传统的钢结构建筑监测方法存在检测耗时耗力、检测不全面、不准确的问题,因此本文将一种磁吸附式柔性探伤机器人用于钢结构健康监测工作。这种柔性探伤机器人拥有前后两个车体部分,每个车体具有两个强力的磁轮,通过差速方式驱动,前后车体使用可弯曲变形的柔性钢带连接。这样的结构使得机器人具有翻越各种空间结构障碍的能力,通过搭载相关仪器检测钢结构的不同部位。探伤机器人是具有特殊结构和功能的移动机器人,轨迹跟踪控制是它的一个基本任务也是研究的关键。本文基于柔性机器人的结构特点和柔性钢带的力学分析提出了柔性探伤机器人的轨迹跟踪误差模型。基于该系统模型设计了一种新型的改进滑模控制器,解决了钢结构探伤机器人在轨迹跟踪控制中存在的控制结构复杂,跟踪速度不快和跟踪精度不足的问题。本文研究工作和成果如下:1.首先从柔性探伤机器人的结构特点角度对机器人的运动形态进行分析,将前后车体分别视作是两轮驱动的移动机器人,再根据非完整性约束建立其运动学模型。柔性机器人的特点在于连接前后车体的钢带具有柔性。根据弹性力学理论对钢带形变和前后车体的运动之间的关系进行分析,基于欧拉伯努利梁方程建立柔性机器人前后车体之间的速度约束方程,进一步结合移动机器人运动学模型和速度约束方程建立柔性机器人整体的轨迹跟踪误差模型。2.针对柔性探伤机器人的轨迹跟踪控制问题,分析得出探伤机器人系统是多输入多输出的复杂耦合系统,提出使用滑模控制方法来实现机器人轨迹跟踪。首先利用Backstepping设计方法,设计了基于传统滑模趋近律的轨迹跟踪控制器。然后基于对传统滑模趋近律缺点的分析,提出一种改进的滑模趋近律,利用此滑模趋近律设计新的轨迹跟踪控制器。接着对改进的滑模控制器进行稳定性分析,验证了控制器的稳定性。将轨迹跟踪控制器输出的机器人前后车体线速度和角速度控制量解耦后得到前后车体驱动轮的转速控制量,之后使用数字PID调节器控制驱动轮的转速,最终实现机器人轨迹跟踪控制。3.以ATMega128高性能处理器为核心组建探伤机器人的控制系统硬件平台。针对柔性机器人的特点,提出前后车体分别搭载控制系统电路板的方案,构建了各个功能模块的框架图。机器人控制系统主要包括核心控制模块、输入输出模块、电源模块和无线通信模块。依据控制系统的原理图绘制了PCB,加工制作了电路板实现机器人控制系统。4.分别以基于传统趋近律的滑模控制器和基于改进趋近律的滑模控制器进行柔性探伤机器人的轨迹跟踪仿真。对比分析两者的仿真结果,结果表明改进的滑模控制器能够实现柔性探伤机器人轨迹跟踪,并且更加稳定,跟踪速度更块,跟踪精度更高,控制性能更好。以设计的控制系统为基础搭建钢结构探伤机器人的样机实验平台,并在此平台上验证了数字PID轮速控制器的有效性。