清扫机器人清扫系统的设计与研究

摘要

工业化和城镇化步伐的加快带来的“垃圾围城”现象日益突出，人们在营造一个良好生活环境的同时又想减轻劳动的强度和繁琐性。路面清扫机器人作为智能服务机器人的典型代表，有着极高的研究价值和市场前景。针对机器人无法在室外清扫大块建筑垃圾、砾石的难题，本文设计出一套新型的清扫系统。该系统有效地融合装载机构和盘刷机构的优点，从而实现大小垃圾彻底清扫的功能。
　　 结合清扫机器人的整体布局及性能要求，确定装载机构和盘刷机构的主要设计参数，综合运用Pro/E三维建模软件、ADAMS多体动力学分析软件和两者之间的专用接口软件Mech/Pro创建了清扫机器人虚拟样机模型。
　　 针对装载机构的刚柔耦合问题，首先基于拉格朗日法推导柔性体动力学方程，在ANSYS软件中创建连杆、动臂和摇臂的MNF模态中性文件，最后对不同刚柔耦合处理后的模型添加约束和驱动后得到铲斗质心位置处的动力学时间变化历程曲线，分析连杆、动臂和摇臂的柔性化对装载机构仿真结果的影响程度。
　　 基于D-H坐标系建立装载机构二连杆机器人模型的运动学方程，分别运用拉格朗日法和牛顿-欧拉法推导其动力学方程，验证动力学方程的正确性;针对装载机构的轨迹跟踪控制问题设计鲁棒滑膜自适应控制器和自适应迭代学习控制器，并进行了稳定性分析;在MATLAB环境下分别对两种算法下装载机构的轨迹跟踪效果进行仿真与对比分析，为装载机构轨迹跟踪控制器的设计提供一定的理论依据。
　　 分析盘刷接地压力的调节方法，编制MATLAB混合离散变量遗传算法程序优化拉伸弹簧和压缩弹簧的具体参数，对比分析两种调节方法的优劣，为接地压力调节方法的选择提供参考。在ADAMS中对盘刷机构添加约束和驱动后仿真得到刷束运动轨迹包络线，以模拟不同速度组合下的清扫效果。最后用ANSYS软件分析刷丝和垃圾的接触特性，得到垃圾清扫的临界条件，影响清扫能力的主要因素及刷丝压缩量对清扫能力的作用效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外清扫机器人的研究现状

1．2．1 清扫机器人简介

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．2．4 清扫系统研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 清扫机器人清扫系统虚拟样机建模

2．1 引言

2．2 总体方案设计

2．2．1 装载机构总体参数确定

2．2．2 盘刷系统总体参数确定

2．3 特征建模与虚拟装配

2．3．1 参数化特征建模

2．3．2 虚拟装配建模

2．3．3 接口软件Mech/pro

2．4 清扫机器人虚拟样机模型的建立

2．5 本章小结

第三章 装载机构刚柔耦合系统动力学分析

3．1 柔体系统动力学分析

3．1．1 柔体系统动力学概述

3．1．2 柔体系统动力学建模

3．1．3 柔体系统动力学数值算法

3．2 刚柔耦合系统动力学分析

3．2．1 刚柔耦合系统动力学方程

3．2．2 刚柔耦合动力学分析软件ADAMS

3．2．3 装载机构刚柔混合模型的生成

3．3 装载机构刚柔耦合动力学仿真分析

3．3．1 装载机构液压缸驱动函数的确定

3．3．2 仿真分析

3．4 本章小结

第四章 装载机构轨迹控制跟踪分析

4．1 D-H参数简介

4．2 装载机构运动学模型

4．3 装载机构的动力学方程

4．3．1 拉格朗日动力学求解

4．3．2 牛顿-欧拉动力学求解

4．4 装载机构轨迹跟踪控制算法

4．4．1 鲁棒滑模自适应控制器的设计

4．4．2 自适应迭代学习控制器设计

4．5 轨迹跟踪仿真

4．5．1 鲁棒滑模自适应控制仿真

4．5．2 自适应迭代学习控制仿真

4．5．3 算法对比分析

4．6 本章小结

第五章 盘刷机构设计及优化

5．1 盘刷系统机构静力学计算与分析

5．1．1 接地压力调节方法概述

5．1．2 盘刷系统接地压力计算

5．1．3 拉伸弹簧控制接地压力设计计算

5．1．4 压缩弹簧控制接地压力计算

5．2 清扫速度对清扫效率的影响

5．3 盘刷与地面的相互作用

5．4 盘刷刷丝与垃圾接触特性研究

5．4．1 理论模型和数值方法

5．4．2 有限元模型

5．4．3 数值计算结果分析

5．4．4 刷丝压缩量对清扫能力的影响

5．5 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录A

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文