【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及攀爬机器人，特别是一种三爪式管道攀爬机器人。
技术介绍
1、随着工业的进步和机器人的研究和发展，越来越多的研究人员将机器人的应用方向着眼于取代人工进行复杂性、重复性和危险性的工作，为了使机器人在执行任务时更加灵活和精准，同时能够适应不同工作环境的变化，提高工作效率和精度，需要在对机器人进行位置控制的基础上加入力控制。机器人末端位置和接触力的控制方法主要有两种：阻抗控制和力-位置混合控制。阻抗控制是建立末端作用力与末端位置偏差的关系，将其等效为“弹簧-质量-阻尼”模型，通过控制机器人位移间接实现控制末端作用力。力-位置混合控制是将控制信号分解为位置和力两个独立部分，同时实现对机器人末端接触力和位置期望值的跟踪控制。
2、力-位置混合控制方法最初由raibert和craig提出，而后经过khatib以及yoshidawa等人的不断改进，在机器人与复杂环境进行接触交互的过程中，力-位置混合控制方法具有了更好的控制性能。力位置混合控制方法的广泛应用为不同领域的机器人带来更多的可能性和机遇，推动机器人技术的发展和应用范围的扩大。shoulin xu和bin he提出了连续体机器人与环境的顺应性，用来说明柔性结构对连续体机器人位置精度和受力精度的影响，在此基础上，提出了一种新的连续体机器人位置/力混合控制模型。jian chang等人利用力-位置混合控制方法实现对七自由度冗余机械臂的控制，从而完成对机械臂末端的路径规划。yongdong wang提出了一种正弦曲线控制方法，加快蛇形机器人的移动速度，该控制方法采用混
3、对于攀爬机器人也有多种控制方法。guangli sun为自己的绳索攀爬机器人提出了一种新的基于视觉的自适应控制器，使机器人能够在绳索未知振动的情况下执行高精度任务。qingfang zhang等人分析了爬墙机器人地壁内部过渡运动的运动学特性和动力学模型，最后采用了pid控制策略，顺利完成机器人在地和墙之间的过渡运动。carlos prados对于模块化腿式攀爬机器人，通过计算的每个执行器施加的扭矩以补偿重力的方法，提出了一种基于扭矩的pd控制器来控制腿部模块的位置，使平均角度和线性误差以及执行器的功率要求显着降低。higor barbosa santos采用mpc方法，通过攀爬机器人的动力学和运动学建模来补偿由于重力、摩擦力和附着力而产生的非线性影响，解决了四轮攀爬机器人的速度跟踪的问题。
4、攀爬机器人对于高空作业、管道巡检有重要的意义，是机器人研究领域的重要课题。为了实现对天然气输送管道的检查和维护，亟待研制了一种三爪式管道攀爬机器人。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种三爪式管道攀爬机器人。
2、为达到上述目的，本专利技术是按照以下技术方案实施的：
3、一种三爪式管道攀爬机器人，包括躯干结构、攀爬结构、固定结构、电源和控制器；躯干结构包括连杆p0、连杆p1、连杆p2、连杆p3、连杆p4构成，连杆p0的一端与连杆p1的一端通过转动关节j1铰接，连杆p1的另一端与连杆p2的一端通过转动关节j2铰接，连杆p2的另一端与连杆p3的一端通过转动关节j3铰接，连杆p3的另一端与连杆p4的一端通过转动关节j4铰接，转动关节j1、转动关节j2、转动关节j3、转动关节j4上分别安装有关节驱动伺服电机；
