新型张拉整体管道机器人运动性能.pdf

第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.新型张拉整体管道机器人运动性能陆金钰许植胤刘继磊(东南大学土木工程学院 南京)摘要:为解决传统管道机器人质量大、体积大等问题以三杆星型张拉整体作为基本单元设计了一种新型张拉整体管道机器人其运动步态为纵波法运动步态.为验证新型张拉整体管道机器人的可行性建立了五单元机器人的动力学仿真模型研究了不同模型参数和不同工作条件下的机器人运动性能.结果表明:五单元机器人既能够在方形长直管道中按照纵波法步态平稳前进还能通过增大斜索预应力、静摩擦系数和驱动长度以及减小动摩擦系数和驱动时间提升前进距离但过度调整可能会引起能量输入过大和稳定性下降机器人在管道倾斜角度大于 时无法前进但在单元损坏、均匀负重或圆管内前进 种不同的工作条件下机器人均能保持良好的前进性能.关键词:星形张拉整体 纵波法运动步态 动力学仿真 参数分析 性能研究中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:.作者简介:陆金钰()男博士教授博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目()、江苏省“六大人才高峰”高层次人才资助项目()、江苏省青蓝工程中青年学术带头人资助项目.引用本文:陆金钰许植胤刘继磊.新型张拉整体管道机器人运动性能.东南大学学报(自然科学版)():.:./.随着新型城市建设速度的加快管道在日常生活以及工业制造中的应用逐渐增大对其探测、检修的需求也越来越多.但是采用人工清理维修管道需要拆卸管道费时费力很多管道也隐藏在人工难以抵达的建筑物内部或是深埋于地下.因此国内外很多学者开始研究利用机器人对管道进行探测 以及时发现管道破损之处.机器人可以代替人工进入狭小的空间作业在很多危险的管道环境下机器人的优势更加明显.张拉整体结构是由受压杆件和受拉绳索组成的索杆张拉结构.当将其应用于机器人中时张拉整体结构能够承受一定的冲击而不受损坏具有:/.质量小、可折展、便于储存运输、占用空间小等特点.目前已有多种构型、多种运动步态的机器人得到深入研究如滚动式球形机器人、膜驱动机器人、蠕动式三杆机器人、脊柱型机器人等.随着张拉整体机器人的不断发展也有学者将其应用到管道探测当中.但是设计出的机器人由多个四面体框架通过索连接而成四面体框架本身无法变形构型较为复杂笨重且运动时需要索杆混合驱动控制构件多控制策略繁琐.张拉整体管道机器人横截面积小在管道中工作时不易造成管道堵塞相较于其他管道机器人适用性更强同时具有轻质、可折展等优点.基于此本文首先以三杆星型张拉整体作为基本单元设计了一种基于纵波法运动步态的新型张拉整体管道机器人.该管道机器人由多个相同单元构成具有模块化装配、驱动简单和方便控制等优点.然后采用 动力学仿真软件建立了五单元机器人仿真模型并验证了该设计的可行性.最后基于前进距离、能量消耗和稳定性参数 个评价指标研究了不同模型参数和不同工作条件下机器人的运动性能.新型张拉整体管道机器人.三杆星形张拉整体单元拓扑模型三杆星形张拉整体结构的拓扑模型如图 所示包括 根斜索、根斜杆、根径向索和 根中心构件.初始状态下、三点组成下底面圆且 位于圆心、三点组成上底面圆且 位于圆心.同一底面内节点之间的相对旋转角度上底面和下底面之间的相对旋转角度 .图 三杆星形张拉整体的拓扑模型限定下底面圆位于 平面中心构件位于 轴点位于 轴则三杆星形张拉整体结构的节点坐标计算公式如下:()式中 为单元高度 为底面圆半径、为绕 轴的旋转矩阵旋转角度分别为 计算公式为/通过坐标和连接拓扑关系可以根据文献中的平衡矩阵理论对结构单元进行分析.计算得三杆星形张拉整体结构的自应力模态数 机构位移模态数 且判定其为几何稳定结构.驱动策略可行性判定根据文献三杆星形张拉整体结构具有一定的折展性能改变中心构件的长度可以调整结构形态如图 所示.