氣動軟體管道機器人步態(tài)規(guī)劃與實驗

宋懋征，劉曉敏，趙云偉，田德寶，秦鵬

(北華大學(xué)機械工程學(xué)院，吉林吉林 132021)

0 前言

軟體管道機器人具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單和靈活性高的特點，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。為提高管道機器人在多種工作環(huán)境下的工作效率，近年來國內(nèi)外學(xué)者對各種管道機器人，如輪式、履帶式、蠕動式等機器人，其行進步態(tài)進行了深入研究。VERMA等仿照蠕蟲的運動機制，通過6種狀態(tài)的周期性驅(qū)動實現(xiàn)機器人在管道內(nèi)的爬行。SUN等建立了可應(yīng)用于蛇形機器人運動的步態(tài)，提出了一種基于ser-penoid曲線的蠕動步態(tài)模型。上海工程技術(shù)大學(xué)張春燕等設(shè)計了一種連桿組成的蠕動式管道機器人，探究管道內(nèi)蠕動機構(gòu)的移動方式，并規(guī)劃了蠕動步態(tài)。上述規(guī)劃的機器人步態(tài)僅針對機器人單一任務(wù)進行設(shè)計，缺乏適應(yīng)不同工作環(huán)境的爬行步態(tài)。為提高機器人在管道內(nèi)作業(yè)的靈活性與適應(yīng)性，需針對不同作業(yè)任務(wù)規(guī)劃不同的步態(tài)。

本文作者基于兩種氣動軟體驅(qū)動器設(shè)計一種氣動柔性管道機器人，設(shè)計其步態(tài)進行實驗驗證，并在實驗室環(huán)境下進行管道清障實驗。

1 機器人結(jié)構(gòu)與功能

文中設(shè)計的氣動軟體管道機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個徑向膨脹軟體驅(qū)動器和1個軸向伸縮軟體驅(qū)動器組成[見圖1(a)]；軀干與兩足部之間通過凸型臺嵌入式裝配，且各個驅(qū)動器的通氣管采用內(nèi)嵌式插管方式，后經(jīng)氣管整合裝置與外部氣源連接[見圖1(b)]。

圖1 氣動柔性管道機器人結(jié)構(gòu)

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

表1 管道機器人材料及性能參數(shù)

2 步態(tài)規(guī)劃

機器人在不同作業(yè)環(huán)境中，需要規(guī)劃相應(yīng)的運動步態(tài)。如在障礙清除作業(yè)(圖2)中，機器人未到達工作區(qū)域時，需要快速前行；抵達障礙清除區(qū)域后，需要較強的輸出力清除障礙物。為此規(guī)劃2種運動步態(tài)，分別為快速移動步態(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)的時序圖及動作見圖3和圖4。圖3為載荷作業(yè)步態(tài)時序圖，為使機器人獲得較強的障礙清除能力，各驅(qū)動器依次逐一完成充放氣動作，該時序下機器人運動分為6步。初始狀態(tài)下，后足驅(qū)動器充氣膨脹，抵住管壁[圖3(a)]；時間，軀干驅(qū)動器開始充氣伸長[圖3(b)]；時間前足驅(qū)動器充氣膨脹直至貼緊管壁[圖3(c)]；—時間，后足驅(qū)動器先放氣收縮[圖3(d)]，軀干驅(qū)動器放氣縮回[圖3(e)]；最后—時間，后足驅(qū)動器充氣膨脹[圖3(f)]，抵住管壁后，前足驅(qū)動器放氣收縮，回到原始狀態(tài)[圖3(g)]；至此機器人完成了一個周期性的前進運動，前進位移為Δ。

圖3 載荷作業(yè)步態(tài)

為實現(xiàn)在管道內(nèi)的快速移動或完成快速檢測工作，根據(jù)不同驅(qū)動器充放氣時長采用多個驅(qū)動器交叉充放氣，縮短機器人運動周期(圖4)。該步態(tài)下機器人運動共分為4步:初始狀態(tài)下，前足與后足都處于膨脹狀態(tài)[圖4(a)]，時間，前足泄氣過程中，軀干于12時間開始充氣伸長[圖4(b)]；時間，前足泄氣后馬上充氣膨脹[圖4(c)]，軀干充氣至1/2；時間，后足開始放氣收縮，在12時間，軀干泄氣回縮[圖4(d)]；1/2時間，后足開始充氣膨脹，抵住管壁[圖4(e)]。

