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本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 41 頁 共 41 頁
目錄
1 緒論………………………………………………………………………………………2
1．1 引言………………………………………………………………………………… 2
1．2 輪式移動機器人的發(fā)展概況……………………………………………………… 2
1．3 國內外研究現(xiàn)狀……………………………………………………………………6
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………… 6
1.3.2 國內研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………… 8
1．4 論文研究的背景和意義……………………………………………………………9
1.4.1 研究背景………………………………………………………………………… 9
1.4.2 研究的意義………………………………………………………………………10
1．5 論文研究的主要內容…………………………………………………………… 13
2 輪式機器人的運動控制………………………………………………………………13
2．1 移動機器人控制系統(tǒng)設計……………………………………………………… 13
2.1.1 原理………………………………………………………………………………13
2.1.2 元器件的選擇……………………………………………………………………13
2.1.3 移動機器人平臺總體結構………………………………………………………14
2.1.4 移動機器人硬件系統(tǒng)……………………………………………………………15
2.1.5 移動機器人電源及驅動模塊……………………………………………………17
2.1.6 移動機器人傳感系統(tǒng)……………………………………………………………18
2．2 移動機器人運動控制研究……………………………………………………… 18
2.2.1 車體結構與運動學分析…………………………………………………………18
3 輪式機器人的結構設計………………………………………………………………21
3．1 移動機器人的結構分析………………………………………………………… 21
3.1.1 驅動機構…………………………………………………………………………21
3.1.2 車輪………………………………………………………………………………21
3．2 移動機器人的結構設計………………………………………………………… 22
3.2.1 移動機器人零部件設計選擇……………………………………………………23
3.2.2 傳動的設計計算…………………………………………………………………26
3.2.3 計算蝸桿傳動主要尺寸…………………………………………………………27
結論……………………………………………………………………………………… 33
致謝……………………………………………………………………………………… 34
參考文獻………………………………………………………………………………… 35
1 緒論
1．1 引言
機器人的誕生和機器人學的建立和發(fā)展是20世紀自動控制最具說服力的成就，是20世紀人類科學技術進步的重大成果。機器人從爬行到學會兩腿直立行走，僅僅用了20年，而人類的這一個過程則經(jīng)歷了上百萬年?，F(xiàn)在全世界已經(jīng)有近100萬臺機器人，機器人的技術和工業(yè)得到了前所未有的飛速發(fā)展。機器人已經(jīng)能夠使用工具，能看，能聽，能說，并且開始能進行一些決策和思考的智能行為，其應用也從傳統(tǒng)的加工制造業(yè)逐漸擴展到軍事，海洋探測，宇宙探索等領域，并開始進入家庭和服務行業(yè)。作為一種先進的機電一體化產(chǎn)品，機器人技術的發(fā)展與自動控制技術的發(fā)展息息相關。自動擴展系統(tǒng)是機器人的中樞神經(jīng)，他控制著機器人的思維，決策和行為，幾乎所有自動控制技術都在機器人的控制上得到了應用。近年來，智能控制的發(fā)展十分迅速，這必將促使機器人的智能化水平達到新的高度。
移動機器人是一種由傳感器、遙控操作器和自動控制的移動載體組成的機器人系統(tǒng)。移動機器人具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下等)環(huán)境作業(yè)方面，比一般機器人有更大的機動性、靈活性。隨著科技的進步，人類對未知世界進行探索的愿望越來越強烈，移動機器人的發(fā)展也日新月異。60年代后期，美國和蘇聯(lián)為完成月球探測計劃，研制并應用了移動機器人。美國“探測者”3號，其操作器在地面的遙控下，完成了在月球上挖溝和執(zhí)行其他任務。蘇聯(lián)的“登月者”20號在無人駕駛的情況下降落在月球表面，操作器在月球表面鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大學研制出具有仿人功能的兩足步行機器人。由于這些機器人通?？梢赃m應不同的環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場輻射、重力等條件的影響，因此移動機器人常被用來完成一些人類無法進行的任務。
1．2 輪式移動機器人的發(fā)展概況