图中 为中心构件长度为结构端面半径.图 时的三杆星形张拉整体结构在折展过程中中心构件长度变化会导致形态发生变化其他结构参数也随之受到影响.此时需要对结构进行形态分析确定形态变化后的结构参数.本文采用动力松弛法解决上述问题.节点的初始坐标根据式()计算中心构件长度 质点系此时保持平衡.当中心构件长度变为 后(为中心构件的驱动长度)节点、的坐标为/和 /.为保持中心杆长不变固定节点、其余节点在不平衡力下振动.关于动力松弛法的计算公式参见文献.以 、的三杆星形张拉整体为例判定驱动策略是否可行.在经过动力松弛法迭代后三杆星形张拉整体结构在变形前后的形态参数如表 所示.经过计算相较于变形前结构发生了径向收缩如图()所示结构的端面半径 由 降到.第期陆金钰等:新型张拉整体管道机器人运动性能:/.而节点不平衡力经过 次迭代下降到了设置的限值 如图()所示.变形前后斜索的长度变化最大由.增大至.增加了.径向索长度变化较小增大了.约为.斜杆由于设置的轴向刚度远大于索其长度变化几乎可以忽略.在驱动星型张拉整体单元伸长时所有构件的预应力均增大表明若结构施加了初始预应力机器人在整个运动过程中均不会因为丧失预应力而丧失刚度.表 驱动前后的形态参数构件变形前变形后长度/内力/长度/内力/径向索.斜索.斜杆.()单元状态叠加()节点不平衡力收敛曲线图 动力松弛法计算过程根据最终平衡构型的各个节点坐标应用平衡矩阵理论对结构单元进行分析分析结果为:且乘积力矩阵 为正定矩阵结构几何稳定.在变形后索构件均伸长表明索在张拉整体变形过程中不会松弛同时杆构件缩短承受压力符合张拉整体索受拉杆受压的特性.分析结果表明:对于 、的三杆星形张拉整体驱动中心构件由 伸长至 的驱动策略是可行的.机器人构型设计张拉整体管道机器人构型由多个相同的三杆星形张拉整体单元串联组成.相邻单元的连接方式如图()所示.初始平衡状态下将单元平放使得中心构件与地面平行且单元中心构件长度 .每个张拉整体单元中有 个杆端点接触地面相邻单元仅通过中心构件连接连接方式为刚接.所有单元的中心构件保持共线机器人与地面的接触点分布合理能够保持平衡.通过该连接方式根据单元高度、底面圆半径 和单元数量 三个参数可以确定张拉整体管道机器人构型.当 、()单元连接方式()五单元机器人构型图 张拉整体管道机器人构型时的机器人构型如图()所示.纵波法运动步态在张拉整体管道机器人构型中通过控制中心构件伸缩每个单元的纵向长度均可以发生变化.令所有中心构件伸长缩短的总时间一致设为 按照如图 所示的顺序调节各个中心构件的伸缩可形成机器人运动步态.具体步骤如下:初始时刻单元 的中心构件长度 .时单元 中心构件伸长长度变为 .时单元 中心构件缩短恢复至.同时单元 中心构件伸长长度变为 .重复上述过程直到 时单元 缩短机器人所有单元复位理论前进距离为中心构件伸长量.图 纵波法运动步态由于该步态与物理学中纵波的传递方式类似本文称为纵波法运动步态.对于一个有 个单元的机器人纵波法步态可以分为开始阶段、运动阶段东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.和结束阶段分别对应 、和 ().在开始或结束阶段仅第 个单元或第 个单元处于伸长状态径向收缩与管道壁的接触面积少而非驱动单元径向不收缩尺寸大与管道相接触提供较大的摩擦力以保持静止状态.在运动阶段相邻单元一伸一缩且伸缩速度相同使得被驱动单元总长度不变理论上不会引起其他非驱动单元的位置变化.在纵波法运动步态中需要有非驱动单元提供静摩擦因此步态的单元数至少为 即.对于一个有 个单元的机器人纵波法运动步态的理论前进速度为()当单元数量 增大时前进速度下降.仿真模型算例.仿真模型为了验证纵波法运动步态在张拉整体管道机器人中的可行性本节以图()中的机器人为例进行仿真测试.机器人仿真模型采用 建立如图()、()所示模型的主要建模参数如表 所示.