爬壁机器人机电耦合动力学与轨迹跟踪控制研究.pdfVIP

摘要

论文为了扩展履带行走装置在爬壁机器人领域的应用范围，结合国家自然科

学基金项目“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”（No），

设计了一种负压吸附方式与双履带装置相结合的爬壁机器人，并分析研究了该爬

壁机器人机电耦合动态特性以及轨迹跟踪控制方法。分析了任意位姿下爬壁机器

人作业的安全负压区域，建立了爬壁机器人运动装置的运动学、动力学以及机电

耦合模型，分析了无刷直流电机与虚拟样机联合仿真下的动态特性，为爬壁机器

人作业环境进行路径规划并设计运动控制与轨迹跟踪自适应控制算法，并搭建物

理样机进行了验证实验。

首先叙述了国内外爬壁机器人、机电耦合力学以及轨迹跟踪控制等技术的研

究现状，表述了本文爬壁机器人的设计标准，分析了机器人在直行位姿以及任意

位姿下的安全负压，为爬壁机器人安全吸附提供理论依据。

基于履带行走装置的运动特性，建立了爬壁机器人的运动学以及动力学模型，

根据无刷直流电机的工作原理，搭建了基于Simulink的无刷直流电机数学模型，

并且在Recurdyn的环境下搭建了爬壁机器人虚拟样机模型，建立了

Simulink/Recurdyn机电耦合联合仿真模型。基于运动学、动力学模型，编写了

MATLAB程序完成了直行、逆时针转弯以及顺时针转弯下的稳态运动仿真分析；

基于无刷直流电机模型，分析其突加负载下的动态响应特性；基于机电耦合模型，

对直线上行、右下转弯以及右上转弯进行了联合仿真，分析得到了两侧履带速度、

质心速度以及电机参数随时间的变化规律，结果表明机电耦合模型的正确性。

基于栅格法对爬壁机器人作业环境建立模型，用栅格来表示环境中的自由空

间和障碍物，以保证路径避开障碍以及最优为规划原则，应用蚁群算法进行全局

路径规划。为方便操作人员操作机器人工作，设计了爬壁机器人运动控制策略，

并且基于UWB/IMU定位技术设计Lyapunov自适应轨迹跟踪控制器，搭建了爬

壁机器人实验样机，完成了运动控制与轨迹跟踪控制实验，为提高爬壁机器人自

动化提供了参考依据。

关键词：

爬壁机器人，负压吸附，动力学，机电耦合，运动控制，轨迹跟踪

Abstract

Inordertoexpandtheapplicationrangeoftrackwalkingdeviceinthefieldof

wall-climbingrobots,combinedwiththeprojectofNationalNaturalScience

FoundationofChinaElectromechanicalCouplingDynamicsandAdaptiveControlof

Multi-trackWalkingDevice(No,awall-climbingrobotcombining

negativepressureadsorptionmethodanddouble-trackdeviceisdesigned,andthe

electromechanicalcouplingdynamiccharacteristicsandtrajectorytrackingcontrolof

thewall-climbingrobotareanalyzed.Thesafenegativepressureareaofwall-climbing

robotoperationinanypostureisanalyzed,thekinematics,dynamicsand

electromechanicalcouplingmodelofthewall-climbingrobotmotiondeviceis

established,andthedynamiccharacteristicsofthebrushlessDCmotorandvirtual

prototypeunderthejointsimulationi