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基于ARM和FPGA的六足爬墙机器人的分析.pdf

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成都理工大学硕士学位论文控制程序、直行爬行控制程序以及定点转弯控制程序等。最后,通过测试,本文设计的六足爬墙机器人达到了能直行爬行和从地面过渡到墙壁面等效果。可以预见在不久的将来,该六足爬墙机器人对四川地区桥梁检测以及救灾方面有实用意义。关键词六足爬墙机器人ARM主控制器FPGA协控制器舵机AX.1 2步态规划IIAbs仃actResearch on Six-foot Climbing Robot Based on ARM and FPGAAbstractBased on the fact that multi-legged,wall-climbing robot is a specialized robot,which has the characteristics of redundancy-driving,multi-branchedchain andtime-varying topology as a of motion mechanism.By the design of anadsorption device under the feetor abdomen,the project enables the robot to adaptto different planes.For example,the robot can not only walk upright and edge-on,butalso can invertedwalk in the bottom of ceiling or walk across different walls.Generally,wall-climbing robot works in extremely harsh environment where humansare inconvenient to arrive,such as high altitude,strong corrosive and radiationsituations.The climbing robot has a very important research significance and practicalvalue,because it can be widely used in the fields of nuclear industry,petrochemicalindustry,architectural,transportation,firefighting and earthquake disaster.So,it hasvery good application prospect and market.Aiming at the six-foot,wall-climbing robot in complex environments,forexample,flaw detection to large bridges newly-built or experienced earthquakes,thispaper analyzes the issues associated with the mechanical structure of its body,hardware and software of the control System,crawling stability and gait planning ofthe robot.First,referring to the principle of bionics,atter careful observation of beetles,thedesign puts forward the mechanical structure of six-foot,wallclimbing robot.Itadopts hexagon as the body of the robot,installing a foot in the fuselage of eachcorner of the body.There are three active jo ints of each foot,each active jo int isdriven by Dynamixel AX一1 2 servo,SO the robot has 1 8 servos.At the end of each foot,universal rotating hinge is used to connect the vacuum sucker,which adopts thevacuum adsorption for six-foot,wall-climbing robot to crawl at the vertical wall oragainst the bottom