間隙式單吸盤爬壁機器人系統(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、設備維護甚至是反恐偵察等方面的難題,利用機器人代替人工作業(yè),不僅降低了操作的危險性和成本,還提高了作業(yè)的效率。因此,爬壁機器人的研究和應用有著極其重要的工程應用背景和非常廣泛的應用前景,成為眾多研究人員矚目的焦點并取得了較大的進展。
　　滑動式爬壁機器人在運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,同時吸盤與壁面的摩擦力阻礙了機器人的靈活運動;無密封負壓吸盤式爬壁機器人的吸盤不與壁面接觸,機器人運動阻力減小,但其負壓發(fā)生裝置產(chǎn)生的負壓小,這種特性就要求增加吸盤體積和電機功率。本文根據(jù)這兩種負壓吸附式爬壁機器人的缺點設計了一種間隙式負壓吸盤的密封機構,降低了吸盤腔內空氣泄漏量,保證機器人安全吸附的同時,提高了機器人壁面適應能力和運動性能。本文主要完成了以下幾個方面的工作:
　　(1)首先分析爬壁機器人各

3、種吸附方式和移動方式的優(yōu)缺點。設計了吸盤密封機構,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構后吸盤腔體內空氣流場的分布,驗證了密封結構的密封效果。利用Solidworks建立了爬壁機器人的三維模型并加工出原型樣機。
　　(2)針對無滑動摩擦的四輪驅動爬壁機器人進行了安全受力分析,得到機器人任意姿態(tài)下安全吸附條件。建立了運動機構的動力學模型,并進行了動力學仿真分析,得到不同吸附壓力下驅動輪的驅動力矩變化曲線,確

4、定了驅動電機的相關參數(shù),為機器人運動控制提供了理論基礎。
　　(3)分析了爬壁機器人控制系統(tǒng)的組成,推導了風機吸盤系統(tǒng)熱力學模型,在此基礎上建立了基于模糊 PID控制的負壓仿真模型,并運行Matlab/Simulink工具對其仿真分析,仿真結果表明:模糊 PID控制負壓超調量小、穩(wěn)態(tài)性能好,對實時非線性變化的負壓調節(jié)具有良好的調節(jié)效果。
　　(4)根據(jù)爬壁機器人運動和吸附的要求,設計出基于DSP2812的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的

5、硬件主要包括:電源轉換電路、電機驅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)主程序設計、定時器中斷程序設計、模糊PID控制算法的程序設計以及PWM波形的軟件實現(xiàn)。
　　(5)本文最后搭建了試驗系統(tǒng),設計了不同縫隙下負壓測試實驗和不同壁面環(huán)境下的吸附爬行測試實驗,實驗結果表明:該機器人能夠適應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;機器人最大行走