近20年來，移動機器人的研究十分活躍，并得到了快速發(fā)展，這主要有兩個方面的原因:其一， 移動機器人的應用范圍很廣，包括國防工業(yè)、制造業(yè)、輕重工業(yè)以及服務業(yè)等諸多領域。其二，目前國內外的星際探索和海洋開發(fā)兩大高端技術領域的市場需求也是促使移動機器人發(fā)展的客觀因素與潛在動力。機器人在各個領域正得到越來越廣泛的應用，在制造領域，為了保證較高的產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，機器人已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的手段之一。
到目前為止，地面運動機器人的行駛機構主要分為履帶式、步行式和輪式三種。這三種行駛機構各有其特點。
(1)履帶式。最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，后來出現(xiàn)在某些地面行駛機器人上。履帶式機器人可以在凹凸不平的地面上行走[1]，可以跨越障礙物，爬梯度不太高的臺階，具有行駛速度較快(介于輪式和腿式之間)，承載能力較強，但轉向不易，比較笨重的特點。如圖1所示的履帶式移動機器人，由于其采用了像坦克那種的履帶式設計，因此能夠適用于更廣泛的地形。
圖1 履帶式移動機器人
(2)步行式。其中步行式機器人對場地有良好的適應能力，特別是多足機器人，能夠跨越臺階，但動作是間歇的，速度不快，且控制復雜，實現(xiàn)相對困難[2]。從移動的方式來看，步行式移動機器人可以分為兩類:動態(tài)行走機器人和靜態(tài)行走機器人。根據(jù)支腿的數(shù)量又可分為兩足、四足、六足和多足。
①六足行駛機構
采用六足行走機構的機器人很多[3]，一般都采用變換支撐腿的方式，將整體的重心從一部分腿上轉移到另一部分腿上，從而達到行走的目的。具有代表性的有美國CMU大學開發(fā)的一種六足結構(如圖2)，它是由六條支腿組成，每條支腿具有由水平旋轉和垂直移動兩個自由度。在行走過程中，整個支腿可以繞軸端在水平面內進行旋轉，支腿的末端可以通過連桿機構進行垂直方向的上下移動，以調整姿態(tài)，最終使機器人保持水平。通過六條腿的交替運動來實現(xiàn)機器人的行走。
圖2 六足仿生機器人
②多足行走機構
如圖3所示的八足仿生機器人，這種機構是一種八足行走的移動機構，其運動的特點是在前行時相對于身體總是后腿到前腿的順序，后腿著地后前腿才離地，機器人兩側的相應部分也是成相位交替著運動。近期的八足機器人，在結構上沒有太大的突破，在控制方面，則不斷地出新，將現(xiàn)代的計算機等高科技應用到機器人上。
由此可以看出，對于步行式移動機器人，雖然越野能力比較強，但其結構復雜，行走速度比較緩慢。
圖3 多足行走機構
(3)車輪式。車輪式移動機器人具有結構輕、動作穩(wěn)定、操縱簡單、其移動速度和方向容易控制等優(yōu)點。常用來在無人工廠中搬運零部件或做其它工作，適用于平地行走，運動速度快，但其越野能力比步行式機器人稍遜一籌[4-5]。但隨著各式各樣的車輪底盤和懸架系統(tǒng)的出現(xiàn)，像美國MCU的六輪三體柔性機器人Robby和美國研制的火星探路者機器人，使得車輪式機器人能適應凹凸不平的地形[6-7]，越野能力大大加強。于是人們對機器人移動機構研究的重點也隨之轉移到輪式機構上來，近期日本開發(fā)出一種結構獨特的五點支撐懸吊結構MiCroS，由于其采用一支撐輪，所以有很好的越野能力。輪式移動機器人按輪數(shù)的多少又可分為三輪、四輪、五輪、六輪以及多輪，其中以四輪和六輪研究居多。
①兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機器人
不加裝車體的兩輪移動機器人是典型的機器人結構，左右輪分別由一個電機動，依靠差速實現(xiàn)轉向，轉向靈活但當安裝上車體時，就同自行車機器人一樣，要考慮機器人的平衡問題。
這種兩輪移動機器人具有極強的靈活性而且它的行為與火箭飛行以及兩足機器人行走有很大的相似性，因而對其理論及控制系統(tǒng)的研究受到國內外機器人領域的高度重視近年來，該機器人逐漸成為全球機器人領域的研究熱點之一。美國和日木的研究機構相繼開始了這方而的應用研究并取得了初步成果兩輪行走機構是自然不穩(wěn)定體，是高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)目前還存在許多問題，不能實際應用[8]。
②四輪移動機器人
輪式移動機器人中最常見的機構就是四輪移動機器。人當在平整地而上行走時，這種機器人是最合適的選擇。并且在其他領域(如汽車領域)已為其發(fā)展提供了成熟的技術。
四輪結構一般比較簡單，但其越野能力有限，如圖4所示為一四輪移動機器人。要想提高此類機器人的越野能力，就必須對其底盤機構及驅動方式進行改進。具有代表性的是美國MCU研制的Nomad，它采用的是可變形的底盤和均化懸掛系統(tǒng)。其底盤可通過兩個四桿機構進行變形，當?shù)妆P展開時四桿機構變成一個菱形，當?shù)妆P收縮時四桿機構變成一條直線。均化懸掛系統(tǒng)可以平滑機器人本體相對于輪子的運動，這種結構可保證在各種地形情況下四輪都能同時著地。
圖4 Nomad四輪機器人 圖5 “勇氣號”火星探測車
②六輪。具有代表性的是美國研制的火星探測車，如圖5所示，它采用的是六輪搖臂懸架機構，其采用對稱式結構，單側搖臂主要包括主搖臂、副搖臂、前后兩個主動輪以及中間的隨動輪。與四輪結構相比，由于引入了副搖臂和從動輪，當遇到障礙時，通過對副搖臂的轉動，并借助于從動輪來調整重力在各個輪上的分力，可以提高車體的穩(wěn)定性和越野能力。
1．3 國內外研究現(xiàn)狀
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀
