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探测 机器人 系统 设计 全套 cad 图纸

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轻量级丝杠作动器设计 在 便携的机器人 的 应用 机械设计报 凯文 托马斯 一个便携机器人是直接与它的用户联系的一个受控和开动的设备。 同样 ， 也 要求 这个设备 必须 也 是便携 的 ，轻量级 的， 最重要的是安全的 。 为 了 达到这些目标 。 标准丝杠的设计 通常 不能很好的 按要求 执行这些 。 典型的丝杠有 很 低投球角度和大 的 半径，从而产生 很 低 的 机械效率和 很 大的重量 。 可是 ，使用 文本中 的设计程序 ， 效率和重量 是被 改进 的 ; 因而 可以 产生 一种与人 的 肌肉 相似 的丝杠系统。例子 中 的 问题 说明 一个可行性的丝杠设计应该是 277 的功率质量比 ，接近 驱动它的马达，即 312W/且机械效率 为 动能 到 11.3 kN/杠设计。 1引言 在美国 ， 有 五分之一的人有不同形式的残疾 ， 这些人当中， 61的人患有感觉或身体残疾。 在老年人 中 ， 8 到 19 是 步态失调 。许多残疾人 可以 独立的 受益于某种形式 机器人 的 协助 。 一个 便携 机器人是一个 被 计算机控制和驱动 的 装置，是直接接触 用户 的 。 这种装置 的目的是 增强 用户 的 行 为 能力 。 在 病人 治疗 期间 ， 它可以用于训练， 或 是 仅仅当作一 种 协助 病人完成日常生活 的装置 。 便携 的含义是 指 机器人必须携带方便，重量轻，而且 安全 是最 重要的 。相比之下， 工厂车间 的 机器人是没有这些 功能 的 ，因此，要简单修改现有的技术是不可能 实现的 。 设计便携机器人的标准方法 有三大局限性 ; 1低电池功率密度 ； 2电机 的 低 强度质量比； 3重量和安全 性 的 机械传动系统。 这些 工作 的目的 是审查 丝杠驱动器 的设计过程 ;结 果显示 在 局限性 第三项方面有了重大改进， 即，重量和安全性的机械传动系统。 2 背景 有 趣 的是 ， 在 便携机器人学 领域 的研究已经超过了 过去十年 的 增长。 最近 ，浪涌 的 利益可以归因于 电子小型化、微处理器能力和无线技术扩散的推进 。 提高 便 携计算机控制 设备 的能力 的可行性 是可以实 现的 。 然而，除便携式的计算平台的可及性之外，必须 谈 及物理机制的问题。 在便携 机器人发展 中， 主 要 的问题 是 强度质量比 、重量和安全。 有 多少 可利用的 动力 可 完成 机械功？ 机器人设备 有 多少 额 外的 力 给 人？ 还有 ， 如何 转移这 些动 力和怎么 一直 维护安全 等 ？ 用户和开动的机器 人 之间的安全互作用 在便携机器人 设计 中 是一个首要问题 。 一个便携的机器人系统的目的 是 将 操作员 通过 存贮设备 获得的努力和 能量 抵消 ，即，电池、燃料电池和空气坦克。作动器 的 效率和整个系统 的 重量沉重影响分享在操作员和机器人之间的工作负担。 在很多情况下，机器人加给用户的 额外力量 ， 能多完成 一项 测量 任务。 这意味着机器人 不仅 必须增添操作员的能力， 也必须 补尝它自己另外的重量。 动器 的 比较 。 很 多机器人作动器 被比作 成 人的骨骼肌 的 标准。 设计师 了 解 他们 好 的 功率强度比 和 优秀的 强制生产能力 就是为了 动作器 与 骨骼肌 相比拟 。为了匹配骨骼肌的性能， 重要的是 知道其中一些措施 。不幸地 是 ， 生物文学中的普遍 性 是 :被测 量的肌肉 参数 是 变化繁多 的 。虽然报告 参数 有一个宽 的 变化，这些 参数 一直能 给生物材料 行为 标度的感觉。 制成表的数据和 几个原始 估计 数据 被用于描述人的肌肉表现 属性和结果 如表 1所示 。 表 1： 作动器比较： 通过 机械效率 ，势能，和校正动能对 各种各样的作动器类型 进行比较： 允许 与 有效能的运用 直接进行比较 。然而，在便携机器人作动器的发展 中这两个参量需要得到审查 。考虑 到 所有作动器在 100%效率 中运行 ，然后整个小组能直接地由他们各自的功率强度比 进行比较 。 