仿尺蠖爬壁机器人机构设计与基于CPG的步态规划

摘要

风电叶片的检查维护对风电机组的稳定运行十分重要。爬壁机器人可将检测设备送到叶片任意位置，成为叶片检测领域的研究热点。本文针对目前缺少在叶片表面攀爬的机器人的现状，开发了叶片检测爬壁机器人，并采用CPG(中枢模式发生器)对机器人叶片曲面攀爬步态进行规划。
　　首先，设计了仿尺蠖机器人五自由度机构构型。机构含有3个T型关节和2个I型关节，由直流伺服电机驱动，吸盘足由3个吸盘组成。基于静力分析方法，通过SolidWorks Simulation分析零件静力位移，并改进了关节座部件强度设计。针对吸附安全问题，基于静力学平衡原理，推导得到机器人稳定吸附时吸盘半径的安全阈值。
　　其次，基于D-H参数建立机器人运动学齐次变换矩阵，推导得到位置运动学的正反解。基于机器人构型特点，设计尺蠖、翻转、旋转等三种步态。通过Adams动力学仿真得到三种步态下关节最大转矩，验证了电机选型的正确性。
　　然后，基于几何方法分析吸盘足和机构对圆弧曲面的适应性。基于圆弧轨迹规划方法，分析平面翻转步态和曲面翻转步态的异同，并通过调整平面翻转步态对应的关节角度幅值，使得步态可适应圆弧曲面；其次，基于有监督的学习方法和自适应频率Hopf振荡器，建立自适应CPG网络，学习平面翻转步态。设计了基于相关性的在线调节方法，仿真验证了CPG网络参数调整的收敛性。将学习到的参数稳态值作为CPG网络参数的初值，再通过在线调整关节角度幅值，实现曲面翻转步态。通过MATLAB/Simulink和Adams联合仿真，验证了CPG离线学习、在线调整步态规划方法的有效性。
　　最后，制作了机器人实物样机，搭建了基于PC机的机器人分布式控制系统，进行平面翻转步态实验和曲面翻转步态实验。实验结果与仿真结果一致，表明了机构设计的合理性和所设计的步态规划方法的有效性。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 叶片检测爬壁机器人研究现状

1.3 基于CPG的步态规划研究现状

1.4 本文研究目标和主要内容

2 爬壁机器人机构设计

2.1 机构设计技术要求

2.2 机器人机构设计

2.3 机器人吸附系统设计

2.4 本章小结

3 运动学建模与动力学仿真

3.1 运动学建模

3.2 机器人步态设计

3.3 动力学仿真

3.4 本章小结

4 CPG模型设计及曲面步态规划

4.1CPG模型

4.2适应曲面的运动步态分析

4.3 翻转步态的CPG生成

4.4 MATLAB/Simulink和Adams联合仿真实验

4.5 本章小结

5 机器人系统实验研究

5.1 机器人控制系统设计

5.2 机器人风电叶片攀爬实验

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来展望

参考文献

作者简介