水冷壁爬壁机器人运动控制研究

作     者：张华胜 

作者单位：常州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：俞竹青;李梅宏

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：爬壁机器人 永磁吸附 力学特性 路径控制 模糊PID 

摘      要：随着技术的更新发展,水冷壁管的检测开始向智能化方向发展。最初的检测技术是通过人工携带检测装备,搭建脚手架攀爬进行检测。这种方式工作效率低下,费时费力且存在极大的安全隐患。目前,在高空壁面的清洗、喷漆和探伤等方面,爬壁机器人取代人工进行作业成为研究的热点,因其智能化、高效化和安全化的特点越来越受到研究人员的重视。因此,本文针对水冷壁管的特性,研制出了一套智能检测爬壁机器人,并对其运动控制进行研究,确保爬壁机器人工作更加安全可靠。在查阅大量国内外的相关资料的前提下,结合本文研究的爬壁机器人的工作环境水冷壁的特性和功能需求,对其基础结构和控制系统两部分进行方案研究。在结构方面,从吸附、行走和驱动三方面对爬壁机器人结构方案进行比较分析,确定永磁吸附、履带行走和电机驱动的方案,在此基础上,运用三维软件Solidworks对爬壁机器人的基础结构进行设计建模;在控制系统方面,结合实现的功能需求,采取上—下位机的控制系统方案。为了确保爬壁机器人能够安全可靠地吸附在水冷壁面上且能够稳定爬行,在建立其受力模型的基础上,分别从壁面静力学和动力学两方面进行力学特性分析。在静力学方面,分析静止吸附过程中主要会出现的三种壁面失效现象,包括沿壁面下滑、绕底端倾覆以及沿壁面下滚,得出安全吸附所需的吸附力大小;在动力学方面,通过比较上下链轮驱动时履带张力的影响,确定采用下链轮驱动方式,对爬壁机器人沿壁面向上和向下爬行两种状态进行动平衡分析,得出下链轮驱动所需的驱动力矩范围。为了实现爬壁机器人爬行检测的功能和运动控制的目的,对其控制系统进行研究。在系统硬件部分,分别对系统的四个主要模块包括主控电路模块、通讯模块、爬行驱动模块和检测模块进行分析设计;在系统软件部分,采用上-下位机两级控制方式,通过Keil u Vision4软件对下位机控制流程进行程序的编写。最终对爬壁机器人样机进行实验,验证其运动控制的有效性和可靠性。对爬壁机器人运动控制过程中可能出现的运动路径偏差,建立运动模型进行分析,提出基于自适应模糊PID的运动路径控制方法,在掌握算法基本原理的基础上,设计针对本文的控制器,通过MATLAB软件仿真,分析验证控制器的控制效果。本文完成了对水冷壁爬壁机器人整体结构和力学特性的研究分析,同时对运动控制系统进行硬件设计和软件的编程,研发出了爬壁机器人的样机,并进行了现场的实验验证,对运动过程中出现的路径偏差进行了深入的研究,提出了相应的运动路径控制方法,通过仿真验证了算法的有效性。