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仿尺蠖多模式爬壁机器人设计与控制方法研究
摘要：
随着机器人技术的发展，爬壁机器人越来越受到关注。本文提出一种仿尺蠖的多模式爬壁机器人设计与控制方法，通过分析尺蠖的爬行机理，将其转化为机器人控制策略，实现机器人的五种运动模式控制。实验结果表明，所设计的机器人在多种墙面环境下，均具有很好的爬行性能和智能控制能力。
关键词：尺蠖；爬壁机器人；多模式控制；智能控制
Ⅰ.引言
随着科技的进步和人们的需求，机器人技术与应用日益广泛。在机器人应用领域，爬壁机器人是一种具有较强实用价值的智能机器人。例如在建筑维修、空气管道检测、核电站检测、水利水电设施检测等领域应用广泛，越来越受到人们的关注。
我国机器人研究起步于上世纪70年代，随着机器人技术的不断发展，国内外对爬壁机器人的研究越来越深入。本文以仿尺蠖爬行方式为模型，输入爬行机理，设计出一种多模式控制的爬壁机器人。
Ⅱ.机器人运动模式设计
本文以仿尺蠖的多模式爬行为理论模型，通过分析其爬行机理，将其转化为机器人控制策略，实现机器人的五种运动模式控制，分别为：周期摆动模式、滚动爬行模式、二足行走模式、爬壁模式和挂壁模式。
2.1周期摆动模式控制
周期摆动模式控制是机器人运动的一种基本运动模式，其控制原理主要是通过机械结构不断地改变摆动幅度，从而实现机器人的前进运动和爬行。周期摆动模式控制具有结构简单、适应性强的特点。
2.2滚动爬行模式控制
滚动爬行是机器人爬行行走的一种高效、灵活的运动方式。其控制原理主要是通过滚动轮的逐步滚动，推动机器人轮廓进入到稍微的间隙中，并依靠摩擦力爬行起来。滚动爬行模式控制具有适应性强、通过性好、灵活性高等特点。
2.3二足行走模式控制
机器人采用两个支点来模拟腿部，通过交替摆动机器人腿来实现前进。两个足端的同时接触地面，机器可以通过跳跃、步伐等方式实现前进。其控制原理主要是通过机械结构改变足端支点的位置，实现二足行走。
2.4爬壁模式控制
爬壁模式控制是机器人利用摩擦力在垂直墙面上爬行的一种运动方式。其控制原理主要是通过机械结构和摩擦力，使机器人重力沿着垂直墙面方向下落，并通过摩擦力延伸，从而实现机器人的爬行运动。
2.5挂壁模式控制
挂壁模式控制是机器人利用外力悬挂在墙壁上行走的运动方式。其控制原理主要是通过机械结构悬挂机器人，并通过胸腔和位置控制器分析机器人身体位置，从而实现机器人的挂壁运动。
Ⅲ.爬壁机器人结构设计
为了实现以上五种模式控制，本文设计了一种具有多个机械结构的爬壁机器人，包括机身、摆臂、缘分、滚动轮、二足垂直支点和尾部等部分。其中，爬壁模式控制器是机器人的核心机构，其控制了机器人的重力方向和摩擦方向，以保证机器人在垂直墙面上的稳定性。
Ⅳ.机器人控制及实验结果
本文基于LSR水平线控制器，通过电脑动力和PID控制算法操作来实现了机器人的多模式运动控制实验。机器人能够实现垂直墙面上的稳定爬行，采用了虚拟轮廓技术来进行图像处理，提高了机器人的自主控制能力和反应速度。实验结果表明，所设计的机器人在多种墙面环境下，均具有很好的爬行性能和智能控制能力。
Ⅴ.结论
本文依据尺蠖爬行方式进行仿模，设计出一种多模式控制的爬壁机器人。该机器人采用五种不同的爬行运动模式，能够在多种环境条件下实现爬行和反向控制。实验结果表明，该机器人具有良好的动态控制能力和智能控制能力，具有很好的应用前景。但其机械结构设计还存在一些不足之处，需要改进优化。