河南省畅视仪器设备的管道机器人

20世纪70年代，随着石油，化学，天然气和核能工业的发展，以及对管道维护的需求，机器人开始使用管道。ERTUT是法国第一个研究管内机器人理论和原型的学者，1978年他提出了一种轮腿式管内行走机构的IPRIVO模型。

20世纪80年代，日本福田敏男、细贝英实、冈田德次、屈正幸、福田镜三人充分利用法、美等的研究成果，结合现代技术，开发出了多种结构的管道机器人。KyoukR.C等人来自韩国成均馆大学，开发了MRINSPECT系列天然气管道检测机器人。我国在管道机器人方面的研究已经进行了20多年，哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、清华大学、浙江大学、北京石油化工学院、天津大学、太原理工大学、大庆石油管理局、胜利油田、中原油田等单位都做了相关研究。

对于管道机器人的研究，以往的多轮支撑结构研究较多，主要是针对传统轮式移动机器人直接用于环形管道的检测和维护。多轮结构中，当机器人的轮子与壁面接触时，接触点和轮心处的连线位于圆柱的半径方向，而其运动方向与圆柱表面的母线平行，这是单轮在圆柱曲面上位姿的一种特殊情况。

因为轮式移动机器人在管道中工作时，由于管道尺寸不大，容易出现弯道和“T”形接头等缺陷，使每只轮子在管道中的位姿无法预测，从而产生的轮子轴向可能与圆管的半径方向不垂直，因此有必要分析每只轮子在圆管曲面上的任意位姿满足纯滚动和无侧滑条件下的运动特性。

对于轮式管道机器人而言，在实际应用中遇到的问题有：管道弯曲、管道不规则、管道运动干涉、内耗引起的驱动力不足、壁面变形、万向变形以及误差等，这些都会导致机器人在管道中偏离正确的姿态，甚至造成侧翻和卡死。外国学者主要是从结构上解决，比如采用差速器，柔性连接等，但是这样会使结构更复杂，成本更高。

精确的运动模型是实现轮式管道机器人精确控制的基础。由于某轮式移动机器人在管道曲面上的运动学特性及控制理论分析较少，所以有必要对管道机器人进行运动学研究。
根据已有的研究成果，本文对轮式移动机器人在平坦路面上行驶时的运动学和动力学模型进行了分析，总结出了四种状态空间模型：二位姿运动学模型、位形运动学模型、位姿动力学模型和位形动力学模型。CarlIgnama等人分析了在轮子与地面非刚性、地面为不规则路面、轮子与地面有各种不同的接触方式下，基于轮子与地面接触特性的一套模型理论。但该模型假设车轮和地面不可变形，地面为规则水平路面。该模型不适用于轮式移动机器人，因为轮式移动机器人的工作环境为圆管表面的三维曲面，而圆管实际运行的环境是一个空间曲面。

由于轮洗机器人在圆管内工作时所处的三维空间运动模型与平面轮式移动机器人完全不同，因此需要考虑到轮式移动机器人的几何和速度约束，分析轮洗机器人控制输入与机器人姿态坐标变化的关系，建立相应的运动模型。当前国内外对轮式管道机器人的研究热点主要是改善机器人的可控性和通过性，使其向自主行驶作业方向发展。

虽然很多学者已经从结构上改进了机器人的性能，但目前尚缺乏对圆管轮移动机器人运动控制论的深入系统分析。所以，为了满足工程应用的要求，需要根据运动学模型，设计相应的算法，使机器人在圆内实现稳定控制。

对于轮式排水机器人，除从结构设计上进行材料选择外，还应考虑机械结构的选择，主要的科学问题是建立其在环形管道中的运动学模型，并设计相应的控制算法，使机器人既能自主行驶，又能根据姿态信息，手工操作，控制机器人水平行驶，无翻转，卡死，动力不足，具有很好的可控性。