（机械电子工程专业论文）爬壁机器人动力特性研究及仿真分析.pdf

j t 青岛科技人学研究生学位论文 | i i f ll lii ji i f l l li i i fu l y 17 4 0 3 4 6 爬壁机器人动力特性研究及仿真分析 摘要 爬壁机器人( w c r ) 作为移动机器人领域的一个重要分支，在工业生产中得到 了越来越广泛的应用，也越来越受到人们的重视。使用轮式负压吸附的爬壁机器 人具有结构简单，工作效率高，实用化程度高等优点。它在轮式移动机器人( w m r ) 的基础上增加了吸附装置，实现了在垂直或倾斜壁面爬行，并携带各种作业工具 进行壁面作业的目的；它可以使人从危险、繁重的工作中解放出来，并能提高工 作效率和自动化水平。 本文通过对爬壁机器人进行样机总体结构的设计，完成样机开发，在此基础 上研究爬壁机器人的运动特性及动力性能，最后基于虚拟样机技术对其建模仿真 分析。 爬壁机器人的本体结构设计部分包括车体外壳、吸附方案、密封方案、移动 方式、动力系统和控制系统部分。设计出样机的结构之后对爬壁机器人滑落与倾 覆两种情况进行静力学分析，得出避免发生滑落与倾覆的吸附力的范围及吸附力 大小对运动性能与功耗的影响的结果。最终在原有爬壁机器人基础上设计出一种 体积小、成本低、移动灵活、壁面适应能力强、吸附安全可靠和可根据工作需要 搭载不同设备的爬壁机器人。 运动特性及动力性能分析部分首先通过对爬壁机器人运动学的分析，得出其 速度与转向的控制特性。然后基于拉格朗同方程，通过分别对爬壁机器人直线运 动和转向运动动力学的分析，将吸附力设为变量，使其根据实际情况可以调整大 小，得出机器人直线运动滑动吸盘吸附力的变化对爬壁机器人运动特性的影响， 与转向运动时的驱动力与驱动力矩。从而得出一个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。在保证安全可靠吸附力和壁面运动灵活能力的 基础下，改善和提高爬壁机器人的运动性能并为其机构优化设计与运动控制提供 理论研究基础。 基于虚拟样机技术的仿真分析部分共用到了三种建模仿真分析软件。首先通 爬壁机器人动力特性研究及仿真分析 过使用三维实体建模软件p r o e 建立三维参数化模型，然后将此模型导入动力学 仿真分析软件m s c a d a m s 中，在虚拟环境下对爬壁机器人进行运动特性及动 力特性的仿真分析，求解出最佳吸附力与驱动力的值。最后用求解出的吸附力与 驱动力的值，对车轴、车轮、车体部件在有限元软件a n s y s 中进行结构强度仿 真分析，达了到为爬壁机器人系统优化设计提供实践指导的目的。 关键词：爬壁机器人；结构设计；运动特性分析；动力性能分析；仿真分析 青岛科技大学研究生学位论文 d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss t u d y a n ds i m u l a t i o na n a iy s i s0 n 1 i v a ij ，c l i m b i n gr o b o t a b s t r a c t a so n eo ft h ek e y p a r t so fm o b i l er o b o t ，w a l lc l i m b i n gr o b o th a v eb e e np a i dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o na n da l s oo b t a i n e dm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n t h ew h e e l e dw a l l c l i m b i n g r o b o tw i t hv a c u u ma d s o r p t i o nh a ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g he f f i c i e n c y , p r a c t i c a l i t y , e c t t h ev a c u u ma d s o r p t i o ni si n c r e a s e di nt h ew h e e l e dm o b i l er o b o t ，a n d t h e ni tc a l lw o r ka tt h ew a l lo fh o r i z o n t a lo rv e r t i c a l i tc a ni m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y a n di sd e v e l o p e dt od e