轮式移动机器人的结构设计（全套含CAD图纸）
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毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 轮式移动机器人的结构设计 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 以轮式机器人为研究对象，完成机器人的结构设计，机器人的前进、后退、 360 度范围转动。 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 1、开题报告 2 周 2、总体方案设计 3 周 3、零部件的结构设计 3 周 4、计算与强度校核 3 周 5、外文资料翻译（不少于 6000 实词） 1 周 6、毕业论文整理及答辩准备 1 周 、主 要参考资料： 1机械原理（第六版） 2001. 2工业机器人的操作机设计 1996. 3张慧慧议 科学出版社， 2004. 4X 础应用与范例解析 M2004 5. D 988,5(2):3342 航空工程 系 机械设计制造及自动化 专业类 0881054 班 学生（签名）： 填写日期： 2012 年 2 月 20 日 指导教师（签名）： 助理指导教师 (并指出所负责的部分 )： 系主任（签名）： 附注 :任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 1 1998 年的 国际会议上机器人及自动化 比利时 1998 年 5 月 一种实用的办法 F. 斯，法国国家科学研究中心 法国图卢兹 要 本文提出了一种有效的方法来控制带拖车移动机器人。轨迹跟踪和路径跟踪这两个问题已经得到解决。接下来的问题是解决迭代轨迹跟踪。并且把扰动考虑到路径跟踪内。移动机器人 实验结果说明了我们方法的有效性。 2 1 引言 过去的 8 年，人们对非完整系统的运动控制做了大量的工作。布洛基 2提出了关于这种系统的一项具有挑战性的任务，配置的稳定性，证明它不能由一个简单的连续状态反馈。作为替代办法随时间变化的反馈 10,4,11,13,14,15,18或间断反馈 3也随之被提出。从 5 移动机器人的运动控制的一项调查可以看到。另一方面，非完整系统的轨迹跟踪不符合布洛基的条件，从而使其这一个任务更为轻松。许多著作也已经给出了移动机器人的特殊情况的这一问题 6,7,8,12,16。 所有这些控制律都是工作在相同的假设下：系统的演变是完全已知和没有扰动使得系统偏离其轨迹。很少有文章在处理移动机器人的控制时考虑到扰动的运动学方程。但是 1提出了一种有关稳定汽车的配置，有效的矢量控制扰动领域，并且建立在迭代轨迹跟踪的基础上。 存在的障碍使得达到规定路径的任务变得更加困难，因此在执行任务的任何动作之前都需要有一个路径规划。 在本文中，我们在迭代轨迹跟踪的基础上提出了一个健全的方案，使得带拖车的机器人按照规定路径行走。该轨迹计算由规划的议案所描述 17 ，从而避免已经提交了输入的障 碍物。在下面，我们将不会给出任何有关规划的发展，我们提及这个参考的细节。而且，我们认为，在某一特定轨迹的执行屈服于扰动。我们选择的这些扰动模型是非常简单，非常一般。它存在一些共同点 1。 本文安排如下：第 2 节介绍我们的实验系统 其拖车：两个连接系统将被视为（图 1） 。第 3 节处理控制方案及分析的稳定性和鲁棒性。在第 4 节，我们介绍本实验结果 。 3 图 1 带拖车的 4 2 系统描述 车是被挂在这个机器人上的，确定了两个不同的系统取决于连接设备：在系统 1 ，顶端），而对系统 1 ，底部 )。 来说是一种特殊情况，其中 = 0 。这个系统不过单从控制的角度来看，需要更多的复杂的计算。出于这个原 因，我们分开处理挂接系统。两个马达能够控制机器人的线速度和角速度（ r )。除了这些速度之外，还由传感器测量，而机器人和拖车之间的角度 ，由光学编码器给出。机器人的位置和方向（ r ）通过整合前的速度被计算。有了这些批注，控制系统 c o ss i ns i n ( ) c o s ( )r r rr r r （ 1） 5 3 全球控制方案 的 当考虑到现实的系统，人们就必须要考虑到在运动的执行时产生的扰动。 这可能有许多的来源，像有缺陷的电机， 轮子的滑动，惯性的影响 . 这些扰动可以被设计通过增加一个周期在控制系统（ 1） ，得到一个新的系统的形式 ( , )x f x u 在上式中可以是确定性或随机变量。 在第一种情况下，扰动仅仅是由于系统演化的不规则，而在第二种情况下，它来自于该系统一个随机行为。我们将看到后来，这第二个模型是一个更适合我们的实验系统。 为了引导机器人，从一开始就配置了目标，许多工程认为扰动最初只是机器 人和目标之间的距离，但演变的系统是完全众所周知的。为了解决这个问题，他们设计了一个可输入的时间 目标达到一个渐近稳定平衡的闭环系统。现在，如果我们介绍了先前定义周期 在这个闭环系统，我们不知道将会发生什么。但是我们可以猜想，如果扰动 很小、是确定的、在平衡点（如果仍然还有一个）将接近目标，如果扰动是一个随机变数，平衡点将成为一个平衡的 子集。 但是，我们不知道这些新的平衡点或子集的位置。 此外，在处理障碍时，随时间变化的方法不是很方便。他们只能使用在附近的目标，这附近要适当界定，以确保无碰撞轨迹的闭环系统。请注意连续状态反馈不能适用于真实情况下的机器人，因为间断的速度导致无限的加速度。 我们建议达成某一存在障碍特定配置的方法如下。我们首先在当前的配置和使用自由的碰撞议案所描述 17目标之间建立一个自由的碰撞路径，然后，我们以一个简单的跟踪控制率执行轨迹。在运动结束后，因为这一目标的各种扰动机器人从来没有完全达到和目标 的轨迹一致，而是这一目标的左右。如果达到配置远离目标，我们计算另一个我们之前已经执行过的一个轨迹。 现在我们将描述我们的轨迹跟踪控制率，然后给出我们的全球迭代方法的鲁棒性问题。 迹跟踪控制率 在这一节中，我们只处理系统 A。对系统 B 容易计算（见第 ）。 6 图 2 单一机器人的跟踪控制率 很多带拖车轮式移动机器人的跟踪控制律已经被提出。其中 16虽然很简单 ,但是提供了杰出的成果。 如果 ,是模拟机器人的坐标构成真实机器人（图 2），如果（ 00,是输入的参考轨迹，这种控制律表示如下： 01032c o ss i nr k xk k （ 2） 我们控制律的关键想法如下：当机器人前进，拖车不需要稳定（见下文）。因此，我们对机器人使用公式（ 2）。 当它后退时，我们定义一个虚拟的机器人 ( , , )r r （图3）这是对称的真实一对拖车的车轮轴： 2 c o s2 s i r t tr r t tr t rx x ly y l 然后，当真正的机器人退后，虚拟机器人前进和虚拟系统 ( , , , )r r 在运动学上是等同于真正的一个。因此，我们对虚拟机器人实行跟踪控制法（ 2）。 图 3 虚拟机器人 现在的问题是：当机器人前进时，拖车是否真的稳定？下一节将回答这个问题。 车稳定性分析 在这里我们考虑的向前运动情况下 ( 0),虚拟机器人向后的运动被等值转变。让我们把坐标 0 0 0 0 0( , , , , )r r r r rx y v作为参考轨迹并且把坐标 ( , , , , , )r r r r r 作为实际 运 动 的 系 统 。 