（机械工程专业论文）自动轿夫机器人的设计与控制.pdf

摘要 摘要 机器人是自动执行工作的机器装置。2 1 世纪，机器人可能会成为人类朝夕 相处的伙伴。世界各国都在加大对机器人技术的研究，并朝着智能化和多样化 方向发展。机器人比赛综合了机械、电气、信息、控制等多学科的知识，参加 亚太地区国内选拔赛旨在提高创新思维能力和锻炼实践动手能力。 论文从分析比赛规则入手，对参赛机器人设计的总体方案进行了规划。通 过对几种结构形式的底盘进行了分析，设计了用高性能x 型材为框架，后轮驱 动的轮式底盘结构。根据自动轿夫机器人抬着旅客机器人有上、下轿任务要求 和防止翻越山路时犯规的需要，设计了同步带升降机构、气动式自锁机构。重 点对升降机构进行了详细的设计计算和强度、刚度验算。 论文从硬件和软件两方面对自动轿夫机器人的控制进行了重点论述。介绍 了由l p c 2 1 3 8 处理器和uc o s i i 系统搭建的主控系统。主控芯片输出信号经 d a 转换得模拟电压控制电机转速，同时还可以经由g p l 0 端口发送信号，经光 耦隔离后，控制电机运行、正反转、制动及控制电磁阀实现气缸的升降自锁和 刹车功能。主控系统通过位置传感器模块的信号分析，判断自动轿夫机器人行 进状态，发出对应的升降控制信号，实现对比赛过程的模糊控制。 关键词：自动轿夫机器人；升降机构；自锁；控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er o b o ti s s e l f - e x e c u t i n gm a c h i n e r yi n s t a l l a t i o nw o r k i nt h e2 1s tc e n t u r y , r o b o t sc o u l db e c o m et oo u r p a r t n e r sg e t t i n ga l o n gw i t l lu sd a ya n dn i g h t a l lc o u n t r i e s i n s t r e n g t h e n i n gr e s e a r c ht h ec o m m o n n e s so fr o b o t s ，a n dd e v e l o pt o w a r d st h e d i r e c t i o no fi n t e l l i g e n ta n dd i v e r s i f i c a t i o n r o b o t i c sc o m p e t i t i o nc o m b i n e ss u b j e c t s o fm e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a l ，i n f o r m a t i o na n dc o n t r o lo fm u l t i d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g e j o i l li nt h ea s i a p a c i f i cr o b o tc o n t e s to fc h i n a ，s t u d e n t sc o u l de n h a n c et h e m s e l v e s m u c hi ni n n o v a t i o nc a p a b i l i t ya n d p r a c t i c a la b i l i t y t h ep a p e rs t a r t sf r o mt h ea n a l y s i so fr u l e so ft h eg a m e ，e m b a r ko nt h eo v e r a l l p l a n sd e s i g n e db yt h er o b o t si nt h ec o m p e t i t i o n s e v e r a ls t r u c t u r a lf o r m so fc h a s s i s w e r ea n a l y z e d ，a n dh i g h - p e r f o r m a n c ex p r o f i l e sw e r ed e s i g n e da saf r a m e w o r k ，a n d w h e e l e dc