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关节式爬管机器人的运动稳定性研究

计算机仿真 2015年第3期32卷 378-382页

作者：罗洁侯宇郭艳霞冯玖强武汉科技大学机械自动化学院湖北武汉430081

在爬管机器人的运动稳定性问题的研究中,设计了一种应用关节式机器人运动原理的爬管机器人。为提高机器人运动的稳定性,提出以关节翻转力矩和手爪夹持力来评判运动姿态的稳定性,以躯干质心位移和速度的变化规律来评判运动轨迹的稳定性... 详细信息

在爬管机器人的运动稳定性问题的研究中,设计了一种应用关节式机器人运动原理的爬管机器人。为提高机器人运动的稳定性,提出以关节翻转力矩和手爪夹持力来评判运动姿态的稳定性,以躯干质心位移和速度的变化规律来评判运动轨迹的稳定性。利用ADAMS软件建立了在一个运动周期内,各关节驱动电机的输出转矩、手爪与管道之间的接触力,以及躯干质心的位移、速度等随时间的变化规律模型。结果表明所设计的爬管机器人的关节翻转力矩和手爪夹持力能满足运动姿态稳定性的要求,且能够以约1.11m/min的速度沿着垂直管道平稳地爬行,不偏离爬行方向,保证了机器人运动轨迹的稳定性。仿真结果为下一步研制关节式爬管机器人的物理样机提供了理论指导,也为其它类型的爬管机器人研究提供了参考。

关键词：关节爬管机器人姿态轨迹稳定性

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仿生四爪式爬管机器人的运动学分析与仿真

机械设计与制造 2019年第8期 230-234页

作者：卢蒙侯宇杨书建李诗雷武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室湖北武汉430081

设计了一种具有较强的越障性能和负载能力的仿生四爪式爬管机器人,分析了机器人的构型与步态;采用D-H参数法建立了各连杆坐标系,并对各关节的正逆运动学方程进行求解;利用Matlab中Robotics Toolbox模块,建立了机器人在上部躯干两侧手爪... 详细信息

设计了一种具有较强的越障性能和负载能力的仿生四爪式爬管机器人,分析了机器人的构型与步态;采用D-H参数法建立了各连杆坐标系,并对各关节的正逆运动学方程进行求解;利用Matlab中Robotics Toolbox模块,建立了机器人在上部躯干两侧手爪处于夹紧状态时的运动学模型,求解得到各关节角度、速度及加速度与时间的关系曲线;将机器人在robotic中的关节运动所得到的数据拟合成Spline曲线,并导入ADAMS中进行机器人整体虚拟样机仿真;仿真实验表明机器人能够顺利进行尺蠖式爬升运动,验证了结构的合理性和运动学方程求解的正确性。

关键词：爬管机器人正逆运动学尺蠖运动虚拟样机仿真

MCR-Ⅰ型非包围式永磁吸附爬管机器人机构研究

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MCR-Ⅰ型非包围式永磁吸附爬管机器人机构研究

作者：张青源东北石油大学

学位级别：硕士

石化行业中存在大量输送高温、高压、有毒介质的管线,桥梁建筑等行业中存在大量的管架、管状拉索,这些管线、管架需要定期的检修维护。检修维护工作通常由人工完成,人工作业存在高空作业、环境恶劣、效率低、误差大、成本高等问题,故迫... 详细信息

