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轮式移动机器人的结构设计
38页-18000字数+说明书+开题报告+任务书+4张CAD图纸
任务书.doc
原创性说明.doc
封面及摘要.doc
开题报告封面.doc
转向轮.dwg
轮式移动机器人的结构设计开题报告.doc
轮式移动机器人的结构设计说明书.doc
轮式移动机器人装配图.dwg
零件图手爪.dwg
驱动部分.dwg
目 录
1 前言（2）
2 机构的驱动方案设计（5）
2.1 机器人运动方式的选择（5）
2.2 轮式机器人驱动方案设计（9）
2.2.1轮式机器人驱动轮组成（10）
2.2.2轮式机器人转向轮组成（11）
2.2.3电机选择（12）
2.2.4减速机构的设计（17）
2.2.5变速箱体、前车体及电池箱（18）
2.2.6后减震及前减震机构（19）
2.2.7车轮和轮毂（20）
3 传动机构、执行机构的设计及受力分析（23）
3.1 传动机构的设计（23）
3.2 执行机构的设计（24）
3.3 机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）
4.1 轮式式机器人的运动学建模（26）
4.2 阿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）
5.1 控制系统硬件设计（32）
5.2 控制系统软件设计（34）
5.2.2上位机控制系统软件设计（34）
5.2.3下位机控制系统软件设计（34）
6 结论（36）
参考文献（37）
致谢（38）
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到这种机器人上的功能因而对小车性能作了要求。
作为主要在室内工作的机器人长度不宜超过1000mm高度要控制在机器人平衡稳定运作的范围内。因此，车体在保证稳定的情况下做的尽量小各部件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STC89LE52单片机来实现控制电路的架构，并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。
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南昌航空大学科技学院学士学位论文 目 录 1 前言（2）2 机构的驱动方案设计（5）2.1 机器人运动方式的选择（5） 2.2 轮式机器人驱动方案设计（9） 2.2.1轮式机器人驱动轮组成（10） 2.2.2轮式机器人转向轮组成（11） 2.2.3电机选择（12） 2.2.4减速机构的设计（17） 2.2.5变速箱体、前车体及电池箱（18） 2.2.6后减震及前减震机构（19） 2.2.7车轮和轮毂（20）3 传动机构、执行机构的设计及受力分析（23） 3.1 传动机构的设计（23） 3.2 执行机构的设计（24） 3.3 机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） 4.1 轮式式机器人的运动学建模（26） 4.2 阿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） 5.1 控制系统硬件设计（32） 5.2 控制系统软件设计（34） 5.2.2上位机控制系统软件设计（34） 5.2.3下位机控制系统软件设计（34）6 结论（36）参考文献（37）致谢（38）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，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到这种机器人上的功能因而对小车性能作了要求。 作为主要在室内工作的机器人长度不宜超过1000mm高度要控制在机器人平衡稳定运作的范围内。因此，车体在保证稳定的情况下做的尽量小各部件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STC89LE52单片机来实现控制电路的架构，并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。 2 机构的驱动方案设计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。（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、MTI微惯导单元和激光扫描测距传感器（LRF），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 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 Nomad，日本的Nissan rover，都是四轮机器人。