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行星轮式爬楼梯机器人小车的研究

童俊华  
【摘要】: 楼梯是人造环境中的最常见的障碍,也是移动机器人最难跨越的障碍之一。本论文主要研究爬楼机器人行走机构的结构设计。在深入分析爬楼机构及其攀爬对象的基础上,设计了相对优势较明显的轮组结构爬楼机器人。对机器人小车的运动学模型进行分析,论证小车实现任意曲线运动所包含的自转、直线前进、圆弧前进三个基本运动单元的可行性。并基于机器人速度匹配的控制基础上,进一步实现机器人运行中的轨迹控制。引入虚拟样机技术,通过SolidWorks三维建模,导入动力仿真软件ADAMS进行仿真。对小车上下楼梯过程中车体倾角的变化进行了分析,并找到了影响其波动的原因,提出了改善意见;对上下楼过程中轮组所受力矩,以及前后轮组的功率变化进行了仿真,得到有力的分析参数,促进机构结构和传动设计的优化,为制作出性能优良的物理样机节约了成本。文章最后研究设计了在结构环境下,以单片机C8051F310为核心的爬楼控制系统。在控制系统中,采用超声波传感器的对称排列,获取了自主上楼梯所必须地两个关键参数θ和q;对驱动大功率电机的电路进行分析,替换通常使用驱动芯片L298N的电路,设计了更适合大功率,更安全性电机驱动电路。根据机器人车体主要结构参数的设计,制作了物理样机,实践验证了方案的可行性。论文所作的工作,为进一步设计出结构性能更优,控制智能更高的爬楼机器人控制搭建了良好平台。


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