of ceiling.Then,the robot is designed to use ARMAdvanced RISC thoseCortex·M3kernel microprocessor STM32 as the main controller of control system,and the FPGAchip of Altera company-CycloneI series EPlC3T144 as coordinated controller.Communication mode between the main controller and coordinated controller iSparallel communication mode,which includes address bus,data bus and control bus.The main controller iS connected to CC l l 0 1 wireless communication module via aserial port,achieving communication between the robot and ground monitoring staff.III成都理工大学硕士学位论文By expanding the network adapter interface,the design realizes the uploading ofvideos collected by the camera.Moreover,the main controller detects signal ofultrasonic ranging avoidance obstacle module,SO it can control algorithm of robot gait.By accepting gait data from the main controller,the coordinated controller conveasthe gait data into PWM signals.and controls the 1 8 servos by UART485.On the otherhand,the coordinated controller gathers the signals of touch sensor and vacuumsensor under the foot.SO it can switch the vacuum sucker adsorption,ensuring thesecurity ofthe six-foot wall-climbing robot.Meanwhile,the static stability of the robot is analyzed in this paper whenclimbing,and the gait plan is put forward.The modes of three steps,four aeps andfive steps are analyzed in detail,and the gaits that control straight crawling,fixed.point rotation,and conversion from upright to edge-on are presented.According to the gait plan,the corresponding single leg control program,straightcrawling control program,as well as fixedpoint turn control program are written·Last,after testing,the designed robot can crawl straight and step。over fromground to wall surfaces,proved to achieve the goals.It can be seen that the robot isfull of practical significance in bridge detection and disaster relief in Sichuan area inthe near future.KeywordsSix..foot wall.