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CISAS,Institute of Space and Astronautical Science)研究的Micro-5 和上海交大研究的五轮铰接式机器人。Micro-5 机器人是一种左右车身分体式结构，行走机构名为PEGASUS 结构。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 DOM(Degree of Mobility)和舵性自由度DOS (Degree of Steeribility)来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(DOM, DOS)形式，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。2.2 轮式机器人驱动方案设计 轮式机器人的机械结构如图2-1：图2-1 后轮驱动，前轮转向结构 根据设计需要和实现的难易程度选择了图2-1中的驱动方案机器人，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UG图2-2。这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2-2 小车整体结构UG模型图2.2.1 轮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2-3：图2-3 后轮驱动装置机械结构模型 后轮驱动装置机械传动结构如图2-4所示：图2-4 驱动轮机械传动示意图 1 变速箱底座 2 变速箱盖 3 轴承 4 齿轮 5 齿轮 6 齿轮 7 电动机 8 中间轴 9 轮毂 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。2.2.2 轮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2-5：图2-5 转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2-6所示：图2-6 转向装置结构图 1 前减震弹簧 2 转向连杆 3 拉杆 4 拉紧弹簧 5 拨叉 6 步进电机 7 前车体盖 8 转向节 9 前轮轴 10 前轮毂11 轮胎 12 电池盒盖 13 后减震弹簧14 连接轴 15 变速箱2.2.3 电机的选择 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2-1所示： 表2-1 不同电机的特性、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。 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-双向励磁,分辨率高,运转平稳。 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,具有良好的响应特性； 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,体积小、重量轻； 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。 所需电机的功率计算： 机器人小车的受力简图如图2-7所示： 机器人所需的牵引力：Fa=Ff + Fw ；Fa：机器人移动需要的牵引力Fw=mgsin ；Fw：自身重力而产生的阻力 Ff=umgcos ；Ff：机器人移动所受摩擦力 图2-7 机器人小车的受力简图则有：Fa=mgsin + umgcos ；U-摩擦系数-最大爬坡角度 则机器人在水平面上运动的功率为：P=FaV=0.153.09.81.5=6.61W传动装置的总功率：=GB 按照文献14中表2.1-1确定的各部分效率有：齿轮传动效率：G=0.97；滑动轴承：B=0.97 代入得到：=0.970.97=0.89 所需直流电机的最小功率：P=Pw/=6.61/0.89=6.82W通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SRC-555-3250型直流电动机其外观如图2-8所示，技术参数如表2-2。图2-8 电动机其外观如图表2-2 直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/minAr/minAgcmWgcmWSRC-555-325012vCONSTANT61000.2453001.4922912.416509.20 2）、 转向轮的电机通过对表2-1不同电机的特性、工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, S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或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AB-BC-CD-DA-AB,八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。 