輪式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書[帶圖紙].doc

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1、南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文1目錄1前言(2)2機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)(5)2.1機(jī)器人運(yùn)動方式的選擇(5)2.2輪式機(jī)器人驅(qū)動方案設(shè)計(jì)(9)2.2.1輪式機(jī)器人驅(qū)動輪組成(10)2.2.2輪式機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪組成(11)2.2.3電機(jī)選擇(12)2.2.4減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(17)2.2.5變速箱體、前車體及電池箱(18)2.2.6后減震及前減震機(jī)構(gòu)(19)2.2.7車輪和輪轂(20)3傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及受力分析(23)3.1傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(23)3.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(24)3.3機(jī)器人受力分析及如何保證加速度最優(yōu)(24)4輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析(26)4.1輪式式機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)建模(2

2、6)4.2阿克曼約束的機(jī)器人運(yùn)動模型(29)5輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(32)5.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)(32)5.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(34)5.2.2上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(34)5.2.3下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(34)6結(jié)論(36)參考文獻(xiàn)(37)致謝(38)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文21前言移動機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)60年代末期,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展,移動機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保安巡邏等行業(yè)。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果,也同時,為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù),它的發(fā)展歸功于在第二

3、次世界大戰(zhàn)中,各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入,就加強(qiáng)了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果,也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果,那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況,人們越來越不斷探討自然過程中,在改造自然過程中,認(rèn)識自然過程中,實(shí)現(xiàn)人們對不可達(dá)世界的認(rèn)識和改造,這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。國外對于移動機(jī)器人的研究起步較早,日本是開發(fā)機(jī)器人較早的國家,并成為世界上機(jī)器人占有量最多的國家,其次是美國和德國。進(jìn)入90年代,隨著技術(shù)的進(jìn)步,移動機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上,開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域,向?qū)嵱没M(jìn)軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動機(jī)器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位,俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者,

4、在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ),ROVER科技有限公司把在開發(fā)空間機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開發(fā)地面機(jī)器人系統(tǒng),如極坐標(biāo)平面移動車、爬行移動機(jī)器人、球形機(jī)器人、工作伙伴平臺以及ROSA-2移動車等,最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機(jī)器人一一“勇氣”號與“機(jī)遇”號。雖然國內(nèi)有關(guān)移動機(jī)器人研究的起步較晚,但也取得了不少成績。2003年國防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能控制算法,在高速公路上達(dá)到了130Km/h的穩(wěn)定時速,最高時速170Km/h,而且具備了自主超車功能,這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位1。但是我國在機(jī)器人的核心及關(guān)

5、鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計(jì)和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面,同發(fā)達(dá)國家相比,我國仍存在較大的差距。未來研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動機(jī)器人的控制。機(jī)器人分成三類,一種是第一代機(jī)器人,那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人,它是通過一個計(jì)算機(jī),來控制一個多自由度的一個機(jī)械,通過示教存儲程序和信息,工作時把信息讀取出來,然后發(fā)出指令,這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時示教的結(jié)果,再現(xiàn)出這種動作,比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人,它只要把這個點(diǎn)焊的過程示教完以后,它總是重復(fù)這樣一種工作,它對于外界的環(huán)境沒有感知,這個力操作力的大小,這個南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文3工件

6、存在不存在,焊的好與壞,它并不知道,那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人,也就存在它這種缺陷,因此,在20世紀(jì)70年代后期,人們開始研究第二代機(jī)器人,叫帶感覺的機(jī)器人,這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺,比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比,有了各種各樣的感覺,比方說在機(jī)器人抓一個物體的時候,它實(shí)際上力的大小能感覺出來,它能夠通過視覺,能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋,它能通過一個觸覺,知道它的力的大小和滑動的情況。那么第三代機(jī)器人,也是我們機(jī)器人學(xué)中一個理想的所追求的最高級的階段,叫智能機(jī)器人,那么只要告訴它做什么,不用告訴它怎么去做,它就能完成運(yùn)動,感知思維和人

7、機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能,那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義,但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒有存在,而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,智能的概念越來越豐富,它內(nèi)涵越來越寬。本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題主要是為了掌握和了解輪式移動機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制系統(tǒng)的能力,基本能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、360范圍轉(zhuǎn)動的運(yùn)動,也可以為機(jī)器人的運(yùn)動和控制提供一個很好的研究平臺。本文所討論機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)模型近似于汽車,因此稱為輪式機(jī)器人,它的組態(tài)由機(jī)器人在工作環(huán)境中的位態(tài)確定。它作為一種小型輪式移動機(jī)器人,是一種非線性控制系統(tǒng)。為了能發(fā)揮將來加載作為主要在室內(nèi)工作的機(jī)器人長度不宜超過1000

8、mm高度要控制在機(jī)器人平衡穩(wěn)列方式應(yīng)盡量減小縱向尺寸,使車體緊湊。內(nèi)置于其中的電路板和電池的尺寸也要受到限制。設(shè)計(jì)電路是要盡量選用功能大、集成度高的芯片,而電池要選用體積小并且耐用的型號。因此,本課題控制器設(shè)計(jì)選用STC89LE52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制電路的架構(gòu),并且減少外圍邏輯電路,使板面布局緊湊。車體系統(tǒng)的運(yùn)動性能是影響系統(tǒng)性能,決定機(jī)器人性能達(dá)標(biāo)的重要因素。因此,在軟硬件選型時,滿足快速性、準(zhǔn)確性要求是考慮的第一要素之一。要求機(jī)構(gòu)能夠具有更大的靈活性與柔性,能夠具有更大的跨越障礙的能力。最好采用減震設(shè)計(jì),它有利于保護(hù)機(jī)器人各組成部件,特別是電器元件。相對于工業(yè)環(huán)境來講,我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人所處的

9、環(huán)境所受的強(qiáng)磁干擾要小得多,但是要達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)作實(shí)時、準(zhǔn)確,某些干擾就顯得較為明顯:首先,機(jī)器人體積很小,電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng),處理器系統(tǒng),無線模塊同處于很小的空間,這幾部分之間的相互干擾,特別是電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)對處理器的干擾,無線南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文4模塊對處理器的干擾以及無線通訊所特有的噪聲干擾都不容忽視。本課題中,分別采用了硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)。其次,機(jī)器人工作環(huán)境周圍的電器將對其產(chǎn)生影響。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文52機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)器人運(yùn)動方式的選擇到目前為止,地面移動機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)。(1)履帶

10、式履帶最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上,后來出現(xiàn)在某些地面行駛的機(jī)器人上,它具有良好的穩(wěn)定性能、越障性能和較長的使用壽命,適合在崎嶇的地面上行駛,但是當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境惡劣時,履帶很快會被磨損甚至磨斷,沉重的履帶和繁多的驅(qū)動輪使得整體機(jī)構(gòu)笨重不堪,消耗的功率也相對較大。此外,履帶式機(jī)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)動分析及自主控制設(shè)計(jì)十分困難。履帶地面移動機(jī)器人是一種通用機(jī)器人平臺,根據(jù)用途的不同,可以在機(jī)器人上加裝不同的功能模塊和傳感器,以完成復(fù)雜環(huán)境下的救援、偵查、排爆、掃雷、傷員撤離等任務(wù)。加裝了遙控控制電路、主云臺攝像頭、多個從攝像頭、MTI微慣導(dǎo)單元和激光掃描測距傳感器(LRF),機(jī)器人可以在人遠(yuǎn)程遙控下運(yùn)動和作業(yè)。圖1四段履帶機(jī)器人

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