狭小空间作业绳驱分段联动机器人设计及控制研究.pdf

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1、硕士学位论文狭小空间作业绳驱分段联动机器人设计及控制研究RESEARCHONDESIGNANDCONTROLOFSUBSECTIONLINKAGEROBOTFORROPEDRIVEWITHNARROWSPACE付亚南哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文狭小空间作业绳驱分段联动机器人设计及控制研究硕士研究生：付亚南导师：徐文福教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP24

2、2U.D.C:621AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringRESEARCHONDESIGNANDCONTROLOFSUBSECTIONLINKAGEROBOTFORROPEDRIVEWITHNARROWSPACECandidate：FUYa`nanSupervisor：Prof.XUWenfuAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegreeinEngineeringSpeci

3、ality：MechatronicsEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要面对灾害救援、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

4、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

5、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，进一步节省了空间。上述设计有利于操作臂的小型化和轻质化，紧凑的驱动箱内部设计也极大地减小了其包络尺寸，为机器人提供了更好的极限环境适应能力和狭小空间作业能力。根据设计的绳驱分段联动机器人结构，建立了系统的运动学模型并开展绳索耦合分析，进一步推导了耦合补偿方程以提高机器人的运动精度。推导的运动学模型和耦合方程反映了电机、绳索、运动副及机器人末端的多层映射关系。在此基础上，开发了由PC上位机和机载嵌入式控制器组

6、成的控制系统。上位机面向操作者，不同的上位机软件满足不同场合及功能的使用需要；下位机以ARM芯片为处理器，集成了传感器采集、信息处理、控制指令生成、CAN通讯等功能。在上述工作的基础上，开发机器人样机、进行性能测试，并进一步开展典型任务实验。实验结果表明：样机性能指标达到设计要求，运动性能灵活稳定，弯曲曲率连续，满足小空间环境的操作要求。关键词：绳驱冗余机器人；分段联动机器人；狭小空间作业；运动规划；嵌入式控制-I-AbstractAbstractFacedwithdisaster-relief,geologicalsurveys,nuclearandradi

7、ationequipmentmaintenance,toxicwastedisposal,andothersmall,multi-barrier,high-riskoperatingenvironments,specialrobotswithslenderbodyshapeandredundantdegreesoffreedomhavegreatapplicationprospects.Becomethemaintaskofworkunderextremeconditions.Traditionalarticulatedrobots,whosemotors,s

8、peedreducers,sensor