轮足复合式爬壁机器人研究综述

当前轮足复合式机器人机构主要包含轮足结合、分离复合以及变形轮足,分别能够实现不同障碍通道的移动作业、复杂未知环境的探索操作以及突发应急救援等应用。然而,针对船舶、压力储罐等金属立面环境,轮足复合式爬壁机器人必须兼具壁面适应、越障和壁面过渡的全位置自主作业能力,应用于壁面焊接、清洗、检测等作业任务。对比分析当前的国内外研究,轮足复合式爬壁机器人针对在垂直和倾斜壁面的工程应用有良好的适用性,它具备适应复杂曲面工作面的能力,并能够应对非结构化工作场景。轮足复合式爬壁结构在应对曲率变化、非结构化壁面等工作将会有良好的应用前景。

一种轮足复合式爬壁机器人机构运动学分析

针对一种具有轮足复合式移动机构的爬壁机器人的运动学问题开展相关研究。通过变换矩阵将2种基本运动模式的运动学表达式关联起来,同时引入附着面倾角,构建复合运动模式的运动学模型。在逆运动学分析中,基于给定任务建立了一种运动模式判断流程。针对复合运动模式逆运动学求解中的多解问题,提出一种基于吸附安全性考虑的求解优化方案。最后通过壁面凹过渡仿真实验对所提方法进行验证,结果显示机器人可以成功实现壁面过渡,表明文中所述运动学分析方法的正确性与有效性。

一种轮足复合式爬壁机器人动力学建模与分析

针对爬壁机器人不同状态下吸附力合理值的求解问题开展研究.首先分析了一种包含闭链约束的轮足复合型移动机构,基于运动等效原则将其拆成开链机构.利用牛顿-欧拉算法对分拆后的开链机构进行动力学建模.基于动力学模型,以运动失效的临界条件为约束函数,构建爬壁机器人在不同倾角壁面上的吸附力学模型,从而获得不同状态下吸附力的合理值.仿真和实验表明基于该模型获得的吸附力参数能够保证机器人的安全吸附.因此所构建的模型是合理的,可以为爬壁机器人在不同状态下合理控制吸附力大小提供理论依据.

钩爪式四足爬壁机器人控制系统设计

首先对钩爪式四足爬壁机器人脚爪在各运动阶段的运动合理性与可行性进行分析,完成了机器人的步态规划;然后根据步态规划方案,选择中央控制器与电机等硬件,完成了机器人控制系统的设计,同时完成了机器人样机的制作;最后对所设计的爬壁机器人的爬升性能进行实验测试,结果表明,机器人能够在粗糙壁面上自主稳定地爬行,验证了机器人控制系统设计的合理性。

防腐爬壁机器人磁轮特性研究及仿真分析

为了降低石油天然气储罐检测难度并提高储罐检查和除锈作业的自动化程度,本研究设计了一种基于Halbach阵列的永磁吸附式爬壁机器人。通过使用Maxwell软件进行径向充磁和Halbach阵列磁轮的吸附力模拟分析,发现Halbach阵列的磁轮具有稳定性强、过渡平稳的特点。本研究结果为机器人样机的制作奠定了良好的理论基础,将大大降低石油天然气储罐检测的难度,并提高储罐检查和除锈作业的自动化程度。

永磁吸附爪刺式爬壁机器人复合轮结构设计

为解决永磁吸附式爬壁机器人永磁轮受力不均产生侧倾问题,基于仿生原理设计一种新型爪刺式爬壁机器人复合轮结构。在研究昆虫柔性跗节链特性的基础上设计出仿生柔性爪刺足片结构,结合仿生爪刺足与永磁吸附结构优点,从结构角度实现了复合轮对抓吸附和多点吸附。运用有限元方法验证仿生柔性连接结构的有效性和可靠性。制作出新型爬行机器人样机,通过试验验证仿生柔性爪刺足结构设计、材料选择的合理性,为机器人实现爬壁功能提供关键技术。

轮足式爬壁机器人的磁吸附结构设计与优化

近年来,随着中国劳动力成本的不断上涨,机器人协助或代替人工作业已受到越来越多人的关注。通过开发爬壁特种机器人,可以减少对自然环境造成的污染,降低工作风险和强度,提高劳动效率。然而,在大型金属立面维护机器人作业过程中,永磁吸附会影响机器人的越障灵活性,提高越障灵活性变得尤为重要。针对一种具有越障能力的三段式轮足爬壁机器人本体模型,设计了一种体积小、单位磁能积大、磁铁-轭铁-磁铁交叉排布且能够在机器人越障时提供可靠吸附力的复合式变磁力吸附模块。通过设定优化函数对复合式变磁力吸附模块的各项参数进行逐级优化设计,包括复合式变磁力吸附模块与壁面间距、复合式变磁力吸附模块上部轭铁厚度及磁铁厚度、复合式变磁力吸附模块磁铁间隙轭铁厚度、磁铁宽度及间隙数,从而得到详细的复合式变磁力吸附模块模型,以132 mm(长)×212 mm(宽)×39 mm(高)的体积就满足了机器人越障状态下单组复合式变磁力吸附模块所需提供的3200 N吸附力。

