多足爬壁机器人建模、运动控制及在桥梁检测中的应用

论文摘要

在微型计算机发达的当今，人类社会的现实生活中活跃着各种各样的机器人，如工业车间中使用的工业机器人及水下、高空、腐蚀性环境、辐射性环境等人类不便到达的危险场所作业的机器人，还有娱乐机器人等。本文针对桥梁检测这个高难度任务进行了多足爬壁机器人的研究。首先，本文介绍了多足爬壁机器人的国内外发展现状，学习了机器人运动学、动力学基础，提出了真空吸附、电机驱动的六足爬壁机器人设计方案。其次，本文完成了机器人控制系统软硬件平台选型与设计工作，包括CAN总线方式、蚁群算法路径规划、三角步态规划、末端轨迹曲线等。最后，针对多足爬壁机器人高空作业时的安全性问题，引入安全系数概念，提出基于安全性多足爬壁机器人足力优化分配方法。在建立关节驱动力和足底接触力转换基础上，推导多足爬壁机器人的动力学模型，确定机器人运动学、动力学约束条件，用PSO粒子群算法求解在能耗最优目标下安全系数与吸盘吸附力的关系。该方法有效减少优化变量数量，同时还反映了机器人安全系数与未知环境（主要指真空吸盘吸附力）的关系，提高了机器人的环境适应能力，并通过实例验证了该方法的可行性与有效性。运用机器人技术完成工程施工，代替人工作业，提高工作效率，使工程施工更加安全可靠。机器人技术的发展与应用有助于提高生产力，多足爬壁桥梁检测机器人应工程的需要而产生，并将逐步发展应用于更多的领域，为各个行业贡献力量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 爬壁机器人的分类与特点
• 1.3 国内外爬壁机器人研究概况
• 1.3.1 国外爬壁机器人研究概况
• 1.3.2 国内爬壁机器人研究概况
• 1.4 课题研究内容及关键技术
• 第二章 多足爬壁机器人运动学、动力学基础
• 2.1 多足爬壁机器人运动学分析
• 2.2 多足爬壁机器人动力学分析
• 第三章 多足爬壁机器人总体设计方案
• 3.1 多足爬壁机器人系统构成
• 3.2 多足爬壁机器人本体构架
• 3.3 安全保障措施
• 第四章 多足爬壁机器人控制系统硬件设计
• 4.1 系统硬件平台的方案选型
• 4.2 吸附装置设计
• 4.3 电磁阀驱动电路的设计
• 第五章 多足爬壁机器人控制系统软件设计
• 5.1 软件系统平台的方案选型
• 5.2 机器人软件结构设计研究
• 5.3 机器人控制程序设计
• 5.3.1 路径规划研究与实现
• 5.3.2 步态规划研究与实现
• 5.3.3 足端轨迹规划研究与实现
• 第六章 多足爬壁机器人足力优化与仿真
• 6.1 关节驱动力和足底接触力简化与转换
• 6.2 动力学约束方程转换
• 6.3 基于安全性目标足力优化
• 6.4 足力优化计算
• 6.5 足力分配仿真
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件