我 们 假 设 机 器 人 完 全 跟 随 其 参 考 轨 迹 ：0 0 0 0 0( , , , , , ) ( , , , , )r r r r rv x y r r r r r 并且我们把我们的注意力放在拖车偏差 7 0 。这一偏差的变化很容易从系统（ 1）推导出 0 （系统 A） ： 00 ( s i n s i n )2c o s ( ) s i n ( )22 尽管 是减少的 0 2 2 2 2 （ 3） 我们的系统而且被不等量限制了 0,22 （ 4） 因此 0 2 和式（ 3）等价于 0000022022 且或且（ 5） 图 4 显示 的范围随着给定的 0 的值正在减少。我们可以看到，这个范围包含了拖车的所有的位置，包括式（ 4）所界定的范围。此外，以前的计算许可轻松地表明对于变量 0 ， 0 是一个渐近稳定值的变量。 因此，如果实际或虚拟的机器人按照它的参考轨迹前进，拖车是稳定的，并且将趋于自己的参考轨迹。 图 4 的稳定范围 拟机器人系统 B 当拖车挂在机器人的后面，之前的结构甚至更简单：我们可以用拖车取代虚拟的机器人。在这种实际情况下，机器人的速度 ( , )和拖车 ( , )一对一映射的连接。 8 然后虚 拟的机器人系统表示为如下： c o s c o s ( )s i n s i n ( )r r r r r rr r r r t rx x l ly y l 和以前的稳定性分析可以被很好的使用通过考虑悬挂点的运动。 下面一节讨论了我们迭代计划的鲁棒性。 代计划的鲁棒性 我们现在正在显示上文所提到的迭代计划的鲁棒性。为此，我们需要有一个当机器人的运动时产生扰动的模型。 1扰动的模型系统是一个不规则，从而导致矢量场确定性的变化。在我们的实验中，我们要看到由于随机扰动导致的例如在一些悬挂系统中发挥作用。这些扰动对模型是非常困难的。出于这个原因， 我们只有两个简单的假说 有： 00( ( ) , ( ) )( ( ) , ( ) )c s q s q sd q s q s其中 s 是沿曲线横坐标设计路径， q 和 0q 分别是真正的和参考的结构， ， 是正数。 第一个不等量意味着实际和参考结构之间的距离成正比的距离覆盖计划路径。第二个不等量是确保轨迹跟踪控制率，防止系统走得太远远离其参考轨迹。让我们指出，这些假设是非常现实的和适合大量的扰动模型。 我们现在需要知道在每个迭代路径的长度。我们使用指导的方法计算这些路径验证拓扑短时间的可控性 17。这个也就是说，如果我们的目标是充分接近起初的结构，轨迹的计算依然是起初的结构的附近。在 9 我们给出的估算方面的距 离：如果 1划路径的长度验证它们之间的关系 141 2 1 2( ( , ) ) ( , ) a t h q q d q q这里 是一个正数。 因此，如果1,2.()是配置依次获得的，我们有以下不等式： 11,( , )( ) ( , )c s g o a lc s i g o a l c s i g o a ld q qd q q d q q这些不等式确保 , )i .()的正数 9 1141和趋近于足够反复后的。 因此，我们没有获得渐近稳定性配置的目标，但这一结果确 保存在一个稳定的范围处理这个配置。 这一结果基本上是来自我们选择非常传统扰动的模型。让我们重复这包括诸如扰动模型的时间不同的控制律无疑将使其失去其渐近稳定。 实验结果如下节显示，收敛域的控制计划是非常小的。 10 4 实验结果 现在，我们目前获得的带拖车机器人 统 A 和 B 的实验结果。图 5 和图6 显示第一路径计算的例子所规划初始配置（黑色）和目标配置（灰色）之间的运动。在第二种情况下包括上一次计算结果。 连接系统的长度如下：系统 A 中 0， 125厘米，系统 B 60厘米， 90厘米。表 1 和表 2 提供的初始和最后配置位置以及目标和期望配置在第一次动作和第二次动作之间的不足， 3 个不同的实验。在这两种情况下，第一次试验相当于图表。2q意味着，在第一动作后精度十分充足，没有更多可进行的动作。 评论和意见：表 1 和表 2 的报告结果显示了两个主要的见解。首先， 系统达成非常令人满意的精密程度，其次迭代次数是非常小的（介于 1 和 2 之间）。事实上，精密程度取决于很多的速度和不同的动作。在这里，机器人的最大线速度是 50 厘米 /秒 。 11 5 结论 我们已经提出了一种方法来控制机器人与拖车从初始结构到一个已知输入问题的目标。这种方法是以迭代于开环和闭环控制相结合为前提的办法。 它对大范围的扰动模型已经显示出健全的一面。这个鲁棒性主要来自拓扑性能指导方法介绍 17 。即使该方法不完全趋于机器人的最终目标，但是在真正实验期间达到的精度程度是非常令人满意的。 图 5：系统 A：初始、目标配置跟踪第一路径 图 6：系统 B：初始、目标配置跟踪第一路径和最终结果 表 1：系统 A： 目标和期望配置在第一次动 表 2：系统 B：目标和期望配置在第一次动 作和第二次动作之间的差距 作和第二次动作之间的差距 12 参考文献 1K. . of 995. 2. 983. 3of 37, 11, 1992. 4M. , 1992. 5G. . of a d., to 6M. a 3, , 1994. 7M. G. . M. H. of an an 8, , 831992. 8Y. F. an 1990. 9ci de la de d: l e x h t i o n de 7, 997. P. . of to of , , 1997. 11B. of a of 12T. T. . of 13 931991. 13of a 1990. 14of 12(1), 1993. 15of to Vo l 40, 1995. 16. of a 136991. 17F. G. . a 3061997. 18. . of 0, , 1995. 8, 471992. 外文资料翻译 题目： 带拖车移动机器人的反馈控制 系 别 专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师 1 998 998A to a . a to a a of to a is by an on of 2 1 to a of s 2 a a it be by a as 4, 11, 13, 14, 15, 18 or 3 5 a in On a a s it is an A of 6, 7, 8, 12, 16 of of is no in l a to a a to on of of a a In we a on to a a to a by a 17 in In t we to we of a is to we is l. is as be ) of , we 3 2 of is a A is on on on , is of , on , it is l , A is , = 0. is a of we to r ) of by is by an r ） of by c o ss i ns i n ( ) c o s ( )r r rr r r （ 1） : 4 3 to as of of . be by a in l),to a of , )x f x u be or a is to a of in it a of We is a To a a to a is of is To an as a of an of if we in we t We if is if is be to if is a an we t of