船舶爬壁机器人力学分析及运动控制研究

发布时间：2017-11-10 06:35

本文关键词：船舶爬壁机器人力学分析及运动控制研究

【摘要】：船舶爬壁机器人可替代人工完成船体检测、喷漆、除锈等任务,能够提高工作效率,降低高空作业风险,还能够在人力不便到达的特殊环境中工作。船舶爬壁机器人工作过程要求既稳定又灵活,本文围绕这两大问题进行研究。针对爬壁机器人的静力学稳定性,本文首先分析永磁履带爬壁机器人的结构特点和壁面受力情况,为便于受力分析,提出了一种载荷分布系数新定义,建立了爬壁机器人的静力学模型、直线运动模型及转弯运动模型。然后,对永磁铁吸附力、电机所需转矩、壁面倾角、载荷分布系数的相互关系,以及壁面受力进行了理论推导和数值仿真。仿真结果表明,永磁铁吸附力主要决定于履带载荷分布系数和壁面倾角,电机所需转矩主要决定于磁铁吸附力和壁面倾角。针对爬壁机器人的动力学稳定性,本文首先利用拉格朗日第二类方法,建立爬壁机器人的广义坐标系,然后分析机器人的非完整约束动力学方程,通过计算得到爬壁机器人在壁面运动的动力学模型,最后进行数值仿真和样机实验。仿真时引入直流电机模型,以电机电压为输入量,位置坐标和方向角为输出量,得到爬壁机器人转弯运动和直线运动轨迹。结果表明,数值仿真与样机实验相吻合,证明了此动力学模型的正确性。针对爬壁机器人的控制灵活性问题,本文提出了基于差值的爬壁机器人轨迹跟踪控制器。首先对爬壁机器人的非线性动力学模型进行解耦和线性近似,然后利用基于差值的轨迹跟踪算法,根据状态反馈和轨迹期望值计算电机所需的输出转矩,实现爬壁机器人轨迹跟踪控制。仿真结果表明,轨迹跟踪控制器能够快速稳定的跟踪期望轨迹,可以很好地实现爬壁机器人的轨迹跟踪控制要求。本文在理论研究基础上,制作完成了一套永磁吸附履带式爬壁机器人样机,而且对机器人的吸附性能、转向灵活性和动力学模型进行了实验测试。实验表明:本文进行的爬壁机器人静力学、动力学分析方法及建模方法的正确性;通过增大载荷分布系数,还能够在保证移动灵活性的前提下,提升爬壁机器人壁面吸附的稳定性。上述结论可以为船舶爬壁机器人的结构设计及控制算法优化提供理论依据。
【学位授予单位】：浙江海洋学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242

【参考文献】

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