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

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：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 climbing 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 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 analytical 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 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 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 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，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“OmniClimber”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