首先对钩爪式四足爬壁机器人脚爪在各运动阶段的运动合理性与可行性进行分析,完成了机器人的步态规划;然后根据步态规划方案,选择中央控制器与电机等硬件,完成了机器人控制系统的设计,同时完成了机器人样机的制作;最后对所设计的爬壁机器人的爬升性能进行实验测试,结果表明,机器人能够在粗糙壁面上自主稳定地爬行,验证了机器人控制系统设计的合理性。

针对自然界广泛存在的粗糙壁面应用环境以及现有爬壁机器人抓附结构存在的不足,提出密集阵爪刺式脚爪。对影响密集阵爪刺式脚爪在壁面上抓附性能的各关键参数进行分析与建模,计算出各设计参数的最优值。通过对具有不同设计参数值的脚爪在壁面上所能承受的最大载荷进行对比实验,验证了对于脚爪关键设计参数所建数学模型的正确性及脚爪各设计参数最佳值的准确性。根据实际情况确定各设计参数值,并完成脚爪的制作,进而测定其在抓附壁面的过程中所能承受的最大载荷。结果表明此脚爪所能承受的最大载荷超过400 g。

风力机长期运行状态下易出现翼型表面粗糙度增大的情况,对其气动性能产生一定影响。为了探究粗糙壁面对翼型气动特性的影响,基于壁面函数分布律修正实现粗糙壁面条件计算,通过CFD数值计算方法,针对壁面光滑条件及粗糙条件进行翼型气动特性计算。结果表明,与壁面光滑条件相比,粗糙条件下翼型升力系数降低,失速攻角提前,阻力系数增大,升阻比大幅下降,最优攻角提前,翼型气动性能整体下降。

针对在粗糙壁面和天花板上爬行的应用需求,提出一种仿尺蠖爬壁机器人。机器人采取与尺蠖类似的运动方式,两足交替抓附在壁面上,通过躯体屈曲-伸展动作完成前进、后退、壁面过渡运动。分析了尺蠖腹足对抓的原理,设计了仿生爪刺对抓足;对机器人爬壁过程进行了静力学和运动学分析;研制了机器人样机,并开展了爬壁性能实验测试。结果表明,仿尺蠖爬壁机器人可以实现在粗糙壁面、天花板上爬行,具有壁面间过渡的能力。