Para los robots de tuberías con ruedas, un modelo cinemático preciso es la base para lograr un control de movimiento preciso. En la actualidad, existen pocos análisis sobre las características cinemáticas y la teoría de control de los robots móviles de tuberías con ruedas y de una sola rueda. Por lo tanto, es necesario establecer un conjunto de teoría cinemática de los robots de tuberías con ruedas.
Campion et al. analizaron los modelos cinemáticos y dinámicos de robots móviles con ruedas en carreteras horizontales y planas, y concluyeron cuatro modelos de espacio de estados: modelo cinemático de posición dual, modelo cinemático de actitud, modelo cinemático de actitud y postura. modelo cinemático. modelo dinámico y modelo dinámico de actitud. Karl Iagnemma y otros analizaron diversas situaciones de contacto entre la rueda y el suelo en condiciones de falta de rigidez y terreno irregular entre la rueda y el suelo, y establecieron una teoría modelo basada en las características de contacto entre la rueda y el suelo. Sin embargo, la premisa del modelo anterior es que las ruedas y el suelo no son deformables y el suelo es una superficie de carretera horizontal regular. Cuando el robot móvil con ruedas corre en un tubo circular, dado que el entorno en el tubo circular es un entorno de superficie tridimensional, el robot móvil con ruedas en realidad corre sobre la superficie espacial, por lo que el modelo anterior no se puede aplicar al robot móvil con ruedas en el tubo circular.
Dado que el robot de limpieza con ruedas funciona en un espacio tridimensional cuando trabaja en un tubo circular, su modelo cinemático es completamente diferente al de un robot móvil con ruedas sobre una superficie plana. Es necesario analizar la relación entre la entrada de control del robot móvil con ruedas y los cambios en las coordenadas de posición y actitud del robot, y establecer su modelo cinemático, teniendo en cuenta las restricciones geométricas y de velocidad. En los últimos años, el objetivo de la investigación de los robots de tuberías con ruedas en el país y en el extranjero es principalmente mejorar la controlabilidad y la transitabilidad de los robots de tuberías con ruedas, y los robots se están desarrollando hacia la conducción autónoma. Aunque muchos estudiosos han mejorado el rendimiento de los robots desde el aspecto estructural, todavía falta un análisis profundo y sistemático de la teoría del control de movimiento de robots móviles con ruedas dentro de tubos circulares. Por lo tanto, es necesario diseñar algoritmos correspondientes basados en el modelo cinemático para permitir que el robot logre un control estable dentro de un círculo para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de ingeniería.
Para los robots de tuberías de drenaje con ruedas, además del diseño estructural y la selección de materiales, la principal cuestión científica es establecer el modelo cinemático del robot de tuberías de drenaje con ruedas y diseñar el algoritmo de control correspondiente para que el robot pueda conducir. De forma autónoma, también se puede controlar manualmente en función de la información de actitud para mantener la operación de conducción horizontal sin volcar, atascarse o tener una fuerza motriz insuficiente, y tiene buena controlabilidad.
Para establecer el modelo cinemático de un robot con ruedas en un tubo circular, es necesario resolver los siguientes cuatro problemas y diseñar teóricamente el algoritmo de control de movimiento correspondiente:
(1) Rueda única en La velocidad instantánea y la trayectoria del centro de la rueda en cualquier posición y actitud sobre la superficie de la tubería. El problema científico de las características cinemáticas de una sola rueda en una tubería consiste en describir su posición y actitud en condiciones de rodadura pura y sin deslizamiento, así como la velocidad del centro de la rueda.
(2) Se analizaron las restricciones geométricas del robot móvil con ruedas en la superficie de la tubería y se derivó la relación entre las seis coordenadas de pose.
El robot con ruedas opera en un entorno cilíndrico tridimensional dentro de la tubería, y sus coordenadas de posición y actitud cambian de tres dimensiones en el plano a seis dimensiones en el espacio. Sin embargo, cuando el robot corre en la tubería, las seis coordenadas de pose tY con restricciones geométricas específicas no son independientes entre sí, por lo que es necesario deducir la relación entre estas seis coordenadas de pose.
