CN112415086B - 一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统，主要用于工业环境高空金属管道焊缝的无损检测。该系统硬件主要包括主端力反馈手控器设备、主端计算机设备、主从端通信设备、飞行机械臂、包括力传感器、涡流探伤传感器。其中飞行机械臂由刚体机械臂固连于六自由度全驱动无人机组成，飞行机械臂末端执行器集成单轴力传感器与涡流探伤传感器。设计控制器使其对垂直接触表面方向表现出柔顺性，其他方向表现出鲁棒性。进行接触检测时，飞行机械臂由力反馈手控器控制，操作者可以通过力反馈手控器感受飞行机械臂与检测环境的交互力。本发明节约了检测成本，避免了检测人员高空作业，安全高效。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统。
背景技术
在工业设施中，结构完整性评估是一个必须定期执行的过程。特别是石化行业，由于金属管道上的低碳钢焊缝可能会出现裂纹或缺陷，因此焊缝的完整性检查非常频繁。这些检测常用无损检测方法，例如利用涡流探伤传感器对焊缝表面缺陷进行检测，这类无损检测传感器多为接触性传感器，需要与检测环境进行接触。石化行业等工业环境中存在大量的高空金属管道，对于这些管道的检测目前大多由工人进行高空作业检测。因此存在检测效率低、成本高以及危险性高等缺点。
近年来，无人机在航拍、巡检及农林植保等方面得到了大量应用。但目前无人机的主要用途在于对环境的观测，缺乏与环境进行物理交互的接触检测能力。飞行机械臂是指无人机与机械臂组成的机器人系统。飞行机械臂可以到达人员无法到达或进入的环境进行作业，例如高空的维修作业、环境检测采样以及接触检测等。飞行机械臂进行接触检测需要与环境进行物理交互，物理交互可能会使飞行机械臂不稳定，因此飞行机械臂需要良好的控制算法以保证飞行机械臂的鲁棒性以及接触空间的柔顺性。
目前，组成飞行机械臂系统的普通的旋翼无人机(四旋翼、六旋翼等)为欠驱动系统，欠驱动旋翼无人机无法主动对环境施加六自由度的力，对于接触检测等需要对环境施加多维可控力的应用场景，一般依靠安装多自由度机械臂与环境进行交互作业。但是这种设计存在以下问题：(1)多自由度机械臂增加了机体重量，影响飞行机械臂的续航；(2)多自由机械臂增加了机械结构的复杂性，增加了设计成本；(3)机械臂进行作业时，机械臂与旋翼无人机之间存在很强的动态耦合，对飞行机械臂的控制造成困难。同时，飞行机械臂飞行时易受到风的影响，飞行机械臂顺利完成任务需要良好的抗扰性。除此之外，考虑到工业环境的复杂性，飞行机械臂无法自主检测；而传统的遥控控制飞行方式，对飞行机械臂控制的灵活度较低，难以进行高精度检测作业，并且操作者难以获得力觉临场感，仅靠视觉反馈难以对突发情况进行快速反应。
基于以上问题，本发明提出一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统，通过对无人机进行改造，可对环境施加多维力以保证复杂表面环境(例如高空金属管道的弧形表面)的接触检测，操作方便灵活，节约了检测成本，避免了检测人员高空作业，安全高效。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统，包括主端计算机、力反馈手控器、通信系统、飞行机械臂以及飞行机械臂末端执行器(单轴力传感器、涡流探伤传感器)。
所述飞行机械臂由全驱动六旋翼无人机与机械臂组成，相比传统的六旋翼除六个提供动力的电机外，本发明在每个机臂末端增加一个电机以保证机臂实现可控转动，机臂旋转角度与无人机位姿相耦合，根据无人机位姿对机臂旋转角度进行动态调节，构成全驱动无人机；所述机械臂为轻质单杆，机械臂末端装有单轴力传感器，对接触环境的交互力进行测量以及涡流探伤传感器。