l i v e ra u t o m a t i o no ft h ed a n g e r o u sa n dh e a v yw o r k i nt h i sp a p e r , as t u d yo nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f w a l lc l i m b i n gr o b o tw a sc a r d e do u ta f t e ro v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g na n dp r o t o t y p e d e v e l o p m e n t t h e nm o d e l i n gs i m u l a t i o na n a l y s i sw a st a k e nt op r a c t i c e sb a s e do n v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h es t r u c t u r ed e s i g no fw a l lc l i m b i n gr o b o ti n c l u d e sb o d ys h e l l ，a d s o r p t i o n s c h e m e ，s e a l i n gs o l u t i o n sa n dm o v e m e n t ，t h ep o w e rs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m t h e n s t a t i ca n a l y s i so fw a l lc l i m b i n gr o b o ti n c l u d i n gf a l l i n ga n do v e r t u r nw a sp e r f o r m e d a f t e ro v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g n ，t h er a n g eo fa d s o r p t i o nf o r c ea n dt h ei n f l u e n c ew h i c h a d s o r p t i o nf o r c et om o t i o np e r f o r m a n c ea n dp o w e rw e r eo b t a i n e d f i n a l l y , t h ew a l l d i m b i n gr o b o tw a sd e s i g n e db a s e do nt h eo r i g i n a lw a l lc l i m b i n gr o b o tw i t hs m a l l v o l u m e ，l o wc o s t ，f l e x i b l em o v i n ga n da d a p t i v ew a l l ，e c t t h ea n a l y s i so nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fw a l l r l l 爬肇机器人动力特性研究及仿真分析 c l i m b i n gr o b o ts e tt h ev a c u u ma d s o r p t i o ni nv a r i a b l e t h e nk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s m o d e l i n ga n a l y s i sw a sp e r f o r m e di np u r er o l l i n ga n ds t e e r i n gm o v e m e n tc o n d i t i o n t h ei n f l u e n c eo fw h i c ht h e s l i d i n gt y p e s u c k e rt o s t e e r i n g a n dm o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c sw a sa n a l y z e d ，a n di tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lr e s e a r c hf o u n d a t i o nf o r m e c h a n i s