制造成本很高。4、北京理工大學(xué)的管道機(jī)器人，如圖2.5（c）所示，采用輪式機(jī)構(gòu)，特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)和控制比較簡(jiǎn)單，越障礙能力比履帶要差。綜觀現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外管道清掃機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)和性能大致如下：（1）大多采用輪式或履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于管道大小變化多樣，管道的截面形狀有圓形和方形，管道適應(yīng)性并不強(qiáng)；（2）配有高速旋轉(zhuǎn)的清掃機(jī)構(gòu)，用來(lái)把管內(nèi)的灰塵打落、清除。由于管道有矩形管和圓管之分，所以可更換相應(yīng)的清洗矩形管和圓管的清潔刷；（3）裝有CCD攝像頭及照明燈，用于探測(cè)管道內(nèi)的狀況，這在人所不能到達(dá)的管道內(nèi)部是必不可少的；（4）由于管道機(jī)器人還不可能達(dá)到完全自主清潔，故采用線控方式，由操作人員通過CCD攝像機(jī)在管道外進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，操作者需不間斷地對(duì)管內(nèi)環(huán)境進(jìn)行觀察,工作負(fù)擔(dān)重,而且易出現(xiàn)誤操作和漏操作。4設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題在設(shè)計(jì)管道機(jī)器人時(shí)需要重點(diǎn)考慮的幾個(gè)關(guān)鍵性問題是：1、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。管道機(jī)器人在彎管、支岔管中的通過性問題是一個(gè)難點(diǎn)，又要考慮到適應(yīng)圓管和方管，適合不同管徑的問題。尋找一種既能夠提供較大牽引力，又快速靈活、可靠性高的機(jī)構(gòu)是一個(gè)值得研究的問題，還要在動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的小型化方面下功夫。除了在機(jī)械機(jī)構(gòu)上推陳出新之外，另外還應(yīng)該盡可能結(jié)合控制方案來(lái)考慮。2、驅(qū)動(dòng)方式的選擇問題。對(duì)于管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器，常用的是微型直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，其響應(yīng)快，控制比較精確可靠，產(chǎn)生的扭矩比較大，成本相對(duì)低。因此本方案采用了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，可以在管道中，尤其在彎管中產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力來(lái)克服各種阻力。3、信號(hào)、電力的傳輸和供給方式問題。在直管中，線纜可以順利進(jìn)出，但在彎管處，或多個(gè)彎道處必須考慮線纜的阻力。如果采用無(wú)線方式傳遞信號(hào)，-13-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文由于金屬管道具有一定的屏蔽作用，需要考慮發(fā)射信號(hào)的頻率。常用的電源供應(yīng)是高性能電池、蓄電池和管外線纜供電方式。這里考慮到需要的電量比較大和本身需要攜帶氣管，采用了管外線纜供電方式和線纜通信方式。4、控制系統(tǒng)和傳感器的設(shè)置問題。管道內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境，可能導(dǎo)致傳感器無(wú)法正常工作，人工的介入是必要的，但又需要具有一定的智能化，因此控制系統(tǒng)應(yīng)該同時(shí)具有這兩種功能。經(jīng)過多年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳感器的集成，即多種傳感器的綜合運(yùn)用是解決這個(gè)問題的有效方法，以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的視覺傳感器是管道機(jī)器人的重要部件。5本章小結(jié)本章系統(tǒng)地討論了管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)原理、移動(dòng)原理及它們選擇的理論依據(jù)。在分析了幾種管道機(jī)器人的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)的一般性問題，為管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了較全面的理論指導(dǎo)。第三章履帶式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析根據(jù)空調(diào)管道的實(shí)際情況和前一章的分析，在吸收了上述幾種管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模塊化的擺動(dòng)式雙履帶管道機(jī)器人。整個(gè)機(jī)器人由雙履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、履帶擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、毛刷機(jī)械臂、主框架和旋轉(zhuǎn)毛刷等部分組成。在機(jī)器人的前部可以攜帶CCD和測(cè)距傳感器，左右兩側(cè)攜帶測(cè)距傳感器?？照{(diào)管道系統(tǒng)介紹及清洗原理中央空調(diào)通風(fēng)管道按截面形狀分有圓管和方管，按管道軸線類型分有直管、彎管（LT型管和十字型管等，管徑和接頭沒有規(guī)范，有較多的斜坡或臺(tái)階，本系統(tǒng)中使用的管道類型如圖3.1。在實(shí)際的空調(diào)通風(fēng)管道中，使用方管比圓管要多，原因是方管在制作時(shí)高度比寬度小，所占去的高度比圓管要少，并且方管安裝方便，所以方管使用比例大。由于加工、使用等原因，實(shí)際使用的管道并不一定時(shí)理想的幾何體，履帶、管道均有一定的彈性，在重力、外界擠壓等力的作用下會(huì)產(chǎn)生變形。我們?cè)谘?14-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文由于金屬管道具有一定的屏蔽作用，需要考慮發(fā)射信號(hào)的頻率。常用的電源供應(yīng)是高性能電池、蓄電池和管外線纜供電方式。這里考慮到需要的電量比較大和本身需要攜帶氣管，采用了管外線纜供電方式和線纜通信方式。4、控制系統(tǒng)和傳感器的設(shè)置問題。管道內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境，可能導(dǎo)致傳感器無(wú)法正常工作，人工的介入是必要的，但又需要具有一定的智能化，因此控制系統(tǒng)應(yīng)該同時(shí)具有這兩種功能。經(jīng)過多年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳感器的集成，即多種傳感器的綜合運(yùn)用是解決這個(gè)問題的有效方法，以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的視覺傳感器是管道機(jī)器人的重要部件。5本章小結(jié)本章系統(tǒng)地討論了管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)原理、移動(dòng)原理及它們選擇的理論依據(jù)。在分析了幾種管道機(jī)器人的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)的一般性問題，為管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了較全面的理論指導(dǎo)。第三章履帶式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析根據(jù)空調(diào)管道的實(shí)際情況和前一章的分析，在吸收了上述幾種管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模塊化的擺動(dòng)式雙履帶管道機(jī)器人。