機器人技術是20世紀中期的重大發(fā)明。從60年代起美、俄、日、法等國在航天領域拼搏角逐、爭雄霸業(yè)。美國曾在1966～1968年間，向月球成功發(fā)射了兩次無人巡游探測器。美國“登月者20號”在無人駕駛的情況下，降落在月球表面，自由行走，鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進回收容器送回了地球。1997年由美國JPL(全稱Jet Propulsion laboratory，美國太空總署噴氣推進實驗室)研制的Sojourner號探測車登上了火星。盡管它僅僅是一輛工程示范車，有效載荷很小，而且還不能離開登陸車太遠，但它驗證了小型火星車的性能，并且完成了一系列的技術實驗[9]。2004年1月，美國的“勇氣號”和“機遇號”火星探測車再度登上火星[10]。2007年，JPL又成功研制了ATHLETE月球探測車(如圖1)。該車有六條支腿，每條支腿上均含有一個驅動輪。每個支腿及車輪均可以獨立運動，其越障性能和對環(huán)境的適應性都有了很大的提高[11]。前蘇聯(lián)在1959～1976年間，總共成功發(fā)射了兩個月球探測車。其中2號車(lunokhod-2)最為成功。該車工作了四個月，行駛了37 km。歐洲和日本也對行星探測車做了很多深入的研究，并已研制出了樣車，不過目前仍未登陸。
圖1 ATHLETE月球探測車
在軍事領域中，德國在二戰(zhàn)期間就曾經(jīng)研制了數(shù)千輛遙控無人自爆式坦克，這是無人戰(zhàn)車的最早雛形。近十年來，美國為了滿足未來地面戰(zhàn)爭的需要，非常重視地面智能移動機器人的研究，己經(jīng)研究了一系列智能機器人，并己裝備軍隊。在反恐和現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，智能移動機器人己經(jīng)得到了很好的應用。美國軍方在阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中都曾廣泛使用M-Gator無人戰(zhàn)車。在這兩次戰(zhàn)爭中，智能機器人公司的PackBot履帶式無人戰(zhàn)車也曾執(zhí)行過數(shù)千次任務，比如掃除路邊炸彈，到洞穴或房屋內進行搜索等，為戰(zhàn)爭的勝利提供了有利保障。近兩年來，美國軍方又研制了“大狗”四足機器人(如圖2 )。該機器人主要用來在戰(zhàn)場上運送物品，它具有很強的穩(wěn)定性。無論是在路面復雜的山地，還是在非常光滑的冰面，它都可以自己調節(jié)平衡，從而越過障礙，到達目的地。即使受到外界的沖擊，也可以像動物一樣調節(jié)自身穩(wěn)定，繼續(xù)行走[12]。
圖2 美國Big-Dog
1.3.2 國內研究現(xiàn)狀
當今我國對探測開發(fā)太空投入了極大的關注，輪腿式移動機器人是現(xiàn)今最流行的行星探測車結構，雖然與國外的水平還有不小的差距，但國家政府在這方面也加大了投入力量，現(xiàn)在一些高等院校和科研機構相繼開展了有關輪腿式機器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。如清華大學在行星表面環(huán)境及探測機器人幾何建模方面做了大量的工作，并對相關的電機驅動技術進行了深入探討。與此同時，國防科大的研究小組以我們剛提到的Sojourner為藍本，研制出了KDR一試驗樣車(如圖3)，并對其自主導航及路徑規(guī)劃技術進行了研究。此外中國科技大學和哈爾濱工業(yè)大學都在輪腿式行星移動機器人方面進行了一系列研究工作，并取得了初步的成果。近幾年來，中國在移動機器人方面取得的主要成績有以下幾個方面:
1、上海交通大學的劉方湖、陳建平等提出了一種5輪月球機器人，并從結構上研究了其越障性能、靜態(tài)穩(wěn)定性和附著性能[13]。該車前三輪均能獨立驅動和轉向，后面兩輪是從動輪。前輪有電機驅動，使其做俯仰運動。
2、上海大學研制了一種可越障輪式全方位移動機構—車輪組機構，該機構保證在姿態(tài)保持不變的前提下，沿壁面任意方向直線移動或在原地旋轉任意角度，同時能跨越存在于機器人運行路徑中的障礙。上海大學的張海洪、龔振邦等對其越障性能作了簡單的機理分析和全方位移動機構的運動學分析[14]。
3、中國科技大學的程剛，竺長安等提出了一種復合結構移動越障機器人(如圖4 )，并對該機器人進行了運動學建模與仿真[15]。該機器人是將輪式、腿關節(jié)式、履帶式三種結構結合起來設計而成，它采用后輪驅動，每個輪子分別由一臺直流伺服電機帶動，跟履帶車一樣通過差速來實現(xiàn)轉向功能。車前部有平行四邊形的擺桿通過鍵與車體的前輪軸固連,車體前方有兩臺直流伺服電機分別控制兩邊平行四邊形擺桿的運動，在遇到突變障礙時，擺桿下壓，產(chǎn)生撐地的動作，從而實現(xiàn)越障。
圖3 KDR-1試驗樣車
4、 清華大學陸文娟等人對一種六輪式移動機器人做了比較詳細的研究[16]，這種機器人具有6個主動輪且都能獨立轉向，該機器人地形適應性能較普通4輪機器人要好。
圖4 復合結構移動越障機器人
1．4 論文研究的背景和意義
1.4.1 研究背景
早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械人偶。到了近代，機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多，應用之廣，影響之深，是我們始料未及的。
移動機器人隨其應用環(huán)境和移動方式的不同，研究內容也有很大差別。其共同的基本技術有傳感器技術、移動技術、操作器、控制技術、人工智能等方面。它有相當于人的眼、耳、皮膚的視覺傳感器、聽覺傳感器和觸覺傳感器。移動機構有輪式(如四輪式、兩輪式、全方向式、履帶式)、足式(如6足、4足、2足)、輪腿式(用輪子和足)、特殊式(如吸附式、軌道式、蛇式)等類型。輪子適于平坦的路面，足式移動機構適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境?，F(xiàn)今移動機器人的移動機構己經(jīng)不僅僅限制于輪式或足式。從80年代開始，一種新型的移動機構成為了研究移動機器人的熱點—輪腿式移動機構。這種移動機構使移動機器人具有了速度快、穩(wěn)定性好以及對地面的適應能力強的特點。
