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仿变形虫机器人控制系统设计

作　者: 侯继平
导　师: 梅涛；骆敏舟
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 阿米巴运动机制 皮肤翻转模式 柔性机体 搜救机器人 nRF905
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 168次
引　用: 1次
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内容摘要


2008年5月12日,这一天对于我们所有中国人来说,将会是心中永远的痛。69142人在汶川地震中丧失生命,大量的房屋变成了废墟。我国是世界上灾难发生最为严重的少数国家之一,具有灾害种类多、发生频率高和分布地域广等特点。近年来地震和矿难事故在我国频频发生,给公众安全和国民经济带来极大的破坏作用,引起了相关领域专家和学者们的注意。灾难发生后,还有幸存者被困在废墟下,而灾后的搜救存在着种种的困难。地震后存在着极易发生二次倒塌建筑物的现场环境,施救人员在自身安全得不到保证的情况下很难深入现场进行侦察或施救。此外废墟中形成的狭小空间使得搜救人员甚至搜救犬也无法进入。借助于救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡,它们不但能够帮助工作人员执行救援工作,甚至能够代替工作人员执行搜救任务,将会在灾难救援中起着越来越重要的角色。本文介绍了搜救机器人的国内外研究状况和意义,对传统已有的搜救机器人结构和移动方式进行了总结和分析。考虑到倒塌的环境中存在很多狭小空间,相比于金属和硬性材料制成的搜救机器人,软体结构机器人会更有优势。我们该机器人就是模拟阿米巴运动机制,在直流电机带动束缚在机器人机体表面的绳索收缩驱动下发生变形,实现前进,后退等运动的柔体机器人。该机器人采用柔性薄膜作为机器人的皮肤,同时将柔性薄膜材料制成圆环柱状结构,并在形成的圆环柱内注入液体。根据该机器人此结构状态下运动过程的受力分析和仿真,完成该机器人的控制模块的设计。采用的C8051系列控制芯片和nRF905无线收发模块为本机器人设计了控制系统。该硬件电路包括了控制电路,驱动电路,信号收发电路,信号采集电路以及外围电路的设计,同时进行了相应的控制代码设计。通过实验展示在该控制系统的作用下,利用直流电机带动束缚在机器人表面绳索的收缩,可实现驱动仿阿米巴机器人的运动。从而证明了为本系统设计的控制系统的可行性,也同时证明了皮肤翻转方式作为柔性机器人运动方式可行性。这是对变形虫机器人的初步研究,使得柔体机器人在将来能够在灾后搜救甚至是更多方面应用成为一种可能。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 引言  9
  1.2 搜救移动机器人研究现状  9-14
  1.3 本课题研究内容和意义  14-17
第二章 仿变形虫机器人运动机制及其机体结构设计  17-23
  2.1 仿变形虫运动机制  17-20
    2.1.1 尾部收缩模式  19
    2.1.2 前端收缩模式  19
    2.1.3 整体皮肤翻转运动  19-20
  2.2 仿变形虫的机体结构设计—FFT结构  20-23
第三章 仿变形机器人驱动  23-33
  3.1 仿变形虫机器人的驱动原理  23
  3.2 仿变形虫机器人驱动结构  23-27
    3.2.1 仿变形虫机器人的驱动结构探索I—IPMC驱动材料  23-26
    3.2.2 非弹性绳驱动的结构设计II  26-27
  3.3 直流电机  27-31
    3.3.1 直流电机的启动  28-29
    3.3.2 直流电机的制动  29
    3.3.3 电机调速原理  29-31
  3.4 齿轮减速机  31
  3.5 微型减速直流电机GM12-N20VA  31-32
  3.6 可行性实验演示—利用拉力绳进行尾部皮肤收缩实验  32-33
第四章 仿变形虫机器人的控制系统设计与实现  33-63
  4.1 仿变形虫机器人控制理论  33-42
  4.2 仿变形虫机器人的控制系统  42-46
    4.2.1 控制系统概述  42-43
    4.2.2 控制系统方案  43
    4.2.3 控制系统结构  43-45
    4.2.4 控制系统硬件结构  45-46
  4.3 硬件设计  46-53
    4.3.1 主控电路设计  46-47
    4.3.2 电源电路设计  47-48
    4.3.3 电机驱动设计  48-50
    4.3.4 无线模块设计  50-51
    4.3.5 串口通信模块设计  51-52
    4.3.6 调试模块设计  52
    4.3.7 电路板制作工艺  52-53
  4.4 控制代码设计  53-62
    4.4.1 微控制器初始化  55-56
    4.4.2 无线控制模块  56-60
    4.4.3 直流电机驱动模块  60-62
  4.5 实验结果  62-63
第五章 总结和展望  63-65
  5.1 全文工作总结  63-64
  5.2 工作展望  64-65
参考文献  65-69
致谢  69-71
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  71

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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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