h a s s i ss t r u c t u r ew i t hr e a r - w h e e ld r i v e a c c o r d i n gt ot h er o b o ti sr e q u e s t e d t oc a r r yt h ep a s s e n g e r su pa n dd o w na n dt oa v o i df o u lw h e nc r o s s i n gt h em o u n t a i n , s y n c h r o n o u sl i f t i n gm e c h a n i s ma n dp n e u m a t i c - t y p es e l f - l o c k i n ga g e n c i e sw e r e d e s i g n e d e m p h a s i so nt h ec a l c u l a t i o n s ，s t r e n g t ha n ds t i f f n e s sc h e c k i n go nt h el i f t i n g b o d y t h ep a p e rf o c u s e so nt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fr o b o t i cb e a r e r sb a s e do nb o t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a i nc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sm a d eu po fl p c 213 8 p r o c e s s o ra n d 心o s i is y s t e mw a si n t r o d u c e d m a s t e ro u t p u ts i g n a lb yt h ed a c o n v e r t e rc h i p sh a v ea n a l o gv o l t a g ec o n t r o lm o t o rs p e e d ，b u ta l s oy o uc a ns e n da s i g n a lt h r o u g ht h eg p i op o r t s ，a f t e rt h es i g n a li si s o l a t e db yo p t o c o u p l e r , c o n t r o lt h e m o t o ro p e r a t i o n ，p o s i t i v ei n v e r s i o n , b r a k ea n ds o l e n o i dv a l v e st oa c h i e v et h el i f t i n g s e l f - l o c ka n db r a k eo fc y l i n d e r t h em a i nc o n t r o ls y s t e md e t e r m i n et h er o a d c o n d i t i o no ft h er o b o t i ca u t o b e a r e r st h r o u g ht h es i g n a la n a l y s i sf r o mp o s i t i o ns e n s o r m o d u l e ，a n dt h a ni s s u e dc o r r e s p o n d i n gl i f t - c o n t r o ls i g n a lt oa c h i e v et h ef u z z yc o n t r o l t h ec o n t e s tp r o c e s s k e y w o r d ：a u t o m a t i cc a r r i e rr o b o t , l i f t i n gm e c h a n i s m ，s e l f - l o c k i n g ，c o n t r o l i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： 签字日期：7 1 年7 7 月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者弛糊导师躲 签字日期：7 矿7 年l 1 月莎日签字日期： 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景 “机器人产业在二十一世纪将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。 