mo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dm o t i o nc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o na n a l y s i sw a sm a d eb yu s i n gt h r e em o d e l i n gs i m u l a t i o na n a l y s i s s o f tw a r e s a tt h ef i r s t ，t h e3 dp a r a m e t r i cm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n g t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r ep r o e t h e nt h es i m u l a t i o na n a l y s i so nm o t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fw a l lc l i m b i n gr o b o tw a sp e r f o r m e db y u s i n gt h em o d e ld y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r em s c a d a m s i nav i r t u a le n v i r o n m e n t , a n dt h es o l u t i o no ft h eo p t i m a lv a l u eo ft h ed r i v i n gf o r c ea n da d s o r p t i o nf o r c ew e r e o b t a i n e d f i n a l l y s i m u l a t i o na n a l y s i so fs t r u c t u r es t r e n g t ho fr o b o tb o d y , w h e e l sa n d o t h e rs t r u c t u r e sw e r ec a r r i e do u tb yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s i tp r o v i d e s ag u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rs y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g no fw a l lc l i m b i n gr o b o t k e yw o r d s ：w a l lc l i m b i n gr o b o t ，s t r u c t u r ed e s i g n ，k i n e m a t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s ，d y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n a l y s i s i v 青岛科技大学研究生学位论文 摘要 目录 a b s t r a c t 符号说明 1 绪论 1 1 1 选题的背景、目的及意义1 1 1 1 爬壁机器人国外发展现状2 1 1 2 爬壁机器人国内发展现状6 1 1 3 爬壁机器人的发展方向9 1 2 研究目标与研究内容1 0 1 2 1 研究目标“1 0 1 2 2 研究内容1 0 2 爬壁机器人总体设计1 2 2 1 弓r 言1 2 2 2 爬壁机器人机械系统的构成1 2 2 3 爬壁机器人本体结构设计1 3 2 3 1 车体外壳结构设计1 3 2 3 2 吸附方案设计1 5 2 3 3 密封方案设计1 7 2 3 4 移动方式选择1 9 2 3 5 动力系统设计2 0 2 3 6 控制系统设计“2 2 2 4 爬壁机器人安全性分析”2 5 2 5 爬壁机器人整体结构确定2 7 2 6 本章小结。