探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計

探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計,探測,機器人,系統(tǒng),設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書 系別 ：機電工程學(xué)院 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 班級：機0405 學(xué)生情況 指導(dǎo)教師情況 題目類型 姓 名 學(xué) 號 姓 名 職 稱 單 位 理論研究 □ 科研開發(fā) □ 王亮 18 王會香 講師 機電工程學(xué)院 工程設(shè)計 □ 論文 □ 題目 探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計 主要 內(nèi)容 以及 目標(biāo) 主要內(nèi)容： 1、 研究探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計原則。 2、 確定探測機器人的移動方式，并對整個探測機器人的整體進行規(guī)劃設(shè)計。 3、對探測機器人系統(tǒng)的硬件設(shè)計，繪制機械圖。 4、給出移動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，。 目標(biāo)： 掌握探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計原則，從實際應(yīng)用環(huán)境出發(fā)確定機器人的移動方式，選用合理的目標(biāo)監(jiān)測手段，來實現(xiàn)探測目的，并撰寫畢業(yè)論文，達到機電一體化綜合能力訓(xùn)練的目的。 成果 形式 具體工作量：1.3000字的開題報告一份； 2.與畢業(yè)設(shè)計相關(guān)的英文翻譯一份，5000字以上； 3.完成機械圖紙A0 3張，編制控制界面； 4.撰寫一篇15000字以上的關(guān)于探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計的畢業(yè)論文。 成果形式：論文、圖紙、程序。 基本 要求 1、設(shè)計圖紙符合國家標(biāo)準(zhǔn)， 2、結(jié)合機械與機電的有關(guān)知識對系統(tǒng)進行設(shè)計。 實習(xí) 調(diào)研 要求 實習(xí)調(diào)研提綱： 1、探測機器人的設(shè)計原則。 2、探測機器人的幾種移動方式 3、探測機器人的監(jiān)測手段。 實習(xí)調(diào)研時間：第1-3周 實習(xí)調(diào)研地點：機電控制重點實驗室 主要 參考 文獻 1. 主要 儀器 設(shè)備 計算機， 工控機。 PCI數(shù)據(jù)采集板卡 畢業(yè)設(shè)計（論文）開始日期 2007-3-1 畢業(yè)設(shè)計（論文）完成日期 2007-6-27 畢業(yè)設(shè)計（論文）進度計劃（起止時間、工作內(nèi)容） 1. 第1-3周 實習(xí)調(diào)研基本結(jié)束； 2. 第4周 撰寫并提交調(diào)研報告和開題報告； 3. 第5-6周 制定探測移動機器人的設(shè)計原則； 4．第7周 確立機器人的移動方式； 5. 第8-12周 設(shè)計機器人系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)； 6. 第13-14周 設(shè)計控制方案及監(jiān)測手段； 7．第15-16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評審并修改畢業(yè)論文； 8．第17周 完成畢業(yè)答辯 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 督導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 系畢業(yè)設(shè)計（論文）領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見： 組長（簽字）： 年 月 日 摘要 本設(shè)計采用模塊化設(shè)計，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時候方便更換和添加其他模塊，而且給出了兩種移動方式的設(shè)計方案，即履帶式移動方式和輪式的設(shè)計，兩者都有各自的特點，但主要以研究設(shè)計履帶式為主，它具有良好的機動性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。該機器人的最大優(yōu)點是具有良好的越障性能、環(huán)境適應(yīng)性能、防摔抗沖擊性能并具備全地形通過能力。