为了实现爬壁机器人永磁吸附单元的可调节性,提出了基于Halbach方形永磁阵列的变磁力间隙吸附结构,将吸附单元与船体壁面之间的间隙作为变量,根据不同的壁面倾角进行实时调整,使吸附力处于最佳值。通过数值仿真和有限元分析研究了各参数(如磁轭厚度、阵列周期、空气隙和磁铁尺寸)对磁吸附力的影响,基于多岛遗传算法的磁吸附单元的结构尺寸参数优化分析,并通过实验验证了仿真值的正确性。结果表明,优化后的磁吸附力和吸附单元体积比优化前提高了近100%,极大提高了磁能利用率;通过对实测值进行曲线拟合,得出吸附力与空气间隙的函数关系,为磁力控制系统提供理论依据。

针对爬壁机器人的壁面行走可靠性问题,结合爬壁机器人的结构特点,设计一种抛弃传统履带差速转向,避免机器人运动过程中转弯,可全向移动的多履带爬壁机器人。对机器人在不同倾角壁面的行走条件进行分析,得到机器人所需吸附力与壁面倾斜角度的变化规律,分析壁面倾斜角度对所需驱动力的影响。通过搭建样机进行附壁行走试验,验证了机器人在“危险角度”上能够可靠吸附,驱动电机提供的实时扭矩,可满足机器人的驱动要求并验证了分析结果的正确性,该分析结果为多履带全向爬壁机器人的设计和优化提供了基础。

爬壁机器人全向移动时,由于平稳性因子较低,难以保障机器人在移动过程中的平稳性,且无法有效地控制机器人。针对目前存在的平稳性差和控制精度低的问题,提出爬壁机器人底盘结构全向移动自主控制设计方法,以爬壁机器人为例,研究全向移动机器人的底盘结构控制,在变换坐标系的基础上构建爬壁机器人的运动学模型;根据运动学模型为全向移动机器人的自主控制提供相关信息,提高控制的精准度。利用卡尔曼滤波器对爬壁机器人的姿态进行解算,对爬壁机器人运动的平稳性进行考虑,利用PID控制算法实现爬壁机器人底盘结构全向移动的自主控制。实验结果表明,所提方法控制的机器人平稳性好、控制精准度高。

根据振动吸附原理设计了一种基于振动吸附法的吸附模块,该吸附模块采用两组相对运动的吸盘结构进行交替吸附,以保证其稳定性。对吸附模块进行了试验验证,结果表明在参数合理的情况下,模块的最大吸力不小于30 N。在此基础上设计了一种小型多关节双足式爬壁机器人,并进行了性能测试,试验结果表明,该机器人可完成直线行走、转弯和面面切换,且能在有一定粗糙度的壁面上稳定行走。

针对船舶脱硫塔壁面附着盐巴清理难、清理环境恶劣等问题,根据需求设计了一种磁吸附履带式盐巴清理机器人的原理样机,帮助工人高效地清理脱硫塔壁面附着的盐巴。基于三维建模软件SolidWorks,建立机器人的三维模型。该机器人由镶嵌有永磁铁的履带、刚刷、电动机和舵机等组成,作业时履带式行走机构吸附在脱硫塔金属壁面上,通过单片机控制传动机构完成清理作业。对该机器人进行静力学和动力学分析,并对机器人进行了静动态安全仿真,为制作工程样机打下基础。

针对爬壁机器人设计了一种新型非接触式的吸盘与吸附面接触状况探测的传感系统,可以有效确定机器人足部吸盘位姿信号,并对吸盘的吸附条件做了分析和探讨;采用C8051F040型单片机来处理超声波测距传感器、倾角传感器和气压传感器的采集信息,通过异步串行方式发送给上位机,由上位机对信息分析计算后控制机器人动作。实验表明,该系统可以实现机器人的可靠吸附和任意夹角的壁面过渡。

根据松毛虫和尺蠖蠕动前行的特点以及仿生学原理,基于模块化思路分别提出了松毛虫和尺蠖爬壁机器人运动学构型.针对两种模型,讨论比较了它们的安全性和可用步态.通过分析松毛虫的蠕动步态和尺蠖步态,发现基于全主动关节驱动的松毛虫模型中存在冗余驱动问题.但由于松毛虫模型具有更多的可用步态,因此比尺蠖模型具有更高的安全性.这两种模型的样机由若干吸附模块和关节模块构成,以验证两种蠕虫机器人的爬壁能力.试验表明由于松毛虫机器人运动时存在冗余驱动,导致吸盘出现侧滑力,同时验证了尺蠖机器人在竖直壁面上的爬壁能力.为了进一步改进尺蠖机器人的吸附能力,采用了一种非对称的运动步态.

设计了一种电磁吸附履带式除锈爬壁机器人,可实现对狭窄立柱、横梁等电厂典型钢结构的高空喷砂除锈并回收砂粒。通过建立爬壁机器人沿钢结构壁面喷砂除锈的静力学模型和动力学模型,推导出爬壁机器人向上爬行的电机启动转矩和工作转矩,为电磁铁和电机的选择提供理论依据。利用MATLAB进行计算仿真,获得机器人不沿壁面下滑时吸附力与静摩擦因数、钢结构壁面倾角的关系,讨论了机器人不发生倾覆时摆臂摆角、壁面倾角对吸附力性能的影响。分析结果表明,当钢结构壁面倾角为21.8°,且静摩擦因数为0.4时,机器人所需的磁吸附力达到最大值。当机器人单侧履带的电磁铁数量为20块时,选择吸附力大于54.37 N的电磁铁安装于履带上,机器人不会出现下滑和倾覆,可以保证机器人爬壁的安全性。

当前对在役球罐进行定期检测时,需在球罐内外搭建脚手架,由人工操作无损探伤设备完成检测。检验人员工作量大,且检测效率低。因此,研制出满足于现场条件的自动检测系统代替人工检测十分必要。本文作者在对国内外爬壁和检测机器人的研究现状进行归纳和总结的基础上,提出了一种适用于大型球罐的爬壁检测机器人。该机器人能够实现宏观视频检测、超声测厚、磁粉检测等功能,能够提高工作效率,降低工人劳动强度,具有较大的应用前景。

针对船舶外板爬壁喷涂的轨迹涂层保护策略,提出了搭载往复喷枪的船舶外板拖涂爬壁机器人设计。从系统角度,全面对该机器人的拖涂爬壁本体系统、供料及漆雾回收防护罩系统、安全防护系统、轨迹规划等进行了总体设计,并分别对每个部分的设计问题进行提炼分析,提出相应的解决方案。这种爬壁机器人设备,能够模拟人工作业,并可以根据双机作业控制流程进行多机联动附壁作业,为机器化在船舶智能制造生产中的实际应用提供了参考。