or be in of to be to of us be in of in to we to a tn of is We a 5 a 17, we a At of a of If is we we as we We he n we . ( : a of of 16,a ,of in of ), 0,of 01032c o ss i nr k xk k （ 2） of is be So we 2) to it we a , , )r r () is to to of 2 c o s2 s i r t tr r t tr t rx x ly y l 6 , , , )r r is to we 2) to : is of e of a 0), by us 0 0 0 0( , , , , )r r r r rx y va , , , , , )r r r r r of We 0 0 0 0 0( , , , , , ) ( , , , , )r r r r rv x y r r r r r we on of is 1) (): 00 ( s i n s i n )2c o s ( ) s i n ( )22 is 2 2 2 2 （ 3） is by ,22 （ 4） 7 so 2 3) is 0000220 22 5） on is a . We of by 4). to is an . if or is : is is we by In of , )of , )by a of is by c o s c o s ( )s i n s i n ( )r r r r r rr r r r t rx x l ly y l be as by of 8 of of e to of we we to a of l by a of of to on In we to in to we 00( ( ) , ( ) )( ( ) , ( ) )c s q s q sd q s q ss is q q a of , is to on is by to go us a of We to of at we to a 7. if is to in a of 9we an in of of 41 2 1 2( ( , ) ) ( , ) a t h q q d q q is a if is of i we 11,( , )( ) ( , )c s g o a lc s i g o a l c s i g o a ld q qd q q d q q 9 , )i by a ,2.()of 1413 we do of of a of we us a in a it of of is 10 4 e a . of by : : to be : : to be in in in of is 0 , 125 cm 0 90 cm . of In to qno in to by is 11 of is ). In a on of of 0 cm/s. 12 5 e in a to a to a in of is on an It to a of of 17. if to is : : : : 13 1K. . of 995. 2. 983. 3of 37, 11, 1992. 4M. , 1992. 5G. . of a d., to 6M. a 3, , 1994. 7M. G. . M. H. of an an 8, , 831992. 8 Y. F. an 1990. 9. F. ci de la de d: l e x h t i o n de 7, 997. P. . of to of , , 1997. 11B. of a of 12T. T. . of 931991. 14 13of a 1990. 14of 12(1), 1993. 15of to 0, 1995. 16. of a 136991. 17F. G. . a 3061997. 18. . of 0, , 1995. 8, 471992. 学士学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果 ,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 毕业设计（论文） 题目： 轮式移动机器人的结构设计 系 别 专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师 二 O 一二 年 五 月 轮式移动机器人的结构设计 学生姓名： 指导老师： 摘要： 本文首先对机器人的国内为发展现状做了介绍，同时根据设计要求对机器人的整体方案进行 了分析，包括几何尺寸、控制芯片的选择。然后从机器人性能要求的角度出发，分别对机器人的运动方式、模型结构和车体成型方式做了比较，最终确定了非完整约束轮驱四轮式移动结构模型 后轮同轴驱动，前轮转向的轮型机器人。 本文对移动机器人硬件结构做了详细的可行性分析及设计，并且做了相应的计算、校核，主要包括：驱动轮电机和转向轮电机的选择；齿轮的设计计算和校核；前后减震系统以及转向机构设计和车体的一些机械结构设计等。对轮式移动机器人的运动学特性进行了分析，建立了不考虑滑行、刹车等的轮式移动机器人的运动学模 型。 最后，本文对所作研究和主要工作进行了总结，并将设计的轮式机器人的结构进行联合调试。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠，可控制性高，安全性高，达到了本设计的设计要求。 关键字： 轮式移动机器人 运动学模型 结构设计 指导老师签名： of in of of is to of of of In of a of of of to t of of of 开题报告 1 一、 选题的依据及意义 ： 轮式移动机器人具有良好的稳定性、较快的移动能力等优点，在足球机器人比赛等领域得到了广泛的应用。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 60 年代 ,就已经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面 ,首先 ,要考虑移动方式 ,可以是轮式的、履带式、腿式的 ,对于水下机器人 ,则是推进器。其次 ,必须考虑驱动器的控制 ,以使机器人达到期望的行为。第三 ,必须考虑导航或路径规划 ,对于后者 ,有更多的方面要考虑 ,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于一体的综合系统。对移动机器人的研究 ,提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题 ,引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣 ,更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景 ,使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。 二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： 国外移动机器人的发展概况 外几种典型应用移动机器人 美国国家科学委员会曾预言 :“ 20 世纪的核心武器是坦克 ,21 世纪的核心武器是无人作战系统 ,其中 2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队 ,并走向战场”。