輪式移動機器人中最常見的機構就是二輪及四輪移動機器人當在平整地而上行走時，這種機器人是最合適的選擇。并且在其他領域(如汽車領域)已為其發(fā)展提供了成熟的技術。
1.4.2 研究的意義
智能移動機器人在各種復雜地形上都具有較高的機動性，可以進入人類無法進入或生存的環(huán)境，適用于國防和民用等多個領域，在反恐斗爭中也發(fā)揮了巨大作用。
移動機器人的主要應用領域包括以下幾個方面:
(1)軍事偵察，排除險情
在軍事行動中常需要對未知的環(huán)境進行偵察。由于地形的復雜特性以及軍事行動中的危險性，采用普通的智能車輛或者人工進行偵察都很難完成任務。智能移動機器人為軍事行動提供了一個可靠的平臺。由于它對地面的適應性，可以使其順利到達目的地。如在車上安裝攝像機、安全激光測距儀、夜視裝置和GPS全球定位系統(tǒng)等設備，通過無線電或者光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報搜集、目標搜索和自主巡邏等任務。除軍事偵察外，智能移動機器人還常被用來完成掃除路邊炸彈、尋找地雷和銷毀地雷等危險任務。
（2） 探測危險，航天航空
在考古、工程檢測和災后救援等方面，移動機器人由于其良好的越障性能，也發(fā)揮著巨大的作用。在國外，智能移動機器人己經(jīng)被用來探測金字塔內王后室的秘密通道[17]。在工程建設領域，可對水庫堤壩、海岸護岸堤、江河大壩進行質量和安全性檢測，還可應用在碼頭、橋墩等被撞后的受損程度探測評估。在制造領域，可用于工業(yè)管道中的機械損傷、裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管線的泄露和破損點的查找和定位等[18]。民用方面，可以探測泄露物質，可以進行地鐵滅火，以及在強烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。
從上個世紀60年代后期，人類就開始了對宇宙外星球的探測。到目前為止，人類研究的星球主要是月球和火星。由于外星球上空氣、輻射、溫度和重力等條件的影響，人類很難直接進行探測和研究。為此，通過移動機器人采集星球樣本進行研究己經(jīng)成為研究外星球的重要手段。
(3) 智能導航，快速運輸
在現(xiàn)代化的大型商場、醫(yī)院等公共場所。智能機器人可以充當導游、售貨員、保安等多種職業(yè)。不僅可以為行人帶路、介紹周圍環(huán)境，還可以有效的維護公共場所里治安。在大型碼頭、貨場和倉庫，已經(jīng)開始利用這種智能移動機器(AGV)作為主要的運輸工具。通過預先編好的程序和規(guī)劃的路徑，它們可以自己在指定位置充電，并且長時間的高效率的不間斷工作。大大提高了運輸量。
智能移動機器人根據(jù)不同的需要，可采取不同的移動機構。但總體目標都是向著高度的機動性、良好的穩(wěn)定性以及簡單的可控性發(fā)展。
移動機器人技術在經(jīng)過幾十年的發(fā)展過程之后，己經(jīng)取得很大進展，并且成為新興且快速成長的行業(yè)。隨著機器人技術的發(fā)展和人類活動領域的不斷擴大，移動機器人的應用領域不斷地拓寬，從制造領域向非制造領域發(fā)展，如海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出自動化和機器人化的要求。人們期望機器人能在許多人類不能及的區(qū)域來代替人類完成更復雜的任務。因此，研究與開發(fā)一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的移動機器人的綜合控制系統(tǒng)，勢在必行。傳統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)結構源自基于認知的人工智能模型，在這種模型中，智能任務由運行于符號模型之上的推理過程來實現(xiàn)，它強調帶有環(huán)境模型或地圖的中央規(guī)劃器是其智能不可缺少的組成部份，而且該模型必須是準確的、一致的。該模型遵循從感知到動作的串行功能分解控制路線，系統(tǒng)的可靠性、魯棒性和反應性差。
反應式控制系統(tǒng)將機器人行為的感知、規(guī)劃、任務執(zhí)行等過程封裝成一個行為模塊，某一時刻，只有一種行為控制機器人。反應式控制系統(tǒng)能使機器人快速地對時變的、非人為構造的環(huán)境進行反應。反應式控制系統(tǒng)的局限性是機器人通常不能保存周圍信息，沒有記憶功能，沒有內部的環(huán)境描述，沒有實時學習/規(guī)劃能力?；谛袨榭刂品椒ㄊ欠磻较到y(tǒng)的擴展，它介于純粹的反應式和極端的慎思型之間。在基于行為控制方法中，控制系統(tǒng)的分解是以面向任務的(Task-Oriented）方式進行的，機器人把所要完成的任務分成基本的簡單的行為單元，各單元彼此協(xié)調工作。每個單元都有自己的感知器和執(zhí)行器，構成感知一執(zhí)行動作行為。機器人根據(jù)行為的優(yōu)先級并結合本身的任務綜合作出反應。其優(yōu)點在于每個行為的功能較簡單，可以通過簡單的傳感器及其快速信息處理過程獲得良好的運行效果。因此，行為控制是進行機器人底層控制的最佳選擇。
1．5 論文研究的主要內容
本文對輪式機器人的結構設計和運動控制技術進行了研究。這一機器人的行駛機構為四輪式結構。即各車輪與車架直接相連，使其具有行走功能。本機構配備大直徑輪軸，使其能適應室外、草地、沙地等行走環(huán)境。同時配備自主驅動控制，能實現(xiàn)無半徑轉向跨越障礙、躲避障礙等功能。
（1） 移動機器人的結構設計。此內容包括機器人主要結構形式和外形尺寸的確定。
