寻源机器人控制系统设计及其机械臂负载能力优化

论文摘要

近年来,随着社会的发展,人类的生产和日常生活领域不断扩展,冲突也不断出现,随之而来的各种突发事件和事故层出不穷。以代替人进行观察、搜寻、搬运、清洁和操作,保障人员健康和安全的排险机器人成为特种机器人领域的研究重点。本文结合哈尔滨工业大学针对放射源丢失后的搜寻处理而研制的“寻源机器人”系统,对该机器人控制系统进行设计并对其机械臂负载能力优化进行研究。具体研究工作如下:基于模块化的设计思想对寻源机器人控制系统进行了设计。实现了基于CAN总线的履带式机器人和机械臂的多自由度协调运动控制;完成了双向数据、两路图像的共缆通讯和无线通讯的双模通讯方式的搭建;并采用了防水、防辐射、散热等设计以适应特殊应用环境。远程控制系统通过简洁的可视化图形界面以及手柄、开关等元件实现人机交互,完成对机器人的控制。根据研制的机器人平台,建立了移动机械臂的运动学模型,分析了基于运动学的轨迹规划算法。根据移动机器人非完整约束运动学模型和多自由度机械臂运动学理论,建立了移动机械臂运动学模型。通过此模型得到移动机械臂正、逆运动学的解析表达式,并在此基础上,分析了基于B样条插值的机械臂轨迹规划算法。在上述研究的基础上,建立了移动机械臂动力学模型,对机械臂点对点运动的负载能力进行了分析和优化。通过建立的移动平台和机械臂的联合动力学模型,得到机械臂的关节驱动力矩。并通过驱动力的约束,分析机械臂在给定轨迹下的负载能力情况,由此引出通过优化轨迹实现对机械臂点对点运动负载能力提升的方法。为机器人的运动控制和最大限度地发挥机械臂的承载能力提供了理论依据。最后,在整机完成调试及初步试运行的前提下,通过对机器人越障、越沟和爬坡的能力以及机械臂夹持负载能力的实验测试,验证了机器人控制系统的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外移动救灾机器人研究现状
• 1.2.1 移动机器人的发展历程
• 1.2.2 探测救灾机器人的研究现状
• 1.2.3 移动机器人的控制系统研究现状
• 1.2.4 移动机械臂的轨迹规划与负载能力研究现状
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 控制系统设计与实现
• 2.1 引言
• 2.2 控制系统硬件的设计与集成
• 2.2.1 机器人系统总体结构
• 2.2.2 控制系统设计思想及实现
• 2.2.3 控制系统集成特点
• 2.3 控制系统的软件环境与设计
• 2.3.1 机器人软件系统
• 2.3.2 控制盒软件系统
• 2.4 本章小结
• 第3章 移动机械臂的运动学建模及轨迹规划
• 3.1 引言
• 3.2 移动机械臂的几何及性能参数
• 3.3 移动平台的运动学分析
• 3.3.1 移动平台的运动学模型
• 3.3.2 移动平台的运动仿真
• 3.4 机械臂的运动学分析
• 3.4.1 机械臂的正运动学分析
• 3.4.2 机械臂的逆运动学分析
• 3.4.3 运动学仿真分析
• 3.5 基于B 样条的轨迹规划算法研究
• 3.5.1 B 样条插值算法的特性
• 3.5.2 轨迹规划仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 机械臂的动力学分析及其负载能力优化
• 4.1 引言
• 4.2 动力学分析
• 4.2.1 机械臂的动力学建模
• 4.2.2 机械臂的动力学仿真
• 4.3 负载能力分析
• 4.3.1 电机驱动特性
• 4.3.2 连续轨迹的动负载能力分析
• 4.3.3 负载能力优化
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验及实验结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 控制系统实验
• 5.3 机器人性能实验
• 5.4 负载能力优化实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 关节驱动力及参数表达式
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