为此 ,从 80年代开始 ,美国国防高级研究计划局(专门立项 ,制定了地面天人作战平台的战略计划。从此 ,在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕 ,如 略计算机”计划中的自主地面车辆 (计划 (1983 1990) ,能源部制订的为期 10 年的机器人和智能系统计划 (1986 1995) ,以及后来的空间机器人计划 ; 日本通产省组织 的极限环境下作业的机器人计划 ;欧洲尤里卡中的机器人计划等。 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 ,导致室外机器人的研究未达到预期的效果 ,但却带动了相关技术的发展 ,开题报告 2 为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验 ,同时 ,也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。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 (图 2b)。 （ a） （ b） 图 2用化机器人 由美国 蒂 足行走机器人（图 2,是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。它与其他机器人 ,如 不同之处是它于 1994年在斯珀火山的火山口中进行了成功的演示 ,虽然在返回时 ,在一陡峭 的、泥泞的路上 ,失去了稳定性 ,倒向了一边 ,但作为指定的探险任务早己完成。其它机器人（图 2整个运动过程中 ,都需要人参与或支持。丹蒂计划的主要目标是为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方案。 （ c） （ d） 图 2足行走机器人 开题报告 3 美国 21997年登上火星 ,这一事件向全世界进行了报道。为了在火星上进行长距离探险 ,又开始了新一代样机的研制 ,命名为 2并 的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。 （ e） （ f） 图 2杰纳 图 2 德国研制了一种轮椅机器人（图 2, 并在 乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和 1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中 ,进行了超过 36 个小时的考验 ,所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人或移动机器人所不可比的。这种轮椅机器人是在一个商业轮椅的基础上实现的。 （ g） 图 2椅机器人 开题报告 4 国外还研制了一种独轮机器人（图 2i） ,它与具有静态稳定性的多轮移动机器人相比 ,具有很好的动态稳定性 ,对姿态干扰的不敏感性 ,高可操作性 ,低的滚动阻力 ,跌倒的恢复能力和水陆两用性。这是运动性的一种新概念。 （ h） （ i） 图 2轮机器人 没有一个系统可以做到 100%可靠 。一个可靠机器人是指它一直正常地工作。一个高完整性机器人 (图 2时刻监视自己的行为 ,一旦发现异常 ,立即停止运转。因此 ,一个高完整性机器人并不一定要连续工作 ,但工作时，一定是正确的。 图 2完整性机器人 开题报告 5 控移动机器人 对机器自主性的挑战来自要求完成的任务和高度非结构化和变化的环境。在大多数室外环境中 ,要求机器完全自主地完成任务 ,目前还有一定的困难。远程操作的半自主机器人 ,毫无疑问 ,是一个发展方向。因此先进的远程操作技术是将来必需的。完全遥现是实现远程操作一个或几个移动机器人的最佳可能方案 ,但太贵。研制一套适于远程操作的、使用起来既自然又容易的人机交互方案是必需的（图 2在未知和变化的环境中 ,头部跟踪系统有帮助 ,且是可行的。 图 2控移动机器人 境与移动机器人集成 H. 过对以前机器人研究工作的回顾 ,发现过去智能机器人的工作主要集中在自主性上。因此 ,他提出了一个新概念 :感知信息基础设施。就象人需要道路、交通信号灯等一样 ,机器人为了在一个动态变化的环境中行动 ,也同样需要基础设施。作者将一个用于导航移动机器人的分布式视觉系统作为例子 ,进行了解释和说明。实验在一个缩小了 1/ 12 的城镇模型中进行 ,内有阴影 ,树的结构 ,草地和房屋 ,足够代表室外环境的真实情况 ,并安装了用于机器人导航用的 16 个摄像机智能体 ,实现了移动机器人与环境的融合（图 2b、 c）。 开题报告 6 （ a） （ b） (c) 图 2成机器人 内移动机器人研究概况 国内在移动机器人的研究起步较晚 ,大多数研究尚处于某个单项研究阶段 ,主要的研究工作有 : 清华大学智能移动机器人（图 2 1994 年通过鉴定。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研究 (准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全 局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划 ) ;基于传感器信息的局部路径规划技术研究 (基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制 ) ;路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟 ) ;传感技术、信息融合技术研究 (差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术 ) ;智能移动机器人的设计和实现 (智能移动机器人 体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶）。 开题报告 7 （ a） 图 2能移动机器人 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（图 2 （ b） 图 2动导航机器人汽车 中国科学院沈阳自动化研究所的 2防爆机机器人（图 2 开题报告 8 （ c） （ d） 图 2 图 2爆机机器人 中国科学院自动化所自行设计 、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统（图 2 （ e） 图 2方位移动式机器人视觉导航系统 哈尔滨工业大学于 1996 年研制成功的导游机器人等（图 2 （ f） 图 2游机器人 开题报告 9 三、 研究内容及实验方案： 本毕业设计课题是基于阿克曼原理的轮式移动机器人运动模型而进行的轮式机器人的结构设计，主要是为了实现前进、后退、 360范围转动的轮式移动机器人。 课题主要完成轮式机器人机械方案设计，包括：驱动电机选择、转向电机的选择及控制芯片的选择 ;齿轮的设计计算和校核；前后减震系统以及转向机构设计和车体的一些机械结构设计等。对轮式移动机器人的运动学特性进行了分析，建立了不考虑滑行、刹车等的轮式移动机器人的运动学模型。 