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南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计(论文)外文资料翻译学院（ 系）： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 周荣江 学 号： 060104231 外文出处： Journal of Bionic Engineering 4(2007)217-226 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：该生对专业词汇比较熟悉，翻译的外文资料语句比较通顺流畅，表达比较准确，图文并茂，达到外文翻译良好的要求签名： 祖莉 2010 年 3 月 25 日注：请将该封面与附件装订成册。附件 1：外文资料翻译译文自主移动机器人智能机械设计的概念摘要：智能机械设计的概念提出说明了如何设计一个机械结构来影响机器人的可控性，简单性和任务性能。在探索这一概念时在机械机器人领域创立了设计七原则这一里程碑。这个我们称之为机器人智能性的原则提供了关于如何设计自主移动机器人的方向。在调查自主移动机器人自我控制，可靠，可行的，正确的和兼容的力学方面问题时，这些原则指导我们正确的途径。为了展示机器人智能性的原则可以应用在设计过程中，我们提出了一种方法，命名为机器人智能性方法。所提出的机械设计方法是基于机器人的环境和与机电一体化的物理参数之间的互动所描述的机器人规格来分类。在确定新的条件，我们研究了设计自主移动下水道检查机器人的可行性。在这个工业项目中，我们展示了如何使用 MTM 设计一个被动主动智能移动机制并在野外工作。关键词：机械设计，智能化，自主机器人，移动机器人1、引言在21世纪，预计与不同程度自主移动机器人将在人类生活的各个方面起到日益重要的作用。要做到这一点，机器人必须变得更加复杂。比起今天。这种机器人的发展给研究人员提出了巨大挑战。 然而，提高机器人的复杂性的缺点需要更复杂的硬件，软件和机械结构，可能导致低可靠性和增加尺寸，重量，成本，功耗和运动的限制。为了避免这些问题，对机器人的机电一体化的简化是至关重要的。虽然每个人研究的机器人即将面临机械结构设计大大影响其性能和可控性的现实，理论和实际调查显示机器人机械结构之间的关系以及由此产生的可控性和可靠性在很大程度上被忽略了。 这不仅是简单的外围监督，而且是在机器人领域的根本的差距。目前的挑战是找到一种统一的方式或方法来设计合适的自主移动机器人以提供高性能，功能，简单性和可靠性。设计这样的系统,没有具体的或直接的方法，每个设计师将设计不同的东西，在这么多当中，创造性是不统一的。本文提出的“智能机械设计（IMD） ”概念， 关注于自主移动机器人的机械设计的方法。使用我们所说的涉及机械设计七原则的 MTM，最大化设计师的创意，并引出更简单，更适合，对复杂问题的机械卓越的解决方案。在这个方法中考虑了机器人的任务，行为，形态设计方法和在设计过程中的环境和物理形态制约因素的分析来设计最佳力学。 本文分为四个主要议题。首先，在第2部分，我们讨论的是适用于我们的工作的智能化和由 Rolf Pfeifer 和 Christian Scheier Scheier 写的智能理解这本书介绍的如何提交的参考的概念。这种途径来理解的智能可以用来作为 IMD 描述指导，并以在第3部分介绍的设计七原则的形式来确定我们的机械设计理论的基本原理 。第三，在第4部分，我们介绍了机械设计 MTM.。我们展示 MTP 如何应用在机器人的机械设计。最后，我们通过将此方法应用到一个自主移动下水道检查机器人的机械设计上来探讨其可行性。在这个工业项目中，我们展示了如何设计一个基于 MTM 的被动主动智能移动机制与作为检验一个真正的污水管网的机器人平台机械设计原则：中期计划本节详细描述了7个机器人智能性原则。（1）三个组成原理在这里介绍的方法设计机器人在“机器人环境”和“机器人所需的行为”之间形成的妥协（见图2） 。设计自主移动机器人的机械零件总是涉及三个要素：（一）对环境生态的定义;（二）所期望的行为和任务的定义;（三）机器人力学设计制宪（三）已分成设计原则2到7。一机械设计问题可以启动如下：鉴于预期的生态环境和所需的行为，如何设计机器人的机械部分的？另外，可以这样说： “我们已经有一个具有特定结构的机器人。我们也有一个特殊的生态环境。还有什么机制或机械零件是必须添加所需的行为或任务的呢？“图2 自主移动机器人的机械设计及其相关因素的新进展（2）完整的机械设计原则这一原则规定，IMD 是完整的，也就是说，从分节 2.2，完成机械设计自我控制，可靠，可行，并兼容。（3）机械平衡原则这一原则有两个方面。首先，机械设计的复杂性必须配合机器人的预期行为的复杂性。第二，机器人的机械设计不应该“在真空” ，而是必须考虑到的感觉系统和硬件结构。（4）环保原则这一原则规定两件事，该系统物理环境的相互作用及环境生态的制约应被利用起来利用 。环境的原则是重要的，它直接影响着简便性和机械可靠性。在许多情况下（特别是“竞争”和“订购”案）的机器人的机制 ， 必须为了满足所有环境生态的制约，无论游戏规则或用户的要求，尤其是当考虑到机器人实用性。此外，透过我们在不同的项目的上经验，我们认识到，任何设计参数的限制（如用户要求的成本和运行寿命）可以对设计师的观点和创造力起到非常重要的作用。因此，我们已经将所有可能的设计参数纳入了“环境生态的概念”和“环境生态的制约” ，详细的在前面小节2.2.。在这种方法中所有影响设计参数的机械设计，制造了生态环境和相对的限制。 （5）感官器原则这一原则说明类型与传感器、致动器在系统中的地位直接影响机器人的功能，性能，简单性和可靠性。通过设计或选择合适的和足够的传感器和执行器，正确固定在系统中的位置，机器人的性能和功能得到了增强。系统的执行器和传感器使用数是一个对系统的可靠性直接影响的重要的机械设计参数。（6）共享感官器系统原理该原则要求不遗余力使用执行器和传感器。（7）机电一体化模块原则这一原则规定 ， 机器人应该有一个模块化结构在电子和机械里。这一原则既可以在第二项原则中提到的机械可靠性的发挥重要作用又能易于维护。该模块化过程包括三个步骤。首先，描述系统建筑 在此步骤中，设计人员需要出示作为一机器人系统流程图的体系结构。可视化可以帮助设计者充分想象这个机器人需要包括什么和作为一个系统如何工作。第二，确定可能的模块/秒，这可能的模块应通过找出共同的硬件结构和机械连接来定义。合并单一的模块，这里的基本思想是合并模块以减少电线和其他部件，提高可靠性和性能的数目来扩展“模块化”概念。4、机械设计过程：MTM为了展示 MTP 可以用来设计一种自主移动机器人,我们提出了一种新方法MTM（见图5） 。建议的方法机械设计是基于机器人的规格偏好分类。此规范是通过描述机器人环境和机电一体化的物理参数互动创建的（原则1） 。在这方面，机器人规格为高，低可表示为任务（预期的行为）和机器人的物理参数的。那个高级别规格有二层，主，副，是来自机器人的任务及其与被使用的环境相互作用。低级别的规格可能包括一集层解释机器人身体的设置，它的身体，感觉和运动系统。这一分析进程的主要目标是产生一个单一规格层（最后一层低级别的规格）定义的基本功能，或给一个任务或行为选择传感器。机械设计从这些关键的单一规格开始然后单规格设计通过增加最低执行器和传感器的设计扩展（原则6） 。在每个步骤中，我们试图通过考虑机器人形态和执行器设计、运用环境和物理形态的限制说明，并通过采用具有智能特性的内在被动机制找到合适的解决方案（原则3和4） 。机械设计定稿审议考虑了运动系统（原则5）和机器人的机电一体化模块合适和足够的定位（原则7） 。图4 自主移动机器人的机械设计的 MTM 的概览，机器人的任务是可变的“x”5、一个独立的污水管检查移动机器人设计过程要调查提出的方法的可行性和显示 MTM 怎么在真正机械问题可以被申请，我们使用日本国家政府资助的一个机械设计项目发展一个自治下水道检查机器人。我们描述一个被动活跃聪明的移动的机制怎么可以被设计使用 MTM 和被使用作为检查的一个真正的下水道网络一个机器人平台。在 MTM 的第一步，如图 4 所显示，将描述任务、期望行为、环境适当位置和环境适当位置限制。 图 5 自主移动机器人机械设计原则概览， MTP5.5 设计过程：应用的中期计划本小节我们提供了一个机器人的设计及其结构概述。这也说明中期计划是在设计应用。有许多项目在这一领域的发展多关节（蛇形）的机器人，可以遍历曲线和路口。