宋懋征，劉曉敏，趙云偉，田德寶，秦鵬

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132021)

0 前言

軟體管道機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈活性高的特點(diǎn)，在醫(yī)療衛(wèi)生、化學(xué)化工和石油工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為提高管道機(jī)器人在多種工作環(huán)境下的工作效率，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種管道機(jī)器人，如輪式、履帶式、蠕動(dòng)式等機(jī)器人，其行進(jìn)步態(tài)進(jìn)行了深入研究。VERMA等仿照蠕蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，通過(guò)6種狀態(tài)的周期性驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的爬行。SUN等建立了可應(yīng)用于蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的步態(tài)，提出了一種基于ser-penoid曲線的蠕動(dòng)步態(tài)模型。上海工程技術(shù)大學(xué)張春燕等設(shè)計(jì)了一種連桿組成的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人，探究管道內(nèi)蠕動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方式，并規(guī)劃了蠕動(dòng)步態(tài)。上述規(guī)劃的機(jī)器人步態(tài)僅針對(duì)機(jī)器人單一任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏適應(yīng)不同工作環(huán)境的爬行步態(tài)。為提高機(jī)器人在管道內(nèi)作業(yè)的靈活性與適應(yīng)性，需針對(duì)不同作業(yè)任務(wù)規(guī)劃不同的步態(tài)。

本文作者基于兩種氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)柔性管道機(jī)器人，設(shè)計(jì)其步態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行管道清障實(shí)驗(yàn)。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)與功能

文中設(shè)計(jì)的氣動(dòng)軟體管道機(jī)器人本體主要由足部、軀干及通氣管組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。足與軀干分別由2個(gè)徑向膨脹軟體驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)軸向伸縮軟體驅(qū)動(dòng)器組成[見(jiàn)圖1(a)]；軀干與兩足部之間通過(guò)凸型臺(tái)嵌入式裝配，且各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的通氣管采用內(nèi)嵌式插管方式，后經(jīng)氣管整合裝置與外部氣源連接[見(jiàn)圖1(b)]。

圖1 氣動(dòng)柔性管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)

充氣后，足部驅(qū)動(dòng)器發(fā)生徑向膨脹變形支撐管壁，軀干驅(qū)動(dòng)器軸向伸長(zhǎng)，推動(dòng)機(jī)器人前行。機(jī)器人在規(guī)劃的步態(tài)下，可完成檢測(cè)、清障和物料輸送等作業(yè)。機(jī)器人材料及性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管道機(jī)器人材料及性能參數(shù)

2 步態(tài)規(guī)劃

機(jī)器人在不同作業(yè)環(huán)境中，需要規(guī)劃相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。如在障礙清除作業(yè)(圖2)中，機(jī)器人未到達(dá)工作區(qū)域時(shí)，需要快速前行；抵達(dá)障礙清除區(qū)域后，需要較強(qiáng)的輸出力清除障礙物。為此規(guī)劃2種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，分別為快速移動(dòng)步態(tài)與載荷作業(yè)步態(tài)。

圖2 作業(yè)中的步態(tài)規(guī)劃

2種步態(tài)的時(shí)序圖及動(dòng)作見(jiàn)圖3和圖4。圖3為載荷作業(yè)步態(tài)時(shí)序圖，為使機(jī)器人獲得較強(qiáng)的障礙清除能力，各驅(qū)動(dòng)器依次逐一完成充放氣動(dòng)作，該時(shí)序下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分為6步。初始狀態(tài)下，后足驅(qū)動(dòng)器充氣膨脹，抵住管壁[圖3(a)]；時(shí)間，軀干驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始充氣伸長(zhǎng)[圖3(b)]；時(shí)間前足驅(qū)動(dòng)器充氣膨脹直至貼緊管壁[圖3(c)]；—時(shí)間，后足驅(qū)動(dòng)器先放氣收縮[圖3(d)]，軀干驅(qū)動(dòng)器放氣縮回[圖3(e)]；最后—時(shí)間，后足驅(qū)動(dòng)器充氣膨脹[圖3(f)]，抵住管壁后，前足驅(qū)動(dòng)器放氣收縮，回到原始狀態(tài)[圖3(g)]；至此機(jī)器人完成了一個(gè)周期性的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)位移為Δ。

