微型泳动式管道机器人的研究与设计

论文摘要

工业设备中大量的细小管道经过长时间的使用后,会出现各种各样的缺陷,给生产和生活带来安全隐患。由于对细小管道的检修与维护比较困难,所以对管道进行检测和维修的管道机器人的需求日益增加。目前的管道机器人受到能源供给的限制,不能长时间远距离进行工作,因此本文基于鱼类的泳动规律,研究了一种新型无缆管道机器人,通过外部交变磁场驱动机器人体内的永磁体,实现通过尾鳍在交变磁场驱动下产生的受迫振动,来模仿鱼类尾部摆动产生推进力,实现微型机器人的泳动。同时详细分析了该微型机器人的泳动推进原理,阐述了微型泳动机器人波动前进时的运动学模型和动力学模型。本文介绍了机器人控制系统的总体设计方案,包括电磁铁驱动模块、通信模块、电源模块等。搭建了一个基于AVR单片机控制系统,包括硬件电路的设计,软件的编制等。并且我们结合主控电路与实际现场的要求从硬件与软件两个方面设计了电机位置检测电路。通过光电码盘与单片机的计数器功能相结合实现了整个系统的闭环控制,得到了较好的控制效果。最后进行了微型机器人泳动实验的研究,分析了机器人的运动速度和磁场频率的关系。实验结果表明,该机器人具有较好的泳动性能,实现了基于外磁场无缆驱动。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 管道及泳动微型机器人的研究现状
• 1.2.1 管道微机器人研究现状
• 1.2.2 液体中泳动微机器人研究现状
• 1.3 微型管道机器人面临的基本问题
• 1.4 本课题研究内容
• 第2章 泳动式微管道机器人总体方案设计
• 2.1 管道机器人系统的设计
• 2.2 机器人本体的设计
• 2.2.1 头部的设计
• 2.2.2 微型泳动机器人材料的选取及其表面的处理
• 2.2.3 微型机器人尾翼的设计
• 2.3 线圈的分析与设计
• 2.3.1 线圈的分析
• 2.3.2 线圈的制作
• 2.4 永磁材料的选取
• 2.4.1 永磁材料的主要参数
• 2.4.2 永磁材料的分类
• 2.5 本章小结
• 第3章 微型泳动式管道机器人的理论研究
• 3.1 仿鱼泳动微型机器人的泳动推进理论研究
• 3.2 微型泳动机器人的几何模型
• 3.3 微型泳动机器人的动力学模型
• 3.3.1 微型泳动机器人泳动推进速度
• 3.3.2 微型泳动机器人的泳动推进力分析
• 3.3.3 微型泳动机器人泳动推进力公式推导
• 3.3.4 微型泳动机器人的泳动阻力分析
• 3.4 微型泳动机器人推进方式和效率的分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 微型管道机器人控制系统的硬件设计
• 4.1 控制系统的总体方案设计
• 4.2 核心器件的选择
• 4.2.1 AVR单片机的概述
• 4.2.2 ATmegal6特性介绍
• 4.3 执行机构模块的方案设计
• 4.3.1 直流减速电机的选择
• 4.3.2 电机驱动芯片的选择
• 4.3.3 测速反馈部分的选择
• 4.4 交变磁场控制模块的设计
• 4.4.1 LM324的设计
• 4.4.2 L298的设计
• 4.5 通讯模块的设计
• 4.6 检测模块的设计
• 4.6.1 霍尔效应
• 4.6.2 A44E集成开关型霍尔传感器
• 4.7 本章小结
• 第5章 微型管道机器人控制系统的软件设计
• 5.1 主程序设计
• 5.2 PID调节程序设计
• 5.3 串行通讯设计
• 5.4 键盘中断处理程序设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 系统实验测试与数据分析
• 6.1 微机器人的实验装置
• 6.2 微机器人在管道中行走的数据分析
• 6.2.1 微机器人的尾鳍速率摆动测试
• 6.2.2 不同缠绕方式驱动微机器人的运动测试
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