间隙式单吸盘爬壁机器人系统的研究

摘要

随着现代都市高层建筑高度的迅速增加,带来了壁面清洁、损伤检测、设备维护甚至是反恐侦察等方面的难题,利用机器人代替人工作业,不仅降低了操作的危险性和成本,还提高了作业的效率。因此,爬壁机器人的研究和应用有着极其重要的工程应用背景和非常广泛的应用前景,成为众多研究人员瞩目的焦点并取得了较大的进展。
　　滑动式爬壁机器人在运动过程中吸盘与墙面之间始终处于滑动摩擦状态,这样就要求吸盘具有良好的耐磨性并且与壁面间的滑动摩擦系数也要很小,寻找合适的吸盘材料成为难点,同时吸盘与壁面的摩擦力阻碍了机器人的灵活运动;无密封负压吸盘式爬壁机器人的吸盘不与壁面接触,机器人运动阻力减小,但其负压发生装置产生的负压小,这种特性就要求增加吸盘体积和电机功率。本文根据这两种负压吸附式爬壁机器人的缺点设计了一种间隙式负压吸盘的密封机构,降低了吸盘腔内空气泄漏量,保证机器人安全吸附的同时,提高了机器人壁面适应能力和运动性能。本文主要完成了以下几个方面的工作:
　　(1)首先分析爬壁机器人各种吸附方式和移动方式的优缺点。设计了吸盘密封机构,通过流体仿真软件Fluent模拟了典型的圆形吸盘增加这种密封结构后吸盘腔体内空气流场的分布,验证了密封结构的密封效果。利用Solidworks建立了爬壁机器人的三维模型并加工出原型样机。
　　(2)针对无滑动摩擦的四轮驱动爬壁机器人进行了安全受力分析,得到机器人任意姿态下安全吸附条件。建立了运动机构的动力学模型,并进行了动力学仿真分析,得到不同吸附压力下驱动轮的驱动力矩变化曲线,确定了驱动电机的相关参数,为机器人运动控制提供了理论基础。
　　(3)分析了爬壁机器人控制系统的组成,推导了风机吸盘系统热力学模型,在此基础上建立了基于模糊 PID控制的负压仿真模型,并运行Matlab/Simulink工具对其仿真分析,仿真结果表明:模糊 PID控制负压超调量小、稳态性能好,对实时非线性变化的负压调节具有良好的调节效果。
　　(4)根据爬壁机器人运动和吸附的要求,设计出基于DSP2812的控制系统。控制系统的硬件主要包括:电源转换电路、电机驱动电路以及信号隔离电路等模块。软件部分,利用模块化思想,给出了各功能模块的程序编写流程,主要包括:系统主程序设计、定时器中断程序设计、模糊PID控制算法的程序设计以及PWM波形的软件实现。
　　(5)本文最后搭建了试验系统,设计了不同缝隙下负压测试实验和不同壁面环境下的吸附爬行测试实验,实验结果表明:该机器人能够适应6mm以下的缝隙高度;在玻璃壁面、粉墙壁面和瓷砖壁面都能够有效吸附;机器人最大行走速度达到了30m/min。该机器人移动灵活、吸附可靠,具有较强的壁面适应能力,基本满足本课题设计的要求。

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表清单

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 爬壁机器人国内外发展现状

1.3 爬壁机器人负压吸附方式的研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 爬壁机器人机构设计

2.1 引言

2.2 爬壁机器人机械系统的构成

2.3 运动机构设计

2.4 吸附密封机构的设计

2.5 爬壁机器人整体结构

2.6 本章小结

3 爬壁机器人动力特性分析

3.1 引言

3.2 爬壁机器人安全吸附条件

3.3 机器人动力学分析

3.4 本章小结

4 控制系统分析和控制策略研究

4.1 引言

4.2 控制系统分析

4.3 控制算法的研究

4.4 模糊PID控制器的仿真

4.5 本章小结

5 爬壁机器人控制系统的设计

5.1 引言

5.2 控制系统硬件设计

5.3 控制系统软件设计

5.4 系统实验研究

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历