-climbing robot ARM main controller FPGA coordinatedcontroller AX一1 2 servo The gait planIV目 录目 录基于ARM和FPGA的六足爬墙机器人的研究..I第l章 引 言l1.1 立题依据及意义..11.2多足爬墙机器人国内外发展概况31.2.1 国外多足爬墙机器人发展现状.31.2.2 国内多足爬墙机器人发展现状.51.3本文的主要研究内容和技术路线71.4本文的章节安排一7第2章六足爬墙机器人总体设计92.1 引言.92.2 国内外六足步行机器人典型结构特征分析92.3六足爬墙机器人系统功能分析102.4六足爬墙机器人机械结构设计..1l2.5六足爬墙机器人控制系统的总体设计122.6六足爬墙机器人吸附系统设计..132.7六足爬墙机器人关节驱动装置..142.8供电电源172.9本章小结.1 7第3章六足爬墙机器人控制系统硬件设计183.1 引言l 83.2六足爬墙机器人硬件总体设计..183.3 中央控制模块设计.193.3.1 主控制器ARM卷片STM32电路的设计213.3.2协控制器FPGAEPlC3T144电路设计223.4无线通信模块CCl 101电路的设计233.5关节舵机驱动设计.253.6吸盘控制模块设计.263.7传感器模块设计.273.7.1超声波测距模块273.7.2足端触碰感知传感器和真空传感器.283.8 电源设计.293.8.1 5V电源设计293.8.2 3.3V电源设计303.8.3 1.5V电源设计30V成都理工大学硕士学位论文3.9本章小结.30第4章六足爬墙机器人控制系统软件设计3 l4.1 引言3 14.2爬墙机器人软件总体结构设计..314.3六足爬墙机器人爬行控制程序设计..324.4 STM32控制的超声波传感器程序设计.334.5 EPlC3T144与电机控制程序设计..354.6六足爬墙机器人单腿控制程序设计..364.7六足爬墙机器人爬行控制程序设计..374.8本章小结.38第5章六足爬墙机器人的运动步态规划研究395.1 引言395.2六足爬墙机器人占空比值分析..405.3六足爬墙机器人的步态控制图..405.4六足爬墙机器人稳定性分析..4l5.5六足爬墙机器人典型步态规划一445.5.1 六足爬墙机器人常用步态分类445.5.2六足爬墙机器人定点旋转步态规划.465.5.3六足爬墙机器人直立到侧立行走步态规划.485.6本章小结.49第6章六足爬墙机器人系统测试一506.1 六足爬墙机器人关节舵机控制波形测试506.2六足爬墙机器人关节舵机的PWM脉冲与转角度测试50613六足爬墙机器人爬墙测试..5 l6.4本章小结.52结论与展望.53l、全文总结.532、展望54致谢55参考文献56攻读学位期间取得学术成果..58VI第1章引言1.1立题依据及意义第1章引 言自然界中存在一些人类不方便和无法到达以及危及人类生命安全的地方,如首次探测的某星球表面,地震灾难发生地区等2011年3月11号日本发生9级地震,导致福岛核泄漏,日本派出机器人进入福岛救援和收集核泄露数据。这类环境通常的特点是地形崎岖凹凸不平,导致轮式和履带式移动机器人不能发挥自身的优势。轮式移动机器人适应于地形相对平坦,具有很好的运动速度,并且结构和控制比较简单,当地形不y-坦或者地面比较松软时,轮式移动机器人移动时能耗将大大增加,而且还容易跌倒毁坏机器人。履带式机器人能适应地面松软和凹凸不平,但当遇到凹凸不平地形或者陡峭的地形时,机器人机身会晃动得特别厉害和机动性仍然不足。而步行机器人在凹凸不平的路面行走具有良好的移动性能,在这种背景下多足步行机器人开始发展起来,同时仿生多足步行机器人的出现及应用更加体现出其许多优势。首先,多足步行移动机器人移动时只需要零散的几个接触点即可,这对凹凸不平地形的适应性强。其次,多足机器人的腿由多个关节组成,腿部自由度高,通过转动关节来调节腿的伸缩,让机器人身体保持平衡,保证了机器人移动时的稳定性。当然相比自然界中的多足昆虫,目前多足移动机器人的研制还不完善。然而随着科技的进步和电子行业的蓬勃发展,以及人类探索思维的不断创新,促进了爬墙机器人的诞生。它可以代替人类完成了许多高危险、高难度和高劳动强度的工作,因此具有非常重要的研究意义和实用价值,具有广泛的应用前景和市场。爬墙机器人工作环境一般是在高空或壁面,能在墙壁侧立行走或者天花板底部倒立行走,具备吸附、载物和移动三个基本功能。爬墙机器人可用于核工业防护墙的测厚和交通桥梁的探伤,亦可用于摩天大楼等建筑物外墙的清洗丁作,还可用于地震救援和消防救援等场景。桥梁作为交通运输中的枢纽,对地区及整个社会经济发展起着核心作用,随着中国的快速发展,大型车辆往来越来越密集,经受季节的变化和长期运营,桥梁受到各种损伤乃至裂痕出现,使得桥梁的在日常使用中存在严重的安全隐患。到201 5年末,我国已经建立的桥梁隧道数已达到近百万11 J,一方面,桥梁朝着更大、更宽、更新颖的方向发展,另一方面,如何对这些现代化或者久远的桥梁进行养护问题摆着政府管理者面前。根据近几年的调查结果显示,目前我国存在安全隐患的桥梁数量已超过了l万座【2 J。相关专家认为,桥梁运营年限如果超过25年则进入老化期。根据这一观点和相关统计,我国至少40%的桥梁运营时间成都理工大学硕士学位论文均超过25年,属于老龄桥梁。所以改进对桥梁的检测方式方法,才能既高效确保桥梁的安全运营和减少桥梁维护成本,又能提高桥梁建造质量。在桥梁检测技术方面,对桥梁侧面和底部检测还是比较困难。目前桥梁检测常用方法[3-4]主要有以下两种第一种采用简易平台搭载检测人员利用肉眼观察进行检测,如图1.1。这种检测方法效率低,检测范围小,人力耗费大,同时检测人员也存在人身安全等问题。