多足蠕动式攀爬机器人混联机构运动特性及其工作空间_陈凯云.pdf
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1、 第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI:10.3901/JME.2023.09.028 多足蠕动式攀爬机器人混联机构运动特性 及其工作空间*陈凯云 盛晨原(黑龙江科技大学机械工程学院 哈尔滨 150022)摘要:针对海洋钢桩腐蚀防护的自动化作业问题,提出一种多足蠕动式攀爬机器人。该机器人在攀爬过程中具有混联构型和并联构型两种状态,通过两组机械足交替夹持与移动,实现攀爬作业任务。基于螺旋理论和修正的 Grbler-Kutzbach 公式,分析机器人
2、的自由度,得到机器人并联部分机构的自由度恒为 1,不会受到机械足数量的影响;采用 Denavit-Hartenberg(D-H)法和解析法,建立机器人的运动学模型,确定机械足与机器人主体的位置映射关系;利用蒙特卡洛算法,计算六足、八足以及十足的机器人攀爬工作空间。基于此,在确定海洋钢桩的规格后,综合考虑机器人主体尺寸、夹持力等因素,最终选择六足构型。通过若干组机器人攀爬实验,对建立的机器人运动学模型进行验证。试验结果表明:研制的六足蠕动式攀爬机器人实验样机结构设计合理,符合攀爬工作要求。研究成果将为海洋钢桩腐蚀防护自动化装备的研制,以及混联机构在管外攀爬机器人领域中的应用,提供理论依据。关键词
3、:攀爬机器人;混联机构;螺旋理论;运动特性;工作空间 中图分类号:TH112 Kinematic Characteristics and Workspace in Hybrid Mechanism of Multi-legged Peristaltic Climbing Robot CHEN Kaiyun SHENG Chenyuan(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science&Technology,Harbin 150022)Abstract:A multi-legged peristaltic cl
4、imbing robot hybrid mechanism is proposed to solve the problem in the automatic corrosion protection of marine steel piles.According to the climbing stage,which is mixed configuration and parallel configuration,the climbing task is realized by alternating and reciprocating the movement of two groups
5、 of mechanical legs.Spiral theory and modified Grbler-Kutzbach formula are applied to analysis of robot freedom characteristics,and results show that the quantity of parallel mechanism freedom in robot is a constant one,which is not affected by the quantity of mechanical legs.And both D-H and analyt
6、ical methods are used for robot kinematics model,then the position mapping relationship between the mechanical legs and the robot body is determined.The Monte Carlo algorithm is adopted to calculate the climbing workspace of hexapod,octopod and decapod robots.Based on the specification of the marine