整個(gè)機(jī)器人由雙履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、履帶擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、毛刷機(jī)械臂、主框架和旋轉(zhuǎn)毛刷等部分組成。在機(jī)器人的前部可以攜帶CCD和測(cè)距傳感器，左右兩側(cè)攜帶測(cè)距傳感器?？照{(diào)管道系統(tǒng)介紹及清洗原理中央空調(diào)通風(fēng)管道按截面形狀分有圓管和方管，按管道軸線類型分有直管、彎管（LT型管和十字型管等，管徑和接頭沒有規(guī)范，有較多的斜坡或臺(tái)階，本系統(tǒng)中使用的管道類型如圖3.1。在實(shí)際的空調(diào)通風(fēng)管道中，使用方管比圓管要多，原因是方管在制作時(shí)高度比寬度小，所占去的高度比圓管要少，并且方管安裝方便，所以方管使用比例大。由于加工、使用等原因，實(shí)際使用的管道并不一定時(shí)理想的幾何體，履帶、管道均有一定的彈性，在重力、外界擠壓等力的作用下會(huì)產(chǎn)生變形。我們?cè)谘?14-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文究管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)時(shí)，在不失實(shí)際意義的前提下，假定：(a)直圓管(b)直角圓彎管(c)T型圓管(d)變管徑T型方管(e)L型方管圖3.1管道系統(tǒng)Fig.3.1Ductwork1、管道具有理想的幾何形狀，接頭、分岔處都是理想的幾何過渡或相貫。2、管道及機(jī)器人的履帶變形可以忽略或不變形。管道機(jī)器人的清掃原理：如圖3.2所示，利用氣囊堵塞管道兩頭，機(jī)器人清掃管道，把垃圾、灰塵掃到管道口或揚(yáng)起灰塵，由管道的前方入口的大功率真空吸塵器把灰塵吸走。這樣對(duì)空調(diào)管道進(jìn)行分段清掃。圖3.2管道機(jī)器人的清洗原理Fig.3.2Cleanoutprincipleofpiperobot-15-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文為描述管道機(jī)器人的履帶在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，我們給出下列定義：（1）管道主平面：指過管道軸心線并于水平面夾角等于管道軸心線與水平線夾角的平面。如果管道軸心線與水平面平行，則管道主平面也與水平面平行。（2）管道主截面：與管道軸心線相垂直的平面。（3）管道坐標(biāo)系：以管道軸心線為X軸，指向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向；以管道主平面與管道主截面的交線為Y軸的右手坐標(biāo)系，XYZO。（4）機(jī)器人坐標(biāo)系：以機(jī)器人重心為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系X`Y`Z`O`。（5）左右擺動(dòng)角α：Y`軸與平面的夾角。（6）前后擺動(dòng)角β：X`軸與平面的夾角。（7）前進(jìn)方向擺動(dòng)角γ：X`軸與X軸的夾角。機(jī)器人在管道內(nèi)的位姿將由管道坐標(biāo)系的原點(diǎn)O`相對(duì)機(jī)器人坐標(biāo)系O點(diǎn)的位置，和左右擺動(dòng)角α、前后擺動(dòng)角β等決定（機(jī)器人與管壁接觸是附加的約機(jī)器人在直管或彎管內(nèi)姿態(tài)將有以下三種情況：1、左右擺動(dòng)角α=0，前后擺動(dòng)角β=0；2、左右擺動(dòng)角α≠0，前后擺動(dòng)角β=0；3、左右擺動(dòng)角α≠0，前后擺動(dòng)角β≠0。在方管中，機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整比較簡(jiǎn)單，主要是前進(jìn)方向擺動(dòng)角γ的控制。履帶式管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)3.3和3.4所示。其外形尺寸數(shù)據(jù)：圖3.3機(jī)器人Fig.3.3Robot-16-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.4機(jī)器人的正側(cè)面圖Fig.3.4Robotpictureofsideelevation機(jī)器人張開履帶時(shí)的截面尺寸，如圖3.5。機(jī)器人外形尺寸：300mm（長(zhǎng)）×260mm（寬）×175mmb1圖3.5機(jī)器人截面尺寸圖Fig.3.5Sectionsizepictureofrobot其他尺寸參數(shù)：名稱代號(hào)大小箱體寬B180mm箱體高H156mm履帶鉸接點(diǎn)到箱頂距離196mm-17-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文履帶體高h(yuǎn)176mm履帶體總寬b140mm履帶總跨長(zhǎng)（參照?qǐng)D3.7）LZ300mm履帶著地長(zhǎng)（參照?qǐng)D3.7）Ld152mm誘導(dǎo)輪與支重輪垂直高度（參照?qǐng)D3.7）237mm支重輪直徑DΦ52主動(dòng)輪、被動(dòng)輪直徑都為dΦ26mm機(jī)器人重心高h(yuǎn)78mm機(jī)器人總長(zhǎng)（不包括毛刷桿）L300mm履帶式管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)履帶式管道機(jī)器人由雙履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、履帶擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、毛刷機(jī)械臂、主箱體和旋轉(zhuǎn)毛刷等部分組成，下面分別介紹主要部分機(jī)構(gòu)和特點(diǎn)：1、主電機(jī)履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊：采用了兩個(gè)帶齒輪減速箱的直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩邊的履帶，采用了一對(duì)錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置采用后置懸掛方式。如圖3.6所示。每個(gè)履帶是一個(gè)獨(dú)立的模塊，可以根據(jù)管道的尺寸大小進(jìn)行不同的組合，通過鉸接位置的改變來(lái)放大、縮小機(jī)器人的外形尺寸。鉸接在內(nèi)邊時(shí)，機(jī)器人寬為，鉸接在外邊時(shí)，機(jī)器人寬為200mm，如圖3.7所示?？紤]到制作的成本和機(jī)器人的負(fù)載要求等因素，這里采用同步傳動(dòng)帶作為履帶的替代品，其性能能夠滿足機(jī)構(gòu)的要求。3.4.2能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，具有很強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力。-18-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文履帶主動(dòng)輪直流電機(jī)齒輪減速箱錐齒輪圖3.6機(jī)器人的主電機(jī)傳動(dòng)示意圖Fig.3.6Motordrivingsketchofrobot圖3.7不同的組裝改變機(jī)器人的外形尺寸Fig.3.7assemblyofrobot2、擺腿機(jī)構(gòu)模塊：由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)直齒齒輪，帶動(dòng)傳動(dòng)螺桿，通過杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩邊的履帶模塊擺動(dòng)，如圖3.8所示。其特點(diǎn)：能夠適應(yīng)不同尺寸的方管和圓管，這樣不僅解決了履帶不能適應(yīng)圓管的問題，而且通過自適應(yīng)控制，機(jī)器人能夠適應(yīng)不同直徑的圓管，甚至能夠適應(yīng)變徑圓管，同時(shí)，使得機(jī)器人在圓管中的防傾倒能力大幅度提高。圖3.8擺腿機(jī)構(gòu)模塊圖3.9毛刷臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3.8ModuleoflegmachineFig.3.9Brushdrivingmachine-19-3、毛刷機(jī)械臂：由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿，實(shí)現(xiàn)毛刷的上下擺動(dòng)，確保了機(jī)構(gòu)尺寸比較小。