面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人及其运动控制方法

1.面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人，其特征在于，包括机器人控制系统(1)、检测感知系统(2)、被动柔顺系统(3)、机器人机架(4)及驱动系统(5)，其中被动柔顺系统(3)和机器人控制系统(1)分别设置于机器人机架(4)的前后端，被动柔顺系统(3)具有滚转及偏航的自由度；驱动系统(5)包括右前轮驱动装置(51)、左前轮驱动装置(52)、右后轮驱动装置(53)及左后轮驱动装置(54)，其中右前轮驱动装置(51)和左前轮驱动装置(52)均设置于被动柔顺系统(3)的下方，右后轮驱动装置(53)和左后轮驱动装置(54)均设置于机器人机架(4)的后端下方；检测感知系统(2)安装在被动柔顺系统(3)和机器人机架(4)上，检测感知系统(2)用于检测机器人机架(4)的位姿信息及被动柔顺系统(3)的滚转和偏航信息且反馈给机器人控制系统(1)，机器人控制系统(1)根据爬壁机器人本体坐标系之间的变换关系，获取爬壁机器人在管道曲面环境下的运动学模型，根据运动学模型，对驱动系统(5)进行速度控制；所述检测感知系统(2)包括：一个倾角传感单元(21)和两个角度传感器单元(22)，其中倾角传感单元(21)设置于所述机器人机架(4)的中心，用于反馈机器人与管道母线之间的夹角；两个角度传感器单元(22)分别设置于偏航轴(302)和横滚轴(303)上，用于反馈以偏航轴(302)和横滚轴(303)中心轴线为中心相对旋转的角度参数并提供给所述机器人控制系统(1)；所述倾角传感单元(21)包括陀螺仪和加速度计。 2.根据权利要求1所述的面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述被动柔顺系统(3)包括复位弹簧(301)、偏航轴(302)、横滚轴(303)、安装底座(304)及上连接法兰，其中横滚轴(303)转动安装在安装底座(304)上，偏航轴(302)的一端与横滚轴(303)垂直连接，偏航轴(302)的另一端与上连接法兰转动连接，上连接法兰通过对称设置在横滚轴(303)两侧的两个复位弹簧(301)与安装底座(304)连接，上连接法兰与所述机器人机架(4)连接。 3.根据权利要求1所述的面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述被动柔顺系统(3)的下方设有前驱动装置安装座，所述右前轮驱动装置(51)和所述左前轮驱动装置(52)对称设置于前驱动装置安装座上；所述机器人机架(4)的后端设有后驱动装置安装座，所述右后轮驱动装置(53)和所述左后轮驱动装置(54)对称设置于后驱动装置安装座上。 4.根据权利要求3所述的面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述右前轮驱动装置(51)、左前轮驱动装置(52)、右后轮驱动装置(53)及左后轮驱动装置(54)结构相同，均包括无刷直流电机(521)、多级齿轮传动机构(522)及吸附磁轮(523)，其中无刷直流电机(521)的输出端通过多级齿轮传动机构(522)与吸附磁轮(523)连接，吸附磁轮(523)转动安装在前驱动装置安装座或后驱动装置安装座的下端；所述前驱动装置安装座和所述后驱动装置安装座结构相同，均包括位于上部的电机容置腔及设置于电机容置腔两端的齿轮箱，所述无刷直流电机(521)容置于电机容置腔内，所述多级齿轮传动机构(522)容置于齿轮箱内；所述多级齿轮传动机构(522)包括由上至下依次啮合传动的齿轮A(5223)、齿轮B(5224)及齿轮C(52210)，其中齿轮A(5223)设置于所述无刷直流电机(521)的输出轴上，齿轮B(5224)转动安装在所述前驱动装置安装座或所述后驱动装置安装座上，齿轮C(52210)设置于所述吸附磁轮(523)的磁轮支撑轴(52212)上。 5.根据权利要求1～4任一项所述的面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建爬壁机器人所在管道的管道全局坐标系{W}和机器人质心坐标系{M}；2)通过管道全局坐标系{W}和机器人质心坐标系{M}的相对变化，确定爬壁机器人在管道中的位置；3)根据爬壁机器人被动柔顺系统(3)的位置和多个吸附磁轮(523)与管壁的点接触位置，建立爬壁机器人本体坐标系，以及多个吸附磁轮(523)与管壁的接触坐标系；4)根据爬壁机器人本体坐标系之间的变换关系，获取爬壁机器人在管道曲面环境下的运动学模型；5)根据运动学模型，得到机器人本体在参考坐标系中的位姿变化率，并根据位姿变化率确定爬壁机器人的各吸附磁轮(523)的驱动速度 进而实现爬壁机器人的运动控制。 