这些机器人大部分含有复杂的机制和许多传感器来检测并通过弯道。这两个机制和数据处理的复杂性使稳妥的商业产品生产带来了困难。我们的方法的第一步是设计一个推进机制，我们实施原则4（系统环境互动）。我们期待着在水的运动模型中寻找灵感管道。图9显示了两个管道内流水模型。右边模型直观的显示了它能够更好地体现水的运动。通过测量两种模式，我们认识到，应该使机器人车轮旋转90度，以更加自然的匹配水在管道内流动这一现有的商业机制。采取这种方法，我们认为该机器人不仅能在直管中实施，而且也可以穿越各种管道弯曲而没有任何控制或传感器读数。图10显示了平稳移动使用“纳西尔机制”遍历曲线的扩展，Y 型路口和 T -路口（运用原则4和6）。这种机制可根据机器人的大小，使用它的悬挂系统扩展5至10厘米的一小步。尺度较大的步骤，可以通过安装一个被动的沙井内的电梯。该机器人由它的重量激活电梯（适用的原则3，4，和6）。图9 两种可能的水在管道内流动模式与商业垂直机器人和本文提到的纳西尔机制作比较。图10 设计“纳西尔机制”穿越曲线，Y 型和 T 型平稳运动路口的扩展6、结论本文介绍了 IMD 的概念，展示了机械结构设计如何影响机器人的可控性，简化和任务绩效。这个概念以设计 7 原则的形式指出来了。 为了展示这些 MTP 可以在机器人力学设计应用，我们提出了一种方法，称为 MTM。拟议方法的可行性被自主移动下水道检查机器人证明.这个工程透过已经使用在现实生活状况的结果论证了被动主动智能移动机制能够用 MTM 设计。 南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名： 周荣江学 号：060104231专 业 ： 机械工程及自动化设计 (论文 )题目 ： 小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究指 导 教 师 : 祖莉2010 年 3 月 19 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3 “文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15 篇（不包括辞典、手册） ；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007 年 3 月 15 日”或“2007-03-15”。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、轮式移动机器人的发展概况近 20 年来，移动机器人的研究十分活跃，并得到了快速发展，这主要有两个方面的原因:其一， 移动机器人的应用范围很广，包括国防工业、制造业、轻重工业以及服务业等诸多领域。其二，目前国内外的星际探索和海洋开发两大高端技术领域的市场需求也是促使移动机器人发展的客观因素与潜在动力。机器人在各个领域正得到越来越广泛的应用，在制造领域，为了保证较高的产品质量，提高生产效率，机器人已成为现代化生产必不可少的手段之一。到目前为止，地面运动机器人的行驶机构主要分为履带式、步行式和轮式三种。这三种行驶机构各有其特点。(1)履带式。最早出现在坦克和装甲车上，后来出现在某些地面行驶机器人上。履带式机器人可以在凹凸不平的地面上行走 1，可以跨越障碍物，爬梯度不太高的台阶，具有行驶速度较快(介于轮式和腿式之间)，承载能力较强，但转向不易，比较笨重的特点。如图 1 所示的履带式移动机器人，由于其采用了像坦克那种的履带式设计，因此能够适用于更广泛的地形。图 1 履带式移动机器人(2)步行式。其中步行式机器人对场地有良好的适应能力，特别是多足机器人，能够跨越台阶，但动作是间歇的，速度不快，且控制复杂，实现相对困难 2。从移动的方式来看，步行式移动机器人可以分为两类:动态行走机器人和静态行走机器人。根据支腿的数量又可分为两足、四足、六足和多足，这里仅对六足行走机构和多足行走机构进行介绍。六足行走机构采用六足行走机构的机器人很多 3，一般都采用变换支撑腿的方式，将整体的重心从一部分腿上转移到另一部分腿上，从而达到行走的目的。具有代表性的有美国 CMU大学开发的一种六足结构(如图 2)，它是由六条支腿组成，每条支腿具有由水平旋转和垂直移动两个自由度。在行走过程中，整个支腿可以绕轴端在水平面内进行旋转，支腿的末端可以通过连杆机构进行垂直方向的上下移动，以调整姿态，最终使机器人保持水平。通过六条腿的交替运动来实现机器人的行走。多足行走机构如图 3 所示的八足仿生机器人，这种机构是一种八足行走的移动机构，其运动的特点是在前行时相对于身体总是后腿到前腿的顺序，后腿着地后前腿才离地，机器人两侧的相应部分也是成相位交替着运动。近期的八足机器人，在结构上没有太大的突破，在控制方面，则不断地出新，将现代的计算机等高科技应用到机器人上。由此可以看出，对于步行式移动机器人，虽然越野能力比较强，但其结构复杂，行走速度比较缓慢。图 2 六足仿生机器人 图 3 八足仿生机器人(3)车轮式。车轮式移动机器人具有结构轻、动作稳定、操纵简单、其移动速度和方向容易控制等优点。常用来在无人工厂中搬运零部件或做其它工作，适用于平地行走，运动速度快，但其越野能力比步行式机器人稍逊一筹 4-5。但随着各式各样的车轮底盘和悬架系统的出现，像美国 MCU 的六轮三体柔性机器人 Robby 和美国研制的火星探路者机器人，使得车轮式机器人能适应凹凸不平的地形 6-7，越野能力大大加强。于是人们对机器人移动机构研究的重点也随之转移到轮式机构上来，近期日本开发出一种结构独特的五点支撑悬吊结构 MiCro5，由于其采用一支撑轮，所以有很好的越野能力。轮式移动机器人按轮数的多少又可分为三轮、四轮、五轮、六轮以及多轮，其中以四轮和六轮研究居多，所以下面仅对四轮、六轮进行简单的介绍 8。四轮。四轮结构一般比较简单，但其越野能力有限，如图 4 所示为一四轮移动机器人。要想提高此类机器人的越野能力，就必须对其底盘机构及驱动方式进行改进。具有代表性的是美国 MCU 研制的 Nomad，它采用的是可变形的底盘和均化悬挂系统。其底盘可通过两个四杆机构进行变形，当底盘展开时四杆机构变成一个菱形，当底盘收缩时四杆机构变成一条直线。均化悬挂系统可以平滑机器人本体相对于轮子的运动，这种结构可保证在各种地形情况下四轮都能同时着地。图 4 四轮机器人 图 5 “勇气号”火星探测车六轮。具有代表性的是美国研制的火星探测车，如图 5 所示，它采用的是六轮摇臂悬架机构，其采用对称式结构，单侧摇臂主要包括主摇臂、副摇臂、前后两个主动轮以及中间的随动轮。与四轮结构相比，由于引入了副摇臂和从动轮，当遇到障碍时，通过对副摇臂的转动，并借助于从动轮来调整重力在各个轮上的分力，可以提高车体的稳定性和越野能力。2、关键技术研究1.导航控制技术移动机器人导航(Mobile Robot Navigation )是指在具有障碍物的环境中，按时间最优、路径最短或能耗最低等约束条件，实现从起始位置到指定目标位置的无碰撞运动9。在自主式移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术。因此，移动机器人要想实现自主导航，必须具备以下能力:1)能实现基本的趋向目标功能，如到达给定目标或者跟踪指定目标;2)能对非预见性事件做出实时反应，如躲避一个突然出现的障碍物;3)能创建、维护和使用环境地图;4)通过学习得到障碍物在地图中的位置之后能可靠避开该障碍物;5)能识别三维地形，并能改变其力矩以适应不同的地形;6)具有规划制定能力，如制定一个能避开环境中的陷阱且能完成特定目标的规划。目前，国内外研究学者对移动机器人导航技术的研究已取得了大量的成果，但还有很多关键理论和技术问题有待解决和完善。移动机器人的导航方式有多种，目前尚无统一的分类标准。一般根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素的不同，可将导航分为地磁导航、航迹推算导航、惯性导航、基于地图导航、主动信标导航、路标导航、GPS 导航、视觉导航和其它方式导航。2.运动控制技术近年来随着人工智能技术、计算机技术等相关技术的发展，对智能机器人的研究越来越多。轮式移动机器人可以作为各种智能控制方法的良好载体，同时又可以方便的构成网络化的分布系统，开展多智能体的调度、规划等研究，所以对他的研究越来越受到重视。一个全方位移动机器人的控制系统体系结构，包括传感器、通讯、伺服控制系统等。