管道内壁四足爬壁机器人及其运动学分析方法技术

本发明专利技术公开了一种管道内壁四足爬壁机器人及其运动学分析方法，四足爬壁机器人包括腰关节、连接腰关节的四条腿和控制器，四条腿两两一组，分布在腰关节的两侧，每条腿由髋关节、大腿关节、小腿关节、连接架和足端构成，髋关节、大腿关节、小腿关节均可旋转地安装在连接架上，且髋关节、大腿关节、小腿关节和足端通过连接架依次连接，同组的两条腿之间通过连接架相连接；控制器设于腰关节，控制器连接并控制每条腿的关节和足端。本发明专利技术机器人可在管道内灵活运动。本发明专利技术通过对机器人进行运动学分析，既对机器人在管道中的位置和姿态进行分析，又对机器人单腿坐标系进行分析，求出了机器人运动的正逆学解，可方便机器人的运动控制。制。制。

【技术实现步骤摘要】
管道内壁四足爬壁机器人及其运动学分析方法


[0001]本专利技术涉及机器人
，特别涉及一种管道内壁四足爬壁机器人及其运动学分析方法。

技术介绍

[0002]管道广泛应用在我们生活的方方面面，比如城市大型下水管道、城市电网管道、燃气大型输送管道、水厂送水管路、工业输油管道、电网高压GIS管道开关等。但在面对各种各样的管路问题，比如堵塞、检修、泄露、老化等时，由于管路的特殊性，管道内的物质人体不易接触，且大部分也不宜直接接触到，管道也较为狭窄，人工也不易操作，因此对管道的维修检测造成了极大的困难，即使人工可达，但是效率也极其低下。因此很多学者针对管道问题研制专用的机器人代替人工进行操作。
[0003]四足爬壁机器人由于其独特的结构，自由度多，除了能够实现简单的前后左右，还可以实现转弯和强大的负载能力，因此越来越多地被使用在管道环境中。爬壁机器人在实际工作中，遇到的壁面一般也不是平面，大多数是弧面或因工艺误差、外力作用或杂质沉积形成的凹凸不平的表面，因此如何设计能在管道中灵活运动的四足爬壁机器人，如何对四足爬壁机器人进行运动控制，是目前的研究热点，其中四足爬壁机器人的运动学分析是运动控制的基础。