4、攀爬结构由上攀爬爪机构c1、下攀爬爪机构c2组成；上攀爬爪机构c1、下攀爬爪机构c2均包括夹具、固定连杆、固定安装板、主动轮、从动轮和攀爬驱动伺服电机，夹具包括左右对称设置的两个夹爪，夹爪内侧壁后端分别铰接有固定连杆，固定连杆的端部铰接在固定安装板前端的上端面上，其中一个夹爪的内侧壁末端铰接有主动轮，另一个夹爪的内侧壁末端铰接有与主动轮啮合的从动轮，从动轮和主动轮转动安装在固定安装板上，固定安装板后端固定安装在连杆p4或连杆p0前端，攀爬驱动伺服电机固定在固定安装板下端面且攀爬驱动伺服电机的输出轴端部贯穿固定安装板后与主动轮固定连接；
5、固定结构位于上攀爬爪机构c1、下攀爬爪机构c2之间，由连杆p5、连杆p6、连杆p7和固定爪结构c3组成，连杆p5的一端固定在连杆p2的内端面，连杆p5的另一端与连杆p6的一端通过关节j5铰接，连杆p6的另一端与连杆p7的一端通过关节j6铰接，连杆p7的另一端与固定爪的一端通过关节j7铰接；，在机器人进行攀爬动作时，攀爬爪c2会完全打开，固定爪会先一步夹紧管道，防止机器人发生滑落或向后倾倒的情况；
6、电源，固定在连杆p2的外端面上，用于供电；
7、九轴传感器，设置于各关节上并与控制器连接，用于实时检测各关节的位置姿态，并输出各关节的实际的位姿信号至控制器；
8、薄膜压力传感器，安装在上攀爬爪和下攀爬爪的接触面并与控制器相连，用于实时检测上攀爬爪和下攀爬爪与管道的作用力，当机器人进行每一步运动步态前，根据实际夹持力的大小实现了对攀爬爪位置的动态控制；
9、控制器，固定于电源上，内置有控制系统，控制系统由两部分组成，由基于力的阻抗控制实现期望的末端接触力的跟踪控制即阻抗控制器；基于位置的导纳控制实现期望的各关节运动状态的跟踪控制即导纳控制器；用于实现管道攀爬机器人根据预设动作组进行连续稳定的管道攀爬。
10、进一步地，基于力的阻抗控制包括：
11、机器人内部的力控制和外部的阻抗计算；外环的阻抗计算环节根据系统的参考运动状态实际运动状态以及对应的期望阻抗参数模型(m，b，k)，计算出期望阻抗模型需要作用在机器人末端的参考力fr：
12、
13、设置攀爬爪抓取管道力的大小即期望力fd，通过期望力fd与参考力fr进行做差，使机器人末端执行器攀爬爪的夹紧力度实现对期望力fd的全程跟踪：
14、δf＝fd-fr；
15、采用pi控制实现内环的力控制，设置pi控制的参数有得到通过基于力的阻抗控制在笛卡尔坐标系下机器人的控制力矩为：
16、
17、进一步地，基于位置的导纳控制包括：
18、机器人位置控制内环和用于导纳控制的外环；根据机器人攀爬时与管道产生的实际作用力fe以及对应的期望阻抗模型参数(md，bd，kd)，通过外环的导纳控制产生位置的修正量：
19、
20、将参考位置xr、位置的修正量e以及实际位置x输入到内环的位置控制器，使实际位置x跟踪期望位置xd，实现机器人的基于位置的导纳控制：
21、xd＝x+δx；
22、内环的位置控制采用pd控制，参数有kp、kv，得到通过基于位置的导纳控制在笛卡尔坐标系下机器人的控制力矩为：
23、
24、与现有技术相比，本专利技术的三本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三爪式管道攀爬机器人，包括躯干结构、攀爬结构、固定结构、电源和控制器；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的三爪式管道攀爬机器人，其特征在于，基于力的阻抗控制包括：
3.根据权利要求1所述的三爪式管道攀爬机器人，其特征在于，基于位置的导纳控制包括：
【技术特征摘要】
1.一种三爪式管道攀爬机器人，包括躯干结构、攀爬结构、固定结构、电源和控制器；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的三爪式管道攀...
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