北京理工大学最新研发 压壁管道机器人平滑运动控制策略

压壁管道机器人（WPPRs）因其强大的环境适应性和出色的运动能力，在油气管道、自然管道、水管道等巡检中得到了广泛应用。目前，关于WPPRs的研究主要集中在使其能够通过复杂管道环境的自适应机械结构设计上。然而，为了让WPPR在管道内平稳移动，还需要研究其运动控制方法。由于管道环境对WPPR的约束是过约束的，这给WPPR的运动控制带来了很大困难。

近日北京理工大学机电工程学院联合中国空间技术研究院、意大利罗马第二大学工业工程系机器人机电一体化实验室等研究机构设计了一款压壁管道机器人，并通过平滑运动控制策略（SMCP），有效解决WPPR在运动控制中遇到的运动不连续、卡顿和机体变形等关键问题。

▍差分驱动模式（DDM）是在平滑运动控制策略（SMCP）中的使用

差分驱动模式（DDM）是WPPR在管道内实现移动的一种常用驱动方式。无论WPPR的平移运动和旋转运动是否耦合，其运动都可以通过DDM实现。从动力单元传递到机器人本体的速度是决定机器人姿态的关键因素。

在管道环境中，如果管道机器人的实际姿态不合理，它将受到阻碍其运动的管道壁的作用力。为了使WPPR顺利通过管道，传递到WPPR本体的速度应服从DDM。换句话说，根据管道特性和DDM，可以获得WPPR的目标速度。当WPPR在直管道、漏斗型管道和C型管道中移动时，传递到WPPR本体的各行走单元的速度比必须等于行走单元所在管道曲线半径的比。

▍摩擦力与机器人姿态的关系

当WPPR在由两种不同类型管道组成的接头中移动时，其机体必须同时位于两种管道中。然而，仅由DDM计算出的一组速度无法满足机器人所有行走单元的实际需求，且管道接头处的间隙也会阻碍行走单元的运动。

此外，管道壁上的粘附物会导致摩擦系数变化，从而使机器人的行走单元打滑，进而改变机器人的姿态。显然，仅依靠DDM无法使WPPR以理想姿态顺利通过管道，因此需要对行走单元的实时相对姿态进行控制。

研究团队构建了行走单元驱动电机负载与WPPR相对姿态之间的关系，提出了一种仅依赖行走单元驱动电机电流的实时相对姿态估计方法。这种方法具有普遍性，可以应用于不同类型的WPPRs。

▍SMCP的控制过程

在狭窄且封闭的管道环境中，由于管道环境阻断了信号的传输，测量管道内WPPR的位置和姿态变得非常困难。研究团队根据构建的关系式，设计了一个姿态角求解器，并基于该求解器设计了一种闭环姿态控制方法，以确保WPPR的平稳运动。

在具体实施上，研究人员首先根据WPPR的初始滚转角和DDM计算出行走单元的目标速度，该速度使WPPR具有通过管道的理想姿态。之后将目标速度发送给行走单元的驱动电机，并构建一个PID控制器，以保持行走单元驱动电机的输出速度等于目标速度。

由于摩擦系数降低和障碍物的存在，传递到WPPR本体的速度可能不等于行走单元的输出速度，实际姿态也不等于理想姿态。此时，将行走单元驱动电机的电流作为姿态求解器的输入信号，获得WPPR的实际姿态。之后通过计算理想姿态与实际姿态之间的差异，并将其作为速度校正器的输入信号。更新目标速度，使实际姿态等于理想姿态。

▍压壁管道机器人的结构与参数设计

为了验证SMCP的实际效果，研究团队设计了一种压壁管道机器人（SWPPR）。SWPPR的行走单元为履带，其头部和尾部的结构相同。四条履带均匀安装在SWPPR的滚轴上，这种布局实现了机器人偏航和俯仰姿态的解耦控制，同时有效避免了控制奇异性。SWPPR的支撑机构为剪刀式机械腿（SML），由领先螺旋机构（LSW）提供动力，使四条SML在同一横截面内同步伸长或缩短。

当SWPPR在直管道或漏斗型管道中移动时，如果传递到SWPPR本体的速度等于目标速度，则SWPPR的偏航角和俯仰角为零，只有滚转角不确定。当SWPPR在C型管道中移动时，如果速度满足DDM，则偏航角和俯仰角等于连接线段l_oi_or的方向角。一旦履带打滑或被阻碍，传递到SWPPR本体的速度将不等于目标速度，SWPPR的姿态将发生变化。根据几何关系，可以计算出当理想姿态与实际姿态之间的角度差为零和不为零时，SML的长度差。

根据控制过程，研究团队设计了压壁管道机器人的SMCP。首先设置初始滚转角，并根据DDM计算行走单元的速度。之后根据行走单元驱动电机的实时电流和构建的关系式，获得SWPPR的理想姿态与实际姿态之间的差异。使用这些差异来校正目标速度，并通过PID控制器保持行走单元驱动电机的输出速度等于校正后的目标速度，从而使SWPPR的实际姿态等于理想姿态。

▍C型管道下测试实际性能：

为了验证SMCP的效果，研究人员设计了一个测试平台，包括一直管道和一C型管道，管道直径为180mm，C型管道的转弯半径为200mm。并在不同管道之间的连接处设置障碍物。

在实验当中，研究人员设置了两个组进行对比试验：实验a中SWPPR不采用SMCP，实验b中SWPPR采用SMCP。

实验结果表明，在相同管道环境中，采用SMCP的SWPPR移动速度更快、更稳定，且动力单元承受的负载更小。具体来说，实验b中四条履带驱动电机的电流方差小于实验a，意味着履带驱动电机的负载更稳定，SWPPR的运动更平滑。

▍结语与未来：

北京理工大学研究团队为压壁管道机器人构建了一种平滑运动控制策略，该策略能够有效减少摩擦系数突变对运动的影响，避免WPPR运动不连续和承受额外力。此外，WPPR行走单元负载与相对姿态之间的关系，为在完全封闭、狭窄的管道环境中实现姿态感知提供了一种方法，大大降低了对传感器的依赖。从整体结果来看，研究人员通过SWPPR来验证控制策略的效果，并通过重复对比实验有效验证了SMCP的有效性。该研究成果有效解决了壁面贴附管道机器人在运动过程中遇到的运动不连续、卡顿及机体变形等问题，为压壁管道机器人的稳定运动提供了可靠的方法。