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/(504)=1.8(俗称整步)，八拍运行时步距角为=360/(508)=0.9(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。 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35BYHJ03减速步进电机步进电机，自带25:1的减速器。参数如表2-3所示: 表2-3 步进电机参数步距角 ， 相数电压电流电阻减速比空载运行频率F,pps空载启动频率F,pps启动转矩T,(g.cm)锁定转矩T,(g.cm)7.5/254 12 255 471/25 550 680 750 14002.2.4 减速机构的设计 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: 第一级减速：i1=3，m=3,z1=10，d1=30mm；z2=30，d2=90mm 第二级减速：i2=5，m=3,z3=10，d1=30mm；z4=50，d2=150mm 齿轮传动的计算 设计中第一级齿轮传动的齿轮强度计算： 齿面接触疲劳强度计算 转矩T1 T1=9.5510000000.0124/1800=65.8 齿数d 由文献8表12.13，取d=0.6 接触疲劳极限 Hilm初步计算的许用接触应力H 由文献7表1.7 H10.9Hilm1=0.925 H20.9Hilm2=0.925 Hilm1=25MPa Hilm2=25MPa Ad值 由文献7取Ad=30 初步计算小齿轮直径d1=21.8mm取d1=25mm 初步齿宽b b=dd1=0.625=15mm2.2.5 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ABS，厚度为6mm，轴承盒集成在箱体上，降低了制造难度。变速箱实物参考图如图2-9。 图2-9 变速器实物参考图 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2-10，支脚的布局方式见图2-11。图2-10 控制电路板与驱动板并列图2-11 前车体实物模型图 2.2.6 后减震及前减震机构 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100mm 的幛碍物，或者高低不平的路面时不至于被架空，其结构模型如图2-12所示：图2-12 后减震结构模型图 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。 2.2.7 车轮及轮毂 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2kg4.5kg,所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UG参考图如图2-13。图2-13 轮胎及轮毂UG模型图 其机构如图2-13，其中轮胎直径d=300mm,则车轮转一圈移动的为：S=d=3.140.3=0.942m 车轮最大转速为：w1=w/i=5300/15=353.3r/min(电机转速/转动比) 则机器人的最大线速度为：V=sw1=0.942353.3=332.8m/min=5.55m/s机器人小车的受力简图如图2-7机器人所需的牵引力Fa=Ff + Fw ；Fa-机器人移动所需的牵引力Fw=mgsin ； Ff-机器人移动所受摩擦力Ff=umgcos ；Fw-自身重 力而产生的阻力 则有：Fa=mgsin+umgcos；U-摩擦系数；-最大爬坡角度。则机器人在水平面上的功率为：P=FaV=0.1539.85.55=24.47w 其最大加速度为：a=Fa/m=0.1539.8/8=0.55m/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UG图如图2-14。图2-14 转向节实物示意图如图综上所述，得到轮式机器人的技术参数如表2-4所示：2-4 轮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STC89LE52单片机3 传动机构、执行机构的设计及受力分析3.1 传动机构 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3-1。 图3-1 转向传动机构受力简图 3.2 执行机构设计 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究中，确保机器人的关节具有一定的柔顺性提高到了一个很重要的地位。 人类关节具有目前机器人所不具备的优良特性，既可以实现较准确的位置控制又具有很好的柔顺性。这种特性主要是由关节所采用的对抗性肌肉驱动方式所决定的。