履带式移动机器人系统设计及运动控制技术研究

论文摘要

在一些复杂环境下实施检测、喷涂、焊接等维护检修任务,采用履带式移动机器人携带设备,代替人工实施作业是一种经济且有效的方法。在实际应用中,复杂性工作环境要求机器人具备良好的运动性能和可靠性。为此,本文工作致力于研制出一套可靠性好,环境适应性强的移动机器人系统平台。为了提升其越障、跨壕性能,机器人本体采用关节履带式结构。紧凑的结构设计使之能够在一些相对狭小的环境下实施作业。同时为了保证机器人本体能够稳定正常的工作,对机械系统关键部位进行了可靠性分析,进一步优化和完善了机械系统的设计。其次,履带式机器人控制系统中采用无线通讯方式实现移动机器人与上位机控制中心信息交互。根据模块化设计思想,以dsPIC33FJ12MC202单片机芯片为核心设计机载控制器,实现了对移动机器人运动位置,速度的精确控制。同时在上位机设计了专用的控制软件实现人机信息交互。在机器人运动性能分析过程中,主要针对关节履带式机构越障运动进行探讨,建立了机器人的越障运动学模型。在分析了针对机器人攀登台阶型障碍物的运动过程基础上,实现对其过程参数的轨迹规划。采用最优化方法得到越障运动学模型中非线性问题的最优解,进而优化了轨迹参数。最后通过MATLAB仿真及现场实验验证了越障运动轨迹规划的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 履带式移动机器人研究现状
• 1.3 履带式移动机器人发展趋势
• 1.4 论文的主要内容与章节安排
• 第二章 履带式机器人机构设计
• 2.1 履带机器人本体机构方案确定
• 2.1.1 履带式机器人设计指标
• 2.1.2 几种履带式机器人机构设计比较
• 2.1.3 履带式机器人整体机构设计
• 2.2 主要机构部件设计
• 2.2.1 电机选型及参数核算
• 2.2.2 同步带设计
• 2.2.3 主动轴强度可靠性分析
• 2.3 机械结构三维模型仿真
• 2.4 履带式机器人机构装配
• 2.5 本章小结
• 第三章 履带式机器人控制系统硬件设计
• 3.1 控制系统总体设计
• 3.2 直流电机控制模块设计
• 3.2.1 控制芯片选择
• 3.2.2 直流电机模块结构
• 3.2.3 H桥驱动电路
• 3.2.4 控制器芯片外围电路
• 3.2.5 电机编码器
• 3.2.6 电流检测及过流保护
• 3.2.7 稳压电源转换模块
• 3.3 无线通讯系统
• 3.3.1 无线通讯模块
• 3.3.2 主控单片机接口设计
• 3.4 图像采集传输设备
• 3.5 控制系统硬件安装
• 3.5.1 机载控制盒
• 3.5.2 上位机接收盒
• 3.6 本章小结
• 第四章 履带式机器人控制系统软件设计
• 4.1 运动控制系统软件开发环境
• 4.2 直流电机控制模块软件设计
• 4.3 主控单片机及通讯系统软件设计
• 4.4 上位机控制软件
• 4.5 小结
• 第五章 履带式机器人运动性能分析
• 5.1 几种典型路面运动分析
• 5.1.1 斜坡行走
• 5.1.2 跨壕运动
• 5.1.3 越障运动
• 5.2 机器人越障运动学建模
• 5.2.1 参考坐标系建立
• 5.2.2 机器人质心位置及仿真
• 5.2.3 越障中质心位置建模
• 5.3 机器人攀登台阶运动轨迹规划
• 5.3.1 攀登台阶过程运动规划
• 5.3.2 攀登过程轨迹规划
• 5.3.3 攀登临界姿态优化
• 5.3.4 攀登过程轨迹规划仿真
• 5.4 机器人运动实验
• 5.4.1 爬坡行走实验
• 5.4.2 跨壕运动实验
• 5.4.3 越障运动实验
• 5.5 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 主要工作与创新点
• 6.2 后续研究工作
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文