系统可以分成以下四个模块：监控模块、感知模块、路径规划和逆运动学计算模块、执行模块。（1）监控模块该模块的功能通过监控计算机来实现，主要功能包括：任务描述：利用操作者规定的语言,描述对机器人的控制任务。监控指令输入：在机器人完成任务的过程当中,操作者根据任务的执行情况以及环境的状况,对系统进行适当的干预,以充分发挥人的智能，构成人-机合作系统。如遇到不可避开的障碍、或者多个机器人运动过程中发生死锁等意外情况,都需要操作者适时的干预。文本和图形的显示界面：以文本或者图形的方式实时地显示机器人系统的工作信息，包括当前正在执行的任务，机器人的位置、 速度、 障碍物等环境信息。监控计算机是通过无线网络与每一个移动机器人取得联系的。（2）感知模块传感器作为机器人的感知部分，是机器人具有自主能力的重要前提条件。（3）路径规划以及运动学求解、 轨迹插补模块（4）执行模块传统的分级式控制器一般都采用通用微机或以单片机作为下位机来实现位置控制，外围电路复杂，计算速度慢，上位机和下位机同步困难，从而导致控制精度不够理想。3.结构设计移动机构是组成移动机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功 与否将直接影响机器人系统的性能。目前，移动机构开发的种类已相当繁多，其中全方位轮移动机构具有完美的运动性能， 它可利用车轮所具有的定位和定向功能， 实现平面上的自由运动 ， 即能够在当前位置沿着任意方向的路径移动，并对自己所处位置进行细微调整，实现精确定位和高精度轨迹跟踪 。因此它对移动机器人具有重要的意义，在机器人技术中得到广泛应用，成为机器人移动机构的发展趋势。当前全方位轮有多种形式，其中 Mecanum 轮是做得较为成功 、技术成熟的一种全方位轮。 全方位移动机构运动非常灵活，可在二维平面上从现在位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态。在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由的穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，也需要利用全方位移动机构的特点对自己所处的位置进行细微的调整。现在比较常见的全方位移动机构有空气悬浮式、球履带式、轮式等许多种轮式全方位移动机 构又可分为球轮驱动式、全轮转向式、麦克纳姆轮式，等等10。球轮驱动式全方位移动机构是由日本电通大的越山等人研制成功的。它由一个球形轮构成；外部是一个拱形壳，移动和控制机构在轮的内部，结构比较复杂，承载较小。全轮转向式移动机构理论上可行，但由于每个轮上均需要复杂的转向机构，实际中也很少有人采用。麦克纳姆轮式全方位移动机构应用的相对较多本文即是从麦克纳姆轮中得到启发，构思设计了一种新式全方位轮，进而设计制造了一种轮式全方位移动机构。麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利，图 6 为它的结构简图。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑穆。小滚子的母线很特殊；当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑、运动灵活，是很成功的一种全方位轮。由四个这种轮加以组合，可以使机构实现全方位移动功能 11。 图 6 麦克纳姆轮Mecanum 轮的轮体的圆周不是由普通的轮胎组成 12 ,而是分布了许多鼓形小辊子。由 4 个 Mecanum 轮全方位轮组成的万向移动机构，运转灵活，控制方便，若在轮体上追加传感器， 再控制好转速和转向,就可能实现精确定位和轨迹跟踪，应用前景较好13毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1.轮式移动机器人的工作原理和设计要求。移动机器人是一种由传感器、遥控操作器和自动控制的移动载体组成的机器人系统。移动机器人随其应用环境和移动方式的不同，研究内容也有很大差别。其共同的基本技术有传感器技术、移动技术、操作器、控制技术、人工智能等方面。它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器。移动机构有轮式(如四轮式、两轮式、全方向式、履带式)、足式(如 6 足、4 足、2 足)、轮腿式(用轮子和足)、特殊式(如吸附式、轨道式、蛇式)等类型。轮子适于平坦的路面，足式移动机构适于山岳地带和凹凸不平的环境。2.功能模块。模块化广泛地应用于机械、电子和计算机等行业。目前对模块化还没有一个统一的定义，一般可以这样理解:统筹考虑产品系统，把其中含有相同或相似的功能单元分离出来，用标准化原理进行统一、归并、简化，以通用单元的形式独立存在.这就是模块，然后用不同的摸块组合成新产品，这就是模块化.因此，模块化技术主要包含 2 个方面的内容:一是模块的合理分解，二是模块的有效组合.其概念及特点如图 7 所示 14图 7：模块化概念及特点参考文献：1 Nildeep Patel, Alex Ellery. Chris Welch and Andv Curley. Preliminary analysis of mobility and suspension systems for a mars micro roverR. International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation (IAF). Oct. 10-19.2002. Houston, TX, USA.2 查选芳，张融甫.多足步行机器人支腿机构的运动学研究 J.东南大学学报，1995（3）:103-107. 3 Reid Simmons, Eric Krotkov and John Bares. A Six-legged Rover for Planetary Exploration. AIAA-91-3812-CR. 1991:739-747.4 Burg J Blazevic P. Anti-lock Braking and Terrain Control Concept for All-Terrain Robotic Vehicle.Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1997:1400-1405.5 Steward Moorehead, Dimitrios Apostolopoulos. Autonomous Navigation Field Results of a Planetary Analog Robot in Antarctica. Proc. of the 5th，International Symposium on Artifical Intelligence, Robotics and Automation in Space.1999: 237-242.6 F. Jindra. Obstacle Performance of Articulated Wheeled Vehicles. Journal of Terrain Mechanics. 1996,3(2):39-56.7 S. Niranijan, H. Rao Matthew. The Role of Terrain Modeling in Lunar Rover SimulationC. Simulation. 1993,6(1):60-68.8 徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势J.机器人技术与应用.2001,(3): 7-14.9 R.Arajo,A.T.D.Almeida.Learning Sensor-Based Navigation of a Real Mobile Robot in Unknown Worlds.IEEE Transactions on Systems,Man and Cyernetics,Part B:Cyernetics.1999,29(2):164-178.10 赵言正全方位壁面移动机器人系统的研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，1999. 11 赵言正，门广亮，闰国荣，等.具有全方位移动功能的爬壁机构 J.