履带式爬壁机器人力学分析及磁吸附结构优化设计

为了解决履带式爬壁机器人吸附性与机动性存在矛盾的问题,设计了一种履带行走与永磁轮吸附相结合的爬壁机器人。为防止机器人在工作壁面上发生滑移和倾覆的失稳状况,对机器人进行静力学分析,得到机器人安全吸附在壁面时永磁轮应满足的最小磁吸附力。对永磁轮进行结构参数设计,并应用COMSOL仿真软件对永磁轮进行磁场分析和结构优化。研究结果表明,优化前永磁轮的吸附力可使机器人在壁面安全吸附;优化后永磁轮的吸附力增大,质量显著减小,吸附效率提高了16.87%。     

立式金属罐非接触轮式爬壁检定机器人的研究

针对传统大容量立式金属罐检定方法效率低、操作危险等一系列问题,研制了一种立式金属罐非接触轮式爬壁检定机器人.该机器人采用非接触永磁式吸附4轮结构,以单片机作为下位机控制系统的核心,并配以倾角传感器、速度编码器等多种功能传感器;通过上位机,有缆遥控爬壁机器人的作业姿态.现场实验表明,该机器人不但运动灵活,而且解决了原样机在金属罐壁上的压痕问题,大幅度提高了大容量立式金属油罐的检定效率和检定精度.     

储罐壁面爬壁机器人吸附结构设计与优化

为了解决爬壁机器人在运动过程中由于吸附力不足而产生的倾覆问题,设计了一种具有曲面自适应性的永磁爬壁机器人。该机构区别于以往的爬壁机器人,具备两个方位上的旋转自由度,能够实现永磁吸附结构实时贴合壁面,确保提供稳定可靠的吸附力。在储罐壁面工作情况下,对机器人进行静力学分析,得到其在壁面不发生下滑和倾覆的安全吸附条件,并在此基础上,利用Ansoft Maxwell软件对吸附结构进行了仿真分析和结构优化,并获得了最佳结构尺寸。     

两端吸附式焊缝修形爬壁机器人研制

针对大型钢结构件曲面补焊焊缝自动化修形需求,研制了一种特殊结构的爬壁机器人.该机器人的末端修形单元和移动平台均以永磁间隙吸附方式吸附于工件表面,通过含主被动关节的多自由度机械臂相连接.采用数学模型分析了新机构相对于传统单端吸附、串联悬臂式爬壁机器人的优点,计算了末端修形单元的吸附力条件.对试制的机器人样机进行的性能参数测试证明:两端吸附方式不仅大幅度降低对机械臂的刚度要求,同时,机械臂的被动关节使得爬壁机器人具有曲面自适应能力.     

蒸汽发生器检测机器人运动分析与控制实现

在核电站蒸汽发生器复杂环境下,为准确控制机器人完成管板检测任务,提出了一种基于STM8处理器的爬壁机器人运动控制方法;针对机器人两个不同轴线驱动轮的结构特点,运用运动学理论建立了机器人运动方程,分析了机器人的运动特性;设计了爬壁机器人硬件控制电路,为提高机器人的控制精度,采用了位置环,速度环和电流环三环PID软件控制策略;最后,对此控制方法进行了相关实验验证;实验结果表明,爬壁机器人控制电路设计合理可靠,三环PID算法实现了较好的运动效果,满足设计要求.     

基于递阶控制的爬壁机器人控制系统设计

该文在介绍役化工容器爬壁机器人本体结构的基础上,完成了爬壁机器人控制系统的硬件设计和软件编程,提出了基于工业母板的三级递阶式控制结构,研制出了爬壁机器人样机并进行了现场试验,验证了机器人系统的可行性.     

基于DSP技术的爬壁机器人吸附控制系统设计

壁面吸附是爬壁机器人的基本功能之一,其吸附程度直接影响爬壁机器人的稳定性和移动速度;为此,设计了基于DSP技术的爬壁机器人吸附控制系统;选择爬壁机器人传感器装置,加设DSP数字信号处理器,设计爬壁机器人吸附控制器;在硬件结构的支持下,根据爬壁机器人的组成结构和工作原理,构建相应的数学模型;在该模型下,利用DSP技术计算爬壁机器人吸附力;通过爬壁机器人在壁面环境下的受力分析结果,确定爬壁机器人安全吸附条件;以吸附控制器作为执行机构,实现爬壁机器人的吸附控制;选择负压爬壁机器人作为测试样机,通过系统测试表明,在瓷砖、木板、玻璃三种壁面环境下,与两个对比系统相比,应用此次设计系统得出爬壁机器人吸附力的控制误差降低了2.04 N,倾覆风险系数降低了0.29,具有较好的吸附控制效果。     

