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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。
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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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