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。     

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.     

基于SMA驱动的仿生无源负压吸盘研究

针对负压吸盘在爬壁机器人吸附装置应用中存在的不足,提出了一种单程形状记忆合金（SMA）弹簧驱动器驱动的仿生多腔无源负压吸盘．解决了现有负压吸盘吸附装置不易微小型化、功重比低的缺点。该吸盘基于仿生学原理,采用当前发展迅猛的仿生智能材料——形状记忆合金,并基于拓扑机构学原理进行多腔体智能吸附机构结构设计,为爬壁机器人的壁面吸附机构设计提供一种方法。     

微小型壁面检测爬壁机器人移动平台研究

壁面移动机器人应用于建筑物表面质量检测,有利于提高工作效率,避免人身危险,故提出一种基于负压吸附原理的微小型壁面检测爬壁移动机器人,该机器人对不同的壁面具有一定的适应能力,而且吸附可靠,移动灵活。介绍机器人平台系统,对双轮单独驱动的移动机构进行运动学分析,还对应用于该机器人的负压吸附原理进行研究,从热力学角度提出负压吸附系统理论模型。此外,以腔内有效负压为设计指标,设计机器人专用离心叶轮,并对设计结果进行计算流体动力学验证。研制微小型壁面移动机器人的原理样机,通过试验测试,验证机器人样机的基本吸附效能及综合性能指标,实现机器人体积的小型化,使机器人的负载自重比接近4.0,证明叶轮设计方法、负压吸附系统以及移动机构设计等技术的正确性。     

船舶爬壁机器人吸附技术及其应用研究探讨

针对船舶爬壁机器人所存在的吸附机构与移动机构强耦合、吸附力难以调节、越障能力弱等瓶颈问题,对爬壁机器人所应用的关键吸附技术即负压吸附技术、螺旋桨吸附技术和永磁吸附技术以及采用这些技术的机器人进行了分析,探讨了吸附力可调技术和吸附技术评估,并结合现状和学科发展对吸附技术的未来应用做出展望。     

高机动性小型清洁爬壁机器人的研究

基于负压吸附原理,设计一种新型高机动性小型清洁爬壁机器人.描述机器人机构,对机器人爬壁稳定性和可靠性进行详细分析,给出其控制系统.该爬壁机器人具有小巧灵活、机动性好的特点,且有良好的应用前景.     

负压爬壁机器人吸附系统研究

系统研究了爬壁机器人的负压吸附系统。针对负压爬壁机器人的吸附力利用效率,研究了其运动系统结构对吸附力配置的影响。根据吸附力利用效率的差异,提出了若干移动机构及密封机构的构成方案并分析了其综合性能。对负压吸附系统各个元件进行了热力学分析,阐述了吸附系统的气路状态变化过程,揭示了吸附原理的实质。利用CFD对吸附系统气流在流场中的状态变化进行了仿真。最后,通过研制的负压式爬壁机器人样机验证了吸附系统的可靠性和稳定性。     

一种新型磁吸附爬壁机器人的研制

设计了一种壁面吸附爬行机器人,实现了机器人壁面转向、蠕动、交叉面跨越等功能,而且比其他爬壁机器人尺寸较小、质量更轻。该机器人应用了一种新机构,实现了单电机分时驱动双关节独立运动。分析了该机器人的运动学特性,包括运动学的正逆解以及壁面过渡的策略,简述了吸附足的设计,并对吸附足进行力学建模及分析,对壁面过渡策略进行了运动学验证仿真。样机实验验证表明该机器人达到了预期设计效果。     

平面三自由度并联机器人理论工作空间与机构尺寸关系研究

以一种平面三自由度并联机器人机构为研究对象,对其机构尺寸进行量纲一划,给出反映机构尺寸参数变化范围的设计空间,求得其封闭运动学反解。利用运动学反解存在条件和设计空间,计算该机器人机构理论工作空间并绘制理论工作空间性能图谱,建立了机构理论工作空间与机构运动学尺寸之间的一一对应关系。总结该机器人理论工作空间性能指标在设计空间内的分布规律,给出了理论工作空间较大的机构尺寸范围。这些图谱是该机器人机构优化设计的重要参考依据。     

一种可越障的爬壁机器人

综合爬壁机器人的特点以及应用场景,设计出一种可翻越多种障碍特征的爬壁机器人。该机器人通过双节式机体设计与吸附机构设计、移动机构设计以及翻越机构设计实现了爬壁功能,可应用于多种高空作业领域。     

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.     

