微小型尺蠖式壁面移動(dòng)機(jī)器人的研究.pdf

1、壁面機(jī)器人具有附著于墻壁并攜作業(yè)工具移動(dòng)的能力，能夠在特殊、危險(xiǎn)環(huán)境下替代人完成相關(guān)作業(yè)任務(wù)的功能，主要用于壁面清洗、橋梁檢測(cè)、核電站維護(hù)、船體噴漆及噴砂、航天器表面檢測(cè)、石化儲(chǔ)油罐的探傷等應(yīng)用領(lǐng)域，近年來(lái)擴(kuò)展到反恐偵察領(lǐng)域，可用于飛機(jī)及樓宇的反恐偵察等。反恐應(yīng)用要求機(jī)器人具有較高的隱蔽性及運(yùn)動(dòng)靈活性，而微小型機(jī)器人具有隱蔽性強(qiáng)、功耗低及噪聲相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，尺蠖式機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，因此微小型尺蠖式壁面移動(dòng)機(jī)器人在反恐環(huán)境下具有很

2、好的應(yīng)用前景，開展該方面的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值及社會(huì)意義。
　　通過(guò)結(jié)構(gòu)形式比較分析，研制成功一種5自由度尺蠖式壁面移動(dòng)機(jī)器人，具有2個(gè)踝關(guān)節(jié)和1個(gè)膝關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)的末端固連智能吸附足，真空泵集成于吸附足內(nèi)。其踝關(guān)節(jié)通過(guò)結(jié)構(gòu)緊湊的差速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，膝關(guān)節(jié)具有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，該結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人具備蠕動(dòng)、翻轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)等多運(yùn)動(dòng)方式和壁面過(guò)渡的能力。機(jī)器人集成了MEMS加速度、壓力、光纖觸覺、紅外接近等

3、足端傳感器，研制了以TI公司的低功耗TMS320F2810 DSP為主處理器、ADI公司的ADuC842單片機(jī)為足部傳感系統(tǒng)前端處理器及ST公司的L293DD為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的嵌入式驅(qū)動(dòng)控制器，采用藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與遙控終端間的通訊，由鋰離子聚合物電池提供能源，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的無(wú)纜化。
　　由于微小型機(jī)器人負(fù)載能力較低，攜帶能源有限，為提高機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間應(yīng)降低機(jī)器人的能耗；同時(shí)由于尺蠖式壁面移動(dòng)機(jī)器人特定的交替吸附步態(tài)，使

4、得單個(gè)步態(tài)周期中單吸盤吸附時(shí)間比重大，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中吸盤所受載荷將影響到機(jī)器人的吸附可靠性。為此在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及真空吸盤數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以時(shí)間、能耗及吸盤平均載荷為目標(biāo)，提出了引入懲罰機(jī)制的二次定標(biāo)遺傳算法，進(jìn)行機(jī)器人關(guān)節(jié)軌跡多目標(biāo)優(yōu)化，改善了算法的搜索性能，提高了收斂速度，同時(shí)考慮到關(guān)節(jié)軌跡之間的強(qiáng)耦合性，采用多參數(shù)串行編碼策略，對(duì)關(guān)節(jié)軌跡參數(shù)進(jìn)行編碼，改善了基因性狀，最終得到了優(yōu)化的關(guān)節(jié)軌跡。
　　機(jī)器人采用半自主控制

5、方式，上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通訊系統(tǒng)發(fā)出任務(wù)指令，嵌入式控制器基于有限狀態(tài)機(jī)自主規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的步態(tài)，機(jī)器人通過(guò)吸盤的交替吸附及關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線或轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人在吸盤交替吸附過(guò)程中，由于各種誤差累計(jì)，導(dǎo)致吸盤與壁面之間的對(duì)準(zhǔn)相對(duì)困難，采用基于事件的吸盤自調(diào)整方法加快了吸盤的對(duì)準(zhǔn)速度。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)環(huán)境為水平面、斜面、豎直壁面、天花板等，重力對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)軌跡跟蹤影響很大，因此采用了帶重力補(bǔ)償?shù)哪：刂破鬟M(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)伺服控制方法，改善了關(guān)節(jié)軌