消防机器人结构设计及其控制系统研究

发布时间：2017-05-25 19:09

  本文关键词：消防机器人结构设计及其控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着我国国民经济稳步快速增长,各类工业得到了快速发展,而由此引发的火灾事故也一直呈显上升趋势。面对高温、黑暗、有毒和浓烟的高危火场环境,消防人员很难掌握火场内的情况,在不明险情的情况下贸然进入事故现场极易造成无谓的伤亡。如今,新的消防法规的颁布又使得火灾救援成为消防部队不可推卸的法定义务。因而,研制消防机器人,保证消防人员的人身安全,顺利完成救灾任务,变得十分紧迫与必要。本文首先介绍了消防机器人的研究背景和意义,国内外的研究现状及发展趋势和发展过程中存在的问题,阐述了消防机器人发展中需要解决的关键技术问题。在作业需求分析的基础上,提出了消防机器人车体和机械臂结构方案,设计出一种能够对不规则作业面自适应的四自由度的机械臂结构,并对机械臂臂长、小臂内机构等机构参数进行了优化,依据机械臂最大受力位姿状态对机器人电机进行了选型计算。基于D-H法建立了消防机器人机械臂连杆坐标系,建立了机械臂运动学正解和逆解模型。在MATLAB软件环境中,以软件特有机器人工具箱建立机械臂仿真模型,对手臂正逆运动学进行仿真和分析,验证了机构参数的合理性;运用蒙特卡洛法对机器人工作空间进行了分析。最后,对消防机器人控制系统硬件和软件部分进行了总体设计,硬件部分根据实际需要对DSP芯片最小系统模块、操作模块、无线通讯模块、电机的控制模块、关节位置信息模块进行了电路设计;软件部分根据功能要求,对软件总体结构,上下位机程序流程及各相关软件子模块进行了探讨。为提高系统抗干扰性,从硬件和软件方面提出了相应的防护举措和方法。
【关键词】：消防机器人 结构设计 运动学 控制系统 DSP
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU998.13;TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景及意义9-11
• 1.2 国内外现状11-15
• 1.2.1 消防机器人的发展阶段11
• 1.2.2 国外消防机器人的发展情况11-13
• 1.2.3 国内消防机器人的发展情况13-15
• 1.3 消防机器人的主要分类15
• 1.4 消防机器人存在问题和关键技术15-17
• 1.4.1 存在的问题15-16
• 1.4.2 消防机器人关键技术16-17
• 1.5 消防机器人的发展趋势17
• 1.6 课题的研究内容17-18
• 1.7 本章小节18-19
• 第二章 消防机器人结构设计19-39
• 2.1 机构设计分析20-33
• 2.1.1 移动平台设计20-23
• 2.1.2 机械臂构型设计23-24
• 2.1.3 主要零部件、各关节结构设计及选用材料24-30
• 2.1.3.1 主要零部件设计24-25
• 2.1.3.2 各关节结构设计25-30
• 2.1.3.3 选用材料30
• 2.1.4 机械臂尺寸参数的确定30-33
• 2.2 驱动系统设计33-35
• 2.2.1 驱动方式选择33-34
• 2.2.2 传动减速机构类型选择34-35
• 2.2.2.1 蜗杆传动34
• 2.2.2.2 行星齿轮减速器34
• 2.2.2.3 谐波传动减速器34-35
• 2.3 电机选择的分析35-37
• 2.3.1 车体电机选择设计35-36
• 2.3.2 机器人本体电机的选择分析36-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第三章 消防机器人运动学分析39-45
• 3.1 D-H方法建立连杆坐标系39-40
• 3.2 运动学分析40-44
• 3.3 本章小结44-45
• 第四章 消防机器人运动仿真和工作空间分析45-55
• 4.1 机械臂仿真模型的建立45-46
• 4.2 机械臂运动仿真过程46-51
• 4.2.1 正向运动学仿真46-48
• 4.2.2 逆向运动学仿真48-51
• 4.3 机械臂工作空间的仿真51-54
• 4.3.1 工作空间的定义51
• 4.3.2 Matlab分析工作空间的方法51-52
• 4.3.3 Matlab分析工作空间所得结果52-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 消防机器人控制系统研究55-77
• 5.1 机器人控制系统硬件总体设计55-57
• 5.2 硬件控制器的选用57-60
• 5.2.1 硬件控制器的比较57-58
• 5.2.2 F28M35H52C简介58-60
• 5.3 控制系统各模块硬件设计60-69
• 5.3.1 控制系统模块60-62
• 5.3.2 操作模块62-63
• 5.3.3 WIFI通讯模块63-64
• 5.3.4 电机控制模块64-66
• 5.3.5 位置信息反馈模块66-68
• 5.3.6 硬件防干扰措施68-69
• 5.4 控制系统软件总体设计69-70
• 5.5 软件设计上位机部分程序流程图70-71
• 5.6 软件设计下位机部分程序流程图71-75
• 5.6.1 电机控制71-73
• 5.6.2 机械臂位置信息反馈控制73-74
• 5.6.3 辅助控制74
• 5.6.4 串口通信74-75
• 5.7 软件防干扰措施75
• 5.8 性能试验与结果分析75-76
• 5.9 本章小结76-77
• 第六章 结论与展望77-79
• 参考文献79-83
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果83-85
• 致谢85

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