圖3 載荷作業(yè)步態(tài)

為實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)的快速移動(dòng)或完成快速檢測(cè)工作，根據(jù)不同驅(qū)動(dòng)器充放氣時(shí)長(zhǎng)采用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器交叉充放氣，縮短機(jī)器人運(yùn)動(dòng)周期(圖4)。該步態(tài)下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)共分為4步:初始狀態(tài)下，前足與后足都處于膨脹狀態(tài)[圖4(a)]，時(shí)間，前足泄氣過(guò)程中，軀干于12時(shí)間開(kāi)始充氣伸長(zhǎng)[圖4(b)]；時(shí)間，前足泄氣后馬上充氣膨脹[圖4(c)]，軀干充氣至1/2；時(shí)間，后足開(kāi)始放氣收縮，在12時(shí)間，軀干泄氣回縮[圖4(d)]；1/2時(shí)間，后足開(kāi)始充氣膨脹，抵住管壁[圖4(e)]。

圖4 快速移動(dòng)步態(tài)

對(duì)比2種步態(tài)，快速移動(dòng)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)步數(shù)少于載荷作業(yè)步態(tài)，且機(jī)器人運(yùn)動(dòng)周期短，速度較快，可適用于在管道內(nèi)的快速移動(dòng)或快速檢測(cè)工作；而載荷作業(yè)步態(tài)中，足部與管壁充分接觸，可提供較大的接觸力，用于載荷作業(yè)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)主要由氣壓控制系統(tǒng)、三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)等組成。運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示。通過(guò)該運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可進(jìn)行機(jī)器人步態(tài)實(shí)驗(yàn)和載荷實(shí)驗(yàn)，測(cè)試機(jī)器人在不同步態(tài)下的運(yùn)動(dòng)性能，獲得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位移和速度。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)原理

表2 實(shí)驗(yàn)條件

3.1 步態(tài)應(yīng)用

圖6為在步頻1.25 Hz下，機(jī)器人在2種步態(tài)下位移隨時(shí)間變化曲線。由時(shí)序圖(圖3、圖4)可知:在相同步頻下，快速移動(dòng)步態(tài)較載荷作業(yè)步態(tài)運(yùn)動(dòng)步數(shù)少，運(yùn)動(dòng)周期較短。與載荷作業(yè)步態(tài)比，快速移動(dòng)步態(tài)的移動(dòng)速度明顯高于載荷作業(yè)步態(tài)，分別可達(dá)3.22、2.66 mm/s。

圖6 不同步態(tài)下機(jī)器人前進(jìn)位移隨時(shí)間變化曲線

圖7為2種步態(tài)下，足部與管壁接觸力隨時(shí)間變化曲線，其接觸力由六維力傳感器測(cè)得。由圖7可知：快速移動(dòng)步態(tài)下，由于充放氣交替變換，足部與管壁未充分接觸[圖4(b)和圖4(d)]；而載荷作業(yè)步態(tài)下，其足部與管壁有充分接觸時(shí)間，可提供足夠的支撐力，適用于載荷作業(yè)。快速移動(dòng)步態(tài)和載荷作業(yè)步態(tài)下足部驅(qū)動(dòng)器與管壁的最大接觸力分別為7.98、8.20 N。

圖7 不同步態(tài)下足部與管壁接觸力隨時(shí)間變化曲線

3.2 步態(tài)適應(yīng)性

(1)快速移動(dòng)步態(tài)

圖8為應(yīng)用快速移動(dòng)步態(tài)，機(jī)器人在不同工況下在管道內(nèi)的位移?？芍簷C(jī)器人在快速移動(dòng)步態(tài)下，可在水平、傾斜45°和垂直管道中穩(wěn)定爬行，其速度分別為4.03、5.03、5.50 mm/s。

圖8 不同工況下機(jī)器人前進(jìn)位移隨時(shí)間變化曲線

(2)載荷作業(yè)步態(tài)

