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轮式移动机器人结构设计-含开题报告和翻译【11张CAD图纸】【优秀毕业论文】轮式移动机器人结构设计-含开题报告和翻译【11张CAD图纸】【优秀毕业论文】

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编号:201404070103131529    类型:共享资源    大小:3.92MB    格式:RAR    上传时间:2014-04-07
  
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移动 挪动 机器人 结构设计
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摘  要            
   移动机器人是一种由传感器、自主控制的移动载体组成的机器人系统。移动机器人具有移动功能,在代替人从事危险、恶劣(如辐射、有毒等)环境下作业和人所不及的(如宇宙空间、水下)作业环境方面,比一般机器人有更大的机动性,灵活性。随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到 日益广泛的采用,机器人技术由室内走向室外,由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。本课题是机器人设计的基本环节,能够为后续关于机器人的研究 提供有价值的平台参考和有用的思路。本文对各种移动机器人进行了比较,从而确定了四轮式机器人总体结构与参数的研究设计。对四轮式移动机器人的运动学进行了探讨,建立了运动学模型。在建立运动学模型的基础上对机器人的基本运动方式进行了分析,并推到计算出其动力学模型。本文了解了基于多传感器的移动机器人的自主控制问题。分析了直流伺服电机的动态特性,为后续的研究提供可靠的参考和依据。

   关键词:轮式移动机器人;运动学与动力学;自主控制问题



Abstract
   Mobile robot is a kind of controlled by sensors, autonomous robot system composed of mobile carrier .Mobile robot has the mobile function, instead of people engaged in dangerous and bad environment (such as radiation, toxic) homework and have less (such as space and underwater) in the working environment, have greater flexibility than ordinary robot, flexibility As robots technology in alien exploration, field investigation, military, security and other new fields are widely used, the robot technology by indoor to outdoor, from fixed, artificial environment to move, not artificial environments. This topic is a basic link of robot design, be able to follow-up on the robot platform for the study provide a valuable reference and useful ideas. In this paper, all kinds of mobile robots were compared to determine the four wheel robot structure and parameters of the study design as a whole. Of four wheeled mobile robot kinematics are discussed in this paper, the kinematics model is established. In kinematics model is established on the basis of the basic movement of robot is analyzed, and its dynamic model to calculate. In this paper, the control problem for mobile robot based on multi-sensor. After the completion of the design analysis of the dynamic characteristics and the feasibility of omnidirectional mobile mechanism, provide reliable reference and basis for follow-up studies .
   
Key words: wheeled mobile robots; Kinematics and dynamics; Autonomous control
 


目  录
摘  要 III
Abstract IV
目  录 V
1 绪论 1
  1.1 本课题的研究内容和意义 1
  1.2 国内外的发展概况 1
   1.2.1 国内外发展概况 1
   1.2.2 移动机器人的主要组成 2
  1.3 本课题应达到的要求 2
2 移动机器人行走机构的总体结构和参数 3
  2.1 机器人运动方式的选择 3
  2.2 轮式机器人移动能力分析 5
  2.3 轮式机器人驱动轮的组成 6
  2.4 轮式机器人转向轮的组成 7
  2.5 电机的选择 8
  2.6 直流伺服电机的数学模型及动态参数的确定 9
  2.7 减速机构的设计(蜗轮蜗杆减速机构) 12
   2.7.1 电机参数的确定 12
   2.7.2 计算传动装置的运动和动力参数 13
   2.7.3 蜗轮蜗杆设计计算 14
   2.7.4 蜗轮轴的设计 16
   2.7.5 初选滚动轴承 16
   2.7.6 蜗杆轴的结构设计 18
  2.8 机器人的电源供应 19
  2.9 车轮及轮毂 19
3 移动机器人的运动学模型 21
  3.1 机器人的运动学分析 21
  3.2 两种运动规划方法分析 23
  3.3 仿真实验 23
  3.4 结论 24
4 机器人四轮转向系统的动力学模型 25
  4.1轮子 25
  4.2 平台体 25
  4.3 小结 26
5 自主运动控制 26
  5.1 控制系统的选用 26
  5.2可行性分析 28
6 结论与展望 28
  6.1 结论 28
  6.2 不足之处及未来展望 29
致  谢 29
参考文献 30

