間隙式單吸盤爬壁機(jī)器人系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代都市高層建筑高度的迅速增加,帶來了壁面清潔、損傷檢測、設(shè)備維護(hù)甚至是反恐偵察等方面的難題,利用機(jī)器人代替人工作業(yè),不僅降低了操作的危險(xiǎn)性和成本,還提高了作業(yè)的效率。因此,爬壁機(jī)器人的研究和應(yīng)用有著極其重要的工程應(yīng)用背景和非常廣泛的應(yīng)用前景,成為眾多研究人員矚目的焦點(diǎn)并取得了較大的進(jìn)展。
　　滑動式爬壁機(jī)器人在運(yùn)動過程中吸盤與墻面之間始終處于滑動摩擦狀態(tài),這樣就要求吸盤具有良好的耐磨性并且與壁面間的滑動摩擦系數(shù)也要很小,尋找

2、合適的吸盤材料成為難點(diǎn),同時(shí)吸盤與壁面的摩擦力阻礙了機(jī)器人的靈活運(yùn)動;無密封負(fù)壓吸盤式爬壁機(jī)器人的吸盤不與壁面接觸,機(jī)器人運(yùn)動阻力減小,但其負(fù)壓發(fā)生裝置產(chǎn)生的負(fù)壓小,這種特性就要求增加吸盤體積和電機(jī)功率。本文根據(jù)這兩種負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種間隙式負(fù)壓吸盤的密封機(jī)構(gòu),降低了吸盤腔內(nèi)空氣泄漏量,保證機(jī)器人安全吸附的同時(shí),提高了機(jī)器人壁面適應(yīng)能力和運(yùn)動性能。本文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作:
　　(1)首先分析爬壁機(jī)器人各

3、種吸附方式和移動方式的優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了吸盤密封機(jī)構(gòu),通過流體仿真軟件Fluent模擬了典型的圓形吸盤增加這種密封結(jié)構(gòu)后吸盤腔體內(nèi)空氣流場的分布,驗(yàn)證了密封結(jié)構(gòu)的密封效果。利用Solidworks建立了爬壁機(jī)器人的三維模型并加工出原型樣機(jī)。
　　(2)針對無滑動摩擦的四輪驅(qū)動爬壁機(jī)器人進(jìn)行了安全受力分析,得到機(jī)器人任意姿態(tài)下安全吸附條件。建立了運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型,并進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析,得到不同吸附壓力下驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩變化曲線,確

4、定了驅(qū)動電機(jī)的相關(guān)參數(shù),為機(jī)器人運(yùn)動控制提供了理論基礎(chǔ)。
　　(3)分析了爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成,推導(dǎo)了風(fēng)機(jī)吸盤系統(tǒng)熱力學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上建立了基于模糊 PID控制的負(fù)壓仿真模型,并運(yùn)行Matlab/Simulink工具對其仿真分析,仿真結(jié)果表明:模糊 PID控制負(fù)壓超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)性能好,對實(shí)時(shí)非線性變化的負(fù)壓調(diào)節(jié)具有良好的調(diào)節(jié)效果。
　　(4)根據(jù)爬壁機(jī)器人運(yùn)動和吸附的要求,設(shè)計(jì)出基于DSP2812的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的

5、硬件主要包括:電源轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)驅(qū)動電路以及信號隔離電路等模塊。軟件部分,利用模塊化思想,給出了各功能模塊的程序編寫流程,主要包括:系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、定時(shí)器中斷程序設(shè)計(jì)、模糊PID控制算法的程序設(shè)計(jì)以及PWM波形的軟件實(shí)現(xiàn)。
　　(5)本文最后搭建了試驗(yàn)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了不同縫隙下負(fù)壓測試實(shí)驗(yàn)和不同壁面環(huán)境下的吸附爬行測試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該機(jī)器人能夠適應(yīng)6mm以下的縫隙高度;在玻璃壁面、粉墻壁面和瓷磚壁面都能夠有效吸附;機(jī)器人最大行走