其中杆索构件尺寸的选取参考文献摩擦系数的选取参考干燥条件下铁和橡胶的摩擦系数该接触()仿真机器人模型轴测图()仿真机器人模型侧视图()中心驱动杆驱动控制函数图 张拉整体管道机器人仿真模型条件是机器人实际应用的一种可能情况即橡胶端点的机器人在铁质管道中前进.机器人的前进方向为 轴正方向重力方向为 轴负方向.按照纵波法产生的步态机理采用 函数输入 个单元的驱动控制函数如图()所示.为了让机器人驱动时从稳定状态开始单元 在 时开始伸长.表 仿真建模参数参数数值管道内壁尺寸/()构件材料铁单元高度/底面圆半径/单元数量 斜杆、中心杆直径/径向索直径/斜索刚度/().斜索阻尼/()斜索预应力/静摩擦系数.动摩擦系数.单元驱动时间/驱动长度/.机器人运动性能评价指标本文研究的机器人运动性能包括前进性能、耗能性能和稳定性能分别采用一次纵波法运动步态下的前进距离、能量消耗 和稳定性参数 作为评价指标.个指标通过驱动过程中的数据定量计算.前进距离 通过驱动前后机器人头部的坐标变化计算即 ()式中为前进距离为机器人头部在 时刻的 坐标为机器人头部在 时刻的 坐标和 为机器人完成一次纵波运动的开始和结束的时刻.前进距离 是判定机器人前进性能的主要指标若前进距离明显下降说明机器人前进性能受损.能量消耗 通过每个单元的驱动构件做的功进行计算即()式中为能量消耗为第 个中心杆的压力为第 个中心杆的驱动速度/.稳定性参数 通过行进过程中机器人头尾的最大高度差计算即 ()式中为稳定性参数、分别为机器人头、尾的 坐标即高度.第期陆金钰等:新型张拉整体管道机器人运动性能:/.由图()可知单元在伸长过程中径向会伴随着收缩.当单元前后串联时单元径向的收缩会导致机器人高度的变化尤其是在按照纵波法这样前后非对称变化的步态运动时高度变化也会出现前后不对称的现象这也就导致了机器人头部和尾部的高度差.高度差越大稳定性参数 越大机器人倾斜现象越严重运行越不稳定.仿真结果仿真中机器人的形态以及 个运动性能评价指标如图 所示.由图()、()可知在 内机器人极速前进向前运动近 前进距离曲线与图()所示的单元 驱动长度曲线基本一致.机器人在 稍向后移动也即在后续 个张拉整体单元被驱动时机器人会向后略微移动.在 机器人复位此时前进距离为.略小于理论前进距离 但是总体上机器人仍向前移动.从仿真过程中还可以看出张拉整体单元由于自重会产生 向的压缩和横向的扩张而机器人左右两侧的管道壁恰好可以约束这一横向扩张避免张拉整体单元变形过大.同时张拉整体和管道壁的接触也可以增大摩擦力避免机器人向后滑动.()机器人仿真过程(俯视图)()机器人前进距离变化()机器人能量消耗变化()机器人行进稳定性变化()单元 的斜索长度变化图 张拉整体管道机器人仿真结果 由图()可知机器人的能量消耗随时间增加而不断增加在 时达到 .在驱动过程中能量消耗与时间基本呈线性关系即能量消耗与驱动单元的相对位置无关.这表明各单元的驱动杆仅作用于自身单元的折展基本不作用于其他单元.由图()可知稳定性参数 .机器人总高度为.行进过程中最大的高度差约占总高度的.表明机器人行进过程较为稳定.机器人在 时达到最不稳定的状态这是由于星形张拉整体单元的中心构件在伸长的同时结构径向会产生收缩.因此当机器人头尾单元被驱动时即 时由于单元径向收缩会产生悬浮现象从而导致机器人倾斜而当头尾单元不驱动时即 时头尾单元落地 坐标基本不变稳定性较好.由图()可知各个单元斜索在被驱动时均伸长伸长量最大值基本相同约为 在不被驱动时基本保持原长.同时所有单元的斜索并未出现缩短的现象证明了机器人中的索时刻受拉不会松弛.通过模拟仿真初步验证了该构型的张拉整体管道机器人具有在水平方形管道中前进的能力.机器人运动性能参数分析.模型参数设置本文所分析的机器人参数为单元高度、斜索预应力、机器人与管道壁之间的静摩擦系数、动摩擦系数、驱动时间、驱动长度 共 个.参数的取值范围和基本值如表 所示.参数分析过程表 参数变化范围参数名称变化范围基本值单元高度/斜索预应力/静摩擦系数.