石化行业中存在大量输送高温、高压、有毒介质的管线,桥梁建筑等行业中存在大量的管架、管状拉索,这些管线、管架需要定期的检修维护。检修维护工作通常由人工完成,人工作业存在高空作业、环境恶劣、效率低、误差大、成本高等问题,故迫切需要研发出能够攀爬各种管架并可以携带专业工具的爬行机器人代替人工作业。本文研究的永磁吸附爬管机器人采用非包围式抱紧结构,利用分散可调的永磁吸附机构实现管壁抱紧。利用四条轮臂驱动,四轮臂采用四连杆机构支撑,其轮臂张角可调,能够适应直径200mm-1000mm的铁质管道,应用范围更广。为了适应各种管道在不同位姿下的爬行且保持运动的灵活性,研究了机器人的吸附力连续调节机构。本文提出了爬管机器人的总体结构方案。完成了主体结构的设计,利用Solidworks软件进行三维建模。对主要受力构件进行有限元强度分析和变形分析。对爬管机器人在吸附性能要求最高的竖直爬行状态进行了受力分析,建立分散吸附力的计算模型。利用Ansoft软件建立磁吸附力连续可调的永磁吸附模块分析模型,通过仿真分析优化吸附模块的各主要尺寸。利用ADAMS软件建立爬管机器人虚拟样机模型,然后利用样机模型进行动力学分析,分别得出四个驱动轮正压力曲线和爬管机器人的速度曲线。建立爬管机器人基于单片机的控制系统。按照设计方案加工制作了爬管机器人样机实物模型,并分别对300mm管道和1000mm管道进行了、实际爬行实验,验证了、爬管机器人的吸附性能和爬行可行性,能够实现多管径爬行。

关键词：爬管机器人四连杆机构仿真永磁吸附力

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管道外测温爬管机器人设计

管道外测温爬管机器人设计

作者：苏玺霖青岛科技大学

学位级别：硕士

目前针对蒸汽管线漏温点检测问题,缺乏有效手段,现有的人工检测方法不仅效率低,而且在高空作业时,检测人员的安全也无法得到保障。为了提高检测效率,保障检测人员的人身安全,本课题将机器视觉技术、多传感器融合技术、运动控制技术相结... 详细信息

目前针对蒸汽管线漏温点检测问题,缺乏有效手段,现有的人工检测方法不仅效率低,而且在高空作业时,检测人员的安全也无法得到保障。为了提高检测效率,保障检测人员的人身安全,本课题将机器视觉技术、多传感器融合技术、运动控制技术相结合,设计了一款管道外测温爬管机器人,可携带测温设备对管道进行检测并记录检测数据。具体研究工作如下:(1)对爬管机器人进行总体方案设计。在研究了国内外学者有关管道机器人设计方案后,提出了本文的爬管机器人设计方案。该方案具有独特的抱紧结构与底盘结构,可以使得爬管机器人紧密贴合在管道外壁,并保证在前进过程中不会发生坠落。通过Solid Works三维设计软件平台,对爬管机器人的机械结构进行了三维模型构建。并且对机器人控制系统进行了要求概述以及结构设计。(2)设计基于机器视觉的爬管机器人导航算法。该算法主要采用了经典图像处理算法对管道图像信息进行预处理。之后,对两个色彩空间的二值图像进行融合,并对融合后的二值图像进行管道像素提取,进而通过多项式拟合提取管道中心线。通过轮廓提取的方法提取障碍物信息,并且对非管道像素进行补偿,提高了管道中心线拟合的稳定性。(3)对爬管机器人控制系统进行设计。控制系统分为三个主要部分,一是建立爬管机器人的运动学模型,二是控制程序设计,包括轨迹跟踪控制、抱紧臂压力控制、倾角控制、避障控制。三是爬管机器人交互软件的开发。通过控制系统实现了爬管机器人自动运行与手动操作的控制目标,并且具有良好的人机交互效果。(4)制作爬管机器人样机并进行实验验证。搭建实验室平台验证环境,根据设计方案进行爬管机器人样机加工与组装。根据多组管道模拟场景,先后对爬管机器人的基本性能以及各项功能进行了实验,实验证明爬管机器人具有良好的运动性能,在手动模式与自动模式下均稳定可靠,可有效检测管道温度数据。同时,验证了人机交互软件与爬管机器人的通讯稳定性,实验效果良好。