基于旋翼负压混合吸附的爬壁清洗机器人系统动力学性能研究

针对爬壁清洗机器人越障时,负压装置的吸附力下降导致吸附不稳定的问题,设计了一种旋翼负压混合吸附工作的多边形履带清洗机器人,并对爬行稳定性及越障性能进行了动力学分析。首先根据机器人爬壁的运动原理,建立机器人沿玻璃幕墙上的动力学模型,计算出电机理论驱动力矩;其次分析机器人在跨越障碍过程中的运动模型,结合与壁面接触的实际受力状态,对越障过程中关键阶段的本体倾翻、滑移两种失效形式进行运动学和动力学分析;然后根据玻璃幕墙实际的障碍高度,确定多边形履带的参数和理论驱动力矩的大小,并研制了实验样机进行爬行和越障试验,结果表明所设计的机器人具有良好的越障性能。     

轴向柱塞泵低气压运行特性建模与试验分析

空化是影响液压系统动态特性的重要因素,为此开展了轴向柱塞泵低压环境下的工况研究。考虑气液两相混合油液的密度、体积弹性模量和黏度的影响,限制入口油腔的最低压力,建立轴向柱塞泵的压力流量模型,计算获得轴向柱塞泵在不同工况下的流量特性,并通过试验验证。研究表明:负载增大导致更严重的空化以及泄漏,并使容积效率降低;轴向柱塞泵在达到临界流量之后,转速提升只会加剧空化,而不能提升流量;最大容积效率出现在临界流量产生之前。为轴向柱塞泵低气压性能预测提供了理论支撑。     

Development of a wall-climbing robot using a tracked wheel mechanism

In this paper, a new concept of a wall-climbing robot able to climb a vertical plane is presented. A continuous locomotive motion with a high climbing speed of 15m/min is realized by adopting a series chain on two tracked wheels on which 24 suction pads are installed. While each tracked wheel rotates, the suction pads which attach to the vertical plane are activated in sequence by specially designed mechanical valves. The engineering analysis and detailed mechanism design of the tracked wheel, including mechanical valves and the overall features, are described in this paper. It is a self-contained robot in which a vacuum pump and a power supply are integrated and is controlled remotely. The climbing performance, using the proposed mechanism, is evaluated on a vertical steel plate. Finally, the procedures are presented for an optimization experiment using Taguchi methodology to maximize vacuum pressure which is a critical factor for suction force.     

旋转压缩机吸油管特性数值研究

在不考虑润滑油可压缩性的条件下,采用标准k-ε湍流模型,对旋转压缩机供油系统进行了数值模拟,分析了吸油管入口大小对供油量的影响,并揭示了吸油管内压力分布及影响供油量的机理.计算结果表明:当吸油管入口太小时,由于节流效应,供油系统供油量明显不足;当吸油管入口太大时,虽然节流效应已不明显,但是吸油管内壁面无法形成高压区,供油量反而减小.吸油管入口大小存在一个最优值,此时节流效应不明显,又能在吸油管内壁面形成高压区,从而使供油系统达到最大供油量.     

爬壁机器人研究现状及发展趋势

爬壁机器人是指能够依附在物体的表面进行多自由度移动并完成作业的机电系统，特别适用于执行特殊任务，因而具有良好的应用前景和广泛的市场需求。根据黏附机理的不同，爬壁机器人可分为负压吸附、静电黏附、仿壁虎干黏附、仿生湿黏附等类型。从黏附机理、应用范围以及黏附特点三个方面概述了爬壁机器人领域的国内外研究现状，为统一分析比较不同种类爬壁机器人的负载性能，提出基于比黏附能密度的机器人整体黏附性能分析方法，并为解决其大负载和小体积之间的矛盾提出新的材料和结构设计思路，分析微型爬壁机器人在航空发动机故障检测领域的应用前景，总结出其在材料智能化、驱动新型化、体积小型化和黏附机理协同化等方向的发展趋势。     

一种滚动密封爬壁机器人的安全吸附条件与运动特性分析

为完成三峡大坝流道的缺陷检测,设计开发了一种滚动密封结构的履带式爬壁机器人。该机器人以柔性履带作为密封裙实现滚动密封,具备密封结构耐磨性好、通过性和壁面适应性强等特点,而长效稳定吸附是机器人设计的关键问题。基于动力学建模方法,提出了滑移参数等指标作为滚动密封爬壁机器人的稳定吸附条件,用于考察机器人运动状态下、特别是滑移转向状态下的吸附稳定性与运动准确性。通过讨论负压力在内的相关设计参数对机器人滑移与稳定吸附的影响,建立了关键设计参数与机器人吸附稳定性的联系。仿真与实验结果表明,所提的安全吸附条件能够作为开展爬壁机器人运动性能优化设计的理论依据,同时也为建立相应的控制模型提供了参考。