船舶爬壁機(jī)器人力學(xué)分析及運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、船舶爬壁機(jī)器人可替代人工完成船體檢測(cè)、噴漆、除銹等任務(wù)，能夠提高工作效率，降低高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，還能夠在人力不便到達(dá)的特殊環(huán)境中工作。船舶爬壁機(jī)器人工作過程要求既穩(wěn)定又靈活，本文圍繞這兩大問題進(jìn)行研究。
　　針對(duì)爬壁機(jī)器人的靜力學(xué)穩(wěn)定性，本文首先分析永磁履帶爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和壁面受力情況，為便于受力分析，提出了一種載荷分布系數(shù)新定義，建立了爬壁機(jī)器人的靜力學(xué)模型、直線運(yùn)動(dòng)模型及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型。然后，對(duì)永磁鐵吸附力、電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩、壁面

2、傾角、載荷分布系數(shù)的相互關(guān)系，以及壁面受力進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明，永磁鐵吸附力主要決定于履帶載荷分布系數(shù)和壁面傾角，電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩主要決定于磁鐵吸附力和壁面傾角。
　　針對(duì)爬壁機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，本文首先利用拉格朗日第二類方法，建立爬壁機(jī)器人的廣義坐標(biāo)系，然后分析機(jī)器人的非完整約束動(dòng)力學(xué)方程，通過計(jì)算得到爬壁機(jī)器人在壁面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，最后進(jìn)行數(shù)值仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。仿真時(shí)引入直流電機(jī)模型，以電機(jī)電壓為輸入量，位置坐

3、標(biāo)和方向角為輸出量，得到爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)果表明，數(shù)值仿真與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)相吻合，證明了此動(dòng)力學(xué)模型的正確性。
　　針對(duì)爬壁機(jī)器人的控制靈活性問題，本文提出了基于差值的爬壁機(jī)器人軌跡跟蹤控制器。首先對(duì)爬壁機(jī)器人的非線性動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解耦和線性近似，然后利用基于差值的軌跡跟蹤算法，根據(jù)狀態(tài)反饋和軌跡期望值計(jì)算電機(jī)所需的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人軌跡跟蹤控制。仿真結(jié)果表明，軌跡跟蹤控制器能夠快速穩(wěn)定的跟蹤期望軌跡，可以很好地