关键词：爬管机器人机器视觉控制系统三维模型样机加工

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非包围式永磁吸附爬管机器人机构研究

制造业自动化 2019年第11期41卷 99-103,135页

作者：何富君张青源刘凯郭岗岗张雨婷东北石油大学机械科学与工程学院

针对石化等工业及民用环境下的铁磁性管道研究一种非包围式永磁吸附管外壁爬行机器人,能够适应从200mm到1000mm的大管径变化,可替代人工进行安全、高效的检修、维护作业。研究了基于四杆机构的四轮臂机器人构型,设计了可调吸附力的永磁... 详细信息

针对石化等工业及民用环境下的铁磁性管道研究一种非包围式永磁吸附管外壁爬行机器人,能够适应从200mm到1000mm的大管径变化,可替代人工进行安全、高效的检修、维护作业。研究了基于四杆机构的四轮臂机器人构型,设计了可调吸附力的永磁吸附模块,利用Ansoft软件建立吸附模块的吸附能力仿真分析模型,优化了吸附模块的各主要尺寸。建立机器人在最危险状态的动力学分析模型,对设计样机开展了实验研究,能够实现大管径范围内的有效吸附和爬行。

关键词：爬管机器人四连杆机构构型永磁吸附力

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小型爬管机器人设计原理分析

太原科技 2009年第1期180卷 47-48页

作者：房憧憬杨磊同济大学中德学院上海200092

介绍了小型爬管机器人的原理方案,阐述了小型爬管机器人主要结构的设计原理,并进行了计算说明。

关键词：爬管机器人翻转式齿轮传动

MCR-Ⅱ型永磁吸附式管外壁爬行机器人技术研究

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MCR-Ⅱ型永磁吸附式管外壁爬行机器人技术研究

作者：张勇东北石油大学

学位级别：硕士

永磁吸附式管外壁爬行机器人（MCR-II型）不但能够在直径200mm以上的管外壁爬行而且能在直径500mm以上的管内壁爬行,甚至也可以在平面爬行,进行铁磁性壁面的检测和维修作业。可以广泛应用于石油化工、核工业、风电工程、桥梁建筑等领域... 详细信息

永磁吸附式管外壁爬行机器人（MCR-II型）不但能够在直径200mm以上的管外壁爬行而且能在直径500mm以上的管内壁爬行,甚至也可以在平面爬行,进行铁磁性壁面的检测和维修作业。可以广泛应用于石油化工、核工业、风电工程、桥梁建筑等领域,能够极大减少人工作业的风险,提高效率。本文开展了以下研究内容:提出了永磁吸附式管外壁爬行机器人设计方案,对磁吸附机构和轮臂变径机构进行了分析和仿真计算。基于变磁力吸附单元提出了一种磁力精确控制方法。对轮臂变径机构进行了最优化设计,并实现了爬管机器人沿管道外表面周向运动,并进行了虚拟样机仿真。设计了轮臂式磁吸附爬行结构。基于对称的双滑块摇杆机构,实现了大管径变化范围内的吸附爬行。建立了运动学模型,控制轮臂和磁吸附结构协同工作,可实现MCR-II沿管壁的周向间歇爬行运动。对轮臂式爬行机构进行了最优化设计。以周向运动步长最大为优化目标,机构的干涉为约束条件,获得各杆件长度的优化值。运用MATLAB最优化工具箱,实现了全局最优解。分析了磁吸附单元的吸附能力。通过ANSYA Maxell对磁吸附单元建立二维简化模型,分析吸附距离、励磁方向这两个参数变化对磁吸附力大小的影响,导出关系曲线,利用MATLAB分别分析吸附距离和励磁方向以及两者同时变化时磁吸附力大小的变化,导出变化曲线并拟合函数,通过局部试验进行验证。对轮臂式爬管机器人周向运动进行了步态分析。通过Solid works建立三维模型,并在Auto CAD中简化了周向运动机构简图,依次分析爬管机器人周向运动每一个动作。运用有限状态机,建立了步态模型并确定了相关参数。整机的仿真分析。将三维模型导入ADAMS中,设定相关参数后进行运动仿真,得出周向运动仿真动画以及关键点参数曲线。