如圖3.9所示。4、毛刷機(jī)構(gòu)：由微直流電機(jī)減速后，經(jīng)錐齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)毛刷軸旋轉(zhuǎn)，這里毛刷機(jī)構(gòu)有兩種安裝方式，可以旋轉(zhuǎn)90度安裝，可以分別適應(yīng)在圓管和方管中毛刷旋轉(zhuǎn)方向不同的需要。如圖3.10所示。特點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單、快速、靈活，適應(yīng)反復(fù)快速更換毛刷。圖3.10在兩種管道的毛刷機(jī)構(gòu)Fig.3.10Brushmachineintwokindsofbrushmachine各種傳感器1、測(cè)距傳感器測(cè)距傳感器采用紅外測(cè)距傳感器，分別安裝在機(jī)器人的兩側(cè)和最前端，分別測(cè)出機(jī)器人到兩側(cè)管道或障礙的距離和到正前方管道或障礙的距離。型號(hào)為夏普GP2D120位移傳感器，不需要附加電路。具體的參數(shù)：距離量程是－30cm5±0.5V；電壓輸出，工作溫度范圍-10°－60°。2、機(jī)器人傾斜傳感器當(dāng)機(jī)器人在X’O’Y’、Y’O’Z’平面傾斜時(shí)，機(jī)器人傾斜傳感器就可以檢測(cè)出兩個(gè)方面的傾斜角，分別是管道軸線的水平面和管道軸線垂直面，機(jī)器人傾斜傳感器采用數(shù)字式傾斜計(jì)，安裝在機(jī)器人的中央主箱體內(nèi)，用于測(cè)量機(jī)器人管道截面上與垂直線的夾角。采用ZC-TD雙軸傾角傳感器，其工作原理是利用測(cè)量重力加速度的分量通上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文過計(jì)算，將其轉(zhuǎn)化為絕對(duì)傾角，同時(shí)輸出標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行數(shù)字信號(hào)和TTL電平信號(hào)。具體的參數(shù)：量程±60°；分辨率0.1°，誤差為±0.5°；驅(qū)動(dòng)電壓2.7-5V；電壓輸出，工作溫度范圍-40°－85°。3、機(jī)器人行程測(cè)量機(jī)器人設(shè)計(jì)行程為30M，這里采用簡(jiǎn)單的方法，在拖線上標(biāo)注長(zhǎng)度刻度，根據(jù)刻度立即知道機(jī)器人的位置。履帶式機(jī)器人受力分析下面分別對(duì)履帶式機(jī)器人進(jìn)行地面力、牽引力和外行駛阻力分析。履帶式機(jī)器人的地面力分析假設(shè)電機(jī)功率為P，考慮到傳動(dòng)裝置效率T，履帶主動(dòng)輪的占有功率T，e以主動(dòng)輪上牽引力F和圓周線速度T形式表現(xiàn)。首先要克服行動(dòng)裝置內(nèi)阻力ZTF，才能克服外阻力wa）wi主動(dòng)輪功率：T=eηT=ZTT(3.1)主動(dòng)輪上牽引力：FZT=Fwa+Fwi(3.2)推進(jìn)力：Z=wa=μRG(3.3)只在具有足夠大的履帶附著系數(shù)μ時(shí)，推進(jìn)力才能傳向行駛地面。R圖履帶主動(dòng)輪上的受力圖Mechanicalfigureatdriver-21-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文履帶一方面需承受地面的支撐，另一方面要承受傳動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的水平力。因此，履帶必須有反作用面積和附著力。附著力F由一個(gè)摩擦分力和一個(gè)剪切分力組成，由此可得出：ZF=μF=F+F

摩擦剪切(3.4)

ZRG這里的μ是附著系數(shù)，通過試驗(yàn)取得，G是重力。R摩擦分力包括履帶和地面間的摩擦，剪切分力包含地面剪切強(qiáng)度。由此可知，履帶附著力受到下列因素影響：（1（2）地面種類，地面濕度；（3）履帶著地長(zhǎng)/寬之比；（4履帶式機(jī)器人的牽引力分析履帶牽引力可以分為履帶內(nèi)牽引力和履帶外牽引力。1、履帶內(nèi)牽引力ZKi履帶內(nèi)牽引力包括所有作用在履帶上的牽引力，即F=F+T=F+F+T（3.5）ZKiZTowawio這里T是履帶的預(yù)張緊力，ZT是主動(dòng)輪上的牽引力。為了預(yù)防履帶出軌，o履帶必須預(yù)加張緊力。2、履帶外牽引力FZKa履帶外牽引力只包括克服外行駛阻力F所必需的力，再由（3.4）式可得：waF=F=μF=F（3.6）ZKawaRGZ3、履帶力的分布如圖3.12和3.13所示-22-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.12后驅(qū)動(dòng)履帶張力分布圖Fig.3.12Distributingtensionfigureatbackdriver圖3.13前驅(qū)動(dòng)履帶張力分布圖Fig.3.13Distributingtensionfigureatfore-driver4、對(duì)驅(qū)動(dòng)位置的評(píng)價(jià)由上圖可知，履帶驅(qū)動(dòng)裝置后置呈現(xiàn)出行駛技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)裝置前置時(shí)，大部分履帶在行駛時(shí)承受大牽引力，履帶伸長(zhǎng)比驅(qū)動(dòng)裝置后置要長(zhǎng)很多，在履帶前下部形成下垂，容易導(dǎo)致履帶的脫落，因此更要求加裝履帶張緊器。后驅(qū)動(dòng)時(shí)，高牽引力區(qū)比較短，不會(huì)出現(xiàn)上述問題。履帶的外行駛阻力外行駛阻力是指從外部來(lái)對(duì)抗履帶車輛運(yùn)動(dòng)的阻力，見（3.3）式，主要分為：車首阻力、爬坡阻力、加速阻力和空氣阻力等。1、車首阻力：是履帶前部在地面和履帶之間的塑性變形產(chǎn)生的，是車輛水平行駛的最大單項(xiàng)阻力。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，這里（參閱[23]）F2gBgtP)=?δ+ρfoF=PGoBld（3.7）-23-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文這里B為履帶寬，?t是下陷深度，B?t是車首阻力的推土面積，o是地面單位壓力，δρ是地面摩擦角，ld是履帶著地長(zhǎng)。2、爬坡阻力：F=Fgsinα（3.8）stG這里α是爬坡的角度。3、加速阻力：FF=Ga（3.9）Bg這里a是加速度。5、空氣阻力：在速度比較小的情況下，可以忽略不計(jì)。機(jī)器人參數(shù)履帶式機(jī)器人的參數(shù)如下：重量：G=6.2傳動(dòng)裝置效率：T=80%履帶著地長(zhǎng)：ld=152mm履帶寬：B=履帶進(jìn)入角：δ=°（取前部和后部相同）[1]下陷深：?t=0.12mm地面摩擦角：ρ=°ρ=°~°[1]履帶預(yù)張力：o=8N拖纜所需最大力：cable=10N設(shè)計(jì)最大速度：V=9m/最大爬坡角度：α=30°所能提供的最大牽引力：ZT=wa+wi=Z+wi=49.6N這里行動(dòng)裝置阻力F取6N，所能提供的最大外牽引力為43.6N。wi-24-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文當(dāng)加速度為0，最大爬坡角度30度時(shí)，所需牽引力為各種阻力之和：F=F+F+F+F=42.07N（3.10）qfstBcable選主電機(jī)功率為：e=W；則電機(jī)所能提供的牽引力，如圖（3.8F×V=2gPη=125.44（）TeT在最高速V=9m/時(shí)，牽引力F最小，達(dá)到15N；在最低速V=m/時(shí)，牽引力F最大，達(dá)到42N，可以爬上30度坡。如圖所示。圖3.14牽引力-速度關(guān)系圖Fig.3.14figure機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性和輪式車輛相比有很大的差異，其方向運(yùn)動(dòng)特性也截然不同，運(yùn)動(dòng)控制相對(duì)來(lái)說具有相當(dāng)大的難度。履帶式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式履帶式機(jī)器人兩邊履帶以同等速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；但機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎比較難以控制，也就是說其運(yùn)動(dòng)角速度控制比較困難，原地轉(zhuǎn)彎也轉(zhuǎn)不準(zhǔn)，唯一合理的方法是：兩條履帶以不同的速度運(yùn)動(dòng)，用雙履帶的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。