行星轮式爬楼梯机器人小车的研究

论文摘要

楼梯是人造环境中的最常见的障碍,也是移动机器人最难跨越的障碍之一。本论文主要研究爬楼机器人行走机构的结构设计。在深入分析爬楼机构及其攀爬对象的基础上,设计了相对优势较明显的轮组结构爬楼机器人。对机器人小车的运动学模型进行分析,论证小车实现任意曲线运动所包含的自转、直线前进、圆弧前进三个基本运动单元的可行性。并基于机器人速度匹配的控制基础上,进一步实现机器人运行中的轨迹控制。引入虚拟样机技术,通过SolidWorks三维建模,导入动力仿真软件ADAMS进行仿真。对小车上下楼梯过程中车体倾角的变化进行了分析,并找到了影响其波动的原因,提出了改善意见;对上下楼过程中轮组所受力矩,以及前后轮组的功率变化进行了仿真,得到有力的分析参数,促进机构结构和传动设计的优化,为制作出性能优良的物理样机节约了成本。文章最后研究设计了在结构环境下,以单片机C8051F310为核心的爬楼控制系统。在控制系统中,采用超声波传感器的对称排列,获取了自主上楼梯所必须地两个关键参数θ和q;对驱动大功率电机的电路进行分析,替换通常使用驱动芯片L298N的电路,设计了更适合大功率,更安全性电机驱动电路。根据机器人车体主要结构参数的设计,制作了物理样机,实践验证了方案的可行性。论文所作的工作,为进一步设计出结构性能更优,控制智能更高的爬楼机器人控制搭建了良好平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 移动机器人的发展概况
• 1.3 爬楼梯机器人目前的研究状况
• 1.4 基于ADAMS 的虚拟样机技术
• 1.4.1 虚拟样机技术
• 1.4.2 ADAMS 软件
• 1.5 论文研究的主要内容
• 第二章 爬楼梯机器人小车的总体设计
• 2.1 爬楼梯机器人总体方案设计
• 2.1.1 爬楼机器人的设计要求
• 2.1.2 爬楼机器人的总体方案
• 2.2 爬楼机器人小车的机构设计
• 2.2.1 机器人小车传动设计
• 2.2.2 机器人小车结构设计
• 2.2.3 小车物理样机设计参数
• 2.3 爬楼梯机器人小车的执行电机选择
• 2.3.1 技术指标
• 2.3.2 电机选型
• 2.3.3 电机功率计算
• 2.3.4 电池选择
• 2.4 本章小结
• 第三章 爬楼梯机器人小车的运动学建模及通过性分析
• 3.1 爬楼机器人运动学分析
• 3.1.1 前提与假设
• 3.1.2 机器人小车模型的简化
• 3.1.3 机器人模型的运动学分析
• 3.2 爬楼机器人的轨迹控制
• 3.3 爬楼机器人小车主要行驶性指标分析
• 3.3.1 可跨越最大垂直障碍高度
• 3.3.2 最小转弯半径
• 3.3.3 车辆转弯侵占宽度
• 3.3.4 静态稳定性
• 3.4 本章小结
• 第四章 爬楼梯机器人小车虚拟样机模型的建立
• 4.1 SolidWorks 软件介绍
• 4.2 虚拟样机仿真实体建模
• 4.3 SolidWorks 和ADAMS 数据传输方法
• 4.4 仿真环境变量的设置
• 4.5 本章小结
• 第五章 爬楼梯机器人小车虚拟样机的仿真分析
• 5.1 机器人多姿态运动仿真
• 5.2 机构倾角变化的仿真结果及分析
• 5.3 轮组机构的功率仿真分析
• 5.4 上下楼过程中的功率仿真分析
• 5.4.1 爬楼过程中的功率仿真分析
• 5.4.2 下楼过程中的功率仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 爬楼梯机器人小车控制系统的分析
• 6.1 机器人爬楼梯的控制目标
• 6.2 机器人的体系结构及系统组成
• 6.3 传感器的选择
• 6.3.1 超声波传感器
• 6.3.2 红外传感器
• 6.4 本章小结
• 第七章 爬楼梯机器人控制器的软硬件设计
• 7.1 单片机选型
• 7.1.1 单片机简介
• 7.1.2 C8051F310 单片机性能介绍
• 7.1.3 系统时钟选择
• 7.1.4 复位电路设计
• 7.2 超声波测距电路设计
• 7.3 电机驱动电路设计
• 7.4 红外测距电路设计
• 7.5 电磁离合器电路设计
• 7.6 单片机与各模块的电气连接图
• 7.7 控制系统程序编制
• 7.8 本章小结
• 第八章 总结与研究畅想
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究畅想
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间发表的学术论文与研究成果