高技术通讯，1995,5(6):4l-42.12 Chung Jae Heon,Yi ByungJu.Kim Whee Kuk.Lee Hogi l.The dynamic modeling and analysis for an omnidirectional mobile robot with three caster wheelsJ.Mobile Robot,IEEE,1994：(3)3091 3096.13 张海兵轮式全方位移动机构的研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，200114 张宝辉.模块化总体设什研究D，长沙：国防科学技术大学.2004 .毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：指导教师： 年 月 日所在专业审查意见：负责人： 年 月 日小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究,答辩： 周荣江,指导老师： 祖莉,主要内容,发展概况 国内外研究概况 研究的背景和意义 研究内容 运动控制 结构设计,发展概况,近20年来，移动机器人的研究十分活跃，并得到了快速发展，这主要有两个方面的原因:其一， 移动机器人的应用范围很广，包括国防工业、制造业、轻重工业以及服务业等诸多领域。其二，目前国内外的星际探索和海洋开发两大高端技术领域的市场需求也是促使移动机器人发展的客观因素与潜在动力。机器人在各个领域正得到越来越广泛的应用，在制造领域，为了保证较高的产品质量，提高生产效率，机器人已成为现代化生产必不可少的手段之一,国内外研究现状,国外研究现状 国内研究现状,国内外研究现状-国外研究现状,机器人技术是20世纪中期的重大发明。 从60年代起美、俄、日、法等国在航天领域拼搏角逐、争雄霸业。美国曾在19661968年间，向月球成功发射了两次无人巡游探测器。 1997年由美国JPL(全称Jet Propulsion laboratory，美国太空总署喷气推进实验室)研制的Sojourner号探测车登上了火星。 2004年1月，美国的“勇气号”和“机遇号”火星探测车再度登上火星。 2007年，JPL又成功研制了ATHLETE月球探测车,国内外研究现状-国外研究现状,美国军方在阿富汗战争和伊拉克战争中都曾广泛使用M-Gator无人战车。 近两年来，美国军方又研制了“大狗”四足机器人 前苏联在19591976年间，总共成功发射了两个月球探测车。其中2号车(lunokhod-2)最为成功。 在军事领域中，德国在二战期间就曾经研制了数千辆遥控无人自爆式坦克,国内外研究现状-国内研究现状,当今我国对研发机器人投入了极大的关注，虽然与国外的水平还有不小的差距，但国家政府在这方面也加大了投入力量，现在一些高等院校和科研机构相继开展了有关机器人方面的研究工作，也取得了一定的成果,国内外研究现状-国内研究现状,清华大学在探测机器人几何建模方面做了大量的工作，并对相关的电机驱动技术进行了深入探讨。 国防科大的研究小组以我们刚提到的Sojourner为蓝本，研制出了KDR试验样车。 中国科技大学和哈尔滨工业大学都在轮腿式行星移动机器人方面进行了一系列研究工作，并取得了初步的成果,国内外研究现状-国内研究现状,上海交通大学的刘方湖、陈建平等提出了一种5轮月球机器人，并从结构上研究了其越障性能、静态稳定性和附着性能 上海大学研制了一种可越障轮式全方位移动机构车轮组机构，该机构保证在姿态保持不变的前提下，沿壁面任意方向直线移动或在原地旋转任意角度，同时能跨越存在于机器人运行路径中的障碍。 中国科技大学的程刚，竺长安等提出了一种复合结构移动越障机器人，并对该机器人进行了运动学建模与仿真,研究的背景和意义,研究背景 研究的意义,研究的背景和意义-研究背景,早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械人偶。到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域。 移动机器人随其应用环境和移动方式的不同，研究内容也有很大差别。其共同的基本技术有传感器技术、移动技术、操作器、控制技术、人工智能等方面。 移动机构有轮式(如四轮式、两轮式、全方向式、履带式)、足式(如6足、4足、2足)、轮腿式(用轮子和足)、特殊式(如吸附式、轨道式、蛇式)等类型,研究的背景和意义-研究的意义,智能移动机器人在各种复杂地形上都具有较高的机动性，可以进入人类无法进入或生存的环境，适用于国防和民用等多个领域，在反恐斗争中也发挥了巨大作用。 移动机器人的主要应用领域包括以下几个方面: 军事侦察，排除险情 探测危险，航天航空 智能导航，快速运输,研究内容,移动机器人的运动控制分析。 移动机器人的模块化设计。 移动机器人的结构设计,运动控制,移动机器人控制系统设计 原理 元器件的选择 移动机器人平台总体结构 移动机器人硬件系统 移动机器人电源及驱动模块 移动机器人传感系统 移动机器人运动控制研究 车体结构与运动学分析,移动机器人控制系统设计-原理,单片机系统通过信号采集模块，对路面标记的信号进行读取，并把模拟量转换为数字信号输入到单片机，单片机通过己经写入的程序对读取到的信号进行判断，进而通过电机驱动模块和车体转向控制模块来决定机器人的运动状态。电机驱动模块采用直流电机对机器人进行驱动，并调节电机转速来实现机器人转向,移动机器人控制系统设计-元器件的选择,本次设计主要实现信号采集与分析、直流电机控制两大功能，而单片机系统为机器人最终运动状态的决定者，因此单片机的选择很大程度上决定了移动机器人的性能。信号的采集一般需要有AD转换接口，本次设计中选择了国产的STC12C5408AD，是新一代增强型8051单片机，速度快，集成度高，电压范围宽(3.8-5.5V)，指令系统和MCS-51系列完全兼容,移动机器人控制系统设计-移动机器人平台总体结构,移动机器人总体结构，由下至上分为五层:主要分为用户层、决策控制层、传感/底层决策层、运动执行层。各层与各层之间通讯都有标准的物理层与协议层，因此各层都具有很强的扩展性,移动机器人控制系统设计-移动机器人硬件系统,系统硬件由移动机器人平台和无线通信系统组成，采用上下位二级分布式控制系统结构。采用基于模块化并行通信的多微处理器分布式控制系统体系结构设计实现，完成对移动机器人的行为动作控制；主要完成的移动机器人全局导航控制功能和基于主动视觉的移动机器人导航控制等功能；通过无线通信系统和上位机进行信息交互。 系统硬件组成可分为以下三个大模块:电源及驱动模块、传感器模块、控制计算机模块，而按功能类别分，该机器人又可分为用户层、传感/控制子系统、智能和决策子系统、运动控制层如图所示,移动机器人控制系统设计-移动机器人电源及驱动模块,没有运动控制和驱动单元，机器人的电机就无法运转。运动控制和驱动单元被集成并封装在电源/驱动模块中。 为了使系统更加可靠，通过DC/DC模块实现功率电源与逻辑电源相互隔离,移动机器人控制系统设计-移动机器人传感系统,移动机器人的传感系统负责获取机器人内部状态和外部工作环境的信息，是移动机器人感知、决策和动作三大要素之一。传感系统的硬件组成单元是传感器，其功能是为机器人提供诸如视觉、力觉、触觉等对外部环境的感知能力，同时还可以感知机器人本身的工作状态和位置,运动控制,车体结构与运动学分析 小车两后轮为驱动轮分别由两台电机驱动，每台电机与后轮各构成一个速度闭环，为恒速输出，在工作载荷内，调节两电机的输入电压即可调节两后轮的转速。小车两前轮为随动轮，仅起到支承车体的作用而无导向作用,车体结构图,车体运动路径,结构设计,移动机器人的结构分析 驱动机构 车轮 移动机器人的结构设计 移动机器人零部件设计选择 传动的设计计算 绘制装配图,移动机器人的结构分析-驱动机构,驱动元件在机器人中的作用相当于人体的肌肉。为了完成预定的动作，机器人必须具备前进驱动装置和转向驱动装置，这是结构设计中的一个关键。在所有的驱动元件中，电机是最常用的机器人驱动器。当前许多仿生机器人也有用液压元件、气动元件以及一些特殊材料来作驱动器。本文主要采用电机作为该新型智能移动机器人的驱动元件。对电机实现准确的控制，才能使机器人实现精确运动。 本方案采用集中驱动方式。后两个车轮分别连接一个前进驱动电机，电机提供动力，再由控制系统控制电机转速来实现车体的转向,移动机器人的结构分析-车轮,车轮的直径对机器人的速度和越障能力都有很大的影响。使用同样的电机，车轮直径增加，机器人的速度会同时增加，二者之间是一种线性关系。