輪足混合驅(qū)動爬壁機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、爬壁機(jī)器人是移動機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個重要分支，它具有在垂直表面運動并攜帶工具作業(yè)的能力，在石化、核電站、船舶，以及高樓外壁清洗等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，近年來又在偵察、探測、反恐等領(lǐng)域得到了應(yīng)用研究，具有重要的理論研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。本文以城市環(huán)境中高樓建筑物的檢測、偵察為目標(biāo)，研制了具有地面和壁面運動能力，及地面、壁面過渡能力的爬壁機(jī)器人，并對爬壁機(jī)器人的壁面運動動力學(xué)、局部避障軌跡規(guī)劃、壁面雙足運動規(guī)劃、及雙足運動柔順控制

2、等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入研究。
　　機(jī)器人的運動范圍是機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力的重要體現(xiàn)，結(jié)合輪式爬壁機(jī)器人和足式爬壁機(jī)器人的特點，設(shè)計了輪足混合雙吸盤爬壁機(jī)器人樣機(jī)。分析了機(jī)器人的工作環(huán)境對吸附性能的需求，設(shè)計出具有內(nèi)、外密封圈結(jié)構(gòu)的吸盤，其具有滑動吸附和靜止吸附兩種狀態(tài)。結(jié)合輪足切換機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了機(jī)器人在輪式運動方式和雙足運動方式之間的切換。在輪式移動方式下，吸盤為滑動吸附，機(jī)器人在平整壁面上實現(xiàn)快速移動；雙足運動方式下，吸盤為靜止吸

3、附狀態(tài)，適用于機(jī)器人地壁過渡、越障等運動。分別對機(jī)器人在輪式和雙足方式下的安全吸附條件進(jìn)行了分析，求得機(jī)器人任意姿態(tài)下安全吸附所需吸附壓力。然后分別對輪式和雙足方式下機(jī)器人的運動學(xué)進(jìn)行了分析，為機(jī)器人的運動控制打下基礎(chǔ)。
　　機(jī)器人以輪式方式在垂直壁面移動時，為四輪驅(qū)動狀態(tài)，由于爬壁機(jī)器人工作于壁面的特殊性，研究其動力學(xué)問題對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動控制有重要意義。分析了四輪驅(qū)動方式下機(jī)器人在垂直壁面上的運動學(xué)約束條件；分析了動態(tài)條

4、件下各驅(qū)動輪所受壁面支撐力；通過各驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)向臨界角，分析了在驅(qū)動輪與壁面處于滾動摩擦狀態(tài)下的橫向摩擦力分布；建立了驅(qū)動輪摩擦力與機(jī)器人運動狀態(tài)之間的關(guān)系?；谂ｎD-歐拉方程，建立了機(jī)器人在輪式方式下的動力學(xué)方程。進(jìn)而建立機(jī)器人吸附力安全系數(shù)，得到了機(jī)器人安全運動與吸附力之間的關(guān)系。并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)、密封圈剛度等對驅(qū)動力矩的影響。
　　機(jī)器人避障能力是機(jī)器人可靠運動的基礎(chǔ)，分別對平面內(nèi)的避障運動和障礙物環(huán)境下的雙足運動規(guī)劃方法進(jìn)行

5、了研究。針對機(jī)器人在平面內(nèi)的避障運動，通過建立非接觸阻抗力模型，將測距傳感器獲得的障礙物距離信息，轉(zhuǎn)換為包含了障礙物與機(jī)器人相對移動速度的非接觸阻抗力，再通過建立的機(jī)器人與壁面間的阻尼模型，求出機(jī)器人的速度修正量，調(diào)整機(jī)器人的運動速度方向，實現(xiàn)避障。速度量的引入提高了機(jī)器人運動的平穩(wěn)性。針對機(jī)器人在壁面的雙足運動，對機(jī)器人質(zhì)心進(jìn)行了運動學(xué)分析，將 ZMP用于爬壁機(jī)器人穩(wěn)定性判定，以 ZMP距離支撐點邊緣的距離作為穩(wěn)定性裕度，提出了基于遺

6、傳算法的ZMP約束條件下的機(jī)器人雙足運動規(guī)劃方法，提高了機(jī)器人雙足運動的穩(wěn)定性。
　　機(jī)器人的雙足運動用于實現(xiàn)機(jī)器人的地壁過渡、跨越溝槽和凸起等的越障運動，及實現(xiàn)不同壁面間的過渡運動等。在該方式下，是通過兩個吸盤的交替吸附實現(xiàn)機(jī)器人的移動，吸盤的下落、抬起動作的可靠實現(xiàn)是實現(xiàn)機(jī)器人雙足運動的關(guān)鍵。提出了基于位置的力外環(huán)機(jī)器人笛卡爾位姿阻抗控制方法，對移動吸盤的位置和姿態(tài)角實現(xiàn)柔順控制，實現(xiàn)機(jī)器人吸盤在自由空間和約束空間之間平穩(wěn)過渡

7、。通過對末端接觸外力和接觸外力矩的跟蹤，實現(xiàn)了機(jī)器人末端位置和姿態(tài)角存在誤差的情況下，雙足運動的可靠實現(xiàn)。
　　最后，采用分級和模塊化思想，設(shè)計了機(jī)器人的控制系統(tǒng)。上位 PC機(jī)實現(xiàn)人機(jī)交互，下位機(jī)由兩級控制單元組成，包括主控制器及傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和用于底層關(guān)節(jié)運動控制的電機(jī)伺服控制模塊。然后對機(jī)器人進(jìn)行了實驗研究，包括壁面吸附能力、壁面輪式方式運動、壁面越障運動、地壁過渡運動、平面避障運動實驗，及雙足運動主動柔順控制實驗等，實驗