两相状态下管内机器人的自适应移动机理与控制策略研究

Inspired by the snake's adaptability to the change of environments, we introduce the idea into the research of the in-pipe robot,and then explore an adaptive mobile mechanics for the in-pipe robot. Based on the adoption of the adaptive mobile mechanics, the in-pipe robot can adjust its own pose according to the external environment information, which can improve the environmental adaptability of the robot system. However, most of the motion control systems of the wheeled in-pipe robots can just adjust govern without the capacity of adjusting their own load capacity in a large scale, which cause these robots are lack of the adaptability to environment. The adaptive mobile mechanics allows the robot to adjust the speed and the load capacity simultaneously to adapt the change of the environment, and it also can endue the robot with the same adaptability to environment in both forward and backward directions by making the driving of passive wheel pose activity. Thus the adaptive mobile mechanics can solve the problem of the environmental adaptability in a single direction caused by the passive wheels. Our research will focus on solving these problems including adaptive mobile mechanics, its quantification, and adaptive mechanism based on the master driver real-time state feedback. Meanwhile, the in-pipe robot will be developed to finish the certifications of the adaptive mobile mechanics and the control method, and it also can prove the practicability of the mechanics. This study can supply reservations for the in-pipe robot in theory and application levels, and with a high theoretical and practical value, it can establish a new field of research for the in-pipe robot.

受生物蛇能够自适应环境变化的启发，将这一想法引入管内机器人的研究领域，探索一种适合管内机器人的自适应移动机理。基于该移动机理的机器人能够根据外部环境信息的变化来调整自身的位姿状态，以提高机器人系统的环境适应性。大多数轮式管内机器人的运动控制系统只能调速而不能大范围调节自身的负载能力，缺乏环境适应性。自适应移动机理允许机器人同时调整速度和负载能力来适应环境的变化，而且通过被动轮位姿驱动主动化，使机器人具有前进和后退两个方向上等同的环境适应性，克服了单纯被动轮带来的单一方向环境适应性问题。研究中着重解决自适应移动机理及其定量描述和基于主驱动器实时状态反馈的自适应机制等问题，并基于该机理研制一台机器人样机进行自适应移动机理和控制方法的验证，这也能证明该移动机理的实用性。本研究为管道机器人在理论和应用层面上提供储备，具有较高的理论和实用价值，开辟管道机器人新的研究领域。

大多数的轮式管内机器人的运动控制系统只能调速而不能大范围调节自身的负载能力,环境适应性差。为了提升管内机器人的环境适应性，本研究从“环境适应机构”和“环境适应控制”两个层面出发，提出了螺旋轮角差动式管内机器人及其控制策略。. 考虑环境特性和任务需求，提出了机器人的自适应运动机理及其定量模型。提出了基于公理设计理论的解耦构型设计方法，并设计了螺旋轮角差动式管内机器人构型及相应动力学仿真系统。为了最大限度提升环境适应性，提出了基于改进多目标优化粒子群算法的参数优化设计方法。在优化模型中，建立并充分考虑了机器人动力学关系。基于参数优化结果，提出了螺旋轮角差动式管内机器人的系统设计方案，并对其运动性能进行了试验验证。基于主驱动器反馈信息，提出了定点作业和恒速巡检作业的能量优化控制策略。提出了两相状态下的基于主驱动器实时反馈的力矩控制方法，有效提升了机器人对阻力环境的适应性。螺旋轮角差动式管内机器人螺旋轮角的主动可控制性和被动自适应性使机器人能够更好地适应直弯管管内环境，具有双向的更大的移动速度和负载能力调节范围。. 通过对一整套螺旋轮角差动式管内机器人系统的设计、优化及运动控制方法的研究，为新型管内机器人的系统设计、机构创新、直弯管管道环境下的运动分析和控制问题提供了相关的理论依据和方法指导，为管内机器人结构参数优化设计提供了新的思路和理论基础，该方法对其它机器人设计也具有一定借鉴意义。本课题研究工作丰富了管内机器人的基础设计理论，有利于管内机器人的推广，尤其对螺旋驱动式管内机器人在中小型管道探测任务中的实际应用具有重要的意义，进而提高我国管道检测行业的发展。研究的重要结果发表在国内外知名期刊及机器人方面顶级会议上并申请了相关专利，包括：国际学术期刊发表论文3篇，国际期刊发表论文1篇，其中SCI检索论文3篇、EI收录11篇、申请发明专利3项、实用新型专利2项等。