6.根据权利要求5所述的面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人的运动控制方法，其特征在于，所述步骤1)，具体为：以管道横截面的中心点为原点，管道轴向为z轴方向，以垂直向上方向为x轴，并使y轴与x、z轴相垂直，完成管道全局坐标系{W}的建立；以机器人质心为原点，机器人前进方向为z轴方向，以垂直与机器人顶部平面为x轴，并使y轴与x、z轴相垂直，完成机器人质心坐标系{M}的建立。 7.根据权利要求5所述的面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人的运动控制方法，其特征在于，所述步骤2)，具体为：假设在t时刻的瞬时时刻t+Δt时，机器人质心坐标系{M}的坐标变换位姿矢量为u＝[xy z φ x φ y φ z ] T ，则有：其中，(x，y，z)和(φ x ，φ y ，φ z )分别为表示机器人质心坐标系{M}的位移和绕x、y、z轴旋转的角度， 和 分别为机器人质心坐标系{M}在机器人质心瞬时重合坐标系 中的速度分量和角速度分量。 8.根据权利要求5所述的面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人的运动控制方法，其特征在于，所述步骤3)，具体为：假设吸附磁轮(523)简化为刚性圆盘，吸附磁轮(523)与管壁之间的接触为点接触，通过Sheth-Uicker方法建立爬壁机器人的本体坐标系，以及多个吸附磁轮(523)与管壁的接触坐标系，则有：所述爬壁机器人的本体坐标系，包括：机器人质心坐标系{M}、偏航坐标系{F 1 }、横滚坐标系{F 2 }以及轮心坐标系{O i (i＝1，2，3，4)}；所述偏航坐标系{F 1 }建立在被动柔顺系统(3)的偏航轴(302)上，其zF 1 轴与偏航轴(302)重合，xF 1 轴与横滚轴(303)平行；所述横滚坐标系{F 2 }建立在被动柔顺系统(3)的横滚轴(303)上，其zF 2 轴与横滚轴(303)重合，yF 2 轴与左右前磁轮支撑轴平行；所述轮心坐标系{O i (i＝1，2，3，4)}与吸附磁轮(523)中心重合，yO i 轴与磁轮支撑轴重合，zO i 轴指向吸附磁轮(523)前进方向；其中，i分别为对应吸附磁轮(523)序号；所述多个吸附磁轮(523)与管壁的接触坐标系为：轮壁接触坐标系{P i (i＝1，2，3，4)}与轮壁接触点重合，yP i 轴指向磁轮中心，zP i 指向轮壁切线方向；其中，i分别为对应磁轮序号；机器人质心瞬时重合坐标系 与机器人质心坐标系{M}在t时刻的瞬时时刻重合；轮壁接触瞬时重合坐标系 与轮壁接触坐标系{P i }在t时刻的瞬时时刻重合。 9.根据权利要求5所述的面向高曲率管径面的轮式爬壁机器人的运动控制方法，其特征在于，所述步骤4)～步骤5)，具体为：根据机器人本体结构和管道结构特征，获得轮壁接触坐标系{P i (i＝1，2，3，4)}相对轮壁接触瞬时重合坐标系 的齐次变化矩阵在时刻t的导数 为：其中，R’表示相对曲率半径，r表示吸附磁轮(523)半径， 表示吸附磁轮(523)的角速度， 表示吸附磁轮(523)与壁面的几何接触角变化率，爬壁机器人的本体坐标系的坐标变换矩阵通过机器人相关结构尺寸和被动柔顺系统(3)的偏航角和横滚角得出；通过爬壁机器人的本体坐标系，以及多个吸附磁轮(523)与管壁的接触坐标系之间的变换关系，得到t时刻机器人质心坐标系{M}相对机器人质心瞬时重合坐标系 的关系，即：对等式两边求导后，根据矩阵逆运算和微分运算原理得到：其中，θ fi (i＝1，2)分别为偏航角和横滚角，D i (i＝1，2，3，4)分别为四个磁轮6×4的雅可比矩阵，将公式(5)合并，得到爬壁机器人在管道曲面环境下的运动学模型：其中， 包含驱动吸附磁轮i的驱动速度矢量、被动柔顺系统(3)的旋转角度的变化率和轮壁几何接触角的变化率；被动柔顺系统(3)的旋转角度θ f1 和θ f2 由检测感知系统(2)获取，轮壁几何接触角δ i 通过机器人机构与壁面的几何约束关系获取；D i 矩阵为吸附磁轮i的雅可比矩阵，为已知矩阵； 矩阵为位姿变化率，包含机器人质心的变化和三个角度旋转变化；即： 中 三个位置变化和 三个角度变化；根据位姿变化率确定爬壁机器人的各吸附磁轮(523)的驱动速度 即：将公式(6)中获得的 代入至公式(5)，即获取机器人四个磁轮的转速