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移动机器人机械臂的设计毕业论文.doc

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移动机器人机械臂的设计毕业论文.doc

本科毕业设计说明书(论文)第1页共45页1引言1.1移动机器人机械臂的研究意义及目的本文以实际项目小型地面移动机器人的机械臂为研究对象。设计移动机器人的机械臂的结构。所谓移动机械臂,就是将机械臂安装在是一个小型多用途移动作业机器人智能移动平台,小型多用途移动作业机器人是一个智能移动平台,其上可搭载爆炸物处理、侦察、通讯、探测系统或其他特殊作业系统。移动机械臂用来实现一些动作如抓取,可以在机械臂的末端执行器上安装一定的工具进行作业,通过移动平台的移动来扩大机械臂的工作空间,这种结构使移动机械臂拥有更大的操作空间和高度的运动冗余性,并同时具有移动和操作功能,这使它优于传统的机械臂,则具有了更广阔的应用前景1。目前智能移动机器人正向着拟人化、仿生化、小型化、多样化方向发展,其应用也越来越广泛,几乎渗透到各个领域2。移动机器人技术的研究属于多学科相互交叉,相互渗透的,对它的研究具有很大的理论价值和广阔的应用前景。在工业机器人问世40多年后的今天,机器人己被人们看作为一种生产工具,同时随着科学技术的迅速发展和人们生活水平的提高,机器人的功能己不再是只能从事某项简单的操作,而是可以承担多种任务机器人的工作环境也不再是固定在工厂和车间现场,而是开始走向海洋、太空和户外,有些甚至已经进入医院、家庭和娱乐场所。具有智能特性的自主式移动机器人正在向非制造业方向扩展,这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、办公自动化和灾害救护等,如飞行机器人、海难救援机器人、化肥和农药喷撒空中机器人、护理机器人等。近年来,对移动机器人的研究受到重视,仿照生物的功能而发明的各种移动机器人越来越多,小到娱乐机器人玩具、家用服务机器人,大到工程探险、反恐防爆、军事侦察机器人等。相应地,这些领域对所应用的移动机器人系统也提出了更高的要求,特别是在机器人的运动速度、灵活性、自主性、作业能力等方面的要求越来越高。因此,无论是在制造业还是在非制造业,具有智能特性的自主式移动机器人成为了国内外研究的热点。历史上一切高新技术无不首先应用于军事领域,移动机器人机械臂也不例外。随着二十世纪末的几场局部战争和二十一世纪初期席卷全球的反恐战争进程,特种战争以及城市战争日益成为战争一类型的主角,这一转变直接推动了各国地面移动作战平台即军用地面移动机器人的发展。现代战争凸现了局部范围内的信息化,而战场机器本科毕业设计说明书(论文)第2页共45页人凭借自身的优势特点,已经在本世纪的战争,例如伊拉克战争中成为耀眼的新星。现代战场尤其是城市内反恐怖战争中单兵的生存能力受到了极大的挑战,微小型地面移动机器人由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点,并且可以在远程遥控甚至自主情况下完成部分原本由士兵完成的任务,可以不论白天还是黑夜都能了解周围的楼房里及街道上的敌情。除侦察外,微小型机器人搭载微小型武器系统还可完成诸如扫雷、排除爆炸物、控制武器射击等各项任务,而且不会有人员伤亡,极大减少了伤亡率。因此特别适用于城市和恶劣环境下的局部战争和信息、战争,具有重大意义和军事效益。二十一世纪的战场,战争的初期极可能是一场无人系统的较量。永不疲倦、无所畏惧的微小型无人移动机器人是最理想的士兵。它们已在战争中显示出的作战本领,可以证明它们在未来战场上的重要地位。微小型无人移动机器人的机械臂特别适用于城市和恶劣环境下如核、生、化战场等的局部战争和信息战争,具有重大战略意义和效益。1.2移动机器人的发展现状及研究小型地面移动机器人机械臂在未来生活中,包括消防、探测等危险作业中的应用将会越来越广。包括在军事领域中的应用将是发展的必然趋势,也是我国国防科技行业重点支持的方向之一。通过对小型移动机器人机械臂系统研制,在整体系统的各个方面积累了比较丰富的设计经验,相信经过不断的发展和改进移动机器人机械臂将走向成熟和实用化。未来移动机器人机械臂将有以下主要特点更优的性能质量比更强的环境适应能力更高的智能性能具有成熟的机械臂系统军品级别的可靠性。1.2.1国外移动机器人发展现状国外在移动机器人机械臂方面的研究起步较早,初期的研究主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理,并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高而导致室外移动机器人机械臂的研究未达到预期的效果,但却带动了相关技术的发展,为探讨人类研制智能机器人机械臂的途径积累了经验,同时也推动了其它国家对移动机器人机械臂的研究与开发。进入90年代,随着技术的进步,移动机器人机械臂开始在更现实的基础上开拓各个应用领域,向实用化进军。例如2002年IRobot研制的金字塔探测机器人金字塔漫游者,身长30厘米,宽12厘米,高度可在11至28厘米之间调节。机器人身带5件法宝超声波传感器、地面探测雷达系统、力度测量仪、高分辨率光纤镜头和导电传感器,具备世界上最小的地面探测雷达系统,可以穿透厚超过90厘米的混凝本科毕业设计说明书(论文)第3页共45页土。美国在2003年发射的两辆火星探测车勇气号和机遇号分别于2004年1月3号和24号在火星的不同区域安全着陆,并完成了90个火星日的科研工作。拿勇气号探测车来说,就是一个具有手臂的移动机器人。