全向运动球形机器人的设计与实现

论文摘要

球形机器人是一种具有球形外壳并以滚动为主要运动方式的智能机器人,其球状外形使得它具有转向灵活、环境适应性强、运动效率高的优点。因此,该类机器人在军事侦察、环境感知等领域有着广阔的应用前景。现有的球形机器人方案各有千秋,但大都存在着结构复杂、工程实现困难的不足。特别是,转向运动与前进运动的耦合,使得球体内部驱动机构的状态或姿态不确定,加大了控制难度;无外部固定接口或不能在球壳外搭载附件,造成充电与维护困难,并限制各种环境探测传感器或机械手的有效使用,降低了球形机器人的实用性。上述问题在很大程度上限制了球形机器人的推广应用。本文提出了一种结构简单、易于实现、运动控制解耦、维护方便的球形机器人方案。该机器人内部安装有一框架,直线行走装置带动框架使球体重心前后移动从而推动球体直线运动;质量小车在框架上左右移动,使球体重心左右偏移从而实现球形机器人的转向运动。论文的主要工作如下:1)分析了球形机器人的研究现状以及在研究中存在的主要问题。针对国内外几种代表性方案的不足,提出一种新型的全向运动球形机器人设计方案SSR(Smart Spherical Robot)。2)设计了SSR机械结构,并分析其运动性能,进行了运动学和动力学分析和仿真。3)设计并实现了SSR本体控制系统电路,编写了软件程序代码。4)设计实现了基于WSN(Wireless Sensor Network)的SSR无线遥测系统。首先设计了一种可搭载在移动机器人上的运动型WSN,然后进行了基于运动型WSN的SSR无线遥测系统设计。5)开展了本体控制系统实验和无线测控系统实验,验证SSR控制系统和无线测控系统的功能,并进行软硬件综合调试总结。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的设计方案
• 1.3.1 设计方案一
• 1.3.2 设计方案二
• 1.3.3 本文球形机器人实现方案
• 1.4 本文的主要工作与内容安排
• 第二章 全向运动球形机器人结构设计与分析
• 2.1 机械结构详细设计
• 2.1.1 球壳设计
• 2.1.2 框架结构设计
• 2.1.3 配重设计
• 2.2 运动性能分析
• 2.2.1 滚阻力偶矩分析
• 2.2.2 最小转弯半径
• 2.2.3 最大越障高度
• 2.2.4 最大爬坡角
• 2.3 球形机器人动力学分析
• 2.3.1 非完整系统约束
• 2.3.2 非完整系统的Lagrange-Routh 方程
• 2.3.3 球形机器人运动模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 球形机器人本体控制系统设计
• 3.1 总体控制方案
• 3.2 控制芯片选择
• 3.3 电源电路设计
• 3.4 运动控制系统设计
• 3.4.1 电机选型
• 3.4.2 伺服驱动模块
• 3.4.3 PWM 调速
• 3.4.4 光电编码器与测速
• 3.5 辅助功能实现
• 3.5.1 SSR 姿态信息读取
• 3.5.2 无线摄像模块开关电路
• 3.5.3 光电限位报警实现
• 3.6 主程序流程图
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于WSN 的机器人无线测控系统设计
• 4.1 基于ZIGBEE 技术的WSN
• 4.1.1 Zigbee 技术简介
• 4.1.2 基于Zigbee 技术的WSN
• 4.1.3 本文设计的运动型WSN
• 4.2 运动型WSN 节点硬件设计
• 4.2.1 天线设计
• 4.2.2 传感器节点的硬件设计
• 4.2.3 接入节点的硬件设计
• 4.3 节点的软件设计
• 4.3.1 软件层次设计
• 4.3.2 传感器数据读取
• 4.3.3 Zigbee 协议栈移植与实现
• 4.3.4 网络拓扑结构
• 4.3.5 无线传输软件结构
• 4.4 无线测控实现
• 4.4.1 串口通信协议
• 4.4.2 人机界面
• 4.5 本章小结
• 第五章 SSR 实验与软硬件综合调试总结
• 5.1 本体控制系统实验
• 5.1.1 SSR 直线行走模拟实验
• 5.1.2 SSR 圆周运动模拟实验
• 5.2 无线测控系统实验
• 5.2.1 网络功能及无线数据传输实验
• 5.2.2 通信距离测试与分析
• 5.3 软硬件综合调试与总结
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作
• 6.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文