另外，按照车辆理论的分析，车轮的直径增大可以明显提高机器人的越障能力。但是，车轮直径变大的同时，车轮表面所受的电机转矩却会下降。根据车辆地面力学理论，刚性车轮的宽度越宽，车轮的土壤沉陷量越小，土壤的压实阻力也就越小。不过，车轮变宽后，机器人的转向阻力也会变大。另外，增加车轮的直径比增加车轮宽度对减小压实阻力更为有效。因此，必须根据实际情况设定车轮直径和宽度，不能盲目加大车轮直径和宽度,移动机器人的结构设计-移动机器人零部件设计选择,合适的电机 在这里选择济南科亚电子科技有限公司ZTY系列130ZYT05直流马达 蜗杆减速器 传动比选择49 减速器强度校核,装配图的绘制,装配图是表达设计者设计机器总体结构意图的图样，是绘制零件工作图，进行机器组装、调试、维护等环节的技术依据。要求它能正确表达机器的工作原理和装配关系，反映出各个零件的相互位置、结构形状及尺寸。因此机器的图纸设计工作一般总是从装配图开始进行。而装配图的设计，人们通常先设计装配草图，然后再逐步完成整个装配工作图的绘制。这样，装配草图的设计就是首当其冲的重要环节，绝大部分零件的结构和尺寸均在此阶段中确定，这就需要综合考虑零件的强度、刚度、工艺、装配、调整、润滑以及经济性等各方面的要求，并需要足够的视图和剖视来表达清楚。设计时，既有结构设计又有强度等的校核计算，因此设计过程较为复杂，常常需采用边计算、边画图、边修改的“三边”设计方法逐步完善之,装配图的绘制,减速器蜗杆蜗轮参数,减速器机体主要结构尺寸,确定轴各段直径,装配图的绘制,根据以上数据画出装配图 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 41 页目录1 绪论211 引言 212 轮式移动机器人的发展概况 213 国内外研究现状61.3.1 国外研究现状 61.3.2 国内研究现状 814 论文研究的背景和意义91.4.1 研究背景 91.4.2 研究的意义1015 论文研究的主要内容 132 轮式机器人的运动控制1321 移动机器人控制系统设计 132.1.1 原理132.1.2 元器件的选择132.1.3 移动机器人平台总体结构142.1.4 移动机器人硬件系统152.1.5 移动机器人电源及驱动模块172.1.6 移动机器人传感系统1822 移动机器人运动控制研究 182.2.1 车体结构与运动学分析183 轮式机器人的结构设计2131 移动机器人的结构分析 213.1.1 驱动机构213.1.2 车轮2132 移动机器人的结构设计 223.2.1 移动机器人零部件设计选择233.2.2 传动的设计计算263.2.3 计算蜗杆传动主要尺寸27结论 33致谢 34参考文献 35本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 41 页1 绪论11 引言机器人的诞生和机器人学的建立和发展是 20 世纪自动控制最具说服力的成就，是 20 世纪人类科学技术进步的重大成果。机器人从爬行到学会两腿直立行走，仅仅用了 20 年，而人类的这一个过程则经历了上百万年。现在全世界已经有近 100 万台机器人，机器人的技术和工业得到了前所未有的飞速发展。机器人已经能够使用工具，能看，能听，能说，并且开始能进行一些决策和思考的智能行为，其应用也从传统的加工制造业逐渐扩展到军事，海洋探测，宇宙探索等领域，并开始进入家庭和服务行业。作为一种先进的机电一体化产品，机器人技术的发展与自动控制技术的发展息息相关。自动扩展系统是机器人的中枢神经，他控制着机器人的思维，决策和行为，几乎所有自动控制技术都在机器人的控制上得到了应用。近年来，智能控制的发展十分迅速，这必将促使机器人的智能化水平达到新的高度。移动机器人是一种由传感器、遥控操作器和自动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、水下等)环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。随着科技的进步，人类对未知世界进行探索的愿望越来越强烈，移动机器人的发展也日新月异。60 年代后期，美国和苏联为完成月球探测计划，研制并应用了移动机器人。美国“探测者”3 号，其操作器在地面的遥控下，完成了在月球上挖沟和执行其他任务。苏联的“登月者”20 号在无人驾驶的情况下降落在月球表面，操作器在月球表面钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器并送回地球。70 年代初期，日本早稻田大学研制出具有仿人功能的两足步行机器人。由于这些机器人通常可以适应不同的环境，不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，因此移动机器人常被用来完成一些人类无法进行的任务。12 轮式移动机器人的发展概况近 20 年来，移动机器人的研究十分活跃，并得到了快速发展，这主要有两个方面的原因:其一， 移动机器人的应用范围很广，包括国防工业、制造业、轻重工业以及服务业等诸多领域。其二，目前国内外的星际探索和海洋开发两大高端技术领域的市场需求也是促使移动机器人发展的客观因素与潜在动力。机器人在各个领域本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 41 页正得到越来越广泛的应用，在制造领域，为了保证较高的产品质量，提高生产效率，机器人已成为现代化生产必不可少的手段之一。到目前为止，地面运动机器人的行驶机构主要分为履带式、步行式和轮式三种。这三种行驶机构各有其特点。(1)履带式。最早出现在坦克和装甲车上，后来出现在某些地面行驶机器人上。履带式机器人可以在凹凸不平的地面上行走 1，可以跨越障碍物，爬梯度不太高的台阶，具有行驶速度较快(介于轮式和腿式之间)，承载能力较强，但转向不易，比较笨重的特点。如图 1 所示的履带式移动机器人，由于其采用了像坦克那种的履带式设计，因此能够适用于更广泛的地形。图 1 履带式移动机器人(2)步行式。其中步行式机器人对场地有良好的适应能力，特别是多足机器人，能够跨越台阶，但动作是间歇的，速度不快，且控制复杂，实现相对困难 2。从移动的方式来看，步行式移动机器人可以分为两类:动态行走机器人和静态行走机器人。根据支腿的数量又可分为两足、四足、六足和多足。六足行驶机构采用六足行走机构的机器人很多 3，一般都采用变换支撑腿的方式，将整体的重心从一部分腿上转移到另一部分腿上，从而达到行走的目的。具有代表性的有美国 CMU 大学开发的一种六足结构(如图 2)，它是由六条支腿组成，每条支腿具有由水平旋转和垂直移动两个自由度。在行走过程中，整个支腿可以绕轴端在水平面内进行旋转，支腿的末端可以通过连杆机构进行垂直方向的上下移动，以调整姿态，最终使机器人保持水平。通过六条腿的交替运动来实现机器人的行走。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 41 页图 2 六足仿生机器人多足行走机构如图 3 所示的八足仿生机器人，这种机构是一种八足行走的移动机构，其运动的特点是在前行时相对于身体总是后腿到前腿的顺序，后腿着地后前腿才离地，机器人两侧的相应部分也是成相位交替着运动。近期的八足机器人，在结构上没有太大的突破，在控制方面，则不断地出新，将现代的计算机等高科技应用到机器人上。由此可以看出，对于步行式移动机器人，虽然越野能力比较强，但其结构复杂，行走速度比较缓慢。图 3 多足行走机构(3)车轮式。车轮式移动机器人具有结构轻、动作稳定、操纵简单、其移动速度和方向容易控制等优点。常用来在无人工厂中搬运零部件或做其它工作，适用于本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 41 页平地行走，运动速度快，但其越野能力比步行式机器人稍逊一筹 4-5。但随着各式各样的车轮底盘和悬架系统的出现，像美国 MCU 的六轮三体柔性机器人 Robby 和美国研制的火星探路者机器人，使得车轮式机器人能适应凹凸不平的地形 6-7，越野能力大大加强。于是人们对机器人移动机构研究的重点也随之转移到轮式机构上来，近期日本开发出一种结构独特的五点支撑悬吊结构 MiCroS，由于其采用一支撑轮，所以有很好的越野能力。轮式移动机器人按轮数的多少又可分为三轮、四轮、五轮、六轮以及多轮，其中以四轮和六轮研究居多。