1、履帶式機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)-25-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.15履帶差動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向Fig.3.15Turningthroughtrackdifferentialspeed履帶的運(yùn)動(dòng)分為縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)，使單片履帶產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)結(jié)果的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要疊加到純直線運(yùn)動(dòng)上去。由此，轉(zhuǎn)向行駛會(huì)產(chǎn)生附加的行駛阻力，即回轉(zhuǎn)阻力。履帶的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)可以用圍繞轉(zhuǎn)向中心（運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)中心）的運(yùn)動(dòng)來(lái)敘述，該中心自身可以根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)情況分為曲線運(yùn)動(dòng)和原地保持不動(dòng)。如圖3.15所示。因此，履帶分別完成圍繞各自的瞬時(shí)中心（其位置由很大區(qū)別）而作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿履帶方向而作的滑移運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，外側(cè)履帶需要一個(gè)牽引力，而內(nèi)履帶在廣闊的轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)具有制動(dòng)作用。由此形成一個(gè)轉(zhuǎn)向力矩，在速率恒定的狀態(tài)下與在履帶和地面間產(chǎn)生的阻力矩相平衡。為建立起轉(zhuǎn)向行駛時(shí)主動(dòng)輪上的速度、力和力矩間的關(guān)系，首先做出如下簡(jiǎn)化：（1）車輛均勻平面上行駛；（2）轉(zhuǎn)向行駛以等速進(jìn)行；（3）離心力的影響可以忽略不計(jì)；（4）兩條履帶有相同的載荷；（5）在履帶著地長(zhǎng)內(nèi)履帶載荷不變，即履帶著地長(zhǎng)內(nèi)有效地面壓力o是均勻分布；（6）兩條履帶的行駛阻力相等并且履帶寬可以不計(jì)；（7）縱向滑動(dòng)和橫向滑動(dòng)可以不計(jì)；（8）車輛重心位于對(duì)稱軸線的交叉點(diǎn)上；這里定義——轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比i，這個(gè)無(wú)量綱用來(lái)說明以不同轉(zhuǎn)向半徑行駛的L-26-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文速度、力與功率的關(guān)系：iL2R==理論轉(zhuǎn)向半徑/履帶中心矩之半（3.12）S這里R是轉(zhuǎn)向半徑，S是兩履帶之間的寬度。因此轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)必須在一個(gè)理論轉(zhuǎn)向半徑時(shí)，通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比還要定義另一個(gè)關(guān)系量——轉(zhuǎn)向比：laλ==履帶著地長(zhǎng)/履帶中心距（3.13）S轉(zhuǎn)向比是車輛轉(zhuǎn)向靈活性的一種度量，用來(lái)判斷轉(zhuǎn)向行駛時(shí)主動(dòng)輪上的所需要力的大小。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比可確定車輛所能行駛的不同轉(zhuǎn)向半徑范圍。這里可分為大半徑R→∞R=S/2之間的所有轉(zhuǎn)向半徑，同時(shí)包括i=∞和L=1之間的所有轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比；小半徑L區(qū)定義i在0和1之間，0≤R≤S/2，特別當(dāng)R=0時(shí)，車輛原地自轉(zhuǎn)。L對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向比的定義，以及所求的履帶主動(dòng)輪上的速度、力和功率關(guān)系式是分析履帶車輛轉(zhuǎn)向行駛型性能和所用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。2、大半徑區(qū)R≥S/2的速度設(shè)履帶車輛以m的行駛速度沿半徑為R的曲線運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)輪上的速度分別為a和i，這就是履帶速度，不考慮滑移和彈性關(guān)系。求主動(dòng)輪速度可和求一個(gè)平躺滾動(dòng)的圓錐體外側(cè)線上的各點(diǎn)速度一樣。與行駛速度比有一個(gè)速度差?，即VVVV=+?amVVV=??im（3.14）這里VmVV+=ai（3.15）2借助相似三角形關(guān)系，外側(cè)履帶主動(dòng)輪有R(RS/2)+=（3.16）VVma轉(zhuǎn)化得-27-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文1V=V+)（3.17）am

Li同樣，對(duì)內(nèi)側(cè)履帶輪有R(RS/2)?=（3.18）VVma和1)V=V?（3.19）am

Li式3.17和式3.19相減：2im==VLVV?ai（3.20）代入式3.15：()iai==VVR+VVR+LVV)S/2?ai（3.21）履帶速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，所以也可以用電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)表示：iL=(nn)+ai(nn)?ai（3.22）由上可知，在主動(dòng)輪上對(duì)應(yīng)于每一個(gè)轉(zhuǎn)向半徑和每一個(gè)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)有確定的速度比。此外，在相同的變速箱和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的情況下，履帶中心距的增加意味著轉(zhuǎn)向半徑的變大。當(dāng)履帶車輛圍繞內(nèi)側(cè)履帶轉(zhuǎn)向時(shí)，意味著內(nèi)履帶速度為0，且轉(zhuǎn)向半徑為履帶中心距之半，此時(shí)內(nèi)外履帶速度為：V0=iVV=am（3.23）3、小半徑區(qū)0≤R≤S/2的速度如圖3.16顯示了車輛以小半徑區(qū)0≤R≤S/2轉(zhuǎn)向的情況。-28-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.16履帶車輛以小半徑轉(zhuǎn)向Fig.3.16Small-radiusturningoftrackvehicle定義履帶平均速度為V'，則mV'mVV?=ai（3.24）2同理可得外側(cè)履帶輪速度V=V'+i)（3.25）amL內(nèi)側(cè)履帶輪速度：i='L?（3.26）iLVV(nn)++aiai==VV(nn)??aiai（3.27）注意此時(shí)i<i<0。由式3.25和3.26得V0=iVV='am（3.28）在大半徑轉(zhuǎn)向時(shí)V=V'，原地自轉(zhuǎn)時(shí)，L=0和R=0，可以得到mmVV'=?imVV='am（3.29）即V=V=V'aim4、相對(duì)主動(dòng)輪速度根據(jù)以上公式做出的主動(dòng)輪相對(duì)速度圖形3.17，外側(cè)和內(nèi)側(cè)的速度用相對(duì)于主動(dòng)輪的平均速度來(lái)表示。