动摩擦系数.驱动时间/驱动长度/东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.中某个参数变化时其余参数保持基本值不变.对于单元高度 变化以及驱动长度 变化的多种情况均通过了.节的驱动策略可行性验证.仿真结果分析在所选参数变化范围内张拉整体管道机器人 个运动性能评价指标的变化趋势如图 所示.从图中可以看出:)单元高度 的增大对于、三种性能指标的影响不大.)斜索预应力 增大时、增大减小.预应力增大导致结构的刚度随之增大机器人受到碰撞等扰动减小结果更加贴近理论情况使 增大减小同时预应力的增大也会引起中心杆轴力增大使 增大.)静摩擦系数 增大时、均增大.静摩擦力能够有效阻止机器人在 内向后滑动结果更加贴近理论情况使 增大同时静摩擦力的增大使机器人受到的阻力增大从而使增大阻力增大也会引起机器人受到约束约束过大(.)时机器人发生扭曲增大.)动摩擦系数 增大时减小增大影响不大.动摩擦力越大机器人前进时受到阻碍越大前进距离与理论值之间的误差也随之增大减小.分析同静摩擦系数.)驱动时间 增大时、均减小.机器人总运动时间增大阻力做功就会增大进而导致 减小增大同时驱动时间增大机器人运动缓慢因此 会减小.)驱动长度 增大时、均增大.根据纵波法运动步态驱动长度越大就越大但驱动长度增大每个单元的变形就会增大必然增大增大.()单元高度 ()斜索预应力 ()静摩擦系数()动摩擦系数 ()驱动时间 ()驱动长度 图 机器人运动性能参数分析.结果讨论增大斜索预应力、静摩擦系数、驱动长度 和减小动摩擦系数、驱动时间 均能够提高机器人的前进距离.在驱动长度 时前进距离最大能够提高到.但参数的调整有一定范围超过限制则会导致能量消耗过大以及稳定性下降.例如当.、时会使得稳定性下降导致单元扭曲.当、过大时均会导致能量消耗过大.不同工作条件下机器人前进性能.单元损坏对前进性能的影响根据纵波法运动步态的形成过程纵波在机器人中的传递由 个相邻单元完成一旦有某个单元无法伸缩波将无法正常传递.如图()所示当单元 损坏不能伸缩时波无法从前向后传递机器人前进量几乎为.但是若驱动策略跳过损坏的单元 波的传递通过单元、的伸缩进行如第期陆金钰等:新型张拉整体管道机器人运动性能:/.图()所示机器人的理论前进距离仍为.将上述驱动策略输入 模型中仿真得到的前进距离如图()所示.由图可知单元、损坏后机器人的前进距离不受影响这是因为波能够在首尾单元不参与的情况下传递.若不调整驱动策略中间 个单元的损坏会中断波的传递降低机器人的前进距离甚至停滞不前.若调整驱动策略在单元 损坏时机器人的前进距离从.提升至.但仍小于无损坏时的前进距离在单元、损坏时机器人的前进距离降低至.和.这是因为纵波虽然跳过了损坏单元成功传递但是损坏单元始终与管道壁接触摩擦力较大阻碍机器人前进.在波跳过该单元传递时机器人向后滑动前进距离下降.相较于单元 单元、在机器人构型中分别位于偏前和偏后的不对称位置从而下降幅度更大.整体而言在 个单元损坏的条件下虽然前进距离有所下降但是通过调整驱动策略机器人仍有继续前进的能力且前进距离最小为.为原距离的一半以上具有较好的鲁棒性.()不调整驱动策略()调整驱动策略()单元损坏时机器人前进距离图 单元损坏时机器人前进性能.负重对前进性能的影响在管道机器人实际应用时一般需要携带摄像机等装置即负重前进.张拉整体机器人所携带的装置一般绑扎于杆上.对于本文机器人构型斜杆的运动幅度大中心杆较稳定因此选择将负重布置在中心杆上.以机器人一个单元的质量为负重单位(约.)建立长方体物块并与中心杆固定连接通过改变长方体物块的质量来改变负重质量如图()()所示.为了探究负重位置对于机器人前进性能的影响分别将负重设置在单元、和全部单元上.调整负重质量仿真结果如图()所示.()均匀负重()单元 负重()单元 负重()机器人前进距离图 负重时机器人前进性能由图可知机器人负重增多前进距离减小.