帶滑動式吸盤的爬壁機器人運動特性分析及其應(yīng)用研究.pdf

1、爬壁機器人 (Wall Climbing Robot,WCR) 是一種在壁面環(huán)境下作業(yè)的自動化機械裝置,可將人從危險、繁重的工作中解脫出來,并能有效降低成本、提高作業(yè)效率和自動化水平.根據(jù)吸盤的壁面運動特點分類,WCR 可分為帶普通吸盤和帶滑動式吸盤 (Sliding Suction Cup,SSC)兩種機構(gòu)形式.與普通吸盤通過交替吸附方式實現(xiàn)壁面移動不同,SSC與壁面間存在相對滑動,帶 SSC 的 WCR 能連續(xù)運動,具有機構(gòu)簡單、移

2、動靈活、速度快等優(yōu)點.但SSC吸附力不是越大越好,且易受壁面環(huán)境和運動狀態(tài)影響,吸附力大小一定程度上決定了該類 WCR 的壁面運動特性.因此,如何設(shè)計WCR的運動機構(gòu)和SSC結(jié)構(gòu),保證在穩(wěn)定且可靠吸附的前提下獲得優(yōu)異的運動性能是研究該類WCR的關(guān)鍵問題之一.本文首先針對帶SSC的輪式WCR (Wheeled WCR,WWCR),分析了SSC吸附力和WCR自身質(zhì)量的變化對其運動特性的影響.在此基礎(chǔ)上,為了促進(jìn)帶SSC的WCR在平面幕墻清洗

3、領(lǐng)域的應(yīng)用,設(shè)計了 WWCR的簡化機構(gòu):一種壁面牽引滑動式清洗機器人 (Wall S1iding CleaningRobot,WSCR),并和WWCR運動特性和工作能力進(jìn)行了比較.最后通過對WSCR和WWCR兩種SSC結(jié)構(gòu)負(fù)壓吸附特性的對比分析,提出了進(jìn)行SSC結(jié)構(gòu)設(shè)計的指導(dǎo)原則和負(fù)壓控制方法.本文主要研究內(nèi)容如下: (1) 變SSC吸附力和變質(zhì)量情況下WWCR的動力學(xué)建模.首先建立了純滾動假設(shè)條件下基于Routh方程的雙輪差速

4、 WWCR 動力學(xué)模型,用來分析在復(fù)雜多變的壁面環(huán)境下SSC吸附力的波動對 WWCR 運動特性的影響,并可將吸附力作為輔助容許控制變量,調(diào)整和改善WWCR的運動性能;進(jìn)一步將一類自身拖曳電纜或作業(yè)原料(如清洗液、油漆)等質(zhì)量或負(fù)荷隨著作業(yè)高度和進(jìn)度發(fā)生變化的WCR (包括WWCR)看作變質(zhì)量物體,針對質(zhì)點動力學(xué)兩類基本問題,基于變質(zhì)量牛頓力學(xué)建立了WCR的動力學(xué)模型.最后建立了變SSC吸附力和變質(zhì)量情況下WWCR的動力學(xué)模型.仿真分析表

5、明,SSC吸附力和自身質(zhì)量的變化對這一類WCR(包括WWCR)運動特性的影響很大,建立的動力學(xué)模型為其運動控制和路徑規(guī)劃提供了理論依據(jù). (2)驅(qū)動輪打滑時WWCR的壁面運動特性分析.SSC吸附力相對不足和重力的影響、以及吸附力和質(zhì)量的變化是造成WWCR經(jīng)常發(fā)生打滑的主要原因.采用增廣廣義坐標(biāo)轉(zhuǎn)移法,兼顧驅(qū)動輪的縱向和側(cè)向滑移,建立了打滑運動學(xué)模型;分別基于小參數(shù)奇異攝動法和車輛動力學(xué)理論建立了打滑動力學(xué)模型,并基于滑轉(zhuǎn)率理論,

6、建立了WWCR的牽引力控制系統(tǒng)模型.仿真算例表明,通過對SSC吸附力和驅(qū)動力矩的協(xié)調(diào)控制,可調(diào)節(jié)打滑程度,彌補打滑引起的運動軌跡偏移.最后提出了使WWCR能量消耗最小的吸附力最優(yōu)控制問題. (3)SSC吸附力變化對WWCR.轉(zhuǎn)向運動和越障性能的影響分析.轉(zhuǎn)向能力是體現(xiàn)越障性能的主要方面,首先分析了姿態(tài)傾斜的原因,得到了WWCR的轉(zhuǎn)向運動學(xué)和動力學(xué)模型.定義了轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)、轉(zhuǎn)向靈活度和外側(cè)輪轉(zhuǎn)向功率系數(shù)作為評價WWCR轉(zhuǎn)向運動性能

7、的指標(biāo),為SSC結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化、驅(qū)動電機功率選擇和校驗提供了理論指導(dǎo).針對帶三個SSC的WWCR越障過程進(jìn)行了動力學(xué)分析,考察了可靠越障對SSC吸附力的要求. (4)提出了一組新穎的平面型玻璃幕墻清洗機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計原則,據(jù)此設(shè)計了多種自身無行走驅(qū)動裝置并帶有SSC的壁面牽引清洗機器人系統(tǒng)WSCR.WSCR的本體在樓頂卷揚機的牽引作用下,依靠自身重力在保持壁面吸附的同時完成移動和清洗作業(yè).介紹了目前已經(jīng)設(shè)計實現(xiàn)的兩個本體模型、

8、工作流程和機構(gòu)改進(jìn)措施,并提出了采用壁面牽引滑動為主、輪式姿態(tài)調(diào)整為輔運動方式的第三個本體模型;分析了WSCR本體的動力學(xué)、從動滾輪打滑、轉(zhuǎn)向和越障等運動特性,通過實驗測試了自行設(shè)計的輪式單SSC的轉(zhuǎn)向性能,得到了各指標(biāo)基本隨吸附力線性變化的關(guān)系曲線.介紹了WSCR的主從分布式控制系統(tǒng)和兩個本體模型的戶內(nèi)外試驗情況.現(xiàn)場試驗表明,盡管本體運動自由度有限,但在平面幕墻清洗領(lǐng)域,能避免WWCR運動控制復(fù)雜、易受SSC吸附力和質(zhì)量變化的影響及

9、負(fù)載受限等缺點,和其它清洗機器人相比,具有機構(gòu)簡單、成本低、工作效率高、清洗效果好、實用化程度較高的特點. (5)SSC的負(fù)壓吸附特性分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法.將SSC看作流體管路系統(tǒng),基于伯努利方程推導(dǎo)了流體流動的能量傳輸方程,得到了負(fù)壓與各工作參數(shù)的關(guān)系式.分別建立了WSCR和WWCR兩種SSC結(jié)構(gòu)的流體模型,得到了在電風(fēng)機開啟和關(guān)閉、越障以及遭遇壁面縫隙時的等效電路和負(fù)壓響應(yīng),并進(jìn)行了對比分析.通過實驗得到了WSCR的SS