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本文的研究内容是围绕“86”计划项目“基于管道内自适应移动机构的探查机器人的研究”展开的。其目的立足于开发管内探测机器人相关的自适应机构和相关设计技术,为增强管内探测机器人的环境适应性做初步的探索与尝试,为以后开发更高级的机器人系统提供底层机构和硬件上的支持,积累相关的研究经验。本文的主要工作由三大部分组成:提出了管道内自适应移动机构的概念并以此设计基于自适应机构的管道机器人；对机器人的运动形式和机理进行了分析和研究；结合管内机器人的机构和作业特点提出了以最小能耗为目标的运动控制方法。机构设计、运动分析和运动控制相互联系,构成了有机整体。
论文首先提出了管内机器人的九种运动形式,这九种形式可以视为管内机器人的常见基本形式。应用这九种运动形式中的一种或几种,可以综合出相应类别的管内移动机器人。也可以说,现有的绝大部分管内移动机机器人都可以按照这种分类进行拆分细化归类。机器人的运动形式直接影响其运动性能,因此研究管内机器人的基本运动形式对深入了解运动的本质和开发新型的管内机器人有着重要的意义。由于篇幅限制,论文根据上面的分类法列举了各国的有代表性的管内移动机器人。
为了使管内探查机器人具有环境适应性,提出了管内环境自适应移动机构的概念,它利用单个驱动器作为动力源,通过精巧的机构设计使得机器人具有两种输出形式,在动力约束条件不同的情况下表现为不同的工作模式。以此概念,对内径自适应移动机构进行了初步设计,使得机器人在单个电动机的驱动下,通过两组驱动臂的相互协调工作让机器人能够自主跨越管内的同心障碍,而不需要计算机的控制或人为干预。
螺旋驱动运动形式特殊,有必要对其进行深入的运动分析,以了解该机构的运动形式和运动机理。文中采用了矢量建模方法,对不同结构的形式与几何参数的驱动臂形式对运动学的影响进行分析。分析发现不同类型的驱动臂的几何参数对机器人的运动速度确有影响。又对保持架旋转时的螺旋驱动形式进行分析,分析发现在电动机输出不变的情况下,在应用保持架旋转这一驱动形式时比保持架不旋转时的移动速度要低。而且如果利用保持架旋转形式不当,会出现功率内耗的问题。
针对运动分析发现的结果,展开了对速度自适应机构的研究,提出了一种具有通用性的速度自适应机构,它结构紧凑采用螺旋弹簧作为弹力部件,降低了设计难度,在结构上解除了滚轮偏心距离必须大于滚轮半径的设计约束。以上特性使得该机构能够用于对传统螺旋驱动机器人的改装。分析表明,装备该机构的螺旋驱动机器人在负载较小时,能够以较快的方式移动；当负载增大时,机器人的倾斜角变小移动速度降低使得负载能力增加。因此,速度自适应机构能够在一定范围内适应负载波动的变化达到机构被动适应环境变化的目的。
针对螺旋驱动机器人可能出现的越障困境,提出了具有自救功能的管内自适应移动机器人。改进中,发现了滚轮运动不稳定的问题,为了提高运动的可靠性,利用已有的研究经验,重新设计相应的传动机构、缩紧联动机构和运动控制机构,研制了基本的监控系统,操作者能通过机器人观察管内的情况。实验结果表明,机器人能够在与环境出现“机械卡死”时,利用机构自身的特性,自主的转换工作模式,在电动机转向不改变的前提下,向远离障碍的方向移动实现自救功能。
研制管内探查机器人的目标是将机器人系统应用于野外环境。在野外环境中,整个机器人系统的能量是有限的,因而执行探测任务的时间就受到系统总能量的约束。因此,研究了管内机器人在直管道中的最小能耗运动控制方法。引入机械损耗的电动机等效模型,建立机器人的状态方程,然后结合系统的能耗函数,运用最优控制方法得到机器人在巡航模式和定位模式下的最小能耗运动规律。将该方法与基于铜损失最小和正弦控制方法进行了研究,运用相同电动机等效模型,对三种方法进行比较,结果显示基于最小能耗的方法消耗的总能量最少。
最后搭建完整的机器人探测系统平台。提出一种能够使螺旋驱动机器人获得前向图像信息的载体平台,将摄像机安装在该平台上,机器人能够获得前方的管内图像。操作者通过运动控制监控系统向机器人发出基本的控制命令并可通过操作界面观察到机器人传回的管内图像。机器人的管内实验证明了保持架影响机器人运动的结论并观察到了功率内耗现象,而且移动试验和越障试验也证实了自适应移动机器人的移动能力。