2 8 3 爬壁机器人动力特性分析 v 2 9 爬譬机器人动力特性研究及仿真分析 3 1 弓i 言2 9 3 2 爬壁机器人运动学建模分析3 0 3 2 1s h e t h u i c k e r 规则分析3 0 3 2 2 运动学建模分析3 2 3 3 爬壁机器人动力学建模分析“3 4 3 3 1 动力学系统分析3 5 3 3 1 1 刚体之间的接触情况3 5 3 3 1 2 二维空间中的动力学方程3 7 3 3 1 3 状态矢量空间表现形式3 8 3 3 2 动力学建模分析3 9 3 3 3 动力学方程求解4 2 3 3 3 1 直线行驶时的动力学分析4 2 3 3 3 2 转向时的动力学分析4 4 3 4 本章小结”4 5 4 爬壁机器人虚拟建模” 4 1 弓i 言4 6 4 2基于p m e n g 玳e e r 的三维实体建模4 6 4 2 1 p r o e n g i n e e r 的特点4 6 4 2 2p r o e 环境下的建模4 8 4 2 2 1 建模中的要点4 8 4 2 2 2 零件图的建模4 9 4 2 2 3 零件的装配”5 2 4 3 本章小结“5 2 5 基于虚拟样机技术的仿真分析 5 3 5 1 引言5 3 5 2 基于a d a m s 与m a t l a b 的联合动力学仿真5 4 5 2 1a d a m s 的特点5 4 5 2 2a d a m s 环境下的建模5 5 青岛科技人学研究生学位论文 5 2 2 1 用m e c h p r o 接口导入a d a m s 参数化模型5 5 5 2 2 2 设置材料参数5 7 5 2 2 3 添加约束与驱动5 8 5 3 剐阢m s c o m 限o l 与m a t l a b s i m u l i n k 联合仿真6 1 5 3 1 创建状态变量6 2 5 3 2 加载a d a m s c o n t r o l 控制模块6 4 5 3 3 编写m a t l a b 程序6 4 5 4 联合仿真结果分析6 9 5 4 1 质心轨迹分析7 0 5 4 2 速度分析7 l 5 4 3 驱动与受力分析7 2 5 5 本章小结7 3 6 基于a n s y s 的有限元分析7 4 6 1 引言7 4 6 2 静力分析步骤7 4 6 3 分析过程。7 6 6 3 1电机输出轴分析7 6 6 3 2 车体受力分析8 0 6 3 3 驱动轮受力分析8 3 6 4 本章小结8 6 总结与展望 参考文献” 致 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录 v 爬肇机器人动力特性研究及仿真分析 符号说明 e o ( p a ) 标准大气压 g ( p a ) 真空腔内压强 q ( n m 3 h ) 气体流量 e ( ) 吸盘吸附力 m 殿( m ) 摩擦阻力矩 ( ) ”壁面反作用力 ，( ) 静摩擦阻力 g ( ) 爬壁机器人总重量 j l ( 聊) 重心到壁面的距离 z ) ”轮间距 o ( d e g ) 转向角 v ( m s ) 驱动轮速度 ，( 小) 一驱动轮半径 m ( k g ) 质量 l ( k g m 2 ) 转动惯量 a ( m 2 ) 。吸盘等效吸附面积 青岛科技大学研究生学位论文 1绪论 1 1 选题的背景、目的及意义 机器人学是当今机电学科极为活跃和被广泛应用的技术之一，是一门高度交 叉的前沿学科。机器人技术是集机械学、生物学、人类学、电子工程学、控制论 与控制工程学及计算机科学等多个学科的综合技术。机器人从出现到现在的短短 几十年中，已经广泛应用于国民经济的各个领域。在各学科高速发展的带动下， 机器人技术的发展也越来越广泛和深入。从深海到宇宙，在各种人体所不能承受 的极限环境条件下都能找到机器人的应用【1 1 。随着科技的发展和社会的进步，机 器人的种类也日益增多，从工业机器人发展到现在的服务机器人。 关于服务机器人，国际机器人联合会经过几年的搜集整理，给了其一个 初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有 意于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。 相对于已经发展成熟的工业机器人而言，服务机器人是机器人家族中的 一个年轻成员。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运 输、清洗、保安、救援、监护等工作。服务机器人的出现，可以使人们摆脱 枯燥、繁重或危险的工作，并能提供高技术含量的工作，具有广泛的市场和 巨大的经济效益，其发展越来越受到人们的重视。 爬壁机器人州c r ) 作为移动机器人领域的一个重要分支，在工业生产中得到 了越来越广泛的应用，也越来越受到人们的重视。使用轮式负压吸附的爬壁机器 人具有结构简单，工作效率高，实用化程度高等优点【1 1 。它在轮式移动机器人 ( w m r ) 的基础上增加了吸附装置，实现了在垂直或倾斜壁面爬行，并携带各种作 业工具进行壁面作业的目的；它可以使人从危险、繁重的工作中解放出来，并能 提高工作效率和自动化水平。 爬肇机器人动力特性研究及仿真分析 国外在该领域的研究起步较早，已研制出多种成熟的爬壁机器人，广泛应用 于多个领域。