带有操作臂的单轮探测机器人的改进和控制

摘要

行星探测机器人小型化、群体协作是未来的发展趋势,然而小型化后探测机器人的性能会受到影响,虽然可以采取多车群控的方式来弥补这种缺陷,但是需要提高单体机器人的个体功能,用以增强多车协作时组成的探测系统的容错性。带有操作臂的小型单轮探测机器人可以实现操作、运动两种工作模式,并且可以两两组合重构,具有重要的研究意义。针对原有的机器人结构刚度、运动空间受限等问题,改进腕关节处支撑结构与系统的传动结构,用以增加机器人的刚度,将机器人操作臂,步进电机,控制电路集成一体,解决机器人在运动过程中由于走线造成的运动空间受限问题,并且重新设计步进电机和舵机驱动电路,增大系统的驱动能力。基于D-H方法建立机器人正运动学和逆运动学;应用牛顿力学定律结合机器人的结构特点,分析机器人在不同构型下的各种越障条件,跨越壕沟条件,爬坡条件和转弯条件;建立了机器人操作模式和运动模式转化条件;并以机器人越障条件为基础,根据不同的运行环境,利用机器人操作臂长度可变得特性,规划了机器人的越障过程,增加了机器人的越障高度。采用Lyapunov函数设计了速度模式轨迹跟踪控制器和加速度模式轨迹跟踪控制器,实现对预定轨迹的跟踪,并应用Matlab进行了仿真验证,证明了轨迹跟踪控制器设计的正确性。最后建立了实验系统,实现了机器人在操作模式下抓取与放置物体实验,以手爪为轴的自转实验;在运动模式下越障,爬坡实验;机器人由运动模式向操作模式转化试验。验证所研制的机器人机械结构,驱动电路设计的合理性,控制软件和所建立的机器人逆解,越障条件,爬坡条件,越障规划的正确性。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 轮式行星探测机器人

1.2.2 可重构行星探测机器人

1.3 本课题主要研究内容

第2章 机械结构与控制系统改进

2.1 引言

2.2 机械总体结构

2.3 机器人机械结构的改进

2.3.1 机器人腕关节刚度的改进

2.3.2 电气连接路线改进

2.3.3 机器人传动机构改进

2.4 机器人控制系统改进

2.4.1 机器人控制系统总体结构

2.4.2 步进电机驱动电路板设计

2.4.3 舵机驱动电路板设计

2.5 本章小结

第3章 机器人运动学分析

3.1 引言

3.2 机器人在操作模式下的运动学

3.2.1 机器人正解

3.2.2 机器人逆解

3.3 机器人在运动模式下的运动学

3.3.1 机器人越障条件

3.3.2 机器人跨越壕沟条件

3.3.3 机器人爬坡条件

3.3.4 机器人转弯条件

3.4 机器人操作模式和运动模式相互转化条件

3.4.1 机器人由操作模式向运动模式转化条件

3.4.2 机器人由运动模式向操作模式转化条件

3.5 本章小结

第4章 机器人轨迹跟踪

4.1 引言

4.2 机器人轨迹跟踪

4.2.1 跟踪控制器设计

4.2.2 仿真实验与分析

4.3 本章小结

第5章 机器人系统实验研究

5.1 引言

5.2 机器人实验系统的配置

5.3 机器人在操作模式下的实验研究

5.3.1 抓取物体实验

5.3.2 以手爪为轴自转

5.4 机器人在运动模式下的实验研究

5.4.1 越障实验

5.4.2 爬坡实验

5.4.3 越障规划验证实验

5.5 运动模式向操作模式转化实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