一类助行机器人控制系统的设计与实现

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目前,老龄人口和残障人士的增多给社会发展造成了巨大的压力,同时也促进了养老助残产业的发展。助行机器人作为不可缺少的代步工具,能够方便他们的日常出行。针对普通电动机器人无法爬楼的问题,本文给出一类平地、爬楼两用的助行机器人控制系统设计方案,并对相关的控制技术进行了研究和实验验证。  本文设计了系统总体控制方案、爬楼电机控制方案与电动推杆控制方案。对助行机器人的结构进行了分析,阐述了爬楼的原理与过程,根据功率需求分析,选择了符合性能参数的爬楼驱动电机、平地轮毂电机、电动推杆。同时为了满足系统的功能要求,对相应的传感器及其供电电源进行了选型。  针对助行机器人在负载不确定和外界扰动造成的速度波动问题,建立了助行机器人控制系统的数学模型,给出了一种基于指数趋近律的滑模控制器设计方法,选择了相关的参数并进行了仿真,仿真结果表明所用方法能使助行机器人对外界扰动和参数变化不敏感,与PID控制相比具有更好的性能。  设计并搭建了助行机器人的硬件系统,主要包括主控板系统、基于IR2133S的爬楼电机驱动电路、基于LMD18200的推杆驱动电路、工作模式切换电路、基于驱动器的平地驱动模块以及基于MT4300CE触摸屏的通信模块。  设计了助行机器人的软件系统,主要分为主函数模块、底层驱动模块、上位机通信模块以及安全防护模块。主函数模块负责系统的初始化;底层驱动模块包括脉宽调制、数模转换、位置检测、逻辑换相、推杆升降、转速计算与调速控制等;上位机通信模块包括MODBUS通信协议、触摸屏界面编程、串口通信SCI;安全防护模块包括调整装置倾斜角以及蜂鸣器报警。  对整体系统按模块化进行独立测试,主要包括PWM波形、主控板电路、爬楼电机及其驱动电路、平地电机及其驱动器、电动推杆及其驱动电路、传感器部件等。采用课题组设计的助行机器人进行了爬楼试验,结果表明所设计的控制系统能较好地满足系统要求,初步验证了助行机器人运行的可行性。
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