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轮足混合驱动爬壁机器人及其关键技术的研究

李志海  
【摘要】:爬壁机器人是移动机器人研究领域的一个重要分支,它具有在垂直表面运动并携带工具作业的能力,在石化、核电站、船舶,以及高楼外壁清洗等领域得到了广泛的研究和应用,近年来又在侦察、探测、反恐等领域得到了应用研究,具有重要的理论研究意义和广阔的应用前景。本文以城市环境中高楼建筑物的检测、侦察为目标,研制了具有地面和壁面运动能力,及地面、壁面过渡能力的爬壁机器人,并对爬壁机器人的壁面运动动力学、局部避障轨迹规划、壁面双足运动规划、及双足运动柔顺控制等关键技术问题进行了深入研究。 机器人的运动范围是机器人环境适应能力的重要体现,结合轮式爬壁机器人和足式爬壁机器人的特点,设计了轮足混合双吸盘爬壁机器人样机。分析了机器人的工作环境对吸附性能的需求,设计出具有内、外密封圈结构的吸盘,其具有滑动吸附和静止吸附两种状态。结合轮足切换机构,实现了机器人在轮式运动方式和双足运动方式之间的切换。在轮式移动方式下,吸盘为滑动吸附,机器人在平整壁面上实现快速移动;双足运动方式下,吸盘为静止吸附状态,适用于机器人地壁过渡、越障等运动。分别对机器人在轮式和双足方式下的安全吸附条件进行了分析,求得机器人任意姿态下安全吸附所需吸附压力。然后分别对轮式和双足方式下机器人的运动学进行了分析,为机器人的运动控制打下基础。 机器人以轮式方式在垂直壁面移动时,为四轮驱动状态,由于爬壁机器人工作于壁面的特殊性,研究其动力学问题对机器人的结构设计和运动控制有重要意义。分析了四轮驱动方式下机器人在垂直壁面上的运动学约束条件;分析了动态条件下各驱动轮所受壁面支撑力;通过各驱动轮的转向临界角,分析了在驱动轮与壁面处于滚动摩擦状态下的横向摩擦力分布;建立了驱动轮摩擦力与机器人运动状态之间的关系。基于牛顿-欧拉方程,建立了机器人在轮式方式下的动力学方程。进而建立机器人吸附力安全系数,得到了机器人安全运动与吸附力之间的关系。并分析了结构参数、密封圈刚度等对驱动力矩的影响。 机器人避障能力是机器人可靠运动的基础,分别对平面内的避障运动和障碍物环境下的双足运动规划方法进行了研究。针对机器人在平面内的避障运动,通过建立非接触阻抗力模型,将测距传感器获得的障碍物距离信息,转换为包含了障碍物与机器人相对移动速度的非接触阻抗力,再通过建立的机器人与壁面间的阻尼模型,求出机器人的速度修正量,调整机器人的运动速度方向,实现避障。速度量的引入提高了机器人运动的平稳性。针对机器人在壁面的双足运动,对机器人质心进行了运动学分析,将ZMP用于爬壁机器人稳定性判定,以ZMP距离支撑点边缘的距离作为稳定性裕度,提出了基于遗传算法的ZMP约束条件下的机器人双足运动规划方法,提高了机器人双足运动的稳定性。 机器人的双足运动用于实现机器人的地壁过渡、跨越沟槽和凸起等的越障运动,及实现不同壁面间的过渡运动等。在该方式下,是通过两个吸盘的交替吸附实现机器人的移动,吸盘的下落、抬起动作的可靠实现是实现机器人双足运动的关键。提出了基于位置的力外环机器人笛卡尔位姿阻抗控制方法,对移动吸盘的位置和姿态角实现柔顺控制,实现机器人吸盘在自由空间和约束空间之间平稳过渡。通过对末端接触外力和接触外力矩的跟踪,实现了机器人末端位置和姿态角存在误差的情况下,双足运动的可靠实现。 最后,采用分级和模块化思想,设计了机器人的控制系统。上位PC机实现人机交互,下位机由两级控制单元组成,包括主控制器及传感器数据采集模块和用于底层关节运动控制的电机伺服控制模块。然后对机器人进行了实验研究,包括壁面吸附能力、壁面轮式方式运动、壁面越障运动、地壁过渡运动、平面避障运动实验,及双足运动主动柔顺控制实验等,实验结果表明了该机器人构型的有效性,并证明了论文理论研究的正确性和可行性。


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