管道检测机器人的运动学建模.pdf

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1、设备管理管道检测机器人的运动学建模郭建强任勤勤刘晶(中石化管道储运分公司潍坊输油处潍坊261021)摘要:本文针对管道检测问题，首先介绍了管道检测机器人角调整能力。的系统组成，在此基础上，根据真实的圆柱形管道，推到了单个轮5.云台升降机构子在管道曲面上满足纯滚动和无侧滑条件下轮心速度的数学描摄像头安装在机器人的一个可升降的云台机构上，与机器人述。此外，根据机器人在圆管中的几何约束，建立了姿态坐标和本体通过机械臂连接，该云台升降机构由直流电机驱动，通过锥空间位置坐标之间的关系，最终完成了管道机器人的运动学建齿轮传动，来实现

2、云台的升降运动。模。6.地面监控系统关键词:管道；检测机器人；运动约束；运动学模型.地面监控系统为一台便携式工控机，主要由监视器和控制箱引言组成。操作人员可以根据监视器上显示的图像信息对机器人的管道是当前普遍采用的一种油气输送方式[1]。长时间使用过作业进程进行人为干预、发送控制指令等操作，便于对管道检测程中受腐蚀、重压等作用影响，管道不可避免地会出现裂纹、变形的把握以及机器人行走方向的调节。等现象，影响生产安全。由于管道环境极其恶劣，很多检测工作二、运动学建模是人工无法完成的，管道检测机器人则成为一种非常必要的检测目前

3、国内针对管道检测机器人的运动学建模和分析，大都是设备[2-4]。管道检测机器人集成有多种检测仪器，可以自主或人为简化为平面之内的移动机器人运动学问题，不能很精确地反映机地沿着管线进行工况检测工作。本文介绍了管道检测爬行机器器人在真实场景中的运动情况。为了能够比较准确的反映机器人的组成，建立了管道约束下机器人的运动学建模，为后续的设人的运动特征，本文选用管道柱面模型作为运动约束，建立了管计分析提供理论指导。道机器人的运动学模型，如图2所示。一、管道机器人总体组成为了满足管道检测的工作要求，管道检测机器人应具有良好的定心性、

4、较高的越障能力、良好的通过性、较大的驱动输出特性和较高的驱动效率等特性。本文所述机器人的系统组成如图1所示，各部分的组成及功能如下：图2.机器人运动坐标系管道机器人的工作环境比较复杂，需要对机器人的模型和管道环境作一些必要的简化和假设。把机器人看作一个刚体，机器人的质心位于机器人的几何中心，轮子为刚性轮，不考虑轮子的厚度，忽略机器人在管道中的打滑；管道为规则的圆柱形，不考虑管道中的障碍对机器人的影响。图1.机器人系统组成管道壁是一个空间曲面结构，四轮机器人在管道中一般情况1.机器人本体下是无法四轮同时接触管道壁的，本文将

5、管道检测机器人简化成机器人本体是指机器人进入管道内的移动作业部分，载体为三轮结构，由后两轮驱动，前轮是一个万向轮。定义机器人的中四轮双驱动方式。本体内部承载有电机驱动、通讯、控制等设备，心绝对坐标(x0,y0,z0)和位姿角(ϕ,θ,ψ)。以车体上后轴中点H可以实现本体的前进、后退、左转、右转等动作并且具有防水、耐为原点，HB为x轴，HA为z轴建立机器人坐标系。同时以管道压、耐腐蚀等功能。中轴线为Z轴，横切面的水平方向为X轴建立绝对坐标系。由此2.电力供给系统可以计算出机器人后轴中心坐标为(x0,y0,z0)相对绝对坐标

6、系的根据机器人的供电需求，电力供给方案采用外部光电复合缆变换矩阵D(ij)[6]。直流供电，该直流电来自上位机控制箱的开关电源将交流电转换现以右后轮与管道壁接触点Q为原点，以接触点Q的轨迹速为直流电、AC/DC转换及多路输出，实现机器人工作的电力需度方向为z轴，以经过Q点且垂直于右后轮曲面的法线为x轴建11求。立移动坐标系(x1,y1,z1)。因此，移动坐标系相对车体坐标系的变3.扫描仪云台系统换矩阵：将二维激光扫描仪安装在由电机驱动的旋转轴上就可以实é100-b2ù现对管道的三维扫描，将扫描到的管道点云，通过坐标变换、

7、ICPDQ=êê0cosδ-sinδrcosδúú算法等实现管道的三维重建。扫描仪云台的高度也可以实现自êê0-sinδcosδ-rsinδúúë0001û动调节。其中，δ为机器人右后轮上过管道接触点Q的半径和垂直于4.摄像头云台系统[5]车体的半径之间的夹角。摄像头云台系统携带有可自动变焦的CCD摄像机，摄像头机器人本体的速度由左右两个后轮的轮心速度决定，而两轮运动由两个电机驱动：旋转电机和俯仰电机，能实现摄像头的整周旋转和俯仰运动，从而完成CCD对被检测管道的全方位的视(下转第173页)2014年5月171设备管理对

8、整套自动设备系统运行实现实时监控。自动张拉设备系统结其张放的过程主要是在张拉过程完成之后自动进行的张放构图如图2所示。控制，自动张拉设备在控制预应力混凝土轨枕的张拉过程中，每次的张拉力以及其张拉的位移都会有记录，便于检索和打印。四、预应力混凝土轨枕自动张拉施工的注意事项虽然自动张拉设备在一定程度上实现对预应力混凝土轨