他的大脑是一台高速计算机,车体靠自身具有的六个轮子在火星地面运动,视觉系统采用一对全景照相机来拍摄火星表面和天空的全景视图,也用于形成着陆点附近的地形图、搜索感兴趣的岩石和土壤,来完成寻找火星远古时期存在液态水的证据的工作。另外分别于车体前端和后端安装了两组相同的避危摄像机,由一组立体影像的黑白摄影机所构成的,所拍摄的影像除了用于障碍物侦测之外还用于探测车的路径规划上。最先进的要数探测车上的机械手臂,手臂末端装备了各种工具,有显微镜成像仪、三种质谱仪和两种分光计,一套岩石研磨和样本采集土具以及三个磁铁阵列,所有设备主要是用来寻找火星上是否曾经有液态水的证据。西班牙罗斯罗卡公司研制的罗德轮式机器人。该机器人可用于清理雷场和处理炸药等危险物品。该车长1.4m,宽0.67m、高0.8m、重350kg、6X6驱动、动力装置为1台电动机,车上供电蓄电池可使用2h,车速前进或后退可在0至6.5km/h之间连续变化。车上装有活动操作臂,有6个自由度,固定在机器人车的旋转塔上。机械臂不伸长时可吊重80kg,伸直时最长为1.5m,此时可吊重16kg。操作臂顶端装有夹爪,夹紧力可达30kg,能把物体提升至2.75m高。该车采用100m或250m长的电缆或无线电装置进行遥控。机械手完成整个操作过程必须借助1台黑白或彩色电视显示器,显示车上3个摄像机获得的监视驾驶、机械臂控制和夹爪操作的图像。车上装有两个卤气探照灯,可在夜间或能见度很低的地区使用。除室外移动机器人外,世界各国在遥控移动机器人、高完整性机器人、生态机器人学生物机器人学、多机器人系统、环境与移动机器人系统的集成等方面都作了大量的研究。1.2.2国内移动机器人发展现状国内对移动机器人机械臂的研究起步虽然较晚,但经过近几十年的发展也取得了很大进步,但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。国内的移动机器人机械臂研究主要经历了算法的研究和仿真、国外机器人平台的引进和自主开发三个阶段。下面是国内的主要研究成果。九五期间由浙江大学、南京理工大学、国防科大、清华大学、北京理工大学联合研制了ALVLABII型陆地移动机器人,并成功完成了全部实验测试,正常行驶速度为30.6km/h,同时支持临场感遥控驾驶及战场侦察等功能。清华V型智能车THMRV是清华大学智能技术与系统国家重点实验室在中科院院士张钱教本科毕业设计说明书(论文)第4页共45页授主持下研制的新一代智能移动机器人,兼有面向高速公路和一般道路的功能,于1994年通过鉴定。车体采用道奇7座厢式车改装,装备有彩色摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统由差分GPS、磁罗盘和光电码盘组成的组合定位导航系统等。两套计算机系统分别进行视觉处理,完成信息、融合、路径规划、行为与决策控制等功能。4台IPC工控机分别完成激光测距信J息、处理、定位信息、处理、通讯管理、驾驶控制等功能。设计行驶于高速公路车速为80krn/h,一般道路为20km/h。目前已能够在校园的非结构化环境下,进行道路跟踪和避障碍自主行驶。清华大学智能车涉及到五个方面的关键技术基于地图的全局路径规划技术,基于传感器信息的局部路径规划技术,路径规划的仿真技术,传感技术、信息融合技术和智能移动机器人的设计和实现。DYI型导游服务机器人是海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司推出的新一代智能导游机器人,该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息、避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成。导游机器人由蓄电池供电,可连续运行4h,在一定环境下可自主行走,并可进行避障,并通过语启一系统可以进行人机交互。此外还有香港城市大学智能设计自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中科院沈阳自动化所研发了具有自主产权的激光导引AGV和用于公安防暴的灵晰一B型移动机器人、中国科学院自动化所自行设计制造的全方位移动机器人导航系统等。本文主要论述是移动机器人机械臂结构设计。1.2.3移动机器人的研究热点综合国内外对于移动机器人的研究情况,当代移动机器人的研究主要集中于以下几个方面。1机械臂结构。机械臂机械结构形式的选型和设计,是根据实际需要进行的。在机械臂机构方面,结合机器人在各个领域及各种场合的应用,研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。当前,对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段,而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点,正在向实用化迅速发展。2运动控制技术。稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础,由于移动机器人机械臂本身是一个非完整约束系统,是一个欠驱动的零漂移的动力学系统,因此,该系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此,通过时变、不连续控制以及混合策略,根据动力学模型和运动学模型,建立合理的反馈控制律,实现速度和转向的自动控制,以及不同工作状态之间的平稳过渡,是该项技术的核心内

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