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基于形状记忆合金驱动的小型双足爬壁机器人的研究

作　者: 黄佩佩
导　师: 吴善强
学　校:
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 双足爬壁机器人 SMA 驱动器 DSP
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 74次
引　用: 0次
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内容摘要

随着现代技术的发展，小型化、微型化已成为当前机器人发展的趋势。微小型机器人能进入一般机械系统无法进入的狭窄作业空间进行精细操作而不易被察觉，在军事、民用工业都有着广泛的应用前景。尤其是小型爬壁机器人作为移动机器人的一个特殊分支，能够在复杂的3-D环境如竖直及倒立壁面板上自由运动，收集各种信息以及智能操作，更是备受关注。本文主要针对国内外基于双足爬壁机器人驱动系统多为电机驱动，改用新型智能材料形状记忆合金（SMA）驱动，以减轻爬壁机器人的重量，简化机器人结构，提高机器人在作业期间安全性，是双足爬壁机器人微小型化一次探索性研究。文章首先介绍了智能材料SMA的良好特性与形状记忆效应、SMA驱动器工作的原理，以及不同的驱动结构。然后设计了满足本文机器人要求的SMA弹簧，驱动结构与驱动方式并建立了SMA的数学模型。实验结果与仿真模型能较好的吻合表明，本文建立的SMA的数学模型是有效的。其次，利用solidworks设计了双足爬壁机器人的本体机构，包括转动关节机构、吸附机构。分析了机器人的运动学、以及机器人的步态规划。再次，设计了机器人的控制系统，包括软硬件两部分。控制系统采用模糊控制策略进行控制。硬件上采用DSP微机系统为机器人产生控制信号并采集信号，同时设计了基本的外围电路和驱动器的加热控制电路。最后，根据机器人运动的步态规划，对机器人各种动作进行试验，验证其运动性能。实验表明本文采用的SMA驱动器能够满足设计要求，实现双足爬壁机器人的几种基本动作，机器人能够以19mm/min的速度蠕动，66mm/min的速度翻转。

全文目录

致谢  6-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
目次  10-13
图清单  13-15
表清单  15-16
1 绪论  16-26
  1.1 引言  16-17
  1.2 小型双足爬壁机器人研究现状  17-22
  1.3 形状记忆合金机器人研究现状  22-25
  1.4 本文主要研究内容  25-26
2 形状记忆合金驱动器设计  26-40
  2.1 形状记忆合金材料简述  26-28
  2.2 形状记忆合金驱动器类型  28-30
  2.3 差动式双程驱动器设计  30-33
  2.4 形状记忆合金数学模型  33-36
    2.4.1 形状记忆合金弹簧热力学模型  33-34
    2.4.2 形状记忆合金的相变模型  34
    2.4.3 形状记忆合金一维本构模型  34-35
    2.4.4 形状记忆合金的动力学模型  35-36
  2.5 SMA驱动特性的仿真  36-39
  2.6 本章小结  39-40
3 小型双足爬壁机器人结构设计  40-54
  3.1 机器人本体结构设计  40-44
    3.1.1 结构设计的基本要求  40-41
    3.1.2 整体机构设计  41-42
    3.1.3 转动关节机构设计  42-43
    3.1.4 吸附机构设计  43-44
  3.2 机器人的运动学分析  44-48
    3.2.1 关节变换矩阵  45-46
    3.2.2 逆运动学求解  46-48
  3.3 机器人的步态规划  48-51
  3.4 机器人加工材料的选择  51-52
  3.5 记忆合金的处理  52-53
    3.5.1 形状记忆合金的固定与绝缘处理  52
    3.5.2 形状记忆合金与导线的连接  52-53
  3.6 本章小结  53-54
4 机器人控制系统设计  54-74
  4.1 驱动器控制方法的选择  54-55
  4.2 模糊控制策略  55-60
    4.2.1 模糊控制的基本原理  55-56
    4.2.2 模糊控制器的设计  56-60
  4.3 控制系统硬件部分设计  60-66
    4.3.1 DSP微机系统  60-61
    4.3.2 硬件电路总体设计  61-62
    4.3.3 驱动加热电路  62-63
    4.3.4 电平转换电路  63-65
    4.3.5 光耦隔离电路  65
    4.3.6 信号检测调节电路  65-66
  4.4 软件控制设计  66-72
    4.4.1 控制信号PWM  66-68
    4.4.2 软件流程总体设计  68-71
    4.4.3 应用软件平台  71-72
  4.5 本章小结  72-74
5 步态实验  74-77
  5.1 机器人实验平台  74
  5.2 步态实验  74-76
  5.3 本章小结  76-77
6 总结与展望  77-79
  6.1 本文的主要工作  77
  6.2 本文的创新之处  77
  6.3 本文的不足与改进之处  77-79
参考文献  79-82
附录A 电路实物图  82-83
作者简历  83

基于形状记忆合金驱动的小型双足爬壁机器人的研究

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