可是 ，如果 势能中的动力 被提供给每台作动器，由于他们 各自 的 效率 仅仅是 输出 一小部分 动 力。所以，适当地比较上面被描述的作动器，他们校正的 势能 必须计算 ,即： (1) 机械效率和 率质量比 。 对各种动作器演算的 结果如 表 1所示 表 1的内容 是 从文献或基于那些文献的估计中获得的 。 数 是 : 传动箱组合 的参数 在 004编目 中 能够 找到。一台电系列有弹性作动器 的 参数 用于估计这些参 数 。然而，一个 一般 大小的丝杠系统可能有更好的 强度质量比 ， 因为 它 有很高的 负 载 能力 ，并且 有很 低的重量。对于 空气肌肉， 从 各种各样 文 献中发现了 描述它 的 相关 方法 。 比较中显然显示的 是校正 功率质量比 ， ， 空气肌肉 和 人的骨骼肌是 都是简单 匹配 的 。 然而， 马达上一旦加上额外的硬件 ，它的 执行力 会 极大减 小 。 基于动作器的重量， 如果 能 修改 一个 不是很大的 量的机械传动系统，则 它接近于 人的骨骼肌的功能可 能 会实现 。 3丝杠设计 如上所见 ， 当一个典型丝杠系统 与其他便携 机器人作动器 在 概念 上进行 比较 时 ，它的性能 是有限的 。 产生这种 低性能的主要原因是 它的 机械效率 很低 。 如果 在一个标准丝杠系统 中使用 大约是 =会有更好的润滑效果 。 相反，典型的球螺丝系统有非常好机械效率。 滚 珠轴承的滚动接触对这个系统的摩擦作用 会保持 很 低。 然而， 效率 虽然 有了改进 ，球螺丝作动器的 然低于那骨骼肌， 这 是因为 球螺丝系统 的重量 很大 。 如果 改进球螺丝的 性能 ， 那么 重量的减少就 可以 实现 了 。 机械设计学报 图 1 丝杠 外形 ; 主角 l 在 一个 单 一螺旋螺丝 中是等效的 用于设计 围拢丝杠的基本数学 也适用于球螺 丝系统。 这两 个 机械传输之间的 主要 差别是他们的摩擦系数。在以下部分 会 考虑 影响 丝杠 重量和 机械效率 的 设计参数 ，并且对 它 的 进行改进 。 形 在图 1显示 的 是普通 丝杠 的 基本 外形 。 丝杠的关键参量是主角 l， 螺丝半径 。主角 进达到的位移数量， 一个高精度螺丝有非常 小 或 非常好 的 主角 。在图 1的正三角形显示 的 螺丝 的 唯一 一次改进被剥开的构造 。前置角 代表螺纹的斜面或倾斜 度 。 三角 的基础 是螺丝轴的圆周，三角 形 的右 腿 是它的主角 ， 螺线螺纹的弦 代表 路径长度。 并且在正三角形 中 看 出 使螺母 举 起 负 载 的强大的力 。 负 载的力量显示 为 F ，螺丝的扭矩 强度 是 F ,在螺丝 螺纹 上 的正常反作用力是 N，并且摩擦力是 N。从这张图 中 ， 举起 的扭矩的 等式就可以是： (2) 对 R。 还 考虑 ，丝杠的 外形 在图 1可以显示 主角 描述的。这些可 改变 量 之间的关系 是： (3) (4) 公式 4的 意思 是 r、螺丝半径和 ，前置角， 都 是 需 要 螺丝 主角 这意味着 在 之间 存 在 一个连续的关系。虽然 存在 这个连续的关系，多数螺丝系统 还是 被 设计 成 非常小 的 前置角。 从 首 选 螺丝大小的 经验来看 ，虽然各自的直径 都在 变化， 但 前置角 都小于 3。 在 公式 4种显 示 对所 有螺丝主角 的需求 ，各种各样的半径 都 可 以 使用。 这个意义在于 螺丝半径 螺丝的重量 是 通过 的 。因此， 要 补尝小螺丝半径， 必须考虑前置角 这个参数。 前角， 图 2丝杠系统机械效率： 遮蔽一部分的图表多数 是丝杠 的典型设计区域 。 是小的，半径大，重量大，并且效率是 较 低的。在图表的未遮住的区域设计， 是大 的 ，暗示更小的半径、更低的重量和 更 高 的 效率。 对于一个便携 机器人 的 设计，不仅 丝杠作动器的重量 是一个重 要问题， 而且 作动器的效率也是 非常 关键的。 如上所述，螺丝半径的减 小可以使动作器的重量大大减小 。 然而， 要 减小 螺丝半 径，必须增加前置角 ， 以保持 恒定的 主角 。当看 公式 2时 ，可以 看 出 要求 承受负载的 力 矩 决于两前置角 和 摩擦系数 . 