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           爬壁機器人   (Wall   Climbing   Robot,WCR)   是一種在壁面環境下作業的自動化機械裝置,可將人從危險、繁重的工作中解脫出來,并能有效降低成本、提高作業效率和自動化水平.根據吸盤的壁面運動特點分類,WCR   可分為帶普通吸盤和帶滑動式吸盤   (Sliding   Suction   Cup,SSC)兩種機構形式.與普通吸盤通過交替吸附方式實現壁面移動不同,SSC與壁面間存在相對滑動,帶   SSC   的   WCR   能連續運動,具有機構簡單、移動靈活、速度快等優點.但SSC吸附力不是越大越好,且易受壁面環境和運動狀態影響,吸附力大小一定程度上決定了該類   WCR   的壁面運動特性.因此,如何設計WCR的運動機構和SSC結構,保證在穩定且可靠吸附的前提下獲得優異的運動性能是研究該類WCR的關鍵問題之一.本文首先針對帶SSC的輪式WCR   (Wheeled   WCR,WWCR),分析了SSC吸附力和WCR自身質量的變化對其運動特性的影響.在此基礎上,為了促進帶SSC的WCR在平面幕墻清洗領域的應用,設計了   WWCR的簡化機構:一種壁面牽引滑動式清洗機器人   (Wall   S1iding   CleaningRobot,WSCR),并和WWCR運動特性和工作能力進行了比較.最后通過對WSCR和WWCR兩種SSC結構負壓吸附特性的對比分析,提出了進行SSC結構設計的指導原則和負壓控制方法.本文主要研究內容如下:   (1)   變SSC吸附力和變質量情況下WWCR的動力學建模.首先建立了純滾動假設條件下基于Routh方程的雙輪差速   WWCR   動力學模型,用來分析在復雜多變的壁面環境下SSC吸附力的波動對   WWCR   運動特性的影響,并可將吸附力作為輔助容許控制變量,調整和改善WWCR的運動性能;進一步將一類自身拖曳電纜或作業原料(如清洗液、油漆)等質量或負荷隨著作業高度和進度發生變化的WCR   (包括WWCR)看作變質量物體,針對質點動力學兩類基本問題,基于變質量牛頓力學建立了WCR的動力學模型.最后建立了變SSC吸附力和變質量情況下WWCR的動力學模型.仿真分析表明,SSC吸附力和自身質量的變化對這一類WCR(包括WWCR)運動特性的影響很大,建立的動力學模型為其運動控制和路徑規劃提供了理論依據.   (2)驅動輪打滑時WWCR的壁面運動特性分析.SSC吸附力相對不足和重力的影響、以及吸附力和質量的變化是造成WWCR經常發生打滑的主要原因.采用增廣廣義坐標轉移法,兼顧驅動輪的縱向和側向滑移,建立了打滑運動學模型;分別基于小參數奇異攝動法和車輛動力學理論建立了打滑動力學模型,并基于滑轉率理論,建立了WWCR的牽引力控制系統模型.仿真算例表明,通過對SSC吸附力和驅動力矩的協調控制,可調節打滑程度,彌補打滑引起的運動軌跡偏移.最后提出了使WWCR能量消耗最小的吸附力最優控制問題.   (3)SSC吸附力變化對WWCR.轉向運動和越障性能的影響分析.轉向能力是體現越障性能的主要方面,首先分析了姿態傾斜的原因,得到了WWCR的轉向運動學和動力學模型.定義了轉向阻力系數、轉向靈活度和外側輪轉向功率系數作為評價WWCR轉向運動性能的指標,為SSC結構參數設計與優化、驅動電機功率選擇和校驗提供了理論指導.針對帶三個SSC的WWCR越障過程進行了動力學分析,考察了可靠越障對SSC吸附力的要求.   (4)提出了一組新穎的平面型玻璃幕墻清洗機器人結構設計原則,據此設計了多種自身無行走驅動裝置并帶有SSC的壁面牽引清洗機器人系統WSCR.WSCR的本體在樓頂卷揚機的牽引作用下,依靠自身重力在保持壁面吸附的同時完成移動和清洗作業.介紹了目前已經設計實現的兩個本體模型、工作流程和機構改進措施,并提出了采用壁面牽引滑動為主、輪式姿態調整為輔運動方式的第三個本體模型;分析了WSCR本體的動力學、從動滾輪打滑、轉向和越障等運動特性,通過實驗測試了自行設計的輪式單SSC的轉向性能,得到了各指標基本隨吸附力線性變化的關系曲線.介紹了WSCR的主從分布式控制系統和兩個本體模型的戶內外試驗情況.現場試驗表明,盡管本體運動自由度有限,但在平面幕墻清洗領域,能避免WWCR運動控制復雜、易受SSC吸附力和質量變化的影響及負載受限等缺點,和其它清洗機器人相比,具有機構簡單、成本低、工作效率高、清洗效果好、實用化程度較高的特點.   (5)SSC的負壓吸附特性分析及其結構優化設計方法.將SSC看作流體管路系統,基于伯努利方程推導了流體流動的能量傳輸方程,得到了負壓與各工作參數的關系式.分別建立了WSCR和WWCR兩種SSC結構的流體模型,得到了在電風機開啟和關閉、越障以及遭遇壁面縫隙時的等效電路和負壓響應,并進行了對比分析.通過實驗得到了WSCR的SSC工作特性曲線,建立了該SSC的理想密封模型.最后分析了SSC結構參數對其負壓吸附特性的影響,得到了SSC及其密封裝置結構優化設計的指導原則以及負壓控制方法,為SSC獲得良好的壁面吸附特性和滑動密封性能提供了依據.