-29-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖3.17內(nèi)外側(cè)主動(dòng)輪的相對(duì)速度Fig.3.17Relativespeedofinsideandoutsidedriveri=1到L=L的坐標(biāo)以對(duì)數(shù)表示，在大半徑區(qū)，兩個(gè)速度均為正值，即兩L側(cè)履帶有相同的運(yùn)動(dòng)方向。在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比i較大時(shí)，內(nèi)外速度差別不大。L在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比L=1時(shí)（繞內(nèi)側(cè)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)），轉(zhuǎn)向出現(xiàn)不穩(wěn)定，因從大半徑區(qū)向小半徑區(qū)過渡時(shí)，內(nèi)側(cè)履帶的轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)。履帶式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力對(duì)于在管道內(nèi)運(yùn)行的機(jī)器人來(lái)說，能夠通過的管道尺寸和越過的各種障礙物是其重要的性能之一。1、最小通過管道尺寸（1）在直線方管中機(jī)構(gòu)能通過的最小管道尺寸：260mm（寬）×200mm（2）在直線圓管中，機(jī)構(gòu)在圓管中的極限情況如圖3.18所示，機(jī)構(gòu)能通過的管道最小圓管內(nèi)徑由下式給出：=+Rb/2)2h2RhbHh=++?(/2)2()211≥Hh1（3.30）這里h是管道中心到機(jī)器人頂部的高度，H是箱體高；b是箱體-30-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文寬180mm；1是履帶鉸接處到箱體頂部高；h1是履帶高。第三式是確保機(jī)器人兩邊履帶達(dá)到直徑位置時(shí)箱體高度還不能達(dá)到頂部的情況，即不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤解。圖3.18機(jī)構(gòu)通過園管最小尺寸Fig.3.18Thepassablemini-sizeofrobot本方程組無(wú)解，說明機(jī)器人能通過的最小圓管內(nèi)徑理論值為。2、越壕能力在垂直壕壁或近似于垂直壕壁的情況下，越壕能力定義是車輛在不墜落的情況下能跨越的壕寬，如圖3.19。當(dāng)重心的鉛垂線與壕壁邊緣重合時(shí)，越壕寬達(dá)到最大值，因此，最大越壕能力由履帶高度、履帶與地面接觸線長(zhǎng)度、前帶輪直徑、履帶傾角和重心位置決定。圖3.19車輛的越壕能力Fig.3.19Capabilityofgetovergroove由此可見，車首較重的車輛有臨界駛?cè)脒^程，車尾較重的車輛有臨界駛出-31-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文過程。重心位于車體中心的車輛，其臨界駛?cè)肱c臨界駛出相同，從而能越過最寬的壕，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，將重心配置在中心有利于提高機(jī)器人的越壕能力。經(jīng)計(jì)算，本機(jī)器人的理論越壕極限為145mm。3、上臺(tái)階能力在垂直臺(tái)階或近似于垂直臺(tái)階的情況下，履帶車輛能夠爬上的臺(tái)階高度，極限狀態(tài)下，重心線正好在臺(tái)階的位置，如圖3.20所示。計(jì)算結(jié)果臺(tái)階極限高度62mm。圖3.20車輛上臺(tái)階能力Fig.3.20Capabilityofclamberstep履帶式機(jī)器人在彎道處的通過性如何自如、平穩(wěn)通過彎道是管道機(jī)器人的難點(diǎn)和重點(diǎn)。履帶式機(jī)器人在彎道處的通過性是指機(jī)器人通過彎道、接頭和克服彎道障礙的能力[3]。若管道機(jī)器人能夠通過彎道，則其幾何尺寸必然滿足彎道的幾何約束，通過這個(gè)約束來(lái)反映管道機(jī)器人能否平穩(wěn)、自如地通過彎道，所以，進(jìn)行管道機(jī)器人彎道導(dǎo)航設(shè)計(jì)和相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要滿足該約束方程。否則，在彎道處有可能使管道機(jī)器人的單元體被卡住或處于夾緊狀態(tài)，而使驅(qū)動(dòng)力增加，這一狀態(tài)如果導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出過大而損壞驅(qū)動(dòng)電機(jī)，會(huì)發(fā)生管道機(jī)器人“死”在管內(nèi)的現(xiàn)象。1、管道機(jī)器人在圓管中彎道處的幾何約束設(shè)管道機(jī)器人和管道彎道的幾何尺寸分別為：機(jī)器人寬度尺寸為B、機(jī)器人長(zhǎng)為L(zhǎng)R90°。-32-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文幾何關(guān)系如圖3.21所示，因此在該狀態(tài)下，機(jī)器人幾何尺寸由下列方程給出：=2(R+D/2)2?(R+B/2)2(3.31)L表示在一定的彎道尺寸和機(jī)器人寬度為B的條件下，管道機(jī)器人能通3.31提供了管道機(jī)器人在彎道處能通過的基本約束條件，即管道機(jī)器人極限幾何尺寸。反之，L已知時(shí)，可以得出可以管道直徑D和彎道曲率半徑RD=2((R+B/2)2+2/4?R)（3.32）圖3.21機(jī)器人尺寸與圓管彎道的幾何關(guān)系Fig.3.21Geometricalrelationbetweenrobotsizeandpiperadius由式3.32可知，單元體長(zhǎng)度隨著彎道曲率半徑R的增加而增加，機(jī)器人寬度的增加而減小，當(dāng)機(jī)器人長(zhǎng)度一定時(shí)，所能通過得管道直徑隨彎道曲率半徑R的增大而減小，機(jī)器人較容易通過大曲率半徑的彎道，且機(jī)器人寬度越大，3.22所示。圖3.22能通過的管道直徑與彎道曲率半徑關(guān)系圖Fig.3.22Relationfigurebetweenrobotsizeandpiperadius-33-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文2、管道機(jī)器人在矩形方管中L或T型彎道處的幾何約束設(shè)矩形方管的寬度為H，在方管中機(jī)器人兩履帶是不張開的，通過情況如圖3.23所示。在L或T型彎道中，機(jī)器人長(zhǎng)度尺寸由下列方程給出：=2H2?B2,H+B2即=(2)2（3.33）計(jì)算得出H=1502+2602=300.17。圖3.23機(jī)器人在L管中的幾何關(guān)系圖Fig.3.23GeometricalrelationfigureinLpipe管道機(jī)器人的自定心效應(yīng)和側(cè)傾問題在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于自身的重力和管道內(nèi)壁的傾斜，管道機(jī)器人傾斜之后在運(yùn)動(dòng)的過程中具有自動(dòng)回到水平位置的現(xiàn)象，我們稱之為自動(dòng)定心效應(yīng)。自動(dòng)定心效應(yīng)越好，機(jī)器人越難以出現(xiàn)側(cè)面傾倒。機(jī)器人在管道內(nèi)正向傾斜的狀態(tài)如圖3.24。圖3.24機(jī)器人在管道內(nèi)傾斜的狀態(tài)Fig.3.24Therobotinclinedstateinpipe-34-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖中R為管道半徑，B機(jī)器人的寬度，H是履帶直立時(shí)機(jī)器人的重心高度，h1是機(jī)器人履帶高，h是重心到機(jī)器人底平面的高度，μ為摩擦系數(shù)，α為機(jī)器人所在管道截面傾斜角，1、2分別是左右履帶的支撐力，F(xiàn)1、F2分別是左右履帶的摩擦力，角度α、θ1、θ2如圖所示。設(shè)機(jī)器人處于將要下滑的極限狀態(tài)，列水平、垂直和力矩方程：NN2)NgNg2)Gθ+θ+α?μθ+μθ+α=11211121?++++=