影响 螺丝效率 的是 前置角和摩擦系数，图 2显示对 摩擦系数 _和前置角 _的冲击 在 于 丝杠系统的效率 (5) 在图 2的每条线 是基于 摩擦系数不同的 参 数 。 几份 普通 的工程材料 作为 例子给读者 一个在丝杠系统中能有不同物质或涂层的作用 的感觉 。这个图表示，当前置角增加，机械效率 就增加 ; 或者至 少 到达一个峰值。 理论上， 选择 最大效率采摘角度是有利的。 一个丝杠系统在高效率运行时需要使负载力矩达到最小 在高峰值 效率发生的角度可以取决于 与 角度 效率 有关 的 参数 ，结果 是可以看到的。 (6) 虽然一个高前置角可能 提高 效率， 但 它 也 可能导致 反驱动 系统。一个 反驱动 系统是 一种负 载 力矩 ， 没有 力 矩 协助 的 情况下，螺丝可能 自转 ，因而允许 负 载 自我降低 。 反驱动 丝杠 不适合应用于 汽车起重器，但是 可以应用于 便携 机器人 当中 。 因此 反驱动 的前置角 是 ： (7) 不管 产生多么 高 的 负 载力量 ，多么 低 的 摩擦系数系统 ， 前置角和摩擦系数 总 是影响这 些条件 的 ，例如球螺丝， 反驱动 是一个必然结果。 4 实用考虑 理论上，如 先前的文献 所显示 ，是希望 螺丝半径 甚至 到一个几乎微观 尺度 。然而，从设计和制造业方面 来讲， 这不是一种实用 的 解 决方案 。虽然 从重量和效率的角度 来讲 小螺丝 的 直径和高前置角 是极其重要的 ， 但 他们可能不允许设计师适应物理系统的力量需要。 例如轴向产生，压缩折和机制困境 都 需要被考虑。 考虑 到 单 一 的 超薄的螺丝也许是轻量级 的 ， 它 可 能没有 一个 系统 所 需要 足够的负 载 能力 。 但 可以 使用 单 一 的， 或几个螺丝， 就会有足够大 的负载能力 。 用几个小螺丝 承受 大 载 荷 是没有重量优势的 ， 作为 因 计算 一个螺丝断面产生的重量和压强 。 然而，使用几个小螺丝 承受 载 荷 可能允许对高前置角的持续 使用 和 在高效率 中运行 ，甚 至 在 很高负载 。 通过推挤丝杠原材料物产极限， 可以达到 轴向 很高的 负载 。这种 工作 方法 的 好处在于 一个紧张系统比它压缩轴承更好运作 的 系统。 当考虑到减小 一个 既长 又细的 螺丝 的负载时 ， 类似 于 （ 丝杠作动器能被设计负担仅紧张装载 ） ，因而消 除 共折的考虑 。 在一个便携 机器人 中 创建紧张 驱动系统 不一定意味着需要一个对抗性。 实际上， 与 一个 协助机器人 相比 ， 残疾人 在 做单一的直接动作时，肌肉存在 弱点，因此， 这些人是非常需要动作器帮助的。 对于 那些 推挤螺丝半 径 和因 此导致 前置角 的极限超过 最大 效率 的设计师，摩擦 极 限角度多 少 是 可以 倾斜的。 所有这些 的物理解释是系 统捆绑 或锁 ， 由 导出的 公式 2可以 看见。 一 个由 公式（ 2） 导出 ， 可以 产生以下 关系 (8) 除被列出的实用考虑之外 ， 还 可能 存在着 许多其他问题。包括扭转力僵硬或 屈服力 甚至热扩散 等 。这些因素中的每一个 都 是重要的并且 都需要我们考虑 。可是 ， 这个练习 的目的 是展示 选择一个 设计或选择螺丝系统 的 典型方法。 这个 选择方法的好处是 可 直接适用 于一个便携 机器人系统的设计 。 5 例子 中的 问题 展示一 份 粗 糙 设计 报告 ，考虑高峰距小腿关节扭矩在 到一个有能力装载 80 且 是 步频率 期间的连接扭矩 。 在步态期间的 脚腕扭矩 峰值 大约 是 100毫微米。 这个峰 值 大致 发生在 45%的 步态周期 。步态周期 是指 一只脚 跟 的停止到这支脚跟下一次停止的时间 。 脚趾 是承受 另一只 腿重力和开始摇摆的点 。 摇摆阶段 的判断是 步态再 次 安置脚回到脚跟 停止 位置 时，然后 下 一 个 步态周期 开始。 例如，让我们考虑修造 一个 脚腕步态协助丝杠作动器。我们假设 协助水平在 30%左右和到小腿关节是 12厘米的 力矩臂。 表 2作动器 问题 比较 ： 丝杠设计 的肌肉 的 效率 比较 ， 对势能的比较 ，校正 势能和动能的 措施的 比较。 这些 参数都可以根据自己的个人经验并且在合理的范围内进行修改和变化。