7、 steel pile,the hexapod configuration is finally selected by considering the robot size,clamping force and other factors.The kinematic model of the robot was verified by several climbing experiments.All in all,they prove that the structure of hexapod peristaltic climbing robot is reasonable and meet
8、 the work requirements.The research results will provide a theoretical base for both the development of automatic corrosion protection equipment for marine steel piles and the practical application of hybrid mechanisms in the field of off-pipe climbing robots.Key words:crawling-climbing robot;hybrid
9、 mechanism;spiral theory;kinetic characteristic;workspace 20220529 收到初稿,20221112 收到修改稿 月 2023 年 5 月 陈凯云等:多足蠕动式攀爬机器人混联机构运动特性及其工作空间 29 0 前言 近年来,随着我国对海洋资源开发和利用的不断深入,海洋腐蚀问题已经成为影响海上工程设施服役安全、加剧腐蚀浪费和造成生态污染的主要因素之一1-4。海洋钢桩作为其主要的承重基础,由于长期受到苛刻的海洋环境和附着污损生物的腐蚀侵蚀,日渐成为了有关部门设施维护和保养的重点对象5。2018 年,课题组接到中海油能源发展股份有限公司的邀
10、请,启动了海洋钢桩自动化腐蚀防护设备的研究工作,并多次奔赴大连北良港港口进行实地调研。调研发现,我国海洋钢桩防护修复的市场需求巨大,但受限于传统人工作业方式存在的窗口时间短、安全风险高、修复周期长等问题,因此亟需研制一款海洋钢桩自动化腐蚀防护作业机器人。海洋钢桩自动化腐蚀防护作业机器人包含管外攀爬机器人和作业机器人两部分,其中管外攀爬机器人是实现特殊作业任务的重要载体,国内外学者就此开展了大量的研究工作,目前按夹持方式可分为磁吸式、夹持式和环抱式;按移动方式可分为轮式、足式和履带式。Iasgroup 公司6针对海洋导管架清洗工作研发的Splash Genius系列全自动清刷作业装备,均采用环抱
11、式攀爬技术,Splash Genius 采用轮式移动技术,Splash Genius II 升级为蠕动式移动技术,在攀爬工作时更加平稳,二者面对导管架均具备一定程度的适应能力,但该系列的机器人体积庞大,运动机动性和稳定性都比较一般。杨灿军 等7针对水下钢管清洗工作研制的攀爬机器人,搭载具有特殊自适应机制的轮式爬行机构,无需主动控制即可适应各种尺寸的圆柱面,具有较好的机动性和稳定性。王立权等8针对附着在海洋钢桩表面的污损生物提出一种的清刷机器人,该机器人采用双层环抱式夹持结构,通过控制连接在两层圆环夹持机构间的液压缸,实现机器人整体攀爬。ARACIL等9针对在管状结构上开展高风险作业任务的场景,
12、提出一种并联结构的攀爬机器人,该机器人基于 Gough-Stewart 平台,能够在管状攀爬对象的外部或内部进行自主移动。HAN 等10针对大型管道结构的安检工作研制的管外攀爬机器人,包含两个驱动模块和一个被致动的连接臂,具备一定的抓取和越障能力。KIM 等11针对核电站的喷淋管道安全检测工作,研制了一款攀爬机器人,该机器人具有五个自由度的机械手,利用两个夹持器可以沿着管道移动,也可以绕过障碍物继续移动。LEE12针对需要检查和维护的管道场景设计的检测机器人,采用环抱式驱动轮结构,可以在一定直径范围内的直管或弯管表面自由移动。TAVAKOL等13针对铁磁性平面和凸面研制的“OmniClimbe
13、r”攀爬机器人,包含中央磁铁装置、适应性强的底盘以及磁性全向轮,对不同曲率攀爬对象的适应能力和机动性较好,但受限于全向轮的非连续接触性质,该机器人的运动平稳性较差。江励等14-15自主研制的“Climbot”双爪式爬杆机器人,采用基于 2D 激光扫描测距仪的杆件位姿检测和自主抓夹方法,具有较好的避障和杆间过渡能力。曹志华等16针对电力系统的检测和维护工作,研制了一款基于电磁吸附的 5 自由度关节式攀爬机器人,提出了蠕虫式和扭转式两种攀爬步态,并取得了良好的实验效果。综上所述,管外攀爬机器人在构型上多以串联和并联机构为主,其中磁吸式对于铁磁性攀爬壁面的适应能力好,但越障能力差;夹持式的操作灵活性