目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应用。在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性，一般都采用具有类似生物肌肉特性的人工肌肉。 气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。近年来，机械手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环境内，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性，得到了越来越广泛的应用。 1）机械手的基本结构 本文所设计的机械手的结构如图3-2：1. 机架 2.气动肌肉 3.第一肩关节 4.第二肩关节 5.机架臂 6.第三肩关节 7.大臂 8.肘关节 9.小臂 10.腕关节 11.气爪图3-2 机械手的结构气动机械手主要由起固定支撑作用的机架、机械臂和气爪三部分组成。气动机械手能够实现4个自由度（由于机构运动确定，因此机构的自由度等于机构的原动件数目，此机构有4个原动件，因此可得有4个自由度）的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手的动作要求。驱动第一肩关节的运动有2根气动肌肉组成，机架臂有4根气动肌肉组成，大臂上安装有4根气动肌肉，小臂上安装有4根气动肌肉。3.3 机器人受力分析及如何保证加速度最优 本设计中轮型机器人采用四轮支撑，即两后轮（驱动轮）和两前轮（转向轮）。为了增加车轮和地面的滑动摩擦系数，每个车轮的轮胎材料均为橡胶。滑动轴承和轮毂采用了具有自润滑能力的塑料，摩擦力很小，可以忽略不计。采用这些结构，使小车具有一很好的运动性能。机器人小车受力如图3-3所示：图3-3 小车受力图 有如下关系: 滑动摩擦力： Fr=uNg 支撑反力:Ng=G-N G=mg 水平方向受力: Fr=F F=ma以上关系可推出加速度: a=u（mg-N）/m 从上式可以看出，由于小车质量m一定，若想增加加速度只有增加摩擦系数和减少支撑力N。由于轮型机器人活动场所在室内需要频繁的更换速度，只有加速度大一些时，才能满足机器人快速性、实时性要求。 在摩擦系数一定时，只有尽量减少支撑力N，加速度才能达到最大，这直接关系到小车重心的位置。小车的电池和后加负载是小车中比重较大者，在放置是应该尽量靠近后轮，这样支撑力N就会减小，加速度在启动时就能保持尽量大。通过计算机器人通过实验验证最优加速度为3.92m/s左右。4 轮式移动机构运动学分析 4.1 轮式式机器人的运动学建模 首先对四轮车辆的水平面运动进行研究在整个分析过程中，将机器人建模成轮子上的一个刚体，运行在水平面上时，车轮与地面只有点接触，轮子不可发生形变且是纯滚动，不发生滑行、刹车等行为，忽略车轮外倾、侧偏以及轮胎的影响。针对车式机器人的运动学建模，不能单一用后轴中点进行建模还应该取前轴或者其他参考点这是因为车式机器人相对于普通机器人转弯半径较大，若不取多个参考点，不能完全体现它的运动情况。图4-1 四轮车式移动机器人的局部坐标系和全局坐标系 为了描述机器人在平面中的位置，建立全局坐标系XI OYI 和机器人局部坐标系XlOYl如图3-1所示，选择后轴中点Mr 作为局部坐标系的原点在全局坐标系中，Mr 由（xr ，yr）确定，Mf（xf ，yf）为前轴中点坐标在XlOYl中Mr 和Mf 的坐标关系为 （1） 全局和局部参考系之间的角度差为（为机器人的航向角），令 为机器人在全局参考系中的位姿用正交旋转矩阵R（）将全局参考系映射到局部参考系中，即RR（）I ，反之则有I ,式中： （2） 机器人局部坐标系如图4-2所示,l 为轴距，为车轮转向角，d 为轮距，ICR(instantaneous center of rotation）为瞬时转动中心。设Mr 、Mf 的瞬时转弯半径分别为r 、f。 图4-2机器人局部坐标系 机器人的整体速率为后轮速率vr ，沿着局部坐标系XR 正方向；vf 为前轮的速率，沿着轮子前进的方向，vr 与vf 的关系为vf vr cos (2) 在t 时间内，后轮XR 正向前进分量为vt t，YR方向无运动分量； 前轮XR 正方向前进分量为vf cost，YR 正方向前进分量为vf sint若不变，机器人瞬时沿着圆轨迹运动，瞬时前进的距离为s，则有s ，如图3所示此时下式成立： .d v t （3） 图4-3 机器人瞬时沿圆周运动 另外在直角三角形内有l/tan，f=l/sin，从而可得vrt/r vr.tan/l ，即/t tan/l vr ，同理可得/t sin/l vf此时Rrvr tan/l vr ，Rfvf cos vf sinsin/l vf Mr 在全局坐标系中的位置状态方程 （4） 即 (5) Mf 在全局坐标系中的位置状态方程为 (6) 即 (7) 将式(2)代入(7)得 (8) 此时，分别建立起Mr 和Mf 的状态方程（5）和（8），都与、vr 有关。