外文翻譯--基于管道傾角的管道機器人法向力控制

1、<p>　　南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　系： 機械工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 </p><p>　　姓

2、名： 黃韜 </p><p>　　學(xué) 號： 080101133 </p><p>　　外文出處： IEEE TRANSACTIONS ON </p><p>　　INDUSTRIAL ELECTRONICS

3、 </p><p>　　附 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　注：請將該封面與附件裝訂成冊。</p><p>　　基于管道傾角的管道機器人法向力控制</p><p>　　摘要：為了能自由移動，管內(nèi)機器人必須能適應(yīng)各種幾何變化的管道。首先，我們描繪了一幅管內(nèi)機器人能

4、適應(yīng)變化曲率中心的直徑和曲線。這種機器人可以評估施加在管道內(nèi)表面的作用力，并且可以在管道內(nèi)通過使用固定在關(guān)節(jié)上的角度傳感器來平衡它的姿態(tài)。本文提出了一種采用固定于伸縮機構(gòu)上的角度傳感器來評估機器人主體和管道間的相對姿態(tài)的算法。由于法向力和姿態(tài)可由角度測量信息進(jìn)行評估，角度傳感器的應(yīng)用使得機器人比采用力和視覺傳感器更加簡單有效。這種幾何估計的方法可以讓管道機器人識別使管道的傾角。PAROYS-II機器人可以根據(jù)管道傾角的變化來控制其法向力

5、大小。因此，該方法可以減少功率消耗及加在機器人部件上的壓力。這種算法已經(jīng)由多個實驗得到驗證。</p><p>　　關(guān)鍵詞：柔性關(guān)節(jié)，管道傾角評估，管內(nèi)機器人，法向力的評估，管徑的適應(yīng)。 </p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　由于管道的尺寸的大小，管道內(nèi)部的空間通常是人類所不能達(dá)到的。隨著管道機器人的發(fā)展，可以在狹小、陰

6、暗、彎曲的管內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)已成為一個重要的并且亟待的研究領(lǐng)域。管道機器人的研究和發(fā)展已經(jīng)進(jìn)行了很多年，但是還沒有得到充分開發(fā)和有效使用。</p><p>　　管道機器人必須適應(yīng)管內(nèi)空間的幾何約束。約束變量包括直徑、曲率、管道的傾斜程度，所有的變量都是不可知的。管道機器人必須具備適應(yīng)分支管道內(nèi)表面條件和不均勻造成的障礙或生銹的能力。圖1展示的是一些管內(nèi)的幾何變化。為了在各種不同的管線內(nèi)都具備良好的機動性，機器人必須具

7、備適應(yīng)這些變化的能力。</p><p>　　圖1管內(nèi)變化：(a).直徑變化 (b).曲率變化 (c).傾角變化 (d).分支管的變化 (e).內(nèi)表面的變化</p><p>　　管道機器人應(yīng)該一個管道內(nèi)表面保持足夠的接觸，防止滑動，特別是在一個垂直的方向。為了保持與管壁的接觸，機器人也應(yīng)該有能力適應(yīng)管徑的變化。因此，大多數(shù)管道機器人必須調(diào)整自己的身體適應(yīng)管道定位不同直徑。機器人適應(yīng)直徑變化的

8、方式可以分為被動和主動兩種。被動的方法可以由彈性元件組成連動結(jié)構(gòu)，例如使用彈簧。被動方法的優(yōu)點是能順利適應(yīng)直徑的變化，并不需要考慮對法向力的獨立控制。然而，這些機器人通常不能適應(yīng)各種各樣直徑的變動，并且在必要的時候它們不能調(diào)整法向力。另一方面，主動方法更為復(fù)雜，但是，當(dāng)需要控制法向力的時候，這種方法更為適合。由于被動方法的優(yōu)點，許多設(shè)計師使用一些被動組分協(xié)助他們的活動系統(tǒng)。</p><p>　　有些機器人不用使用

9、適應(yīng)的機制就可以適應(yīng)直徑的變動，以Inchworm-type機器人為例，不需要任何額外機制就可以使用一些小的變化。因為機器人具有磁輪，能夠保持內(nèi)部墻上鋼管和輪胎本身的接觸，他們也不需要適應(yīng)直徑變化。</p><p>　　管線是管道機器人的主要障礙。彎曲的管子限制了機器人身體形狀(例如，禁止長的剛體)并且也要求每個輪子都能開動和被控制。有些設(shè)計師通過計算在特定曲度的每條輪子或軌道或力量解決了這些問題需要的速度。一項

