论文部分内容阅读
爬杆机器人在树木修剪、路灯更换、高空侦察等高空领域的应用前景得到广泛关注,近些年逐渐成为国内外机器人领域的研究热点之一。本文基于课题组开发的新型五自由度模块化双手爪式仿生爬杆机器人Climbot,对其攀爬控制相关问题进行了探讨。首先,本文设计了Climbot的控制系统。爬杆机器人Climbot采用模块化设计思想,传统的多轴运动控制卡已不合适。本文设计了基于单轴伺服驱动器的分布式控制系统,将各关节模块通过CANopen协议联系起来。其次,本文对Climbot进行了运动学及动力学建模。首先采用描述连杆机构的D-H法进行运动学建模;然后在不考虑连杆柔性及关节摩擦等因素影响时,采用欧拉–拉格朗日的方法对其进行动力学建模,并对典型步态攀爬进行了动力学仿真实验。再次,针对攀爬控制的需要,本文设计了一套适合Climbot的遥操作系统。重点讨论了遥操作输入设备–摇杆与机器人运动的映射关系,包括摇杆按钮及3D轴的功能设计和各步态操作坐标系设计。尤其是,本文深入讨论了机器人交换夹持端后的运动学描述问题,认为交换夹持端后,通过乘以变换矩阵即可将交换夹持端前后的机器人在同一坐标系中描述。本文还讨论了Climbot在平面攀爬情况下的可夹持空间问题,对可夹持空间的求解结果可作为操作者的参考。另外,为了验证相关算法设计合理性和实际系统使用的安全性,本文还设计了一套虚拟攀爬仿真系统,操作者可通过3D浏览器完成三种基本步态攀爬实验,并感受到操作机器人带来的乐趣。最后,本文开发了Climbot的控制软件,可满足爬杆实验需求。Climbot的室内外遥操作爬杆实验及拧灯泡应用示范实验都取得成功,证明了本文设计的摇杆操作系统的有效性。本文还对Climbot使用的单轴伺服驱动器的伺服控制原理及参数调节作了探讨,对机器人以尺蠖步态爬杆时关节运动参数的跟踪结果表明伺服参数对系统稳定性的影响很大。