（2） 移動機器人的模塊化設計。移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。是一種具有一定智能、在一定范圍內移動且能完成各種規(guī)定任務的機器人。與普通機器人的主要區(qū)別是移動機器人一般安裝在可移動的平臺載體上?？稍谳^大地域范圍內活動。在設計移動機器人時應遵循以下機構設計原則[19]：
a.總體機構應容易拆卸，便于平時的試驗、調試和修理。
b.應給機器人暫時未能裝配的傳感器、功能元件等預留安裝位置，以備將來功能改進與擴展。
c.采取模塊化設計，各個功能模塊之間相互獨立裝配.互不干擾。
（3） 移動機器人的運動控制分析。要順利躲避障礙，機器人必須具備自主靈活的轉向性能。因此，機器人的轉向性能是其地面適應能力的一個關鍵方面。
2 輪式機器人的運動控制
2．1 移動機器人控制系統(tǒng)設計
本次設計的論述移動機器人為以STC12C-5408AD為控制核心的后驅四輪機器人。如圖5所示，在車身最前部分是信號采集模塊，負責對工作環(huán)境中的線標志的讀取，前輪萬向輪來作支撐轉向，后輪是機器人前進的主要動力，用直流電機驅動，當機器人拐彎時采用差速機構進行驅動[20]。
圖5 輪式移動機器人
2.1.1 原理
單片機[21]系統(tǒng)通過信號采集模塊，對路面標記的信號進行讀取，并把模擬量轉換為數(shù)字信號輸入到單片機，單片機通過己經(jīng)寫入的程序對讀取到的信號進行判斷，進而通過電機驅動模塊和車體轉向控制模塊來決定機器人的運動狀態(tài)。電機驅動模塊采用直流電機對機器人進行驅動，并調節(jié)電機轉速來實現(xiàn)機器人轉向。
2.1.2 元器件的選擇
本次設計主要實現(xiàn)信號采集與分析、直流電機控制兩大功能，而單片機系統(tǒng)為機器人最終運動狀態(tài)的決定者，因此單片機的選擇很大程度上決定了移動機器人的性能。信號的采集一般需要有AD轉換接口，本次設計中選擇了國產(chǎn)的STC12C5408AD，是新一代增強型8051單片機，速度快，集成度高，電壓范圍寬(3.8-5.5V)，指令系統(tǒng)和MCS-51系列完全兼容。其內部還有8kB Flash程序存儲器，512Byte RAM,2kB EZ PROM ,8通道10位ADC、4路PWM以及硬件看門狗(WDT)等資源，并具有ISP功能，用戶在自己的目標系統(tǒng)上，經(jīng)串口和PC連接，就可直接由PC對其進行 ISP下載編程，時間僅幾秒鐘。
在集成整個控制系統(tǒng)之前，還要考慮電源問題。運行過程中電機消耗的電量要比控制系統(tǒng)消耗的多，而且在運行過程中機器人的加速、減速、拐彎等動作會導致電壓的不穩(wěn)定，故實行控制系統(tǒng)電源和電機驅動電源的分離，對單片機系統(tǒng)設計了一個獨立的以MAX639為核心的供電系統(tǒng)，確保單片機得到5V的電源。
2.1.3 移動機器人平臺總體結構
移動機器人應具有如下功能：
1． 進行靜態(tài)全局路徑規(guī)劃，并控制機器人實現(xiàn)全局導航，完成指定任務；
2． 當環(huán)境中出現(xiàn)障礙物時，機器人識別障礙并采用相應的避障策略實現(xiàn)避障；
3． 主動視覺系統(tǒng)可以完成目標搜索和跟蹤功能；同時可用于輔助全局導航和移動機器人將要到達指定目標時的精確定位。
鑒于以上的研究目標，提出如下總體設計要求：
1. 機器人動作靈活，控制方便；
2. 采用模塊化設計
3. 應具有較豐富的環(huán)境感知能力，以便對機器人的行為控制進行更全面的研究；
4. 在保證功能實現(xiàn)的前提下，盡量減少系統(tǒng)硬件的成本；
5. 便于功能擴展、軟硬件調試、及系統(tǒng)維護。
基于上述設計要求研發(fā)的移動機器人總體結構，由下至上分為五層:主要分為用戶層、決策控制層、傳感/底層決策層、運動執(zhí)行層。各層與各層之間通訊都有標準的物理層與協(xié)議層，因此各層都具有很強的擴展性。
2.1.4 移動機器人硬件系統(tǒng)
系統(tǒng)硬件由移動機器人平臺和無線通信系統(tǒng)組成，采用上下位二級分布式控制系統(tǒng)結構。采用基于模塊化并行通信的多微處理器分布式控制系統(tǒng)體系結構設計實現(xiàn)，完成對移動機器人的行為動作控制；主要完成的移動機器人全局導航控制功能和基于主動視覺的移動機器人導航控制等功能；通過無線通信系統(tǒng)和上位機進行信息交互。
移動機器人平臺為典型的四輪式機器人，前兩輪為萬向輪，兩后輪單獨驅動，后輪安裝了左右輪直流電機及其電機控制器，這個移動機器人平臺可以爬坡和越障，為實現(xiàn)三維空間的導航提供了平臺。
系統(tǒng)硬件組成可分為以下三個大模塊:電源及驅動模塊、傳感器模塊、控制計算機模塊，而按功能類別分，該機器人又可分為用戶層、傳感/控制子系統(tǒng)、智能和決策子系統(tǒng)、運動控制層如圖6所示。
圖6 移動機器人平臺系統(tǒng)硬件組成
2.1.5 移動機器人電源及驅動模塊
沒有運動控制和驅動單元，機器人的電機就無法運轉。運動控制和驅動單元被集成并封裝在電源/驅動模塊中。
為了使系統(tǒng)更加可靠，通過DC/DC模塊實現(xiàn)功率電源與邏輯電源相互隔離。其中傳感器主板需要三組電原，超聲聲納供電電源+12V，邏輯供電電源+5V，以及功率電路中的+5V電源(用+5P表示)。由于超聲聲納最多選配為24個，每一個超聲聲納靜態(tài)工作電流55mA，超聲聲納系統(tǒng)靜態(tài)工作電流為24* 55=1320mA，而一個超聲聲納使能測距，電流為2A，而系統(tǒng)設計一次同時使能兩個超聲聲納即4A電流。據(jù)此系統(tǒng)12V的功耗最大電流不會超過6A，即最大功耗為72W，因此選取用VICOR100W的DC/DC模塊。
圖7 12V電源電路—VICOR