i l 】 从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到 孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在口益走近我们的生活，成为人类最亲密 的伙伴。机器人技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。 为了普及机器人知识，促进机器人技术的研究发展，世界上很多国家和地 区纷纷开展了各种类型的机器人比赛。机器人大赛以科技含量高、学科跨度宽、 参与面广和展示性强等特点在国际上有着很强的影响力。它涉及人工智能、图 像处理、通讯传感、精密机构和自动控制等多领域的前沿研究和技术集成。目 前已经形成了一个国际联盟的人工智能和机器人项目开发目标，被世界各国科 研机构和众多高等院校所重视。全球化的机器人产业市场也给商家带来了丰厚 的利润回报。国内的教育和科研机构也日益关注机器人事j i 匕的发展，有关科研 工作在深度和规模上逐渐提高，清华大学、中国科技大学等著名高校基本形成 了完整的课程体系，对推动高校的科技创新和产学研一体化产生了积极作用， 也为提高我国在机器人领域的困际地位作出了积极贡献。 开展机器人研究和参与各项竞赛活动，旨在进一步加强未成年人思想道德 教育，提高广大青少年的科学素养，发展自身潜能，引导更多的大中小学生关 注科技、热爱科技、走进科技，涌现出更多的未来科学家和未来工程师。在积 极推进基础教育和高等教育改革的过程中，渗透科学技术教育，努力培养大中 小学学生的实践能力和创新精神，造就适应2 1 世纪全球科技、经济发展需要的 新一代。 “亚太大学生机器人大赛因内选拔活动 是中央电视台负责组织的在全国 高校范围内选拔代表中国参加“亚广联亚太地区机器人大赛”的预选赛。“亚广 联亚太地区机器人大赛”的前身是口本广播协会的机器人比赛，该项赛事从1 9 8 8 年开始，于1 9 8 9 年成为日本n h k 每年的赛事，命名为“全日本机器人大赛”。 1 9 9 0 年第一次邀请除日本之外的国外代表队参赛，成为一项国际性比赛，历时 十年。该活动的宗旨是致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与 第l 章绪论 爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才。 本次工程硕士论文的课题就来自协助导师指导我校学生参加中央电视台 “亚太大学生机器人大赛国内选拔活动 ，并完成自动轿夫机器人的设计和制 作。 1 2 国内机器人研究现状 1 2 1 国内机器人研究状况 在国家自然科学基金、8 6 3 高技术研究发展计划等的资助下，国内有清华大 学、上海交通大学、哈尔滨工、i k 大学、广东工业大学、上海大学等科研院所针 对微型机器人和微操作系统进行了大量研究，并分别研制了原理样机。目前国 内对微型机器人的研究主要集中在三个领域：( 1 ) 面向煤气、化工、发电设备细小 管道探测的微型机器人。( 2 ) 针对人体、进入肠道的无创诊疗微型机器人。( 3 ) 面 向复杂机械系统非拆卸检修的微型机器人。 目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设 计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、 弧焊、点焊、装配、搬运等机器人： 我圜的智能机器人和特种机器人取得了不少成果。其中最为突出的是水下 机器人，6 0 0 0 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机 器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、 力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展 基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、 智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水 平差距较大。 