在全部单元负重时前进距离能够维持在较高水平在负重为 倍单元质量时为.而在单元、负重时前进距离下降明显.在负重为 倍单元质量时即降低至不负重时前进距离的一半为.由于负重张拉整体单元的 向压缩和横向扩张的变形更大.负重均匀分布时各单元变形基本一致在两侧管道壁的约束下前进距离并未急剧下降.负重分布不均匀时即使有管道壁的约束前后单元的高度变化不同机器人发生倾斜前进距离大幅降低.整体而言负重均匀分布时负重质量对机器人前进性能影响不大负重不均匀分布时由于各单元变形不一致随负重质量增大机器人前进性能下降明显应尽量避免.管道倾斜对前进性能的影响很多长直管道并不会始终水平而是有一定的倾斜角度因此探究机器人在斜管道中的前进性能很有必要.机器人与管道壁之间的动摩擦系数基本值 .机器人理论爬坡的极限角度为 东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.设置管道倾斜角度范围为 其余参数不变测试机器人前进距离结果如图 所示.图 管道倾斜时机器人前进性能由图 可知倾斜角度越大机器人前进距离就越小.在倾斜角度为 时前进距离减小至原来的.当管道倾斜角度大于 时前进距离为负值.整体而言机器人在管道倾斜 以下时保持近一半的前进性能但坡度较大时无法在管道中前进.管道截面对前进性能的影响将管道截面改为圆形测试机器人在圆形管道中的前进性能圆管的半径为 略大于张拉整体半径 其余参数同表.经过仿真机器人在管道中前进.如图 所示.相较于方管机器人在圆管中会发生较多的侧向移动甚至旋转这会增大机器人前进过程中受到的阻力降低机器人前进效率.同时圆管对于张拉整体变形的约束能力小于方管单元在运动过程中的变形会更大对于前进也有一定的影响.但是在仿真过程中机器人并未出现单元扭曲或停滞不前的情()圆管仿真模型()机器人前进距离变化图 圆形管道内机器人前进性能况说明机器人同样可以在圆形管道中前进.结论)基于具有良好折展性能的三杆星形张拉整体设计出张拉整体管道机器人的构型并给出纵波法运动步态的驱动策略.仿真结果证明机器人可以按照纵波法的运动步态在方形长直管道中平稳前进.)为了提高机器人的前进性能可以适当增大斜索预应力、增大静摩擦系数、减小动摩擦系数、减小驱动时间 和增大驱动长度.但参数的调整有一定范围超过限制则会导致能量输入过大以及稳定性下降.参数分析为此类机器人的参数设计优选和应用提供了参考.)在管道倾斜角度大于时机器人无法前进在任一单元损坏时通过调整驱动策略机器人仍能保持一半以上的前进距离负重均匀分布在机器人构型中时相较于仅单元 或单元 负重的情况机器人前进性能受负重质量影响较小机器人在方形和圆形管道中均可以正常前进.参考文献()廖礼江.圆形管道中机器人控制策略研究及管道变形率的测量.广州:华南理工大学.:.().:.:./.郭忠峰 徐博闻.机械差速式管道机器人运动特性及仿真分析.沈阳工业大学学报 ():.:./.():.:./.()王力.张拉整体形变机器人构型设计及管道爬行控制.西安:西安电子科技大学.:.()陈志华 王小盾 刘锡良.张拉整体结构的力密度法找形分析.建筑结构学报 ():.:./.第期陆金钰等:新型张拉整体管道机器人运动性能:/.():.:./.().:.:./.贺子刚 韩亮亮 张幸 等.六杆球形张拉整体的折叠与翻滚性能研究.上海航天(中英文)():.:./.():.:./.().():.:./.():.:./.:/.:.:./.:/().:.:././().:.:./.():.:./.():.:./().():.:./().刘贺平 朱振东 罗阿妮.三杆星型张拉整体可展结构的运动分析.哈尔滨工程大学学报 ():.:./.():.:./.()叶继红 周树路.改进动力松弛法在膜结构找形中的应用.工程力学 ():.():.()陈竑希.四杆张拉整体机器人动力学分析.哈尔滨:哈尔滨工程大学.:.()陆游.星型张拉整体结构构型和刚度分析.哈尔滨:哈尔滨工程大学.:.()东南大学学报(自然科学版)第 卷