湿吸附机理及其在仿生爬壁机器人中的应用

提出一种新的基于湿吸附机理的仿生爬壁机器人．首先讨论湿吸附模型及吸附力的控制方法,对一种 基于硫化硅橡胶（聚合物）的仿生足垫的湿吸附力进行测试,由此验证足垫与壁面间的液体薄膜对吸附力的积极影 响．然后设计一种实验研究用的轮爪式仿生爬壁机器人,并对其进行静力学分析．最后对所设计的机器人进行爬壁 试验．结果表明,液体薄膜可以有效提高足垫吸附力,所研制的湿吸附机器人可吸附于约85度的壁面,可成功爬行 于坡度约65度的玻璃壁面,一定程度上验证了湿吸附机理爬壁机器人的可行性．     

基于ADAMS的仿壁虎爬壁机器人的运动仿真

为实现在不同环境的壁面上自由爬行,设计了应用仿壁虎微纳米粘附阵列的爬壁机器人,建立了机器人的动力学模型及足部与壁面之间的接触模型,并利用机械系统动力学软件ADAMS的仿真功能,对机器人沿垂直壁面爬行的运动特性进行了仿真.利用ADAMS的后处理模块的分析功能,重点研究了在一个运动周期内,模型整体质心的位移、电机转矩以及足部与壁面之间的接触力随时间的变化情况.仿真结果表明该仿壁虎爬壁机器人能够以约26mm/s的速度沿着垂直的壁面平稳地运动,不存在波动和偏离.这为下一步研制仿壁虎爬壁机器人的物理样机提供了理论指导,也为其他仿生机器人的研究提供了参考.     

重载爬壁吸附行走机构的设计与研究

吸附行走机构是各种用途爬壁机器人的核心部件,机构的吸附可靠性和行走灵活性是影响爬壁机器人的重要因素。首先总结分析了吸附行走机构工作原理及设计的关键点,针对吸附行走机构基本设计要求,介绍了一种液压控制的重载爬壁吸附行走机构,阐述了重载爬壁吸附行走机构的永磁吸附履带机构、动力驱动单元等组成部分设计和技术参数,通过对其受力分析得出了重载吸附行走机构动力驱动单元的关键动力参数,并介绍了配套的液压系统与控制系统的功能元件选型和控制模块设计,在不同的转向半径和吸附对象上进行了运行试验,分析了重载吸附行走机构转向能力与液压动力的关系,研究吸附对象厚度参数对重载吸附行走机构吸附能力的影响,经过试验分析表明,设计的重载爬壁吸附行走机构具有较好的稳定性、液压控制吸附行走机构的重载负载能力强。     

Design and Optimization of an Omnidirectional Permanent-Magnetic Wheeled Wall-Climbing Microrobot with MEMS-Based Electromagnetic Micromotors

The paper presents a compact omnidirectional permanent-magnetic wheeled wall-climbing microrobot. A millimeter-sized axial flux electromagnetic micromotor based on MEMS technology has been specially fabricated for the microrobot and its size is 6.8 mm × 7.8 mm × 3.9 mm. A novel permanent-magnetic wheel is designed, which is directly integrated with the stators and rotor of the electromagnetic micromotor. The omnidirectional wall-climbing mechanism is realized by a set of steering gears and three standard permanent-magnetic wheels. By static and dynamic force analysis of the microrobot, the required magnetic force and the required torques for its translational and steering movements are derived. To reduce the unnecessary torque consumption of the microrobot, its structural parameters are optimized in combination with its design constraints by ANSOFT and Pro/Engineer simulation. A prototype of the proposed microrobot with the maximum designed load capacity of 3 g is developed, whose size is 26 mm in diameter and 16.4 mm in height. Experimental and simulation results demonstrate the feasibility of these concepts.     

An omni-directional mobile millimeter-sized microrobot with 3-mm electromagnetic micromotors for a micro-factory

This paper presents an omni-directional mobile microrobot for micro-assembly in a micro-factory. A novel structure is designed for omni-directional movement with three normal wheels. The millimeter-sized microrobot is actuated by four electromagnetic micromotors whose size is 3.1 mm × 3.1 mm × 1.4 mm. Three of the micromotors are for translation and the other one is for steering. The micromotor rotors are designed as the wheels to reduce the microrobot volume. A piezoelectric micro-gripper is fabricated for grasping micro-parts. The corresponding kinematics matrix is analyzed to prove the omni-directional mobility. A control system composed of two CCD cameras, a host computer and circuit board is designed. The macro camera is for a global view and the micro camera is for local supervision. Unique location methods are proposed for different scenarios. A microstep control approach for the micromotors is presented to satisfy the requirement of high positioning accuracy. The experiment demonstrates the mobility of the microrobot and the validity of the control system.     

