基于钩爪的爬壁机器人建模与控制方法

磁吸附、真空吸附和仿生干吸附等吸附方式已广泛应用于爬壁机器人，但对于斜拉桥索塔、高架桥桥墩的混凝土、水刷石等多孔或粗糙的壁面目前尚未出现较好的吸附方法。针对该情况，本申请在分析复杂壁面微小突起与微型钢钩相互作用机理的基础上，研究抓取钩爪模块的设计方法，进行力学分析，建立微型钩爪抓取墙壁突起的基本理论；研究机器人抓取力的控制方法，应用神经网络逆控制方法对机器人进行解耦控制；进而设计出基于微细尖小抓取钩爪的爬壁机器人方案，满足普通壁面和特殊环境复杂粗糙曲面的爬升要求。 为提高机器人的抓取稳定性，拟对机构的抗倾翻、抗扭转特性进行研究，为机器人样机的性能优化提供依据，并对高空风载等安全性能进行实验。该项目的研究成果为粗糙壁面提供了一种可靠稳定的吸附方式，也为斜拉桥索塔等高空建筑的自动化检测工作奠定了基础。

针对粗糙混凝土或不可预测的复杂粗糙硬壁面，如斜拉桥索塔、高架桥桥墩的混凝土、水刷石等多孔的壁面，提出了一种基于抓取钩爪的吸附方法。首先，针对壁面的复杂形貌，提出了表征壁面粗糙特征信息的有效参数；对壁面微凸体进行了形状分析，分成半球体，锥体和立方体，建立了微凸体的形状参数与壁面特征参数之间的联系；在分析微型尖钩与复杂壁面微小突起相互作用力的基础上，建立了微型尖钩与壁面微凸体的相互作用机理模型，得到了尖钩顶端尺寸与墙壁特征参数、尖钩与壁面的摩擦因数和机器人设计接触角之间的函数关系。应用套索驱动和软轴驱动尖钩的抓取方式，设计了钩爪抓取式爬壁机器人和蠕动运动方式两种机器人爬升模型。针对弹簧抓取的钩爪模型和连杆驱动的钩爪模型，分析了上、下钩爪的自锁条件；将微型尖钩的受力模型简化为一个弯曲的悬臂梁，分析了微型尖钩与墙壁表面微凸体的相互作用机理，分三种情况讨论尖钩抓取的失效形式，研究了尖钩端部尺寸的设计原则，并对机器人进行了运动学分析，为尖钩的力控制提供了理论依据。设计了四足爬升机器人的运动步态，研究了机器人抓取力的控制方法，对机器人的抓取力进行控制，应用模糊神经网络控制方法对机器人进行解耦控制；使钩爪在抓取墙壁的同时，壁面的粗糙突起提供给机器人一个指向壁面的“吸力”，增加了壁面对机器人的约束，满足了普通壁面和特殊环境复杂粗糙曲面的爬升要求，提高了机器人的抓取稳定性。以四边形机构驱动模型为基础设计了爬升机器人本体结构，实现单个钩爪对墙壁表面微凸体的周向抓取，提高机器人运动的稳定性，并设计了实验系统，机器人振动测试平台，对机器人进行实验，初步结果表明了机器人的钩爪抓取稳定。对所提出的柔性机构的抓取稳定特性进行了研究，验证了钩爪式吸附方式的可行性。该项目的研究成果为粗糙壁面提供了一种可靠稳定的吸附方式，也为斜拉桥索塔等高空建筑的自动化检测工作奠定了基础。