輪式移動機器人的結(jié)構(gòu)設計說明書[帶圖紙].doc

南昌航空大學科技學院學士學位論文1目錄1前言（2）2機構(gòu)的驅(qū)動方案設計（5）2.1機器人運動方式的選擇（5）2.2輪式機器人驅(qū)動方案設計（9）2.2.1輪式機器人驅(qū)動輪組成（10）2.2.2輪式機器人轉(zhuǎn)向輪組成（11）2.2.3電機選擇（12）2.2.4減速機構(gòu)的設計（17）2.2.5變速箱體、前車體及電池箱（18）2.2.6后減震及前減震機構(gòu)（19）2.2.7車輪和輪轂（20）3傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)的設計及受力分析（23）3.1傳動機構(gòu)的設計（23）3.2執(zhí)行機構(gòu)的設計（24）3.3機器人受力分析及如何保證加速度最優(yōu)（24）4輪式移動機器人的運動學分析（26）4.1輪式式機器人的運動學建模（26）4.2阿克曼約束的機器人運動模型（29）5輪式移動機器人的運動控制系統(tǒng)設計（32）5.1控制系統(tǒng)硬件設計（32）5.2控制系統(tǒng)軟件設計（34）5.2.2上位機控制系統(tǒng)軟件設計（34）5.2.3下位機控制系統(tǒng)軟件設計（34）6結(jié)論（36）參考文獻（37）致謝（38）南昌航空大學科技學院學士學位論文21前言移動機器人的研究始于上世紀60年代末期，隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，移動機器人已被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保安巡邏等行業(yè)。機器人技術(shù)的發(fā)展，它應該說是一個科學技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(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，認識自然過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。國外對于移動機器人的研究起步較早，日本是開發(fā)機器人較早的國家，并成為世界上機器人占有量最多的國家，其次是美國和德國。進入90年代，隨著技術(shù)的進步，移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎上，開拓各個應用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動機器人技術(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，在機器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當雄厚的技術(shù)基礎，ROVER科技有限公司把在開發(fā)空間機器人中獲得的經(jīng)驗應用于開發(fā)地面機器人系統(tǒng)，如極坐標平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、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)射的火星漫游機器人一一“勇氣”號與“機遇”號。雖然國內(nèi)有關(guān)移動機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)以及機器學習等智能控制算法，在高速公路上達到了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)指標均處于世界領(lǐng)先的地位1。但是我國在機器人的核心及關(guān)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計和制造能力、高可靠性基礎功能部件的批量生產(chǎn)應用等方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大的差距。未來研究熱點是將各種智能控制方法應用到移動機器人的控制。機器人分成三類，一種是第一代機器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，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，這樣的話機器人可以重復的根據(jù)人當時示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個南昌航空大學科技學院學士學位論文3工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種從第一代機器人，也就存在它這種缺陷，因此，在20世紀70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺的機器人，這種帶感覺的機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、聽覺和人進行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體的時候，它實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。那么第三代機器人，也是我們機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知思維和人機通訊的這種功能和機能，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器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學技術(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)設計課題主要是為了掌握和了解輪式移動機器人的基本結(jié)構(gòu)和運動控制系統(tǒng)的能力，基本能實現(xiàn)前進、后退、360范圍轉(zhuǎn)動的運動,也可以為機器人的運動和控制提供一個很好的研究平臺。本文所討論機器人系統(tǒng)運動學模型近似于汽車，因此稱為輪式機器人，它的組態(tài)由機器人在工作環(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)工作的機器人長度不宜超過1000mm高度要控制在機器人平衡穩(wěn)列方式應盡量減小縱向尺寸，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。設計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，本課題控制器設計選用STC89LE52單片機來實現(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)的運動性能是影響系統(tǒng)性能，決定機器人性能達標的重要因素。因此，在軟硬件選型時，滿足快速性、準確性要求是考慮的第一要素之一。要求機構(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。最好采用減震設計，它有利于保護機器人各組成部件，特別是電器元件。相對于工業(yè)環(huán)境來講，我們設計的機器人所處的環(huán)境所受的強磁干擾要小得多，但是要達到系統(tǒng)運作實時、準確，某些干擾就顯得較為明顯:首先，機器人體積很小，電機及其驅(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，特別是電機及其驅(qū)動系統(tǒng)對處理器的干擾，無線南昌航空大學科技學院學士學位論文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計和軟件抗干擾設計。其次，機器人工作環(huán)境周圍的電器將對其產(chǎn)生影響。南昌航空大學科技學院學士學位論文52機構(gòu)的驅(qū)動方案設計2.1機器人運動方式的選擇到目前為止，地面移動機器人的行駛機構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機構(gòu)各有其特點。（1）履帶式履帶最早出現(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?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)動輪使得整體機構(gòu)笨重不堪，消耗的功率也相對較大。此外，履帶式機構(gòu)復雜，運動分析及自主控制設計十分困難。履帶地面移動機器人是一種通用機器人平臺，根據(jù)用途的不同，可以在機器人上加裝不同的功能模塊和傳感器，以完成復雜環(huán)境下的救援、偵查、排爆、掃雷、傷員撤離等任務。加裝了遙控控制電路、主云臺攝像頭、多個從攝像頭、MTI微慣導單元和激光掃描測距傳感器（LRF），機器人可以在人遠程遙控下運動和作業(yè)。圖1四段履帶機器人