电力角钢塔步进式攀爬机器人研制

摘要

目前攀爬机器人已应用在社会的各行各业，针对不同的应用场景，出现了各种不同功能的攀爬机器人，如针对垂直壁面作业场景下的传统轮式、吸盘式、履带式机器人，桁架作业场景下的吸附式、步进式、蠕动跨越式等机器人。电力角钢塔属于一种较为复杂的桁架式作业环境，电力角钢塔攀爬机器人(爬塔机器人)特指一类带有夹持或吸附装置，通过关节屈伸或扭转实现自身稳步移动的特种机器人。与传统的攀爬机器人相比，其结构趋向于瘦长，步态多样，具有很强的环境适应性与容错性，且具有独特的越障能力。目前国内外针对爬塔机器人的研究在爬行方式上多集中于蠕动跨越式中，对步进式的研究并不多。本文以步进式桁架爬塔机器人为研究对象，从机器人的结构到仿真在到控制等一系列相关问题展开系统的讨论和研制。主要内容如下：　　(1)详细分析了机器人的作业环境，从仿生学的角度提出了一种步进式机器人爬塔方案，采用抓取配合电磁吸附的方式建立了机器人夹持机构模型，采用丝杠滑块的传动方式建立了机器人爬升机构模型，设计了一款5自由度机械臂作为机器人的操作平台。从整体出发以先总后分的方式详细阐述了机器人各机构模块的工作原理、受力情况、选型依据、机构作用等。　　(2)利用标准D-H方法对机器人上的5自由度机械臂操作平台进行了正逆运动学分析。结合机械臂的实际工作要求及现场情况，利用MatlabRobotics工具箱进行了运动仿真。利用解算出的数据引导机械臂动作，并通过在实验平台上的实操反向验证了仿真数据的正确性。　　(3)从硬件架构和软件系统两个方面出发建立了机器人的电气控制系统。根据机器人的实际攀爬流程规划出了机器人的攀爬步态及软件系统程序逻辑。阐述了机器人电气系统中各动力元件和传感器元件的工作原理、驱动方式、模块作用。最后针对机器人操作需求设计编写了一款上位机软件平台辅助操作人员发送指令以及监控机器人重要组件模块参数。　　(4)在机器人建模，仿真验证，电气控制系统平台等搭建完成后，由此指导制作并组装了爬塔机器人样机。最后在实验平台上实操了机器人作业任务，实验结果表明：该步进式电力角钢塔攀爬机器人满足设计指标的要求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状与综述

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 课题主要研究内容

第2章 爬塔机器人机械结构设计

2.1 爬塔机器人作业环境与需求分析

2.1.1 作业环境分析

2.1.2 爬塔机器人设计要求

2.2 爬塔机器人机械结构设计

2.2.1 爬塔机器人攀爬方案对比分析及确定

2.2.2 爬塔机器人总体结构设计

2.2.3 爬塔机器人抓取机构设计

2.2.4 爬塔机器人爬升机构设计

2.2.5 爬塔机器人机械臂设计

2.3 本章小结

第3章 爬塔机器人系统建模与仿真

3.1 爬塔机器人机械臂运动学分析

3.1.1 机械臂运动学构型

3.1.2 机械臂正运动学分析

3.1.3 机械臂逆运动学分析

3.2 MATLAB运动学仿真验证

3.2.1 机械臂正运动学仿真

3.2.2 机械臂逆运动学仿真验证

3.3 本章小结

第4章 爬塔机器人控制系统设计

4.1 引言

4.2 主驱动电机选型及伺服控制

4.2.1 电机选型

4.2.2 电机PID控制

4.3 嵌入式控制系统硬件平台搭建

4.3.1 主控电路板功能模块设计

4.3.2 电源及CAN通信模块硬件设计

4.3.3 系统感知决策层硬件搭建

4.3.4 执行器平台硬件搭建

4.4 控制系统软件设计

4.4.1 嵌入式控制系统软件设计

4.4.2 嵌入式控制系统工作流程

4.4.3 上位机软件设计

4.5 本章小结

第5章 样机与实验

5.1 样机制作

5.2 样机调试

5.2.1 实验平台搭建

5.2.2 实验过程与结果

5.3 本章小结

总结与展望

总结

展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果