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基于壁虎形态仿生的爬壁机器人技术研究

邵洁  
【摘要】:爬壁机器人属于特种机器人,它可以代替人类在距地面有一定高度的自然环境、人工建筑、工业设施等的竖直壁面上工作。它的出现可以使人类避免从事危险的高空陡壁作业,不仅提高了工作效率,节约了成本,还改善了操作人员的工作环境。它被广泛应用于多种领域包括化学、核工业基础设施的维护,建筑物表面的清洁,高空救援,反恐侦查等。壁面环境多种多样,为了在特殊的壁面环境如圆锥壁面、小直径圆柱壁面等上完成作业任务,爬壁机器人需要通过发展诸如吸附技术、移动技术等多种技术手段以适应异形壁面。正因为爬壁机器人广阔的应用前景及其技术上的挑战性,它已经成为国内外机器人学者的研究热点之一。 风机塔筒是风力发电机的关键部件,常年裸露在外,需要对其进行定期地检测维护。风机塔筒壁面是一种圆锥壁面,其壁面轴线上每一点所对应的截面是不同的。塔筒壁面的最小直径仅有2m,当机器人全方位移动时,小直径壁面会使机器人与壁面之间产生较大的间隙,从而影响机器人的吸附,给机器人的作业带来困难。针对风机塔筒检测维护的任务,本文提出了一种具有壁虎肢体形态功能,同时可以携带工作负载,在小半径圆锥壁面上稳定、可靠、灵活地进行检测作业的爬壁机器人。 本文研究了壁虎的肢体形态特点,建立了壁虎后肢的形态模型。分析了壁虎后肢各个关节的形态、功能以及其运动与壁虎运动之间的关系。给出了壁虎肢体关节与壁虎的动力学关系。在对壁虎形态进行观测、分析的基础上,提出了一种模仿壁虎肢体形态功能的爬壁机器人技术方法。使用该方法得出的机器人具有模仿壁虎头部的超声波探测器、视频检测装置以及其对应的伺服运动装置,模仿壁虎腿部的冗余履带装置,模仿壁虎脚趾的多磁路吸附单元以及模仿壁虎尾巴的防倾覆装置。在此基础上,又提出了具有柔性特征的机器人改进的技术方法。 本文同时还系统地分析了机器人的稳定吸附条件,完成机器人的稳定性分析。讨论了机器人在小半径圆锥壁面上的运动情况,给出了机器人在小半径圆锥壁面上沿各个方向运动时,机器人的运动情况和约束条件,建立了机器人在小半径圆锥壁面上的运动学和动力学模型。系统研究了机器人的多磁路吸附单元,建立了吸附单元的吸附模型。研究了吸附单元的磁路,提出了吸附单元的优化方法。综合比较了多种吸附单元,给出了各个吸附单元的吸附性能。提出了磁吸附单元的设计准则,给出了吸附单元吸附力的理论计算方法。通过实验和仿真验证了吸附单元的吸附性能和机器人对小半径壁面的适应性。


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