两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人不加装车体的两轮移动机器人是典型的机器人结构，左右轮分别由一个电机动，依靠差速实现转向，转向灵活但当安装上车体时，就同自行车机器人一样，要考虑机器人的平衡问题。这种两轮移动机器人具有极强的灵活性而且它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其理论及控制系统的研究受到国内外机器人领域的高度重视近年来，该机器人逐渐成为全球机器人领域的研究热点之一。美国和日木的研究机构相继开始了这方而的应用研究并取得了初步成果两轮行走机构是自然不稳定体，是高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统目前还存在许多问题，不能实际应用 8。四轮移动机器人轮式移动机器人中最常见的机构就是四轮移动机器。人当在平整地而上行走时，这种机器人是最合适的选择。并且在其他领域(如汽车领域)已为其发展提供了成熟的技术。四轮结构一般比较简单，但其越野能力有限，如图 4 所示为一四轮移动机器人。要想提高此类机器人的越野能力，就必须对其底盘机构及驱动方式进行改进。具有代表性的是美国 MCU 研制的 Nomad，它采用的是可变形的底盘和均化悬挂系统。其底盘可通过两个四杆机构进行变形，当底盘展开时四杆机构变成一个菱形，当底盘收缩时四杆机构变成一条直线。均化悬挂系统可以平滑机器人本体相对于轮子的运动，这种结构可保证在各种地形情况下四轮都能同时着地。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 41 页图 4 Nomad 四轮机器人 图 5 “勇气号”火星探测车六轮。具有代表性的是美国研制的火星探测车，如图 5 所示，它采用的是六轮摇臂悬架机构，其采用对称式结构，单侧摇臂主要包括主摇臂、副摇臂、前后两个主动轮以及中间的随动轮。与四轮结构相比，由于引入了副摇臂和从动轮，当遇到障碍时，通过对副摇臂的转动，并借助于从动轮来调整重力在各个轮上的分力，可以提高车体的稳定性和越野能力。13 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状机器人技术是 20 世纪中期的重大发明。从 60 年代起美、俄、日、法等国在航天领域拼搏角逐、争雄霸业。美国曾在 19661968 年间，向月球成功发射了两次无人巡游探测器。美国“登月者 20 号”在无人驾驶的情况下，降落在月球表面，自由行走，钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器送回了地球。1997 年由美国JPL(全称 Jet Propulsion laboratory，美国太空总署喷气推进实验室)研制的 Sojourner号探测车登上了火星。尽管它仅仅是一辆工程示范车，有效载荷很小，而且还不能离开登陆车太远，但它验证了小型火星车的性能，并且完成了一系列的技术实验 9。2004 年 1 月，美国的“勇气号”和“机遇号”火星探测车再度登上火星 10。2007 年，JPL 又成功研制了 ATHLETE 月球探测车(如图 1)。该车有六条支腿，每条支腿上均含有一个驱动轮。每个支腿及车轮均可以独立运动，其越障性能和对环境的适应性都有了很大的提高 11。前苏联在 19591976 年间，总共成功发射了两个月球探测车。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 41 页其中 2 号车(lunokhod-2)最为成功。该车工作了四个月，行驶了 37 km。欧洲和日本也对行星探测车做了很多深入的研究，并已研制出了样车，不过目前仍未登陆。图 1 ATHLETE 月球探测车在军事领域中，德国在二战期间就曾经研制了数千辆遥控无人自爆式坦克，这是无人战车的最早雏形。近十年来，美国为了满足未来地面战争的需要，非常重视地面智能移动机器人的研究，己经研究了一系列智能机器人，并己装备军队。在反恐和现代化战争中，智能移动机器人己经得到了很好的应用。美国军方在阿富汗战争和伊拉克战争中都曾广泛使用 M-Gator 无人战车。在这两次战争中，智能机器人公司的 PackBot 履带式无人战车也曾执行过数千次任务，比如扫除路边炸弹，到洞穴或房屋内进行搜索等，为战争的胜利提供了有利保障。近两年来，美国军方又研制了“大狗”四足机器人(如图 2 )。该机器人主要用来在战场上运送物品，它具有很强的稳定性。无论是在路面复杂的山地，还是在非常光滑的冰面，它都可以自己调节平衡，从而越过障碍，到达目的地。即使受到外界的冲击，也可以像动物一样调节自身稳定，继续行走 12。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 41 页图 2 美国 Big-Dog1.3.2 国内研究现状当今我国对探测开发太空投入了极大的关注，轮腿式移动机器人是现今最流行的行星探测车结构，虽然与国外的水平还有不小的差距，但国家政府在这方面也加大了投入力量，现在一些高等院校和科研机构相继开展了有关轮腿式机器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。如清华大学在行星表面环境及探测机器人几何建模方面做了大量的工作，并对相关的电机驱动技术进行了深入探讨。与此同时，国防科大的研究小组以我们刚提到的 Sojourner 为蓝本，研制出了 KDR 一试验样车(如图 3)，并对其自主导航及路径规划技术进行了研究。此外中国科技大学和哈尔滨工业大学都在轮腿式行星移动机器人方面进行了一系列研究工作，并取得了初步的成果。近几年来，中国在移动机器人方面取得的主要成绩有以下几个方面:1、上海交通大学的刘方湖、陈建平等提出了一种 5 轮月球机器人，并从结构上研究了其越障性能、静态稳定性和附着性能 13。该车前三轮均能独立驱动和转向，后面两轮是从动轮。前轮有电机驱动，使其做俯仰运动。2、上海大学研制了一种可越障轮式全方位移动机构车轮组机构，该机构保证在姿态保持不变的前提下，沿壁面任意方向直线移动或在原地旋转任意角度，同时能跨越存在于机器人运行路径中的障碍。上海大学的张海洪、龚振邦等对其越障性能作了简单的机理分析和全方位移动机构的运动学分析 14。3、中国科技大学的程刚，竺长安等提出了一种复合结构移动越障机器人(如图 4 )，并对该机器人进行了运动学建模与仿真 15。该机器人是将轮式、腿关节式、履带式本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 41 页三种结构结合起来设计而成，它采用后轮驱动，每个轮子分别由一台直流伺服电机带动，跟履带车一样通过差速来实现转向功能。车前部有平行四边形的摆杆通过键与车体的前轮轴固连,车体前方有两台直流伺服电机分别控制两边平行四边形摆杆的运动，在遇到突变障碍时，摆杆下压，产生撑地的动作，从而实现越障。图 3 KDR-1 试验样车4、清华大学陆文娟等人对一种六轮式移动机器人做了比较详细的研究 16，这种机器人具有 6 个主动轮且都能独立转向，该机器人地形适应性能较普通 4 轮机器人要好。图 4 复合结构移动越障机器人本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 41 页14 论文研究的背景和意义1.4.1 研究背景早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械人偶。到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。移动机器人随其应用环境和移动方式的不同，研究内容也有很大差别。其共同的基本技术有传感器技术、移动技术、操作器、控制技术、人工智能等方面。它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器。移动机构有轮式(如四轮式、两轮式、全方向式、履带式)、足式(如 6 足、4 足、2 足)、轮腿式(用轮子和足)、特殊式(如吸附式、轨道式、蛇式)等类型。轮子适于平坦的路面，足式移动机构适于山岳地带和凹凸不平的环境。现今移动机器人的移动机构己经不仅仅限制于轮式或足式。从 80 年代开始，一种新型的移动机构成为了研究移动机器人的热点轮腿式移动机构。这种移动机构使移动机器人具有了速度快、稳定性好以及对地面的适应能力强的特点。轮式移动机器人中最常见的机构就是二轮及四轮移动机器人当在平整地而上行走时，这种机器人是最合适的选择。