θθαμθμθαNN2)NgNg2)011211121（3.34）B2μ+μ=α??NRNRGgRhsin(2)124=?αhHh1Bπ2arccos(2)θ=?α?θ，機(jī)器人重量G=62N。這里θ=，122R當(dāng)μ取0.4，管道半徑R=200時(shí)，α=42?；管道半徑R=400時(shí)，α=48??？梢?，管道直徑越大，履帶式機(jī)器人在管道內(nèi)的范圍越大，運(yùn)動(dòng)的自定心效果不顯著。本章小結(jié)履帶式管道機(jī)器人采用模塊式結(jié)構(gòu)，它包括雙履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、履帶擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、毛刷機(jī)械臂、主箱體和旋轉(zhuǎn)毛刷等部分，這些模塊能根據(jù)工程實(shí)際需要進(jìn)行組合。通過履帶的張開，使機(jī)器人能夠適應(yīng)方管和不同直徑的圓管。對(duì)履帶式管道移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了行走機(jī)理分析、受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出履帶式機(jī)器人具有較大的附著力和越障能力。還研究了管道機(jī)器人在各種管道的通過性問題和機(jī)器人在圓管中的自定心能力和傾倒問題，通過履帶的張開使得機(jī)器人的防傾倒能力大大提高。毛刷頭的兩種安裝法可以使機(jī)器人適應(yīng)方管和圓管兩種旋轉(zhuǎn)方向的需要。第四章管道機(jī)器人的分層模糊控制設(shè)計(jì)由于管道大小變化多樣，管道的截面形狀有圓形和方形，內(nèi)部情況復(fù)雜，現(xiàn)有的管道機(jī)器人在控制上，還不能達(dá)到自主運(yùn)動(dòng)，故都采用手控方式或固定-35-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖中R為管道半徑，B機(jī)器人的寬度，H是履帶直立時(shí)機(jī)器人的重心高度，h1是機(jī)器人履帶高，h是重心到機(jī)器人底平面的高度，μ為摩擦系數(shù)，α為機(jī)器人所在管道截面傾斜角，1、2分別是左右履帶的支撐力，F(xiàn)1、F2分別是左右履帶的摩擦力，角度α、θ1、θ2如圖所示。設(shè)機(jī)器人處于將要下滑的極限狀態(tài)，列水平、垂直和力矩方程：NN2)NgNg2)Gθ+θ+α?μθ+μθ+α=11211121?++++=

θθαμθμθαNN2)NgNg2)011211121（3.34）B2μ+μ=α??NRNRGgRhsin(2)124=?αhHh1Bπ2arccos(2)θ=?α?θ，機(jī)器人重量G=62N。這里θ=，122R當(dāng)μ取0.4，管道半徑R=200時(shí)，α=42?；管道半徑R=400時(shí)，α=48??？梢?，管道直徑越大，履帶式機(jī)器人在管道內(nèi)的范圍越大，運(yùn)動(dòng)的自定心效果不顯著。本章小結(jié)履帶式管道機(jī)器人采用模塊式結(jié)構(gòu)，它包括雙履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、履帶擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、毛刷機(jī)械臂、主箱體和旋轉(zhuǎn)毛刷等部分，這些模塊能根據(jù)工程實(shí)際需要進(jìn)行組合。通過履帶的張開，使機(jī)器人能夠適應(yīng)方管和不同直徑的圓管。對(duì)履帶式管道移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了行走機(jī)理分析、受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出履帶式機(jī)器人具有較大的附著力和越障能力。還研究了管道機(jī)器人在各種管道的通過性問題和機(jī)器人在圓管中的自定心能力和傾倒問題，通過履帶的張開使得機(jī)器人的防傾倒能力大大提高。毛刷頭的兩種安裝法可以使機(jī)器人適應(yīng)方管和圓管兩種旋轉(zhuǎn)方向的需要。第四章管道機(jī)器人的分層模糊控制設(shè)計(jì)由于管道大小變化多樣，管道的截面形狀有圓形和方形，內(nèi)部情況復(fù)雜，現(xiàn)有的管道機(jī)器人在控制上，還不能達(dá)到自主運(yùn)動(dòng)，故都采用手控方式或固定-35-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文模式的控制方法，由操作人員通過CCD攝像機(jī)在管道外進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，因此對(duì)操作人員的要求較高。這種控制方法對(duì)于簡(jiǎn)單管道能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，但對(duì)于復(fù)雜或未知類型的管道控制比較復(fù)雜，控制的效果不太理想。為了提高系統(tǒng)控制性能，降低控制復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，這里根據(jù)管道機(jī)器人的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)分層的自適應(yīng)模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道機(jī)器人較理想的控制。引言非完整約束系統(tǒng)的履帶式機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中打滑比較嚴(yán)重，建立精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型比較困難。非線性控制中的一些有效方法都不再適用于這些系統(tǒng)，如不能采用連續(xù)或可微的純狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定，不能采用非線性變換實(shí)現(xiàn)精確線性化等，因而使得其控制問題變得相當(dāng)困難，已日益受到國(guó)內(nèi)外控制界的重視[28][29][30]。模糊控制已經(jīng)在實(shí)際非完整機(jī)器人系統(tǒng)的控制中取得了一定的控制效果，常用的自適應(yīng)模糊控制主要有參數(shù)自調(diào)整、規(guī)則自調(diào)整（自尋優(yōu)）和論域自調(diào)整等[31][32][33]，但模糊控制也存在一些問題：一是控制規(guī)則和隸屬函數(shù)不好確定，常常依賴于專家系統(tǒng)或先驗(yàn)知識(shí)；二是對(duì)于多輸入復(fù)雜的模糊控制系統(tǒng)，維數(shù)很高，控制規(guī)則巨大，計(jì)算量非常大，在實(shí)際中應(yīng)用較少，然而實(shí)際的機(jī)器人絕大多數(shù)是多輸入的系統(tǒng)，因此如何減少多輸入系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則數(shù)和計(jì)算量是小型移動(dòng)的機(jī)器人需要解決的一個(gè)重要問題。模糊控制方法概述模糊控制是不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而是基于專家的知識(shí)和操作者的經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制模型，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，模擬人腦的思維方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。事物的模糊性模糊（Fuzzy確”等含義。在日常生活中，人們所遇到的許多事物，包括人腦的思維都具有-36-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文的邊。由于這類大量存在于客觀實(shí)際的模糊現(xiàn)象難以用經(jīng)典的數(shù)學(xué)來(lái)描述，從而大大限制了經(jīng)典數(shù)學(xué)在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用?？刂评碚撟云浒l(fā)展以來(lái)和應(yīng)用數(shù)學(xué)建立起緊密的聯(lián)系，從二十世紀(jì)中到目前，隨著現(xiàn)在控制理論的發(fā)展，這種聯(lián)系更加緊密與廣泛，因此，給人們的印象是控制理論不允許存在模糊性，但事實(shí)并非如此，在控制工程中，一些復(fù)雜的被控對(duì)象或過程的特性難以用一般物理或化學(xué)來(lái)描述，而且無(wú)適當(dāng)?shù)臏y(cè)試手段，或測(cè)試的手段無(wú)法進(jìn)入被測(cè)區(qū)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論難以得到滿意的效果。