飞机蒙皮检测机器人热力转换与振动的映射机理及实验研究

针对前期研究中出现的检测信号失真、运动载体振动等实验现象，结合理论分析和原型系统设计提出科学问题，重点关注机器人运动平稳性和吸附可靠性之间的内在联系，揭示机构振动与负压吸附热力转换之间的映射机理，开展飞机蒙皮检测机器人振动与热力学特性研究。主要包括：分析预应力及转速变化对振动模态的影响，研究探讨叶轮旋转与非完整约束底盘移动的动态耦合特性；研究建立负压吸附系统的热力学模型，归纳总结不同模式下底盘驱动与吸盘吸附的协调控制规律，将机器人振动模型与热力学模型相结合，研究二者的映射机理；研究分析检测信号失真与运动载体振动的关系，采用主动控制策略，提出机器人可靠吸附和平稳运动的协调控制方法；构建数字仿真平台和物理原型系统，开展面向复杂应用环境的实验研究。为飞机蒙皮检测机器人系统创新设计、解决关键技术奠定理论基础，为促进航空安全检测的技术创新探索新途径。

飞机蒙皮结构的疲劳断裂和腐蚀破坏是造成空难事故的一个重要原因，定期对飞机蒙皮进行检测是保障航空安全的一个重要手段。随着无损检测和移动机器人技术的发展，飞机蒙皮检测机器人正成为机器人在航空领域应用研究的一个新热点。作为检测设备的移动载体，飞机壁面爬行机器人在作业时常会出现异常的振动。这种振动主要源自于负压吸附系统：一方面，风扇转动会将吸盘腔内的空气排出，产生使机器人吸附于飞机蒙皮表面的负压力。这与负压吸附系统的热力学特性相关；另一方面，风扇转动也会产生激振力，影响运动的平稳性，造成检测信号失真。这与机械系统的振动特性相关。本项目将理论研究与原理样机实验相结合，探索系统振动与热力转换的映射机理，开展飞机蒙皮检测机器人的振动与热力学特性研究，取得的主要成果如下：（1）研究建立了负压吸附系统的气动热力学模型，仿真分析了影响吸附性能的主要因素，提出了机器人专用离心风扇的设计方法；研究分析了引起系统振动的内外部因素，基于ADAMS仿真分析了负压吸附关键部件刚度和装配方式对系统振动的影响，研究提出了机器人运动与系统振动的关系模型；基于有限元方法分别对整机、负压吸附系统和离心风扇进行了模态分析，得到了预应力加载前后的振型和固有频率，为系统设计提供了依据。（2）利用变换矩阵将基本运动模式关联起来，引入附着面倾角，构建了机器人复合运动模式的运动学模型；针对复合运动模式逆运动学求解中的多解问题，研究提出了一种基于吸附安全性考虑的求解优化方法；基于运动等效原则和牛顿-欧拉方法建立了机器人动力学模型，将吸附力分析与动力学分析相结合，以打滑、倾覆等临界状态为约束函数，研究提出了机器人动态吸附过程的安全性条件。（3）针对机器人运动过程中的姿态平稳控制问题，基于倾角反馈，研究提出了控制律切换与死区抑振相结合的底层控制器设计方法；分析了多点测距的坐标变换关系，研究提出了在笛卡尔空间下检测探头调姿的模糊控制方法。将理论方法研究与原型物理样机实验相结合，对研究中提出的相关理论方法进行了试验验证。（4）本项目实施过程中，在国际期刊和重要的国际会议(IROS、ICIA等)上发表(含已录用)论文6篇，在国内核心期刊上发表(含已录用)论文3篇。申请国家发明专利1项。培养研究生4名，项目组通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问等方式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。