14、好,但携带负载的能力有限;环抱式的夹持力分布较为均匀,但整机体积和操作灵活性会因此受到相应的影响。混联机构既具备并联机构在刚度、承载能力以及运动精度方面的优势,又具有串联机构在工作空间和操作灵活性方面好的特性17-21。针对几何尺寸大且表面附着有污损生物的海洋钢桩,本文提出一种基于混联构型的多足蠕动式攀爬机器人设计方案;采用螺旋理论以及修正的Grbler-Kutzbach 公式,确定这种混联机构在构型方面的特性;建立多足蠕动式攀爬机器人的运动学模型,揭示此类混联机构的运动机理;利用蒙特卡洛算法,计算不同足数下的机器人攀爬工作空间,为确定机械足的数量,提供理论依据;通过开展攀爬试验,验证运动学模
15、型的正确性,以及机器人设计的合理性,为我们进一步优化机器人几何模型,设计攀爬策略,建立控制系统,提供理论基础。1 多足蠕动式攀爬机器人构型分析 1.1 机器人结构组成 本文提出的多足蠕动式攀爬机器人,其整体结构由环形框架、开合机构、机械足、防坠装置、以 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 30 及移动装置组成,如图 1 所示。图 1 多足蠕动式攀爬机器人实验样机 机器人主体是由两个半环框架和导管架耦合而成的环形框架。开合机构固定在半环框架的两端,通过半环开合的方式,完成机器人在钢桩表面的安装和拆卸。环形框架上部装有吊环螺钉,用于连接防坠落装置,起到对实验人员安全防护的作用。环形框
16、架中部安装了一定数量的导管架(导管架数量为偶数),并按照一定角度,均匀的分布在环形框架上,用于连接上下两层环架、安装机械足以及承担负载。环形框架底部装有移动装置,用于安装万向轮,方便机器人在运输和工装过程中的人工操作。机械足结构由丝杠模组、滑块、导管、电动推杆等部件组成,如图 2 所示。根据丝杠螺母的相对运动关系,实现机械足的移动。为了提高丝杠模组的垂直负载性能,滑块同时被两个直线导轨限制,当滑块固定不动时,机械足可以沿着丝杠轴线方向进行直线运动。图 2 机械足样机模型 1.2 工作原理 多足蠕动式攀爬机器人在工作时,所有机械足被分为两组,其中一组作为夹持相存在,另外一组作为移动相存在。机器人
17、处于攀爬阶段时,夹持相机械足在电动推杆的作用下,将包含螺母的足端滑块固定于钢桩表面,而丝杠则通过联轴器与电机相连接,在驱动扭矩的作用下,使得丝杠与螺母产生相对位移,此时机器人主体和移动相机械足将沿着钢桩轴线方向进行移动。机器人处于步态交换阶段时,移动相机械足在电动推杆的作用下,靠近并夹紧在钢桩表面,此时机械足全部作为夹紧相。当机器人保持稳定后,达到行程极限的夹持相机械足在电动推杆的作用下离开钢桩表面。机器人处于二次攀爬阶段时,夹持相机械足运动过程同上,移动相机械足通过驱动电机反转,令足端滑块恢复到初始状态,进而为下一阶段作为夹持相机械足做准备。两组机械足交替往复运动,从而实现机器人的攀爬功能。
18、在整个工作过程中,机器人需要始终夹紧在钢桩上,因此夹持相机械足始终存在。1.3 模型简化与构型分析 根据机器人的工作原理,一个攀爬周期具有两种机器人的构型状态。下面以六足为例,对攀爬机器人的构型进行分析。(1)混联构型分析。如图 3 所示,当攀爬机器人存在移动相机械足时,夹紧相机械足的足端滑块固定不动,假设其接触点在同一理想夹持面上,可视为并联机构的静平台;机器人主体可视为并联机构的动平台;夹持相机械足可视为连接静、动平台的运动支链;移动相机械足在此过程中悬空,可视为以机器人主体为基座的串联机构。因此,在该阶段机器人为混联机构。图 3 六足蠕动式攀爬机器人混联构型状态(2)并联构型分析。如图
19、4 所示,当攀爬机器人不存在移动相机械足时,此时机械足全部作为夹紧相。因此,在该阶段机器人为并联机构。图 4 六足蠕动式攀爬机器人并联构型状态 月 2023 年 5 月 陈凯云等:多足蠕动式攀爬机器人混联机构运动特性及其工作空间 31 2 自由度分析 机器人的自由度通常被认为是控制一个机器人完成预期动作,所需要输入的独立运动参数的个数。一般情况下,根据机器人简化机构的连杆数量以及运动副类型,即可利用公式推导出该机器人的自 由度。2.1 基于螺旋理论的并联机构自由度分析方法 并联机构一般存在多条运动支链,且各运动支链自身也存在着虚约束、冗余约束等现象22。目前,一种比较通用的自由度计算公式是由黄
