柔性仿壁虎机器人控制系统及研究.pdf

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摘要 摘 要 壁虎能够在不同材质的平面上快速灵活地移动,如墙壁、天花板。爬壁机 器人仿照壁虎这种特有的爬行能力可以实现机器人在竖直面和倒置面上的爬 行,这种很强的环境适应性可以帮助甚至代替人类完成一些不能胜任的工作, 具有广泛的应用前景,对于机器人技术的发展具有重要的意义。本文提出了一 种基于柔性仿壁虎机器人的控制系统设计,主要研究了仿壁虎机器人的步态规 划、控制系统的硬件和软件设计。 本文首先介绍了爬壁机器人的国内外研究现状、发展趋势以及课题研究意 义,分析了国内外对爬壁机器人吸附方式和移动方式的研究,重点介绍了目前 壁虎脚掌的黏附机理的研究现状,然后扼要阐述了仿壁虎机器人的仿生机构模 型,机器人采用四足对称式,腿部采用四连杆结构,脚掌底部由微纳米黏附阵 列制成。针对仿壁虎机器人躯体特殊柔性机构,提出了基于CPG 的步态控制研 究方法,在此基础上规划了机器人的对角线步态,设计了以AVR 单片机为核心 控制器的分布式控制系统,主要包括控制系统硬件设计和软件设计的研究。控 制系统的硬件设计包括驱动系统,主机系统和从机系统,分别具体介绍了电机 的控制原理、控制方法和各个模块的详细电路设计。控制系统的软件设计采用 上-下位机分布式控制方法,主要包括主机程序设计、从机程序设计和控制信号 的算法解析,主机程序模块主要实现步态规划和数据发送,从机程序模块主要 实现数据接收、数据解析和多路控制信号的发生。以CodeVisionAVR 为编译环 境,以AVR Studio 为调试环境设计和调试各个模块的程序。 最后,经过试验分析,本文设计的仿壁虎机器人控制系统达到了预期的功 能要求,具有体积小重量轻、控制精度高、稳定性好、控制简单、抗干扰性强 等特点,实现了仿壁虎机器人在平面和30 度斜面上的稳定爬行。 关键词:仿壁虎机器人 中枢模式发生器 控制系统 步态规划 I Abstract ABSTRACT Geckos move fastly and flexibly on flats of different normal planes, such as walls and ceilings. By imitating gecko’s climbing ability, climbing robots are created to work on vertical and some invert surfaces. This robot can adapt different rugged environments replacing people, thus it has wide application prospect and the research on climbing robots turns very meaningful to the robot technology. In this paper, a control system is proposed based on the flexible gecko robot, including the gait planning, hardware design and software design of the robot’s control system. The current research situation of climbing robots and the research significance of the program are introduced, while the research of the adsorb method and the movement of climbing robots are analyzed. The emphasis is to introduce the study situation on the adsorb mechanism of current created climbing robots’soles. Then the main bionic structure of the gecko robot is described. The robot consists of four symmetrical legs with four bar linkage structure, and the sole of the robot’s foot is

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