间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析_武丽君.pdf

第 12 卷第 31 期2012 年 11 月 16711815( 2012) 31-8271-05 科学技术与工程 Science Technology and Engineering Vol. 12No. 31Nov 2012 2012Sci. Tech. Engrg. 计算机技术 间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析 武丽君吴善强 ( 中国计量学院机械电子研究所， 杭州 310018) 摘要研究了带有新型吸盘结构的具有间隙式负压吸附方式特点的爬壁机器人的动力学问题。采用间隙吸附方式的爬壁 机器人， 其运动性能( 可操作性、 驱动性能等) 主要由轮式移动结构决定， 因此对爬壁机器人运动结构进行动力学分析是合理 和必要的。基于拉格朗日乘子方程建立了机器人的动力学模型。利用 Matlab/Simulink 的动力学仿真， 分析了吸盘吸附力和 机器人方位角变化对爬壁机器人运动特性的影响， 为改善和提高机器人的运动性能并为其结构优化设计与运动控制提供了 理论研究基础。 关键词间隙吸附爬壁机器人轮式移动动力学 中图法分类号TP242;文献标志码A 2012 年 7 月 2 日收到浙江省自然科学基金( Y1090042) 、 浙江省教育厅资助项目( Y200909253) 和浙江省大学生孵化项目( 2011R409045) 资助 第一作者简介: 武丽君( 1988) ， 女， 硕士生， 研究方向: 机器人技 术、 运动控制。E- mail: wulijunjyz163. com。 爬壁机器人是一类能够在高空危险环境下作 业的特种机器人， 在反恐防暴、 石化、 建筑、 能源等 多个行业中有广泛的应用前景， 具有重要的研究意 义和实用价值 1 。近十几年， 国内外很多研究者针 对爬壁机器人的壁面吸附能力和机构的运动形式 进行了研究， 其中， 轮式运动机构作为爬壁机器人 的一种有效运动方式， 以其运动速度快、 机构简单 等优点得到了很多研究者的重视 2， 3 。相对于传统 的以研究机器人智能、 决策等为目的而开发的轮式 移动机器人相比， 在爬壁能力、 机动性、 集成设计、 智能检测等方面提出了许多新的挑战。卡耐基梅 隆大学研究了 Walbot 机器人和加州大学伯克利分 校与 Robot 合作开发了机器人 Hexa- Gecko4 ; 哈尔 滨工业大学研制了轮式驱动的低噪声负压吸附反 恐爬壁机器人 5 ; 上海交通大学和北京理工大学也 分别研制了高楼壁面清洗作业机器人和四轮移动 机构的爬壁机器人样机 6， 7 。 对于间隙吸附单吸盘爬壁机器人， 与传统滑动 式单吸盘爬壁机器人最大不同是吸盘与壁面间不 存在滑动摩擦， 因此减少了机器人运动时部分阻 力。由于壁面移动机器人工作于垂直壁面上， 吸附 能力和运动结构设计是机器人设计的两个关键问 题。首先介绍了爬壁机器人的整体结构， 并利用流 体仿真软件 fluent 仿真分析了吸盘与壁面缝隙间的 空气流场分布， 然后针对所设计的四轮驱动单吸盘 间隙吸附式爬壁机器人， 研究了单个驱动轮的受力 情况， 并分析了机器人在任意姿态下在壁面上安全 移动的运动状态和约束条件， 建立了其动力学模 型， 最后利用 Matlab/Simulink 软件对爬壁机器人的 动力学模型进行了仿真分析， 将吸附力和方位角作 为变量， 使其根据实际情况可以调整大小， 得出吸 附力变化对爬壁机器人运动特性的影响， 为四轮驱 动爬壁机器人的结构优化和安全运动控制提供了 理论依据。 1机器人机构组成 所设计的四轮驱动单吸盘间隙式爬壁机器人 组成结构如图 1 所示， 包括吸附结构和运动结构两 部分。其中吸附结构是由离心风扇、 滑动吸盘、 上 下导流密封机构和风扇电机组成， 滑动吸盘通过离 心风扇在吸盘与壁面的缝隙之间产生负压， 使机器 人附着在壁面上。同时， 上下导流机构使风扇出口 气体与壁面产生一定的夹角， 即出口气体与缝隙入 口气体间形成对流， 从而阻止部分气体的流入， 具 有一定的气封作用。运动机构由驱动轮 fl， 驱动轮 fr ， 驱动轮 bl ， 驱动轮 br ， 分别表示前左轮， 前右轮， 后左轮， 后右轮组成， 每个轮子的驱动装置都是安 装在与轮子同轴心的位置， 这种机构能够使机器人 在平滑壁面上具有快速的移动能力。 