三角履带爬壁机器人越障动力学建模与仿真

针对一些工作场合对爬壁机器人有较高的越障性能要求,设计了一种包含4个三角形履带轮组构成的磁吸附爬壁机器人。首先设计了三角履带爬壁机器人的整体结构,研究了越障过程中机器人结构变化,以及爬行越障和翻转越障通过原理。建立了翻转越障过程动力学模型,该模型体现了机器人机构尺寸等因素对电机输出力矩的影响。根据此模型,能确定机器人越障过程所需最小驱动力矩。利用ADAMS软件进行仿真验证,仿真结果证明了动力学模型的正确性,表明了机器人结构简单,具有较强的越障能力。     

爬壁机器人力学分析与实验研究

目的：由于控制负压吸附爬壁机器人的负压差对机器人安全、运动性能、机械设计的参数选择和机器人系统的功率控制有着极为紧密的关系,对机器人的负压吸附动力学过程进行了深入的分析。方法：运用键图理论建立了爬壁机器人负压吸附动力学过程模型并对其进行了仿真分析。文章首先针对爬壁机器人的特点,对负压吸附系统的技术要求进行了详细分析,利用计算流体力学方法设计了新型的负压吸附系统;在对负压吸附系统进行合理的假设和流体力学分析的基础上,运用键图理论针对不同物理域具有参数等效的特点,把负压吸附流体系统参数等效为机械动力学中的力、位移、刚度和阻尼,负压吸附动力学模型等效为一阶的机械系统,建立了键图模型,应用20sim软件进行仿真。结果：仿真结果显示爬壁机器人负压吸附过程在负压形成过程中是一阶响应过程。结论：最后进行了试验测试,实验结果表明了所建立模型的正确性。     

一种多吸盘爬壁机器人原型的研制

介绍了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计，该机器人新颖之处在于采用多个吸盘组成的吸附机构和单链条爬行及转向机构，它可以在玻璃幕墙和船壳等墙面上连续爬行，并有一定的越障能力。主要阐述了爬壁机器人关键结构的设计、安全性分析、转弯技术和越障实现的设计思想，并简要对其控制系统进行了介绍。     

双摆臂履带可变形机器人结构设计与越障性能研究

为发挥履带可变形机器人最佳越障性能,保证机器人在变形过程中履带长度不变且持续张紧,将椭圆定理和椭圆规原理应用于机器人构型设计,研制了一种新式履带可变形机器人。通过引入后摆臂,丰富了机器人构型变化,机器人重心在前后摆臂转动过程中有较大程度的调节,提高机器人的越障性能。建立坡道、台阶和沟壑等典型障碍的数学模型,对机器人翻越障碍进行步态规划和运动机理分析;建立机器人越障的运动学和动力学模型,分析机器人越障的临界条件和最大数值,利用Adams对越障进行仿真实验,结果验证了理论计算值的准确性和机器人的越障性能。     

爬壁机器人的力学分析与实验

运用键图理论建立了爬壁机器人负压吸附动力学过程模型,并对其进行了仿真及实验分析.针对爬壁机器人的特点,对负压吸附系统的技术要求进行了详细分析,设计了高效率负压吸附系统.在对负压吸附系统进行合理的假设和流体力学分析的基础上,运用键图理论针对不同物理域具有参数等效的特点,把负压吸附流体系统参数等效为机械动力学中的力、位移、刚度和阻尼;负压吸附动力学模型等效为一阶的机械系统,建立了键图模型,应用20sim软件进行仿真.仿真结果显示,爬壁机器人负压吸附过程在负压形成过程中是一阶响应过程,系统响应时间为1.5 s.最后进行了试验测试,测试结果证明了所建立模型的正确性.     

