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多节煤矿搜索机器人运动规划研究及控制系统设计

作 者: 张吉斌
导 师: 赵杰
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 搜索机器人 控制系统 运动规划 越障分析 运动仿真
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 42次
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内容摘要


近年来,随着经济社会的发展,对煤炭资源的开发不断的增加,随之而来的各种矿难事件也不断增加。由于灾难发生的突然性,搜索人员无法了解矿井下的情况,难以在第一时间进入现场,许多矿工因救援不及时而丧生。因此开发一种用于井下搜索的机器人就显得格外重要。本文结合国家863项目“煤矿井下搜索机器人研制”,主要完成了如下的研究内容:首先,建立了煤矿搜索机器人的运动学模型,对机器人的运动性能进行分析,基于空间分割和遗传算法相结合的混合算法求解机器人的逆运动学。在运动学分析的基础上,采用牛顿-欧拉法建立煤矿搜索机器人的动力学模型,对机器人的动力学性能和稳定性进行了分析,为控制提供理论依据。其次,对机器人进行越障能力分析及运动规划两方面研究:针对井下复杂的地形环境分析了机器人的越障能力,规划了机器人爬坡、爬楼梯、跨沟以及翻越垂直障碍的方法和步骤。然后基于动力学仿真软件RecurDyn对机器人进行了运动仿真。针对井下各种复杂的地形障碍,对机器人平地行走、爬坡、爬楼梯、跨越沟壑以及最难翻越的垂直障碍进行了运动仿真,验证了越障能力分析和运动规划理论的正确性。为控制机器人越障提供理论依据。最后,基于模块化的设计思想研制了机器人的嵌入式控制系统。该系统由主控模块、电机驱动模块、多传感器数据采集模块和图像采集模块组成。以ARM芯片为核心设计了主控模块和多传感器数据采集模块单元;在硬件的基础上设计了软件系统。该嵌入式控制系统能够控制机器人完成俯仰、偏航、图像采集等任务以及实现机器人与上位机之间的无线通讯功能。然后对设计的控制系统进行实验分析,验证了控制系统设计的有效性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 课题研究的目的和意义  9
  1.2 国内外研究现状  9-16
    1.2.1 国内外搜索机器人发展现状  10-14
    1.2.2 机器人控制系统发展现状  14-16
  1.3 课题来源及本文研究内容  16-18
第2章 机器人运动学及动力学分析  18-31
  2.1 机器人本体结构简介  18-19
  2.2 机器人运动学分析  19-26
    2.2.1 机器人运动模型的建立  19-21
    2.2.2 机器人正运动学分析  21-22
    2.2.3 基于遗传算法的机器人逆运动学分析  22-26
  2.3 基于牛顿-欧拉法的机器人动力学分析  26-28
  2.4 稳定性分析  28-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章 机器人运动规划研究  31-45
  3.1 机器人结构参数描述  31-32
  3.2 机器人爬坡形障碍运动规划  32-39
    3.2.1 爬坡形障碍能力分析  32-33
    3.2.2 爬斜坡运动规划  33-37
    3.2.3 爬楼梯运动规划  37-39
  3.3 机器人跨越沟壑障碍运动规划  39-41
  3.4 机器人翻越垂直障碍运动规划  41-44
    3.4.1 翻越垂直障碍能力分析  41-42
    3.4.2 翻越垂直障碍运动规划  42-44
  3.5 本章小结  44-45
第4章 机器人运动仿真分析  45-56
  4.1 仿真软件RecurDyn 简介  45
  4.2 运动仿真分析  45-55
    4.2.1 行走运动仿真分析  46-49
    4.2.2 跨越沟壑运动仿真分析  49-50
    4.2.3 坡形障碍运动仿真分析  50-53
    4.2.4 翻越垂直障碍运动仿真分析  53-55
  4.3 本章小结  55-56
第5章 机器人控制系统设计与实验  56-66
  5.1 机器人控制系统硬件设计  56-61
    5.1.1 主控模块  57-58
    5.1.2 多传感器信息采集模块  58-59
    5.1.3 电机驱动模块  59-60
    5.1.4 声像处理模块  60-61
  5.2 机器人控制系统软件设计  61-62
  5.3 控制系统实验  62-65
    5.3.1 多传感器信息采集模块实验分析  62-64
    5.3.2 电机驱动实验分析  64-65
    5.3.3 图像采集实验分析  65
  5.4 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-74
致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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