輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)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(dòng)方案設(shè)計(jì)（5）2.1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇（5）2.2輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)（9）2.2.1輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析（26）4.1輪式式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模（2

2、6）4.2阿克曼約束的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型（29）5輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)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(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)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(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。國(guó)外對(duì)于移動(dòng)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(guó)家，并成為世界上機(jī)器人占有量最多的國(guó)家，其次是美國(guó)和德國(guó)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動(dòng)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(dòng)車、爬行移動(dòng)機(jī)器人、球形機(jī)器人、工作伙伴平臺(tái)以及ROSA-2移動(dòng)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(hào)與“機(jī)遇”號(hào)。雖然國(guó)內(nèi)有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績(jī)。2003年國(guó)防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無(wú)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(shí)速，最高時(shí)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(guó)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(guó)家相比，我國(guó)仍存在較大的差距。未來(lái)研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動(dòng)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(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)，來(lái)控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過(guò)示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來(lái)，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(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動(dòng)作，比方說(shuō)汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過(guò)程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒(méi)有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)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(jué)的機(jī)器人，這種帶感覺(jué)的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺(jué)，比如說(shuō)力覺(jué)、觸覺(jué)、滑覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺(jué)，比方說(shuō)在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候，它實(shí)際上力的大小能感覺(jué)出來(lái)，它能夠通過(guò)視覺(jué)，能夠去感受和識(shí)別它的形狀、大小、顏色。抓一個(gè)雞蛋，它能通過(guò)一個(gè)觸覺(jué)，知道它的力的大小和滑動(dòng)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(gè)理想的所追求的最高級(jí)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(dòng)，感知思維和人

7、機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對(duì)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(méi)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(lái)越豐富，它內(nèi)涵越來(lái)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(dòng)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)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(dòng)的運(yùn)動(dòng),也可以為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制提供一個(gè)很好的研究平臺(tái)。本文所討論機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人，是一種非線性控制系統(tǒng)。為了能發(fā)揮將來(lái)加載作為主要在室內(nèi)工作的機(jī)器人長(zhǎng)度不宜超過(guò)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(hào)。因此，本課題控制器設(shè)計(jì)選用STC89LE52單片機(jī)來(lái)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(dòng)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(shí)，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(duì)于工業(yè)環(huán)境來(lái)講，我們?cè)O(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(shí)、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(dòng)系統(tǒng)，處理器系統(tǒng)，無(wú)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(dòng)系統(tǒng)對(duì)處理器的干擾，無(wú)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(duì)處理器的干擾以及無(wú)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(duì)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(dòng)方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇到目前為止，地面移動(dòng)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(lái)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(zhǎng)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(shí)，履帶很快會(huì)被磨損甚至磨斷，沉重的履帶和繁多的驅(qū)動(dòng)輪使得整體機(jī)構(gòu)笨重不堪，消耗的功率也相對(duì)較大。此外，履帶式機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)分析及自主控制設(shè)計(jì)十分困難。履帶地面移動(dòng)機(jī)器人是一種通用機(jī)器人平臺(tái)，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(tái)攝像頭、多個(gè)從攝像頭、MTI微慣導(dǎo)單元和激光掃描測(cè)距傳感器（LRF），機(jī)器人可以在人遠(yuǎn)程遙控下運(yùn)動(dòng)和作業(yè)。圖1四段履帶機(jī)器人