全驱动无人机可以进行六维轨迹跟踪，对于机械臂，无人机相当于悬浮的六自由度可控基座，因此固连于全驱动无人机的机械臂可对环境施加多维力以保证复杂表面环境(例如高空金属管道的弧形表面)的接触检测。在接触检测时，主端操作者利用力反馈手控器对飞行机械臂进行控制，以增强操作者的力觉临场感和检测作业灵活性，传感器检测数据以及视觉反馈传回主端计算机供操作者读取。
对于飞行机械臂的控制，设计扰动观测器对外部扰动与接触力进行估计，采用阻抗控制的方法结合扰动观测器，保证飞行机械臂在接触检测空间表现出柔顺性，在其他自由飞行空间表现出鲁棒性。对力反馈手控器与飞行机械臂建立增量式运动学映射，进行接触检测时，将力反馈手控器位姿增量作为飞行机械臂的运动命令信号，增强接触检测的灵活性；力反馈手控器保证了操作者的力觉临场感，增强了接触检测的效率与安全性。其具体实现步骤如下：
步骤1：构造飞行机械臂硬件系统。对于全驱动六旋翼无人机本体，相对于传统的六旋翼，除了提供动力的螺旋桨六个电机外，六个机臂末端安装六个电机保证机臂可控倾转以提供更多的自由度。机械臂固连于全驱动无人机，单轴力传感器和涡流探伤传感器固连于机械臂末端。
步骤2：假设全驱动六旋翼为质量分布均匀的刚体，忽略其弹性形变，为世界坐标系，/>为以飞行机械臂重心为原点的机体坐标系；
表示飞行机械臂在坐标系/>下的位置矢量，v为飞行机械臂在/>的线速度；/>表示姿态向量，其中ψ是飞行机械臂绕轴zb转动的偏航角，θ飞行机械臂是按轴yb转动的俯仰角，φ是飞行机械臂绕轴xb转动的滚转角；假设飞行机械臂运动幅度较小，即/>飞行机械臂的运动学方程如下：
其中表示p的一阶导数；/>表示Θ的一阶导数；/>表示飞行机械臂在/>下的机体角速度；其中/>为转换矩阵，其定义如下，
步骤3：建立飞行机械臂的动力学模型。不考虑各螺旋桨产生气流相互影响的情况下，利用牛顿-欧拉法建立飞行机械臂的刚体动力学模型：
其中表示飞行机械臂在/>的控制力；/>在/>的控制力矩；/>表示飞行机械臂在/>下的速度，/>表示飞行机械臂在/>下线加速度；ωb表示飞行机械臂的角速度；/>分别表示飞行机械臂的角加速度；/>分别表示飞行机械臂的质量与惯性；/>表示重力加速度；/>表示单位矩阵。
步骤4：设计控制分配矩阵。飞行机械臂的运动的力通过螺旋桨的转动产生，因此飞行机械臂的控制力和力矩与螺旋桨转速之间存在映射关系，对各个螺旋桨的转速控制即控制分配分配矩阵；在全驱动无人机机臂末端装有电机实现机臂倾转，控制分配矩阵是关于机臂倾转角度α的控制分配矩阵：
τact＝A(α)Ω。
其中表示飞行机械臂在坐标系/>下的控制力与力矩；/>表示与电机倾转角度α有关的控制分配矩阵；/>表示六个螺旋桨转速的平方组成的矩阵。
步骤5：飞行机械臂简化动力学模型为：
其中，分别为惯性矩阵、哥氏力矩阵以及重力矩阵；/>表示状态矩阵的一阶微分
表示状态矩阵的二阶微分；/>分别为控制力与外部扰动力，
扰动观测器设计方法如下：
其中为外部总扰动力的估计值；/>为扰动观测其可调节的参数矩阵。
进行检测接触时，飞行机械臂与高空工业管道闭环动力学方程简化为：
其中，分别为机器人的虚拟质量矩阵，刚度矩阵，以及阻尼矩阵；/>为飞行机械臂的位置与姿态误差矩阵；/>为飞行机械臂速度与角速度误差矩阵；/>为接触力与力矩矩阵，可由六力传感器(1-5)测量得到。
将上式与飞行机械臂动力学方程联立，得到飞行机械臂的控制输出为：
其中表示单位矩阵。
飞行机械臂末端执行器坐标系方向与机体坐标系方向一致，检测接触表面与末端执行器方向垂直，根据对柔顺型的要求，设置沿机械臂方向的期望质量，低期望质量对应高柔顺性，其他方向表现出对扰动的鲁棒性；阻抗控制是通过对位置的控制间接完成力控制，操作者通过对飞行机械臂的位置控制进而控制交互检测的接触力。