国内在该领域的研究起步较晚，总体水平落后于国外，但在国家 “8 6 3 计划与国家自然科学基金长期支持下，也研制出多种类型的爬壁机器人。 概括起来，爬壁机器人主要应用于： 1 、核工业：对核设备进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等，避免了人检测时 可能受到的辐射【2 】； 2 、石化企业：对圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷 漆防腐等1 3 】； 3 、建筑行业：用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并对瓷砖、玻璃壁面进行清洗 等【4 l ； 4 、消防部门：用于传递救援物资、进行救援工作等1 5 】； 5 、造船业：用于喷涂船体的内、外壁等【6 】。 6 、航空航天业：用于检查飞机的设备情况等阴。 7 、军事或警事：用于反恐侦查、排爆等，可以去人无法到达的地方并降低 反恐行动的危险性【8 】。 1 1 1 爬壁机器人国外发展现状 同本在机器人技术方面的研究起步较早，一直处于世界领先地位。1 9 6 6 年， 日本大阪府立大学工学部n i s h i a 教授设计出第一台爬壁机器人样机，该机器人 吸盘以风扇为动力，用风扇进气端的低压作为吸附力，使机器人吸附在壁面上， 这是世界上最早的爬壁机器人。1 9 7 5 年，他又设计出以实用化为目标的，带有大 型滑动吸盘的采用风机产生负压的第二代爬壁机器人样机，该机器人采用单吸盘 结构【纠。 1 9 7 8 年，日本化工机械技术服务株式会社研制成功了核电站炉心清洁机器 人，该机器人采用单吸盘负压结构，吸盘边缘采用弹性物质以顺应粗糙的壁面。 其行动靠绞车拖动，所以安全性较高。 1 9 9 1 年，英国朴次茅斯大学的l u kbl 等人研制了r o b u g i i 型爬壁机器人， 如图1 - 1 所示。此机器人采用模块化设计，使用真空负压吸盘吸附，多足行走模 式，由两个相似的模块组成，每个模块包括两个机械腿和腿部分级的分布式计算 2 青岛科技人学研究生学位论文 机控制器，可根据任务需要来安装不同数量的腿，可重构能力强。机器人由两个 支撑杆和两个电磁阀控制的双作用气缸组成，腿脚关节构成四边形结构。稳定性 较好，承载能力大，利于机器人的轻量化，并能跨越较大的障碍物。除机械腿端 部各有一真空吸盘外，机器人腹部设有吸盘，使机器人具有较大的负载质量比， 可达2 ：i t l 0 1 。 1 9 9 7 年，美国西雅图a u t o c r a w l e rl l c 公司的h e n r y rs e e m a n n 在波音公司 的资助下研究出一种真空吸附履带式爬壁机器人a u t o c r a w l e r ，如图1 2 ，用于波 音飞机的探伤工作。其两条履带上各装有数个小吸附盘，凭借其强大的空气马达 和大容量的真空吸附室，随着履带的移动，真空吸附室贴到墙面即形成真空腔而 使得履带贴紧壁面行走川。 图1 - 1r o b u g - i i图1 - 2a u t o c r a w l e r f i g 1 - 1r o b u g - i if i g 1 2a u t o c r a w l e r 1 9 9 8 年，东京工业大学机械与航空工程系a n a g a k u b o 等人设计了一系列四 足n i n j a 机器人，如图1 3 ，图1 4 。该机器人使用新研究出的一种新式v m 吸 盘，如图1 5 ，图1 - 6 。v m 吸盘由多个子吸盘组成，每个子吸盘由各自的阀门控 制。当其中任意吸盘发生泄漏时，其阀门即立即关闭，所以其壁面适应性比一般 吸附方式更强【1 2 1 。 3 爬肇机器人动力特性研究及仿真分析 图1 3n i n j a - i f i g 1 3n i n j a - i 图1 _ 4 n i n 且k f i g 1 _ 4n i n j a - i i 图1 - 5v m 吸盘原理图1 - 6n i n j a - i 号使用的v m 吸盘 f i g 1 - 5p r i n c i p l eo ft h ev m s u c t i o np a d f i g 1 - 6t h e v ms u c t i o np a do ft h en i n j a - i 2 0 0 2 年，b a l a g u c r c 等人设计了r o m a 型爬壁机器人，如图1 7 。r o m a - i i 有两只脚，每只脚上带有多个小吸盘，从而保证了在崎岖不平壁面上的可靠吸附。 此机器人可以沿着三维复杂环境下进行检验工作，可以由自身控制系统控制进行 自主移动，并且实时规划最优路径行走以确保稳定的状态和避障，也可由自主地 面遥控装置控制行动【1 3 1 。 