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柔性仿壁虎机器人控制系统研究

于树林  
【摘要】:壁虎能够在不同材质的平面上快速灵活地移动,如墙壁、天花板。爬壁机器人仿照壁虎这种特有的爬行能力可以实现机器人在竖直面和倒置面上的爬行,这种很强的环境适应性可以帮助甚至代替人类完成一些不能胜任的工作,具有广泛的应用前景,对于机器人技术的发展具有重要的意义。本文提出了一种基于柔性仿壁虎机器人的控制系统设计,主要研究了仿壁虎机器人的步态规划、控制系统的硬件和软件设计。 本文首先介绍了爬壁机器人的国内外研究现状、发展趋势以及课题研究意义,分析了国内外对爬壁机器人吸附方式和移动方式的研究,重点介绍了目前壁虎脚掌的黏附机理的研究现状,然后扼要阐述了仿壁虎机器人的仿生机构模型,机器人采用四足对称式,腿部采用四连杆结构,脚掌底部由微纳米黏附阵列制成。针对仿壁虎机器人躯体特殊柔性机构,提出了基于CPG的步态控制研究方法,在此基础上规划了机器人的对角线步态,设计了以AVR单片机为核心控制器的分布式控制系统,主要包括控制系统硬件设计和软件设计的研究。控制系统的硬件设计包括驱动系统,主机系统和从机系统,分别具体介绍了电机的控制原理、控制方法和各个模块的详细电路设计。控制系统的软件设计采用上-下位机分布式控制方法,主要包括主机程序设计、从机程序设计和控制信号的算法解析,主机程序模块主要实现步态规划和数据发送,从机程序模块主要实现数据接收、数据解析和多路控制信号的发生。以CodeVisionAVR为编译环境,以AVR Studio为调试环境设计和调试各个模块的程序。 最后,经过试验分析,本文设计的仿壁虎机器人控制系统达到了预期的功能要求,具有体积小重量轻、控制精度高、稳定性好、控制简单、抗干扰性强等特点,实现了仿壁虎机器人在平面和30度斜面上的稳定爬行。


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