而輪式探測機器人則機動性能比較好。除了設(shè)計探測機器人的總體結(jié)構(gòu)外，還給出了移動控制方案。 機器人最重要的機構(gòu)是運動底盤的設(shè)計，即使軟件設(shè)計的再好，移動方式?jīng)]有設(shè)計好，那么機器人也不會很好的執(zhí)行任務(wù)。輪式，腿式，履帶式的移動方式在設(shè)計過程中已經(jīng)給出， 可以根據(jù)自己設(shè)計的要求進行選擇如果地形比較平緩，或是有溝壑的地形，可以選擇履帶的移動方式；如果是平緩沒有溝壑的地形，就選用輪式的移動方式；如果地形成階梯狀，而且地形比較復(fù)雜，最好選用腿式的方法。 本設(shè)計可以采用兩種控制系統(tǒng)，即通過上位機直接通過總線對機器人進行控制或是通過無線電臺對機器人進行控制。 關(guān)鍵詞： 探測機器人； 模塊化設(shè)計； 履帶移動方式； 機器人的控制系統(tǒng)； Abstract The design is modular in design so that in accordance with requirements of options and custom configuration, and when needed to facilitate the replacement and add other modules, and is given two mobile forms of design options, that is, tracked and wheeled mobile way of design , Both have their own characteristics, but mainly to crawler-based research and design, it has good mobility in the barrier, the inter-ditch, climbing has obvious advantages. The robot is the greatest advantage of the barrier has a good performance, adapt to environmental performance, Fangshuai impact resistance and have all-terrain capacity. The wheeled robot will detect mobility is better。In addition to detecting robot design the overall structure, but also gives a mobile control ways。 Robot is the most important bodies of the sports chassis design, even the best software design, mobile design means no good, then the robot will not be very good mission. Wheeled, legged, tracked the movement of way in the design process has been given, Can be designed in accordance with the requirements of their own choice if the relatively flat terrain, or a gully of the terrain, can choose to track the movement; If the gully is not flat terrain, on the choice of wheeled mobile way, if formed ladder, and More complex terrain, the best choice legged approach。 This design uses two types of control systems, through the PC directly through the bus to control the robot through the radio or to control the robot。 