参数 和 可用的 参量 接近于 即 这个例子中， 主角长度的范围 已经确定了 ;它的范围可以 是 解 决设计两 个丝杠 的 问题 :第一个设计 问题是 解决最大效率 。假设 是 2 =丝 在 =半径是 地方 产生的效率是 90%。 这样 小的 一条半径， 需要多个螺丝承受负载 。即使如此， 估计 作动器 的势能 是 280 W/ 通过马达重量和预测的传输系统， 划分需要的 功率 峰值就可以得出势能的 大小 。我们 从 以前的工作 知道了 ，辅助组分的重量成比例 可以减小螺丝和螺钉的重量 。 第 二个设计，丝杠 商业供营商 得到可利用的维度 。 螺丝 的 = 更 大一些 的维度 也可行 ， 动作器的势能 最好是 277 W/为了达到比较的目的， 这个例子出现的 问题结果 制成了表格 。表 2显示两个 丝杠设计 方案 的数字结果。 这些 参数 与 先前的 数 和人的骨骼肌的估计 值进行 比较。 通过例子，动能大小是基于力的峰值进行计算的 。 6 讨论 在 分析解决最大效率的方案上 ，丝杠设计 一个 单 一小半径螺丝永远不会处理 所要求的 负 载 。 可是 ， 多个 螺丝 同时 平行执行那项任务 会有 同样高 的 效率。 虽然 使用典型的技术 不容易制造出 一个 的 螺丝， 但用 这种方法 是 可以实现的（即 ，使用多个 螺丝产生高效率） 。 要设计一个特殊的丝杠， 效率 是没有 极限的 。 丝杠设计 有 一种可行的解 决方案 可以解决脚腕的问题 ， 校正 功率质量比 参数使其 非常接近 于 人的肌肉。使用一种相似的方法，球 形 螺丝机制能有益于 它的 表现 ，一般方法是 创建 一个驱动的背面 ， 低重量和高效率 的 螺丝系统 可以使基于 机器人应用 有 一种 有力 解答。 图 3 原型作动器，高效率丝杠 前面提到，一台便携机器人作动器 不仅 要 有好 的执行 能力， 而且还要对它的用户有一定的 安全 性 。 在考虑安全方面 时 ， （ 驾驶 ）是 便携 丝杠作动器 所需要的 。 （ 驾驶 ） 允许 操作者任意安装没有动力的螺钉，因而使 它的 阻碍减到最小。 另 一方面 ， 在螺丝的末端设计一块闲置的部分以防止马达和用户受 到损坏 。对人的损伤 可以 通过安置螺丝的末端范围在 用户 的生理 安全 极限内 来 避免 ，即一旦遇到危险强度，可以得到短期的脱离 。所有这些方法 都 需要 得到 重 点 考虑，并且应该 在 设计过程中 早期解决 。安置机械部件必须包括特别 的 防备措施。 防备措施必须超出软件或控制器范围 ; 因此，在机械设计 中 应该包括他们。保证 用户 的安全是在 设计 所有协助机器人 时应该是 最优先考虑的事 ， 我们的 实验室也调查了便携作动器的其他类型。看图 3。 这些技术 帮助 我们 保持 设备的 整体大小和重量 打 到最低。 7 结论 一台便携机器人作动器必须有好 的 功率势能比 ，好 的 机械效率， 好的 强度质量比 ，并且一定是安全的。对于一个 具有好的 功率 的 改进它 力量 的唯一方法是 增加传动系统。传统上，这 种方法 导致了 率质量比 的增加以至于它的执行力 笔直下降 。 可是，我们的方法可以用于设计丝杠和球形丝杠的力， 例如一个便携的协助机器人 。 . . is a is in As of it be To of in of in a of an a a to 77 W/of dc 12 W/as as a a to 1.3 kN/ 1 ne in in of 1% of a or an % 9% by of A is a is in of a is of It be in in or as a to in of be In a is of so of is to 1 2 to 3 of a of is to of a of in , of 2 in of of be to in of a is to of of be in is to do to be to be in a of a is to or of by of a of is by to in of to a to s is by to is to In to of it is to of is a of a a of in to of of be . by