步骤6：对力反馈手控器进行正运动学建模，人手控制力反馈手控器，经过低通滤波防抖动后，通过正运动学获取笛卡尔空间位姿增量，对其处理后(乘以相应系数和位姿映射矩阵)作为飞行机械臂的位姿命令信号。
步骤7：采用具有力觉临场感的遥操作对飞行机械臂的接触检测作业进行控制时，飞行机械臂末端的力传感器将检测环境的交互力传递到力反馈手控器，操作者可以同时根据力反馈信息调整力反馈手控器的位姿，进而调整飞行机械臂与环境的接触力，以安全高效的完成高空工业管道的无损检测。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提出的一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统。该检测系统可以对石化行业等工业环境中的高空金属管道进行结构完整性评估。避免了工人高空作业，提高了检测效率与检测人员安全性，降低了检测成本。
2、本发明所提出的飞行机械臂可以实现复杂表面的接触检测，而不需要附加多自由度机械臂，从而提高了飞行检测时间与飞行稳定性，降低飞行机械臂制造成本。
3、本发明提出的基于扰动观测器的飞行机械臂阻抗控制，保证了接触检测方向的柔顺性，而在其他方向表现出鲁棒性。提高了飞行机械臂的执行能力。
4、本发明所提出的具有力觉临场感的飞行机械臂遥操作控制模式，操作者可以感受到接触检测的交互力，进而可以根据交互力的大小对飞行机械臂的接触检测进行控制，对突发情况可以快速反应。提高了接触检测的效率与安全性。
附图说明
图1为本发明所述一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统的硬件组成图；
图2为本发明所述飞行机械臂组成图；
图3为本发明所述全驱动无人机机臂示意图；
图4为本发明所述全驱动无人机基于扰动观测器的阻抗控制示意图。
附图标记列表：
1-1、力反馈手控器；1-2、主端计算机；1-3、通信系统；1-4、飞行机械臂；1-5单轴力传感器；1-6涡流探伤传感器；2-1、全驱动无人机；2-2、机械臂；3-1、机臂末端电机；3-2机臂倾转角度示意。
具体实施方式
本发明所述一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统，具体实施方式包括以下7个步骤：构造飞行机械臂硬件系统；建立飞行机械臂运动学模型；建立飞行机械臂的动力学模型；设计控制分配矩阵；基于扰动观测器的阻抗控制器设计；对力反馈手控器与飞行机械臂进行运动学映射；对接触检测采用遥操作控制。
步骤1：构造飞行机械臂硬件系统。对于全驱动六旋翼无人机本体，相对于传统的六旋翼，除了提供动力的螺旋桨六个电机外，无人机的六个机臂末端安装六个电机保证机臂倾转以调整角度。增加了一个机械臂固连于全驱动无人机(机械臂的位置位于相邻两个机臂之间)，单轴力传感器和涡流探伤传感器固连于机械臂末端。
步骤2：假设全驱动六旋翼为质量分布均匀的刚体，忽略其弹性形变，为世界坐标系，/>为以飞行机械臂重心为原点的机体坐标系；
表示飞行机械臂在坐标系/>下的位置矢量，v为飞行机械臂在/>的线速度；/>表示姿态向量，其中ψ是飞行机械臂绕轴zb转动的偏航角，θ飞行机械臂是按轴yb转动的俯仰角，φ是飞行机械臂绕轴xb转动的滚转角；假设飞行机械臂运动幅度较小，即/>飞行机械臂的运动学方程如下：
其中表示p的一阶导数；/>表示Θ的一阶导数；/>表示飞行机械臂在/>下的机体角速度；其中/>为转换矩阵，其定义如下，
步骤3：建立飞行机械臂的动力学模型。不考虑各螺旋桨产生气流相互影响的情况下，利用牛顿-欧拉法建立飞行机械臂的刚体动力学模型：
