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爬壁机器人系统的Noether对称性和守恒量

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力学学报 2022年第6期54卷 1680-1693,I0004页

作者：傅景礼陆晓丹项春山东外事职业大学信息与控制工程学院山东威海264504 浙江水利水电学院机械与汽车工程学院杭州310018 浙江理工大学数学物理研究所杭州310018

爬壁机器人的运动是一种模仿壁虎爬行的运动,爬壁机器人的运动可分解为四肢带动身体的运动,先前的研究都是基于牛顿力学的方法.本文采用Lagrange力学的方法建立爬壁机器人系统的运动方程,并运用Lie群分析方法建立该系统的Noether对称性... 详细信息

爬壁机器人的运动是一种模仿壁虎爬行的运动,爬壁机器人的运动可分解为四肢带动身体的运动,先前的研究都是基于牛顿力学的方法.本文采用Lagrange力学的方法建立爬壁机器人系统的运动方程,并运用Lie群分析方法建立该系统的Noether对称性理论,得出爬壁机器人的运动规律.首先,给出非完整爬壁机器人系统的动能、势能和Lagrange函数以及所受的非完整约束,从而建立了非完整爬壁机器人系统的Lagrange方程;其次,引入关于时间和广义坐标的无限小变换,提出了非完整爬壁机器人系统的Hamilton作用量和Hamilton作用量的基本变分公式;第三,给出爬壁机器人系统Noether对称性变换和广义准对称变换的定义,判据和存在的Noether守恒量,并提出了非保守完整系统和非保守非完整爬壁机器人系统的Noether定理;最后,以圆锥面上爬壁机器人为例,对给出的守恒量直接进行积分给出圆锥面上爬壁机器人整体运动的精确解和四肢运动的数值解,发现了该爬壁机器人的运动规律,很好地验证了非完整爬壁机器人系统的Noether对称性理论.本文的研究为Lie群分析方法应用于其他复杂的机器人系统以及柔性机器人系统的对称性求解提出了一种新的对称性求解方法.

关键词：爬壁机器人诺特对称性拉格朗日函数运动规律

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爬壁机器人焊缝高效修形技术研究

机械工程学报 2023年第9期59卷 12-19页

作者：陈咏华孙振国张文陈强清华大学先进成形制造教育部重点实验室北京100084 浙江清华长三角研究院嘉兴314006

针对大型容器建造过程中焊缝余高打磨效率低、质量不稳定、自动化程度低等问题,首先应用力学原理探讨了加工力大小及方向对爬壁式焊缝修形机器人影响,优化了爬壁机器人焊缝修形刀具姿态等条件。在此基础上进一步通过切削反力及修形效率... 详细信息

针对大型容器建造过程中焊缝余高打磨效率低、质量不稳定、自动化程度低等问题,首先应用力学原理探讨了加工力大小及方向对爬壁式焊缝修形机器人影响,优化了爬壁机器人焊缝修形刀具姿态等条件。在此基础上进一步通过切削反力及修形效率的建模分析,提出了一种适用于爬壁机器人的焊缝修形“锉铣”新技术,设计并研制了相应的“锉铣”刃具和焊缝修形爬壁机器人系统;实验结果表明,机器人系统能对焊缝余高进行高效切削,且加工质量优于国家和行业标准的相关规定,同时还较传统加工方法显著改善了生产环境。

关键词：爬壁机器人焊缝修形力学分析切削刀具

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爬壁机器人悬摆式磁吸附机构的设计与优化

工程设计学报 2023年第3期30卷 334-341页

作者：张栋杨培黄哲轩孙凌宇张明路河北工业大学机械工程学院天津300130

为了解决爬壁机器人壁面适应能力差、运动灵活性低等问题,分析了现有爬壁机器人磁吸附机构存在的不足,并以轮式爬壁机器人为研究对象,根据爬壁机器人的功能要求,设计了一种壁面自适应悬摆式磁吸附机构。通过Ansoft软件对悬摆式磁吸附机... 详细信息

为了解决爬壁机器人壁面适应能力差、运动灵活性低等问题,分析了现有爬壁机器人磁吸附机构存在的不足,并以轮式爬壁机器人为研究对象,根据爬壁机器人的功能要求,设计了一种壁面自适应悬摆式磁吸附机构。通过Ansoft软件对悬摆式磁吸附机构和传统磁吸附轮进行了对比分析。为了进一步减小磁吸附机构的质量,同时提高其吸附可靠性,基于高磁能利用率的目标,采用SNLP(sequential non-linear programming,连续非线性规划)算法对悬摆式磁吸附机构的结构参数进行优化,优化后磁吸附机构的吸附力增大了25.52%。研制了悬摆式磁吸附车轮样机,开展了吸附力测试实验和卸磁实验,并将其安装在爬壁机器人上,开展了运动性能测试实验,验证了磁吸附机构结构参数优化结果的合理性和结构设计的实用性。研究结果为提高爬壁机器人的工作性能提供了参考。