技术实现思路

[0004]本专利技术的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种管道内壁四足爬壁机器人，可在管道内灵活运动。
[0005]本专利技术的第二目的在于提供一种管道内壁四足爬壁机器人的运动学分析方法，可求出正逆运动学解，方便机器人的运动控制。
[0006]本专利技术的第一目的通过下述技术方案实现：
[0007]一种管道内壁四足爬壁机器人，包括腰关节、连接腰关节的四条腿和控制器，四条腿两两一组，分布在腰关节的左、右两侧，每条腿由髋关节、大腿关节、小腿关节、连接架和足端构成，髋关节、大腿关节、小腿关节均可旋转地安装在连接架上，且髋关节、大腿关节、小腿关节和足端通过连接架依次连接，同组的两条腿之间通过连接架相连接；控制器设于腰关节，控制器连接并控制每条腿的髋关节、大腿关节、小腿关节、足端。
[0008]优选的，髋关节、大腿关节、小腿关节均含有舵盘和安装在舵盘上的关节伺服电机，舵盘与连接架机械连接，舵盘与每个关节伺服电机的输出轴相连接，且随输出轴的转动而转动，每个关节伺服电机通过线缆连接至控制器。
[0009]优选的，两组腿在腰关节上对称分布，对于腰关节前、后两端的两个髋关节，其轴心线所在平面和腰关节上表面平行；大腿关节的关节轴心线和髋关节的关节轴心线连线相交且垂直；大腿关节的关节轴心线和小腿关节的关节轴心线相互平行；小腿关节的关节轴心线和足端对称轴轴心线相互平行。
[0010]优选的，腰关节上安装有摄像头，摄像头连接控制器，并由控制器控制。
[0011]优选的，足端为真空吸盘装置。
[0012]本专利技术的第二目的通过下述技术方案实现：
[0013]一种管道内壁四足爬壁机器人的运动学分析方法，包括如下步骤：
[0014]S1、构建管道基础坐标系{O}和机器人本体坐标系{E}；
[0015]S2、通过管道基础坐标系和机器人本体坐标系的旋转变化，确定四足爬壁机器人在管道中的位置；
[0016]S3、根据四足爬壁机器人的关节位置，建立多个单腿坐标系：单腿坐标系{A0}与机器人本体坐标系{E}重合；单腿坐标系{A1}建立在髋关节的关节伺服电机轴心上，三轴方向与坐标系{A0}相同；单腿坐标系{A2}建立在大腿关节的关节伺服电机轴心上，其y
A2
轴与大腿关节电机左、右侧表面平行；单腿坐标系{A3}建立在小腿关节的关节伺服电机轴心上，y
A3
轴与小腿关节电机左、右侧表面平行；单腿坐标系{A4}建立在小腿关节末端上，三轴的方向与单腿坐标系{A3}相同；单腿坐标系{A5}建立在足端上，三轴的方向与单腿坐标系{A4}相同；
[0017]S4、通过单腿坐标系之间的旋转变化，得出四足爬壁机器人的正运动学解，基于正运动学解可确定四足爬壁机器人的关节和足端位置；
[0018]S5、再对正运动学解进行公式变换，得出四足爬壁机器人的逆运动学解，基于逆运动学解，给定足端目标位置即可求解出需控制的髋关节、大腿关节、小腿关节的旋转角度。
[0019]优选的，在步骤S1中，以管道的中心位置为原点，管道轴向为x轴方向，以垂直向上为y轴，z轴与x、y轴相垂直，建立管道基础坐标系{O}；
[0020]以四足爬壁机器人的机械中心为原点，x轴与四足爬壁机器人的前进方向共线，垂直机身表面向上为y轴，z轴与x、y轴相垂直，建立机器人本体坐标系{E}。
[0021]优选的，步骤S2具体为：
[0022]设定四足爬壁机器人腰关节长2a，宽2b,高2c，髋关节L1，大腿关节长L2，小腿关节长L3，足端关节长L4；
[0023]定义机器人本体坐标系原点O
E
在管道基础坐标系{O}中的位置为(L
X
,L
Y
,L
Z
)，其坐标系相对管道基础坐标系沿x、y、z轴旋转的三个角度参数为α、β、γ；
[0024]坐标系{E}相对{O}坐标系变换矩阵为：
[0025][0026]式中：R(z,γ)、R(y,β)、R(x,α)分别表示坐标系绕z、y、x轴旋转的角度，L(L
X
,L
Y
,L
Z
)表示坐标系移动的位移；
[0027]即可通过三个已知的转角和位移，求得机器人机身的位姿矩阵，以量化机器人在管道中的位置和姿态；
[0028]在四足爬壁机器人运动过程中，给定具体的机器人起始姿态，机器人机身坐标系原点O
E
在管道世界坐标系原点O
O
的正下方，其偏角α、β、γ都为零，坐标系{E}相对{O}坐标系
变换矩阵为：
[0029][0030]式中，R表示管道内径半径；为两个坐标系原点在z轴上的坐标差值。
[0031]更进一步的，正运动学解的求解过程如下：
[0032]联立单腿坐标系{A5}和{A0}的旋转变换，单腿坐标系{A0}相对于坐标系{A5}的旋转矩阵为：
[0033][0034]式中，θ
A1
，θ
A2
，θ
A3
分别表示单腿髋关节、大腿关节、小腿关节的转角；为{A4}相对于坐标系{A5}的旋转矩阵；为{A3}相对于坐标系{A4}的旋转矩阵；为{A2}相对于坐标系{A3}的旋转矩阵；为{A1}相对于坐标系{A2}的旋转矩阵；为{A0}相对于坐标系{A1}的旋转矩阵；
[0035]得出正运动学解：
[0036][0037][0038]其中，
A0
P为{A0}的正运动学解；
A5
P为{A5}的正运动学解；x
A0
，y
A0
，z
A0
是指足端位置的坐标值。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管道内壁四足爬壁机器人，其特征在于，包括腰关节、连接腰关节的四条腿和控制器，四条腿两两一组，分布在腰关节的左、右两侧，每条腿由髋关节、大腿关节、小腿关节、连接架和足端构成，髋关节、大腿关节、小腿关节均可旋转地安装在连接架上，且髋关节、大腿关节、小腿关节和足端通过连接架依次连接，同组的两条腿之间通过连接架相连接；控制器设于腰关节，控制器连接并控制每条腿的髋关节、大腿关节、小腿关节、足端。2.根据权利要求1所述的管道内壁四足爬壁机器人，其特征在于，髋关节、大腿关节、小腿关节均含有舵盘和安装在舵盘上的关节伺服电机，舵盘与连接架机械连接，舵盘与每个关节伺服电机的输出轴相连接，且随输出轴的转动而转动，每个关节伺服电机通过线缆连接至控制器。3.根据权利要求1所述的管道内壁四足爬壁机器人，其特征在于，两组腿在腰关节上对称分布，对于腰关节前、后两端的两个髋关节，其轴心线所在平面和腰关节上表面平行；大腿关节的关节轴心线和髋关节的关节轴心线连线相交且垂直；大腿关节的关节轴心线和小腿关节的关节轴心线相互平行；小腿关节的关节轴心线和足端对称轴轴心线相互平行。4.根据权利要求1所述的管道内壁四足爬壁机器人，其特征在于，腰关节上安装有摄像头，摄像头连接控制器，并由控制器控制。5.根据权利要求1所述的管道内壁四足爬壁机器人，其特征在于，足端为真空吸盘装置。6.一种管道内壁四足爬壁机器人的运动学分析方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建管道基础坐标系{O}和机器人本体坐标系{E}；S2、通过管道基础坐标系和机器人本体坐标系的旋转变化，确定四足爬壁机器人在管道中的位置；S3、根据四足爬壁机器人的关节位置，建立多个单腿坐标系：单腿坐标系{A0}与机器人本体坐标系{E}重合；单腿坐标系{A1}建立在髋关节的关节伺服电机轴心上，三轴方向与坐标系{A0}相同；单腿坐标系{A2}建立在大腿关节的关节伺服电机轴心上，其y
A2
轴与大腿关节电机左、右侧表面平行；单腿坐标系{A3}建立在小腿关节的关节伺服电机轴心上，y
A3
轴与小腿关节电机左、右侧表面平行；单腿坐标系{A4}建立在小腿关节末端上，三轴的方向与单腿坐标系{A3}相同；单腿坐标系{A5}建立在足端上，三轴的方向与单腿坐标系{A4}相同；S4、通过单腿坐标系之间的旋转变化，得出四足爬壁机器人的正运动学解，基于正运动学解可确定四足爬壁机器人的关节和足端位置；S5、再对正运动学解进行公式变换，得出四足爬壁机器人的逆运动学解，基于逆运动学解，给定足端目标位置即可求解出需控制的髋关节、大腿关节、小腿关节的旋转角度。7.根据权利要求6所述的管道内壁四足爬壁机器人的运动学分析方法，其特征在于，在步骤S1中，以管道的中心位置为原点，管道轴向为x轴方向，以垂直向上为y轴，z轴与x、y轴相垂直，建立管道...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁，吴骄任，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：