无人机载仿生双臂机器人设计及运动学、动力学研究

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近年来,无人机在各个领域的使用越来越普遍,主要任务大多是侦察和巡逻,无法与周围环境进行交互。如果将无人机与机器人结合起来,那么无人机就可以抓取和运输物品,完成地面机器人无法完成的空间任务,对于各类灾难救援有着重要的意义。本课题即着眼于高层建筑火灾现场人员救生装置应急投放的需求,展开无人机载双臂机器人的研究,重点围绕双臂机器人进行结构设计、运动学分析和动力学分析以及控制器的设计等工作。本文创新性的提出了一种可用于灾难救援的无人机载双臂机器人,仿照人体的双臂,对双臂机器人的臂杆进行结构设计,并设计了双臂机器人的夹持器结构,同时为了满足轻量化的设计要求,采用复合材料来作为双臂机器人的臂杆材料。选择了合适的驱动舵机,根据舵机尺寸图进一步修改完善结构的详细尺寸。其次,对双臂机器人的大臂和小臂进行了静力分析,并校核了夹持器的强度。通过对几种不同结构的臂杆进行对比,确定了最优的结构。通过对比不同的铺层,确定最优的铺层顺序。再次,本文基于D-H方法建立了机器人的参考坐标系,得到了正运动学方程和逆运动学方程,得到了雅克比矩阵,确定了奇点和奇异位形,计算了可操作性,同时利用MATLAB机器人工具箱对机器人进行了运动学仿真,得到了其机械臂的工作空间。依据雅克比矩阵,构建了拉格朗日方程,进行了动力学分析。最后,本文对控制部分进行了初步的设计。选取STM32作为主控芯片,设计了原理图和PCB布局,并进行了调试,设计了相关程序来控制双臂机器人各个关节驱动舵机的转动角度,实现了对机器人驱动舵机转角的控制。
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