5V穩(wěn)壓電路是使用的VICOR的DC/DC2405，50W。其主要為紅外傳感器、陀螺儀傳感器以及其數(shù)字邏輯電路供電，而紅外傳感器工作最大電流為50mA最多選配8個，即8*50mA=400mA，陀螺儀功耗小于100mA，而其它數(shù)字邏輯電路功耗很小，不過1A，所以系統(tǒng)邏輯5V功耗肯定小于2A，采用的50W電源模塊。
圖8 5 V電源電路
為了便于擴展，各擴展卡的每一路電源以有信號都進行可靠的保護，短路、接反、信號混亂也不會導致整個系統(tǒng)崩潰。
圖9 電源保護電路
2.1.6 移動機器人傳感系統(tǒng)
移動機器人的傳感系統(tǒng)負責獲取機器人內部狀態(tài)和外部工作環(huán)境的信息，是移動機器人感知、決策和動作三大要素之一。傳感系統(tǒng)的硬件組成單元是傳感器，其功能是為機器人提供諸如視覺、力覺、觸覺等對外部環(huán)境的感知能力，同時還可以感知機器人本身的工作狀態(tài)和位置。
外部傳感器有:傳感器模塊上配備24路超聲測距傳感器(聲納)及光電開關(避碰用)、兩自由度攝像云臺、全景視覺攝像機、接觸和接近傳感器等，并提供8個預留的標準接口。結構如圖10所示。傳感器主板如圖11所示，其中12點方向的超聲波傳感器及紅外傳感器接口號為24#，順時針方向為1、 2、 3、 4、5……。
圖10 傳感系統(tǒng)結構
圖11 傳感器主板絲印圖
傳感器主板電源由兩針接口POWER輸入之后分成兩路，一路經(jīng)過可恢復保險管與TVS管(用于反接與過壓保護)為傳感器系統(tǒng)提供24電源，另一路直接為PC提供電源。其中LEDO1與LED02分別是傳感器系統(tǒng)與PC系統(tǒng)電源指示燈。
圖12 電源輸入以及簡單保護電路
2．2 移動機器人運動控制研究
移動機器人通常利用輪子、腿或其他機械裝置在應用環(huán)境中來回移動。本文討論的為四輪式結構。前面兩個輪為隨動輪，僅起到支承車體而無導向作用，后面兩輪為驅動輪，用兩臺電機分別驅動，通過調節(jié)后輪的轉速來控制車體運行的速度和轉動角速度。
2.2.1 車體結構與運動學分析
圖13為可移動機器人車體結構簡圖。小車兩后輪為驅動輪分別由兩臺電機驅動，每臺電機與后輪各構成一個速度閉環(huán)，為恒速輸出，在工作載荷內，調節(jié)兩電機的輸入電壓即可調節(jié)兩后輪的轉速。小車兩前輪為隨動輪，僅起到支承車體的作用而無導向作用。
圖13 車體結構圖 圖14 車體運動路徑
圖14為車體運動路徑示意圖。車體運動起始點O為坐標原點，經(jīng)時間t后車體運動到點A處.其中，Ex(t)和Ey(t)為小車在X方向上和Y方向上的位移；θ(t)和。ω(t)為小車的角位移和角速度。為小車兩后輪中點處的移動速度。因此可推得如下關系式：
Ex（t）= (1)
Ey（t）= (2)
θ(t)= (3)
在小誤差范圍內可以認為:
cosθ(t)=1 （4）
sinθ(t)=θ(t) （5）
控制小車的兩電機電壓保證小車兩后輪中點處的速度為常量，即v=v0，則式（1），（2）和（3）可表示如下：
Ex（t）=v0t （6）
Ex（t）= （7）
θ(t)= （8）
經(jīng)過實測，小車兩電機閉環(huán)系統(tǒng)特性一致.電機輸入電壓與車輪轉速關系如下：
n=knU+Cn （9）
式中n為車輪轉速，U為電機輸入電壓，kn和Cn為常數(shù)。
根據(jù)推導可獲得車體轉動的角速度ω（t）和小車后輪中點處的速度v0如下：
ω（t）=（n2-n1）Dπ/W （10）
v0=（n2+n1）Dπ/2 （11）
其中n1和n2分別為小車左輪和右輪的轉速，D為小車后輪的直徑，W為小車兩后輪的距離。
把式（9）代入式（10）和（11）中，得
ω（t）=（U2-U1）Dπkn/W （12）
v0=（U2+U1）Dπkn/2+DπCn （13）
其中U2和U1為小車左輪和右輪的輸入電壓。
由式（13）可知，若小車兩電機輸入電壓之和為常數(shù)，則小車兩后輪中點處速度v0為常數(shù)。當小車有一瞬時角速度ω（t）時，所需兩電機電壓差Δ為
ΔU=U2-U1=ω（t）W/(Dπkn) （14）
若使：
（15）
則小車兩電機輸入電壓之和為常數(shù)，即
U2+U1=2U （16）
式中，U為小車作直線運動時兩電機的輸入電壓，U值決定于v0的大小。
對于此系統(tǒng)，我們不關心位移，只要求小車能夠沿著示教的路徑做再現(xiàn)運動，即希望Ey(t)=0.式(7),(8)和(14)經(jīng)拉氏變換后為:
Ey(s)=v0θ(s)/s （17）
θ(s)=ω（s）/s （18）
ΔU(s)=Wω（s）/(Dπkn) （19）
由式（17）、（18）、（19）給出系統(tǒng)結構圖如圖15所示。
圖15 系統(tǒng)結構
3 輪式機器人的結構設計
要開發(fā)能夠適應復雜路面環(huán)境的智能移動機器人，首先要研究其機械結構。移動機器人的機械結構是其上儀器設備的一個搭載平臺，是構成移動機器人整體的基礎，其功能和適應性的好壞直接關系到機器人的使用壽命和完成任務的情況。因此，機械結構設計是機器人開發(fā)過程中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。
3．1 移動機器人的結構分析
3.1.1 驅動機構
驅動元件在機器人中的作用相當于人體的肌肉。為了完成預定的動作，機器人必須具備前進驅動裝置和轉向驅動裝置，這是結構設計中的一個關鍵。在所有的驅動元件中，電機是最常用的機器人驅動器。當前許多仿生機器人也有用液壓元件、氣動元件以及一些特殊材料來作驅動器。本文主要采用電機作為該新型智能移動機器人的驅動元件。對電機實現(xiàn)準確的控制，才能使機器人實現(xiàn)精確運動。
目前，電機驅動裝置主要有以下兩種布置方式:
(1)集中驅動方式。即把驅動電機布置在車體上，在通過傳動裝置，將動力輸出到每個車輪上，使車輪運動。電動汽車便是典型的集中驅動方式。對于智能移動機器人，集中驅動方式并不合適，主要是由于其難以實現(xiàn)自由轉向，對車體進行精確定位。
