基于钢铁墙壁的永磁吸附爬壁机器人研究

论文摘要

爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支,它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来,可在垂直壁面上附着爬行,并能携带工具完成一定的作业任务,大大扩展了机器人的应用范围。目前,爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等,经过30多年的发展,爬壁机器人领域已经涌现出一大批丰硕的成果,特别是20世纪90年代以来,国内外在爬壁机器人领域中的发展尤为迅速。近年来,由于多种新技术的发展,爬壁机器人的许多技术难题得到解决,极大地推动了爬壁机器人的发展。本论文是针对大同某电厂提出的清洗钢铁墙壁要求而设计的一种新型爬壁清洗机器人,根据机器人工作环境的特殊性和行走的灵活性要求,选择了永磁吸附、轮式行走方式,并且依据所设计的机器人本体机械结构及满足吸附的计算结果,选用了非直接接触式永磁吸附,采用有限元方法设计和优化出了满足计算要求的可调磁极式永磁吸附装置。其次设计出了基于ATmega16的控制系统硬件方案,分别对控制系统中单片机最小系统、通讯、无刷直流电机驱动,调速、电源等几个模块进行了介绍和分析。基于该硬件系统,提出了机器人运动控制的软件方案并设计了运动控制软件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究背景及意义
• 1.2 爬壁机器人的分类
• 1.3 爬壁机器人国内外现状
• 1.3.1 吸盘式爬壁机器人
• 1.3.2 磁吸附式爬壁机器人
• 1.3.3 其他爬壁机器人
• 1.4 论文的主要内容和研究目的
• 第二章 爬壁机器人的结构设计
• 2.1 爬壁机器人的关键技术及选择
• 2.1.1 吸附方式及选择
• 2.1.2 移动机构及运动控制系统
• 2.1.3 能源供应及驱动方式
• 2.2 方案设计
• 2.3 机器人设计计算
• 2.3.1 静力分析
• 2.3.2 可靠吸附与移动条件计算
• 2.4 设备选择
• 2.4.1 永磁吸附装置吸力
• 2.4.2 电机计算及选择
• 2.4.3 其他设备
• 2.5 小结
• 第三章 可调磁极式永磁吸附装置设计
• 3.1 磁路设计的任务
• 3.2 稀土永磁材料
• 3.2.1 永磁材料的基本特性
• 3.2.2 永磁材料的选择
• 3.2.3 软磁材料的选择
• 3.3 吸附装置基本工作原理和结构
• 3.4 吸附装置的有限元分析
• 3.4.1 数学模型建立
• 3.4.2 吸附力求解
• 3.4.3 有限元模型建立和简化
• 3.5 优化设计
• 3.5.1 优化设计方法介绍
• 3.5.2 ANSYS 优化设计模块
• 3.6 优化机构参数及目标
• 3.7 优化结果
• 3.7.1 参数化模型的建立
• 3.7.2 结构优化
• 3.8 小结
• 第四章 爬壁机器人的控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 典型的几种机器人控制架构（ARCHITECHURE）
• 4.2.1 集中程控架构
• 4.2.2 分层式架构（LAYERED ARCHITECTURE）
• 4.2.3 包容式架构（SUBSUMPTION ARCHITECTURE）
• 4.2.4 混合式架构（HYBRID ARCHITECTURE）
• 4.3 控制系统硬件
• 4.4 控制系统软件
• 4.5 系统的总体设计过程
• 4.6 小结
• 第五章 控制系统硬件的实现
• 5.1 移动机器人控制系统方案
• 5.2 单片机的选择和应用
• 5.2.1 复位电路的设计
• 5.2.2 晶振电路
• 5.2.3 AD 转换器电源滤波电路
• 5.2.4 ISP 下载电路
• 5.2.5 接口电路
• 5.2.6 键盘输入电路
• 5.3 电源模块
• 5.4 异步串行通信模块
• 5.5 无刷直流电机调速模块
• 5.6 硬件系统工作原理
• 5.7 小结
• 第六章 爬壁机器人控制系统软件设计
• 6.1 控制系统主程序设计
• 6.2 调速子程序
• 6.3 A/D 子程序
• 6.4 程序编译环境与烧录
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文目录
• 附录A
• 附录B