为减少不确定因素对爬壁机器人工作进程的影响,保障其在面对固定障碍物或移动障碍物时也能规划出最优路线,提出了越障步态数据挖掘下实时路径规划方法。利用蚁群搜索可行路径,通过更新信息素并加入避障策略从蚁群搜索路径中择优出无障碍最优解,同时利用声呐实时探测移动障碍物,使机器人能够动态判断突发障碍并作出有效避让行为,最后利用贝塞尔曲线对规划路径平滑处理,使机器人移动行为更加灵敏减少耗能。实验结果表明,所提算法的规划路径更为平滑,折点较少,算法收敛稳定且迅速,方法有效可行。

钩爪式爬壁机器人是爬壁机器人的分支之一,对粗糙壁面有良好的适应性。介绍了钩爪式爬壁机器人的3种附着方式——勾附、抓附及密集刺抓附,分析了各种设计方案的创新点与存在的不足。讨论了钩爪式机器人设计时需要解决的关键问题,以及爬壁机器人移动机构的发展趋势。最后介绍了钩爪式爬壁机器人的发展趋势。

为了减小履带式爬壁机器人的质量,增强机器人的便携性,满足机器人在极限空间的作业要求,设计了磁吸单元。首先,对磁场理论计算模型进行了分析;其次,借鉴乙型磁路提出了以整个履带单元为整体分析对象的N-S交替排布的磁路型式;再次,借助ANSYS Workbench中的静磁模块对该磁路型式中的磁铁数量、磁铁排布方式等影响因素进行了分析;最后,针对隧道二衬台车养护机器人的要求设计了机器人样机,并进行了试验。试验结果表明,提出的磁路设计型式结构简单、吸附力大,能够有效减小机器人的尺寸和质量,满足面向极限作业空间的履带式爬壁机器人设计要求。

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。

爬壁机器人能够替代人工完成高难度、高风险的高空工程作业,在舰船清洗、液化气罐检测等诸多领域已经得到广泛的应用。基于现代爬壁技术在机器人领域的实际应用,对爬壁机器人的工作原理进行了介绍,分析了真空吸附、磁力吸附、静电吸附、仿生吸附以及攀附式吸附等不同吸附技术的特点,比较了轮式爬壁机器人、履带式爬壁机器人、足式爬壁机器人等多种爬壁机器人移动机构的优缺点。最后,结合火电厂应用环境特点,重点分析了爬壁机器人在火力发电厂的应用案例,探讨了火电厂爬壁机器人的发展趋势,指出复合吸附结构与移动方式是未来火电厂爬壁机器人的发展热点。

为实现工业高空智能化检测,设计了一种磁吸附履带式爬壁机器人,并在此载体上采用分级控制。其中,下位机使用ARM Cortex-M3为内核的32位微控制器驱动比例阀,从而控制气缸气体流量,由采用位移传感器检测移动量并反馈,同时控制系统采用专家PID控制算法,实现对锅炉水冷壁磨损检测机器人的气缸位置定位;上位机对检测结果进行实时监测,并进行处理分析。实验仿真证明该算法提高了系统的气动装置的定位精度,并且结合上位机友好的人机交互界面,有效提高检测效率,使其具有较高的智能化水平。

为完成三峡大坝流道的缺陷检测,设计开发了一种滚动密封结构的履带式爬壁机器人。该机器人以柔性履带作为密封裙实现滚动密封,具备密封结构耐磨性好、通过性和壁面适应性强等特点,而长效稳定吸附是机器人设计的关键问题。基于动力学建模方法,提出了滑移参数等指标作为滚动密封爬壁机器人的稳定吸附条件,用于考察机器人运动状态下、特别是滑移转向状态下的吸附稳定性与运动准确性。通过讨论负压力在内的相关设计参数对机器人滑移与稳定吸附的影响,建立了关键设计参数与机器人吸附稳定性的联系。仿真与实验结果表明,所提的安全吸附条件能够作为开展爬壁机器人运动性能优化设计的理论依据,同时也为建立相应的控制模型提供了参考。

针对大型石油罐罐底与罐壁缺陷的在油检测问题,设计出一种可爬直角壁的四轮四轴液压驱动式磁力吸附爬壁机器人,机器人可在石油罐内实现罐底与罐壁间的双向直角过渡攀爬、90°转向及工作间隙调节等动作。安装于机器人腹部用于其正常行走的磁吸附装置采用45块(6×6×3)cm Halbach阵列布局的永磁铁块;机器人前后两端用于爬直角壁的磁吸附装置使用10块(5×4×4)cm Halbach阵列布局与6块(4×4×2.5)cm普通布局的永磁铁块。将腹部及前后端部磁吸附装置的永磁铁块在Ansoft软件中进行磁吸附力计算,得出合理的磁吸附力与工作间隙。并基于计算结果,用ADAMS软件完成机器人各动作的仿真试验。仿真结果表明,针对大型石油罐缺陷在油检测,该四轮四轴式液压驱动磁力吸附爬壁机器人结构方案是可行的。

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。

爬壁除锈是水射流除锈的重要应用之一。本文研制了以超高压泵机组、真空回收系统为主的水射流爬壁除锈实验平台,并研制了以磁隙吸附为主、气动驱动的磁隙式爬壁除锈机器人,除锈试验表明实验平台除锈参数合理,爬壁机器人除锈效果良好,该实验平台对水射流爬壁除锈成套设备的推广具有参考意义。