to “to to to be of of to be in of a if to 00% be by to if in to to of a of be as to to ） be (1) is wt is to of of be . by or dc in 004 an to a a to to to is of a of in is to , of dc is to dc If a of dc of be 3 of a is to is of in a is = on if is In of on to an is of to of To of a a of be 1 as p l in a he of a to a is of In an of of a be to cbe 1 is of a of a is l, is on r, . l, is of of A a or 1 of a of a , or of of is of of is of on on a is a of is w, on , on of N, N. a be (2) . of a 1, it be is by . is 3) （ 4） q（ 4） is r, , to a l. a r . A of . q（ 4） is a of be of is as r, of by a to a of , be 2 of of is of is is is in of is a is of a an of an is As a in in is be to a q(2). it is to a is as as of of a to of on of on of a 5） 2 is a of of as to a of or on of a as so or at a is it be to A at to w. at be by of to of be 6) a to a it to a A is in a of of to A is a a is in a in 7) of of of as a is an 4 as in it be to r, to an is a a of to of as to be as a be it be to by A or be be to As a is no to to a as by a of to of in of By of of be a it a of a be to of or a be to a of a in a an is In an a in a a be is to of to of of be of is or be by q.（ 2） . An of q.（ 2） . (8) In to be of or of of of is to an to of or of to of a 5 o a of an or 0 kg z is 00 at 5% of A is by of a to of is in of to of of of a As an us a us ： I to in of to to to of to be 0% a 12 cm to be in a a of of to , is a a mm a =an .9 =a a to to 80 W/to by in by of of to of I, a is to =an s to 77 W/ =is of of of to a dc to is by 6 n of , it a of a of in a mm be it is of to be a a up to in a it I, a of to to a a in as to a dc a 3 a be In of in a is to be by on In consideratio毕业设计 (论文 )任务书 系别 ：机电工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生情况 指导教师情况 题目类型 姓 名 学 号 姓 名 职 称 单 位 理论研究 科研开发 王亮 18 王会香 讲师 机电工程学院 工程设计 论文 题目 探测机器人系统的设计 主要 内容 以及 目标 主要内容： 1、 研究探测机器人系统的设计原则 。 