機(jī)器人負(fù)載作業(yè)時(shí)，需要足夠的負(fù)載能力。機(jī)器人在步頻1.25 Hz下，驅(qū)動(dòng)器工作氣壓如表3所示。

表3 障礙下各驅(qū)動(dòng)器工作壓力參數(shù)

由圖9可知:載荷作業(yè)步態(tài)下，機(jī)器人在不同負(fù)載下可穩(wěn)定前行，最大負(fù)載能力10 N，其速度為1.23 mm/s。

圖9 不同負(fù)載下機(jī)器人前進(jìn)位移隨時(shí)間變化曲線

圖10為在步頻1.25 Hz且負(fù)載2 N下，在不同截面的管道機(jī)器人前進(jìn)位移曲線。機(jī)器人在圓形管、正方形管和三角形管中爬行時(shí)，其足部氣壓分別為0.075、0.085、0.095 MPa。由圖10可知：面對(duì)不同截面的管道，在載荷作業(yè)步態(tài)下，機(jī)器人足部可提供足夠的接觸力(圖7)，可在三角形、正方形和圓形管道中穩(wěn)定前行，其速度分別為2.02、2.34、2.69 mm/s。

圖10 不同截面管道下機(jī)器人負(fù)載前行

圖11為管道機(jī)器人在步頻1.25 Hz下，在內(nèi)徑尺寸為54、56和59 mm的管道中的爬行位移曲線，機(jī)器人足部氣壓分別設(shè)定為0.075、0.085、0.095 MPa，其速度分別為2.67、2.49、2.28 mm/s。從仿真結(jié)果可知：氣壓下足部變形隨著管徑不同適應(yīng)變化，載荷作業(yè)步態(tài)下，可提供足夠的接觸力，可在54～59 mm的管道中穩(wěn)定前行。

圖11 不同內(nèi)徑管道下機(jī)器人負(fù)載前行

3.3 障礙清除作業(yè)

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，模擬管道內(nèi)障礙清除作業(yè)，其過(guò)程見(jiàn)圖12。非作業(yè)區(qū)域內(nèi)，機(jī)器人采用快速移動(dòng)步態(tài)，快速穿越非工作區(qū)(=5.13 mm/s)；到達(dá)作業(yè)區(qū)域后，機(jī)器人變換為載荷作業(yè)步態(tài)，提供較大的輸出力，推動(dòng)10 N障礙物移出至安全區(qū)域(=3.70 mm/s)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:2種步態(tài)的配合下，該機(jī)器人可高效穩(wěn)定地完成清障作業(yè)。

圖12 障礙清除作業(yè)

綜上，所規(guī)劃的2種步態(tài)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性；快速移動(dòng)步態(tài)可應(yīng)用于快速移動(dòng)或檢測(cè)，載荷作業(yè)步態(tài)可應(yīng)用于清障或輸送物料等工作?？焖僖苿?dòng)步態(tài)下機(jī)器人最大速度可達(dá)5.50 mm/s，載荷作業(yè)步態(tài)下機(jī)器人可垂直推動(dòng)10 N的障礙。

4 結(jié)論

采用自主研發(fā)的2種軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)柔性管道機(jī)器人，并根據(jù)作業(yè)任務(wù)，規(guī)劃了2種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:機(jī)器人2種步態(tài)具有一定靈活性與適應(yīng)性，在不同的工作環(huán)境下合理利用不同步態(tài)，可提高機(jī)器人工作效率?？焖僖苿?dòng)步態(tài)下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)周期短，移動(dòng)速度較快，可適應(yīng)在水平、傾斜45°和垂直管道內(nèi)爬行，其最大速度可達(dá)5.50 mm/s；載荷作業(yè)步態(tài)下，機(jī)器人具有穩(wěn)定且較強(qiáng)的輸出力，可在圓形管、正方形管、三角形管及變徑管道中負(fù)載作業(yè)，最大負(fù)載能力為10 N；機(jī)器人應(yīng)用載荷作業(yè)步態(tài)，可提供足夠的接觸力，可在54～59 mm的管道中穩(wěn)定前行。