● 摘要
壁面移动机器人独特而广泛的应用背景，促使该技术逐渐向功能更为强大、工作环境更为复杂的方向发展。这就要求对该类机器人设计中存在的基本的、共性的问题进行系统的理论研究。本文综合了国内外壁面移动机器人的研究成果，对该类机器人的环境特征、附着方式、载体构型以及运动学分析等基本的、共性的问题进行了较深入的研究，结合国家大剧院椭球形壁面的外观特征，以清洗作业为应用目标，设计了轮轨－抓持混合式清洗机器人样机，并对相关问题进行了研究。本文的主要工作内容如下：第一，分别从人工壁面的全局、区域、局部的角度出发，对结构化幕墙表面的几何特征进行了归纳分析，以壁面环境的局部特征为着眼点，提出了壁面几何特征角的概念，在此基础上，结合机器人的受力效果，对附着方式进行了研究，提出了安全性、稳定性的评价方法，对机器人的安全、稳定性和附着方式的关系进行了分析。第二，根据壁面环境的全局几何特征，对壁面移动机器人载体构型进行了研究。针对人工建筑中较为普遍的多层带状区域组成的复杂壁面环境，提出了轮轨－抓持混合式壁面移动机器人的载体构型，并以该类壁面环境的几种特例为作业对象，分析了该载体构型的几种蜕化形式，证明了该机器人载体能够适应多种壁面环境，说明该机器人载体构型具有一定的通用性。第三，结合壁面环境区域几何特征，利用旋量理论对所提出的轮轨－抓持混合式壁面移动机器人的运动进行了全面的分析，建立了相应的运动学模型。并针对曲面的正则特征，将壁面的几何特征参数融入到具有轮式运动特征的机器人运动学模型中，简化了运动学的建模过程，为轮式移动机器人在结构化壁面环境中的运动学建模提供了新的方法。第四，以上述研究理论为基础，结合国家大剧院壁面的外观特征和幕墙的清洗任务要求，设计了轮轨－抓持混合式幕墙清洗机器人；详细讨论了该机器人在复杂幕墙的环境下，其攀爬和清洗功能的实现；对机器人载体中的关键部分进行了分析。第五、对影响机器人安全的关键因素——轨道的机械性能进行全面的测试，测试结果表明所设计的机器人满足该轨道的使用要求；利用所设计的清洗机器人样机进行了运动功能实验，结果证明所提出的壁面移动机器人载体能够满足壁面清洗的功能要求，表明设计原理和理论分析正确。