本文關(guān)鍵詞：船舶爬壁機(jī)器人力學(xué)分析及運(yùn)動(dòng)控制研究

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【摘要】：船舶爬壁機(jī)器人可替代人工完成船體檢測、噴漆、除銹等任務(wù),能夠提高工作效率,降低高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),還能夠在人力不便到達(dá)的特殊環(huán)境中工作。船舶爬壁機(jī)器人工作過程要求既穩(wěn)定又靈活,本文圍繞這兩大問題進(jìn)行研究。針對爬壁機(jī)器人的靜力學(xué)穩(wěn)定性,本文首先分析永磁履帶爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和壁面受力情況,為便于受力分析,提出了一種載荷分布系數(shù)新定義,建立了爬壁機(jī)器人的靜力學(xué)模型、直線運(yùn)動(dòng)模型及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型。然后,對永磁鐵吸附力、電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩、壁面傾角、載荷分布系數(shù)的相互關(guān)系,以及壁面受力進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明,永磁鐵吸附力主要決定于履帶載荷分布系數(shù)和壁面傾角,電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩主要決定于磁鐵吸附力和壁面傾角。針對爬壁機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性,本文首先利用拉格朗日第二類方法,建立爬壁機(jī)器人的廣義坐標(biāo)系,然后分析機(jī)器人的非完整約束動(dòng)力學(xué)方程,通過計(jì)算得到爬壁機(jī)器人在壁面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型,最后進(jìn)行數(shù)值仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。仿真時(shí)引入直流電機(jī)模型,以電機(jī)電壓為輸入量,位置坐標(biāo)和方向角為輸出量,得到爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)果表明,數(shù)值仿真與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)相吻合,證明了此動(dòng)力學(xué)模型的正確性。針對爬壁機(jī)器人的控制靈活性問題,本文提出了基于差值的爬壁機(jī)器人軌跡跟蹤控制器。首先對爬壁機(jī)器人的非線性動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解耦和線性近似,然后利用基于差值的軌跡跟蹤算法,根據(jù)狀態(tài)反饋和軌跡期望值計(jì)算電機(jī)所需的輸出轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人軌跡跟蹤控制。仿真結(jié)果表明,軌跡跟蹤控制器能夠快速穩(wěn)定的跟蹤期望軌跡,可以很好地實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的軌跡跟蹤控制要求。本文在理論研究基礎(chǔ)上,制作完成了一套永磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人樣機(jī),而且對機(jī)器人的吸附性能、轉(zhuǎn)向靈活性和動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)表明:本文進(jìn)行的爬壁機(jī)器人靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析方法及建模方法的正確性;通過增大載荷分布系數(shù),還能夠在保證移動(dòng)靈活性的前提下,提升爬壁機(jī)器人壁面吸附的穩(wěn)定性。上述結(jié)論可以為船舶爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制算法優(yōu)化提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：浙江海洋學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1165503