轮式通风管道清污机器人弯道通过性的研究

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1、Vol.3No.7/Jul.2009轮式通风管道清污机器人弯道通过性的研究宋章军刘会芬摘 要弯道是清污机器人在通风管道中作业时遇到的主要障碍。为了实现机器人能够在弯道处作业和自主行驶通过弯道，本文结合通风管道弯道的几何特点和轮式清污机器人的结构特点，分别分析了轮式清污机器人在矩形风管弯道和圆形风管弯道的通过性条件，提出了基于碰撞检测的自主通过矩形风管弯道和基于倾斜传感器信息的自主通过圆形风管弯道控制算法，并且通过实验验证了该算法的有效性。关键词通风管道清污机器人；弯道通过性；轨迹规划；运动控制1 引言宽

2、度为bc。刷头的两端分别为J点和K点，刷头的宽度为bb，机器人本体的长度为hr。Y随着人们对空气质量的重视，通风管道清污机bⶽᔶᔃ䘧ջຕ[1]器人在我国得到了快速发展。清华大学、上海交通RĘ[2][3][4]K大学、北方工业大学、东华大学等对通风管道bbę清污机器人进行了研究。弯道是管道机器人作业时aJCr遇到的主要障碍，克服该障碍的能力用机器人在弯1rbrc2[5]B道处通过性来描述。对于轮子空间布置的轮式管内hrr机器人，当管道的管径较小时，采用差速驱动的办3[6-7]法通过弯道；当管道的管径较大时

3、，可采用平行rPXbO[8]R四边形多轮机构提高其弯道通过性。由于结构和运图1轮式清污机器人和矩形风管弯道模型动学模型不同，上述方法不能解决轮子平面布置的由于机器人上的B、C、J、K四点是最容易与管轮式清污机器人在通风管道弯道处的通过性问题。r壁相碰部分，可以用等腰梯形BCJK表示包括刷头在KR对于轮子平面布置的轮式清扫机器人的弯道通内的轮式清污机器人外形轮廓，如图2所示。机器人过性问题，按照其工作环境分矩形风管和圆形风管一侧紧靠内壁时在弯道中有三种典型位姿：Ⅰ是机g两种情况讨论。本文结合轮式清污机器人

4、的结构特器人与弯道内侧管壁相切于rBBJ中点，Ⅱ是机器人与h点，建立了矩形风管和圆形风管弯道模型，分别分b弯道内侧管壁相切于过rK点的与JBh垂直的垂足，Ⅲ是析了通过性条件和提出了自主通过弯道的运动控制机器人与弯道内侧管壁相切于机器人车体的后侧最算法。外端B点。从图2中看到，由于bc，所以Ⅱ所示位姿需要弯道的管道宽度最小。2 矩形管道中轮式清污机器人的弯DbY道通过性与自主通过弯道算法bⶽᔶᔃ䘧ջຕK᠟㞖RĘlbK೚ᔶ亢ㅵ2.1矩形管道中轮式清污机器人的弯道通过性ᔃ䘧ㅵຕbbęa由于水平矩形管道侧壁与水

5、平垂直，所以可以JCr1rbrc用俯视图来描述弯道模型。如图1所示，弯道内侧管r2BKhrP壁的曲率半径为R，弯道外侧管壁的曲率半径为，rċ3它们圆心同为O，弯道部分对应圆心角为(垂直弯道rcrXOO的为90°)。对于轮式清污机器人，清扫刷头安装PbR在手臂的前端。机器人的尾部，前端的刷头两端是图2通过矩形弯道的几何条件最容易与管壁相碰部分。B、C两点是机器人车体的分析机器人在弯道处的位姿Ⅱ，为使清污机器r最外端，同时也是车体尾部的末端，机器人车体的K人能通过弯道，理论上必须满足几何条件R2grBhb

6、rhbcDbK᠟㞖lb೚ᔶ亢ㅵᔃ䘧ㅵຕrKPrcO轮式通风管道清污机器人弯道通过性的研究(1)为使机器人能够一次转向通过弯道，需满足其中，(4)(2)其中rB为B点到瞬时转动中心的距离，rK为K点到瞬时转动中心的距离。由图3得到轮式清污机器人在矩形风管中作业时，由于其运行在平面上，当机器人的舵轮转角确定时，每个(5)轮子的瞬时轨迹是确定的，即围绕瞬时转动中心转动。机器人原点P与瞬时转动中心(ICR，见图3)之间(6)的距离为其中rP由式(3)求出，hb为刷头上K点到后轮轴的(3)距离。其中h表示轮式清污

7、机器人的轴距，为机器人满足几何约束条件和运动约束条件之后，如果的舵轮转角。机器人上B、C、J、K点的瞬时运动轨还满足式(4)，机器人则可以通过一次转向通过弯迹都是以瞬时转动中心为圆心的圆弧。当机器人在道，否则需要多次调整舵轮转角才能通过弯道。弯道中行驶时，B、C、J、K的轨迹须始终在半径为多次调整舵轮转角通过弯道是一个复杂的轮R与r之间的圆环区域之内，即如果没有风管侧壁的式移动机器人路径规划问题。管道内环境是一个未限制，转弯过程中B、C、J、K的运动轨迹仍在弯道知的环境，清污机器人很难识别矩形弯道的几何

8、形中，这是轮式清污机器人通过矩形弯道的运动约束状和在弯道中准确定位，所以矩形风管弯道处的路条件。径规划是一个难题。由于通风管道清污机器人在管轮式清污机器人在矩形风管弯道中作业时，机道中清扫作业时，刷头和机器人车体与壁面碰撞是器人和弯道的尺寸如果不能满足几何约束条件，则机难免和允许的。如果机器人与壁面碰撞能够被检测器人根本不可能通过弯道；满足了几何约束条件而不到，那么可以利用碰撞来感知机器人在管道中与管满足运动约束条件，机器人可能会通过弯道，