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壁面爬行机器人设计及路径规划研究

陈震  
【摘要】:壁面爬行机器人属特种作业机器人,在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域均有广泛的应用,自二十世纪六十年代出现以来,一直受到世界各国的关注,具有广阔的应用前景。本文成功地开发了一种集移动、转向和越障功能于一体的全方位移动多壁面爬行机器人,并对爬壁机器人的机构设计、运动学与动力学、路径规划以及控制系统等关键技术展开了研究。 论文首先介绍了壁面爬行机器人的国内外发展现状和应用情况,通过阅读大量文献和借鉴已有的类似成果,理论联系实际,提出了机器人本体结构方案。分析表明该机器人既能够在地面和垂直墙壁等面上爬行,又能适应一定曲率范围的球形壁面、具有越障能力强、负载大、能任意方向直行或在原地旋转任意角度,是对高层壁面或容器清洗、喷漆及维护和检测的良好载体,具有一定的理论意义和实用价值。 建立了机器人静力学模型,进行了力学分析,同时还对机器人进行运动学分析,建立运动学方程和位姿误差运动学模型。在机器人本体机构的基础上对控制系统的进行了总体设计和分析,从硬件和软件两方面对控制系统提出了设计思想,控制方式和性能特点。 本文研究了一种新型的完全遍历路径规划,使机器人无遗漏地覆盖整片工作区域,同时能自主避开障碍。对全局路径规划,本文采用了迂回式规划方法,并且利用模块化设计思想将复杂的全区域覆盖全局路径规划问题分解成若干较简单的子问题,逐一加以解决。对全区域覆盖的局部路径规划,本文采用了一种模糊控制算法,利用模糊控制算法自身所具有的鲁棒性和基于生物学上的感知一动作的行为相结合。 论文最后根据路径规划的方法设置了环境模型,对算法进行了仿真实验,结果验证了其过程和结论的正确性。


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