多功能排爆机器人模块化设计与研究

摘要

世界各国在社会体制、综合国力以及自身文化等方面的差异引发了许多恐怖事件的发生。为此，世界各国十分重视反恐机器人的研究，排爆机器人更是成为研究的重点。
　　相比于其他排爆机器人，本文着重从多功能和模块化两个方面来研究。论文将排爆机器人分为移动平台、机械臂、末端工具和系统控制四个模块，主要研究内容如下:
　　(1)综合现有轮式、足式和履带式结构各自的优点，移动平台采用摆臂履带式结构。论文对该平台在阶梯、壕沟、斜坡障碍方面的越障机理作了具体的分析，完成了其运动学模型的构建。
　　(2)根据设计要求，机械臂采用四自由度连杆式结构。论文利用D-H连杆坐标系法，构建机械臂的正运动学方程和逆运动学方程。最后在ADMAS虚拟平台下，对机械臂模型进行仿真分析，得到末端目标点的空间轨迹、运动位置、速度、加速度以及各关节驱动力矩的变化曲线，仿真结果验证了设计参数的合理性。
　　(3)末端工具库具备很强的通用性，根据实际需要自动进行更换，较大程度上适应了排爆机器人任务的多样性和复杂性。通过ANSYS对末端工具的重要零部件结构进行强度分析。分析结果验证了设计参数的合理性。
　　(4)系统控制分为主控、驱动、通信三个子模块。其中主控采用STM32F407VET6芯片，分别控制移动平台和机械臂各自的运动。通信模块包括TCP/IP网络无线通信和CAN总线通信两类。前者主要用于主控模块与上位机之间的数据通信，后者主要用于主控模块与驱动模块之间数据通信。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究意义

1．4 研究内容与论文体系结构

1．5 本章小结

2 机器人移动平台结构设计与运动分析

2．1 移动平台方案设计要求

2．2 常用移动平台结构对比分析

2．2．1 轮式移动结构

2．2．2 足式移动结构

2．2．3 履带式移动结构

2．3 移动结构方案设计

2．4 移动平台的越障分析

2．4．1 斜坡越障分析

2．4．2 阶梯越障分析

2．4．3 壕沟越障分析

2．5 移动平台的运动学建模

2．5．1 正运动学模型

2．5．2 逆运动学模型

2．6 本章小结

3 机械臂结构设计与运动分析

3．1 机械臂结构设计方案

3．1．1 机械臂结构设计要求

3．1．2 驱动方案对比分析

3．1．3 结构方案的分析与设计

3．1．4 机械臂整体设计图

3．2 机械臂运动学建模

3．2．1 正运动学模型

3．2．2 逆运动学模型

3．3 基于ADAMS的运动仿真分析

3．3．1 软件功能概述

3．3．2 机械臂仿真模型的建立

3．3．3 仿真结果分析

3．4 本章小结

4 末端工具结构设计与强度分析

4．1 末端工具结构设计要求

4．2 末端工具结构设计

4．2．1 末端夹持工具结构设计

4．2．2 末端切割工具结构设计

4．3 自动换装装置的结构设计

4．3．1 换装接口结构端设计

4．3．2 末端工具库位置设计

4．4 基于ANSYS的结构强度分析

4．4．1 软件功能概述

4．4．2 有限元仿真模型的建立

4．4．3 计算结果分析

4．5 本章小结

5 系统控制模块设计

5．1 主控架构

5．2 电路模块

5．2．1 主控电路模块

5．2．2 驱动电路模块

5．2．3 通信电路模块

5．3 程序模块

5．3．1 驱动程序模块

5．3．2 通信程序模块

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果