20、真23-24基于螺旋理论提出的修正的 Grbler-Kutzbach 公式,如下所示 1()(1)giiMdngfv=+(1)式中,M 为机构的空间自由度数;d 为机构的阶数;为机构的公共约束数;n 为包含机架的构件数;g为运动副的个数;if为第i个关节所允许的自由度数;v为并联机构的冗余约束数;为并联机构的局部自由度数。其中,机构中的冗余约束数由下式计算 1piivqpk=(2)式中,p为机构的运动支链数;q为第i条运动支链的约束数;为机构的公共约束螺旋数;k为剩余约束螺旋的线性相关数。2.2 机械足机构的拆分与等效分析 如图 5 所示,机械足机构采用直线导轨、丝杠螺母的传动结构,包含两个移
21、动副、一个螺旋副,属于一种耦合机构。本文采用文献25的机构拆分和等效的方法进行分析。(1)机械足机构的拆分与等效。机构的拆分与等效:是指在耦合机构的机架与末端构件之间,拆分出若干个独立运动的支链,由此将耦合机构转化为并联机构再进行分析。机械足机构包含了 3 个运动副,因此将其拆分为 3 个独立分支,分别用1l、2l、3l表示。机械足机构的工作原理利用了丝杠螺母副的相对运动关系。因此,无论是何种状态下的机械足,都具有相同的耦合机构的特征。鉴于机械足机构的足端与螺母通过工作台始终固连在一起,因此对于夹持相机械足而言,可将其视为并联机构的静平台,拆分出来的独立分支可视为运动支链,其余机械足的连接部分
22、可视为并联机构的动平台。图 5 机械足机构简图 (2)机械足机构的自由度分析。将机械足机构简化为具有 3 条运动支链的并联机构,并以丝杠的轴线方向为Z轴,工作台的垂直方向为Y轴,建立直角坐标系。1l和2l运动支链的结构类似,其运动螺旋系为 ()A110,0,0;0,0,1=S$(3)1l和2l运动支链的约束螺旋系为 ()()()()()1112A1314151,0,0;0,0,00,1,0;0,0,00,0,0;1,0,00,0,0;0,1,00,0,0;0,0,1rrrrrr=$S$(4)3l运动支链的运动螺旋系为 ()()11B110,0,0;0,0,10,0,1;0,0,0=$S$(5)
23、3l运动支链的约束螺旋系为 ()()()()1112B13141,0,0;0,0,00,1,0;0,0,00,0,0;1,0,00,0,0;0,1,0rrrrr=$S$(6)由式(4)和式(6),得到机械足机构的公共约束螺旋,如下所示 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 32 ()()()()()123451,0,0;0,0,00,1,0;0,0,00,0,0;1,0,00,0,0;0,1,00,0,0;0,0,1rrrlrr=$S$(7)最后,再对式(7)求一次反螺旋,可得 ()f10,0,0;0,0,1=S$(8)通过式(8)可以知道,机械足机构的等效并联机构在空间中具有一个
24、沿Z轴方向移动的自由度。因此,该机构可以等效为1个移动副。2.3 多足蠕动式攀爬机器人自由度分析 假设多足蠕动式攀爬机器人共有2n 条机械足。当机器人处于混联构型状态时,有n 条夹持相机械足将作为并联机构的一部分存在;剩余的n 条移动相机械足将作为串联机构的一部分存在。对于串联部分机构的自由度分析,根据移动相机械足的工作特点,容易知道每条机械足具有2个自由度,分别是沿钢桩轴向移动和钢桩径向的移动。而对于并联部分机构的自由度分析,则利用螺旋理论进行研究。在此机构系统中,以机械足的理想夹持面为静平台建立空间坐标系,如图6所示。令夹持相机械足足端滑块的位置坐标为iA,电动推杆的位置坐标为iB,构成机
25、器人并联部分机构的运动支链为iiAB(1,2,in=,3n)。每条运动支链的运动副类型为PP,分别是在XOY平面内的移动副和平行于Z轴方向的移动副。因此,可以用统一的运动螺旋来表示各个运动支链的约束情况。图 6 多足蠕动式攀爬机器人并联部分机构示意图 11A B运动支链的运动螺旋系为 ()()120,0,0;0,1,00,0,0;0,0,1i iiA Bi=$S$(9)11A B运动支链的约束螺旋系为 ()()()()34561,0,0;0,0,00,0,0;1,0,00,0,0;0,1,00,0,0;0,0,1iii iirrrA Brri=$S$(10)余下的iiAB运动支链的运动螺旋系为
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