关键词：爬壁机器人悬摆式磁吸附机构磁路仿真分析参数优化

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爬壁机器人磁黏附模块设计分析与参数优化

工程设计学报 2024年

作者：杨培张明路孙凌宇河北工业大学机械工程学院

作为磁吸附式爬壁机器人的关键部件，磁黏附模块的结构通常会影响机器人的总体重量及黏附稳定性。针对磁黏附模块磁路耦合关系复杂、优化设计困难等问题，结合仿真技术、代理模型、蜣螂优化算法提出了一种磁黏附模块结构优化方法，这有... 详细信息

作为磁吸附式爬壁机器人的关键部件，磁黏附模块的结构通常会影响机器人的总体重量及黏附稳定性。针对磁黏附模块磁路耦合关系复杂、优化设计困难等问题，结合仿真技术、代理模型、蜣螂优化算法提出了一种磁黏附模块结构优化方法，这有助于提高磁力计算和优化设计过程的效率。介绍了爬壁机器人的概念设计，并通过对比现有Halbach阵列磁路模式，得到三磁路模式具有相对较高的黏附效率。基于初设参数对虚拟仿真模型进行了实验验证，为后续代理模型的建立奠定了基础。建立了以机器人黏附稳定性和结构参数为约束，以磁黏附模块轻量化为目标的优化模型。采用最优拉丁超立方、Ansys参数化建模及代理模型技术建立了磁力与磁黏附模块结构参数之间的四阶响应面代理模型，并对其可信度进行了验证。利用蜣螂优化算法对优化模型进行求解。结果表明，建立的代理模型预测误差很小，能够较好的表达磁力与参数之间的关系，优化后的磁黏附模块重量减小了12.7%。最后，通过机器人负载实验验证了优化过程的正确性。

关键词：爬壁机器人磁黏附模块代理模型参数优化磁路仿真分析

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爬壁机器人翻越焊缝过程动力学建模研究

农业机械学报 2020年第12期51卷 377-383页

作者：朱世强高振飞宋伟杜镇韬李存军郑妙娟浙江大学海洋电子与智能系统研究所舟山316021 之江实验室杭州311121 西南交通大学轨道交通运维技术与装备四川省重点实验室成都610031 舟山市质量技术监督检测研究院舟山316021

用于远洋渔船外板除锈的爬壁机器人在进行壁面作业时需要翻越焊缝,采用充气轮的爬壁机器人在翻越焊缝后会出现轮胎压缩量的减小,导致磁铁气隙增大、磁铁吸附力减小,从而削弱爬壁机器人的负载能力,降低了壁面行走可靠性,为此对爬壁机器... 详细信息

用于远洋渔船外板除锈的爬壁机器人在进行壁面作业时需要翻越焊缝,采用充气轮的爬壁机器人在翻越焊缝后会出现轮胎压缩量的减小,导致磁铁气隙增大、磁铁吸附力减小,从而削弱爬壁机器人的负载能力,降低了壁面行走可靠性,为此对爬壁机器人翻越焊缝的动力学过程进行研究。首先,将驱动轮轮胎简化为弹簧阻尼器,建立爬壁机器人翻越焊缝过程的动力学模型,并将驱动轮的翻越焊缝过程划分为不同的阶段;其次,利用数值方法求解该动力学模型,分析不同胎压下驱动轮翻越焊缝过程中爬壁机器人的运动状态;最后,进行了爬壁机器人翻越焊缝过程试验,结果表明,机器人翻越焊缝过程的试验结果与数值仿真结果基本一致,验证了本文所建动力学模型的正确性与合理性。

关键词：爬壁机器人充气轮磁吸附焊缝动力学建模

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爬壁机器人吸附方法研究综述

机床与液压 2023年第21期51卷 206-216页

作者：杨慧轩刘荣何建东安海明白伟伟内蒙古工业大学航空学院内蒙古呼和浩特010051 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

科技的快速发展与爬壁机器人技术的应用需求使得爬壁机器人获得广泛关注。吸附方法作为爬壁机器人稳定吸附、敏捷运动、提升载荷的关键技术模块,对于提升爬壁机器人的整体性能至关重要,同时吸附方法的改进与提升能够进一步促进爬壁机器... 详细信息

科技的快速发展与爬壁机器人技术的应用需求使得爬壁机器人获得广泛关注。吸附方法作为爬壁机器人稳定吸附、敏捷运动、提升载荷的关键技术模块,对于提升爬壁机器人的整体性能至关重要,同时吸附方法的改进与提升能够进一步促进爬壁机器人的小型化和轻量化。对爬壁机器人现有吸附方法进行了分析和总结,提出并分析了爬壁机器人吸附方式关键技术,包括吸附方式与运动方式的权衡、关键零部件定制化设计、理论分析及仿真分析支撑下的优化设计、新材料的研发与制备工艺流程简化,对爬壁机器人吸附方法小型化、轻量化、大载荷的发展趋势做出展望。

