小型双体负压机器人软硬件设计

论文摘要

爬壁机器人能代替人类在危险环境中进行壁面作业,具有极其广泛的用途和很高的使用价值。现有的爬壁机器人有的功能强大但十分笨重,有的做到了小型化但功能简单。基于此,一种多功能的小型爬壁机器人应运而生,该机器人既能组成小型的单体爬壁机器人,具有较强的壁面适应能力和负载能力;又能组成小型双体爬壁机器人,完成面面转换、越障碍、越沟槽等复杂任务。本论文通过分析对比国内外先进的爬壁机器人,提出了自己的创新型设计方案,系统地介绍了小型负压爬壁机器人的设计方法。从系统的总体设计、控制系统的硬件设计和控制系统的软件设计三方面介绍了整个爬壁机器人的设计过程。首先对比国内外的现有爬壁机器人,设计出了具有面面攀爬转换功能的双体爬壁机器人。其次对比了目前流行的各种微控制器,选择了资源丰富、运算功能强大的基于ARM7TDMIS内核的微控制器LPC2214作为主控制芯片,并设计了机器人的嵌入式控制器。先介绍了控制器的总体设计思想,然后系统地介绍了微控制器的外围电路设计,之后介绍了传感器电路的设计。接着介绍了控制软件的设计,单体机器人的控制程序的设计,双体机器人的程序的设计,和嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的移植。最后介绍了实验结果和机器人的性能参数。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外小型负压爬壁机器人的发展概况
• 1.2.1 小型负压爬壁机器人的介绍
• 1.2.2 小型单体负压爬壁机器人的发展概况
• 1.2.3 小型双体负压爬壁机器人的发展概况
• 1.2.4 小型负压爬壁机器人的关键指标
• 1.3 本文研究的内容及目标
• 第二章 总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 机器人功能需求分析
• 2.3 机器人的总体方案设计
• 2.3.1 吸附方案的选择
• 2.3.2 移动方案的选择
• 2.3.3 移动机构的布局与转向
• 2.3.4 连接方案的选择
• 2.3.5 电源方案的选择
• 2.3.6 总体构型的提出
• 2.4 机器人的运动规划
• 2.4.1 壁面运动规划
• 2.4.2 面面转换规划
• 2.4.3 越障碍规划
• 2.4.4 越沟槽规划
• 2.5 机器人的性能分析
• 2.5.1 吸附性能分析
• 2.5.2 运动性能分析
• 2.5.2.1 防滑性能分析
• 2.5.2.2 转弯性能分析
• 2.5.3 安全性能分析
• 2.5.3.1 单体机器人的安全性能分析
• 2.5.3.2 双体机器人的安全性能分析
• 2.5.4 保护措施的提出
• 2.6 小结
• 第三章 机械结构设计
• 3.1 引言
• 3.2 吸附机构的设计
• 3.2.1 负压形成分析
• 3.2.2 吸附机构的设计
• 3.2.3 降噪盖的设计
• 3.3 行走机构的设计
• 3.3.1 单体机器人移动方式的设计
• 3.3.2 单体机器人驱动电机选择
• 3.3.3 单体机器人保护杆设计
• 3.4 连接机构的设计
• 3.4.1 连接机构驱动方案的选择
• 3.4.2 双体机器人的三维模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 总体控制方案
• 4.3 控制系统硬件设计
• 4.3.1 微处理器选择与简介
• 4.3.2 控制芯片外围电路设计
• 4.3.2.1 主控制器总体结构
• 4.3.2.2 主控芯片管脚配置
• 4.3.2.3 主控芯片的电路设计
• 4.3.2.4 串口电路
• 4.4 传感器电路
• 4.4.1 负压传感器选择
• 4.4.2 红外传感器选择
• 4.4.3 模拟量传感器的电路设计
• 4.4.4 数字量传感器的电路设计
• 4.4.5 主控制板实物图
• 4.5 控制系统软件设计
• 4.5.1 软件设计要求
• 4.5.2 单体机器人程序设计
• 4.5.2.1 遥控器控制
• 4.5.2.2 上位机控制
• 4.5.3 双体机器人分层程序设计
• 4.5.3.1 1#板程序设计
• 4.5.3.2 2#板程序设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验
• 5.1 单体机器人实验
• 5.1.1 单体机器人负压控制实验
• 5.1.2 单体机器人爬壁实验
• 5.2 双体机器人实验
• 5.2.1 双体机器人完成面面转换实验
• 5.2.2 双体机器人的越障碍实验
• 5.3 实验结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表