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爬壁机器人 (Wall Climbing Robot,WCR) 是一种在壁面环境下作业的自动化机械装置,可将人从危险、繁重的工作中解脱出来,并能有效降低成本、提高作业效率和自动化水平.根据吸盘的壁面运动特点分类,WCR 可分为带普通吸盘和带滑动式吸盘 (Sliding Suction Cup,SSC)两种机构形式.与普通吸盘通过交替吸附方式实现壁面移动不同,SSC与壁面间存在相对滑动,带 SSC 的 WCR 能连续运动,具有机构简单、移动灵活、速度快等优点.但SSC吸附力不是越大越好,且易受壁面环境和运动状态影响,吸附力大小一定程度上决定了该类 WCR 的壁面运动特性.因此,如何设计WCR的运动机构和SSC结构,保证在稳定且可靠吸附的前提下获得优异的运动性能是研究该类WCR的关键问题之一.本文首先针对带SSC的*式WCR (Wheeled WCR,WWCR),分析了SSC吸附力和WCR自身质量的变化对其运动特性的影响.在此基础上,为了促进带SSC的WCR在平面幕墙清洗领域的应用,设计了 WWCR的简化机构:一种壁面牵引滑动式清洗机器人 (Wall S1iding CleaningRobot,WSCR),并和WWCR运动特性和工作能力进行了比较.最后通过对WSCR和WWCR两种SSC结构负压吸附特性的对比分析,提出了进行SSC结构设计的指导原则和负压控制方法.本文主要研究内容如下: (1) 变SSC吸附力和变质量情况下WWCR的动力学建模.首先建立了纯滚动假设条件下基于Routh方程的双*差速 WWCR 动力学模型,用来分析在复杂多变的壁面环境下SSC吸附力的波动对 WWCR 运动特性的影响,并可将吸附力作为辅助容许控制变量,调整和改善WWCR的运动性能;进一步将一类自身拖曳电缆或作业原料(如清洗液、油漆)等质量或负荷随着作业高度和进度发生变化的WCR (包括WWCR)看作变质量物体,针对质点动力学两类基本问题,基于变质量牛顿力学建立了WCR的动力学模型.最后建立了变SSC吸附力和变质量情况下WWCR的动力学模型.*分析表明,SSC吸附力和自身质量的变化对这一类WCR(包括WWCR)运动特性的影响很大,建立的动力学模型为其运动控制和路径规划提供了理论依据. (2)驱动*打滑时WWCR的壁面运动特性分析.SSC吸附力相对不足和重力的影响、以及吸附力和质量的变化是造成WWCR经常发生打滑的主要原因.采用增广广义坐标转移法,兼顾驱动*的纵向和侧向滑移,建立了打滑运动学模型;分别基于小参数奇异摄动法和车辆动力学理论建立了打滑动力学模型,并基于滑转率理论,建立了WWCR的牵引力控制系统模型.*算例表明,通过对SSC吸附力和驱动力矩的协调控制,可调节打滑程度,弥补打滑引起的运动轨迹偏移.最后提出了使WWCR能量消耗最小的吸附力最优控制问题. (3)SSC吸附力变化对WWCR.转向运动和越障性能的影响分析.转向能力是体现越障性能的主要方面,首先分析了姿态倾斜的原因,得到了WWCR的转向运动学和动力学模型.定义了转向阻力系数、转向灵活度和外侧*转向功率系数作为评价WWCR转向运动性能的指标,为SSC结构参数设计与优化、驱动电机功率选择和校验提供了理论指导.针对带三个SSC的WWCR越障过程进行了动力学分析,考察了可靠越障对SSC吸附力的要求. (4)提出了一组新颖的平面型玻璃幕墙清洗机器人结构设计原则,据此设计了多种自身无行走驱动装置并带有SSC的壁面牵引清洗机器人系统WSCR.WSCR的本体在楼顶卷扬机的牵引作用下,依靠自身重力在保持壁面吸附的同时完成移动和清洗作业.介绍了目前已经设计实现的两个本体模型、工作流程和机构改进措施,并提出了采用壁面牵引滑动为主、*式姿态调整为辅运动方式的第三个本体模型;分析了WSCR本体的动力学、从动滚*打滑、转向和越障等运动特性,通过实验测试了自行设计的*式单SSC的转向性能,得到了各指标基本随吸附力线性变化的关系曲线.介绍了WSCR的主从分布式控制系统和两个本体模型的户内外试验情况.现场试验表明,尽管本体运动自由度有限,但在平面幕墙清洗领域,能避免WWCR运动控制复杂、易受SSC吸附力和质量变化的影响及负载受限等缺点,和其它清洗机器人相比,具有机构简单、成本低、工作效率高、清洗效果好、实用化程度较高的特点. (5)SSC的负压吸附特性分析及其结构优化设计方法.将SSC看作流体管路系统,基于伯努利方程推导了流体流动的能量传输方程,得到了负压与各工作参数的关系式.分别建立了WSCR和WWCR两种SSC结构的流体模型,得到了在电风机开启和关闭、越障以及遭遇壁面缝隙时的等效电路和负压响应,并进行了对比分析.通过实验得到了WSCR的SSC工作特性曲线,建立了该SSC的理想密封模型.最后分析了SSC结构参数对其负压吸附特性的影响,得到了SSC及其密封装置结构优化设计的指导原则以及负压控制方法,为SSC获得良好的壁面吸附特性和滑动密封性能提供了依据.
2025-05-12 23:14
回答者: 花前月下
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