基于区域行进策略的飞机油箱检查机器人路径规划算法

摘要：针对类似于飞机油箱环境中连续型机器人的路径规划问题，设计基于区域行进策略的路径规划算法，结合机器人本体结构约束规划到达油箱内任意给定目标点的路径。连续型机器人具有运动灵活性，但超冗余自由度导致了三维空间规划的多解性，增加了算法的复杂度。采用降低维度的方式，通过将三维空间转化为二维平面进行规划，降低了算法的时间复杂度。将飞机油箱的单舱划分为两个区域，根据目标点所处区域位置确定规划策略。最后，基于Matlab对所提算法进行仿真，实验结果验证了算法的可行性和有效性。

关键词：飞机油箱；连续型机器人；路径规划；降低维度；区域行进策略

中图分类号： TP242； TP18

文献标志码：A

Abstract： To get a path for a continuum robot in the environment like the aircraft fuel tank， a path planning algorithm based on regionaladvance strategy was proposed. By combining with the mechanical constraints of the robot， the method could ensure that arbitrary points can be reached in the single cabin. With the flexibility of movement， but the hyperredundant freedom degree of the continuum robot brings about both the multiple path solutions in threedimensional space and high time complexity. The approach based on dimension reduction， which is transforming the planning in threedimensional space into that in twodimensional plane， was presented to reduce the computing complexity. The single cabin of the aircraft fuel tank was divided to two regions， and the planning strategy was determined by the regional location of the target point. Finally， the Matlab simulation experiments were carried out， and the practicability and effectiveness of the proposed method were verified.

Key words： aircraft fuel tank； continuum robot； path planning； dimension reduction； regionaladvance strategy

0引言

目前，在民航机务维修中，油箱检查作业采用人工方式进行，针对飞机油箱渗漏点的检查[1-2]，比较有效的检查方法有负压法[3]和吹气法[4]。然而，无论采用负压法还是吹气法，由于油箱内部长时间浸油，即使排空后有毒气体浓度依然很高。因此，人工方式检查油箱具有危险性高等特点。1999年，Robinson等[5]提出连续型机器人（Continuum Robot）概念。与离散型机器人不同，连续型机器人为“无脊椎”的柔性结构，具有良好的弯曲性能，可以柔顺而灵活地改变自身的形状。具有超冗余自由度的连续型机器人对类似飞机油箱等空间约束较为严格的工作环境具有较强的适应能力。目前，各国人员对连续型机器人进行了一定的研究。Simaan等[6-7]研制了一种利用绳索驱动的喉咙微创手术。采用微分方法建立了运动学模型，建模方法复杂。Walker等[8]研制了采用气压支撑来保持形状四线驱动的连续型机器人AirOctor，利用修正的DH方法分析了机器人运动学，分析结果不够直观。Chen等[9-10]研制了一种利用气压驱动的结肠镜末端连续型装置ColoBot，在轮廓重构物体三维模型的基础上提出了形状检测算法。Choi等[11]研制一种利用弹簧作为支架、利用绳索驱动的内窥镜机器人；胡海燕等[12-13]研制了采用绳索驱动肠道内窥镜机器人，采用驱动电机外置方式，通过几何分析的方法，建立了机器人运动学模型；结合肠道数学模型，采用牛顿法求取关节角度。采用牛顿法计算关节角度时间复杂度大，推广到多关节控制困难。

综上所述，目前针对连续型机器人的路径规划研究较少，且通常算法繁琐，计算复杂度高。因此，根据飞机油箱环境出发，基于降维和区域行进策略，研究路径生成算法，从而能为连续型机器人代替机务人员完成油箱检查作业服务[14]。

1飞机油箱检查机器人运动学分析

1.1飞机油箱检查机器人结构

飞机油箱检查机器人由驱动机构和“蛇臂”机构组成，如图1所示。

图1中，驱动机构可以实现“蛇臂”的平移及升降动作。“蛇臂”机构由蛇头、蛇躯干和蛇尾三部分组成。蛇躯干具有多个关节，每个关节具有两个自由度，超冗余特性使机器人改变自身形状更加灵活，能很好地将蛇头送达到凸体空间的任意点。蛇尾是蛇躯干的基座，起到支撑作用，控制单元安装在蛇尾内部。蛇躯干的每个关节由柔性支柱、支撑圆板和驱动绳索组成，支撑圆板外侧有穿线孔，驱动绳索穿过穿线孔，与驱动电机连接。通过电机转动来改变绳索长度，控制单个关节的运动，关节之间通过连接件连接。

1.2机器人的单关节运动分析

针对该机器人的结构特点，采用一种基于几何分析的方法对其运动学进行分析[15]。单关节运动具有弯曲和旋转两个自由度，建立单关节运动模型，确定终端位置与单关节变量的关系。运动学分析基于以下前提条件：

1）连续型机器人单关节弯曲运动轨迹为等曲率光滑连续曲线；

2）驱动线在机器人弯曲过程中为等曲率光滑连续曲线。

2基于区域行进策略的单舱路径规划算法

2.1降维思想

采用连续型机器人代替机务人员完成油箱检查作业时，由于飞机油箱内部环境复杂，空间狭小。因此，油箱环境对其行进路径的约束直接决定了规划路径是否有效。单舱路径规划实现“蛇臂”末端由油箱入口点到达单舱内任意目标点的有效路径。三维空间内搜索可行解，可以得到多条可行路线，但是搜索过程时间复杂度大。将三维空间转化为二维平面进行规划，即采用降低维度的方式，参考平面为经目标点和z轴并垂直xoy面的平面，如图3所示，其中（xG，yG，zG）为目标点坐标。可实现单舱内任意点均降维在该参考平面上，只在二维平面内搜索路径，每个关节均少一个自由度φ。像这样将空间规划转换为平面规划，会较大程度降低算法的时间复杂度。

单舱路径规划很难找到一种简单的数值计算方法对目标点进行反解。将单舱划分为两个区域，“蛇臂”末端由油箱入口进入油箱内部，区域Ⅰ为单舱内单关节运动空间范围，如图4所示，即曲面内部区域。区域Ⅱ为单舱多关节可达范围及曲面外部区域。通过判断给定目标点所在区域，即可生成两种数值计算方法，通过蛇臂先弯曲再驱动到达目标点。若目标点在区域Ⅰ，使用数值计算方法1对单关节变量求解；若目标点在区域Ⅱ，则使用数值计算方法2对多个关节变量求解。

4结语

本文利用几何分析方法，建立连续型机器人的单个关节运动学模型，并对其运动学分析，继而提出了基于区域行进策略的飞机油箱检查机器人路径规划算法。基于Matlab对算法进行仿真实验，实验表明该算法能较大程度地降低时间复杂度，验证了其在复杂的飞机油箱环境中具有可行性及有效性。

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