图 1机器人本体结构 在遇到不同壁面条件时， 可以通过改变吸盘与 壁面间的缝隙高度来提高机器人壁面适应能力。 在缝隙高度增大时， 空气泄漏量增大， 吸盘与壁面 间的负压值减少， 通过提高离心风扇的转速增大抽 吸空气的能力， 从而保证机器人安全吸附在壁面上。 2吸盘与壁面缝隙内空气流场的模拟仿真 利用 CFD 对滑动吸盘内空气泄漏量和压力场 进行数值模拟， 为爬壁机器人负压吸盘研究与设计 提供了理论依据。当离心风扇入口处始终提供 4 000 Pa负压时， 图 2 是导流机构与吸盘成 30 度夹 角时根据 Fluent 分别对 2 mm， 4 mm， 6 mm， 8 mm 以 及 10 mm 的缝隙高度下得到的吸盘内空气泄漏量 绘制的曲线。 图 2加入气封结构前后吸盘内空气泄漏量对比 图 2 中黑色曲线代表在未加入导流气封结构前 吸盘内的空气泄漏量， 红色曲线代表加入导流气封 结构后吸盘内的空气泄漏量， 由图 2 可知当加入吸 盘气封结构后， 空气的泄漏量有所减小。其中， 在 缝隙高度为 6 mm 时， 空气泄漏减小幅度最大， 气封 效果最明显。 图 3加入气封结构前后缝隙内压力场分布对比 同时， 对在 2 mm， 4 mm， 6 mm， 8 mm 以及 10 mm 的缝隙高度下吸盘内压力场也做了模拟。图 3 为缝隙高度为 4 mm 时， 加入导流气封结构前后吸 盘内压力场分布对比。从图中 3 可以看出， 加入导 流气封结构后， 吸盘内的压力梯度变化明显， 低负 压区向外扩展， 从而爬壁机器人吸盘内保持了一定 的真空度， 保证机器人能有效吸附在壁面上， 不至 于滑落或倾覆， 提高了机器人的自适应能力。 通过对吸盘与壁面的缝隙间空气流场分布的 数值模拟， 可以数值计算机器人吸盘负压吸附力， 为爬壁机器人负压吸盘研究与设计提供了理论 依据。 2728科学技术与工程12 卷 3机器人的动力学建模 3. 1机器人单个驱动轮动力学方程 当运动轮与墙壁接触时， 墙壁都会对其表面产 生应力。假设机器人运动轮与壁面刚性接触， 驱动 轮受力情况如图 4 所示。 图 4单个驱动轮受力分析 图 4 中， 机器人运动轮半径为 r ， 宽度为 b ; Fs 为运动轮阻力， Ff为墙壁对运动轮的摩擦力; Fp为 机器人本体作用在运动轮轴上的正压力，FN( = Fp) 为墙壁对运动轮的反作用力; Mc( = T) 为墙 壁对运动轮的阻力矩，T 为驱动电机的输出力矩。 根据图 4 的受力分析， 单个驱动轮的动力学方程为。 v = r mv = Ff Fs mg J = T Ffr M c ( 1) 式( 1) 中，v 为轮子中心线速度， 为驱动轮角速 度， m 和 J 分别为驱动轮的质量和惯性矩。Ff与驱 动轮的摩擦系数 和机器人本体作用在运动轮轴上 的正压力 Fp有关。驱动轮的动摩擦力方向与机器 人运动方向一致， 为机器人运动提供驱动力。所有 运动轮均采用驱动轮的方式， 产生的摩擦力都被用 来驱动机器人运动， 可以最大限度地利用有限的负 压吸附力， 从而提高了机器人的负载能力。 3. 2任意姿态下驱动轮支撑力分析 机器人以任意姿态在壁面上运动情形如图 5 所 示。首先定义固定于壁面的惯性笛卡尔坐标系 X， Y， Z- O 和广义坐标系为 x， y， z- o ， 驱动轮中心沿 X 方向间距为 2L， 沿 Y 方向间距为 2B， 机器人重心距 墙壁距离为 H 。 Fffl， Fffr， Ffbl， Ffbr分别为前左轮、 前右轮、 后左轮、 后右轮的滑动摩擦力。 机器人处于静止吸附状态时 ， 各驱动轮所受壁 图 5机器人任意姿态下驱动轮受力分析 面支撑力满足下式 FNfl+ FNfr+ FNbl+ FNbr Fp= 0 2L( FNfl+ FNfr) + GHsin FpL = 0 2L( FNfl+ FNbl) + GHcos FpB = 0 ( 2) 式( 2) 中 FNfl， FNfr， FNbl， FNbr分别表示前左轮、 前 右轮、 后左轮、 后右轮的支撑力。Fp为机器人的吸 附力。 机器人处于任意姿态下的直线运动状态时， 各 驱动轮所受壁面支撑力满足下式: FNfl+ FNfr+ FNbl+ FNbr Fp= 0 Ff Fx Ma Gcos = 0 2L( FNfl+ FNfr) + GHsin FpL = 0 2L( FNfl+ FNbl) + GHcos FpB = 0 ( 3) 式( 3) 中 Fx为驱动轮所受到的阻力和。运动轮摩擦 力提供机器人驱动力， Ff= Fp， 其中， 为运动轮 的摩擦系数。 