并且在其他领域(如汽车领域)已为其发展提供了成熟的技术。1.4.2 研究的意义智能移动机器人在各种复杂地形上都具有较高的机动性，可以进入人类无法进入或生存的环境，适用于国防和民用等多个领域，在反恐斗争中也发挥了巨大作用。移动机器人的主要应用领域包括以下几个方面:(1)军事侦察，排除险情在军事行动中常需要对未知的环境进行侦察。由于地形的复杂特性以及军事行动中的危险性，采用普通的智能车辆或者人工进行侦察都很难完成任务。智能移动机器人为军事行动提供了一个可靠的平台。由于它对地面的适应性，可以使其顺利到达目的地。如在车上安装摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和 GPS 全球定位系统等设备，通过无线电或者光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报搜集、目标搜索本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 41 页和自主巡逻等任务。除军事侦察外，智能移动机器人还常被用来完成扫除路边炸弹、寻找地雷和销毁地雷等危险任务。（2）探测危险，航天航空在考古、工程检测和灾后救援等方面，移动机器人由于其良好的越障性能，也发挥着巨大的作用。在国外，智能移动机器人己经被用来探测金字塔内王后室的秘密通道 17。在工程建设领域，可对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测，还可应用在码头、桥墩等被撞后的受损程度探测评估。在制造领域，可用于工业管道中的机械损伤、裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄露和破损点的查找和定位等 18。民用方面，可以探测泄露物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。从上个世纪 60 年代后期，人类就开始了对宇宙外星球的探测。到目前为止，人类研究的星球主要是月球和火星。由于外星球上空气、辐射、温度和重力等条件的影响，人类很难直接进行探测和研究。为此，通过移动机器人采集星球样本进行研究己经成为研究外星球的重要手段。(3)智能导航，快速运输在现代化的大型商场、医院等公共场所。智能机器人可以充当导游、售货员、保安等多种职业。不仅可以为行人带路、介绍周围环境，还可以有效的维护公共场所里治安。在大型码头、货场和仓库，已经开始利用这种智能移动机器(AGV)作为主要的运输工具。通过预先编好的程序和规划的路径，它们可以自己在指定位置充电，并且长时间的高效率的不间断工作。大大提高了运输量。智能移动机器人根据不同的需要，可采取不同的移动机构。但总体目标都是向着高度的机动性、良好的稳定性以及简单的可控性发展。移动机器人技术在经过几十年的发展过程之后，己经取得很大进展，并且成为新兴且快速成长的行业。随着机器人技术的发展和人类活动领域的不断扩大，移动机器人的应用领域不断地拓宽，从制造领域向非制造领域发展，如海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出自动化和机器人化的要求。人们期望机器人能在许多人类不能及的区域来代替人类完成更复杂的任务。因此，研究与开发一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的移动机器人的综合控制系统，势在必行。传统机器人控制系统结构源自基于认知的人工智能模型，在这种模型中，智能任务由运行于符号模型之上的推理过本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 41 页程来实现，它强调带有环境模型或地图的中央规划器是其智能不可缺少的组成部份，而且该模型必须是准确的、一致的。该模型遵循从感知到动作的串行功能分解控制路线，系统的可靠性、鲁棒性和反应性差。反应式控制系统将机器人行为的感知、规划、任务执行等过程封装成一个行为模块，某一时刻，只有一种行为控制机器人。反应式控制系统能使机器人快速地对时变的、非人为构造的环境进行反应。反应式控制系统的局限性是机器人通常不能保存周围信息，没有记忆功能，没有内部的环境描述，没有实时学习/规划能力。基于行为控制方法是反应式系统的扩展，它介于纯粹的反应式和极端的慎思型之间。在基于行为控制方法中，控制系统的分解是以面向任务的(Task-Oriented）方式进行的，机器人把所要完成的任务分成基本的简单的行为单元，各单元彼此协调工作。每个单元都有自己的感知器和执行器，构成感知一执行动作行为。机器人根据行为的优先级并结合本身的任务综合作出反应。其优点在于每个行为的功能较简单，可以通过简单的传感器及其快速信息处理过程获得良好的运行效果。因此，行为控制是进行机器人底层控制的最佳选择。15 论文研究的主要内容本文对轮式机器人的结构设计和运动控制技术进行了研究。这一机器人的行驶机构为四轮式结构。即各车轮与车架直接相连，使其具有行走功能。本机构配备大直径轮轴，使其能适应室外、草地、沙地等行走环境。同时配备自主驱动控制，能实现无半径转向跨越障碍、躲避障碍等功能。（1）移动机器人的结构设计。此内容包括机器人主要结构形式和外形尺寸的确定。（2）移动机器人的模块化设计。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于一体的综合系统。是一种具有一定智能、在一定范围内移动且能完成各种规定任务的机器人。与普通机器人的主要区别是移动机器人一般安装在可移动的平台载体上。可在较大地域范围内活动。在设计移动机器人时应遵循以下机构设计原则 19：a.总体机构应容易拆卸，便于平时的试验、调试和修理。b.应给机器人暂时未能装配的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将来功能改进与扩展。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 41 页c.采取模块化设计，各个功能模块之间相互独立装配.互不干扰。（3）移动机器人的运动控制分析。要顺利躲避障碍，机器人必须具备自主灵活的转向性能。因此，机器人的转向性能是其地面适应能力的一个关键方面。2 轮式机器人的运动控制21 移动机器人控制系统设计本次设计的论述移动机器人为以 STC12C-5408AD 为控制核心的后驱四轮机器人。如图 5 所示，在车身最前部分是信号采集模块，负责对工作环境中的线标志的读取，前轮万向轮来作支撑转向，后轮是机器人前进的主要动力，用直流电机驱动，当机器人拐弯时采用差速机构进行驱动 20。图 5 轮式移动机器人2.1.1 原理单片机 21系统通过信号采集模块，对路面标记的信号进行读取，并把模拟量转换为数字信号输入到单片机，单片机通过己经写入的程序对读取到的信号进行判断，进而通过电机驱动模块和车体转向控制模块来决定机器人的运动状态。电机驱动模块采用直流电机对机器人进行驱动，并调节电机转速来实现机器人转向。2.1.2 元器件的选择本次设计主要实现信号采集与分析、直流电机控制两大功能，而单片机系统为机器人最终运动状态的决定者，因此单片机的选择很大程度上决定了移动机器人的性能。信号的采集一般需要有 AD 转换接口，本次设计中选择了国产的本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 41 页STC12C5408AD，是新一代增强型 8051 单片机，速度快，集成度高，电压范围宽(3.8-5.5V)，指令系统和 MCS-51 系列完全兼容。其内部还有 8kB Flash 程序存储器，512Byte RAM,2kB EZ PROM ,8 通道 10 位 ADC、4 路 PWM 以及硬件看门狗(WDT)等资源，并具有 ISP 功能，用户在自己的目标系统上，经串口和 PC 连接，就可直接由 PC 对其进行 ISP 下载编程，时间仅几秒钟。在集成整个控制系统之前，还要考虑电源问题。运行过程中电机消耗的电量要比控制系统消耗的多，而且在运行过程中机器人的加速、减速、拐弯等动作会导致电压的不稳定，故实行控制系统电源和电机驱动电源的分离，对单片机系统设计了一个独立的以 MAX639 为核心的供电系统，确保单片机得到 5V 的电源。 2.1.3 移动机器人平台总体结构移动机器人应具有如下功能：1进行静态全局路径规划，并控制机器人实现全局导航，完成指定任务；2当环境中出现障碍物时，机器人识别障碍并采用相应的避障策略实现避障；3主动视觉系统可以完成目标搜索和跟踪功能；同时可用于辅助全局导航和移动机器人将要到达指定目标时的精确定位。