然而這類系統(tǒng)在人類的操作下卻往往能夠正常運(yùn)行，達(dá)到預(yù)定的效果。履帶式管道機(jī)器人就是一個(gè)典型的例子。模糊集合和隸屬函數(shù)概念1965年，美國(guó)扎德（L.A.Zadeh）教授首次在其論文《FuzzySets》中提出模糊集合概念和模糊邏輯理論，用“隸屬函數(shù)”概念來(lái)描述事物的模糊性[34]。并將其應(yīng)用于復(fù)雜過程的決策支持。1974年英國(guó)的馬丹尼（E.H.Mamdani）首先把模糊集合論用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制中，實(shí)際的效果良好[35]。30年來(lái)，模糊數(shù)學(xué)已在自動(dòng)控制、人工智能、圖像識(shí)別、農(nóng)作物選種、化合物分類、地震預(yù)報(bào)、氣象預(yù)報(bào)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、管理科學(xué)及醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在那些大時(shí)滯、非線性等難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)用模糊理論往往能得到滿意的效果。當(dāng)系統(tǒng)地復(fù)雜性增加時(shí)，我們使它精確化的能力降低，近年來(lái)，日本和西歐的電器廠商已將模糊邏輯控制技術(shù)應(yīng)用到家用、民用電器，取得了巨大的商業(yè)成功。模糊集合定義：設(shè)論域E，E到閉區(qū)間[0，1]的任一映射μAμ：E→A()eμe→A（4.1）它確定了E的一個(gè)模糊子集，簡(jiǎn)稱模糊集，記作為A。μA稱為模糊集A的隸屬函數(shù)，μA(e)較元素e的隸屬于A的程度，簡(jiǎn)稱為隸屬度。-37-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文常用的變量一般是數(shù)值變量，而模糊控制是采用自然語(yǔ)言來(lái)運(yùn)算的。比如溫度t,取20值,全體值就是該語(yǔ)言變量的值集。模糊控制數(shù)學(xué)本質(zhì)概述1、模糊控制系統(tǒng)的非線性逼近能力是指它能夠以任意精度逼近任一非線性控制曲線。1992年Buckley首先針對(duì)一類三維模糊控制系統(tǒng)，利用定理證明了該類系統(tǒng)的逼近特性，指出該類模糊控制器是通用模糊控制器[36]。同年，L.X.利用定理證明了一類Mamdani模糊系統(tǒng)能夠以任意精度逼近閉子集的實(shí)連續(xù)函數(shù)，該函數(shù)系統(tǒng)采用Gauss型隸屬函數(shù)和“積”運(yùn)算模糊推理，利用中心法反模糊化，輸出為單點(diǎn)模糊集[37]。隨后，國(guó)內(nèi)外多個(gè)學(xué)者證明了模糊系統(tǒng)非線性的逼近能力。因此，標(biāo)準(zhǔn)模糊系統(tǒng)是一個(gè)全局逼近器，適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。2、模糊控制器的數(shù)學(xué)本質(zhì)1978年，Kichert和Mamdani分析了模糊控制器和多值繼電器的關(guān)系，指出了一類簡(jiǎn)單的模糊控制器可看成多繼電器。20世紀(jì)80年代末，Siler，和Bukley等人研究后指出基于不同推理方法的簡(jiǎn)單模糊控制器是不同的具有可變?cè)鲆娴姆蔷€性PI控制[38]。在國(guó)內(nèi)，李洪興首先分析了具有三角形的隸屬函數(shù)、真值流推理和重心法反模糊化的模糊控制器的數(shù)學(xué)本質(zhì)[39]，指出了模糊控制器就是插值器，SISO模糊控制器就是分段線形插值器，雙輸入單輸出（DISO）模糊控制器是乘積型分片線性插值器，模糊控制器的隸屬函數(shù)即為插值的基函數(shù)；接著，他又證明了具有Manadani型控制規(guī)則、采用“max-min”蘊(yùn)含關(guān)系和合成算法、采用單點(diǎn)模糊化和重心法反模糊化的常用模糊推理算法均可以視為某種差制器[40]，指出了模糊控制方法相當(dāng)于數(shù)學(xué)物理中的有限元法，是經(jīng)典控制論或現(xiàn)代控制論中的一種直接方法或數(shù)值方法。-38-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文自適應(yīng)模糊控制發(fā)展現(xiàn)狀在應(yīng)用的推動(dòng)下，九十年代全世界掀起了模糊控制的研究熱潮，取得了很多重要的理論成果，模糊控制的學(xué)科體系逐漸形成，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的專著和教材，目前模糊控制理論已經(jīng)非常成熟。經(jīng)過多年的發(fā)展，自適應(yīng)模糊控制已經(jīng)從最基本模糊控制系統(tǒng)逐步發(fā)展為自適應(yīng)、自組織等模糊控制。針對(duì)模糊控制的控制規(guī)則和隸屬函數(shù)確定困難、學(xué)習(xí)能力差等局限性，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法相結(jié)合產(chǎn)生基于智能算法的自適應(yīng)模糊控制；針對(duì)多輸入系統(tǒng)模糊控制規(guī)則巨大，提出了分層模糊控制；對(duì)于有大滯后過程控制系統(tǒng)，模糊控制與Smith預(yù)估器和預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，提出了Smith-Fuzzy控制器。概括起來(lái)，自適應(yīng)模糊控制的發(fā)展主要有以下類型：1、基于模糊控制規(guī)則調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器；2、基于比例因子調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器；3、基于論域的自適應(yīng)模糊控制器；4、基于隸屬函數(shù)調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制器；5、基于模糊模型的自適應(yīng)模糊控制器；6、基于PID模型的自適應(yīng)模糊控制器；7、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)模糊控制器；8、基于遺傳算法的自適應(yīng)模糊控制器；9、基于小波變換的自適應(yīng)模糊控制器；10、基于大滯后過程自適應(yīng)模糊控制器；、基于分層的自適應(yīng)模糊控制器。分層模糊控制分層模糊控制簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)模糊系統(tǒng)一個(gè)根本的局限性在于，隨著變量數(shù)量的增長(zhǎng)，規(guī)則數(shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。對(duì)于一個(gè)n輸入的MISO多輸入單輸出模糊系統(tǒng)（對(duì)象模型或者控Mamdani型模糊系統(tǒng)還是TS型模糊系統(tǒng)，模糊規(guī)則的前件一般-39-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文為：iL，其中x1,x2,L,xn是模糊系統(tǒng)的n個(gè)輸fxisAiandandxisAi11nn入變量。如果每個(gè)輸入變量定義p個(gè)模糊集，且模糊系統(tǒng)的規(guī)則集是完備的，則模糊規(guī)則的總數(shù)將是pn，即規(guī)則總數(shù)將隨著輸入變量的個(gè)數(shù)指數(shù)增長(zhǎng)，造curseofdimensionality解決的一個(gè)重要問題，模糊控制中的“維數(shù)災(zāi)”問題至今沒有很好解決。當(dāng)變量數(shù)量增長(zhǎng)時(shí)，規(guī)則庫(kù)很快會(huì)耗盡內(nèi)存使模糊控制器不可能實(shí)現(xiàn)。如果我們要把模糊控制器應(yīng)用到更多的復(fù)雜的系統(tǒng)中，我們必需找到解決這種規(guī)則爆炸問題的方法。事實(shí)上，當(dāng)變量增加時(shí)問題的復(fù)雜度指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)是一個(gè)很通常的現(xiàn)象，并不僅僅只有模糊系統(tǒng)是這樣的。