关键词：爬管机器人磁力控制优化设计有限状态机 ADAMS

基于改进DDPG算法的永磁吸附式机器人的控制研究

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基于改进DDPG算法的永磁吸附式机器人的控制研究

作者：王晓争东北石油大学

学位级别：硕士

结构复杂的爬管或爬壁机器人在比较复杂的环境下工作时,往往需要比较复杂的控制策略实现工作任务,容易导致控制策略过于复杂,控制效果不佳。深度学习算法便于实现复杂的控制过程,而深度强化学习算法通过环境交互的方式进行训练,能够学... 详细信息

结构复杂的爬管或爬壁机器人在比较复杂的环境下工作时,往往需要比较复杂的控制策略实现工作任务,容易导致控制策略过于复杂,控制效果不佳。深度学习算法便于实现复杂的控制过程,而深度强化学习算法通过环境交互的方式进行训练,能够学习复杂的控制策略,近年来已经成为研究热点。本文针对改进设计的MCR-Ⅰ型机器人,提出基于DDPG深度强化学习算法的控制策略方案。开展基于DDPG算法的MCR-Ⅰ型机器人爬管控制策略研究。针对DDPG算法所具有的收敛速度慢、前期有效数据少等缺点,提出一种分层复合奖励机制,引入学习曲线理论,改进奖励机制,动态变化目标区域范围,使其在训练初期获取更多有效经验,加快收敛速度,最终使其MCR-Ⅰ型机器人实现自适应爬管。开展基于DDPG算法MCR-Ⅰ型机器人爬壁导航控制策略研究。针对其在导航过程中环境的部分可观测性,导致智能体很难学习获得完整的环境信息,进而不能做出良好的控制策略等问题。本研究提出一种基于LSTM和非对称ActorCritic网络的改进DDPG算法。该方法通过LSTM模块记忆推理来学习隐藏信息,同时在Actor网络只使用激光雷达数据作为状态空间输入的情况下,Critic网络利用仿真环境的完整状态进行训练,构成非对称网络,从而加快训练速度,提高成功率,使其MCR-Ⅰ型机器人能够在复杂壁面实现自动导航避障并稳定到达指定目标点。本文开展了控制仿真研究,在ROS操作系统和Gazebo中建立仿真模型,利用Tensor Flow与Gym搭建训练算法框架,验证所提出控制策略的优越性。

关键词：爬管机器人学习曲线非对称网络 ROS DDPG

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基于变磁力单元的磁力控制方法及数值研究

科学技术与工程 2021年第18期21卷 7591-7596页

作者：何富君张勇刘凯东北石油大学机械科学与工程学院大庆163318

为提高永磁吸附式管外壁爬行机器人运行过程中的吸附力稳定性,解决吸附能力与运动灵活性之间的矛盾,对变磁力吸附单元结构进行了研究。通过建立变磁力吸附单元有限元模型,并分析圆柱磁体的旋转角度和衔铁气隙距离对磁吸附力的影响,应用M... 详细信息

为提高永磁吸附式管外壁爬行机器人运行过程中的吸附力稳定性,解决吸附能力与运动灵活性之间的矛盾,对变磁力吸附单元结构进行了研究。通过建立变磁力吸附单元有限元模型,并分析圆柱磁体的旋转角度和衔铁气隙距离对磁吸附力的影响,应用MATLAB软件拟合出磁力控制函数的数学模型。运用此数学模型控制伺服电机,使任意气隙间距下都反馈出相应的伺服电机旋转角度,进而控制磁吸附力大小,保证机器人爬行过程中磁吸附力的稳定。通过测量实验,表明此磁力控制方法可行有效。

关键词：钕磁铁磁力控制方法圆柱磁体爬管机器人磁吸附模型