4 青岛科技大学研究生学位论文 图1 7r o m a - l i图1 - 8s i r i u s c f i g 1 - 7r o m a - i if i g 1 - 8s i r l u s c 2 0 0 2 年，德国f r a u n h o f e r 研究所( i p a ) 设计了s i r i u s c 系列玻璃幕墙清洗机 器人【1 4 】，如图1 8 。机器人由楼顶处的提升机构牵引自身的移动机构从下往上运 动，并能通过两个长条型框架式结构实现越障和姿态调整。该研究所还研制了一 种专门用来清洗莱比锡商业大厦拱形玻璃外墙的机器人【1 5 】，如图1 - 9 。该机器人 没有吸附机构，通过楼顶处的提升机构牵引两根钢绳。该研究所还利用气球升力 原理，设计了一种清洗建筑内玻璃壁面的机器人，气球作为牵引和安全保护机构， 一端设置双负压吸盘吸附装置和清洗工具并通过挂接在两头的钢丝绳及绞盘定 位，见图1 1 0 。 图1 - 9 清洗拱形外墙机器人 f i g 1 - 9r o b o t o nv a u l t e dw a l l 5 图1 1 0 气球牵引清洗机器人 f i g 1 - 1 0b a l l o o nt e t h e r e dr o b o t 爬肇机器人动力特性研究及仿真分析 1 1 2 爬壁机器人国内发展现状 国内在该领域的研究起步较晚，总体水平落后于国外，但在1 9 8 7 年，国家 “8 6 3 ”高技术研究发展计划的支持下，把智能机器人确立为自动化领域的主体 之一。哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等高校研制出多种类型的爬壁机器人： 在特种机器人、机器人应用工程、机器人基础学科等方面也取得了很大成绩。 1 9 8 8 年开始，哈尔滨工业大学机器人研究所特种机器人研究室率先从事爬壁 机器人的研究。先后开发出采用磁吸附和真空吸附的两个系列共5 个品种的爬壁 机器人，处于国内领先行列。如图1 1 1 ，为哈尔滨工业大学机器人研究所，沈阳 自动化所等5 家单位，经过5 年时间研制成功的我国第一台壁面爬行遥控检查机 器人。该机器人采用负压吸附，全方位电驱动移动轮，爬行速度0 2 r n m i n 。其任 务是携带超声检查系统、视觉系统、照明系统对核废液储存罐罐壁焊缝缺陷及外 观进行检查，以便及时发现因核废液腐蚀等原因造成的泄漏隐患，确保环境安全 0 6 1 。 图1 1 1 遥控检测爬壁机器人图1 1 2c l r - i 工作原理 r i g 1 - 1 1w a l ld i m b m gr o b o tf o rt e l e m e t e r i n g飚1 1 2c l r - iw o r k i n gp r i n c i p l e 1 9 9 4 年哈工大机器人研究所又开发出c l r i 型壁面清洗爬壁机器人，如图 1 1 2 ，用于瓷砖、玻璃等壁面的清洗。该机器人也采用负压吸附、全方位移动机 构，爬行速度0 。1 0 m r a i n ，爬行高度 1 0 0 m ，控制方式为有线遥控及p l c 控制旧。 1 9 9 8 年哈工大机器人研究所在c l r i 的基础上又开发出c l r i i 。c l r i i 采用负 压吸附，两轮独立差速驱动方式，通过对两轮速度的控制实现机器人的移动，控 6 青岛科技大学研究生学位论文 制系统为电力载波通讯。i i 型与i 型相比，有以下重要改进： ( 1 ) 清洗机构专用化，专门为清洗玻璃幕墙清洗作业设计； ( 2 ) 控制系统结构小型化与轻量化，可直接吊挂在挂吊水管的吊钩上； ( 3 ) 机器人本体结构重量降低，采用小型伺服电机，减轻本体重量，使移动灵活； ( 4 ) 传输电缆线大为减少，仅有二根电源线，省去1 0 多根控制线，同时省去原用 卷电缆的小车1 1 6 1 。 1 9 9 9 年，北京航空航天大学研制成功c l e a n b o t - i 擦窗机器人f 1 8 1 ，如图1 1 3 ， c l e a n b o t - i 由三部分组成：1 、地面支援小车。它装载空压机、污水回收、清 水供给等单元，通过一根集束软管从地面向机器人提供电、气、净水，并吸纳污 水。2 、随动小车。它位于楼顶，分担部分机器人所承受的载荷和干扰力，并为 系统安全提供保障。3 、擦窗机器人本体，如图1 1 3 ，它是整个系统中沿窗面爬 行的部分，采用全气压驱动和分级控制，可通过全局遥控或局部自主方式在玻璃 面上实现行走、擦洗、检测窗框以及跨越障碍等功能。 放电撬 图1 1 3 o t - i 擦窗机器人系统 f i g 1 1 3 嗍o t - 1w i n d o w - c l e a n i n gr o b o ts y s t e m 2 0 0 2 年，北京航空航天大学研制成功“蓝天洁宝 清洗机器人【1 9 】，如图1 1 4 所示，等幕墙清洗机器人样机。