双层架构蒙皮检测机器人动力学建模与仿真

双层架构蒙皮检测机器人动力学建模与仿真

飞机结构健康检测技术是保证飞行安全、易于维护、满足高性能航空指标的高科技之一。在1998年，美国卡内基梅隆大学的melsiegee等人开发了一种用于检测飞机身体表面的多吸附真空吸附机器人ifi（一种非离心分离的非离心分离器）。英国伦敦南岸大学开发了ics机器人。近年来，中国也对飞机表面损伤检测机器人进行了研究，并对民营大学开发的十字蒙皮检测机器人进行了验证。南京航天大学开发的双结构飞机覆盖面科健康检测机器人。基于蒙皮检测机器人，飞机表面不断进行更换运动。为了处理吸附和移动之间的运动关系，一般的动态控制方法是不适用于使用的。由于蒙皮检测机器人是后续机器人，其动态分析可以通过机器人的研究成果来分析。钱志源等人建立了双向减速带机器人动态模型的模型。李志海等人对四个驱动滑动框架机器人进行了动态研究。本课题针对所研制的蒙皮检测机器人,研究了切换运动方式下的动力学问题,分析了机器人整体受力,建立了机器人双层动力学模型,设计了切换控制算法并进行了仿真分析,证实了算法的有效性和可行性,为蒙皮检测机器人的结构优化和稳定切换控制提供理论依据.1机器人受力分析本文的飞机蒙皮检测机器人内框有四个吸盘,外框有三个吸盘,采用真空负压吸附方式吸附于飞机表面.机械结构由双框架行走机构和转向机构总共三层机构组成,第一层和第三层架构分别为机器人的外框架和内框架,第二层架构为机器人实现运动的核心架构,其通过滑动轨道和第三层连接,通过中心轴和第一层架构连接;使第一层相对第二、三层可以转动,第一、二层相对第三层可以滑动,滑动和旋转采用电机驱动控制.下面以本文的机器人为研究对象,对飞机蒙皮检测机器人进行受力分析.图1所示为机器人第三层吸附时的整体受力情况,图2所示为机器人外围吸附时的整体受力情况.设世界坐标系为{X,Y,Z},固定于机器人的局部坐标系为{XR,YR,ZR},局部坐标系原点OR位于机器人的几何中心.G为机器人整体所受的重力;Fifl,Fifr,Fibl,Fibr为内围各吸盘的吸附力;FNifl,FNifr,FNibl,FNibr为内围各吸盘受到的支撑力;Fμifl,Fμifr,Fμibl,Fμibr为内围各吸盘受到的摩擦力;FS12为滑动电机对机器人一、二层产生的驱动力;FS3为滑动电机对机器人第三层产生的反驱动力;FT1为转动电机对第一层产生的驱动力;FT23为转动电机对第二、三层产生的反驱动力.图2中:Fof,Fobl,Fobr为外围各吸盘的吸附力;FNf,FNobl,FNobr为外围各吸盘受到的支撑力;Fμof,Fμobl,Fμobr为外围各吸盘受到的摩擦力;FOS3为滑动电机对第三层产生的反驱动力;FOS12为滑动电机对第一、二层产生的驱动力.2机器人运动的限制如图1所示,设机器人速度为v,方向沿XR方向,θ为机器人的转向角.所以可以得到机器人运动过程中的非完整约束方程为:3机器人场的动态分析3.1机器人的运动速度如图1所示,设机器人第一、二、三层质量和整体质量分别为m1,m2,m3和M;第一层的转动惯量为I1;转动电机的转动半径为r2;滑动电机的转动半径为r1;第三层吸附时,第一、二层的运动速度为v1XR;机器人整体的运动速度为vXR;第一层或第三层抬起和落下时,机器人在垂直于壁面方向的速度为vZR;由牛顿-欧拉方程可得动力学模型式中:FNi为内围吸盘受到的总支持力,FNi=FNifl+FNifr+FNibl+FNibr;Fi表示内围吸盘的总吸附力,Fi=Fifl+Fifr+Fibl+Fibr.设,将λ代入(2)式并整理可得式中:设一组辅助矢量v1=[wS,w,wT]T,其中:wS和wT分别为滑动电机和转动电机的角速度;w为虚拟量,且.又有3.2运动速度和固定条件如图2所示,设机器人第二、三层的转动惯量为I23;第一层吸附时,第三层的运动速度为v3XR;机器人整体的运动速度为vXR;第一层或第三层抬起和落下时,机器人在垂直于壁面方向的速度为vZR.由牛顿-欧拉方程可得动力学模型式中:FNo为外围吸盘受到的总支持力,FNo=FNof+FNobl+FNobr;Fo为外围吸盘的总吸附力,Fo=(Fof+Fobl+Fobr).可以将式(5)化为:4李雅普沉积函数设O1为实际机器人的质心,坐标为(x1,y1),O2为期望机器人的质心,坐标为(xd,yd),则机器人的给定轨迹可表示为式中x1d和y1d表示机器人处于O1,O2两个位置时,在局部坐标系中x和y方向的位置误差,可以得到,其中当内围吸盘和外围吸盘分别吸附时,设期望值分别为Xd=[xd,yd,zd,θd,wSd,wd,wTd]T,e1=e2=[x,y]T-[xd,yd]T.利用反步控制法分别设计李雅普诺夫函数为:式中:k1,k2,k3,k4为正定常数;β1=β2=β.经验证:因此,以上设计的控制器满足李雅普诺夫稳定性.设计切换规则为σ=argmin{V1,V2}.仿真结果见图3和图4.机器人结构参数为:m1=4kg,m2=2kg,m3=4kg,r1=0.05m,I1=20kg·m2,I23=30kg·m2,k1=20,k2=60,k3=30,k4=80,xd=0.6sin(πt),yd=-0.6cos(πt),zd=0.5t2,θd=πt,wd=1.机器人初始条件为x0=[0,0,0,π/4,0,0,