轮履组合式磁吸附爬壁机器人设计与稳定性分析

为解决永磁吸附装置与导磁壁面之间由于吸附性能不可靠而产生的失稳问题，文中设计了轮履组合式磁吸附爬壁机器人，设计出越障磁轮结构及磁吸附履带结构。首先，针对爬壁机器人在不同工况下的受力状态，建立机器人的力学模型；其次，分别分析了下滑、倾覆及侧翻的失稳状态，计算出满足稳定性的最小吸附力。当单侧越障磁轮吸附力大于10.85 N,单侧磁吸附履带吸附力大于14.63 N时，机器人就不会出现失稳现象。通过Maxwell仿真软件对越障磁轮及磁吸附履带分别开展磁场仿真与参数化扫描分析研究。结果表明：当越障磁轮气隙高度保持在1 mm内，磁吸附履带气隙高度保持在0.8 mm内，同时导磁壁面厚度在2 mm及以上时，机器人的吸附力才能满足不失稳条件，保证了机器人的爬壁可靠性。     

永磁吸附履带式爬壁机器人转向动力特性分析

针对永磁吸附履带式爬壁机器人壁面转向过程中转向中心偏移问题,根据该类型爬壁机器人的结构特点,结合履带车辆转向理论,对爬壁机器人壁面转向条件进行分析,建立其转向动力学模型。通过实例计算,得到了爬壁机器人转向中心偏移量和所需驱动力的变化规律,分析了转向中心偏移对转向动力学模型的影响,以及载荷分散机构、磁吸附单元间隙对转向过程的影响。结果表明,转向动力学模型中忽略转向中心偏移会导致转向所需驱动力的计算结果偏大;载荷分散机构对机器人的转向影响很小,但可以改善壁面法向载荷分布;减小磁吸附单元间隙,有利于爬壁机器人的壁面转向。该分析结果为永磁吸附履带式爬壁机器人的设计和优化提供了基础。     

磁吸附爬壁机器人履带模块运动仿真与实验

履带模块是履带式爬壁机器人的重要组成部分,设计了一种可以用在履带式磁吸附爬壁机器人中的履带模块,包括履带传动与行走模块、磁吸附模块,利用Solid Works建立履带模块的三维模型,分析其受力情况,并建立其安全吸附的数学模型,得到其能在壁面不发生滑落或者倾覆的安全吸附条件。然后将履带模型导入到ADAMS中分析其动力学特性,通过在ADAMS中的动力学仿真验证履带模块设计的可靠性,并且根据仿真结果选择合适的电机,最后通过实验验证仿真结果是准确的,为多履带体的爬壁机器人提供了理论分析和实验的基础。     

可自适应变曲率立面的分体柔性爬壁机器人设计与分析

为解决传统爬壁机器人在复杂大型金属立面上的变曲率自适应问题,以履带与曲面的有效接触为出发点,分析在自适应曲面运动时履带式移动构型的姿态变化规律,提出一种基于分体柔性履带移动与间隙式永磁吸附的自适应爬壁机器人;建立多状态下移动模型,分析机器人在变曲率立面移动及焊缝越障过程中利用自身姿态变化实现自适应的运动特性;构建间隙式永磁吸附模型,利用参数化仿真分析了壁厚、磁隙等对吸附能力的影响;通过样机平台试验表明,机器人能以合理的运动姿态实现在变曲率立面上的大负载灵活可靠运动,具有较好的变曲率自适应能力及越障能力.     

轮足式磁吸附越障爬壁机器人设计与分析

针对现有爬壁机器人负载能力弱、复杂障碍地形下适应能力差以及运动柔顺性不足等特点,提出了一种基于轮足复合式运动与非接触变间隙永磁吸附的柔顺越障爬壁机器人。在分析石化储罐、船舶等非结构化设备作业环境特点和功能需求的基础上,融合构型主被动理念,设计了机器人移动本体并对主被动越障步态进行了规划;对机器人在不同工况下的稳定性进行分析,建立了机器人安全吸附的数学模型;建立了机器人直行与转向下的动力学模型,分析了机器人的转向灵活性;结合机器人金属立面智能控制需求,对机器人的智能控制系统进行了设计。通过样机平台实验表明,机器人能够实现灵活的主被动越障,具有自适应柔顺运动以及大负载的能力。     

