博士学位论文
轮足混合驱动爬壁机器人
及其关键技术的研究
KEY TECHNOLOGY FOR WHEEL LEG
HYBRID WALL CLIMBING ROBOT
李志海
哈尔滨工业大学
2010 年 10 月
国内图书分类号:
国际图书分类号:
工学博士学位论文
轮足混合驱动爬壁机器人
及其关键技术的研究
博士研究生:李志海
导师:付宜利教授
申请学位:工学博士
学科、专业:机械电子工程
所在单位:机电工程学院
答辩日期:2010 年 10 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
STUDY ON WHEEL LEG HYBRID WALL
CLIMBING ROBOT AND ITS KEY
TECHNOLOGY
Candidate: Li Zhihai
Supervisor: Prof. Fu Yili
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Mechatronic Engineering
Affiliation: School of Meachatronics
Date of Defence: October, 2010
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
爬壁机器人是移动机器人研究领域的一个重要分支,它具有在垂直表面运
动并携带工具作业的能力,在石化、核电站、船舶,以及高楼外壁清洗等领域
得到了广泛的研究和应用,近年来又在侦察、探测、反恐等领域得到了应用研
究,具有重要的理论研究意义和广阔的应用前景。本文以城市环境中高楼建筑
物的检测、侦察为目标,研制了具有地面和壁面运动能力,及地面、壁面过渡
能力的爬壁机器人,并对爬壁机器人的壁面运动动力学、局部避障轨迹规划、
壁面双足运动规划、及双足运动柔顺控制等关键技术问题进行了深入研究。
机器人的运动范围是机器人环境适应能力的重要体现,结合轮式爬壁机器
人和足式爬壁机器人的特点,设计了轮足混合双吸盘爬壁机器人样机。分析了
机器人的工作环境对吸附性能的需求,设计出具有内、外密封圈结构的吸盘,
其具有滑动吸附和静止吸附两种状态。结合轮足切换机构,实现了机器人在轮
式运动方式和双足运动方式之间的切换。在轮式移动方式下,吸盘为滑动吸
附,机器人在平整壁面上实现快速移动;双足运动方式下,吸盘为静止吸附状
态,适用于机器人地壁过渡、越障等运动。分别对机器人在轮式和双足方式下
的安全吸附条件进行了分析,求得机器人任意姿态下安全吸附所需吸附压力。
然后分别对轮式和双足方式下机器人的运动学进行了分析,为机器人的运动控
制打下基础。
机器人以轮式方式在垂直壁面移动时,为四轮驱动状态,由于爬壁机器人
工作于壁面的特殊性,研究其动力学问题对机器人的结构设计和运动控制有重
要意义。分析了四轮驱动方式下机器人在垂直壁面上的运动学约束条件;分析
了动态条件下各驱动轮所受壁面支撑力;通过各驱动轮的转向临界角,分析了
在驱动轮与壁面处于滚动摩擦状态下的横向摩擦力分布;建立了驱动轮摩擦力
与机器人运动状态之间的关系。基于牛顿-欧拉方程,建立了机器人在轮式方
式下的动力学方程。进而建立机器人吸附力安全系数,得到了机器人安全运动
与吸附力之间的关系。并分析了结构参数、密封圈刚度等对驱动力矩的影响。
机器人避障能力是机器人可靠运动的基础,分别对平面内的避障运动和障
碍物环境下的双足运动规划方法进行了研究。针对机器人在平面内的避障运
动,通过建立非接触阻抗力模型,将测距传感器获得的障碍物距离信息,转换
为包含了障碍物与机器人相对移动速度的非接触阻抗力,再通过建立的机器人
与壁面间的阻尼模型,求出机器人的速度修正量,调整机器人的运动速度方
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
向,实现避障。速度量的引入提高了机器人运动的平稳性。针对机器人在壁面
的双足运动,对机器人质心进行了运动学分析,将 ZMP 用于爬壁机器人
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