鉴于以上的研究目标，提出如下总体设计要求：1. 机器人动作灵活，控制方便；2. 采用模块化设计 3. 应具有较丰富的环境感知能力，以便对机器人的行为控制进行更全面的研究；4. 在保证功能实现的前提下，尽量减少系统硬件的成本；5. 便于功能扩展、软硬件调试、及系统维护。基于上述设计要求研发的移动机器人总体结构，由下至上分为五层:主要分为用户层、决策控制层、传感/底层决策层、运动执行层。各层与各层之间通讯都有标准的物理层与协议层，因此各层都具有很强的扩展性。2.1.4 移动机器人硬件系统系统硬件由移动机器人平台和无线通信系统组成，采用上下位二级分布式控制系统结构。采用基于模块化并行通信的多微处理器分布式控制系统体系结构设计实现，完成对移动机器人的行为动作控制；主要完成的移动机器人全局导航控制功能本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 41 页和基于主动视觉的移动机器人导航控制等功能；通过无线通信系统和上位机进行信息交互。移动机器人平台为典型的四轮式机器人，前两轮为万向轮，两后轮单独驱动，后轮安装了左右轮直流电机及其电机控制器，这个移动机器人平台可以爬坡和越障，为实现三维空间的导航提供了平台。系统硬件组成可分为以下三个大模块:电源及驱动模块、传感器模块、控制计算机模块，而按功能类别分，该机器人又可分为用户层、传感/控制子系统、智能和决策子系统、运动控制层如图 6 所示。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 41 页本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 41 页图 6 移动机器人平台系统硬件组成2.1.5 移动机器人电源及驱动模块没有运动控制和驱动单元，机器人的电机就无法运转。运动控制和驱动单元被集成并封装在电源/驱动模块中。为了使系统更加可靠，通过 DC/DC 模块实现功率电源与逻辑电源相互隔离。其中传感器主板需要三组电原，超声声纳供电电源+12V ，逻辑供电电源+5V ，以及功率电路中的+5V 电源(用+5P 表示)。由于超声声纳最多选配为 24 个，每一个超声声纳静态工作电流 55mA，超声声纳系统静态工作电流为 24* 55=1320mA，而一个超声声纳使能测距，电流为 2A，而系统设计一次同时使能两个超声声纳即 4A 电流。据此系统 12V 的功耗最大电流不会超过 6A，即最大功耗为 72W，因此选取用VICOR100W 的 DC/DC 模块。图 7 12V 电源电路VICOR5V 稳压电路是使用的 VICOR 的 DC/DC2405，50W 。其主要为红外传感器、陀螺仪传感器以及其数字逻辑电路供电，而红外传感器工作最大电流为 50mA 最多选配 8 个，即 8*50mA=400mA，陀螺仪功耗小于 100mA，而其它数字逻辑电路功耗很小，不过 1A，所以系统逻辑 5V 功耗肯定小于 2A，采用的 50W 电源模块。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 41 页图 8 5 V 电源电路为了便于扩展，各扩展卡的每一路电源以有信号都进行可靠的保护，短路、接反、信号混乱也不会导致整个系统崩溃。图 9 电源保护电路2.1.6 移动机器人传感系统移动机器人的传感系统负责获取机器人内部状态和外部工作环境的信息，是移动机器人感知、决策和动作三大要素之一。传感系统的硬件组成单元是传感器，其功能是为机器人提供诸如视觉、力觉、触觉等对外部环境的感知能力，同时还可以感知机器人本身的工作状态和位置。外部传感器有:传感器模块上配备 24 路超声测距传感器(声纳)及光电开关(避碰用)、两自由度摄像云台、全景视觉摄像机、接触和接近传感器等，并提供 8 个预留的标准接口。结构如图 10 所示。传感器主板如图 11 所示，其中 12 点方向的超声波传感器及红外传感器接口号为 24#，顺时针方向为 1、 2、 3、 4、5。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 41 页图 10 传感系统结构图 11 传感器主板丝印图本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 41 页传感器主板电源由两针接口 POWER 输入之后分成两路，一路经过可恢复保险管与 TVS 管( 用于反接与过压保护)为传感器系统提供 24 电源，另一路直接为 PC 提供电源。其中 LEDO1 与 LED02 分别是传感器系统与 PC 系统电源指示灯。图 12 电源输入以及简单保护电路22 移动机器人运动控制研究移动机器人通常利用轮子、腿或其他机械装置在应用环境中来回移动。本文讨论的为四轮式结构。前面两个轮为随动轮，仅起到支承车体而无导向作用，后面两轮为驱动轮，用两台电机分别驱动，通过调节后轮的转速来控制车体运行的速度和转动角速度。2.2.1 车体结构与运动学分析图 13 为可移动机器人车体结构简图。小车两后轮为驱动轮分别由两台电机驱动，每台电机与后轮各构成一个速度闭环，为恒速输出，在工作载荷内，调节两电机的输入电压即可调节两后轮的转速。小车两前轮为随动轮，仅起到支承车体的作用而无导向作用。图 13 车体结构图 图 14 车体运动路径本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 41 页图 14 为车体运动路径示意图。车体运动起始点 O 为坐标原点，经时间 t 后车体运动到点 A 处.其中，E x(t)和 Ey(t)为小车在 X 方向上和 Y 方向上的位移； (t)和。(t)为小车的角位移和角速度。为小车两后轮中点处的移动速度。因此可推得如下关系式：Ex（t）= (1)todtv)(csEy（t）= (2)tin(t)= (3)to)在小误差范围内可以认为:cos(t)=1 （4）sin(t)=(t) （5）控制小车的两电机电压保证小车两后轮中点处的速度为常量，即 v=v0，则式（1） ，（2）和（3）可表示如下：Ex（t）=v 0t （6）Ex（t）= tod)(0（7）(t)= to)（8）经过实测，小车两电机闭环系统特性一致.电机输入电压与车轮转速关系如下：n=knU+Cn （9）式中 n 为车轮转速，U 为电机输入电压，k n 和 Cn 为常数。根据推导可获得车体转动的角速度 （t）和小车后轮中点处的速度 v0 如下：（t）=（n 2-n1）D/W （10）本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 41 页v0=（n 2+n1）D/2 （11）其中 n1 和 n2 分别为小车左轮和右轮的转速，D 为小车后轮的直径， W 为小车两后轮的距离。把式（9）代入式（10）和（11）中，得（t）=（U 2-U1）Dk n/W （12）v0=（U 2+U1）Dk n/2+DCn （13）其中 U2和 U1为小车左轮和右轮的输入电压。由式（13）可知，若小车两电机输入电压之和为常数，则小车两后轮中点处速度v0为常数。当小车有一瞬时角速度 （t）时，所需两电机电压差 为U=U2-U1=（t）W /(Dkn) （14）若使：2/1U（15）则小车两电机输入电压之和为常数，即U2+U1=2U （16）式中，U 为小车作直线运动时两电机的输入电压， U 值决定于 v0的大小。对于此系统，我们不关心位移，只要求小车能够沿着示教的路径做再现运动，即希望 Ey(t)=0.式(7),(8)和(14)经拉氏变换后为:Ey(s)=v0(s)/s （17）(s)=（s）/s 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 41 页（18）U(s)=W（s）/(Dk n) （19）由式（17） 、 （18） 、 （19）给出系统结构图如图 15 所示。图 15 系统结构本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 41 页3 轮式机器人的结构设计要开发能够适应复杂路面环境的智能移动机器人，首先要研究其机械结构。移动机器人的
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