2、 确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计 。 3、 对探测机器人系统的硬件设计，绘制机械图 。 4、 给出移动控制系统的设计方案， 。 目标： 掌握探测机器人系统的设计原则，从实际应用环境出发确定机器人的移动方式，选用合理的目标监测手段，来实现探测目的，并撰写毕业论文，达到机电一体化综合能力训练的目的。 成果 形式 具体工作量： 5000字以上； 0 3张， 编制控制界面 ； 5000字以上的关于 探测机器人系统的设计的毕业论文。 成果形式：论文、图纸、程序。 基本 要求 1、 设计图纸符合国家标准， 2、结合机械与机电的有关知识对系统进行设计。 实习 调研 要求 实习调研提纲： 1、 探测机器人的设计原则 。 2、 探测机器人的几种移动方式 3、 探测机器人的监测手段 。 实习调研时间：第 1 实习调研地点：机电控制重点实验室 主要 参考 文献 1. 主要 仪器 设备 计算机， 工控机。 据采集板卡 毕业设计（论文）开始日期 20业设计（论文）完成日期 20业设计（论文）进度计划（起止时间、工作内容） 1. 第 1 实习调研基本结束； 2. 第 4 周 撰写并提交调研报告和开题报告； 3. 第 5 制定探测移动机器人的设计原则 ； 4第 7 周 确立机器人的移动方式 ； 5. 第 8 设计机器人系统的机械结构； 6. 第 13 设计控制方案及监测手段； 7 第 15 撰写并提交毕业论文；审阅、评审并修改毕业论文； 8 第 17 周 完成毕业答辩 指导教师（签字）： 年 月 日 督导教师（签字）： 年 月 日 系毕业设计（论文）领导小组审查意见： 组长（签字）： 年 月 日 摘要 本设计采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最 大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。而轮式探测机器人则机动性能比较好。除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动控制方案。 机器人最重要的机构是运动底盘的设计，即使软件设计的再好，移动方式没有设计好，那么机器人也不会很好的执行任务。轮式，腿式，履带式的移动方式在设计过程中已经给出， 可以根据自己设计的要求进行选择如果地形比较平缓，或是有沟壑的地形，可以选择履带的移动方式；如果是平缓没有沟壑的地形，就选用轮式的移动方式；如果地形成阶梯状，而且地形比较复杂，最好选用腿 式的方法。 本设计可以采用两种控制系统，即通过上位机直接通过总线对机器人进行控制或是通过无线电台对机器人进行控制。 关键词 ： 探测机器人 ； 模块化设计； 履带移动方式； 机器人的控制系统； he is in so in of to is of of to it in is of a to is In to a is of no be of in be in of if or a of to If is on of if of C to or to s 目 录 摘要 I 一章 概述 机器人的应用范围 探测机器人的先状及发展趋势 研究内容 第二章 机械系统的设计 计算机模块的设计 传感器模块的设计 电源及驱动模块 的设计 底盘运动模块的设计 各模块的连接 11 第三章 能源驱动的设计选择 14 能源的供给 14 电机的选择 14 电机驱动的选择 15 第四章 传感器 系统的设计 17 视觉传感器 17 超声波传感器 17 红外传感器 19 第五章 探测机器人的硬件系统 20 传感器采集系统 20 保护电路 20 红外传感器的接线 21 超声波传感器的接线 21 罗盘处理流程 21 换电路 22 第六章 探测机器人计算机硬件系统 23 无线电台通讯系统 23 电子罗盘 23 第七章 探测机器人软件系统的开发 25 移动控制系统的设计 25 演示控制程序 25 结束语 29 参考文献 30 探测机器人系统的设计 开题报告 班级（学号） ：机 0405 姓名 ：王亮 指导老师 ： 王会香 一、综述 究的目的和意义 出于重要的战略意义，资源 领域 已成为各科技强国相互竞争的一个 焦点 ， 出 于安全性等因素的考虑，对探测机器人的研究设计也成为了开发资源的 重要硬件之一 ，探测机器人可以帮助人类完成一些 不能完成的任务 ，其应用范围很广，有几下几方面： 1）行星探测移动机器人 行星探测移动机器人 的研究对于发展行星科学、提高 国防能力、提高国家的国际地位等方面均有重要意义，因为 :移动机器人是行星科学研究中着陆探测和取回样品到实验室分析的有力工具。