蛇形机器人的机构设计及控制系统研究

• 作 者: 田路
• 出 处: 北京化工大学
• 发表日期: 2017年01期
• 关键词: 蛇形臂 驱动装置 绳索驱动 TwinCAT软PLC 控制系统

蛇形机器人是依照生物蛇的身体结构特征和运动特性而研制的冗余性机器人。本文主要设计了一种绳索驱动的蛇形机器人,采用绳索驱动来实现连续关节的运动,使其能够在狭小、未知的环境中灵活运动。相比于传统的机器人,该机器人具备运动灵活、控制效率高的特点。首先,根据绳索驱动方式的特点,确定了该机器人的基本功能要求和性能指标。针对所述的要求对该机器人的本体机构进行具体设计。本体机构的设计包括蛇形臂设计、驱动装置设计和移动平台设计。蛇形臂采用5个关节串联而成,各关节之间采用十字轴万向节连接,同时确定了相邻关节的最大偏转角度。由于关节的驱动方式采用绳索驱动,所以设计了一种集中排布驱动元件和拉线装置的驱动装置,同时将驱动装置安装蛇形臂的后端。通过设计由行走丝杠滑台组成的移动平台,使得蛇形机器人具备前进和后退的运动。结合移动平台的移动,该机器人能完成复杂多变的运动。然后,根据该机器人的本体机构的特点以及绳索驱动的模式对该机器人进行运动学分析。对蛇形臂建立D-H坐标系,列出蛇形臂的正向运动学方程,并求解对应方程。同时,简化相邻关节模型,根据关节的偏转角度,计算出每根绳索的变化长度,转化为对应的电机的脉冲数,从而控制关节的运动。最后,建立了以TwinCAT软PLC为主控单元的控制系统。系统内部的数据通信采用EtherCAT和CAN总线组合形式。蛇形机器人的在线运动控制程序运用PLC和C++混合编程方式进行编写。本文还设计了图像采集模块,使得蛇形机器人具备视频监控和侦查的功能。对蛇形机器人的机构零件进行加工并完成整体装配。并对其进行实体实验,验证本体机构的整体性能以及控制系统的稳定性。