毕业设计（论文）-Roombot机器人设计和仿真.doc

第一章 绪论1.1 课题的研究背景和意义随着机器人技术的不断进步，人们对机器人的工作能力和应用领域有了更高的期许，希望机器人能够代替人类去到诸如核电站检修、救灾搜索、深海勘探以及空间探测等更加复杂、更加危险的环境中完成工作，如图1所示。图1 机器人应用这些工作环境的有一个显著的共同特质就是不可预知性，它们或地形复杂，或危机遍布，所需要的是一种能适应于各种不可知情况随机应变的机器人。一种设计的思路便是模块化机器人系统。所谓模块化机器人系统即是指将很多具有相似结构的模块化机器人有机地整合成一个整体，整体通过各模块机器人的协同进行工作，因此也就具备了单个模块机器人所没有的功能，且整体随整合方式的不同而可以呈现不同的系统构型，这一特质赋予整体适应不同工作环境的能力，模块机器人系统可以根据工作环境而变化出优化的构型，而不再是以一个固定的结构去生硬地完成所有任务，系统的柔性大大改善。当系统中某个模块发生故障时，由于模块之间的相似性可以实现互相的替换，故工作任务不会因而中断，系统可靠性得到增强。因此可见，模块化的多机器人系统在解决高未知性的复杂任务时有着很多的优势和良好的应用前景，该领域也成为近二十年来机器人技术中新的研究热点。本文所探讨的自重构模块机器人便是该领域的最新研究方向之一。1.1 自重构模块化机器人简介自重构模块机器人是近二十年来提出的一个比较新颖的概念，对这一类机器人系统的研究正在逐渐升温成为热点，引起了科研人员的广泛关注，如图2所示。自重构模块机器人具有良好的系统柔性和环境适应性，因此在地震救援、战场侦察等机器人必须面对复杂多变环境挑战的领域内有着广泛的应用空间。自重构机模块器人是由一些具有简单功能的标准模块构成的，其中每一个模图2 自重构机器人模块块就是一个自治的机械电子单元，它具有独立的运动、计算和通讯能力。大量功能相同、具有一定感知能力的模块连接组合，就构成了自重构模块机器人，该机器人最突出的特点是能够无需外界的帮助，通过模块之间的主动连接或分离改变系统拓扑结构，以适应复杂的非结构性环境。1.2 自重构模块化机器人的特点模块化的思想可以简化设计、降低制造成本，并可以增强机器人系统的功能多样性和鲁棒性。因此，与传统机器人相比，自重构模块机器人具有以下特性：图3 模块化机器人系统在空间应用的举例(1) 自重构功能：机器人能够根据环境和任务选择合理的构型，自主控制模块重构到目标构型以适应环境和任务需求，因此特别适用于未知的、不确定的和非结构化的环境；(2) 自修复功能：由于自重构机器人由许多标准模块组成，当其中某一模块发生故障时，可以通过重构功能利用功能相同的模块替换失效模块，从而保证任务继续执行；(3) 功能可扩展性：由于组成机器人的各模块间具有相同的机械、电气接口，因此可以通过增减不同功能模块扩展机器人的构型和功能；(4) 良好的经济性：由于组成机器人的模块结构简单、功能单一，尤其适合批量化生产，可以大大降低单个模块的制造成本。以上特点决定了一个非常适合自重构模块机器人的应用场景空间应用，如果模块出现损坏或者故障，它可以通过自修复特性，用备用模块去替换损坏模块，以此来保持整体结构和功能的完整性，这将大大提高系统的可靠性和使用寿命。相对于发送航天员到太空中进行人工修复传统的做法，这项应用有着不可比拟的优势。此外，自重构模块机器人系统可以压缩成紧凑结构以便于发送到空间，且同一自重构模块机器人系统能执行多种不同的任务，从这个角度出发，在空间采用自重构模块机器人还可以大大减少发射成本，如图3所示。1.3 自重构模块化机器人的定义与分类Yim在其文章中对自重构机器人定义如下：自重构机器人由许多标准模块组成，依靠模块上的传感器感知周围环境信息，利用模块间的可连接性和互换性通过模块间的相互运动、连接/分离改变构型，扩展功能和运动形式。对于自重构机器人存在多种分类方式，根据组成机器人的模块构型和功能是否相同，可分为均一性(homogeneous)和非均一性(heterogeneous)两类：均一性系统是指组成机器人的模块结构和功能完全相同；非均一性系统是指组成机器人的模块存在多种结构或功能不同的模块，各类模块在机器人重构、运动和执行任务时发挥不同的作用。