运动过程中应满足 min( FNfl， FNfr， FNbl， FNbr) 0 ， 即保持 4 个驱动轮始终与壁面接触。 采用拉格朗日乘子方程建立四轮驱动单吸盘 爬壁机器人在纯滚动条件下的动力学模型为 8 : M( q)q + C( q) Fp+ D( q) G = B( q) T AT( q) ( 4) 式( 4) 中 M( q) 是对称、 正定惯性矩阵; 假设机器人 始终不发生侧向移动， B( q) ， C( q) ， D( q) 为输入 变换矩阵，AT( q) 为约束矩阵， 为拉格朗日约 束乘子矢 量。取 驱 动 力 矩 向 量 T = ( l ， r) T ， l= rFl ， r = rFr。 372831 期武丽君， 等: 间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析 3. 3机器人的动力学分析 各驱动轮转速分别为 vfl，vfr，vbl，vbr， 驱动轮 转速分别为 fl ， fr ， bl ， br， 驱动轮半径为 r 。 设四个驱动轮的尺寸、 材质一致， 轮胎刚度系数一 致。从以上假设可以得到 l= fl= bl ; r = fr= br ( 5) vl= rl;vr= rr( 6) 采用 Routh 方程可得到式( 4) 中的系数矩阵。 M( q)= M00 0M0 00 I ; B( q)= 1 r coscos sinsin BB ; C( q)= cos sin 0 ; D( q)= sincos sin2 0 。 假设在理想的纯滚动非滑移条件， 即存在非完 整约束使 ( sin， cos， 0) ( x，y， ) T = A( q) q = 0 ( 7) 取驱动轮角速度向量 = ( l，r) T ， 则有 珋 q = S( q) w 。 其中， S( q) 是一组光滑分布在零空间的满秩矩阵 向量 S( q)= r 2 coscos sinsin 1 B 1 B ， 可以证明 A( q) S( q)=0， 即q 始终处于 A( q) 的零空间， 满足 约束条件式( 7) 。 在式( 4) 两边左乘 ST( q) ， 可得 ST( q) ( M( q)q + C( q) Fp + D( q) G) = ST( q) B( q) T ( 8) 可以证明 ST( q) B( q) 是 I22矩阵， 所以可以得 到驱动力矩为: T = ST( q) ( M( q)q + C( q) Fp+ D( q) G)( 9) 吸附压力 Fp作用下驱动轮最大允许驱动力矩 Tmax Fp = r FNfl+ FNbl FNfr+ FN br 。 4机器人动力学仿真 机器人结构参数为: M = 8 kg， r = 0. 067 5 m， B =230 mm， L =220 mm， =0. 6， 机器人以速度为 2 m/s， 半径 R 为1 m 做等半径匀速圆周运动。依据 所建立的机器人动力学模型， 利用 Matlab 对机器人 进行仿真分析。 图 6不同吸附压力为 Fp 下驱动轮的驱动力矩 图 6 为不同吸附压力 Fp 为下驱动轮的驱动力 矩曲线。可以看出， 随吸附压力的增大， 机器人所 需的驱动力矩也增大， 同时也可以看出， 随着机器 人方位角的变化， 机器人安全移动驱动力矩也在变 化。在实际环境的不确定干扰的存在， 如缝隙的增 大， 摩擦系数突变等， 对机器人移动产生影响， 因此 要保证机器人的安全移动， 必须通过改变吸盘吸附 力来使爬壁机器人适应不同工作环境。 5结论 本文对四轮驱动间隙式爬壁机器人的动力学 进行了研究。首先， 分析了单个驱动轮的受力情况 并对其建立了动力学方程， 然后， 针对任意姿态下， 分别在机器人静止吸附和运动两种状态下对驱动 轮所受支撑力进行了分析， 进而利用拉格朗日乘子 方程建立了机器人非完整约束系统的动力学模型， 把吸附压力作为自由度引入动力学方程中。最后， 将机器人尺寸代入模型， 利用 Matlab/Simulink 模块 仿真分析了所设计的机器人在不同吸附压力作用 下， 以任意姿态角运动所需的驱动力矩， 从而得出 通过改变吸盘吸附力来使爬壁机器人适应不同工 作环境的方案。为提高其壁面适应性和安全运动 控制提供了理论依据。 4728科学技术与工程12 卷 参考文献 1崔旭明， 孙英飞， 等 壁面爬行机器人研究与发展 科学技术与工 程， 2010; 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