蓝天洁宝清洗机器人采用旋翼吸附方式提供吸附 力，采用全自动模糊控制人工控制方式，并配备有完备的内外传感器，使机器人 能在玻璃幕墙上自主行走，跨越障碍，完成清洗作业；独特的腰关节设计，能实 现机器人的方位调整；机器人能安全、可靠高效率工作，作业人员可以用自动 7 爬罐机器人动力特性研究及仿真分析 人工两种操作模式，清洗装置为盘刷与刮条的组合结构。 2 0 0 3 年北京航空航天大学又研制成功超高层吊篮式清洗机器人【冽，此爬壁机 器人采用无线控制与有线控制融合，楼顶安全保护装置与楼顶轨道吊索系统融 合，并采用旋翼式吸附系统，充分提高了对壁面的适应能力。整个系统由3 部分 构成：吊篮式玻璃幕墙清洗机器人本体、楼顶悬挂行走小车以及监控盒。如图1 1 5 所示为幕墙清洗机器人系统结构简图，其中机器人本体包括4 个子系统：吸附系 统、清洗系统、清洗液循环系统及本体框架。吸附系统所采用的他励交流电机驱 动的旋翼吸附方式可使机器人持续、可靠地附着于玻璃表面，以克服高空风力干 扰并提供必要的擦洗力：清洗系统采用旋转毛刷和橡胶条刷进行复合清洗，而且 清洗装置可不受窗框的影响，提高了清洗效率和质量；为了提高水的利用效率， 清洗液系统采用水循环技术和风机切换技术，既使得污水回收和净化同时进行， 作，延长了系统寿命；本体框架主要作为 撞轮、控制柜、密封装置等也固定在本体 楼顶通讯主要依靠吊挂钢丝绳内置的导线 格系统外加自制控制电路构成，机器人的 机器人通讯接口。监控盒使得用户能够通 人系统，无线c c d 传回的图象也显示在 图1 1 5 幕墙清洗机器人系统结构框图 f i g 1 - 1 5w m d o w - c l e a n i n gr o b o ts y s t e m 功自攀爬式幕墙清洗机器人【2 1 】。此机器人 8 青岛科技大学研究生学位论文 方案是基于建筑物的结构特点提出的，在建筑物导轨上设计安装了滑动导杆， 利用它作为机器人在建筑物导轨之间运动的中介，从而避免机器人直接抓持建筑 物导轨带来的不安全因素。机器人本体分为攀爬机构、移动机构、清洗机构、俯 仰调节机构。机身由轻质铝型材搭建而成，其它结构均以这两部分为载体。 1 1 3 爬壁机器人的发展方向 材料、电机、传感、控制等软硬件技术的发展极大的推进了爬壁机器人技术 的发展，实际应用的迫切需求也对爬壁机器人发展提出了越来越多的挑战，爬壁 机器人的发展趋势归纳起来主要有以下几方面【勿。 1 、新型吸附技术 吸附技术一直是爬壁机器人发展的一个瓶颈，它决定了机器人的应用范围。 由于目前应用比较成熟的吸附技术都有很大的局限性，在很多情况下难以满足实 际应用的要求。因此，开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要 方向。模仿壁虎等动物脚掌的仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展的热 点。 2 、由单一化向多功能化方向发展 过去所研制的爬壁机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业，作业任务往往 只局限于单一的任务。而目前人们则希望爬壁机器人能够装备多种工具，在不同 的场合进行工作。比如机器人能够在空间飞行器上进行安装及外部维护作业等。 3 、小型化、微型化发展趋势 在满足功能要求的前提下，体积小、质量轻的机器人可较小能耗，具有较高 灵活性，并且在某些特殊场合也需要机器人具有小的体积。各种微型驱动元件、 控制元件及能源供应方式的发展，为小型化、微型化奠定了基础。 4 、由简单远距离遥控向智能化方向发展 与人工智能相结合，使机器人在封闭环境中能够具有一定的自主决策能力， 完成任务，并具有自我保护能力，是移动机器人发展的重要方向，也是爬壁移动 机器人的重要发展方向。 5 、可重构能力 为了使机器人能够应用于不同场合，根据任务需求，在不需要重新设计系统 9 爬肇机器人动力特性研究及仿真分析 条件下，充分利用已有的机器人系统，应使机器人具有可重构性，即具有模块化 结构。根据任务需求，把需要的模块直接连接起来组成新的机器人。 6 、由带缆作业向无缆化方向发展 由于爬壁机器人的作业空间一般都较大，带缆作业极大地限制了机器人的作 业空间，所以，为了提高机器人的灵活性和扩大工作空间，无缆化成为现在和未 来爬壁机器人的发展趋势。 1 2 研究目标与研究内容 基础 仿真 动灵 机器 供理 计提 的速 面上 吸附 青岛科技大学研究生学位论文 方案、密封方案、移动方式、动力系统和控制系统六个方面入手，详细阐述了爬 壁机器人本体结构的设计方案，之后通过对爬壁机器人滑落与倾覆两种情况进行 的静力学分析，得到了避免发生滑落与倾覆的吸附力的范围及吸附力大小对运动 性能与功耗的影响。