一种用于微型工厂的毫米级全方位移动微机器人设计与分析

介绍了一种毫米级全方位移动微机器人,尺寸为9mm*8mm*8mm。独特的双轮设计实现了转向时与地面的滚动摩擦。驱动器为3个直径2mm的电磁微马达,其中2个用于直线驱动,另一个用于转向。运动受力分析揭示了微马达驱动力矩与双轮结构尺寸及各种摩擦之间的关系。仿真计算及实验表明微机器人具有良好的负载能力,能够满足微型工厂中的搬运操作要求。     

微型全方位移动机器人的研制

本文介绍了采用2毫米电磁型微马达作为驱动器的移动微型机器人．其整体尺寸为10mm×6mm ×5mm．作为微型机器人的核心部件,微马达采用电磁型轴向磁通结构以获得较大的输出力 矩．该马达的设计创新还在于其控制上可以在不同的阶段采用同步电机和步进电机两种 控制方式．微型机器人的控制器通过超细直径的柔性导线与机械结构相连,创新的结构设计 使得机器人的转弯半径非常小,将导线连接的影响降至极小．通过算法可以控制该机器人前 进、后退、灵活转弯．本文详细论述了该微机器人的设计、制作、结构部件和性能．     

四轮驱动滑动吸盘爬壁机器人的动力学研究

研究了四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器人在滑动导向运动方式下的动力学问题．首先分析了机器人在壁面上安全移动的运动状态和约束条件, 然后对驱动轮支撑力分布、驱动轮与壁面间的横向摩擦力以及密封圈摩擦力进行分析,进而基于牛顿---欧拉法建立了机器人的动力学方程, 并用驱动力矩安全系数来表征驱动力矩的安全程度．通过动力学仿真,分析了吸附压力、驱动轮分布、密封圈刚度等对驱动力矩的影响, 为四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器 人结构优化和安全运动控制提供理论依据．     

基于全向轮的机器人移动机构运动分析与控制设计

为了实现在有限空间内对机器人进行实时移动控制的目的,提出了一种结合差速控制和正交全向控制的设计方法。以老人服务机器人为平台,通过研究具有4组正交全向轮移动机构的运动特性,以ARM7微控制器为核心,结合速度传感器,实现了对机器人的移动控制。实验表明,该控制方法具有很好的实时性和精确度。在实际应用中,满足了老人服务机器人运动的实时性和高精度的要求。     

Development of a control system for an omni-directional vehicle with step-climbing ability

This paper proposes a control method for wheels to pass over rough terrain. In our previous work, we have developed a holonomic mobile mechanism capable of running over steps. The mechanism realizes omni-directional motion on a flat floor and passes over uneven ground in forward and backward directions. The vehicle has seven special wheels with cylindrical free rollers and two passive body axes that can adapt to rough terrain. Seven actuators are located in each wheel; therefore, our vehicle system requires the rotation velocity of each wheel to be coordinated. However, it is difficult to keep such coordination among the wheels — as the vehicle passes over the step, the load applied to the wheel tends to heavy and irregular. Therefore, we propose a new control system for synchronization among the wheels. In this paper, the following two topics are discussed: the load adjustment so as not to exceed the maximum torque of the actuator in some of the wheels and keeping the balance of rotation velocity among the wheels. Our novel control method adjusts the output value by referring to the state of the other wheels. The performance of our system is investigated by means of computer simulations and experiments using our prototype vehicle.     

Cricket-based robots

This article describes the development of an autonomous hybrid microrobot that uses legs for propulsion and support of the rear half of the body and a pair of wheels for support of the front half. McKibben artificial muscles actuate the legs, and compressed air is generated by an onboard power plant. Control is also onboard in the form of a PIC microcontroller, from Microchip Technology Inc., that controls the actuators through four three-way valves that are each made up of a pair of microelectromechanical system devices. Its motion resembles that of a cricket.     

磁轮式超声串列自动扫查爬壁机器人结构及位置调整

介绍一种新型爬壁机器人,它以超声串列法自动扫查和检测在役化工容器筒壁对接环焊的危害性缺陷. 着重介绍了它的机械结构及位置调整运动控制算法. 这种机器人采用磁轮吸附和小车式行走,利用磁带导航,光纤传感器检测,具有结构紧凑、导航性能好、位置调整方法可行和定位精度高等特点.     

Collision-free control of an omni-directional vehicle

This study addresses the problem of controlling an omni-directional vehicle with both state and control dependent constraints. The task of the vehicle is to attain its desired final position given in the task space. The control constraints resulting from the physical abilities of actuators driving the vehicle wheels are also taken into account during the robot movement. The problem of collision avoidance is solved here based on an exterior penalty function approach which results in smooth vehicle velocities near obstacles. Provided that, a solution to the aforementioned vehicle task exists, the Lyapunov stability theory is used to derive the control scheme. The numerical simulation results carried out for the omni-directional vehicle operating in both a constraint-free task space and task space including obstacles, illustrate the performance of the proposed controllers.