這個(gè)現(xiàn)象被Bellman稱為“維數(shù)災(zāi)”。在不同領(lǐng)域的研究者使用不同的方法研究這個(gè)問題。在統(tǒng)計(jì)方向上，使用PP算法來(lái)一個(gè)一個(gè)找出重要變量來(lái)；其它的辦法是回歸分割和相關(guān)方法。在數(shù)學(xué)方向上，著名的Kolmogorov定理表明在[0,1]n上每一個(gè)連續(xù)函數(shù)可表征成為一維連續(xù)函數(shù)的額外疊加。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波方向上，也對(duì)此問題進(jìn)行了廣泛的討論。在信號(hào)處理和控制方向上，經(jīng)典的PC法是一個(gè)典型的例子。在模糊控制系統(tǒng)中，為了解決“維數(shù)災(zāi)”和控制規(guī)則爆炸，常常使用分層模糊控制的方法；這種模糊控制由許多低維標(biāo)準(zhǔn)的模糊系統(tǒng)按照分層的方式組合起來(lái)。1991年Raju等首次提出一類分層模糊系統(tǒng)[40]。首先選擇對(duì)輸出影響最大的輸入變量作為第一級(jí)的輸入，然后再選擇次重要的變量作為下一級(jí)的輸入，依次類推。第一層規(guī)則：if(xisA,L,xmisAm)then(yisb)111111第j（j>1）層規(guī)則：if(x+isA+,...,x+isA+andy-isB-)then(yisb)

m1m1mnmnj1j1jj

jjjjjj其中1,2,L,n是系統(tǒng)輸入變量，j-1mn,j1,L,l=?=，jii=1n是第j層系統(tǒng)j輸入變量數(shù)目，y是第j層的輸出，也是第j+1層的輸入變量。Raju等證明，j此類分層模糊系統(tǒng)可以大大減少規(guī)則數(shù)[40]。對(duì)于完備規(guī)則集來(lái)說，一般MISOl?ni模糊系統(tǒng)的規(guī)則數(shù)為k=p1，而分層模糊系統(tǒng)的規(guī)則數(shù)為i=lkpp+=+?，1n1ii=2其中p為每個(gè)輸入變量的模糊集個(gè)數(shù)，n為輸入變量個(gè)數(shù)。當(dāng)-40-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文1=2+1=L=l+1=t（t為常數(shù)）時(shí)，規(guī)則數(shù)變?yōu)檩斎胱兞總€(gè)數(shù)n的線性函數(shù)，即lkpn1pn+1lgptnttmt=+?＝＝--+（4.2）(()/(1)1)ii=2一般地，可以得到分層模糊系統(tǒng)得規(guī)則數(shù)量隨著輸入變量數(shù)量線性增長(zhǎng)，而不是成指數(shù)級(jí)增加。因此，分層模糊控制給解決高維問題提供了一個(gè)很有前途得方案。分層模糊控制分類按照分層模糊系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們把分層模糊系統(tǒng)分為：串聯(lián)型（輸入變量逐層輸入）和并聯(lián)型(1、串聯(lián)－疊加型分層模糊系統(tǒng)在這種分層模糊系統(tǒng)中，所有的輸入變量是逐層輸入的，Raju提出的分層模糊系統(tǒng)就屬于此類。如果每層只增加一個(gè)輸入變量，則稱為“增一型”分層模糊系統(tǒng)，這時(shí)規(guī)則總數(shù)最少。下面再介紹兩個(gè)也屬于此類，但與“增一型”分層模糊系統(tǒng)略有不同的系統(tǒng)：（1Rattasiri的分層模糊系統(tǒng)[41][42]Rattasiri于2000年對(duì)Raju的“增一型”分層模糊系統(tǒng)加以改進(jìn)，提出了一類替換分層模糊系統(tǒng)(AHFS)。如圖4.1所示。該系統(tǒng)每層有三個(gè)變量：一個(gè)為前一（2[43][44]Raju分層模糊系統(tǒng)相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，區(qū)別在于每個(gè)模糊單元采用了TS型模糊系統(tǒng)，最后一層的輸出是前一層模糊單元輸出的多項(xiàng)式函數(shù)。2、并聯(lián)－疊加型分層模糊系統(tǒng)此類疊加型分層模糊系統(tǒng)的所有輸入變量都位于第一層，最典型的就是提出的分層模糊系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)類似于完全二叉樹，如圖4.2所示。這種分層模糊系統(tǒng)的層數(shù)最少，每個(gè)模糊單元都是兩輸入一輸出的，如果前一層輸出變量個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則剩余的一個(gè)直接輸入到下一層。-41-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文圖4.1Raju的分層模糊控制系統(tǒng)Fig.4.1Rajuhierarchicalfuzzycontrolsystem圖4.2的分層模糊控制系統(tǒng)Fig.4.2hierarchicalfuzzycontrolsystem分層模糊控制通用逼近性和優(yōu)勢(shì)因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模糊系統(tǒng)是一個(gè)全局逼近器，因而它適用于廣泛的應(yīng)該領(lǐng)域。什么是分層模糊系統(tǒng)的逼近性能？如果分層模糊控制器只能表征一類嚴(yán)格的非線性函數(shù)，那么它的應(yīng)用性就會(huì)受到限制。但是，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)分層模糊控制器也是全局逼近器，盡管它的規(guī)則庫(kù)有限，結(jié)構(gòu)受到限制。王立新構(gòu)造了一類基于-42-上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文型模糊單元的分層模糊系統(tǒng)，并證明了該類分層模糊系統(tǒng)的通用逼近性[43][44]。但是目前對(duì)于逼近性的定量分析的研究成果還很少。下面對(duì)傳統(tǒng)單層模糊控制系統(tǒng)和Raju、的分層模糊控制結(jié)構(gòu)作一個(gè)比較，這里假設(shè)一共具有4n=4）輸入變量，每個(gè)變量有7p=7）隸屬函數(shù)，分層模糊控制的層數(shù)2層（l=2（1）這是傳統(tǒng)單層模糊控制系統(tǒng)，控制規(guī)則數(shù)：pn=74=2401，計(jì)算量非常大，控制規(guī)則數(shù)隨輸入變量數(shù)成指數(shù)級(jí)增加。（2）Raju的分層模糊控制結(jié)構(gòu)由低維數(shù)的模糊邏輯系統(tǒng)組成，控制規(guī)則數(shù)：2×72+72=147，但是這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了2個(gè)中間變量，它們可能沒有物理意義，用它們作為下一層的輸入，控制規(guī)則不好確定，設(shè)計(jì)比較困難，這種情況在層數(shù)增多的情況下顯得尤為突出。（3）這種結(jié)構(gòu)與上一種相似，控制規(guī)則數(shù)：2×72+72=147，也同樣會(huì)產(chǎn)生中間變量，出現(xiàn)控制規(guī)則難以確定的情況。由此可以看出采用這樣的結(jié)果可以大幅度地減少控制規(guī)則數(shù)，降低控制的復(fù)雜度，但可能出現(xiàn)的問題是：使得確定控制規(guī)則難度加大，特別是第二層以上的模糊控制層的輸入變量可能沒有物理意義，控制規(guī)則的確定沒有規(guī)律可循。分層模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法同其它模糊控制方法一樣，分層模糊控制在實(shí)踐中所取得的成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其理論發(fā)展水平，近幾年來(lái)有大量文章介紹了分層模糊控制器在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用。1993年Raju等把自適應(yīng)分層模糊控制器應(yīng)用于蒸汽發(fā)生器水位控制[45]1998年王學(xué)敏等把Raju的分層模糊控制器應(yīng)用于四足步行機(jī)器人[46]1998年Heung,等針對(duì)交通問題中的道路匯合問題提出了分層模糊控制方案，并用實(shí)現(xiàn)規(guī)則的自動(dòng)生成[47]；2001年Kimiaghalam,