森林火灾余火探测机器人机构设计与控制

发布时间：2017-08-18 15:09

  本文关键词：森林火灾余火探测机器人机构设计与控制

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【摘要】：森林火灾频发,对森林生态环境和国民经济的发展带来严重威胁。复杂多变的森林地形环境极大的阻碍了消防救援设备进入,火灾余火的探测和清理工作对每一位消防人员来说都具有较高的危险性。论文针对我国森林火灾及火灾余火探测清理技术与方法的现状,结合六足仿生机器人良好的运动性能,进行了森林火灾余火探测机器人机构的设计与控制系统体系结构的搭建,以期未来应用于森林火灾及余火的探测与清理作业。(1)以“六足虫纲”的身体结构为研究基础,结合国内外多足仿生机器人结构设计的特点,通过Solidwoks三维软件设计六足仿生森林火灾余火探测机器人运动平台及执行机构。机器人执行机构有六条腿、18个自由度,主要由机械腿、躯体、驱动装置组成;执行机构4个自由度,串联关节组成,主要由基座、大臂、肘部、小臂、驱动电机等零部件组成;并进行了驱动电机、减速器、控制器的选型、传感器系统的安装等工作。(2)为更好的对森林火灾余火探测机器人进行路径规划和运动控制,对六足机器人进行运动学及动力学分析。详细分析了森林余火探测机器人机械腿及执行机构末端空间位置坐标的运动学求解,通过D-H方法建立腿部和执行机构空间坐标系,利用运动学正解方程根据关节转角分别求解出腿部足端的位置坐标、末端执行器的空间位置坐标。并利用运动学逆解,在已知空间位置坐标的基础上,求解机械腿部关节和执行机构各关节的旋转角度,为机器人具备卓越的作业性能打下良好基础。(3)运用ADAMS软件对所设计的森林余火探测机器人三维模型进行运动学仿真分析,机器人在平坦路面和崎岖斜坡爬行仿真实验得出机器人质心位移、腿部基关节、股关节、膝关节角速度和所受力矩。仿真曲线得出机器人在平坦路面和斜坡爬行过程中机器人具有良好的稳定性,验证了机器人运动平台结构设计的合理性和正确性。通过机器人执行机构运动仿真分析得出末端执行器空间位移和执行机构基座关节、腕关节、肘关节所受力矩曲线,验证了执行机构具有一定的清理障碍物的能力,能够为机器人运动过程中的清障作业提供支撑。(4)根据森林余火探测机器人复杂多变的作业环境和作业要求,提出了机器人运动控制及火灾余火探测等控制系统的基本要求。从机器人腿部关节和执行机构关节自由度的数量、传感器信息的融合传递、森林火灾余火信息检测、森林地形环境适应、障碍物的清理等方面提出了控制系统的体系结构。将机器人控制系统分为中央控制模块、传感器模块、运动控制模块、驱动执行模块、火灾余火信息检测模块五部分。机器人控制系统中所需的控制器,惯性导航系统、供电电池、直流伺服驱动、烟雾、温度、火焰等各类传感器的规格参数。设计了机器人控制系统的体系结构,分析了自动和手动控制模式的特点和应用情况,为后续机器人的精确控制打下坚实的理论基础。
【关键词】：森林火灾 余火探测 六足机器人 ADAMS 控制系统
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• abstract5-9
• 第一章 前言9-15
• 1.1 课题来源9
• 1.2 课题研究背景与意义9
• 1.3 森林火灾余火探测机器人行走机构研究现状9-13
• 1.3.1 轮式行走机构9-10
• 1.3.2 履带式行走机构10-12
• 1.3.3 多足行走机构12-13
• 1.4 森林火灾余火探测机器人的导航研究进展13
• 1.5 森林火灾余火探测机器人相关技术分析13-14
• 1.6 课题研究内容14-15
• 第二章 森林火灾余火探测机器人机械结构设计15-24
• 2.1 引言15
• 2.2 机器人整体构造15-16
• 2.3 机器人腿部机械结构设计16-19
• 2.3.1 单腿结构16-17
• 2.3.2 驱动装置17-19
• 2.4 躯体机械结构19-20
• 2.5 执行机构设计20-23
• 2.5.1 执行机构驱动系统21-22
• 2.5.2 执行机构构件22-23
• 2.6 小结23-24
• 第三章 森林火灾余火探测机器人运动学分析24-39
• 3.1 引言24
• 3.2 机器人运动空间位置和速度24-28
• 3.2.1 机器人摆动腿空间位置分析24-28
• 3.2.2 机器人运动速度分析28
• 3.3 机器人执行机构运动学分析28-33
• 3.3.1 执行机构正运动学计算30-32
• 3.3.2 执行机构逆运动学计算32-33
• 3.4 步行足动力学分析33-37
• 3.5 小结37-39
• 第四章 森林火灾余火探测机器人仿真分析39-52
• 4.1 引言39-40
• 4.2 ADMAS运动学建模40-42
• 4.3 ADAMS运动学仿真分析42-46
• 4.3.1 机器人运动平台仿真42-44
• 4.3.2 机器人执行机构仿真44-46
• 4.4 ADAMS仿真结果分析46-51
• 4.4.1 运动平台仿真结果分析46-49
• 4.4.2 执行机构仿真结果分析49-51
• 4.5 小结51-52
• 第五章 森林火灾余火探测机器人控制系统52-61
• 5.1 引言52
• 5.2 森林火灾余火探测机器人控制系统要求和体系结构52-57
• 5.2.1 森林火灾余火探测机器人控制系统要求52
• 5.2.2 森林火灾余火探测机器人控制系统体系结构52-54
• 5.2.3 控制系统硬件选型54-57
• 5.3 运动控制单元模块化分析设计57-60
• 5.3.1 自动控制模式58-59
• 5.3.2 手动控制模式59-60
• 5.4 小结60-61
• 第六章 总结与展望61-63
• 6.1 结论61
• 6.2 展望61-63
• 攻读学位期间发表的学术论文和参与的科研项目63-64
• 参考文献64-68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：695232