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。

为实现微型易碎、不规则物体的稳定抓取,结合软体材料的柔顺性和鸟喙结构抓取的准确性,提出一种仿鸟喙微型气动软体机械手爪,该机械手爪不仅具有一般软体手爪良好的环境适应性,而且结构更加简洁,对微型物体尤其适用。利用Yeoh本构模型和Ansys软件,对手爪的弯曲特性做了有限元仿真,并根据仿真结果进行变壁厚和局部填充的优化。对优化后的手爪进行了弯曲特性、抓取力测试试验和适应性试验,验证了仿鸟喙微型气动软体机械手爪的可行性。

建立拆楼机械臂的模型,确定机械臂的危险工况,并针对此工况进行静力学分析。根据分析结果,以轻量化为目标对机械臂进行拓扑优化;基于拓扑优化结果,结合实际制造工艺,对机械臂结构进行优化。优化结果表明:机械臂的质量减少了31.9%;与此同时,机械臂的强度刚度均满足要求,为拆楼机的研发提供了参考。

为了提高刚柔耦合机械臂的运动精度,抑制由柔性关节引起的振动。根据＂线性扭簧模型＂和有限元法,推导出机械臂柔性关节和杆件的动力学模型,找寻刚柔耦合机械臂关节阻尼参数与末端振动位移的关系。确定关节阻尼取值范围并将其作为设计变量,设计目标为机械臂的末端振幅,进行优化。使用ADAMS对已建立关节阻尼优化设计模型的刚柔耦合机械臂进行优化设计,得到最小振幅时最优阻尼。对比并分析机械臂高速和低速两种工况下的结果,并对机械臂进行附加强迫振动分析。验证了柔性关节对高速和低速机械臂末端运动精度均有不可忽略的影响,为带有柔性关节机械臂抑制振动,提高精度提供理论依据。

建立了6自由度工业机器人的有限元模型，通过对该有限元模型进行模态分析和谐响应分析，得到模态参数、振动位移和应力云图，确定了影响工业机器人动态性能的关键模态频率和薄弱环节应力，并以此作为优化目标，对主要结构参数进行灵敏度分析，得到对频率和应力敏感而对质量影响不大的结构参数，从而确定工业机器人动态优化的设计变量。最后，以灵敏度分析得到的结构参数为设计变量进行优化设计，得出了最优方案。分析表明，经过该动态优化方法，工业机器人质量仅增加0.3%，薄弱环节最大等效应力降低了22.8%，一阶固有频率增长了8.5%，保证质量基本不变的前提下，改善工业机器人结构的动态特性和力学性能，为工业机器人动态优化设计提供理论依据。