帶滑動(dòng)式吸盤的爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性分析及其應(yīng)用研究.pdf

1、爬壁機(jī)器人 (Wall Climbing Robot,WCR) 是一種在壁面環(huán)境下作業(yè)的自動(dòng)化機(jī)械裝置,可將人從危險(xiǎn)、繁重的工作中解脫出來(lái),并能有效降低成本、提高作業(yè)效率和自動(dòng)化水平.根據(jù)吸盤的壁面運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分類,WCR 可分為帶普通吸盤和帶滑動(dòng)式吸盤 (Sliding Suction Cup,SSC)兩種機(jī)構(gòu)形式.與普通吸盤通過(guò)交替吸附方式實(shí)現(xiàn)壁面移動(dòng)不同,SSC與壁面間存在相對(duì)滑動(dòng),帶 SSC 的 WCR 能連續(xù)運(yùn)動(dòng),具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、移

2、動(dòng)靈活、速度快等優(yōu)點(diǎn).但SSC吸附力不是越大越好,且易受壁面環(huán)境和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)特性.因此,如何設(shè)計(jì)WCR的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)性能是研究該類WCR的關(guān)鍵問(wèn)題之一.本文首先針對(duì)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(duì)其運(yùn)動(dòng)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(jì)了 WWCR的簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu):一種壁面牽引滑動(dòng)式清洗機(jī)器人 (Wall S1iding CleaningRobot,WSCR),并和WWCR運(yùn)動(dòng)特性和工作能力進(jìn)行了比較.最后通過(guò)對(duì)WSCR和WWCR兩種SSC結(jié)構(gòu)負(fù)壓吸附特性的對(duì)比分析,提出了進(jìn)行SSC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則和負(fù)壓控制方法.本文主要研究?jī)?nèi)容如下: (1) 變SSC吸附力和變質(zhì)量情況下WWCR的動(dòng)力學(xué)建模.首先建立了純滾動(dòng)假設(shè)條件下基于Routh方程的雙輪差速

4、 WWCR 動(dòng)力學(xué)模型,用來(lái)分析在復(fù)雜多變的壁面環(huán)境下SSC吸附力的波動(dòng)對(duì) WWCR 運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(duì)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)兩類基本問(wèn)題,基于變質(zhì)量牛頓力學(xué)建立了WCR的動(dòng)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(dòng)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(duì)這一類WCR(包括WWCR)運(yùn)動(dòng)特性的影響很大,建立的動(dòng)力學(xué)模型為其運(yùn)動(dòng)控制和路徑規(guī)劃提供了理論依據(jù). (2)驅(qū)動(dòng)輪打滑時(shí)WWCR的壁面運(yùn)動(dòng)特性分析.SSC吸附力相對(duì)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(dòng)輪的縱向和側(cè)向滑移,建立了打滑運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;分別基于小參數(shù)奇異攝動(dòng)法和車輛動(dòng)力學(xué)理論建立了打滑動(dòng)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(guò)對(duì)SSC吸附力和驅(qū)動(dòng)力矩的協(xié)調(diào)控制,可調(diào)節(jié)打滑程度,彌補(bǔ)打滑引起的運(yùn)動(dòng)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(wèn)題. (3)SSC吸附力變化對(duì)WWCR.轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(píng)價(jià)WWCR轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)性能

7、的指標(biāo),為SSC結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率選擇和校驗(yàn)提供了理論指導(dǎo).針對(duì)帶三個(gè)SSC的WWCR越障過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,考察了可靠越障對(duì)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(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則,據(jù)此設(shè)計(jì)了多種自身無(wú)行走驅(qū)動(dòng)裝置并帶有SSC的壁面牽引清洗機(jī)器人系統(tǒng)WSCR.WSCR的本體在樓頂卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引作用下,依靠自身重力在保持壁面吸附的同時(shí)完成移動(dòng)和清洗作業(yè).介紹了目前已經(jīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)本體模型、

8、工作流程和機(jī)構(gòu)改進(jìn)措施,并提出了采用壁面牽引滑動(dòng)為主、輪式姿態(tài)調(diào)整為輔運(yùn)動(dòng)方式的第三個(gè)本體模型;分析了WSCR本體的動(dòng)力學(xué)、從動(dòng)滾輪打滑、轉(zhuǎn)向和越障等運(yùn)動(dòng)特性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了自行設(shè)計(jì)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(gè)本體模型的戶內(nèi)外試驗(yàn)情況.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,盡管本體運(yùn)動(dòng)自由度有限,但在平面幕墻清洗領(lǐng)域,能避免WWCR運(yùn)動(dòng)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(diǎn),和其它清洗機(jī)器人相比,具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作效率高、清洗效果好、實(shí)用化程度較高的特點(diǎn). (5)SSC的負(fù)壓吸附特性分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)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(jī)開啟和關(guān)閉、越障以及遭遇壁面縫隙時(shí)的等效電路和負(fù)壓響應(yīng),并進(jìn)行了對(duì)比分析.通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了WSCR的SS