Keywords： Detecting robot; modular design；tracked mobile； robot's control system； 目 錄 摘要 ――――――――――――――――――――――――I Abstract――――――――――――――――――――――II 第一章　概述――――――――――――――――――――――――４ 1.1 機器人的應(yīng)用范圍――――――――――――――――――――――４ 1.2 探測機器人的先狀及發(fā)展趨勢―――――――――――――――――４ 1.3 研究內(nèi)容――――――――――――――――――――――――――５ 第二章　機械系統(tǒng)的設(shè)計―――――――――――――――――――７ 2.1 計算機模塊的設(shè)計――――――――――――――――――――――７ 2.2　　傳感器模塊的設(shè)計――――――――――――――――――――――８ 2.3　　電源及驅(qū)動模塊的設(shè)計――――――――――――――――――――８ 2.4　　底盤運動模塊的設(shè)計―――――――――――――――――――――８ 2.5　　各模塊的連接――――――――――――――――――――――――11 第三章　能源驅(qū)動的設(shè)計選擇―――――――――――――――――14 3.1 能源的供給―――――――――――――――――――――――――14 3.2　　電機的選擇―――――――――――――――――――――――――14 3.3　　電機驅(qū)動的選擇―――――――――――――――――――――――15 第四章　傳感器系統(tǒng)的設(shè)計――――――――――――――――――17 4.1 視覺傳感器―――――――――――――――――――――――――17 4.2　　超聲波傳感器――――――――――――――――――――――――17 4.3　　紅外傳感器―――――――――――――――――――――――――19 第五章　探測機器人的硬件系統(tǒng)――――――――――――――――20 5.1 傳感器采集系統(tǒng)―――――――――――――――――――――――20 5.2　　保護電路――――――――――――――――――――――――――20 5.3　　紅外傳感器的接線――――――――――――――――――――――21 5.4　　超聲波傳感器的接線―――――――――――――――――――――21 5.5　　羅盤處理流程――――――――――――――――――――――――21 5.6　　RS485-RS232轉(zhuǎn)換電路――――――――――――――――――――22 第六章　探測機器人計算機硬件系統(tǒng)――――――――――――――23 6.1 無線電臺通訊系統(tǒng)――――――――――――――――――――――23 6.2　　電子羅盤――――――――――――――――――――――――――23 第七章　探測機器人軟件系統(tǒng)的開發(fā)――――――――――――――25 　　　　移動控制系統(tǒng)的設(shè)計―――――――――――――――――――――25 　　　　演示控制程序――――――――――――――――――――――――25 結(jié)束語　　　　　　―――――――――――――――――――――29 參考文獻　　　　　―――――――――――――――――――――30 第一章概述 出于重要的戰(zhàn)略意義，資源領(lǐng)域已成為各科技強國相互競爭的一個焦點，出于安全性等因素的考慮，對探測機器人的研究設(shè)計也成為了開發(fā)資源的重要硬件之一，探測機器人可以幫助人類完成一些不能完成的任務(wù)。 1.1 機器人的應(yīng)用范圍 1）行星探測移動機器人 行星探測移動機器人的研究對于發(fā)展行星科學(xué)、提高國防能力、提高國家的國際地位等方面均有重要意義，因為:①移動機器人是行星科學(xué)研究中著陸探測和取回樣品到實驗室分析的有力工具。②人類在太空中停留數(shù)月之久會嚴(yán)重丟失鈣和磷，這似乎意味著人類不可能在重力為零的狀態(tài)下飛行6一9個月或更長一點時間。但機器人不存在這個問題。因此，行星探測移動機器人的研究是對行星進行長期實地考察的需要。③大大節(jié)省探測成本。以月球探測為例，根據(jù)粗略的估計，一次有人駕駛的飛行所花費的錢要比無人駕駛飛行多50一100倍。因此，光就科學(xué)上的探索來說，用機器人執(zhí)行無人駕駛飛行任務(wù)是合算的。④有利于提高國家國防自動化的水平和國際地位。因此，行星探測移動機器人的研究受到世界各國的高度重視。 2）海洋探測機器人 海洋探測機器人人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)的許多領(lǐng)域，隨著海洋開發(fā)的不斷深入，續(xù)航力大、探測范圍廣、能執(zhí)行多種復(fù)雜任務(wù)的大型機器人需求也越來越大。主要用于海洋石油開發(fā)、海底管道光纜巡查檢修以及其他各種復(fù)雜任務(wù)。為了使機器人能更好的完成指定任務(wù)，水下機器人的運動性能預(yù)報就成為了一個重要的研究課題。 3）油井故障探惻機器人 探測儀器的送進是油田上測井、修井等井下作業(yè)中的一項重要技術(shù)。 4) 履帶式井下探測機器人 中國作為世界產(chǎn)煤大國，也是世界煤礦事故高發(fā)國家，需要非常重視煤礦生產(chǎn)的安全。這種探測機器人可在災(zāi)害發(fā)生前對隱患進行準(zhǔn)確及時的檢測與預(yù)防，災(zāi)后進行施救等重要的危險任務(wù)。 