4.2 阿克曼约束的机器人运动模型四轮车辆的理想模型中，实际上是将前面的个轮子看成了一个轮子在运动，如图3-4所示在实际的车式移动机器人转向过程中，为了使所有车轮都处于纯滚动而无滑动，要求转向轴内、外轮转角之间符合阿克曼原理。令 为内轮的相对转向角，为外轮的相对转向角为了实现转向时转向车轮的纯滚动，不发生横向滑移， 个车轮应绕 转动，并且内外轮转角之间应该满足式（9）： （9） 可以解得 （10） 图4-4基于阿克曼原理的机器人运动模型 设lf和rf分别为左右两前轮的瞬时转弯半径，得lfl/SIN，rfl/SIN 同理可得左右后轮的瞬时转弯半径lr l tand，rr l/tand定义内轮差lflr （左转向时为rfrr）。际运动过程中，转向角保持不变时做圆周运动在仿真过程中，取为时间t 的函数（t）机器人运动的轨迹图如图3-17 所示，分别代表了前后轮轴中点的运动轨迹。 图4-5 机器人的运动轨迹图 图4-6 中所示为虚拟转向角与实际车辆转向角 、 间的关系图 与 的变化趋势较为一致，据式（9）可得cot cot 的理论值为0.5556，实际仿真结果值为0.5505，误差在可接受范围内。 图4-6转向角、 、间的关系图4-7 反映了转向角与航向角 的关系，航向角 大致可分为 个阶段，如图中、 标记所示初始阶段随着的变化 逐渐增大，当向相反方向逐渐变大时， 在点 处才开始逐渐变小在- 阶段，的微小变化并没有影响到整车运动的方向；到- 阶段， 又随着的反向开始变化实验有效地验证了该运动模型符合实际机器人转向角与航向角间的关系 图4-7转向角和航向角5 轮式移动机器人的运动控制系统设计 5.1 控制系统硬件设计 运动控制器是移动机器人运动控制系统中的核心内容。目前，国内外运动控制器的种类和功能都在不断丰富和发展，但总的情况是，国外的运动控控制器功能强，使用的技术也比较先进，但是价格相当昂贵，更重要的是这种运动控制器的使用方法不易为普通用户所掌握，编程复杂，即使是专业人员也很难熟练掌握，这两大不利因素限制了它的使用范围，国内的运动控制器性能和质量总体来说跟国外的产品有一定的差距，或性能单一，或结构复杂，且同样存在使用不便难以掌握的缺点。那么，能不能设计一种结构简单，成本又低，使用和维护方便的运动控制器呢？这正是本节所尝试解决的问题。在本文中，考虑到机器人小车本体结构的情况和目前移动机器人控制技术的发展状况，采用主从式结构的控制系统，即由上位机完成复杂计算，将处理后的数据传递给下位机，由下位机完成对小车本体的控制； 该系统设计的轮式移动机器人机械导航结构采用四轮差速转向式的机械机构如图5-1所示，前面两个轮是转向轮，后面两个轮是驱动轮，由两台独立的直流电机驱动，分别控制两个驱动轮的转速，可使机器人按照不同方向和速度移动，运动灵活，可控性好。机器人的主要运动状态有直线运动（前进、后退）、左右转弯、原地零半径转弯（360转向）等。因而，有效地降低了成本。该控制器器通过串口与上位机通信，这样，就简化了控制器与上位机的连接，但不妨碍充分利用上位机的有关软件资源。运动控制系统硬件结构如图5-2所示。 图5-1 移动机器人的底盘系统 图5-2 控制器硬件结构框图 控制器单元的选型： 移动机器入运动控制系统的核心是微控制器，作为机器人控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，选择一个什么样的微控制器对于机器人小车的性能、控制系统的设计方式有很大的影响，应具体分析控制系统的特征和要求进行微控制器的选择，应以运算速度、功能、兼容性、整个移动机器人系统的结构、通信方式及通信速率、电机控制方式、ROM及RAM的大小为依据来选择合适的微控制器。目前微控制器主要有数字信号处理器DSP、现场可编程逻辑门阵列FPGA和单片机等类型。DSP具有数据处理能力强、速度快等优点，且其体积较小，有利于电路板布局，但是DSP在中断处理、位处理或逻辑操作方面不如单片机，芯片价格尤其是浮点器件价格较贵，系统开发成本较高;FPGA是现场可编程逻辑门阵列。FPGA是在CPLD的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用SRAM工艺，也有一些专用器件采用Flash工艺或反熔丝工艺等。FPGA的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域，但其系统开发成本较高。单片机虽然在运算任务的完成上不如DSP，但是其成本低、易于开发、相关资料较全，配合一定的外围芯片能够很好地完成本系统的控制任务，随着微电子工艺水平的提高，单片微型计算机技术有了飞跃的发展。单片机型号之多，已到了难以统计的地步。在MSC-51系列单片机内核805180C51的基础上Intel，Philips，Siemens等大公司纷纷推出各种派生芯片。如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉、功能强大。但在一些复杂的系统中，就不得不考虑16位单片机。MCS-96系列16位单片机广泛应用于伺服系统、变频调速等各类要求实时处理的控制系统。