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爬壁机器人设计及动力性能研究

王荣华  
【摘要】: 爬壁机器人是极限作业机器人的一个分支,其目的是代替人类,在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域中的危险状态下作业,具有极其广泛的用途和很高的使用价值。自从二十世纪六十年代出现以来,受到人们的广泛关注。本文所研究的尺蠖式爬壁机器人是实现高空壁面的检测、维护的机器人,具有很高的推广应用价值。为了解决其若干关键技术问题,本文开展爬壁机器人设计与动力性能研究,其主要研究内容如下: 研究真空吸附爬壁机器人的整体结构,创造性地提出被动吸附方式,对爬壁机器人的稳定性研究转化为对机器人平面的失稳研究,得出机器人稳定性条件和判定主导失稳形式的规则,从而建立机器人稳定性与真空吸附力之间的定量关系。根据尺蠖式爬壁机器人的运动机理分析,将其等效为特殊的关节式移动机器人,并通过理论研究,建立机器人空间位姿下的动力学和运动学模型,给出作业运动轨迹规划一般方法。 基于尺蠖式爬壁机器人的运动机理研究,提出了直线、内外垂直相交面的作业运动路径规划一般方法,解决了爬壁机器人实现垂直相交面过渡的难题。 设计机器人控制系统软硬件结构,并针对壁面检测作业中存在的姿态偏差,研究提出尺蠖式爬壁机器人的姿态控制算法及其PID姿态控制器。 在上述理论与技术研究基础上,论文研制了尺蠖式爬壁机器人样机,并进行直线运动性能实验研究,证明样机系统具有负载能力大、运动稳定可靠、定位精度高、自动化程度高等优点,大幅度提高了壁面检测效率。


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