第二种通过桥梁检测车的机械臂搭载检测设备和人员的检测方法,如图1.2。这种方法将检测设备和人员送到被检测的位置,通过人持或操作检测设备对桥梁进行检测,这种检测方法工作效率相比前者要高了许多,检测人员安全也有保证,缺点是会因为环境和检测车自身结构原因,存在部分检测不到的地方“死角”,检测过程中需要封道等问题。圈1.1 使用肉眼或者望远镜对桥梁底部进行观测圈1-2使用桥梁检测车进行检测通过研究,在爬墙机器人的平台上搭载一些桥梁检测传感器正好弥补目前桥梁检测方法的缺点。多足爬墙机器人是仿生学研究领域不可或缺的一个分支。根据观察自然界的甲虫、壁虎等爬墙动物,总结出多足爬墙机器人是一种冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构【5】。多足爬墙机器人是在多足移动机器人结构的基础上增加了吸附系统,在这个平台上搭载工具完成指定的工作。爬墙机器人的研究第1章引言课题从二十世纪九十年代以来就一直成为国内外研究热点,特别是小型爬墙机器人更受研发人员的喜犁61。迄今为止,人类研制的移动机器人主要可分为足式机器人仿生机器人、轮式机器人、履带式机器人等。在它们身上搭载传感器后,都能替人类进行工作。轮式及履带式机器人,优点是整体结构比较简单,但是对外界环境适应性较差、灵活性也低,在实际的桥梁检测中几乎不会用到【71。而仿生学的足式机器人,由于运动比较灵活,对外界环境超强的适应能力,使其在工业上得到广泛的应用。我国政府也投巨资资助各研究单位和公司对多足移动机器人开展研究,并取得了很大的成就pJ。本文设计了一种用于桥梁检测的六足爬墙机器人,在该机器人的各个足末端安装负压力吸盘,通过抽空其内部空气内外压差让其吸附在墙壁上,实现机器人在桥梁壁面侧立行走、桥梁底部倒立行走和跨越不同的墙面。在这个机器人平台上搭载高清摄像机和回弹仪、钢筋混泥土锈蚀检测仪等多种检测设备和传感器,为桥梁提供一种高效、一体化的检测方式。在数据采集方面,本文设计的六足爬墙机器人利用无线通信方式,将检测的数据结果传回地面基站,便于地面工作人员及时确认对桥梁的检测结果等。1.2多足爬墙机器人国内外发展概况1.2.1 国外多足爬墙机器人发展现状国外对爬墙机器人的研究早于国内,且取得了很多成果,并成功的应用在军事和民用等领域。对机器人研究最积极的应属我们邻国日本,早在1978年,日本化工机械技术服务株式会社研发了机器人Walker,如图1.3,这种机器人采用真空泵与单吸盘联合的结构提供吸附力,用行走滚子与皮带的方式来提供动力,智能化较低,控制较为简单【9】。当爬行的墙面上有裂缝会导致真空泄漏,机器人将不能吸附在墙面上,这是一个很致命的缺点。圈1-3 Walker爬墙机器人3成都理工大学硕士学位论文图1-4 ASTERISK机器人日本的大阪大学研制了一款名为ASTERISK的六足机器人【l,如图1-4所示。这款六足机器人每条腿有4个关节,每个关节均采用舵机驱动,用锂电池给机器人供电,单次充满电后可以支持该机器人连续工作20分钟左右。这种机器人在平面上能灵活行走,如果改变足端的设计在足端增加一些倒钩,它能在垂直的梯子上下爬行或者在网状栅格倒立爬行等,如果改装其一条腿为机械手,就可以实现抓取物体。这种机器人灵活度较高。韩国对爬墙机器人研究也较多,如图1.5爬墙机器人MR、MLLSPECT-III【11|,为成均馆大学研制的这款机器人,俗语第三代爬墙机器人,足端采用3个小的真空吸盘方法三个真空吸盘以等边三角形的形式排列在足端,每个吸盘与自由腿末端采用球铰相连,增强了其对环境的适应能力,可以从一个壁面过渡到另一个壁面【1 21,该机器人采用直接接线缆的方式供电。圈1-5爬墙机器人MRWALLSPECT-III欧美国家对仿生爬墙机器人研究也是很有兴趣,并成功研制了多种仿生爬墙机器人。如图1-6所示的Ariel,这个六足机器人是美国麻省理工学院研制的用于军队在登陆作战时的浅滩探雷的装置,每条腿有2个自由度。图1.7是美国NASA研制的机器人Spider-bot,和生活中人类看到的蜘蛛非常相似,体积是成4第1章引言年人人头的一半大小,重量轻,由超轻晶圆电池提供电源,每条腿有3个自由度,每个关节都由舵机控制,可在不规则的星球表面爬行。图l一6机器人Ariel图1.7机器人Spiderbot1.2.2国内多足爬墙机器人发展现状国内的爬墙机器人发展起步相比国外晚,20世纪80年代才开始,经过国家的鼓励和科研人员的努力,已经取得了一定的成果。中国科学院长春光学精密机械研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学等科研院校先后展开了多足步行机器人的研究¨引。在国家863计划和国家自然科学基金等资助下,哈尔滨工业大学在1988年最先对多足机器人展开研究。哈尔滨工业大学成功研制了几款移动机器人[14-15],如图1.8,机器人HIT-Spider,每条腿都有三个自由度,能独立旋转,控制关节的舵机安放于躯干四周。能在地面上、管道。洞穴等人不方便行走的地方自由作业,但不具备攀爬墙壁和倒立行走的功能。
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