10、研究介紹了一種只需控制一個輪子就可以使得其他輪子自由移動的通過管線的方法。了解機器人對于管道曲率半徑的計算速度和能力是非常關(guān)鍵的。一個可行的解決辦法是使用一個攝像系統(tǒng)，無論是遵循源光或更復(fù)雜的控制方法，例如模糊控制。</p><p>　　管道的傾角是另一個重大問題，因為法向力的不同，需要不同的傾角。對于普通機器人來說，傾角不是一個主要問題。但是使用主動適應(yīng)方法，尤其是重型機器人的機器人的效率和能源需求，卻是一項難

11、題。如果在管道內(nèi)，機器人不能適應(yīng)的管子的各種各樣的傾角，當(dāng)它通過各種各樣的傾角的管道時，它至少應(yīng)該保持恒定的法向力。在這種情況下，機器人也許消耗更多力量。 多數(shù)有關(guān)機器人的報告卻未著眼于這個問題。</p><p>　　在以前的研究中，我們介紹了一種來自延世大學(xué)的“管道自適應(yīng)機器人“（PAROYS-II），它可以適應(yīng)管道直徑的變化，并成功地通過使用法向力的簡單方法固化管道控制。弓形機制使用了主動和被動兩種方法來適應(yīng)

12、管內(nèi)表面的變化。本文中，我們建議一種通過評估管道傾角并且通過控制法向力來補償這些傾角的控制方法。如果沒有法向力的控制，當(dāng)機器人碰到斜管時為了不滑倒，機器人可能需要一個任意的、額外的法向力。然而，如果法向力的控制能與管道的傾角變化相匹配，機器人就不會把太多的力量消耗在墻上，從而降低功率。</p><p>　　第II部分提供了PAROYS-II硬件特點，包括直徑自適應(yīng)機制和推進(jìn)模塊。 第III部分的A和B，對法向力控

13、制和姿勢控制進(jìn)行了完整的描述。第III部分的C和D，分別對管子的傾角評估方法和優(yōu)選的法向力控制進(jìn)行了描述。第IV部分談到了實驗性結(jié)果，并且在第v部分提供了研究的結(jié)論。</p><p><b>　　2.硬件</b></p><p>　　如圖2所顯示，PAROYS-II由三部分組成：中心模塊、軌道模塊和一個活躍放大尺機制。活躍放大尺和對到模塊分別位于中心模塊兩側(cè)120&#

14、176;處。中心模塊通過擴展或收縮放大尺適應(yīng)在管徑的變化。軌道模塊根據(jù)放大尺機制自由轉(zhuǎn)動，以便保持于粗糙管內(nèi)表面的接觸。連接機器人中心模塊的控制單元是由ATMEGA128和一個慣性測量單位(IMU)組成的。PAROYS-II的最大速度為2.5 m/min，重量為7.8 kg。 機器人能穿過直徑為400到700 mm的管子。</p><p>　　圖2 PROYS-II概要 圖3

15、放大尺機制的側(cè)視圖</p><p>　　PAROYS-II包括動作器和被動彈簧?；钴S放大尺機制根據(jù)管子的半徑變動調(diào)整PAROYS-II。由于放大尺機制朝輻形方向行動，畸變力量不是應(yīng)用的，當(dāng)機器人通過在參差不齊的表面時。在放大尺的鏈接的之間長度比率是2 ：1， 提供它的行動一個最大范圍的。 這個機制被連接到有兩條左右手螺紋的絲杠，如圖3.可壓縮的彈簧所顯示設(shè)置在連接器和螺絲堅果之間協(xié)助戰(zhàn)勝障礙。 由于絲杠可能激活二

16、枚螺絲堅果移動或離彼此較近，機器人能擴展或收縮放大尺機制。 另外，傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)移dc馬達(dá)的力量到三絲杠，以便他們可以同步轉(zhuǎn)動。</p><p><b>　　B.軌道模塊</b></p><p>　　每個軌道模塊由二部分組成： 前面和后方軌道。 服從活躍聯(lián)接連接軌道。 服從活躍聯(lián)接由一臺無線電操縱的(RC)如圖4.所顯示，輔助電動機和扭轉(zhuǎn)彈簧組成。 RC輔助電動機附有后方