机器人本体机构设计和驱动电机的选择 论系统设计的可靠性问题 四、目标、主要特色及工作进度 1、通过图书馆、上网查找大量书籍及相关资料 2 周 2、总体机构方案设计：运动形式、驱动形式的选择、 3 周 驱动电机的选择、转向轮电机的选择的选择 3、机器人的运动学模型的分析 3 周 4、控制系统的设计、机械零件设计计算 3 周 5、外文资料翻译（不少于 6000 实词） 2 周 6、毕业论文整理及答辩准备 2 周 五、参考文献 【 1】、孙恒等主编 六版） 2001. 【 2】、马香峰主编 冶金工业出版社， 1996. 【 3】、宗光华 张慧慧议 科学出版社， 2004. 【 4】、李志尊 . X 础应用与范例解析 M2004. 【 5】 、刘金琨 制及其 真 M子工业出版社 003. 【 6】、蔡自兴 M清华大学出版社， 2000. 【 7】、张海根 高等教育出版社 ,0【 8】、邱宣怀 第四版 )04 256,296 308 【 9】、 D 题报告 10 988,5(2):33【 10】、 /of 008: 2608【 11 】、 , R. to 004:202 12】、 A of /of 7 2008:346【 13】、 of 008,44(6):148【 14】、 , Q, L. of a J. 1994,12:529【 15】、 ,of C/999:14 毕业设计（论文）开题报告 题目 轮式移动机器人的结构设计 专 业 名 称 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 年 月 日 1 目 录 1 前言 （ 2） 2 机构的驱动方案设计 （ 5） 器人运动方式的选择（ 5） 式机器人驱动方案设计（ 9） 式机器人驱动轮组成（ 10） 式机器人转向轮组成（ 11） 机选择（ 12） 速机构的设计（ 17） 速箱体、前车体及电池箱（ 18） 减震及前减震机构（ 19） 轮和轮毂（ 20） 3 传动机构、执行机构的设计及受力分析 （ 23） 动机构的设计 （ 23） 行机构的设计（ 24） 器人受力分析及如何保证加速度最优（ 24） 4 轮式移动机器人的运动学分析 （ 26） 式式机器人的运动学建模 （ 26） 克曼约束的机器人运动模型（ 29） 5 轮式移动机器人的运动控制系统设计 （ 32） 制系统硬件设计 （ 32） 制系统软件设计（ 34） 位机控 制系统软件设计（ 34） 位机控制系统软件设计（ 34） 6 结论 （ 36） 参考文献 （ 37） 致谢 （ 38） 2 1 前言 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， 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 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130 Km/h 的稳定时速，最高时速 170 Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位 1。 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 轮式移动机器人的结构设计 学生姓名： 班级： 指导老师： 摘要： 本文首先对机器人的国内为发展现状做了介绍，同时根据设计要求对机器人的整体方案进行了分析，包括几何尺寸、控制芯片的选择。然后从机器人性能要求的角度出发，分别对机器人的运动方式、模型结构和车体成型方式做了比较，最终确定了非完整约束轮驱四轮式移动结构模型 后轮同轴驱动，前轮转向的轮型机器人。 本文对移动机器人硬件结构做了详细的可 行性分析及设计，并且做了相应的计算、校核，主要包括：驱动轮电机和转向轮电机的选择；齿轮的设计计算和校核；前后减震系统以及转向机构设计和车体的一些机械结构设计等。对轮式移动机器人的运动学特性进行了分析，建立了不考虑滑行、刹车等的轮式移动机器人的运动学模型。 最后，本文对所作研究和主要工作进行了总结，并将设计的轮式机器人的结构进行联合调试。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠，可控制性高，安全性高，达到了本设计的设计要求。 关键字： 轮式移动机器人 运动学模型 结构设计 指导老师签名： of 2 in of of is to of of of In of a of of of to t of of of 3 目 录 1 前言 （ 2） 2 机构的驱动方案设计 （ 5） 器人运动方式的选择（ 5） 式机器人驱动方案设计（ 9） （ 10） （ 11） （ 12） （ 17） 车体及电池箱（ 18） （ 19） （ 20） 3 传动机构、执行机构的设计及受力分析 （ 23） 动机构的设计 （ 23） 行机构的设计（ 24） 器人受力分析及如何保证加速度最优（ 24） 4 轮式移动机器人的运动学分析 （ 26） 式式机器人的运动学建模 （ 26） 克曼约束的机器人运动模型（ 29） 5 轮式移动机器人的运动控制系统设计 （ 32） 制系统硬件设计 （ 32） 制系统软件设计（ 34） 制系统软件设计（ 34） （ 34） 6 结论 （ 36） 参考文献 （ 37） 致谢 （ 38） 4 1 前言 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， 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 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130 Km/h 的稳定时速，最高时速 170 Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位 1。 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。 机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根 据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个 5 工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在 20世纪 70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够 通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。 本毕业设计课题主要是为了掌握和了解轮式移动 机器人的基本结构和运动控制系统的能力，基本能实现前进、后退、 360范围转动的运动 ,也可以为机器人的运动和控制提供一个很好的研究平台。本文所讨论机器人系统运动学模型近似于汽车，因此称为轮式机器人，它的组态由机器人在工作环境中的位态确定。 它作为一种小型轮式移动机器人，是一种非线性控制系统。为了能发挥将来加载作为主要在室内工作的机器人长度不宜超过 1000度要控制在机器人平衡稳排列方式应尽量减小纵向尺寸，使车体紧凑。内置于其中的电路板和电池的尺寸也要受到限制。设计电路是要尽量选用功能大、集成度高的芯片，而电池要选用体积小并且耐用的型号。