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摘要：针对电厂管道的检测作业，围绕管道环境中直管、管间和接头间的攀爬跨越的工作需求，设计一种外管道攀爬机器人，并进行运动规划分析和仿真。首先，分析运动需求，确定攀爬机器人的构型；其次，针对直管攀爬、管间过渡和跨越接头的攀爬运动进行规划，提出3种步态；之后，采用基于D-H法建立的机器人运动学模型，采用逆运动学求解对应位姿点的关节角度；最后，采用ADAMS虚拟样机技术进行仿真，分析攀爬过程受力情况。保证机器人在管道上的正常运动。
关键词：管道攀爬机器人；运动规划；运动学；仿真分析
1引言
电厂的锅炉管道因为本身高温的工作环境，导致其在使用过程中会产生一定的爆炸和泄露的风险。对于较大型的火电机组热力系统的管道施工而言，因为整体施工环境复杂，很难有效的保证管道安装施工操作的规范，因此对于＜89mm的小口径管道施工重视度较低，施工方一般只将将管道的规格、材质等列示出来，没有集中设计规划小口径管道安装施工工艺和质量控制措施。且小管道通常与汽包、联箱、炉外大管道以及汽机本体范围内等管道相连，主要起着联通、测量、排放和取样等作用，因此炉外小管道具有种类多、数量大、分布范围广的特点，爆杀伤力很大，后果难以控制，一旦发生，往往对现场工作人员的生命安全构成巨大的威胁，且影响机组的安全稳定运行，应该受到高度的关注。
通常电厂的锅炉管道的检测方式为红外探伤检测，检测时对时间-温度关系要求严格，需锅炉冷却后才能进行检测，冷却时间较长，影响了锅炉的作业效率，且测灵敏度与热辐射率相关，因此受试件表面及背景辐射的干扰，受缺陷大小、埋藏深度的影响，对原试件分辨率差，不能测定缺陷的形状、大小和位置。检测结果的解释比较复杂，需要有参考标准，检测操作人员需要经过培训等。考虑采用耐高温小型机器人常驻于锅炉内部进行管道检测。
电厂环境主要为小型细直管，直角较多，接头较小。且分布密集多为多屏平行管道，难以进行人工查看。基于检测要求，设计一种管道机器人，首先分析运动需求确定机器人的基本构型，然后进行运动规划，分析三种步态：直管攀爬，管间过渡和跨越接头。最后进行虚拟样机仿真，分析不同工况下的使用性能。
2运动分析需求与结构设计
机器人的运动要求攀爬机器人应具备沿竖直管的攀爬、同屏管道中相邻管的管间过渡以及跨越接头的能力。体型应较小，穿梭能力较强。
机器人在三维空间中进行攀爬作业至少需要四个自由度，但在过度攀爬时姿势受到严格的限制，拟采用六自由度的机器人，并在不同作业情况时锁死某些自由度减少控制难度。设计的机器人结构简图与三维模型如图1图2所示，检测装置放置于中轴内部，不同的连接平移旋转件逐步连接，夹持手爪安装在首尾两端。机器人一端夹持时，通过旋转，平移和连接关节配合，末端手爪可沿X，Y和Z轴移动，也可绕X，Y和Z轴旋转，满足电厂管道的使用要求。
3运动规划
机器人采用一端手爪固定，另一端手爪移动，两手爪交替夹持的方式进行攀爬前行。
3.1直管攀爬形态
机器人最基本的运动就为直管攀爬，假定一个步距的运动。如图3所示。
锁死旋转机构，一侧抓爪抬起，一侧固定，中轴位移机构收缩，抓爪放下固定，另一侧抓爪抬起，中轴向前伸展，抓爪再次放下固定，完成一个步距。
注：ai-1为绕Xi-1轴从Zi-1旋转到Zi的角度；di为沿Zi轴从Xi-1移动到Xi的距离；θi为绕Zi轴从Xi-1旋转到Xi的角度。L1、L2、L3均为变量。
4.2运动学方程
机器人末端夹持抓爪的坐标系相对于固定端抓爪的参考坐标系的位姿的转换矩阵为表2所示。
其逆解存在多解，综合考虑机器人结构限制、位姿和工作空间等因素，采用“最短行程”原则求出最优解，得到各关节所需运动角度。
5仿真分析
利用Adams进行模拟仿真，校核抓爪在各个工作状况下的扭矩。
校核抓爪的受扭，固定爪的扭矩较大，移动爪几乎无扭矩，分别针对三种工况受扭分析，主要分析固定爪的受扭矩状态，移动爪扭矩几乎为零。
6结论
针对所需要的工作环境，设计一种管道攀爬机器人，通过运动规划，经过ADAMS软件进行虚拟样机仿真。仿真结果表明：设计的机器人能实现所规划的三种运动，且抓爪力矩合适。初步设计大致合理，能完成任务目标。
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