17、軌道，并且扭轉(zhuǎn)彈簧被連接到馬達(dá)和前面軌道。 服從活躍聯(lián)接允許機器人是能適應(yīng)的對參差不齊的表面。 當(dāng)機器人移動在參差不齊的表面時，圖5顯示活躍服從聯(lián)接的表現(xiàn)。 當(dāng)機器人通過在伸進(jìn)時，如圖5 (a)所顯示， RC輔助電動機調(diào)整轉(zhuǎn)動的角度維護(hù)在前面軌道和管子之間的聯(lián)絡(luò)。 相反，聯(lián)接造成軌道模塊折疊，因此它保持與表面聯(lián)系，如圖5 (b)所顯示。 軌道模塊被連接到放大尺由跌宕的向內(nèi)卷的聯(lián)接，允許它自由地轉(zhuǎn)動。 既使當(dāng)管子的內(nèi)在墻壁與機器人不是平行

18、的，軌道遺骸被動地連接了到墻壁。 軌道模塊的這兩個特點造成在機器人和管子墻壁之間的一個更大的聯(lián)系范圍，加強機器人的能力克服障礙的能力。</p><p>　　圖5. 當(dāng)機器人通過在參差不齊的表面時，(a)激活和(b)聯(lián)接被動符合。</p><p><b>　　III．控制方法</b></p><p>　　PAROYS-II能橫斷水平，垂直和彎曲的

19、管子，運用二個簡單的控制方法： 法向力控制和姿勢控制。 機器人估計在軌道模塊和管子的內(nèi)在墻壁的之間法向力，不用使用武力傳感器。 姿勢控制允許機器人在它沒有信息的一個彎曲的管子之內(nèi)移動。 機器人也估計管子的傾角并且根據(jù)傾角控制法向力。</p><p>　　圖6 放大尺機制的自由身體圖。</p><p><b>　　法向力控制</b></p><p&g

20、t;　　維護(hù)在管子機器人的傳動機構(gòu)和管子的內(nèi)在墻壁的之間法向力是非常重要對維護(hù)適當(dāng)?shù)臓恳?PAROYS-II估計法向力，無需使用力量傳感器通過觀察行動在放大尺機制的力量之間的關(guān)系。 彈簧之前施加的被恢復(fù)的力量和法向力適用于放大尺兩個在圖6.顯示。 以下等式是法向力和回復(fù)力之間的關(guān)系由靜態(tài)分析：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　K是常數(shù)

21、， d是托簧的位移， θ是放大尺機制的半包括的角度，并且φ是軌道模塊的自轉(zhuǎn)角度從內(nèi)在墻壁的情況的。 二個有角傳感器位于在放大尺的兩個閉合值的末端查出角度θ1和θ2。 角度θ和φ可以算出。</p><p><b>　　(2)</b></p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　使用馬達(dá)編碼器計數(shù)值和包括的

22、角度θ，彈簧的位移被計算。 由于正切作用在分母(1)，機制有無法控制和探測不到的點。 如果角度θ是零，法向力不可能估計。 在另一只手上，如果θ是90?，機器人不可能控制法向力。 然而，實體尺寸鏈接厚度不允許這些稀有。 倍增一個螺絲的革命的數(shù)量容易地計算螺絲堅果的位置與絲杠的瀝青的。 當(dāng)彈簧不是壓縮的時，增加彈簧的自由長度計算連接器的位置。 在另一只手上，連接器的位置，當(dāng)彈簧是壓縮的時使用包括的角度θ，可以被計算。 彈簧的位移是這兩個位置

23、之間的區(qū)別</p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　P是瀝青長度， Ω是絲杠的革命的數(shù)量， d0是彈簧的自由長度，并且L是鏈接的長度。 PAROYS-II通過減少(1)和(4)測量并且保證法向力。</p><p>　　圖7 姿勢的控制原理圖。</p><p>　　紐帶的長度。PAROYS-II利用

24、(1)和(4)測量和維護(hù)法向力。 </p><p><b>　　B.姿態(tài)控制</b></p><p>　　對于一個機器人沿著彎曲的管道行進(jìn)而言，規(guī)劃運動是很重要的。先前的一些方法需要管道上的信息來移動；這個信息是使用視覺傳感器或電力負(fù)荷的電機來收集的。然而,PAROYS-II不需要任何彎管的對其運動方式信息。姿勢控制允許機器人移動時自我平衡通過任何管道,包括彎曲的管子

