輪足混合驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它具有在垂直表面運(yùn)動(dòng)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(lái)又在偵察、探測(cè)、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(cè)、偵察為目標(biāo)，研制了具有地面和壁面運(yùn)動(dòng)能力，及地面、壁面過(guò)渡能力的爬壁機(jī)器人，并對(duì)爬壁機(jī)器人的壁面運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)、局部避障軌跡規(guī)劃、壁面雙足運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、及雙足運(yùn)動(dòng)柔順控制

2、等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。
　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，設(shè)計(jì)了輪足混合雙吸盤(pán)爬壁機(jī)器人樣機(jī)。分析了機(jī)器人的工作環(huán)境對(duì)吸附性能的需求，設(shè)計(jì)出具有內(nèi)、外密封圈結(jié)構(gòu)的吸盤(pán)，其具有滑動(dòng)吸附和靜止吸附兩種狀態(tài)。結(jié)合輪足切換機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在輪式運(yùn)動(dòng)方式和雙足運(yùn)動(dòng)方式之間的切換。在輪式移動(dòng)方式下，吸盤(pán)為滑動(dòng)吸附，機(jī)器人在平整壁面上實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)；雙足運(yùn)動(dòng)方式下，吸盤(pán)為靜止吸

3、附狀態(tài)，適用于機(jī)器人地壁過(guò)渡、越障等運(yùn)動(dòng)。分別對(duì)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(duì)輪式和雙足方式下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制打下基礎(chǔ)。
　　機(jī)器人以輪式方式在垂直壁面移動(dòng)時(shí)，為四輪驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，由于爬壁機(jī)器人工作于壁面的特殊性，研究其動(dòng)力學(xué)問(wèn)題對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制有重要意義。分析了四輪驅(qū)動(dòng)方式下機(jī)器人在垂直壁面上的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束條件；分析了動(dòng)態(tài)條

4、件下各驅(qū)動(dòng)輪所受壁面支撐力；通過(guò)各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向臨界角，分析了在驅(qū)動(dòng)輪與壁面處于滾動(dòng)摩擦狀態(tài)下的橫向摩擦力分布；建立了驅(qū)動(dòng)輪摩擦力與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)力矩的影響。
　　機(jī)器人避障能力是機(jī)器人可靠運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，分別對(duì)平面內(nèi)的避障運(yùn)動(dòng)和障礙物環(huán)境下的雙足運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法進(jìn)行

5、了研究。針對(duì)機(jī)器人在平面內(nèi)的避障運(yùn)動(dòng)，通過(guò)建立非接觸阻抗力模型，將測(cè)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(duì)移動(dòng)速度的非接觸阻抗力，再通過(guò)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(yùn)動(dòng)速度方向，實(shí)現(xiàn)避障。速度量的引入提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。針對(duì)機(jī)器人在壁面的雙足運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)器人質(zhì)心進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，提高了機(jī)器人雙足運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。
　　機(jī)器人的雙足運(yùn)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的地壁過(guò)渡、跨越溝槽和凸起等的越障運(yùn)動(dòng)，及實(shí)現(xiàn)不同壁面間的過(guò)渡運(yùn)動(dòng)等。在該方式下，是通過(guò)兩個(gè)吸盤(pán)的交替吸附實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，吸盤(pán)的下落、抬起動(dòng)作的可靠實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙足運(yùn)動(dòng)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(duì)移動(dòng)吸盤(pán)的位置和姿態(tài)角實(shí)現(xiàn)柔順控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人吸盤(pán)在自由空間和約束空間之間平穩(wěn)過(guò)渡

7、。通過(guò)對(duì)末端接觸外力和接觸外力矩的跟蹤，實(shí)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(yùn)動(dòng)的可靠實(shí)現(xiàn)。
　　最后，采用分級(jí)和模塊化思想，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制系統(tǒng)。上位 PC機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，下位機(jī)由兩級(jí)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(yùn)動(dòng)控制的電機(jī)伺服控制模塊。然后對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，包括壁面吸附能力、壁面輪式方式運(yùn)動(dòng)、壁面越障運(yùn)動(dòng)、地壁過(guò)渡運(yùn)動(dòng)、平面避障運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，及雙足運(yùn)動(dòng)主動(dòng)柔順控制實(shí)驗(yàn)等，實(shí)驗(yàn)