变自由度轮足复合机器人轨迹规划验证及步态研究

为了适应现代化农业对机器人的新要求,该文基于仿生学原理,提出一种可变自由度、轮足复合式、串并混联机构作为四足机器人的腿部机构。该文首先对机器人的整机和腿部机构进行了构形设计,并进行了位置分析;然后,根据农业上的一般地形和障碍物地形,规划了机器人足端普通轨迹及越障轨迹,并利用软件进行了轨迹仿真;其次,根据机器人静态及动态稳定性判据,在保证稳定性的前提下,完成了机器人对角小跑步态规划,并进行了仿真研究;最后,对机器人单腿样机进行了足端轨迹规划验证试验。试验结果表明:该单腿样机可以按给定的轨迹运动,证明该机器人机构设计是可行的,足端运动轨迹规划是正确的。但实际轨迹和理论计算轨迹存在误差,y轴方向最大误差2.5mm,z轴方向最大误差5.3 mm,误差均小于10 mm,在允许范围内,该机器人能够满足农业现代化的使用需求。

电磁微马达驱动全方位永磁轮式爬壁微机器人

介绍了一种全方位微型轮式爬壁机器人.将轴向磁通电磁微马达与永磁轮集成在一起,实现驱动吸附一体化设计.采用一套转向齿轮和三个永磁轮,设计了全方位的爬壁机构.通过动力学分析,导出微机器人爬壁所需的力矩和磁力,并结合永磁轮自身的设计约束,采用ANSOFT和Pro/Engineer仿真对其尺寸进行了优化,从而在相同负载的情况下降低了不必要的力矩损耗.仿真计算和实验结果证明了上述方法的可行性.

基于双自由度万向轮机构的爬壁机器人运动状态检测

设计了基于双自由度万向轮机构的速度测量装置,该装置由双自由度滚轮、旋转编码器、角位移传感器和水平姿态传感器等构成.机器人运动时,利用水平姿态传感器检测爬行机构的转动角速度,双自由度万向轮机构利用角度传感器测量速度方向,利用光电编码器测量速度大小,实现对机器人运动状态的测量.根据其测量结果,建立了电动机输入和控制点运动状态之间的关系,为机器精确任务操作提供了基础.

磁轮式超声串列自动扫查爬壁机器人结构及位置调整

介绍一种新型爬壁机器人,它以超声串列法自动扫查和检测在役化工容器筒壁对接环焊的危害性缺陷.着重介绍了它的机械结构及位置调整运动控制算法.这种机器人采用磁轮吸附和小车式行走,利用磁带导航,光纤传感器检测,具有结构紧凑、导航性能好、位置调整方法可行和定位精度高等特点.

多足爬壁机器人新型足-掌机构运动学和力解析

本文介绍了一种新型足－掌机构，利用该机构可以解决多足爬壁机器人从地面向壁面过渡行走的难题．通过对机构的运动学正、逆问题的求解，推导出足端的工作空间以及可达的极限位置，同时对机构进行了受力分析，为规划多足爬壁机器人地壁过渡行走。

管道内壁四足爬壁机器人的运动学与步态规划

研究用于检测气体绝缘金属封闭开关(GIS)内部的负压吸附管道内壁四足爬壁机器人.分别对机器人的腿部和机身进行运动学分析,采用改进的牛顿迭代法解决机身正运动学求解困难的问题.对机器人沿管道轴向和圆周方向的爬壁运动进行步态规划,提出运动过程零冲击的轨迹规划方法.使用Adams进行运动仿真,并在四足爬壁机器人样机上进行水平和垂直管道的全方位爬壁实验.结果表明:机器人的运动轨迹与所规划的步态一致,运动过程中速度与加速度无突变,运动平稳,无明显冲击,运动学模型的正确性和所规划步态的合理性得到验证.在GIS管道的实际检测应用中,实现机器人在不同工况下的平稳爬壁运动与检测.

