工業(yè)管道的管外行走關節(jié)式機器人的研發(fā)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(jiān)控。管內(nèi)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(yōu)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(lián)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(xiàn)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(jié)式管外機器人，它是關節(jié)式串聯(lián)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(jié)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(jié)式管外機器人運動模型

　　設計的關節(jié)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(jié)只是實現(xiàn)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(jié)可視為自由度為零，即與手臂固結。關節(jié)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(jié)的運動，實現(xiàn)各種復雜運動。翻轉關節(jié)、回轉關節(jié)和腕關節(jié)都是鉸鏈，移動關節(jié)是移動副。當沿管道軸向移動時，回轉關節(jié)和移動關節(jié)工作；當跨越法蘭或T型和L型管道等障礙時，翻轉關節(jié)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(guī)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。