论文部分内容阅读
多足仿生爬壁机器人是多足仿生机器人的一个重要分支,是应用于高空特殊环境作业的一种智能机械设备。因蜘蛛具有与众不同的生理结构、能适应复杂的环境、并具有全地形爬行能力等特点,成为了国内外仿生机器人研究的重要对象。近年来隧道数量剧增,加大了隧道养护的工作量和难度的同时,也带来了巨大的安全隐患。针对应用于隧道检测的仿蜘蛛爬壁机器人,本文对其机械结构、运动学、动力学、足端轨迹规划、步态规划以及控制系统等方面展开研究。本文首先介绍了本课题仿蜘蛛六足机器人的研究背景及国内外爬壁机器人的发展现状;然后,在分析蜘蛛生理结构的基础上,以实现隧道检测功能为目标,设计了隧道检测机器人的机械结构及其基于Arduino 101+QSC的分层控制系统;随后,在建立了仿蜘蛛机器人摆动足运动学和动力学模型的基础上,提出基于高阶组合样条插值法对足端轨迹进行规划,并对该算法进行仿真实验,证明其有效性;紧接着,设计了本课题机器人适应于隧道壁面爬行的运动步态;最后,在完成实验平台搭建的基础上,对机器人直行步态进行验证。本文的主要研究内容是:(1)设计了一种具有3个主动驱动关节的高自由度机器人腿部结构,并在其末端用球铰连接了仿生粘性脚掌,使本文仿蜘蛛六足机器人能够在各种复杂环境下进行隧道检测作业。(2)提出了一种新的足端避障轨迹规划算法:实验仿真证明,该算法能有效适应于本课题机器人的足端轨迹规划,在保障机器人安全性的前提下,提高了机器人的工作效率。(3)设计了适应于隧道壁面爬行的垂直三足步态、转向三足步态和避障波动步态,分析了各种步态中机体运动与腿部关节的关系以及垂直三角步态中影响机器人工作稳定性的因素,最后在实验平台上实施垂直三足步态实验,实验表明步态规划的合理性。(4)完成了机器人控制系统软硬件平台选型和设计工作,通过开源电子平台Arduino IDE软件定义了PS2无线手柄与QSC舵机驱动板的通讯协议,在搭建的仿蜘蛛机器人实验平台上,实施了三足步态直行实验,实验表明机器人控制系统设计的有效性。