轮足复合式微小型爬壁机器人机构与控制研究

本文以反恐侦查为应用背景，以国家“863”计划支持项目 “微小型爬壁机器人系统样机的研制” （编号：2005AA420230）为依托，在两足尺蠖式微小型爬壁机器人研究的基础上，针对微小型爬壁机器人的机构与控制的难点问题，提出了新型的爬壁机器人机构并设计了机器人的硬件控制系统。本文主要包括以下五方面的研究工作：1.提出了一种新型的轮足复合式爬壁机器人机构，对机器人的机构进行了分析与综合；2.推导了机器人的运动学方程，分析了机器人的移动与越障机理，仿真分析了机器人的移动与越障性能；3.针对控制系统功能模块化的要求，设计了基于DSP与CPLD的硬件控制系统；4. CPLD的硬件逻辑功能设计，实现了控制系统软件功能的硬件化；5. 轮足复合式爬壁机器人系统样机的实验研究。 一、在腿足式和轮式爬壁机器人研究的基础上，基于行星轮系运动及双足真空吸附原理，提出了一种新型轮足复合式爬壁机器人机构；针对机器人功能要求，对机器人的机构进行了设计与分析研究，机器人的运动关节采用非对称设计，将运动与姿态调整复合，减少了运动关节数，结构紧凑。 二、基于D-H坐标变换方法对机器人的运动学特性进行了分析，在此基础上分析了机器人的移动及越障机理，即直线行走、平面旋转和交叉壁面的跨越分析；分析了外角交叉面跨越过程中机器人距离交叉面的安全距离参数范围；仿真分析比较了本文提出的新型轮足复合式爬壁机器人与两足尺蠖式爬壁机器人的运动性能和越障能力。 三、针对机器人控制系统功能的模块化难点问题，设计了基于DSP与CPLD的硬件控制系统；利用CPLD中的硬件逻辑模块可重复调用的优点，方便的实现控制系统功能的扩展，实现了控制系统硬件设计的模块化；CPLD用户自定I/O引脚的功能，有利于提高控制系统硬件设计的灵活性。 四、分析了DSP采样查询方式的系统功能扩展DSP资源占用率高的问题，将原来由软件实现的功能改为在CPLD中由硬件实现，降低了DSP的资源占有率，提高了控制系统的稳定性，实现了控制系统软件功能的硬件化。 五、以新型了轮足复合式爬壁机人样机为实验平台，验证机器人移动与越障机理的理论分析与仿真分析正确性，控制系统的稳定性，以及无线通讯和图像传输的可靠性。 关键词 爬壁机器人；行星轮系；真空吸附；嵌入式控制系统