我国目前取得较大进展的机器人技术有：数控机床关键技术与装备、隧道掘 进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关 技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、 真空、自动导引车等的工业机器人产品，主要应用于汽车、摩托车、工程机械、 家电等行业。 2 第1 章绪论 1 2 2 国外机器人研究状况 以日本为代表的许多国家在这方面开展了大量研究，重点是发展进入工业 狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂。日本名古屋大 学研制成一种微型管道机器人，可用于细小管道的检测，在生物医学领域的小 空间内作微小工作。这种机器人可以由管道外面的电磁线圈驱动，而无须以电缆 供电。口本东京工业大学和n e c 公司合作研究的螺旋式管内移动微机器人，在 直径为2 5 1 4 m m 的直管内它的最大运动速度是2 6 0 m m s ，最大牵引力是1 2 n 。 本田公司的产品a s i m o ：( 1 ) 具有能理解人的姿势和动作的意思并自律地 行动的智能化技术。( 2 ) 对接近的人问候、跟随人、移动到指定的场所及识别 人脸并呼叫名字等人的应对能力( 3 ) 通过网络进行信息提供和向导等服务。它 是世界上第一个具有这些综合性智能化技术的人型特征机器人。 法国a n t h i e r e n s 等人研制出了适用于1 6 m m 的蠕动式机器人，此种微型 机器人的最大运动速度为5 m m s ，负载可达2 0 n ，具有很高的运动精度，负载 大，但运动速度较慢且结构复杂。 日本防卫大学校瀑田研究室开发的单杠运动机器人“t a c k e y ，能放手在空 中作空翻动作。 机器人探秘埃及金字塔，考古学者为实施金字塔探险项目，美国方面为此 出资特别研制了一台微型铁臂机器人，并正式命名为：“金字塔漫游者”。“金 字塔漫游者 的前身是“9 1 l 事件后在纽约世贸废墟搜寻幸存者过程中大显 神通的“蛇形机器人 。经过改良后，“金字塔漫游者体态更为轻盈，行动 和操作非常灵活。它的总重量只有2 7 千克，长宽大约各为1 2 厘米，高度可自 动调节，最高高度在3 0 厘米左右。每分钟行走9 1 4 厘米。 索尼公司开发的名叫s d r 4 x 的机器人是目前世界上最先进的智能机器人， 是索尼为了“索尼科技周 而特地从东京派来的。它属于高智能的娱乐机器人， 装置着各种感应系统，感情丰富，能跟人类进行各种交流，同时可以通过记忆 和学习不断成长。此外它的特殊天赋能够完成各种高难度动作，真可谓是能歌 善舞。 1 3 研究内容 本课题研究的内容是自动轿夫机器人的设计及控制，通过程序控制自动轿 3 第1 章绪论 夫机器人的前进后退、转弯及自动完成升降动作等。主要研究的内容是底盘的 设计，升降机构和自锁机构的设计，联接装置的设计和控制部分的设计。控制 部分主要分为对自动轿夫机器人行走的控制和升降的控制，包括主控芯片的选 型，寻线装置选择和制作，p i d 控制，对气动电磁阀的控制等等。自动轿夫机器 人的总体方案框图如下： 图1 1 自动轿夫机器人的总体方案框图 全文共分为八章，第一章绪论部分介绍全文的研究背景，研究任务及全文 的结构。第二章对第八届亚太机器人大赛规则进行了简短的介绍和分析。第三 章对自动轿夫机器人的设计进行总体规划。第四章对自动轿夫机器人底盘的设 计。第五章自动轿夫机器人升降机构和自锁机构的设计。第六章自动轿夫机器 人与滑杆的联接装置的设计。第七章自动轿夫机器人的控制，包括对自动轿夫 机器人行走和升降的控制：第八章是对全文的总结和展望。 4 第2 章比赛规则简介与仟务分析 第2 章比赛规则简介与任务分析 奉次比赛的主题是胜利鼓乐，是根据似象的u 术占代抬着滑杆旅行而设训 的比赛。在前叫的自动轿走机器人和在后面的手动轿夫机器人配合，用滑杆把 自动旅客机器人抬到月的地，旨在月一个队2 前止完旅程。路上会有各种任务， 蚰l 爬1 lj 和穿过辩林。滑轩汞 j d l 器人旅客4 ：能抻r 。自动旅客机器人到达的目标 区厉必须击打i “胜利鼓。j l 廿障统的胜利鼓垂直安放在平台上。最先击打了 = 【n i 鼓的参赛队获胜“”。 圈2j 场地透说图 比赛历时3 分钟。