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爬壁机器人动力特性研究及仿真分析

李恒  
【摘要】: 爬壁机器人(WCR)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(WMR)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。 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。首先通过使用三维实体建模软件Pro/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MSC.ADAMS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ANSYS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。


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