最终在原有爬壁机器人基础上设计出一种高机动性、小型化 的爬壁机器人。 2 、动力特性分析 此部分内容首先通过对爬壁机器人运动学的分析，得出其速度与转向的控制 特性。然后基于拉格朗日方程，通过分别对爬壁机器人直线运动和转向运动动力 学的分析，将吸附力设为变量，使其根据实际情况可以调整大小，得出机器人直 线运动滑动吸盘吸附力的变化对爬壁机器人运动特性的影响，与转向运动时的驱 动力与驱动力矩。从而得出一个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。在保证安全可靠吸附力和壁面运动灵活能力的基础下，改善和提 高爬壁机器人的运动性能并为其机构优化设计与运动控制提供理论研究基础。 3 、基于虚拟样机技术的仿真分析 此部分内容通过使用三维实体建模软件p r o e 建立三维参数化模型，并导入 动力学仿真分析软件m s c a d a m s 中，在虚拟环境下对爬壁机器人进行运动特 性及动力特性的仿真分析，求解出最佳吸附力与驱动力的值。最后用求解出的吸 附力与驱动力的值，对车轴、车轮、车体部件在有限元软件a n s y s 中进行结构 强度仿真分析。达到为爬壁机器人系统优化设计提供实践指导的目的。 爬壁机器人动力特性研究及仿真分析 2 1引言 2 爬壁机器人总体设计 2 0 世纪8 0 年代以来，在国家“8 6 3 计划”的带动下，国内许多高等院校和 科研单位开始爬壁机器人的研究工作，并且在这一领域取得了长足的发展，研制 了多种型号的爬壁机器人【2 2 】，但是，它们大都有体积庞大、控制困难和结构复杂 等特点。本次课题的主要目标是研制一种小型爬壁机器人，使该爬壁机器人具有 体积小、低成本、移动灵活、壁面适应能力强、吸附安全可靠和可根据工作需要 搭载不同的设备等特点。本章根据课题的要求，对爬壁机器人的机械结构进行初 步设计。 2 2 爬壁机器人机械系统的构成 本次课题设计的爬壁机器人属于移动机器人的一种。移动机器人一般由外 壳、蓄电池、充电系统、驱动装置、转向装置、控制器、通信装置、信息采样装 置等组成，前后部分还可以安装安全挡圈，常采1 2 v 或2 4 v 直流工业蓄电池为动 力。驱动装置常由移动装置、电动机及速度控制器等部分组成。驱动命令由单片 机发出，驱动的速度与方向是两个独立的变量，它们分别由单片机控制。速度调 节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调速等。移动机器人在直线行走、拐 弯和接近停位点时要求不同的速度，直线行走速度常达3 。s m s ，拐弯时为 0 2 m s - - o 6 m s ，接近停位点时为o 1 m s 1 2 4 。一个高级的爬壁机器人系统是机械设 计和控制系统设计紧密配合、相互促进的结果。与一般移动机器人不同的是，为 了实现在壁面的爬行，爬壁机器人还必须具有吸附功能。 本次设计的爬壁机器人包括本体机械部分、控制系统部分和周边的作业系统 青岛科技大学研究生学位论文 部分。机械部分既是爬壁机器人各种功能实现的基础，同时也是控制系统设计的 出发点。所以，本次设计的爬壁机器人总体设计目标主要考虑以下几点： ( 1 ) 移动功能：可以在竖直的壁面上自由爬行，并且具有灵活自如地调节行走 的速度； ( 2 ) 吸附功能：可以在各种表面材料的壁面上安全可靠的吸附； ( 3 ) 转向功能：需要具有较好的转向功能，从而使得平面内任意位置机器人都 能够到达； ( 4 ) 控制系统：体积小、重量轻，运算速度快，操作监控方便，保证信号通讯 的可靠性、实时性，并能够满足各项控制的要求，进行多任务的实时处理，并且 可靠性高。 根据以上分析，本次设计的爬壁机器人由车体、蓄电池、驱动装置、吸附装 置、车辆控制器、地面控制器、通信装置和视频采集器组成。车体，驱动装置和 吸附装置构成的机械系统作为载体，负载了其他所有装置。可以说，爬壁机器人 机械系统是整个爬壁机器人设计的基础，爬壁机器人的性能很大程度上决定于机 械系统的设计是否合理。 2 3 爬壁机器人本体结构设计 2 3 1 车体外壳结构设计 车体的外壳结构设计对整个爬壁机器人的安全性、稳定性和机动性起到非常 重要的作用【矧。本次设计以小型化、轻量化为目标，所以在车体外壳的选材上要 在保证强度的情况下选择尽量轻的材料。工程塑料是一种被用做工业零件或外壳 材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。 由于工程塑料具有低比重、高抗拉强度、耐磨、自润滑性好、冲击韧性优异、具 有刚柔兼备的性能等特点，因此，车体的制作材料选择工程塑料。 车体外壳选用聚甲醛伊o m ) 。聚甲醛是一种性能优良的工程塑料，在国外有 “夺钢 、“超钢 之称。因其具有类似金属的硬度、强度和钢性，在很宽