六轮足复合式机器人运动学建模及通过性分析

现代战争正向信息化、智能化方向发展,无人化平台是研究现代无人化的主要途径之一,本文针对这一重要趋势研究了六轮足复合式机器人平台的越障性能。首先对平台建立了坐标系,研究了其几个基本运动单元。然后研究了平台在越障过程中的姿态,并运用参数计算出其越障性能。通过研究计算得知,该平台在越障方面有着较为可观的越障能力。

基于Adams的六足爬壁机器人的步态规划与仿真

针对桥梁检测的要求,设计出了一种可以在桥底爬行和检测的六足爬壁机器人,通过对六足爬壁机器人运动机理以及腿部结构的理论分析和研究,提出了适应于桥底爬行的横向三角步态和横向四角步态。其中横向四角步态是从横向三角步态改进而来的,与横向三角步态相比,横向四角步态有更好的稳定性和安全性,更适用于桥底作业的这种工作环境。采用UG设计软件和Adams仿真软件相结合的方式分别对以上两种步态进行了仿真,实验结果表明了所提出步态的有效性。

基于半解析法的四足爬壁机器人关节扭矩估算

四足爬壁机器人的足端力和关节扭矩是机器人吸附力设计和关节电机选型的重要依据。在考虑重力和吸附姿态变化的情况下,利用有限元分析足端力和关节扭矩需要重复画网格和仿真分析,工作量较大。结合运动学、静力学和有限元分析提出一种简单且统一的半解析方法估算不同吸附姿态下四足爬壁机器人的足端力和关节扭矩。算例中利用半解析法计算得到84组数据并分析得到不同姿态下最大足端力和最大关节扭矩的变化规律,基于算例结果完成了机器人的吸附力设计和关节电机选型,最后实验测量了不同姿态下机器人的关节扭矩最大值。实验结果表明:机器人吸附力设计和关节选型合理,半解析法计算的最大关节扭矩误差小于8.86%。

气动六足壁面爬行机器人控制系统的开发

气动六足壁面爬行机器人是一个采用真空吸附和PLC(可编程控制器)控制技术的系统。文章详细阐述了机器人的机械组成、气动和控制系统以及运动顺序等。机器人控制系统选用了西门子S7-200系列PLC作为核心,采用PLC顺序控制完成了对机器人运动控制的编程,最终实现了机器人在壁面上稳定地进行直行以及转向运动。

基于安全性目标多足爬壁机器人足力优化分配

针对多足爬壁机器人高空作业时的安全性问题,引入安全系数概念,提出基于安全性多足爬壁机器人足力优化分配方法。在建立关节驱动力和足底接触力转换基础上,推导多足爬壁机器人的动力学模型,确定机器人运动学、动力学约束条件,用粒子群算法求解在能耗最优目标下安全系数与吸盘吸附力的关系。该方法有效减少优化变量数量,同时还反映了机器人安全系数与未知环境(主要指真空吸盘吸附力)的关系,提高了机器人的环境适应能力。最后通过实例验证了该方法的可行性与有效性。

爬壁机器人磁轮特性研究及其运动仿真

为降低石油储罐检测的人力成本并提高石油储罐检测的自动化程度,设计了永磁吸附轮式爬壁机器人,并使用Maxwell软件对普通径向充磁磁轮(磁轮1)和两种基于Halbach阵列的磁轮(磁轮2和磁轮3)在不同转角下吸附力的变化情况进行仿真计算。计算结果表明:磁轮3吸附力随转角变化最为稳定;磁轮3的吸附力在磁隙0.2 mm时达到最大,随后吸附力随磁隙的增加而下降,但下降速度逐渐减小,当磁隙为1.0 mm时,磁轮吸附力为171 N。由Adams仿真结果可知:增加万向磁轮前机器人在爬越半径为4 mm的焊缝时机身发生微小偏移,在爬越8 mm焊缝时发生明显偏移;在1.5 s的仿真时间内,增加万向磁轮前机器人质心沿X轴方向最大偏移量为8.13 mm,增加万向磁轮后降为0.07 mm。研究结果为后续物理样机的研制奠定了理论基础。

双足爬壁机器人三维壁面环境全局路径规划

为求解双足爬壁机器人在三维壁面环境中的全局路径,提出了一种结合壁面可过渡性分析、全局壁面序列搜索和壁面过渡落足点优化的规划方法.首先,为得到双足爬壁机器人在壁面间过渡的可行性,通过机器人可达工作空间与壁面简化处理将其转化成几何图形相交测试问题.然后,用图搜索方法找出全局壁面序列,再以路径最短为目标建立数学模型优化求解壁面序列中相邻壁面间最优过渡落足点,最终得到最优全局路径.以双足爬壁机器人W-Climbot为对象做仿真验证,仿真结果表明该方法在5至20个壁面构成的三维环境中,机器人在不同壁面间的可过渡性分析与全局壁面序列搜索过程平均耗时只需2 ms,求解得到优化全局路径的比例为95%,平均耗时均在4 s以内.该方法可以为双足爬壁机器人提供优化的全局路径并为其下一步的运动规划奠定基础.