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四足壁面爬行机器人变磁力脚吸盘力控制技术的研究

作　者: 胡士建
导　师: 袁夫彩
学　校: 河南工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 四足壁面爬行机器人变磁力联合仿真磁力控制软硬件设计
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

四足壁面爬行机器人相关技术的研宄，是足式移动机器人和壁面吸附移动机器人技术相结合的产物。涉及到机械、控制、材料和信息等多学科技术的内容。采用永磁吸附的四足壁面爬行机器人，更是涉及到了磁力的分析。采用四足移动方式的壁面爬行机器人，其运动原理、行走方式和运行时的受力状况，是四足壁面爬行机器人变磁力控制技术研宄的前提。作为提供四足与导磁壁面稳定吸附的变磁力脚吸盘，其磁力的实时灵活控制是四足壁面爬行机器人研宄过程中的一个重要组成部分。通过仿四足爬行动物腿臂运动关节设计，四足式壁面爬行机器人，可以实现360度的原地旋转，有利于调节其在壁面上移动的灵活性，提高携带工具作业时的效率。采用永磁吸附,磁力可调的变磁力脚吸盘，通过对其与壁面不同位姿及运动状态下所需磁力的灵活调整，在保证稳定吸附的前提下，不仅提高了移动效率而且还降低了功耗。四足壁面爬行机器人脚吸盘变磁力的灵活控制，是在经过外部倾角和位移传感器大量数据运算分析之后进行调节的，数据运算分析的速率直接决定了脚吸盘能否对磁力进行实时灵活的调整。DSP处理器以其强大的运算处理能力，使得其在很多实时性控制需求较高的场所，有着优越的应用性能。本课题的开展，是在原有单个两栖变磁力脚吸盘研宄的基础上进行的。针对脚吸盘的具体应用，以移动机构在导磁壁面上爬行的灵活性，变磁力脚吸盘在稳定吸附的前提下，磁力的实时灵活调整为研宄目的。通过对已有四足壁面爬行机器人的研宄，结合四足爬行动物的行走原理。建立了四足壁面爬行机器人的三维模型，并对其移动方式进行了步态分析规划。通过对其吸附时不同位姿状态下的受力分析，给出了单足稳定吸附时的磁力要求。在磁力分析之后对脚吸盘的磁力调控装置进行了设计，并采用ADAMS软件与MATLAB软件联合仿真的方法进行了分析，通过这一方法的应用为磁力调控装置,控制参数的确定提供了设计依据。最后研发以TMS320F2812型DSP芯片为核心的力控制板和相关程序的编写，为四足壁面爬行机器人变磁力的实时灵活调控提供了保证。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 研究背景  9
  1.2 四足式壁面移动机器人的国内外研究现状  9-12
  1.3 爬壁机器人变磁力控制技术的研究现状  12-14
  1.4 本文的研究目的及意义  14-15
  1.5 本文的研究内容  15-16
  1.6 本章小结  16-17
第二章四足壁面爬行机器人的设计和运动分析  17-23
  2.1 引言  17
  2.2 四足壁面爬行机器人模型设计  17-19
    2.2.1 运动方式选择  17-18
    2.2.2 结构设计  18-19
  2.3 四足壁面爬行机器人移动方式分析  19-22
  2.4 本章小结  22-23
第三章四足壁面爬行机器人变磁力脚吸盘磁力调控分析  23-35
  3.1 引言  23
  3.2 四足壁面爬行机器人足端磁吸附力分析  23-30
    3.2.1 足端磁吸附力的确定原则  23-24
    3.2.2 运动时的受力分析  24-30
  3.3 四足壁面爬行机器人足端永磁铁的设计  30-33
    3.3.1 永磁铁的选择  30-31
    3.3.2 足端永磁铁磁力的计算  31-33
  3.4 四足壁面爬行机器人磁力的调控  33-34
  3.5 本章小结  34-35
第四章变磁力脚吸盘磁力调控装置的仿真分析  35-46
  4.1 引言  35
  4.2 变磁力脚吸盘磁力调控装置的ADAMS分析处理  35-40
    4.2.1 构建磁力调控装置的虚拟样机分析模型  35-38
    4.2.2 定义零件材料属性  38
    4.2.3 模型的运动副分析及受力加载  38-39
    4.2.4 输入输出变量的设定  39-40
  4.3 变磁力脚吸盘磁力调控装置在MATLAB中的分析处理  40-42
    4.3.1 将ADAMS分析后的模型导入到MATLAB软件中  40-41
    4.3.2 MATLAB仿真控制方案的建立  41-42
  4.4 ADAMS与MATLAB联合仿真结果分析  42-45
  4.5 总结  45-46
第五章四足壁面爬行机器人脚吸盘力的控制系统研制  46-61
  5.1 引言  46
  5.2 控制系统方案设计分析  46-47
  5.3 控制系统的硬件设计  47-56
    5.3.1 传感器的选用及分析  47-49
    5.3.2 力控制板的硬件设计  49-54
    5.3.3 步进电机驱动器的硬件设计  54-55
    5.3.4 力控制系统硬件连接图  55-56
  5.4 力控制系统的软件设计  56-60
    5.4.1 力控制系统的软件开发环境介绍  56
    5.4.2 力控制系统的程序设计  56-59
    5.4.3 力控制板的性能测试  59-60
  5.5 本章小结  60-61
第六章总结与展望  61-63
参考文献  63-68
致谢  68-69
个人简历  69

四足壁面爬行机器人变磁力脚吸盘力控制技术的研究

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