其中表示飞行机械臂在/>的控制力；/>在/>的控制力矩；/>表示飞行机械臂在/>下的速度，/>表示飞行机械臂在/>下线加速度；ωb表示飞行机械臂的角速度；/>分别表示飞行机械臂的角加速度；/>分别表示飞行机械臂的质量与惯性；/>表示重力加速度；/>表示单位矩阵。
步骤4：设计控制分配矩阵。飞行机械臂的运动的力通过螺旋桨的转动产生，因此飞行机械臂的控制力和力矩与螺旋桨转速之间存在映射关系，对各个螺旋桨的转速控制即控制分配分配矩阵。对于一般的六旋翼无人机，控制分配矩阵是常数矩阵。本发明全驱动无人机机臂末端装有电机实现机臂倾转，控制分配矩阵是关于机臂倾转角度α的控制分配矩阵：
τact＝A(α)Ω
其中表示飞行机械臂在机体坐标系下的控制力/力矩； 为转速；/>为控制分配矩阵，α为机臂倾转角度。
各螺旋桨产生的推力与力矩与转速存在如下关系：
F＝μn2，τ＝κn2
其中μ，κ为常数，代表推力系数与力矩系数。
螺旋桨产生垂直机身向上与横向推力可表示为：
根据上式，我们将A(α)转化为静态矩阵我们可以得到，
τact＝A(α)Ω＝Au
其中，A为静态常数矩阵。
u＝A′τact
其中为理想的输入力矩，A′为A的伪逆矩阵。
根据以上信息可对各机臂倾转角度αi求解。
步骤5：基于扰动观测器的阻抗控制器设计。对于本发明中的飞行机械臂，飞行机械臂简化动力学模型为：
其中，分别为惯性矩阵、哥氏力矩阵以及重力矩阵；/>表示状态矩阵的一阶微分；/>表示状态矩阵的二阶微分；/>分别为控制力与外部扰动力，
扰动观测器设计方法如下：
其中为外部总扰动力的估计值；/>为扰动观测其可调节的参数矩阵。
进行检测接触时，飞行机械臂与高空工业管道闭环动力学方程简化为：
其中，分别为机器人的虚拟质量矩阵，刚度矩阵，以及阻尼矩阵；/>为飞行机械臂的位置与姿态误差矩阵；/>为飞行机械臂速度与角速度误差矩阵；/>为接触力与力矩矩阵，可由六维力传感器(1-5)测量得到。
将上式与飞行机械臂动力学方程联立，得到飞行机械臂的控制输出为：
其中表示单位矩阵。
飞行机械臂末端执行器坐标系方向与机体坐标系方向一致，检测接触表面与末端执行器方向垂直，因此我们设置沿机械臂方向的期望质量为较低数值，以保证该方向的柔顺性，而其他方向表现出对扰动的鲁棒性。阻抗控制是通过对位置的控制间接完成力控制，操作者可以通过对飞行机械臂的位置控制进而控制交互检测的接触力。
步骤6：对力反馈手控器与飞行机械臂进行运动学映射。对力反馈手控器进行正运动学建模，人手控制力反馈手控器，经过低通滤波防抖动后，通过正运动学获取笛卡尔空间位姿增量，对其处理后(乘以相应系数和位姿映射矩阵)作为飞行机械臂的位姿命令信号。
步骤7：对接触检测采用遥操作控制。采用具有力觉临场感的遥操作对飞行机械臂的接触检测作业进行控制时，为保证接触检测的安全稳定，接触力由单轴力传感器测量获得。飞行机械臂末端的力传感器将检测环境的交互力传递到力反馈手控器，操作者可以同时根据力反馈信息调整力反馈手控器的位姿，进而调整飞行机械臂与环境的接触力，以安全高效的完成高空工业管道的无损检测。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统，其特征在于，包括力反馈手控器(1-1)、主端计算机(1-2)、通信系统(1-3)、飞行机械臂(1-4)、单轴力传感器(1-5)、涡流探伤传感器(1-6)；
基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统的接触检测方法，包括以下步骤：
(1)构造飞行机械臂硬件系统；
对于全驱动六旋翼无人机本体，相对于传统的六旋翼，除了提供动力的螺旋桨六个电机外，六个机臂末端安装六个电机保证机臂可控倾转以提供更多的自由度，机械臂固连于全驱动无人机，单轴力传感器和涡流探伤传感器固连于机械臂末端；
