工業(yè)管道的管外行走關(guān)節(jié)式機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用

引言

　　當(dāng)管道輸送高溫、高壓、劇毒等流體介質(zhì)時(shí)，為了安全性，必須對(duì)管道工作情況進(jìn)行定期檢查或?qū)崟r(shí)監(jiān)控。管內(nèi)機(jī)器人不適合完成該項(xiàng)任務(wù)，而管外機(jī)器人顯示了明顯的優(yōu)越性能。

　　從上世紀(jì)70年代開始，國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了管外行走機(jī)器人研究，并已研制出多種管外行走機(jī)器人_lI3 J。之后西班牙學(xué)者利用Stewart—Cough并聯(lián)機(jī)構(gòu)研制出一種攀登機(jī)器人 J，它不僅能爬水平管，還能爬立管。美國(guó)Envision L 5l公司2000年設(shè)計(jì)推出的一些小型管外軸向行走機(jī)構(gòu)，采用磁性輪結(jié)構(gòu)。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(dòng)車體沿其上行走而驅(qū)動(dòng)儀器作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)[6]提出采用一種基于撓形體摩擦傳動(dòng)的特殊的鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)管外周向運(yùn)動(dòng)。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(jī)器人具有靈活跨越這些障礙的能力。針對(duì)這一要求，文中提出一種關(guān)節(jié)式管外機(jī)器人，它是關(guān)節(jié)式串聯(lián)機(jī)器人在管道上的一種應(yīng)用，并具有跨越這些越障能力。

下面著重介紹關(guān)節(jié)式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和跨越典型障礙時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。

1 關(guān)節(jié)式管外機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型

　　設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)式管外機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，坐標(biāo)系設(shè)置如圖2所示。腕關(guān)節(jié)只是實(shí)現(xiàn)手指抓握管道，不參與確定手爪的位姿。因此，當(dāng)手爪抓握管道時(shí)，腕關(guān)節(jié)可視為自由度為零，即與手臂固結(jié)。關(guān)節(jié)式管外機(jī)器人行走原理為：手爪A、B交替得抓緊管道并通過各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)都是鉸鏈，移動(dòng)關(guān)節(jié)是移動(dòng)副。當(dāng)沿管道軸向移動(dòng)時(shí)，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)工作；當(dāng)跨越法蘭或T型和L型管道等障礙時(shí)，翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)也參加工作。實(shí)際上機(jī)器人跨越障礙就是對(duì)手爪的位姿進(jìn)行軌跡規(guī)劃，文中采用D—H方法描述手爪的位姿。

　　當(dāng)手爪4抓握管道時(shí)，以手爪A為機(jī)器人的基礎(chǔ)桿，在θ1=0時(shí)，基坐標(biāo)系|0|與|1|重合(故圖中未畫出)，同時(shí)建立手爪A的固定坐標(biāo)系：OA-XaYaZa。