關(guān)于探測機器人應(yīng)用范圍比我們想象的要廣泛的多，在軍事方面，已經(jīng)研究出了反坦克雷探測機器人；還有醫(yī)學(xué)探測機器人等。 2006年，中國政府制定的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》和《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，將發(fā)展航天事業(yè)置于重要地位。根據(jù)上述兩個規(guī)劃綱要，中國政府制定了新的航天事業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確了未來五年及稍長一段時期的發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)。按照這一發(fā)展規(guī)劃，國家將啟動并繼續(xù)實施載人航天、月球探測、高分辨率對地觀測系統(tǒng)、新一代運載火箭等重大航天科技工程，以及一批重點領(lǐng)域的優(yōu)先項目，加強基礎(chǔ)研究，超前部署和發(fā)展航天領(lǐng)域的若干前沿技術(shù)，加快航天科技的進步和創(chuàng)新。要發(fā)展航空事業(yè)，對月球進行探索，那么研究設(shè)計探測機器人是必不可少的過程。 1.2 探測機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1） 在行星探測機器人的研制方面，美國和俄羅斯處于世界領(lǐng)先地位。從20世紀(jì)60年代開始，美、蘇向月球以及金、火、水、木、土等星球發(fā)射了許多探測器。格林威治時間1997年7月4日17時07分，美國國家航空航天局困ASA)發(fā)射的火星探路者號宇宙飛船成功地在火星表面著陸。探路者登陸器上帶有各種儀器及“索杰納”火星車團。這是上世紀(jì)自動化技術(shù)最高成就之一。 日本對機器人的設(shè)計也處于領(lǐng)先地位。日本京都大學(xué)科研人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型機器人,能在強烈地震發(fā)生后到廢墟中探測被埋人員。還專門進行了實用演示。這種機器人外表象是一條粗大的節(jié)足昆蟲,長1·43 m,由7節(jié)組成,有人的小腿一般粗細(xì),每節(jié)周身都纏滿縱向履帶。它可以在遙控下從瓦礫的夾縫中蜿蜒穿行,裝在頭部的攝像機鏡頭會隨時傳輸觀察到的影像和搜集到的聲音,從而供控制者判斷里面是否有需要救助的存活人員。 未來的空間探測任務(wù)要求機器人系統(tǒng)能夠在預(yù)先未知或非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行變化的任務(wù)，機器人移動平臺應(yīng)具備良好的幾何通過性、越障性、抗傾覆性、行駛平順性、牽引控制特性和能耗特性?；诓煌脑砗托阅軅?cè)重點，國內(nèi)外提出并試驗了多種類型的空間探測機器人移動機構(gòu)。 2）探測機器人移動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下: (1)輪腿式，履腿式等復(fù)合型結(jié)構(gòu)的移動機器人是一個研制方向。 (2)由于航天器技術(shù)、尺寸、質(zhì)量和費用的限制,微小型行星探測機器人是目前發(fā)展的主流。 (3)由于通信時延和微重力作用的緣故,中低速移動機器人是研制的主流。 (4)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方案相結(jié)合是研制靈活可靠的行星探測機器人的設(shè)計方向。 3）設(shè)計探測機器人所面臨的問題 盡管國內(nèi)外已經(jīng)研制出了輪式、腿式、輪腿式、履帶式和其它特殊形式的移動機器人,但到目前為止,無論國內(nèi)還是國外,同時具備以下性能的移動機器人還沒有出現(xiàn):(1)能跨越大于輪子直徑的壕溝和高于輪子半徑的臺階;(2機器人陷入軟土壤中時,能自動脫離軟土壤區(qū),恢復(fù)正常的行駛能力;(3)整機的可密封性和可壓縮性良好;(4)克服傾翻對機器人行駛能力的不良影響;(5)行駛的高速高效性;(6)容積可進行擴充，而這些又是行星探測等領(lǐng)域移動機器人運動系統(tǒng)所應(yīng)具備的重要性能,因此,研制出新型的、綜合性能更好的行星探測機器人是行星探測機器人移動系統(tǒng)研究中有待解決的問題之一。 1.3 研究內(nèi)容 本設(shè)計采用模塊化設(shè)計，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時候方便更換和添加其他模塊，而且給出了兩種移動方式的設(shè)計方案，即履帶式移動方式和輪式的設(shè)計，兩者都有各自的特點，但主要以研究設(shè)計履帶式為主，它具有良好的機動性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。