关键词：爬壁机器人吸附方法小型化轻量化

爬壁机器人固定/有限时间滑模轨迹跟踪控制研究

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机械科学与技术 2022年第7期41卷 1085-1094页

作者：赖欣李嘉禾彭天宇张晨蕾王森西南石油大学机电工程学院成都610500

针对轮式爬壁机器人轨迹跟踪精度问题,本文提出一种利用固定/有限滑模变结构算法构建的双闭环轨迹跟踪控制系统。双闭环分别采用外环位置控制器输出期望线速度和内环姿态控制器输出期望角速度,根据爬壁机器人运动学方程和运动学误差方... 详细信息

针对轮式爬壁机器人轨迹跟踪精度问题,本文提出一种利用固定/有限滑模变结构算法构建的双闭环轨迹跟踪控制系统。双闭环分别采用外环位置控制器输出期望线速度和内环姿态控制器输出期望角速度,根据爬壁机器人运动学方程和运动学误差方程分别设计了固定时间滑模和有限时间滑模控制来实现爬壁机器人跟踪轨迹,完成了直线、正弦、圆轨迹跟踪仿真测试。仿真结果表明固定/有限滑模在跟踪精度、收敛速度和收敛时间上优于普通滑模控制,提高了爬壁机器人的跟踪性能。

关键词：爬壁机器人双闭环控制轨迹跟踪固定时间滑模控制有限时间滑模控制

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爬壁机器人发展现状与关键技术研究综述

包装工程 2023年第12期44卷 29-38,117,I0003页

作者：姜泽王珉赵哲李艺超许允斗燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室河北秦皇岛066004 燕山大学图书馆河北秦皇岛066004 燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室河北秦皇岛066004

目的随着爬壁机器人技术的发展,为解决其产品应用化问题,对爬壁机器人的研究进展进行梳理、分析和归纳,讨论未来的发展方向,为设计应用于高危环境和特殊场景的爬壁机器人提供思路和参考。方法将爬壁机器人按移动方式分为履带式、轮式、... 详细信息

目的随着爬壁机器人技术的发展,为解决其产品应用化问题,对爬壁机器人的研究进展进行梳理、分析和归纳,讨论未来的发展方向,为设计应用于高危环境和特殊场景的爬壁机器人提供思路和参考。方法将爬壁机器人按移动方式分为履带式、轮式、足式及混合式,通过文献研究法对不同移动方式的爬壁机器人进行综述;将真空吸附、磁吸附、推力吸附等不同吸附方式的爬壁机器人进行对比,介绍了爬壁机器人自适应技术的研究现状及存在问题;总结并分析了爬壁机器人在工业、军事等领域的发展趋势。结论总结了不同移动方式的爬壁机器人的国内外研究现状,分析了爬壁机器人不同吸附方式的优缺点,归纳预测了爬壁机器人的发展方向。

关键词：爬壁机器人移动方式吸附方式自适应性

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爬壁机器人壁面转向运动滑移研究

中国测试 2023年第10期49卷 140-147页

作者：何媛媛唐东林丁超四川省特种设备检验研究院四川成都610061 西南石油大学机电工程学院四川成都610500 成都工业学院智能制造学院四川成都611730

为实现爬壁机器人在垂直壁面的准确定位和精确运动,提出一种基于激光雷达定位的爬壁机器人绕障滑移修正方法。首先对爬壁机器人进行运动建模和运动学分析,得出激光雷达测量数据坐标转换关系和驱动轮转速与转弯半径的关系;采用里程传感... 详细信息

为实现爬壁机器人在垂直壁面的准确定位和精确运动,提出一种基于激光雷达定位的爬壁机器人绕障滑移修正方法。首先对爬壁机器人进行运动建模和运动学分析,得出激光雷达测量数据坐标转换关系和驱动轮转速与转弯半径的关系;采用里程传感器和倾角传感器相结合的定位方式实现规则矩形障碍物特征点的识别与定位,采用基于激光雷达数据匹配方法实现机器人转向前后定位;对机器人绕障转向滑移情况进行分析,提出机器人滑移修正方法,并计算得出滑移修正参数;最后通过实验对机器人定位及转向滑移修正理论分析进行实验验证,结果表明,向上绕障转向滑移修正误差22.3 mm,向下绕障转向滑移修正误差22 mm。该技术为爬壁机器人壁面转向滑移研究提供相关思路和参考。

关键词：爬壁机器人机器人定位转向滑移修正