(3) Se establece un modelo cinemático de un robot móvil con ruedas sobre una superficie de tubo circular. La dificultad para derivar el modelo cinemático es cómo establecer la relación entre la transmisión del cielo y la tasa de cambio. Coordenadas de posición y azimut. La entrada de control del robot afecta directamente la velocidad del centro de la rueda, y el centro de la rueda determina la velocidad del cuerpo rígido del robot. Por lo tanto, es necesario analizar la relación entre el cuerpo rígido del robot y la velocidad del centro de la rueda. La esencia de este problema es derivar la relación entre los parámetros de movimiento espiral instantáneo del robot y la entrada de control, así como la relación entre la tasa de cambio de posición y actitud del robot y la entrada de control.
(4) De acuerdo con el modelo cinemático y los requisitos de operación, diseñe la velocidad de control correspondiente para mantener el robot funcionando horizontalmente en la tubería. De acuerdo con el modelo cinemático establecido, el ángulo de actitud se utiliza como variable de estado y la tasa de control correspondiente se diseña a través de la retroalimentación del sensor de actitud para controlar el robot para que corra en la tubería de acuerdo con la actitud requerida. El modelo cinemático se utiliza principalmente para diseñar la tasa de maniobras y analizar su estabilidad mediante funciones de Lyapunov.
Contenido principal de la investigación:
(1) Modelado geométrico de la superficie de la tubería, estudiar las características cinemáticas de una sola rueda en cualquier posición sobre la superficie de la tubería y analizar la rueda en condiciones de rodadura pura sin Condiciones de deslizamiento lateral La relación entre la velocidad central y la entrada del control de conducción, y la relación entre la trayectoria del centro de la rueda y la actitud de la rueda.
(2) Análisis de restricciones geométricas de un robot móvil con ruedas sobre una superficie de tubo circular. De acuerdo con la condición de que cada rueda del robot móvil con ruedas sea tangente a la pared en el tubo circular, se analizan las restricciones geométricas del robot móvil con ruedas en el tubo circular, especialmente la relación entre las seis coordenadas de la coordenada de actitud y la coordenada de posición espacial.
(3) Análisis cinemático de robot móvil con ruedas sobre cilindro.
Este proyecto analizará la relación entre la entrada de control del robot y los parámetros de movimiento en espiral del robot, y luego derivará el modelo cinemático del robot móvil con ruedas en el tubo circular y verificará el modelo cinemático mediante experimentos de simulación. .
(4) Diseñar un sistema de robot móvil con ruedas y el algoritmo de control correspondiente, diseñar un conjunto de ruedas desplegables y diseñar el algoritmo de control de movimiento correspondiente para mantener el robot funcionando horizontalmente en la tubería.
Plan general de investigación de la plataforma robótica sobre rastreo de Schroeder Industrial Measurement and Control Equipment Co., Ltd.
(1) Análisis cinemático de una sola rueda en la superficie de un tubo circular
Tubo circular La descripción de la postura y movimiento de la rueda de superficie se basa en la descripción de la postura y movimiento de la rueda en el plano, y se extiende a la superficie del tubo circular a través del plano tangente del punto de contacto. Tomemos, por ejemplo, el análisis de una sola rueda en un tubo horizontal. El punto de contacto Q entre la rueda y la pared interior del tubo circular. El cilindro del tubo circular es una curva espacial y el círculo exterior de la rueda es una curva espacial, por lo que Q está tanto en la curva espacial como en la curva espacial. curva espacial. Si q sirve como tangente m de la curva espacial y plano tangente de la superficie espacial, y como bus cilíndrico I, entonces my I están en el plano tangente. El vector normal del plano tangente, es decir, el ángulo entre el vector de radio del cilindro que pasa por el punto de contacto y la línea normal de la tangente m es Dan, y la línea tangente m y la generatriz del cilindro. El ángulo entre ellos es a. Después de determinar la descripción de la posición de una sola rueda en la superficie del tubo, se deriva la ecuación de trayectoria del centro de la rueda cuando simplemente rueda sobre la superficie del tubo. Cuando la rueda tiene velocidad angular. Cuando se rueda exclusivamente sobre un cilindro, la trayectoria del punto de contacto con la rueda en el cilindro es una espiral cilíndrica, y se puede derivar la ecuación del parámetro de trayectoria. Para deducir la trayectoria del centro de la rueda, utilice la tangente, la normal principal y la normal auxiliar en el punto de contacto Q como ejes de coordenadas para establecer un sistema de coordenadas activo, es decir, el marco activo de Frenet. punto C del centro de la rueda, y luego encuentre De acuerdo con la guía, se puede calcular la velocidad instantánea y la trayectoria del centro de la rueda cuando una sola rueda en un cilindro cumple las condiciones de rodadura pura y no hay deslizamiento lateral.