(2)集中控制—分布驅動方式。即在每個驅動車輪上都設置電機，驅動車輪運動或轉向。電機由安裝在車體上的中央控制元件控制其轉動速度。這種結構簡單，而且便于實現(xiàn)，有利于運動機構性能的發(fā)揮[22]。目前各國的空間探測車均采用這種驅動方式。
本方案采用集中驅動方式。后兩個車輪分別連接一個前進驅動電機，電機提供動力，再由控制系統(tǒng)控制電機轉速來實現(xiàn)車體的轉向。
3.1.2 車輪
車輪的直徑對機器人的速度和越障能力都有很大的影響。使用同樣的電機，車輪直徑增加，機器人的速度會同時增加，二者之間是一種線性關系。另外，按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機器人的越障能力。但是，車輪直徑變大的同時，車輪表面所受的電機轉矩卻會下降。根據(jù)車輛地面力學理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實阻力也就越小[23]。不過，車輪變寬后，機器人的轉向阻力也會變大。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對減小壓實阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實際情況設定車輪直徑和寬度，不能盲目加大車輪直徑和寬度。
3．2 移動機器人的結構設計
(1)本小型輪式智能移動機器人采用整體車身結構。車身通過軸與前后四個車輪連接，使車身及承載物的重量能被四個車輪平均承受，再平均分配給每個車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個車輛的承載能力。
(2) 機器人的主要運動結構為前后四個車輪及其相關機構。前車輪為萬向輪，后車輪連接電機，可以分別實現(xiàn)轉向和滾動。四個車輪的接地點呈矩形分布，使車身具有一定的穩(wěn)定性。各個車輪各自通過一根軸跟車身相連，通過簡單的機構傳動，可以使車實現(xiàn)協(xié)調的運動。
(3)在車體上設有中央控制單元，實現(xiàn)對電機的運行控制。
圖16 機器人整體布置圖
(4)控制模式考慮采用自主導航和遠距離控制相結合的模式。車上設有傳感系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機器人本身具有一定自主導航能力，可以實現(xiàn)自動避障。
(5) 機器人自帶蓄電池等能源設備，可以在一定時間段內實現(xiàn)能源的自動供給，保證機器人在失去外部電源的情況下能自動返回出發(fā)地。
(6) 車輛的外形尺寸為800×510×400mm。
(7) 車輪直徑為180mm寬度為55mm。
3.2.1 移動機器人零部件設計選擇
1. 確定驅動輪半徑
R=90mm
機器人車輪周長
C=2πR=565.2mm
2. 機器人車速
V=0.08—0.6m/s
車輪轉速為n
0.08m/s≦≦0.6m/s
8.5r/min≦nw≦63r/min。
3. 選擇電機
因要滿足室外、草地、沙漠等環(huán)境的行走。查數(shù)據(jù)可得輪與地面摩擦因素
μ=3
工作機扭矩
T=FμR=mgμR=40Kg×10m/s2×3×0.09m=108N·m
工作機功率
P==108N·m×nw/9550 （1）
ηw=1
96W≦P≦712W
現(xiàn)有濟南科亞電子科技有限公司ZTY型直流馬達技術參數(shù)如下表：
型號
轉矩（mN·m）
轉速（r/min）
功 率
（W）
電 壓
（V）
電流（A）
不大于
110ZYT05
637
3000
200
24
13
110ZYT55
980
3000
308
24
16.5
110ZYT105
1274
3000
400
24
22.5
110ZYT155
2230
3000
700
24
22.5
130ZYT05
3185
1500
500
24
28
綜合考慮，選定型號130ZYT05
電動機主要外形尺寸和安裝尺寸如下：
型號
L
重量（Kg）不大于
130ZYT05
204
13
圖17 電機安裝尺寸
4. 減速器的設計選擇
電機所需功率
Pd=
電動機至工作機的傳動總效率
ηa=η1η22η3
取單頭蝸桿效率
η1=0.725
取滾動軸承效率
η2=0.988
取彈性聯(lián)軸器效率
η3=0.994
ηa=0.703
Pw=Pd×ηa=500×0.703=351W
根據(jù)式（1）
nw=31.4
i==1500/31.4=47
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選定減速器類型為蝸桿減速器。
圖18 蝸桿減速器
表1 蝸桿、蝸輪參數(shù)的匹配
中心距a
/mm
傳動比i
模數(shù)m
/mm
蝸桿分度圓直徑d1/mm
蝸桿頭數(shù)z1
蝸桿齒數(shù)
z2
蝸輪變位系數(shù)x2
40
4.83
2
22.4
6
29
-0.100
7.25
2
22.4
4
29
-0.100
9.5
1.6
20
4
38
-0.250
-
-
-
-
-
-
14.5
2
22.4
2
29
-0.100
19
1.6
20
2
38
-0.250
29
2
22.4
1
29
-0.100
38
1.6
20
1
38
-0.250
49
1.25
20
1
49
-0.500
62
1
18
1
62
0.000
選擇傳動比i=49
5. 傳動裝置的運動和動力參數(shù)
（1）各軸由高速至低速依次為Ⅰ軸、Ⅱ軸（工作軸）……
Ⅰ軸 nⅠ=
Ⅱ軸 nⅡ=r/min
（2） 各軸輸入功率
Ⅰ軸 PⅠ=Pdη3=500×0.994=497W
Ⅱ軸 PⅡ=PⅠη3η1=497×0.725×0.988=356W
（3）各軸輸入轉矩
Ⅰ軸 TⅠ=Tdη3=9550×η3=9550××0.994=1.4N·m