攀爬机器人动力学建模与分析

针对一种攀爬机器人越障过程中动力学特性与真空模块力系平衡问题,建立了一种基于李群李代数与旋量理论在越障运动过程中攀爬机器人动力学特性分析方法。通过指数积空间的形式推导得到了空间速度雅可比矩阵进而减少因微分求导而产生的奇点,基于李群李代数与旋量理论通过拉格朗日方程建立了物理意义明确、计算复杂度低的动力学方程,建立了真空模块的力学模型,求解得到直角面越障过程中真空模块的最佳吸附力,并应用coppeliasim仿真求解出机器人关节驱动力矩,验证了李群李代数与旋量理论建模的正确性及动力学模型的有效性,通过吸附实验验证了真空模块吸附能力。     

一种基于磁力吸附的储罐爬壁机器人本体设计

对于大型储罐焊缝缺陷自动化检测,爬壁机器人需完成自动化全方位扫查。针对储罐爬壁机器人在不同运行工况下的受力状态,建立爬壁机器人力学模型,分析获得不下滑、不纵向倾覆、不横向侧翻以及复合状态下失稳状态危险点,应用Maxwell软件对永磁吸附轮受力状态进行仿真与优化设计,使之满足吸附要求。同时,设计具有辅助吸附功能的编码轮结构,在反馈位置信息的同时,补充安全吸附力的裕度,以增加其越障和抗失稳能力。最后,依据设计模型制造出爬壁机器人本体并进行测试实验,实验结果证明该机器人能在各种危险点处实现带负载稳定全向驱动运行。     

Adsorption Performance of Sliding Wall-Climbing Robot

Sliding wall-climbing robot(SWCR) is applied worldwide for its continuous motion,however,considerable air leakage causes two problems:great power consumption and big noise,and they constraint the robot's comprehensive performance.So far,effective theoretical model is still lacked to solve the problems.The concept of SWCR's adsorption performance is presented,and the techniques of improving utilization rate of given adsorption force and utilization rate of power are studied respectively to improve SWCR's adsorption performance.The effect of locomotion mechanism selection and seal's pressure allocation upon utilization rate of given adsorption force is discussed,and the theoretical way for relevant parameters optimization are provided.The directions for improving utilization rate of power are pointed out based on the detail analysis results of suction system's thermodynamics and hydrodynamics.On this condition,a design method for SWCR-specific impeller is presented,which shows how the impeller's key parameters impact its aerodynamic performance with the aid of computational fluid dynamics(CFD) simulations.The robot prototype,BIT Climber,is developed,and its functions such as mobility,adaptability on wall surface,payload,obstacle ability and wall surface inspection are tested.Through the experiments for the adhesion performance of the robot adsorption system on the normal wall surface,at the impeller's rated rotating speed,the total adsorption force can reach 237.2 N,the average effective negative pressure is 3.02 kPa and the design error is 3.8% only,which indicates a high efficiency.Furthermore,it is found that the robot suction system's static pressure efficiency reaches 84% and utilization rate of adsorption force 81% by the experiment.This thermodynamics model and SWCR-specific impeller design method can effectively improve SWCR's adsorption performance and expand this robot applicability on the various walls.A sliding wall-climbing robot with high adhesion efficiency is developed,and this robot has the features of light body in weight,small size in structure and good capability in payload.     

基于静电吸附原理的双履带爬壁机器人设计

研究了基于静电吸附原理的爬壁机器人设计过程。针对静电吸附原理进行分析,对电极与壁面间产生的吸附力解析建模,通过实验验证静电吸附作用。根据静电吸附力的性质,设计履带式爬壁结构,借助Solidworks软件进行三维建模,分析双履带车质量、重心等关键参数。对机器人样机在壁面上发生吸附时的受力情况展开分析,确定提高爬壁机器人安全稳定性的改进措施。最后对机构运动控制系统作简要介绍。     

Design and realization of a non-actuated glass-curtain wall-cleaning robot prototype with dual suction cups