因此，本课题控制器设计选用 且减少外围逻辑电路，使板面布局紧凑。 车体系统的运动性能是影响系统性能，决定机器人性能达标的重要因素。因此，在软硬件选型时，满足快速性、准确性要求是考虑的第一要素之一。要求机构能够具有更大的灵活性与柔性，能够具有更大的跨越障碍的能力。最好采用减震设计，它有利于保护机器人各组 成部件，特别是电器元件。 相对于工业环境来讲，我们设计的机器人所处的环境所受的强磁干扰要小得多，但是要达到系统运作实时、准确，某些干扰就显得较为明显 : 首先，机器人体积很小，电机及其驱动系统，处理器系统，无线模块同处于很小的空间，这几部分之间的相互干扰，特别是电机及其驱动系统对处理器的干扰，无线 6 模块对处理器的干扰以及无线通讯所特有的噪声干扰都不容忽视。本课题中，分别采用了硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。其次，机器人工作环境周围的电器将对其产生影响。 7 2 机构的驱动方案设计 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。 （ 1）履带式 履带最早出现在坦克和装甲车上，后来出现在某些地面行驶的机器人上，它具有良好的稳定性能、越障性能和较长的使用寿命，适合在崎岖的地面上行驶，但是当地面环境恶劣时，履带很快会被磨损甚至磨断，沉重的履带和繁多的驱动轮使得整体机构笨重不堪，消耗的功率也相对较大。此外，履带式机构复杂，运动分析及自主控制设计十分困难。 履带地面移动机器人是一种通用机器人平台，根据用途的不同，可以在机器人上加装不同的功能模块和传感器，以完成复杂环境下的救援、侦查、排爆、扫雷、伤员撤离等任务。加装了遥控控制电路、主云台摄像头、多个从摄像头、 机器人可以在人远程遥控下运动和作业。 图 1 四段履带机器人 8 图 2 六段履带机器人 （ 2）腿式 第一，腿式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡 坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。而腿式机器人运动时只需要离散的点接触地面，对这种地形的适应性较强，正因为如此，腿式机器人对环境的破坏程度也较小。 第二，腿式机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置，因此不易翻倒，稳定性更高。 第三，腿式机器人的身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于，机器人的身体可以平稳地运动而不必考虑地面的粗糙程 度和腿的放置位置。当机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，就可以达到对对象进行操作的目的了。 当然，腿式机器人也存在一些不足之处。比如，为使腿部协调而稳定运动，从机械结构设计到控制系统算法都比较复杂；相比自然界的节肢动物，仿生腿式机器人的机动性还有很大差距。 腿式机构具有出色的越野能力，曾经得到机器人专家的广泛重视，取得了较大的成果。根据腿的数量分类，有三腿、四腿、五腿和六腿等各种行驶结构。这里我们简单介绍一种典型的六腿机构。 一般六腿机构都采 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。行走原理为 :静止时，由六条腿支撑机器人整体。需要移动时，其中三条腿抬起成为自由腿 (腿的端点构成三角形 )，机器人的重心便落 9 在三条支撑腿上，然后自由腿向前移动，移动的距离和方位由计算机规划，但必须保证着地时自由腿的端点构成三角形。最后支撑腿向前移动，重心逐渐由支撑腿过渡到自由腿，这时自由腿变成支撑腿，支撑腿变成自由腿，从而完成一个行走周期。 腿式机器人特别是六腿机器人，具有较强的越野能力，但结构比较复杂，而且行走速度较慢。 图 3 三腿机器人 图 4 四腿机器人 （ 3）轮式 轮式机器人具有运动速度快的优点，只是越野性能不太强。适于室内、硬路面等平整地面，特别不适合松软或崎岖地面。按照车轮数目虽然不能对轮式移动机器人进行严格的归类 , 但是不同的车轮数目依然决定了不同的控制方式 , 例如滚动机器人和四轮移动机器人显然在控制原理上是不同的。回顾轮式移动机器人研究已取得的主要成果 , 按车轮数目对地面移动机器人进行了归类分析 , 对单轮滚动机器人、两 轮移动机器人、三轮、四轮、六轮及八轮移动机器人、复合式 (带有车轮 )移动机器人进行了分析和总结。 图 6 单轮滚动机器人 图 7 两轮移动机器人 10 图 8 三轮移动机器人 图 9 四轮移动机器人 图 10 六轮移动机器人 图 11 八轮移动机器人 现在的许多轮式己经不同于传统的轮式结构，随着各种各样的车轮底盘的出现，实现了轮式与腿式结构相结合，具有与腿式结构相媲美的越障能力。如今人们对机器人机构研究的重心也随之转移到轮腿结合式机构上来了。 图 13 轮腿式机器人 美国的 本的 是四轮机器人。四轮机构的机器人优点在于车轮数少，结构相对简单，便于控制，但其缺点是车体的抗振动性能较差，抗倾覆能力也差，同时承载能力有限，载荷容易分布不均，出现偏重现象。 另外，若采用四轮结构，一般都需要设置弹簧和阻尼器等隔振设施，无形中增加 了结构的复杂程度，同时也降低了车辆结构的可靠性，缩小了机器人的使用范围。 从目前公开的资料来看，五轮车的研究较少 ，仅有日本宇航科学研究所 究的 上海交大 11 研究的五轮铰接式机器人。 器人是一种左右车身分体式结构，行走机 构名为 构。在传统的四轮结构基础上，它在左右车身之间增加了一个 连杆和一个车轮，来帮助其余四个车轮越障。所以，这种结构越障能力较强。 六轮机器人结构简单，便于实现控制，质最也轻，越障能力虽不好，可以为车载仪器提供一个稳定的平台。不过，它也存在一 定的缺点，就是越障能力不如四轮机构。 八轮车的优点是驱动力强，承载能力较强，载荷分布也较平均，有利于车体稳定。但其结构复杂，质量增加，越障能力和转向功能则明显不如四轮和六轮结构，因此，在国内外公开的资料中，这种结构并没有得到则真正的应用，仅仅停留在试验阶段。 通常轮式移动机器人按其轮子具有的运动自由度 舵性自由度 定义移动机器人的移动能力。 由此可将轮式移动机器人的结构划分为五种类型， 表示为 (式，即 (3, 0), (2, 0), (2, 1), (1, 1)与 (1, 2)类型。其中只具有两个运动自由度的 (2, 0) 系统为目前普遍的研究对象，因为其结构相对简单，比较容易实现。 在设计移动机器人时也应遵循以下机构设计原则 : 1、总体结构应容易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理。 2、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。 3、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。 通过对以上方 式的比较，我们选用轮子方式做为机器人运动方式，它符合我 们的设计要求：适应室内活动环境，需要动力较小，能量消耗少，结构实现简单可靠。 式机器人驱动方案设计 轮式机器人的机械结构如图 2 图 2轮驱动，前轮转向结构 12 根据设计需要和实现的难易程度选择了图 2的驱动方案机器人，称之为后轮驱动轮型机器人，它是一种典型的非完整约束的轮式移动机器人模型。