面向焊接任务的轮足式非接触磁吸附爬壁机器人研究

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1、万方数据申请上海交通大学博士学位论文面向焊接任务的轮足式非接触磁吸附爬壁机器人研究专业：机械电子工程博士生：吴明晖导师：赵言正教授上海交通大学机械与动力工程学院2014年6月万方数据Ph．D．DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityRESEARCHoNWALL．CLIMBINGROBoTWITHWHEELLEGANDNoN．CoNTACTMAGNETICADHESIoNMECHANSIMFoRWELD矾GTASKSMajor：Author：Advisor：Electro—mechanicalE

2、ngineeringMinghuiWuProf．YanzhengZhaoSchoolofMechanicalandPowerEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityJune，2014万方数据上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签臼期：嘉睁年

3、万方数据上海交通大学上海父迥大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在——年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密∥’、(请在以上方框内打“、『，’)嚣霹绺争喾翥鬃糌日期：击／勿年匆月箩同日期：厶，争年。∥月?日万方数据摘要面向焊接任务的轮足式非接触磁吸附爬壁机器人研究船舶等大型设备主要由

4、焊接加工而成，其工作量非常大，焊接的效率和质量直接关系到制造的成木和质量。这些大型设备的焊接主要通过搭建支架由工人手工作业完成，其工作环境恶劣，效率低。随着经济的发展，对船舶等大型设备的需求越来越多，目前的生产方式已不能满足发展的需要。因此开发一种能实现大范围爬壁作业的自主焊接机器人，代替人工完成焊接作业，具有重要意义和广阔的应用前景，将会极大地提高我国在大型设备制造上的装备水平。本文在国家863计划项目(NO：2009AA04221)支持下，通过在爬壁机器人的新型机构设计、非接触变磁力吸附技术及永磁吸盘优化设计、机器人壁面运动控制和移动机械手的协调

5、控制等方面进行系统的研究，研制了一套非接触磁吸附轮足式爬壁智能焊接机器人系统样机。主要研究内容如下：1)具有灵活越障和大负载能力的新型爬壁焊接机器人机构研究与设计。以满足大型装备制造过程中全位置自主焊接需求为目标，在深入调研现有爬壁焊接机器人技术的基础上，提出了采用非接触变磁力吸附、轮足式越障、五自由度机械手把持焊枪和视觉传感驱动的爬壁焊接机器人设计方案，研制了具有轮式移动和足式升降越障功能的新型爬壁机器人运动机构；将磁吸附机构与越障升降机构相结合，设计了能主动调节吸附力的新型非接触变磁力吸附机构。实验证明，与现有爬壁机器人相比，新设计的运动机构和吸

6、附机构大大提高了机器人的爬壁负载能力和主动适应环境变化的能力，为实现机器人大范围爬壁作业奠定了基础。2)基于旋量理论的复杂机器人系统建模，移动机械手的可操作性研究。将机器人的移动小车等效成两轮差速移动平台，通过构造虚拟连杆的方法建立了小车的运动学模型，然后建立了5-DOF机械手的运动学模型，在此基础上推导出了机器人系统的整体运动学模型。以机器人雅克比矩阵，的行列式为度量指标，定义了移动机械手的可操作度，对机械手在工作空间中的可操作性和机器人移动对机械手可操作性的影响进行了研究。3)机器人爬壁静力学和动力学建模与分析，壁面运动特性及控制研究。通过建立了

7、壁面吸附的静力学模型，分析了保证爬壁可靠吸附的吸力条件；采用广义坐标表示法，建立了壁面运动的动力学方程，研究了吸附力、壁面倾斜角和机器人姿态等因素与运动阻力和驱动力矩的关系；然后定义了转向灵活性，以其作为机器人运动性能的度量指标，研究了吸附力和转向半径等因素对转向性能的影响，从仿真结果可发现，减小吸附力和增大转向半径能降低运动阻力和提高转向灵活性；最后对万方数据上海交通大学博士学位论文越障过程的步态规划和越障过程控制进行了研究，提出了一种通过调节各吸附机构吸附力，使各车轮负荷均衡的越障过程优化控制方法，从仿真算例可发现通过优化控制，通过合理分配吸附力

8、，减小了总吸附力，达到了降低壁面运动阻力和提高运动灵活性的目的。4)非接触永磁吸盘优化方法研究及设计。磁吸盘