根据自重构机器人模块连接的拓扑结构，可以将其分为阵列式，串联式和混合式三类：阵列式机器人模块的连接是以规则的网格结构为参照，类似于晶体中原子之间的方位关系；串联式机器人模块以串联方式相互连接，构成不同的树状结构，其中可能包含闭环结构；混合式自重构机器人兼具阵列式和串联式的特点。1.4 国内外自重构模块化机器人研究现状目前，国内外对于自重构机器人的研究主要体现在三个方面：自重构机器人模块设计，自重构机器人重构算法研究和自重构机器人的整体协调运动规划研究。本毕业设计主要为关于可重构模块化机器人模块设计，所以以下对于国内外的自重构机器人重构模块进行介绍。I-Cube是卡内基梅隆大学 Unsal 等人于 1999 年研制的，由一个三自由度的连接臂和一个立方体组成。每个立方体上具有 5 个连接面，连接臂的末端配有连接机构，可以实现与相邻模块的连接/断开，连接臂负责相邻模块的运动以实现系统的运动和重构。Telcube是美国施乐帕克研究中心(PARC)的 Suh 等人于 2002 年研制的。模块可以实现空间三个方向上的缩放，通过模块的收缩实现运动和重构，6 个连接面均采用形状记忆合金驱动的永磁铁实现模块之间的连接和断开。Molecubes4是康奈尔大学 Lipson 等于 2003 年开始研制的正立方体模块，如图 4所示，正方体被斜向分为两半，中间有一个转动自由度连接，每个半块均具有三个连接面，模块采用电磁式连接机构。图4 康奈尔大学研制的Molecubes模块化可重构机器人Roombots是瑞士洛桑理工学院(EPFL)的 Billard 等人于 2008 年研制的，相当于将两个 Molecubes 模块连接一体作为一个单元模块，并在中间增加了一个转动自由度，实现了相邻模块可绕两个模块几何中心连线转动功能，图5所示。图5 瑞士洛桑理工学院研制的Roombots在国内，上海交通大学费燕琼等于 2005 年研制出模块化自重构机器人 M-Cube，如图6所示，该模块类似于3D Unit 系统，每个模块具有 12 个自由度，有 6 个连接面的转动自由度和 6 个连接机构的驱动自由度，所有自由度由一个电机驱动，通过同步带、伞齿轮和电磁离合器实现独立控制。模块采用雌雄同体的销孔式连接机构，如图1.4 所示，当一个模块的销子插入相邻模块的孔后，中间滑块推出从而将侧壁的滚珠顶出实现锁紧。图6 上海交通大学研制的M-CubeYaMor是瑞士洛桑理工大学(EPFL) Moeckel 等于 2004 年研制的单自由度模块，模块间采用蓝牙通讯，该系统的研制主要是为了研究自适应运动，图7为 YaMor 的新、旧两种模块和由模块所组成的四种不同构型。图7 YaMor模块及不同构型Polybot是 Yim 在斯坦福大学攻读博士学位时研制的，如图8 所示，模块具有两个自由度，分别由两个平行四连杆驱动改变整个模块四边形两个侧边的长度来实现模块的变形和运动，该模块为手动自重构系统，通过人工搭建不同的构型。 Polybot系列是 Yim 于1994 年到美国施乐帕克研究中心(PARC) 工作后开始研制的，先后经历了三代五种模块。模块为单转动自由度结构，每个模块具有两个连接面，第一代还不具有自重构能力，为手动实现模块的连接；在第二代增加了连接机构，可以实现模块间的自动连接和断开；第三代是第二代的改进版，使其结构更加紧凑。第二、三代模块采用的锥孔式连接机构，通过记忆合金丝驱动连接机构内侧的转板卡旋入锥销上的环槽内以实现连接，反之断开。图8 Polypod和Polybot模块CONRO是南加利福尼亚大学沈为民等人于 2000 年研制的长方体单元模块，每个模块具有两个相互垂直的转动自由度，模块有首尾之分，头部有一个孔式连接面，尾部有 3 个销式连接面，模块首尾相连可以组成多种构型，如图 1.8所示。CONRO 采用销孔式连接机构，连接插销在形状记忆合金的驱动下卡入/退出锥销环槽以实现两个连接面的连接/分离。