(2)建立飞行机械臂运动学模型；
假设全驱动六旋翼为质量分布均匀的刚体，忽略其弹性形变，为世界坐标系，/>为以飞行机械臂重心为原点的机体坐标系；
表示飞行机械臂/>在/>下的位置矢量，v为飞行机械臂在/>的线速度；表示姿态向量，其中ψ是飞行机械臂绕轴zb转动的偏航角，θ飞行机械臂是按轴yb转动的俯仰角，φ是飞行机械臂绕轴xb转动的滚转角，其中zb，yb，xb分别为坐标系/>的三个轴；假设飞行机械臂运动幅度较小，即/>飞行机械臂的运动学方程如下：
其中表示p的一阶导数；/>表示Θ的一阶导数；/>表示飞行机械臂在/>下的机体角速度；其中/>为转换矩阵，其定义如下，
(3)建立飞行机械臂的动力学模型；
不考虑各螺旋桨产生气流相互影响的情况下，利用牛顿-欧拉法建立飞行机械臂的刚体动力学模型：
其中表示飞行机械臂在/>的控制力；/>在/>的控制力矩；/>表示飞行机械臂在/>下的速度，/>表示飞行机械臂在/>下线加速度；ωb表示飞行机械臂的角速度；/>分别表示飞行机械臂的角加速度；/>分别表示飞行机械臂的质量与惯性；/>表示重力加速度；/>表示单位矩阵；
(4)设计控制分配矩阵；
飞行机械臂的运动的力通过螺旋桨的转动产生，因此飞行机械臂的控制力和力矩与螺旋桨转速之间存在映射关系，对各个螺旋桨的转速控制即控制分配分配矩阵；在全驱动无人机机臂末端装有电机实现机臂倾转，控制分配矩阵是关于机臂倾转角度α的控制分配矩阵：
τact＝A(α)Ω；
(5)基于扰动观测器的阻抗控制器设计；
飞行机械臂简化动力学模型为：
其中，分别为惯性矩阵、哥氏力矩阵以及重力矩阵；表示状态矩阵的一阶微分；/>表示状态矩阵的二阶微分；/>分别为控制力与外部扰动力，
扰动观测器设计方法如下：
其中为外部总扰动力的估计值，/>为扰动观测其可调节的参数矩阵；
进行检测接触时，飞行机械臂与高空工业管道闭环动力学方程简化为：
其中，分别为机器人的虚拟质量矩阵，刚度矩阵，以及阻尼矩阵；/>为飞行机械臂的位置与姿态误差矩阵；/>为飞行机械臂速度与角速度误差矩阵；/>为接触力/力矩，可由力传感器测量得到；
将上式与飞行机械臂动力学方程联立，得到飞行机械臂的控制力：
其中表示单位矩阵；
飞行机械臂末端执行器坐标系方向与机体坐标系方向一致，检测接触表面与末端执行器方向垂直，根据对柔顺型的要求，设置沿机械臂方向的期望质量，低期望质量对应高柔顺性，其他方向表现出对扰动的鲁棒性；阻抗控制是通过对位置的控制间接完成力控制，操作者通过对飞行机械臂的位置控制进而控制交互检测的接触力；
(6)对力反馈手控器与飞行机械臂进行运动学映射；
对力反馈手控器进行正运动学建模，人手控制力反馈手控器，经过低通滤波防抖动后，通过正运动学获取笛卡尔空间位姿增量，对其处理后作为飞行机械臂的位姿命令信号；
(7)对接触检测采用遥操作控制
采用具有力觉临场感的遥操作对飞行机械臂的接触检测作业进行控制，飞行机械臂末端的力传感器将检测环境的交互力传递到力反馈手控器，操作者根据力反馈信息调整力反馈手控器的位姿，进而调整飞行机械臂与环境的接触力，以安全高效的完成高空工业管道的无损检测。
2.根据权利要求1所述的基于遥操作飞行机械臂的高空金属管道探伤系统，其特征在于：主端包含力反馈手控器(1-1)、主端计算机(1-2)以及通信系统(1-3)，从端包括飞行机械臂(1-4)，所述飞行机械臂(1-4)由全驱动六旋翼无人机与机械臂(2-2)组成，无人机的六个机臂末端安装六个电机置于机身内部，机械臂固连于全驱动无人机相邻两机臂之间，单轴力传感器(1-5)与涡流探伤传感器(1-6)置于机械臂末端。
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