比赛过程中，除在特定位髓外，旅客机器人不能碰到地 | f | i 和泔竿，同时手动轿丈机器人不能摊着前i n l 的自动轿夫机器人行止，整个比 赛过程q e i 动轿大机器人和旅客机器人应该能完伞自动。 根抛比赛规则可知= 台参赛机器人的总重1 i 得超过为5 0 k g 。 从2 0 0 9 年亚太机器人火赛规则可以看出木届比赛的核心是速度的角运， 各参赛队在保证完成五个任务的前提f 应该尽可能的缩婀完成任务所需要的时 间，呵以说玳能在小违觑的前提卜虽先跑完全场谁就根町能取得比赛的胜利。 丰同对以往太机器人夫赛而肓，术届比赛降低了对干扰机器人的艇求，而相应 的增强了并机器人2 问以及机器人与人之m 协侧他的蜚求，无论是上轿、下轿 还足翮越l f j 蹄、穿越森林部离j r 小，机器人2 m 以及机器人与操作f 之问的默 挺配合。 第2 章比赛规则简介与任务分析 2 1 上轿任务 当轿子到达小屋的时候，旅客自动机器人应登上轿子。上轿意味着旅客自 动机器人进入轿子上的座位，并与小屋的地板没有任何的联系。当轿夫机器人 抬着轿子到达小屋时，这里就牵涉到如何使得轿子能够准确到达位置。自动轿 夫机器人采用固定夹具，所以轿夫机器人的地盘部分在前进方向上可以比较准 确停到指定位置，即是轿夫机器人中心距离小屋中心一米处，但是，在与前进 方向垂直方向上，自动轿夫机器人必须走的很准确，其中线不能偏离白线，才 能使得小屋和轿子准确的贴合在一起。由于灯板和巡线算法的制约，其行走路 线其实是s 形的，通过p i d 算法不断修正行走路线。通过p i d 只能不断地缩小 行走路线与白线问的位置偏差。所以在自动轿夫机器人到达指定位置时，轿子 和小屋间是有一定得问距的，这种间距在巡线算法下不可避免，但是可以通过 对旅客机器人的机械设计上来弥补这种问距带来的不利影响。 t i。 ， ， ， | ， ， 扁捏 ， ， ， ， o ，g ， o ， 他 ， v ， - j 地面 ， 姨孓一 f，i 手| l ， 图2 2 单摆运动模型 当轿夫机器人均到达指定位置时，轿夫机器人就该把轿子放下。由于轿夫 机器人的刹车过程是一个比较快速的减速过程，所以轿子由于惯性和其自身的 单摆模型，轿子在空中会做单摆运动( 如图2 2 ) 。 设想，如果轿子下降后着地时，钢丝绳与水平面成一定得角度，轿子是不 能和小屋在前进方向平齐的。此时： x = l 一8 0 0 c o s 0 ( 2 1 ) 如果将轿子下降后距离地面的高度设为m ，则： 口= a r c c o s 旦 ( 2 2 ) 8 0 0 、7 即当轿子下降后距离地面的高度为m 时，在轿子摆到与竖直面呈口时，轿 6 第2 章比赛规则简介与任务分析 子和地面接触，m 越大，口越小，则口的对应边越短，证明了轿子与小屋的偏差 将会越小，考虑到惯性作用，实际偏差不一定会有秒的对应边那么大，所以单从 这方面考虑，这个m 越接近8 0 0 越好，但是轿子的摆动需要轿子与地面之间的 摩擦来使其停止，所以1 1 1 值并不是越大越好。 轿子的重量经过测量为1 5 k g 。查得木板与木板问的摩擦系数大约为o 2 【6 1 。 机器人的加速度为l m s 2 。忽略空气的阻力作用，列出能量守恒方程有： i m2 = (23-mv竹n g s) = ( 2 ) 1， s ：王：业：6 2 3 m ms = j l = = o z , u g 0 2 1 0 由三角形的勾股定理可得第三边边长 l n = 4 8 0 0 2 6 2 5 2 = 7 9 5 m m 即在理想状态，下轿时滑杆的底部只需降到距离地面7 9 5 m m 处。 2 2 翻越山路任务 2 2 1 底盘设计必要性分析 比赛中设置的山路不是我们生活中遇到的山路，虽然其坡度不大，只有1 6 7 度，但是在生活中坡底和坡顶的度数是慢慢过渡的，而在比赛当中坡的角度是 突变的，这必然会引起速度大小和方向的突变，从而引起震动。 图2 3 上坡速度分析图2 4 上坡加速度分析 机器在上坡时会在坡底与平地的交界处产生冲击，这个冲击对轿子的晃动 产生影响，以下为计算分析【7 】：( 如右图2 3 所示) 机器人的速度v 在上坡时分 7 第2 章比赛规则简介与仟务分析 解为两个速度v s i nq 与v c o sq ( 如图2 4 所示) ，v s i n a 由于坡度的变化在瞬 间消失从而产生冲击，假设这一瞬间的时间为t ，则产生的加速度为a = v c o sq t 。 