狭小空间作业绳驱分段联动机器人设计及控制研究

发布时间：2023-02-28 18:47

　　面对灾害救援、地质勘测、核与辐射设备维修、有毒废弃物处置等狭小、多障碍、高风险的作业环境,体型纤细且拥有冗余自由度的特种机器人具有极大的应用前景,未来有望成为极端环境下的作业主力。传统关节式机器人其电机、减速器、传感器及控制器均集成于关节模块,整臂体积与质量大,难以满足狭小空间操作要求。本文设计了一种机电分离、臂段轻质、可达域广,且具备良好弯曲特性与灵活运动能力的绳索驱动分段联动机器人,完成样机研制并开展典型任务实验。针对狭小空间作业环境的特点及需求,分析并确定了机器人的功能及性能要求,提出了一种分段联动、段内全联动的绳索机器人方案。整个机器人由操作臂和驱动箱组成,基于机电分离的思想,电机、传感器及控制器集成于驱动箱中而无须直接暴露在恶劣环境中,作为运动部件的操作臂不包含电气元件因而可适应极端环境。操作臂长1.55米,由4个臂段组成,具有8自由度运动能力,可穿越40毫米狭小空间。每个臂段由3根钢丝绳驱动,臂段内的同向自由度彼此耦合联动,确保了整臂弯曲时的外形曲率连续。驱动箱的设计上实现了12个电机按阶梯状立式排布,旋转编码器安装在钢丝绳绕过的轮轴处,提高了集成度,大大减小了尺寸,进一步...

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 分段联动机器人机械系统设计
    2.1 引言
    2.2 狭小空间作业任务分析及性能指标
        2.2.1 工作环境分析
        2.2.2 机器人性能指标
    2.3 机械系统总体设计方案
    2.4 操作臂设计
        2.4.1 自由度配置
        2.4.2 构型及联动设计
        2.4.3 驱动绳索配置
    2.5 驱动箱设计
        2.5.1 驱动力分析
        2.5.2 电机选型
        2.5.3 构型设计
    2.6 关键零件强度校核及部件选型
        2.6.1 腔壳强度分析
        2.6.2 传感器选型
        2.6.3 绳索选型
    2.7 本章小结
第3章 分段联动机器人运动学建模及解耦分析
    3.1 引言
    3.2 运动学关系分析
    3.3 关节空间与操作空间映射
        3.3.1 正运动学分析
        3.3.2 逆运动学分析
    3.4 关节空间与绳驱空间映射
    3.5 关节空间与绳驱空间解耦分析
    3.6 本章小结
第4章 分段联动机器人控制系统设计
    4.1 引言
    4.2 控制系统总体方案
    4.3 控制系统硬件设计
    4.4 控制系统软件设计
        4.4.1 下位机软件设计
        4.4.2 上位机软件设计
    4.5 本章小结
第5章 分段联动机器人样机与实验
    5.1 引言
    5.2 样机组装
        5.2.1 部件集成
        5.2.2 整机搭建
    5.3 样机实验
        5.3.1 臂段联动实验
        5.3.2 末端重复定位精度实验
        5.3.3 三维空间运动能力实验
        5.3.4 末端直线跟踪实验
        5.3.5 复杂环境越障实验
    5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢



本文编号：3751655