該機器人的最大優(yōu)點是具有良好的越障性能、環(huán)境適應(yīng)性能、防摔抗沖擊性能并具備全地形通過能力。而輪式探測機器人則機動性能比較好。除了設(shè)計探測機器人的總體結(jié)構(gòu)外，還給出了移動控制方案。 其具體研究內(nèi)容如下： 1、 研究探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計原則。 依據(jù)運動學(xué)原理，對機器人進行性能指標(biāo)分析，動態(tài)分析，使機器人能夠自適應(yīng)路面，即具有抗傾覆性、爬坡性能、越障性能、跨溝性能等功能。 2、確定探測機器人的移動方式，并對整個探測機器人的整體進行規(guī)劃設(shè)計。 1）移動方式的確定； 2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計； 3）傳動系統(tǒng)設(shè)計。 3、給出移動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。 1）監(jiān)測方法； 2）計算機硬件系統(tǒng)的設(shè)計； 3）計算機軟件系統(tǒng)的設(shè)計。 4、探測機器人的擬定工作流程如圖1-1。 接通通訊電纜 打開控制界面 點擊所需運動 機器人開始運行 圖1-1機器人工作流程 第二章 機械系統(tǒng)的設(shè)計 設(shè)計對探測機器人采用了模塊化設(shè)計，總體分為四個模塊，即計算機模塊，傳感器模塊，電源及驅(qū)動模塊，運動底盤模塊。模塊化設(shè)計的探測機器人結(jié)構(gòu)比較明了，而且在一些模塊預(yù)留了一些空間，可以在需要的時候更換或添加其他模塊。其簡圖如圖2-1 控制計算機模塊 傳感器模塊 電源驅(qū)動模塊 底盤運動模塊 圖2-1測機器人簡圖 其性能參數(shù)的基本要求如表所示2-1 表2-1 機器人性能參數(shù)基本要求 性能 參數(shù) 額定電壓 24VDC 工作電流 2A 驅(qū)動方式 直流電機驅(qū)動 電池 鉛酸蓄電池組 最大速度 3m/s 最小速度 0.01m/s 最大負(fù)載 30kg 工作時間 6小時 爬地能力 15度 越障能力 3cm 2.1計算機模塊的設(shè)計 計算機模塊分為兩部分結(jié)構(gòu)，上端為度支撐架，下端是計算機的保護架。其中支撐架是用來控制攝像頭的監(jiān)測方向，將攝像頭安裝在支撐架的套筒里，此設(shè)計是為減小外界環(huán)境對攝像頭表面和線路的影響，如水，陽光的腐蝕等，雖然不能完全隔離外界的影響，但盡量增加了攝像頭的使用壽命。在支撐架的右方和下方安裝兩個舵機，使套筒具有上下，左右兩個自由度，從而使攝像頭可以全方位的監(jiān)測周圍的環(huán)境。保護架是用來防止計算機受到外界環(huán)境的撞擊，另外，保護架提高了攝像設(shè)備的高度，可以看的更遠(yuǎn)一些。 其簡圖如圖2-2所示 圖2-2探測機器人攝像云臺簡圖 2.2傳感器模塊的設(shè)計 傳感器就像人類的感覺器官，探測機器人必需要有這方面的設(shè)計，視覺傳感器也有他的局限性，實現(xiàn)視覺的功能是需要光的，如果在夜間執(zhí)行任務(wù)時就很難實現(xiàn)其功能，為更好的使機器人完成認(rèn)為，再加一組超聲波傳感器。 傳感器模塊是一個由金屬材料板組成的圓柱體，這種結(jié)構(gòu)是根據(jù)主板的形狀設(shè)計的，傳感器模塊雖然結(jié)構(gòu)簡單，但里邊所安裝的電路主板是機器人的樞紐，機器人個部分的電路板都在這里，所以密封工作一定要做好。傳感器塊周圍安裝了24路紅外傳感器和超聲波傳感器。當(dāng)人遙控機器人執(zhí)行任務(wù)且視頻效果較好時可以關(guān)閉紅外和超聲波傳感器，當(dāng)視頻效果不好或是機器人自行執(zhí)行任務(wù)時，紅外和超聲波傳感器都要開啟。傳感器與箱體板安裝如圖所示： 2.3電源及驅(qū)動模塊的設(shè)計 電源及驅(qū)動模塊是為機器人提供能源的部分，安裝有電池組和左右電機驅(qū)動器，因為電池組喝驅(qū)動部分有一些重量，所以采用鑄鐵作為箱體。 2.4底盤運動模塊 2.4.1移動方式的選擇 機器人的移動方式主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進移動式、混合移動式、蛇行移動式等，各種移動方式的機動性能對比如表2-2 表2-2 車輪式、輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較： 移動機構(gòu)方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 機構(gòu)復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 機構(gòu)控制難易程度 易 一般 復(fù)雜 探測器需要一個良好的工作性能，要想較好的完成任務(wù)，需要平穩(wěn)的移動方式。很明顯