图9 CONRO模块及不同构型M-TRAN由日本产业技术总合研究所(AIST)Murata 等于 2000 年开始研制的第一款混合式自重构机器人，先后研制了 MTRAN I、II、III 三代模块，模块由两个 U 形块和中间一个连杆组成，每个 U 形块和连杆组成一个转动自由度，可以实现90转动，模块具有六个连接面，分三个主动连接面和三个被动连接面，模块可以重构成适应不同地形的多种构型，如图10所示。图10 M-TRAN模块及不同构型SuperBot11是南加利福尼亚大学沈为民等在 NASA 的支持下于 2004 年研制的一种新型混合式自重构机器人，模块采用与 M-TRAN 相似的长方体外形结构，将 M-TRAN 的连杆从中间分开增加了一个回转自由度，通过三个转动自由度的复合运动，相当于在两个 U 形半块间形成了一个球面运动副，大大提高了模块运动的灵活度，由多个模块可以组成不同构型，图11所示，目前模块采用手动连接，连接机构处于研制中。图11 SuperBot模块及不同构型在国内，哈工大赵杰等于 2002 年开始了自重构机器人相关技术研究，并先后研制出 HITMSR I、HITMSR II 12,13系统，可以组成多种运动构型，如图12所示，HITMSR I 采用基于形状记忆合金驱动的内平衡磁铁连接机构，HITMSR II 采用微型电机通过传动绳驱动的旋转钩式连接机构。图12 HITMSR模块及不同构型还有哈尔滨工业大学赵杰，唐术锋等人研制的Ubot模块化机器人，如图13所示，Ubot的原理是基于万向式关节设计机器人模块，模块块采用正立方体几何外形，由两个 L 形构件与中间一个直角轴连接而成，具有两个垂直相交于模块几何中心的转动自由度和四个连接面，单个自由度最大运动范围为-90+90。图13 UBot模块及其构型Sambot是北京航空航天大学魏宏星等人与2010年研制出的模块化机器人，如图14所示，首先该模块同其他模块化机器人一样，具有模块化机器人的普遍优点，重要的是该机器人的单个模块还可做独立的平面运动，可以完成模块之间的对接及分离。图14 Sambot模块及不同构型iMobot17是UC Davis大学程辉教授研制出的机器人模块，如图15所示，模块为长方体外形，每个模块具有4个自由度，单个模块运动灵活，构型多样，运动方式种类也很丰富。该设计中创新的方轮设计可以实现特别的轮式运动，很大程度上的增加了模块的灵活度。图15 iMobot模块及其构型1.5 自重构模块化机器人的主要研究问题自重构模块机器人系统是机械设计、计算机、自动控制、传感器、人工智能等诸多技术的交叉领域，与其相关的研究问题非常广泛地代表了机器人研究发展的新方向。虽然针对不同的模块结构形式，其相应的软硬件实现方式不尽相同，研究内容的侧重点也有所出入，但是总体而言，自重构模块机器人的主要研究问题可以归纳为两个方面：（1）自重构模块机器人的硬件实现技术；（2）自重构机器人整体系统的变形策略和规划理论的研究。这两个方面的研究内容相辅相成，它们包含了以下一些具体的问题：（1）通用模块的设计：包括模块的结构和形状的选择和设计。模块的运动、感知和计算能力决定了系统整体的操作和运动的能力，模块的动作方式是变形规划算法设计的依据之一，模块的形状和结构也与整体拓扑结构相关。（2）模块间的定位、对接和分离：对接和分离是自重构的基本操作，离散的机器人模块对接前的精确定位比较困难，对接过程本身是一个不断调整模块位置的自适应闭环控制的过程。对接的困难影响了整个系统的重构速度，对接问题又包括模块的通信、定位、接合、锁定等具体实现问题。（3）模块之间的通信：通信是模块获取信息的手段 模块之间可以通过全局通信和局部通信两种方式交流信息。（4）自重构机器人的运动规划：包括静态结构之间变形的规划算法和动态运动的规划算法。由于毕业设计的时间有限，本设计仅讨论模块化机器人的硬件实现技术的研究，包括模块的设计，连接设计及简单的运动和重构控制。1.6 本文主要研究内容本论文结合创新性实验项目，综合分析了国内外在该领域的研究现状， 着手目前模块化机器人领域的主要研究问题热点之一通用模块的设计，希望可以设计并制造出一种创新的模块化机器人通用模块，来更大范围的发挥模块化机器人的优势，文中分以下部分进行研究：第一章对可重构模块化机器人做一个系统的介绍，举例目前国内外已有的研究成果，指出目前模块化机器人的主要研究方向。