This paper describes a non-actuated glass-curtain wall-cleaning robot prototype that has been designed and realized based on some wall-climbing robots developed recently and common traits of glass-curtain walls of high-rise buildings. The robot hasn’t its own driving mechanism, but it can move on smooth glass surfaces depending on its own gravity and the lifting force of the trolley crane on the roof while adhering to the surfaces using dual vacuum suction cups. Obstacles, such as horizontal window frames, can be crossed while cleaning. The safety analysis ensures that the robot can work reliably. The analysis on characteristics of suction cups using fluidic network theory is to enhance the adhering capacity of the robot. The control system utilizes two-level computer control strategy to achieve the robot’s moving, cleaning and crossing obstacles. Experiments proved the robotic system is feasible and practical.     

可变形轮腿式机器人行走机构设计与研究

针对当前轮腿式越障机器人的局限性,设计了一种新型的车轮可变结构机器人,该机器人可以在轮腿之间自如切换。介绍了可变结构车轮的工作原理,该机构在平坦地面上运动以轮子模式行走,当遇到障碍物切换为类花瓣模式越过障碍。对车轮在两种模式下的直行与转弯过程进行理论分析,建立了运动学仿真模型,并对模型进行求解。为了验证分析结果,采用Adams软件对车轮的越障过程与复杂路面行走进行了运动仿真。仿真结果表明,设计的车轮结构可行性较高,具有轮式机构的稳定性,同时具有腿式机构较高的越障能力,使机器人可以适应多种复杂的路况环境。     

一种滚动密封式爬壁机器人动力学建模与分析

介绍了一种滚动密封式爬壁机器人,分析了其密封与运动机理。提出了一种多履带协调运动的爬壁机器人动力学建模方法,推导出该机器人直线运动及转向动力学方程。建立了直线运动及转向时履带牵引力与机器人姿态角之间的关系,分别计算出采用滑动密封和滚动密封方式的机器人在运动过程中的摩擦阻力并进行了比较分析。仿真和样机实验表明该爬壁机器人可沿壁面行走与越障,具有摩擦阻力小、负载能力大及对壁面适应性强等特点。     

可重构单体机器人动力学分析与控制

给出了可重构机器人在移动过程中的动力学模型,并提出了相应两种控制方法,即构形调整法和状态调整法。通过仿真试验得到,构形调整法能够在不影响状态的情况下,同时满足机器人运动稳定性和越障性的要求,增强了机器人运动的鲁棒性。     

基于姿态的轨道焊接机器人智能越障控制方法

为了机器人能更好地完成轨道焊接任务,减少障碍物对工作的影响,提出了基于姿态的轨道焊接机器人智能越障控制方法。分析越障时机器人姿态稳定性,判定机身质心位置,明确焊接臂角度和碰触点,估算出姿态支持点位置,同时将实时运动数据传输到受力锥模型中,计算最小偏移势能推测越障倾翻方向,得出最佳稳定锥。初始化蚁群遗传算法、设定主程序,迭代出全局越障路径;考虑到户外工作环境存在路径规划阻力,结合卡尔曼滤波的状态转移矩阵,减少误差完成智能越障控制。仿真实验表明,所提方法在恶劣路况下也能实现精准越障,且可以智能调节姿态,使机器人恢复稳定。     

可变起跳角度的球形跳跃机器人跳跃分析及其优化

针对跳跃机器人越障时自主控制与调整的局限性,设计了一款可变起跳角的球形跳跃机器人,该机器人采用C₆₀结构镂空外壳和平台调姿机构可实现变角度跳跃目标。通过分析机器人起跳、滞空、落地的运动过程,采用拉格朗日方程对机器人跳跃过程动力学进行建模。建立了起跳角对速度的影响方程,并针对单足跳跃过程,揭示起跳过程中打滑现象的产生与摩擦角之间的关系。基于机器人动力学方程,研究跳跃机器人面对越障时,与障碍物距离和起跳角度对跨越和爬升的影响。最后,利用ANSYS对其动力学进行仿真分析,有效保障了机器人跳跃任务的顺利完成,为球形跳跃机器人规划问题奠定了理论基础。