圖4 快速移動步態(tài)

對比2種步態(tài)，快速移動步態(tài)的運動步數(shù)少于載荷作業(yè)步態(tài)，且機器人運動周期短，速度較快，可適用于在管道內(nèi)的快速移動或快速檢測工作；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 實驗與分析

運動檢測平臺主要由氣壓控制系統(tǒng)、三維運動捕捉系統(tǒng)及計算機等組成。運動學(xué)實驗原理如圖5所示。通過該運動學(xué)實驗平臺可進行機器人步態(tài)實驗和載荷實驗，測試機器人在不同步態(tài)下的運動性能，獲得機器人運動位移和速度。具體實驗參數(shù)如表2所示。

圖5 運動學(xué)實驗原理

表2 實驗條件

3.1 步態(tài)應(yīng)用

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

圖6 不同步態(tài)下機器人前進位移隨時間變化曲線

圖7為2種步態(tài)下，足部與管壁接觸力隨時間變化曲線，其接觸力由六維力傳感器測得。由圖7可知：快速移動步態(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間，可提供足夠的支撐力，適用于載荷作業(yè)?？焖僖苿硬綉B(tài)和載荷作業(yè)步態(tài)下足部驅(qū)動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間變化曲線

3.2 步態(tài)適應(yīng)性

(1)快速移動步態(tài)

圖8為應(yīng)用快速移動步態(tài)，機器人在不同工況下在管道內(nèi)的位移。可知：機器人在快速移動步態(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 不同工況下機器人前進位移隨時間變化曲線

(2)載荷作業(yè)步態(tài)

機器人負載作業(yè)時，需要足夠的負載能力。機器人在步頻1.25 Hz下，驅(qū)動器工作氣壓如表3所示。

表3 障礙下各驅(qū)動器工作壓力參數(shù)

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

圖9 不同負載下機器人前進位移隨時間變化曲線

圖10為在步頻1.25 Hz且負載2 N下，在不同截面的管道機器人前進位移曲線。機器人在圓形管、正方形管和三角形管中爬行時，其足部氣壓分別為0.075、0.085、0.095 MPa。由圖10可知：面對不同截面的管道，在載荷作業(yè)步態(tài)下，機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 不同截面管道下機器人負載前行

圖11為管道機器人在步頻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)徑管道下機器人負載前行

3.3 障礙清除作業(yè)

在實驗環(huán)境下，模擬管道內(nèi)障礙清除作業(yè)，其過程見圖12。非作業(yè)區(qū)域內(nèi)，機器人采用快速移動步態(tài)，快速穿越非工作區(qū)(=5.13 mm/s)；到達作業(yè)區(qū)域后，機器人變換為載荷作業(yè)步態(tài)，提供較大的輸出力，推動10 N障礙物移出至安全區(qū)域(=3.70 mm/s)。實驗結(jié)果表明:2種步態(tài)的配合下，該機器人可高效穩(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)具有較強的適應(yīng)性和靈活性；快速移動步態(tài)可應(yīng)用于快速移動或檢測，載荷作業(yè)步態(tài)可應(yīng)用于清障或輸送物料等工作。快速移動步態(tài)下機器人最大速度可達5.50 mm/s，載荷作業(yè)步態(tài)下機器人可垂直推動10 N的障礙。

4 結(jié)論

采用自主研發(fā)的2種軟體驅(qū)動器設(shè)計了一種氣動柔性管道機器人，并根據(jù)作業(yè)任務(wù)，規(guī)劃了2種運動步態(tài)，并進行了實驗驗證。結(jié)果表明:機器人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)，可提高機器人工作效率?？焖僖苿硬綉B(tài)下，機器人運動周期短，移動速度較快，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5.50 mm/s；載荷作業(yè)步態(tài)下，機器人具有穩(wěn)定且較強的輸出力，可在圓形管、正方形管、三角形管及變徑管道中負載作業(yè)，最大負載能力為10 N；機器人應(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。