后轮为驱动轮，方向不变，提供前进驱动力，两轮驱动速度相同；前轮为转向轮，称为舵轮，通过转向系统同步控制两轮转向，使机器 人按照要求的方向移动。 轮式移动机构又主要分三个轮、四个轮、三轮支撑理论上是稳定的，然而这种装置很容易在施加到单独轮的左右两侧力 F 作用下翻倒，因此对负载有一定限制。为提高稳定性和承载能力，决定选用四轮机构，后轮为两驱动轮，两个转向轮为前轮，具体结构模型见 2种结构能实现运动规划、稳定以及跟踪等控制任务，可适应复杂的地形，承载能力强，但是轨迹规划及控制相对复杂。 图 2车整体结构 式机器人驱动轮的组成 1） 后轮驱动装置机械结构模型图如图 2 图 2轮驱动装置机械结构模型 13 后轮驱动装置机械传动结构如图 2 图 2动轮机械传动示意图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 轮胎 根据上面所确定的方案，轮式机器人后轮驱动装置由驱动电机，减速装置和车轮及轮毂组成。 式机器人转向轮的组成 转向轮起支撑和转向作用，不产生驱动力矩 ，在小车转向时它可以以一定角度转动。主要机械组成结构如图 2 图 2向装置模型图 轮式机器人前轮驱动装置由以下几部分构成：驱动电机，蓄电池和充电部分，转向传动机构和前减震机构，前车体和电池箱及轮胎和轮毂五部分，如下图 2 14 图 2向装置结构图 1 2 3 4 5 6 步进电机 7 8 9 10 前轮毂 11 12 电 13 14 15 变速箱 机的选择 目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机，对它们的特性、工作原理与控制方式有分类介绍，下面总结如表 2 表 2同电机的特性、工作原理与控制方式 电机类型 主要特点 构造与工作原理 控制方式 直流伺服电机 接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大、体积小、重量轻，转速和转矩容易控制、效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短、噪声大。 由永 磁体定子、线圈转子、电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。 转动控制采用电压控制方式 ,两者成正比。转矩控制采用电流控制方式 ,两者也成正比。 15 一般机器人用电机的基本性能要求 : 1. 启动、停止和反向均能连续有效的进行 , 2. 正转反转时的特性相同 ,且运行特性稳定； 3. 良好的抗干扰能力 ,对输出来 说 , 4. 维修容易，不用保养。 1）、 驱动轮为两后轮，要求控制性好且精度高，能耗要低，输出转矩大，有一定过载能力，而且稳定性好。通过比较以上电机的特性、工作原理、控制方式以及移动机器人的移动性能要求、自身重量、传动机构特点等因素，所以我们决定选用直流电机作为驱动电机。 直流电动机以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优异的动态特性，一直占据着调速控制的统治地位。虽然近年不断受到其他电动机 (如交流变频电动机、步进电动机等 )的挑战，但直流 电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选择，在生产、生活中有着广泛的应用。 机器人小车的受力简图如图 2 机器人所需的牵引力： f + ； 器人移动需要的牵引力 交流伺服电机 没有电刷和换向器，无需维护；驱动电路复杂，价格高。 按结构分为同步和异步电电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。 分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机常采用电压控制。 步进电机 直接用数字信号控制，与计算机接口简单，没 有电刷，维护方便，寿命长。缺点是能量转换效率低，易失步，过载能力弱。 按产生转矩的方式可以分为 :永磁式，反应式和混合式。混合式能产生较大转矩，连续转动。 永磁式是单向励磁，精度高，但易失步，反应式；是双向励磁，输出转矩大，转子过冲小，但效率低；混合式是单分辨率高 ,运转平稳。 16 Fw= ； 身重力而产生的阻力 Ff= ； 器人移动所受摩擦力 图 2器人小车的受力简图 则有： Fa=+ ； 则机器人 在水平面上运动的功率为： P=V=动装置的总功率： = G B 按照文献 14中表 轮传动效率： G=动轴承： B=入得到： = 需直流电机的最小功率： P= =过以上的比较和计算 ,我们决定选用广东德昌微电机公司生产的 直流电动机其外观如图 2术 参数如表 2 图 2动机其外观如图 17 表 2流电机技术参数表 空载 最大功率下 制动 型号 额定电压 转速 电流 转速 电流 力矩 功率 力矩 功率 r/ r/ g g 2v 100 300 29 650 ）、 转向轮的电机通过对表 2作原理与控制方式的分析比较，为了满足转向系统转动精度 高，控制性能强，并且控制简单容易实现的特点决定选用步进电机作为转向机构驱动电机。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移 (或线位移 )的机电元件。对这种电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步；脉冲数增加，角位移 (或线位移 )就随之增加，脉冲频率高。则步进电机旋转速度就高，反之就低；分配脉冲的相序改变后，步进电机的转向则随之而变。步进电机的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进形式的运动，故也称其为步进电动机。 步进电机的主要指标有： 相数 :产生不同对极 N, 的激磁线圈对数。常用 拍数 :完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 指电机转过一个齿距角所需脉冲数：以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 拍运行方式即 步距角 :对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。 =360度 (转子齿数 J*运行拍数 )，以常规二、四相，转子齿为 50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360 /(50 4)=(俗称整步 )，八拍运行时步距角为 =360 /(50 8)=俗称半步 )。 定位转矩 :电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩 (由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的 )。 静转矩 :电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积 (几何尺寸 )的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 18 步距角精度 :步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示 :误差 /步距角 100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 失步 :电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。 