连续体震后救援机器人控制系统研究

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近年来地震和矿难事故在我国频频发生,给公众安全和国民经济带来极大的破坏作用,引起了相关领域专家和学者们的注意。目前灾后搜救机器人的研究大多是针对废墟表面的,应用于废墟内部的搜救机器人研究目前开展的还不多。因而,研发一种能用于废墟内部狭缝的搜救机器人就显得迫切而重要。  本文在对比分析了各类救援机器人的优缺点后,针对“地震后废墟内部狭缝的非结构环境下搜救系统”项目课题提出的要求,从实际应用角度出发,提出了一种新型的机器人-连续体机器人。本文主要基于连续体柔性弹簧这种机械结构,重点研究开发适用于该连续体机器人的控制系统。其主要工作内容包括以下几方面:  1、根据课题的要求,对连续体救援机器人的运动机制和驱动形式进行研究;从而,得出连续体救援机器人控制系统的设计方案和总体控制框图。  2、在连续体救援机器人控制系统整体方案的指导下,对连续体救援机器人控制系统进行硬件设计,该控制系统的硬件平台采用模块化的设计思想,以小尺寸、低功耗的主控芯片STC12C5A60S2作为控制系统的核心,将整个硬件平台分成功能上相对独立的模块—数据采集、运动控制和辅助救援控制模块等部分。运动控制系统采用半自主式的控制策略,对多个弯曲和旋转电机以及软轴伸缩电机进行控制,使连续体救援机器人实现连续的弯曲和旋转运动,并有一定程度的伸缩,从而,保障连续体救援机器人具有良好的避障能力和通过性。  3、根据连续体救援机器人的控制功能需求,采用基于状态机的编程方法,对连续体救援机器人的控制系统软件进行设计。具体编写了各功能子模块的控制程序,并给出了关键技术部分的程序流程图。  4、对连续体救援机器人控制系统的软、硬件功能进行了试验;并且,进行了连续体救援机器人控制系统综合功能的集成测试。综合功能集成测试的结果符合预期的目标,说明本文采取的半自主控制策略是可行的;并且,连续体救援机器人控制盒能够初步实现其预定的控制功能,满足了震后废墟内部狭缝搜救机器人的应用要求。
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