Se utilizó el mismo método para analizar la superficie curva del codo de tubo redondo tipo 16T". Basado en la teoría derivada, se diseñó una nueva rueda de robot de tubo con ruedas.
(2) El robot móvil con ruedas puede operar en la superficie curva de un tubo redondo Análisis de restricciones geométricas La postura de un robot móvil con ruedas sobre una superficie de tubo circular está representada por las coordenadas espaciales de un punto en el robot y el ángulo de Euler del robot. El círculo exterior de cada rueda se puede expresar en el espacio. El cuadrado de un círculo está representado por F. En un robot de múltiples ruedas con cuatro o más ruedas, cuando el robot corre sobre el cilindro de la tubería, puede encontrar tres ruedas. que están en contacto con la pared al mismo tiempo Al viajar sobre un cilindro, las tres ruedas en contacto con la pared siempre son tangentes al cilindro del tubo. Luego, para cada rueda, el vector tangente del punto de contacto entre las. La rueda y la pared es perpendicular al vector de radio del tubo y perpendicular al radio de la rueda. Con base en esta condición tangente, se pueden derivar tres ecuaciones de restricción y se puede determinar la relación entre las coordenadas espaciales del robot y el ángulo de Euler.
(3) El comportamiento del robot móvil con ruedas en la superficie del tubo circular. Modelado cinemático: cuando un robot móvil con ruedas corre en un tubo circular, la distancia relativa entre el centro de la rueda y todas las partículas. en el cuerpo del robot permanece sin cambios, por lo que el cuerpo del robot con ruedas, incluido el centro de la rueda, puede considerarse como un cuerpo rígido sin ruedas. El movimiento de un robot con ruedas en un tubo circular es un movimiento en espiral rígido. el cuerpo rígido y un punto en la rueda Por lo tanto, la relación entre las características de movimiento de cada rueda del robot y las características de movimiento del cuerpo del robot está determinada por el centro de la rueda. La entrada de control de un robot móvil con ruedas suele ser la. La velocidad de la rueda motriz y el ángulo de dirección del volante. En un momento determinado, las coordenadas de posición y actitud del robot se denominan variables de estado según los resultados del análisis de las características cinemáticas de la rueda única delantera en el tubo circular. , se puede resolver la diferencia de velocidad instantánea y la dirección del centro de la rueda. Para la rueda pasiva en contacto con la pared, se puede resolver la dirección de la velocidad instantánea del centro de la rueda
Según la velocidad. de los centros de dos ruedas, se pueden resolver los parámetros del movimiento en espiral del robot móvil instantáneo con ruedas en espiral. De acuerdo con el vector de velocidad angular del movimiento en espiral, la tasa de cambio del ángulo de Euler y el vector de velocidad del origen del sistema de coordenadas del robot. Luego se puede derivar la relación entre la entrada de control del robot y los cambios en las coordenadas de posición y actitud, es decir, el modelo cinemático del robot móvil con ruedas en la tubería.
(4) Dos conjuntos de. Se desarrollaron robots móviles con ruedas en tubos circulares y se realizaron experimentos de verificación relacionados. Se diseñó un nuevo sistema de robot móvil con ruedas, en el que las ruedas se pueden desplegar, es decir, las filas izquierda y derecha de ruedas se pueden desplegar. el paralelo original a una forma de 8, y el correspondiente prototipo de tubería transparente está configurado. El experimento real ha verificado la teoría establecida.
La plataforma portadora del robot rastrero, también conocida como "plataforma portadora de movimiento". , es una plataforma que utiliza un mecanismo móvil como soporte y puede transportar selectivamente instrumentos de prueba relevantes según las tareas de producción. Se utiliza en industrias militares, de energía eléctrica, petroleras y petroquímicas, pruebas no destructivas, administración municipal, arqueología y otras. Schroeder Industrial Company ha invertido cierta cantidad de energía en la investigación y el desarrollo de este proyecto. Con el arduo trabajo de un grupo de talentos destacados, los productos se venden en el país y en el extranjero. El "Informe de calidad de Shenzhen (3)" explica en detalle que esta empresa ha creado sofisticados equipos de inspección de tuberías para el pulso de la ciudad. Canción Rongqing