考虑到机器人尺寸的限制，功耗等因素选择一个功能齐全的单片机是比较合适的，定位合理的方案，可获得较高的性能价格比。 综合比较之下，以单片机为核心确定整个控制系统的设计方案是比较合适的。本文中运动控制器采用一种CPU数字控制系统体系结构，CPU采用STC89LE52单片机。 STC89C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰高速低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟机器周期，6时钟机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。 STC89C52芯片具有以下特点： (1) 增强型12时钟机器周期，6时钟机器周期8051CPU； (2) 工作电压：5.5V一3.4（5V单片机）、3.8V-2.0V（3V单片机）； (3) 工作频率范围：0-40MHZ，相当于普通8051的0-80MHZ，实际频率可达48MHZ： （4）用户应用程序空间4K,8K,13K,16K,20K,32K,64K字节； （5）片上集成1280字节，512字节RAM，EEPROM； (6) 通用I/O(32/36)，复位后：P1/P2/P3/P4是准双向口弱上拉（普通8051传统I/O）P0口是开漏输出，作为总线扩展时，不加上拉电阻，作为I/O口时，需加上拉电阻： (7) ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒就可完成； （8) 共有3个16位定时器计数器，其中定时器O还可以当成2个8位定时器用。 5.2 控制系统软件设计 轮式移动机器人运动控制系统的软件实现的主要思想是把由机器人运动学获得的两驱动轮的速度转换为下位机软件能够识别利用的数据，采用分段跟踪的方式，从而让下位机来控制与电动机相连的转动机构按相应的规划路径来运动。驱动系统的软件主要分上位机软件和下位机软件两部分，上位机软件用Visual C+来编写，下位机软件用Keil C51来编写。5.2.1上位机控制系统软件设计 整个运动控制系统软件就由上位机程序和下位机控制程序构成，上位机程序用VC+语言开发，上位机负责感知系统的数据处理并完成移动机器人的路径规划及航迹推算的处理，上下位机的数据传输采用MSComm控件通过串口和下位机传送数据。5.2.2下位机控制系统软件设计 本系统中移动机器入两驱动轮的路径跟踪采用数控插补技术来实现，数控插补技术是数控系统的核心技术，插补运算具有实时性，其运算速度和精度直接影响系统的性能指标。下位机接收的数据是移动机器人两个驱动轮需运动的步数和控制周期，因此，可以将机器人小车两驱动轮的控制转化为直线插补来实现。控制周期的大小可由规划路径的曲率大小及执行插补所需时间来确定，控制周期由上位机处理转化为计数器的初值，下位机通过串口从上位机获取插补数据，采用数字积分法完成两台步进电机的协同运动。 设两驱动轮左侧电机运动步数为X，右侧电机运动步数为Y，采用数字积分法的直线插补来实现两驱动电机的联动。下位机控制程序由主程序、中断服务程序等组成，主程序完成从串口取数据、定时器、积分器初始化，通过定时器中断插补控制步进电机按预定方式运动，主程序的流程图如图4-3所示。 图4-3 主控流程图 图4-4 中断服务程序流程图 主程序初始化完成后，与上位机握手，等待上位机发送数据。当串口程序接收到正确数据后，将数据从缓冲区1更新到缓冲区2。首先初始化积分器，将数据转换成积分器使用的数据，使用定时器中定时中断完成插补运算，对缓冲区的访问采用扫描方式，插补采用定时中断提供步进脉冲来实现。中断服务程序，如图4-4所示。每次中断到来先判断插补否，运行积分器产生运行标志，设置直流电机控制字，供下一次驱动直流电动机。此时每次中断运行电机的控制字是由上次中断运算设定的，这样可以提高插补精度。1帧数据插补完成后置插补完成标志位，当主程序扫描到这一标志位时，从缓冲区1更新数据到缓冲区2，进行下一次插补。6结论 本文首先分析了四轮车式移动机器人的总体机构方案和选择，再次针对运动特性及运动学进行分析，建立了不考虑滑行、刹车等的四轮机器人理想运动学模型向该理想运动学模型引入了阿克曼约束，同时对描述机器人运动状态的转向角、航向角和转向半径等物理量进行了分析。为进一步研究四轮车式机器人的运动控制系统设计、自主导航等工作提供了理论分析的基础。 本文仅仅讨论了其中结构与机构方面的内容，论文并不完善，有待于在以下几个方面作进一步的探索和深化: l)机器人的越障能力和行驶机构的参数选取有很密切的关系。在结构形式确定的基础上，有必要对行驶机构的参数作进一步的优化，以求得到越障性能和车体的稳定性； 2）非全方位移动机器人，由于受到非完整性约束，这种类型的机器人是典型的非完整系统;若所具有的自由度等于3 个，则为全方位移动机器人。由于全方位轮有效避免了普通轮子不能侧滑带来的非完整性约束，在支持面上具有独立的两个平移运动和绕垂直轴的一个转动，所以全方
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