25、。</p><p>　　當(dāng)機器人穿越直管,每個軌道都具有相同的速度，機器人的姿態(tài)是對齊的。然而,如果該機器人必須克服障礙或穿越彎管，機器人的姿態(tài)不對齊,如圖7所示。盡管PAROYS-II的姿勢不對齊,關(guān)節(jié)稍外卷保持軌道與管子的內(nèi)壁相接觸。錯位的數(shù)量是由跟蹤模塊的旋轉(zhuǎn)角所確定, 如同III-A章節(jié)所述的那樣。機器人比較各軌道的旋轉(zhuǎn)角度Φ。這個軌道保持移動速度不同,直到所有的旋轉(zhuǎn)角度φ相同,表明PAROYS-II的姿

26、勢是對齊的。例如，中心模塊后面的速度軌道比圖7中的主要軌道速度更快。這些不同的速度保持直到機器人的姿態(tài)是對齊的。</p><p>　　C．管道傾角的估計。</p><p>　　PAROYS-II的中心模塊并不總是平行如上所述的管子。由于加速度傳感器與中心模塊相連接, 當(dāng)姿勢存在偏差時，其相對于地面的管道的檢測傾角是不可能。這就是為什么估計管道機器人的相對方位是必要的。</p>

27、<p>　　如圖8所示，P部分穿過三個接觸點和機器人的中心,。這個部分代表機器人的姿勢。當(dāng)機器人的姿勢對齊時，P0象征著理想的剖面圖。P1和P2代表一個帶偏差姿勢的機器人。機器人的姿勢被定義為它旋轉(zhuǎn)大約兩個軸, P1代表P0大約以x軸上的角α旋轉(zhuǎn),P2代表P1大約以z軸上的角β旋轉(zhuǎn)。管和截面之間的角度是眾所周知的旋轉(zhuǎn)角度β。因為在一個橢圓中的軌道代表截面P2的邊界,軌道的旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)α和β而變化。</p>&l

28、t;p>　　當(dāng)接觸點在x軸上，和接觸點在y′軸上但為0的情況是相同的。檢測到的軌道旋轉(zhuǎn)角度根據(jù)角β和周期2π從α到-α變化。因此,我們假定軌道旋轉(zhuǎn)角，可以表示為如下余弦功能:</p><p>　　φi = Acos (ψ + 120? × (i ? 1)) , (i = 1, 2, 3) (5)</p><p>　　兩個旋轉(zhuǎn)角α和β從檢測角度Φ軸旋轉(zhuǎn)視角。角度α和β，描述相

29、對于管道的機器人的姿勢。</p><p>　　因為相對于管道的姿勢和相對于地面的方向，是獲得管道的傾角角是必要的，機器人利用三軸加速度計檢測重力方向。 </p><p>　　從檢測的角度φ得到兩個旋轉(zhuǎn)角α和β 。 α和β的角度闡述了管道機器人的自己的態(tài)度相對的。</p><p>　　因為管的擺放姿勢和相對于地面的定位對于獲得管的傾角是必要的，管道機器人使用三軸加速度

30、計探測重力的方向。旋轉(zhuǎn)模型表現(xiàn)出這種姿勢和方位，這一模型操作被用來獲取相對于地面的管道的方向</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　模型代表相對于地面的機器人的姿勢，是機器人相對于管的方向，是管相對于地的方向。</p><p>　　D .需要法向力評估</p><p>　　根據(jù)管的傾角保持適當(dāng)?shù)?/p>

31、法向力是機器人適應(yīng)管道的各種傾角所必不可少的。圖10顯示了這種法向力當(dāng)機器人通過一個傾斜的管道移動，其中N代表法向力，μ是內(nèi)管壁和PAROYS-II軌道之間的摩擦系數(shù)。該下標(biāo)是軌道的編號，Θ是角度管相對于地面的傾角。傾斜角從旋轉(zhuǎn)模型中計算得出，z軸代表管道的方向。需要的法向力如式（8）所示得到</p><p><b>　　(8)</b></p><p><b&g

32、t;　　(9)</b></p><p>　　適當(dāng)?shù)氖欠ㄏ蛄κ褂檬剑?）獲得，其中代表z軸的分力，m是機器人的重量，g是重力加速度。然而，式（9）帶來一個問題：當(dāng)Θ=0的時候法向力變?yōu)榱恪Ｗ灾卦谶@種方式中不予考慮。因此，式（9）可做如下修改</p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　式中Nmax是最大法向力。這

