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微小步行爬壁机器人驱动与位置检测技术及系统

刘京诚  
【摘要】:机器人技术作为高技术的一个重要分支,它综合应用了多学科的最新成果,代表着高技术的前沿。随着它在人类生活中的应用领域的不断扩大,推动了人们对机器人技术作用和影响的重新认识。机器人技术正在成为21世纪研究的热点,从某种意义上讲,一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。 机器人微型化是当前和今后一段时期机器人技术发展的一个重要方向。本文研制的微小步行爬壁机器人是一种特种机器人,它采用永磁场和电磁场相互作用的驱动方式,具有体积小,驱动控制灵活的特点,便于进入狭小空间、管道以及人难以到达的导磁面,完成各种检测工作。 论文首先对现有机器人的各种新型驱动原理及驱动方式进行了大量的分析对比研究,提出了一种适用于微小步行爬壁机器人的新颖工作原理和电磁直接驱动方式。通过对微小步行爬壁机器人驱动系统受力情况的分析研究,以及对现有永磁、软磁材料性能的分析研究和对比,根据在给定了永磁铁的条件下,如何使机器人具有足够大的驱动力这一影响机器人结构设计的重要因素,确定了满足课题要求的永磁和软磁材料,并对机器人驱动系统的永磁及电磁磁路进行了理论分析。 论文还对微小步行机器人驱动方式及结构进行了研究,提出了三种驱动方式及实现结构形式,研制出了两种结构的微小步行爬壁机器人实验样机。设计了检测机器人驱动力的微力测量装置,并对三种驱动方式的驱动力进行了实验测量。同时针对影响驱动力大小的各种因素进行了理论分析与实验研究,理论分析和对比实验得出了一致的结论。 论文对微小步行爬壁机器人的运动状况、控制时序进行了理论分析,建立了微小步行爬壁机器人运动的数学模型。分析了机器人驱动、控制的特点,提出了该机器人驱动和控制电路的实施方案。分析了基于两个PSD和三个PSD的三维位置检测系统,提出了一种基于改进的三角法测量模型,应用单个二维PSD检测机器人三维位置的新方法。 论文研究和设计了用于微小步行爬壁机器人的位置检测硬件系统。包括二维PSD的结构、工作原理和各项性能参数、PSD信号处理电路、LED循环点亮系统、A/D转换卡、光学镜头和PC等。详细介绍了位置检测系统的软件模块,包括数据采集模块、数据处理模块和数据显示模块。采用Borland C++ Builder5.0和MatLab5.3作为开发工具,保证了检测软件的易用性、高效性和灵活性。通过大量实验验证了本文研究的检测方法的正确性和可行性。论文还对该位置检测系统的 WP=6 误差进行了初步分析,提出了改进的方向,为以后该测量方法和系统的优化与应用提供了参考。 本课题研究的“微小步行爬壁机器人及驱动方法”以及“测力传感器”已获得国家发明专利和实用新型专利。 本文为微小步行爬壁机器人驱动系统和三维位置检测技术提供了一种新颖的方法和途径。


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