Ⅱ軸 TⅡ=TⅠη2i1=1.4×0.988×49=67.7
將上述計算得到的運動和動力參數(shù)列表如下：
軸號
功率P（kW）
扭矩T（N·m）
轉速n（r/min）
電機軸
500
3185
3000
Ⅰ軸
497
1.4
3000
Ⅱ軸
356
67.7
61.2
3.2.2 傳動的設計計算
1． 選擇齒輪的類型、材料、精度和齒數(shù)
（1）按已知條件，選用一級蝸桿傳動。
（2）蝸桿、蝸輪材料采用45鋼調質處理，硬度差為40HBS可以提高大齒輪齒面的疲勞。
（3）精度選擇7級精度。
（4）根據(jù)表1，選擇蝸輪齒數(shù)z=49
2.按齒面接觸疲勞強度計算
根據(jù)以下設計公式進行計算：
（1）確定上式中的各參數(shù)
① 試選使用因素；KA=1
② 蝸桿傳遞的扭矩為：
T2=9550=95.5×105×=1582N·m
③ 查設計手冊，選動載因素KV=1.1；
④ 查設計手冊，選載荷分布因素Kβ=1；
⑤ 查設計手冊，查得接觸疲勞強度極限為
σHP=140MPa
σH=155×=22.9MPa<140MPa
3.校核蝸輪齒根彎曲強度
①查設計手冊，蝸輪綜合齒形系數(shù)=4；
②查設計手冊，導程角系數(shù)=0.906
③查設計手冊，查得齒根彎曲強度
=7.56MPa<33MPa
3.2.3 計算蝸桿傳動主要尺寸
下表為普通圓柱蝸桿傳動基本幾何關系式：
表2 普通圓柱蝸桿傳動基本幾何關系式
序號
名稱
代號
關系式
結果
1
中心距
a
a=(d1+d2+2x2m)/2
40mm
2
蝸桿頭數(shù)
z1
-
1
3
蝸桿齒數(shù)
z2
z2=iz1
49
4
齒形角
a
ax=20°或an=20°
20°
5
模數(shù)
m
m=mx=mn/cosγ
1.25
6
傳動比
i
i=n1/n2
49
7
齒數(shù)比
u
u=z2/z1
49
8
蝸輪變位系數(shù)
x2
x2=a/m-(d1+d2)/2m
-0.500
9
蝸桿直徑系數(shù)
q
q=d1/m
16
10
蝸桿軸向齒距
px
Px=πm
3.925
11
蝸桿導程
pz
pz=πmz1
3.925
12
蝸桿分度圓直徑
d1
d1=mq
20
13
蝸桿齒頂圓直徑
da1
da1=d1+2ha1=d1+2ha×m
22.5
14
蝸桿齒根圓直徑
df1
df1=d1-2hf1=d1-(2ha×m+c)
17
15
頂隙
c
c=c×m
0.25
16
漸開線蝸桿基圓直徑
db1
db1=d1tanγ/1tanγb=mz1/1tanγb
17
蝸桿齒頂高
ha1
ha1=ha×m=(da1-d1)/2
1.25
18
蝸桿齒根高
hf1
hf1=（ha×+c×）m=(d1-df1)/2
1.5
19
蝸桿齒高
h1
h1=ha1+hf1=(da1-df1)/2
2.75
20
蝸桿導程角
γ
tanγ=mz1/d1=z1/q
3.576°
21
漸開線蝸桿基圓導程角
γb
cosγb=cosγcosαn
22
蝸桿齒寬
b1
z1=1.2時 b1≥(12+0.1z2)m
z1=3.4時 b1≥(13+0.1z2)m
17
23
蝸輪分度圓直徑
d2
d2=mz2=2a-d1-2x2m
61.25
24
蝸輪喉圓直徑
da2
da2=d2+2hf2
62.25
25
蝸輪齒根圓直徑
df2
df2=d2-2hf2
56.75
26
蝸輪齒頂高
ha2
ha2=（da2-d2)/2=m(h×a+x2)
0.625
27
蝸輪齒根高
hf2
hf2=（d2-df2)/2=m(h×a-x2+c×)
2.125
28
蝸輪齒高
h2
h2=ha2+hf2=(da2-df2)/2
2.75
29
蝸輪咽喉母圓半徑
rg2
rg2=a-da2/2
8.75
30
蝸輪齒寬
b2
b2≥0.65da1
15
31
蝸輪齒寬角
θ
θ=2arcsin（b2/d1）
97.18
32
蝸輪軸向齒厚
sx
sx=πm/2
1.96
33
蝸桿法向齒厚
sn
sn=sxcosγ
1.96
34
蝸輪齒厚
st
按蝸桿節(jié)圓處軸向齒槽寬e'x確定
35
蝸桿節(jié)圓直徑
d'1
d'1=d1+2x2m=m(q+2x2)
18.75
36
蝸輪節(jié)圓直徑
d'2
d'2=d2
61.25
下表為減速器機體主要結構尺寸：
表3 減速器機體主要結構尺寸
名稱
符號
尺寸關系式
結果
機座壁厚
δ
-
3
機蓋壁厚
δ1
-
3
機座凸緣壁厚
b
1.5δ
4.5
機蓋凸緣壁厚
b1
1.5δ1
4.5
機座底凸緣壁厚
b2
2.5δ
7.5
地角螺釘直徑
d5
6
地角螺釘數(shù)目
n
n≥4
4
軸承旁聯(lián)接螺栓直徑
d1
0.75d5
4.5
蓋與座聯(lián)接螺栓直徑
d2
(0.5～0.6)d5
3
聯(lián)接螺栓d2的間距
l
軸承端蓋螺釘直徑
d3
(0.4～0.5)d5
3
窺視孔蓋螺釘直徑
d4
(0.3～0.4)d5
3
定位銷直徑
d
(0.7～0.8)d2
3
d5、d1、d2至外機壁距離
c1
-
3
d5、d2至凸緣邊緣距離
c2
-
2
軸承旁凸臺半徑
R1
c2
凸臺高度
h
外機壁至軸承座端面距離
l1
c1+c2+(3～8)
蝸輪外圓與內機壁距離
Δ1
＞1.2δ
蝸輪輪轂端面與內機壁距離
Δ2
＞δ
中間軸兩傳動件的軸向距離
Δ3
8～15
機蓋、機座筋厚
m1、m
m1＞0.85δ1 m＞0.85δ
軸承端蓋外徑
D2
39
軸承旁聯(lián)接螺栓距離
s
下表顯示了如何確定各段軸的長度
表4 軸各段直徑的確定
符號
確定方法及說明
d
按許用扭轉剪應力的計算方法估算，盡可能圓整為標準直徑（查手冊），如有外接零件（如聯(lián)軸器），d應與外接零件的孔徑一致，并滿足鍵的強度要求。
d1
d1=d+2a a為軸肩高度。用于軸上零件的定位和固定，通常取0.07d<=a<=0.1d;d1應符合密封元件的孔徑要求（查手冊），軸肩過渡圓角的要求