玻璃幕墙清洗机器人爬壁装置及控制系统设计

摘要

当今社会各种高楼大厦不断涌现，其外墙经常使用大块玻璃幕墙进行装饰，然而玻璃幕墙的清洗难题一直困扰人们。针对此问题，本论文构思设计一种自动清洗装置，以减少或避免人工清洗中的不便和危险。本文侧重清洗机器人爬壁装置及运动控制系统的设计，研究内容主要包括以下几部分：
　　介绍国内外爬壁机器人的研究及发展现状，分析各种机器人本体结构的优点和不足，讨论吸附方式的合理选择，并总结常用控制系统及各种控制方式的适用条件和利弊。
　　根据机器人常用结构和爬壁运动需要，设计出一种上下层交替运动结构的玻璃幕墙清洗机器人，并根据玻璃壁面的特点，选择真空吸盘吸附作为机器人在壁面固定的手段，在此基础上，简述机器人运行中的工作原理及性能指标。
　　在确定机械结构的基础上，完成机器人控制系统的设计。首先对各部分所需的驱动装置和检测元件进行选型，并独立设计核心控制板卡，板卡采用FPGA芯片作为控制核心，能够实现数据采集、A/D转换、采样存储、外部通讯和驱动信号输出等功能；其次完成板卡各部分硬件电路设计，实现与计算机总线通讯；在此基础上，利用VHDL语言完成对核心芯片内部逻辑编程。
　　为保证机器人运动控制精度，对驱动装置采用的步进电机构建闭环系统并进行建模分析。在研究常用算法的基础上，搭建模糊PID控制器对步进电机运行状态进行调节，在Simulink中建立各部分仿真模型，将系统中各模块依次对接，完成步进电机闭环系统仿真，并对仿真输出进行分析。
　　在完成机器人硬件设计的基础上，编写控制软件。通过分析整体控制流程，利用LabWindows软件使用C语言建立起控制系统需要的底层函数，然后使用LabVIEW调用生成的动态链接库，完成控制软件后台程序设计，最后根据控制系统功能需要绘制完整的控制界面，并将各种功能写入对应子程序，实现控制软件的模块化，最后将软件与机器人实体连接进行运动实验分析，验证控制系统的可行性。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 课题研究意义

1.2 国内外机器人研究综述

1.3 机器人控制系统研究综述

1.4 本课题的研究内容

第2章 机器人机械结构及工作原理

2.1 机器人总体结构

2.2 机器人爬壁工作原理

2.3 相关参数分析计算

2.4 本章小结

第3章 机器人控制系统硬件设计

3.1 控制系统技术要求

3.2 控制系统整体结构

3.3 控制系统硬件组成

3.4 控制板硬件电路设计

3.5 FPGA硬件逻辑程序设计

3.6 本章小结

第4章 闭环控制系统建模仿真

4.1 步进电机模型建立

4.2 模糊PID算法设计

4.3 闭环控制系统仿真

4.4 本章小结

第5章 机器人控制系统软件设计

5.1 控制程序整体结构

5.2 控制系统底层语言开发

5.3 控制界面设计

5.4 机器人运行调试

5.5 本章小结

总结与展望

论文总结

工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 控制板实物及PCB图

附录C FPGA逻辑控制程序

C.1 数据采集逻辑程序

C.2 PCI接口逻辑程序

C.3 SRAM外存储逻辑程序

C.4 DDS频率合成逻辑程序