33、也是要爬上一個垂直管所需的力量總和。</p><p>　　在計算適當(dāng)?shù)姆ㄏ蛄χ?，所需要的PAROY-II的力如前所述一直保持。通過這樣的處理，機器人不斷適應(yīng)管的傾角。</p><p>　　圖11（a）管道A和（B）實驗</p><p><b>　　IV.實驗</b></p><p>　　在一系列實驗中各種無分支管組裝，

34、如圖所示。 11。采用透明管道機器人更容易觀察。 PAROYS - II僅用于從IMU傳感器加速度計數(shù)據(jù)檢測重力方向。選擇摩擦系數(shù)是0.4 ，這是1.6面值的四分之一，我們的實驗條件是比實際情況更為嚴(yán)重。因此，我們保證足夠的粘接能力。圖12顯示了管道的實際和估計的傾斜角度。從管的長度和高度計算真實的傾角。在測試中使用的彎管，因為沒有連續(xù)曲率，真正的意向，是離散的。瞬間改變，幾何約束和PAROYS - II機器人通過一個離散的變化時，通過

35、改變其尺寸。因為機器人的姿態(tài)影響計算其相對方向來管，彎管傾角估計波動。此外，垂直管微微俯身從機器人的重量。因此，估計的管道斜坡90 ?機器人垂直移動時，如圖所示。 12（二）</p><p>　　圖13顯示電力消耗，當(dāng)機器人游遍管道B.圖13時(a)展示電力消費劇情，當(dāng)使用姿勢控制和正常力量控制被移動的機器人和圖13 (b)顯示劇情使用建議的估計的方法和控制算法，當(dāng)機器人移動了。 電力消費在PAROYS-II的運

36、動時記錄所有電動機負(fù)載。 機器人消耗3675.6 W 90的s維護(hù)它的最大法向力。 在同一時間期間，當(dāng)曾經(jīng)估計的傾角算法時，機器人使用3254.4 W。 這些結(jié)果顯露大約11.46%減少作動器的負(fù)擔(dān)。 機器人在初始化時在兩種情況下消耗了20 W/s。 電力消費減少按大約20%在水平的管子。 由于最大法向力為垂直的管子被定義，并且計算和最大法向力之間的區(qū)別減少，當(dāng)程度估計的傾角增加，消耗量變得相似在彎曲的管子。 電力消費減少是小的在垂直的

37、管子。 法向力在中心模塊和軌道模塊的馬達(dá)被施加作為外在扭矩。 因此，作動器要求更多力量維護(hù)更大的法向力以同一速度。 雖然最大法向力由管摩擦系數(shù)變化，估計的算法造成減少電力消耗量通過控制法向力</p><p>　　圖12 管道(a)和(b) B.的評估的傾角 圖13 (a)使用(b)不使用時管B的功率消耗。</p><p>　　圖14 在支管失去接觸的情況下</p>&l

38、t;p>　　關(guān)于正常力量控制和姿勢控制的進(jìn)一步實驗在前文已經(jīng)提及。</p><p>　　V. 結(jié)論和后續(xù)工作</p><p>　　在本文描述的機器人是能適應(yīng)的對直徑的中心曲線變動，管子的曲度和傾角。 它的表現(xiàn)被展示了以各種各樣的實驗。 估計的管子的傾角建議的方法很好運作并且使機器人通過適當(dāng)控制簡正力量減少它的電力消費和在它的組分的重音。 PAROYS-II可能造成在管子機器人的可適用

39、的領(lǐng)域的擴展入各種各樣的環(huán)境。 實驗性結(jié)果顯示出除分支的管子之外，被提出的在管子機器人適應(yīng)最幾何的變動。 當(dāng)他們遇見在一個分支的管子時的方向改變與三個推進(jìn)模塊的在管子機器人，象PAROYS-II，可能面對聯(lián)絡(luò)損失問題。 如圖14所顯示，如果機器人擊中一個Ｔ形的分支的管子，它的軌道模塊之一在期望移動的方向?qū)γ娴穆短靾鏊苍S垂懸，防止進(jìn)一步行動。 這個案件被稱為“行動稀有”。 對這個問題的解答包括輔助設(shè)備，象轉(zhuǎn)動沿周圍方向或連接幾個各自的機