55、磁性壁面攀爬机器人的运动仿真与位置控制

磁性壁面攀爬机器人的运动仿真与位置控制

1. 引言

随着全球化趋势，海洋贸易需求不断增长，但许多技术却逐渐落后于时代。大型船舶的喷涂作业目前大多依靠人力完成，存在严重污染、高空作业危险以及劳动强度大等问题。因此，迫切需要一种能适应船舶结构特点、替代人工喷涂的壁面攀爬机器人，以实现自动化喷涂。

壁面攀爬机器人有多种类型，如真空吸附、磁性吸附和混合吸附等。磁性壁面攀爬结构具有运行平稳、适应过载、适用于大型钢结构表面等优点。本文所述的壁面攀爬机器人采用麦克纳姆轮移动机构，能在垂直钢平面上灵活移动，满足喷涂作业要求。与普通四轮机构相比，麦克纳姆轮全向移动机构自由度更高、移动效率更好，能在保持机械姿态不变的情况下向任意方向移动。

然而，当壁面攀爬机器人在垂直平面上水平移动时，由于重力和滚轮打滑，会在垂直方向上有一定下降，影响轨迹精度。特别是在跨越焊缝时，极端情况下机器人一侧会被抬起，导致磁隙增大、磁力减小，使机器人下降更为严重。因此，采用Adams - MATLAB/Simulink仿真技术建立虚拟样机、位置和速度双闭环控制系统模型，以调整壁面攀爬机器人的位置，解决横向移动中的打滑问题，确保机器人轨迹符合要求。

2. 虚拟样机的建立

壁面攀爬机器人的3D模型是一种通过麦克纳姆轮实现的全向装置，由机械臂、磁性装置和特殊轮子组成。

麦克纳姆轮由轮毂和滚轮组成，滚轮沿轮周排列，与轴成一定角度（通常为45°），且能绕自身自由旋转。当滚轮自由旋转时，垂直于滚轮轴的线速度驱动壁面攀爬机器人，这种特殊结构使机器人能够全向移动。

机器人下方的麦克纳姆轮呈矩形排列，4个轮子的轴平行于y轴。这表明机器人可以通过不同的角速度向任