第二章创新的提出了一种新型的模块化机器人Roombot模块化机器人。文中详细的介绍了Roombot的设计思路及制造过程。对Roombot的机械结构设计进行详细的阐述。同时对Roombot实物样机的制造加工进行介绍。第三章则对Roombot单个模块的功能进行分析与仿真，建立机器人的动力学模型。利用RecurDyn对Roombot模块的优势进行分析，展示出Roombot模块单元的创新功能。第四章主要研究Roombot组成的模块化机器人重构系统。主要对双模块重构的移动机器人构型进行一一分析，最后还对多模块的重构组合进行展示。第二章 Roombot机器人零部件参数设计与校核1 电机的选型和参数计算1.1 选择电动机类型参照文献和机械设计手册，按照Roombot的工作要求和条件，选用Y系列笼型三相异步电动机。1.2 确定电动机功率根据工作要求，为了保证具有一定的安全裕度，行星齿轮传动机构末端输出扭矩为T=10Nm，转速n=140r/min。工作机所需要的功率Pw=式中，取。电动机的输出功率P0：=其中一级行星齿轮传动效率，二级行星齿轮传动效率，齿轮箱外一级圆柱齿轮传动效率，齿轮箱外二级圆柱齿轮传动效率，滚动轴承传动效率，在本设计方案中采用两级行星齿轮传动，两级圆柱齿轮传动，一对滚动轴承，所以：得：。选取电动机的额定功率，使，查手册得电动机的额定功率为：。1.3 确定电动机的转速滚筒的转速为：参考文献以及齿轮的传动性能，取两级级行星齿轮传动比，双级直齿圆柱齿轮传动比，总传动比为：电动机可选择的转速为：所以电动机选择为： Y160M1-2； 满载时的转速为：3000 r/min。2 计算传动装置的总传动比并分配各级传动比2.1 传动装置的总传动比该Roombot机构对速度要求不高，因此，可以选择较大的传动比。2.2 分配各级传动比由式，取一级和二级星型齿轮传动比，齿轮箱外侧一级圆柱齿轮传动比为，齿轮箱外侧二级圆柱齿轮传动比为。3 齿轮的参数选择3.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1、根据机器人的总体设计方案要求，齿轮传动机构中选用直齿圆柱齿轮。2、机器人机构为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。3、材料选择。查表选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。4、选小齿轮齿数为z1=20，齿数比u=4.9，大齿轮齿数z2=4.924=983.2 按齿面接触强度设计有设计计算公式进行试算，即(1)确定公式内的各计算数值1)试选载荷系数Kt=1.2。2)根据工作输出功率P1(设为1.5kw)、效率(设为98%)和转速n1(设为156.67r/min)，计算小齿轮传递的转矩：3)查表选取齿宽系数。 4)查表得材料的弹性影响系数。5) 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。6)由公式计算应力循环次数。n为齿轮转速（单位为r/min）；j为齿轮每转一周时，同一齿面啮合次数；为齿轮的工作寿命（单位为h）。7)取接触疲劳寿命系数；。8)计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式得，(2) 计算1) 试算小齿轮分度圆直径d1t，代入中较小的值。s 2)计算圆周速率v。3) 计算齿高b 。4）计算齿宽与齿高之比b/h。模数 齿高 5) 计算载荷系数。根据，7级精度，可查得动载系数kv=1.05；直齿轮，；由表查得使用系数KA=1；由表用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承对称布置时，；由，查图得；故载荷系数：6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式得7）计算模数m 。3.3 按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公