人类在太空中停留数月之久会严重丢失钙和磷，这似乎意味着人类不可能在重力为零的状态下飞行 6一 9个月或更长一点时间。但机器人不存在这个问题。因此，行星探测移动机器人的研究是对行星进行长期实地考察的需要。大大节省探测成本。以月球探测为例，根据粗略的估计，一次有人驾驶的飞行所花费的钱要比无人驾驶飞行多 50一 100倍。因此，光就科学上的探索来说，用机器人执行无人驾驶飞行任务是合算的。有利于 提高国家国防自动化的水平和国际地位。因此，行星探测移动机器人的研究受到世界各国的高度重视。 6 2）海洋探测机器人 海洋探测机器人 人已经广泛应用于海洋开发的许多领域，随着海洋开发的不断深入，续航力大、探测范围广、能执行多种复杂任务的大型机器人需求也越来越大。主要用于海洋石油开发、海底管道光缆巡查检修以及其他各种复杂任务。为了使机器人能更好的完成指定任务，水下机器人的运动性能预报就成为了一个重要 的研究课题。 1 3）油井故障探恻机器人 探测仪器的送进是油田上 测井、修井等井下作业中的一项重要技术。 3 4) 履带式井下探测机器人 中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。这种探测机器人可在灾害发生前对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后进行施救等重要的危险任务。 5 关于探测机器人应用范围比我们想象的要广泛的多，在军事方面，已经研究出了反坦克雷探测机器人；还有医学探测机器人等。 2006年，中国政府制定的国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要和国家中长期科学和技术发展规划纲要（ 2006 2020年），将发展航天事业置于重要地位。根据上述两个规划纲要，中国政府 制定了新的航天事业发展规划，明确了未来五年及稍长一段时期的发展目标和主要任务。按照这一发展规划，国家将启动并继续实施载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优先项目，加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新 。要发展航空事业，对月球进行探索，那么研究设计探测机器人是必不可少的过程。 状及发展趋势 1） 在行星探测机器人的研制方面，美国和俄罗斯处于世界领先地位。从 20世纪 60年代开始，美、苏向月球以及金、火、 水、木、土等星球发射了许多探测器。格林威治时间 1997年 7月 4日 17时 07分，美国国家航空航天局困 射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。探路者登陆器上带有各种仪器及“索杰纳”火星车团。这是 上 世纪自动化技术最高成就之一。 6 日本对机器人的设计也处于领先地位。 日本 京都大学科研人员已 经 开发出一种新型机器人 ,能在强烈地震发生后到废墟中探测被埋人员。还专门进行了实用演示。这种机器人外表象是一条粗大的节足昆虫 ,长 1 43 m,由 7 节组成 ,有人的小腿一般粗细 ,每节周身都缠满纵向履带。它可以在遥控下从 瓦砾的夹缝中蜿蜒穿行 ,装在头部的摄像机镜头会随时传输观察到的影像和搜集到的声音 ,从而供控制者判断里面是否有需要救助的存活人员。 未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变化的任务，机器人移动平台应具备良好的几何通 过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控制特性和能耗特性。 