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仿生机器蟹原理样机的研究

作　者: 孙磊
导　师: 王立权
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 仿生机器蟹 ARM MSP430 RS485总线
分类号: TB18
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 444次
引　用: 6次
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内容摘要

随着仿生学、微电子机械系统技术(MEMS)、高密度信息处理技术和集成控制技术的飞速发展,微小型仿生机器人以其隐蔽性强、功耗小、成本低廉、便于部署的优点正日益成为军用机器人研究热点。本课题来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机器蟹基础技术研究”,希望建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、体积小巧、并具有两栖环境下活动能力的小型移动机器人平台。本论文主要研究内容包括仿生机器蟹的总体方案设计、机械机构和驱动控制层的设计的实现及其功能的验证。依据系统总体方案,重点对总体机械结构、运动学动力学分析、基于ARM处理器和MSP430单片机的运动控制系统等内容开展了研究。 1.改进以往的设计方案的不足,设计了全新的仿生机器蟹方案并对其机构模型进行了运动学和动力学的分析;制定了以具有ARM7内核的SW4480为核心的协调控制层和以MSP430f1222为核心的驱动控制层的双层控制方案;围绕MSP430f1222单片机和电机驱动芯片L6201(Power)设计了电机驱动器以及相关接口电路。 2.在运动学与动力学分析中,建立了单步行足的运动学方程,并给出其正解和反解;通过雅可比矩阵对步行足的进行了速度分析和力分析;建立了单步行足的动力学方程;对于双四足步态下仿生机器蟹形成的并联机构进行了分析和探讨。 3.在以MSP430f1222为核心的驱动控制层的设计中,包含MSP430单片机最小系统、电机编码器信号处理、关节电位计信号处理、压力量力传感器A/D转换等软硬件模块。并采用RS485总线作为仿生机器蟹系统协调控制层和驱动控制层之间数据交换的载体。完成的单步行足的安装调试工作,通过单步行足实验验证了软硬件设计的可行性,并在此基础上对系统进行了近一步的完善。

全文目录

第1章绪论  11-19
  1.1 课题研究的背景及意义  11-12
  1.2 多足仿生机器人研究现状  12-17
    1.2.1 仿生机器人的产生与发展  12-13
    1.2.2 多足仿生机器人国内外发展现状  13-16
    1.2.3 多足仿生机器人研究中的关键问题  16-17
  1.3 本论文主要完成的工作  17-19
第2章仿生机器蟹总体方案设计  19-31
  2.1 引言  19
  2.2 仿生机器蟹本体结构  19-27
    2.2.1 步行足机构模型的建立及简化  19-21
    2.2.2 仿生机器蟹整体模型的建立  21-22
    2.2.3 仿生机器蟹原理样机结构设计  22-27
  2.3 控制与驱动系统  27-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章仿生机器蟹的运动分析  31-55
  3.1 引言  31
  3.2 单步行足的运动学分析  31-37
    3.2.1 单步行足运动学方程  31-33
    3.2.2 单步行足运动方程的正解和反解  33-35
    3.2.3 单步行足的雅可比矩阵  35-36
    3.2.4 力雅可比J~T  36-37
  3.3 步行足的动力学分析  37-43
    3.3.1 动力学分析中的正问题和反问题  37-38
    3.3.2 拉格朗日算法  38
    3.3.3 单步行足动力学方程的建立  38-43
  3.4 仿生机器蟹行走时形成的并联机构的分析探讨  43-54
    3.4.1 总述  43
    3.4.2 仿生机器蟹横行时的躯体位置分析  43-46
    3.4.3 简化模型中电机力矩的核算  46-48
    3.4.4 仿生机器蟹行走时形成的多环并联机构的分析和探讨  48-54
  3.5 本章小结  54-55
第4章仿生机器蟹控制系统研究  55-75
  4.1 引言  55-57
  4.2 控制系统的硬件设计  57-67
    4.2.1 核心芯片MSP430f1222简介  57-58
    4.2.2 电机编码器信息的采集与处理  58-59
    4.2.3 步行足压力梁传感器信号的处理  59-60
    4.2.4 关节电位计信号的处理  60-61
    4.2.5 直流伺服电动机双闭环控制方案  61-62
    4.2.6 PWM调速  62-64
    4.2.7 功率放大器驱动电路  64-65
    4.2.8 通信接口设计  65-67
  4.3 仿生机器蟹控制系统的软件设计  67-74
    4.3.1 控制系统的软件构架  67-69
    4.3.2 电机编码器信号软件处理  69-70
    4.3.3 关节电位计初始定位信号的软件处理  70-71
    4.3.4 步行足压力梁传感器信号处理  71-72
    4.3.5 PWM波形的生成和控制  72-73
    4.3.6 RS485异步串行通信  73-74
  4.4 本章小结  74-75
第5章仿生机器蟹步行足控制实验研究  75-80
  5.1 仿生机器蟹步行足实验系统  75-76
  5.2 步行足关节驱动器性能实验  76-78
  5.3 关节传感器实验  78
  5.4 单关节开环控制实验  78-79
  5.5 控制器性能指标  79
  5.6 本章小结  79-80
结论  80-81
参考文献  81-85
攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果  85-86
致谢  86

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