1 绪论
1.1 本课题的研究内容和意义
   机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域,移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在六十年代就已经开始了移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及到许多方面。首先要考虑到移动方式,轮式,履带式,腿式的。其次考虑驱动器的控制,以使机器人达到期望的行为。第三必须考虑到导航或者路径规划,路径有更多的方面考虑,如传感融合,特征提取,避碰及环境映射。因此移动机器人是一个集环境感知动态决策与规划,行为控制与执行等多种功能与一体的综合系统。对移动机器人的研究提出了许多新的挑战或挑战性的理论与工程技术课题,引起越来越多的专家技术人的兴趣,更由于他在军事侦察排雷防止污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运具有广阔的应用前景,使得对它的研究在世界各地受到普遍关注。移动机器人按照移动方式可分为轮式,履带式,腿式,其中轮式具有结构简单活动灵活等优点。移动机器人的机构直接影响机器人运动的稳定性和控制器的复杂程度。目前广泛使用的轮式按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。在平面上移动的物体可以实现前后,左右和自传三个自由度的运动称为全方位移动机器人,其不仅可以再任意方向上移动,并且保持本姿态不变,实现全方位的移动的功能也可以改变机体方位。这种特性使得轮式移动的路径规划,轨迹跟踪等问题变得相对简单,并且它能够在狭小的空间完成任务。
   通过本次毕业设计,培养学生综合应用机械设计、机械原理、理论力学、大学物理,机械制造装备设计、传感器应用的能力;强调设计的实用性、结构的简单便捷性。同时也培养了我们独立思考分析问题解决问题的能力,为今后机械设计和适应工作岗位打下了坚实的基础。
1.2 国内外的发展概况
1.2.1 国内外发展概况
   移动机器人的研究始于上世纪60年代末期,随着计算机技术、传感器技术以及信息处理技术的发展,移动机器人已被广泛应用于工业、农业、医疗、保安巡逻等行业。机器人技术的发展,它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果,也同时,为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术,它的发展归功于在第二次世界大战中,各国加强了经济的投入,就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果,也是人类自身发展的必然结果,那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况,人们越来越不断探讨自然过程中,在改造自然过程中,认识自然过程中,实现人们对不可达世界的认识和改造,这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
   国外对于移动机器人的研究起步较早,日本是开发机器人较早的国家,并成为世界上机器人占有量最多的国家,其次是美国和德国。进入90年代,随着技术的进步,移动机器人开始在更现实的基础上,开拓各个应用领域,向实用化进军。前苏联曾经在移动机器人技术方面居于世界领先的地位,俄罗斯作为前苏联的继承者,在机器人技术领域依然具有相当雄厚的技术基础,ROVER科技有限公司把在开发空间机器人中获得的经验应用于开发地面机器人系统,如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工作伙伴平台以及ROSA-2移动车等,最近的突出成果是2003年发射的火星漫游机器人一一“勇气”号与“机遇”号。虽然国内有关移动机器人研究的起步较晚,但也取得了不少成绩。2003年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法,在高速公路上达到了130Km/h的稳定时速,最高时速170Km/h,而且具备了自主超车功能,这些技术指[1]标均处于世界领先的地位。但是我国在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面,同发达国家相比,我国仍存在较大的差距。未来研究热点是将各种智能控制方法应用到移动机器人的控制。
1.2.2 移动机器人的主要组成
   一个理想的移动机器人系统通常由三个部分组成:移动机构,感知系统和控制系统。移动机构是移动机器人的核心,决定了机器人的核心,决定了机器人移动空间。感知系统一般采用摄像机,激光测距仪,超声波传感器,红外传感器,陀螺仪等。随着计算机技术人工智能技术和传感技术的迅速发展,移动机器人的控制系统的研究具备了坚实的基础和良好的发展前景。移动机器人的控制与工作环境信息密切相关而且包容着各种不确定因素,因此在已知或未知的环境中作业时,以适当的建模方法表达环境,用必要的传给器探测环境具有重要意义。机器人的构型选型和设计需要根据机器人实际执行的工作来进行,尤其对适应环境能力要求较高的移动机器人来讲,构型不仅满足应用场合,积极开饭新的结构更要使机器人运行稳定且可靠。从而减少误差及不稳定影响。
   对移动机器人机构学的研究还涉及机器人的运动学,动力学问题。控制系统的输入量需从对机器人的运动学,动力学建模分析得到的数学模型计算得出。移动机器人是一个交叉的研究领域,涉及机械,控制,传感器技术,信息信号处理,模式识别,人工智能和计算机技术等技术科学。
1.3 本课题应达到的要求
   (1)设计移动移动机器人行走机构的总体结构和参数;
   (2)建立移动机器人的运动学模型及机器人四轮转向系统的动力学模型;
   (3)研究移动机器人运动的动态特性和机器人自主控制的问题。
   
   
   
   


2 移动机器人行走机构的总体结构和参数    
2.1 机器人运动方式的选择
   到目前为止,地面移动机器人的行驶机构主要分为履带式、腿式和轮式三种。这三种行驶机构各有其特点。


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