基于不同的原理和性能侧重点，国内外提出并试验了多种类型的空间探测机器人移动机构。 2） 探测机器人移动系统的发展趋势如下 : (1)轮腿式 ，履腿式 等复合型结构的移动机器人是一个研制方向 . (2)由于航天器技术、尺寸、 质量和费用的限制 ,微小型行星探测机器人是目前发展的主流 . (3)由于通信时延和微重力作用的缘故 ,中低速移动机器人是研制的主流 . (4)机械结构设计与控制方案相结合是研制灵活可靠的行星探测机器人的设计方向 .6 3） 设计探测机器人所面临的问题 尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人 ,但到目前为止 ,无论国内还是国外 ,同时具备以下性能的移动机器人还没有出现 :(1)能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶 ;(2 机器人陷入软土壤中时 ,能自动脱离软土壤区 ,恢复正常的行驶 能力 ;(3)整机的可密封性和可压缩性良好 ;(4)克服倾翻对机器人行驶能力的不良影响 ;(5)行驶的高速高效性 ;(6)容积可进行扩充，而这些又是行星探测等领域移动机器人运动系统所应具备的重要性能 ,因此 ,研制出新型的、综合性能更好的行星探测机器人是行星探测机器人移动系统研究中有待解决的问题之一 6. 二、研究内容 本文 以研制履带 便携式抗摔机器人为目标 ， 采用模块化设计， 以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块， 具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良 好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。 其研究内容具体如下： 1、 研究探测机器人系统的设计原则。 依据运动学原理，对机器人进行性能指标分析，动态分析， 使机器人能够自适应路面，即具有抗倾覆性、爬坡性能、越障性能、跨沟性能等功能。 2、 确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。 1）移动方式的确定 2） 总体结构设计 3） 传动系统设计 3、对探测机器人系统的硬件设计，绘制机械图。 4、给出移动控制系统的设计方案 。 1） 选择传感器 2）控制系统 3）驱动器的选择 目标：掌握探测机器人系统的设计原则，从实际应用环境出发确定机器人的移动方式，选用合理的目标监测手段， 来实现探测目的。 三、实现方法及 其预期目标 1、总体结构设计 本设计的探测机器人由四个模块构成，即底盘运动模块、电源及驱动模块、传感器模块、控制计算机模块。大体结构如图 1 12、 移动 机构分析 便携式机器人按移动方式分主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、 混合移动式、蛇行移动式等， 各种移动方式的机动性能对比如 表 1 1轮式、轮、履、腿式移动机构性能比较 ： 移动机构方式 轮式 履带式 腿式 移动速度 快 较快 慢 越障能力 差 一般 好 机构复杂程度 简单 一般 复杂 能耗量 小 较小 大 机构控制难易程度 易 一般 复杂 很明显，履带式移动机构的性能居于轮式和腿式移动机构之间，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环 境中能通过各种崎岖路面 以及沟壑等 ，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统 。 运动原理： 3、 移动控制系统的设计 一个在实际工作中的机器人，他的运动由驱动器系统实现，任务的具体执行有终端机具完成。在执行任务的过程中，感觉系统将内感受和外感受的信息反馈给控制系统，有控制系统对整个机器人的活动作决策和付诸实施。系统的控制部分 的工作方式要适合于执行的任务。采用某一种工作方式，例如，人进行的干预很少 人 的干预很多 断续续干 预 要按任务的需求而定。 在控制机器人执行任务过程中涉及三方面： 信息 们来自感