失调角 :转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 最大空载起动频率 :电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 最大空载的运行频率 :电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 运行矩频特性 :电机在某 种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。 步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有 : 1. 步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。 2. 位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。 3. 可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简 单廉价。 4. 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 5. 控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式会丢步。 6. 停止时有自锁能力。 7. 步距角选择范围大，可在几角分至 180大范围内选择。在小情况下，通常可以在超低速下高转距稳定的运行。 通过比较各种指标和参数后，决定选用常州丰源公司生产的 35进电机步进电机，自带 25:1的减速器。参数如表 2 19 表 2进电机参数 步距角 ， 相数 电压 电流 电阻 减速比 空载运行频率 F,载启动频率F,动转矩T,(锁定转矩T,(5 4 12 255 47 1/25 550 680 750 1400 速机构的设计 直流电机输出转速较高，一般不能直接接到车轮轴上，需要减速机构来降速，同时也提高了转距。减速装置的形式多种多样，选择一种合适的减速装置对机器人的性能有着相当重要的作用。 齿轮传动：工作可靠，使用寿命长；易于维护；瞬时传动比为常数；传动 效率高；结构紧凑；功率和速度使用范围很广。缺点：制造复杂成本高；不宜用于轴间距的传动。 结合本设计中机器人的要求，输出转矩大传动效率高噪音小等条件，我们采用两级齿轮传动，减速比为 15:1。电机轴直接作为输入轴安装主动齿轮，不是用联轴器，既提高了精度又减轻了重量。轮毂和齿轮 3安装在同一根轴上，他们转速相同。齿轮类型为渐开线直齿齿轮，联轴器相联齿轮与车轮装在同一个轴上，它们的转速相同。 齿轮参数如下 : ， m=3,0， 00， 0mm ， m=3,0， 00， 50轮传动的计算 齿面接触疲劳强度计算 转矩 1000000 800= 齿数 d 由文献 8表 d=触疲劳极限 H 20 由文献 7表 25 25 5 5 由文献 7取 0 初步计算小齿轮直径 113 2 = 5步齿宽 b b= d 25=15 变速箱体、前车体及电池箱 变速箱体要求在保证足够刚度的条件下，应尽量减轻车架的重量，以提高有效承载重量。其次，变速箱体应保证其它元件安装上以后，能达到平衡、对称和同轴。材料为 度为 6承盒集成在箱体上，降低了制造难度。变速箱实物参考图如图 2 图 2速器实物参考图 前车体是转向机构零件的载体，其结 构复杂，要求精度也高 (特别是转向节安放孔和电机支撑座等，要求同轴度和垂直度高，因此为了提高装配精度，车体盖和车体配 21 合的螺栓孔采用了卯榫式设计，保证了装配的精度）。 为简化制造工序，提高车体的紧凑程度和牢固程度，将电池盒设计到前车体后部，并且尽量降低电池盒与地面间距，以降低机器人的重心高度。 为了保证运行时电池在和内的牢靠程度和降低噪声，电池盒盖内侧附贴一薄层海绵。 控制电路容易受到电动机和驱动电路的影响 ,因此我们将控制电路板与驱动板并列排列见图 2脚的布局方式见图 2 图 2制电路板与驱动板并列 图 2车体实物模型图 减震及前减震机构 为保护系统结构免受震动的损伤，和提高跃障能力，在变速箱与后车体间加一减震弹簧。它不但能缓冲震动，而且当机器人遇到低于 100幛碍物，或者高低不平的路面时不至于被架空，其结构模型如图 2 22 图 2减震结构模型图 为保护系统结构免受震动的损伤，提高机器人在不平地面上的行走能力，在每个转向节轴上加装减震弹簧。它不但能缓冲震动，而且防止在特殊情况下机器人被架空 。它与后减震配合工作效果更加明显，工作原理与后减震类似。 轮及轮毂 本设计中可选用机器人的运动方式为轮子方式，轮子方式可以提供多种排列方式，从而满足不同情况需要，而且转向容易，可以实现运动的精确控制，机构实现简单。所以我们考虑到所设计机器人的工作环境和控制要求，我们选用了四轮方式。 选择车轮需要考虑多种因素：有机器人的尺寸、重量、地形状况、电机功率等。车重加负载重量为 2以用质地坚硬且易于加工的聚苯乙烯作轮毂，采用不充气的中空橡胶轮胎，其优点在于不仅重量小 而且橡胶与地面的附着系数大，保证了足够的驱动能力，轮胎及轮毂 图 2胎及轮毂 其机构如图 2中轮胎直径 d=300车轮转一圈移动的为： S= d=轮最大转速为： w1=w/i=5300/15=机转速 /转动比 ) 23 则机器人的最大线速度为： V=s s 机器人小车的受力简图如图 2器人所需的牵引力 f + Fw=； Ff=； 力而产生的阻力 则有： Fa= 则机器人在水平面上的功率为： P=V=3 其最大加速度为： a=Fa/m=3 =s 前轮轮胎采用和后轮相同的结构和材料，轮毂的轴孔与轴相对滑动，所以要求较后轮精度高机 ,转向节 图 2向节实物示意图如图 24 综上所述，得到轮式机器人的技术参数如表 2 2式机器人的技术参数 自由度数 2 电源 直流电源 运动方式 轮式 驱动方式 后轮驱动，前轮转向 后轮驱动电机 直流电机 减速机构形式 齿轮传动 前轮驱动电机 步进电机 控制方式 25 3 传动机构、执行机构的设计及受力分析 动机构 在本课题中我们为了得到稳定和承载能力强的系统结构，采用了两后置驱动轮，转向轮不作为驱动轮，只提供支撑和转向作用。结构形式模仿普通机动车的一些结构，步进电机变速箱输出轴连接拨叉，拨叉拨动左右转向节连杆来实现转向。为了消除传动间隙和电机反转死区，我们在机构中加装了，两个拉紧杆和一条拉紧弹簧，很大程度上消除了误差。转向传动机构受力简图如图 3 图 3向传动机构受力简图 行机构设计 执行机构是移动机器人完成各种所需运动的机械部件。 传统的机器人关节多由电机或液 (气 )压缸等来驱动。以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，实现关节的柔顺运动较困难。而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时，容易造成人身和环境的伤害。因此，在许多服务机器人或康复机器人研
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