双体爬壁机器人系统的研制

论文摘要

爬壁机器人（Wall Climbing Robot,WCR）是一种在壁面环境下作业的自动化机械装置,可将人从危险、繁重的工作中解脱出来,并能有效降低成本、提高作业效率和自动化水平。本论文通过分析对比国内外先进的爬壁机器人,提出了创新型设计方案,系统的介绍了双体爬壁机器人（Twin Body Wall Climbing Robot, TBWCR）的设计方法。在比较各种移动方式优缺点的基础上,本文选择了“2驱动轮+1脚轮”的轮式移动方式。由电机直接驱动轮子,结构简洁,避免了有齿轮,传动带等带来的低效率问题,减轻了机器人的重量,而且转向灵活。文中详细分析了负压形成的原因,选择了主动吸附方式。并且使用了弹性密封圈密封的方式,解决了密封效果和密封圈与墙壁之间摩擦力过大地矛盾问题,在实际使用中有很好效果。本文采用一级齿轮加二级蜗轮蜗杆的传动方式,解决了手臂设计中轻重量、大扭矩载荷之间存在的矛盾问题。文中采用安装在TBWCR内腔底部的三个互成等腰直角三角形的红外测距传感器做位姿检测。同时通过将TBWCR交叉壁面过渡过程的抽象,根据机器人学理论,建立了过渡过程的运动学方程。本文还将TBWCR交叉壁面过渡过程分为了壁面检测、姿态粗调、姿态细调、前端WCR贴近目标壁面、后端WCR姿态调节、后端WCR贴近目标壁面六步进行了详细的步态分析。本文TBWCR系统采用了分布式控制结构,分成信号层、控制层、协议层、驱动层、机械层。控制层是LPC2292微控制器,协议层选用CAN总线作为各节点之间数据通讯的协议,电机驱动控制层选用DSP芯片TMS320F2812。同时本文在综合考虑各种方案的基础上采用控制电路和驱动电路分开设计的方案,使得驱动信号相互不受干扰,便于故障检查、设备维修,而且可以根据单体和双体的不同需要,增加或减少驱动模块,以组成单体和TBWCR的控制系统。同时本文通过分析TBWCR控制系统对实时性开放性要求,采用分布式控制结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及背景意义
• 1.2 国内外发展现状研究
• 1.2.1 爬壁机器人简介
• 1.2.2 负压吸附爬壁机器人的发展概况
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 关键技术和难点
• 第2章 系统结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 WCR移动方式的设计
• 2.2.1 驱动机构的设计
• 2.2.2 WCR驱动电机选择
• 2.3 WCR吸附机构的设计
• 2.3.1 负压形成分析
• 2.3.2 吸附机构的设计
• 2.3.4 密封方式的设计
• 2.4 WCR的总体构型及三维模型设计
• 2.4.1 WCR机构模型
• 2.4.2 三维模型及实物
• 2.5 TBWCR连接手臂结构设计
• 2.5.1 TBWCR连接手臂传动方式设计
• 2.5.2 TBWCR连接手臂驱动电机的选择
• 2.5.3 TBWCR三维模型设计
• 2.6 系统运动学分析
• 2.6.1 TBWCR位姿检测
• 2.6.2 运动学方程的建立
• 2.7 TBWCR交叉壁面过渡步态分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 嵌入式控制器硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制系统体系结构
• 3.3 控制器的硬件方案设计
• 3.4 控制电路设计
• 3.4.1 控制芯片选择
• 3.4.2 外围电路设计
• 3.5 控制板实物图
• 3.6 本章小结
• 第4章 嵌入式控制器软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 TBWCR软件体系结构
• 4.3 TBWCR软件流程图设计
• 4.3.1 上位机控制软件
• 4.3.2 遥控移动程序设计
• 4.3.3 垂直壁面自主转换程序设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验
• 5.1 引言
• 5.2 系统能耗实验
• 5.3 负压值估算及负压传感器的选择
• 5.4 负压传感器的标定实验及AD换算公式推导
• 5.5 红外传感器标定实验及AD换算公式推导
• 5.6 WCR负压控制实验
• 5.7 WCR爬壁实验
• 5.7.1 单体机器人木质表面实验
• 5.7.2 单体机器人攀爬有沟槽的瓷砖墙面实验
• 5.7.3 TBWCR交叉壁面过渡实验
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