这一加速度又分解为a s i na 与a c o sq ，其中a s i nq 将引起轿子的晃动，假设晃动 的角度为b ，则有公式： j 9 = a r c c o 9 3 7 8 r a m ，继续下坡时，根据抬轿高度h s = 3 0 0 r a m ， l ：堡墨! 兰兰：型笪二! q q 1 c o s l 6 7 。 随着自动机器人轿夫己下坡距离s = 0 专1 0 0 0 m m ，计算得自动机器人高度 厶= 9 3 7 8 - - 9 11 6 0 9 r a m ，手动轿夫高度厶= 9 6 9 7 - - 8 0 3 4 r a m 。 ( 3 ) 手动轿夫下坡阶段 在下坡阶段，为方便控制，我们可以将手动轿夫升降高度如= 9 0 0 r a m 不变， 则自动轿夫厶= l 2s i n l 6 7 。+ ( 1 0 0 0 一s ) 3 0 0 1 0 0 0 ，随着手动轿夫已下坡距离 s = 0 _ 1 0 0 0 m m 时，厶= 1 1 6 2 2 9 6 2 2 r a m 。 ( 4 ) 旅客上下轿阶段 在旅客上下轿阶段，两轿夫机器人只需满足落轿要求，即厶= 2 9 6 2 8 ，l 肌 2 0 0 0 一a l a 2 。 此过程滑杆最大倾角口= a r c t a n ( 3 0 0 17 5 0 ) = 9 7 3 。 ( 3 ) 自动轿夫机器人在坡顶行走阶段 设s 为自动轿夫机器人在坡顶已走过的位移，则 s = 0 7 5 0 时，三+ 垫塑二丝一3 0 0 ：h s + 8 0 0 得三 9 6 2 8 聊m 2 0 0 0 一a l a 2 s = 6 5 0 1 0 0 0 时， ( 三+ 3 0 0 一l c o s l 6 7 a 一s - 7 5 0 3 0 0 ) ! 塑二丝 + l e o s l 6 7 。+ s - 7 5 0 3 0 0 ：- s + 8 0 0 1 0 0 02 0 0 0 一a l a 2 1 0 0 0 当取l = 1 0 0 0 m m 时，s = 6 5 0 - - - 1 0 0 0 ，h s = 3 3 1 9 3 8 3 4 3 0 0 此过程滑杆最大倾角口= a r c t a n ( 3 0 0 1 7 5 0 ) = 9 7 3 。 即自动轿夫机器人在上坡阶段安全高度略小于1 0 0 0 m m ( 4 ) 自动轿夫机器人下坡阶段 因两轿夫机器人行进速度一致，其问距离也基本保持不变，约为1 7 5 0 m m ，设 k 为自动轿夫机器人已下坡距离，则只需满足抬轿高度h s 3 0 0 m m 即可。 k = 0 - - - 7 5 0 时，2x ( 8 0 0 + h s ) = ( 1 7 5 0 。k ) xs i n l 6 7 。+ 2 l k = 7 5 0 1 0 0 0 时，2x ( 8 0 0 + h s ) = 3 0 0 + 2 l 综合可求得自动轿夫机器人高度l 9 5 0 m m 即可满足本阶段要求，滑杆最大倾角 口= a r c t a n ( ( 3 0 0 2 5 0 s i n l 6 7 。) 1 7 5 0 ) = 7 4 2 。 由前面各阶段轿夫机器人安全高度可知，当l 1 0 0 0 m m 时，机器人可以不 调节升降便可以直接完成翻越山路的过程，滑杆最大倾角在自动轿夫机器人上 坡阶段，为9 7 3 。，1 0 0 0 m m 是根据理想情况计算而得，并未考虑轿身的晃动 以及操作过程的影响，为保留一定安全距离，实际过程中可将l 值设置为 l l o o m m ，以满足规则要求。 升降规划小结： 两个升降规划方案，分别以滑杆平稳和控制简便为侧重点，前者从滑杆完 全水平的角度出发，后者则从完全不改变升降高度的角度着手，并未将其综合 考虑，而实际行进方案中更大可能是两个方案的综合，即允许滑杆倾斜一定角 度，允许简单调节机构升降高度，但也无须随时改变其升降值。 方案一要求自动轿夫机器人高度能在8 1 2 11 6 2 2 m m 间变化； 1 7 第3 章规划设计方案 方案二要求轿夫机器人安全高度为l1 0 0 m m ，结合规则的相关要求，可得出 自动轿夫机器人升降机构的设计尺寸要求为： 整体机构安装后应满足落地要求，即小于8 0 0 r a m ，实际取7 9 5 m m ： 提升高度最大时，自动轿夫机器人高度能达到1 2 0 0 m m ； 能使自动轿夫机器人高度在上述区间自南变化。 3 3 路线规划 本届比赛的核心是机器人之间的协调工作，比赛的关键在于高效率的完成 相应的任务，在不违规的前提下用尽可能短的时间击响胜利鼓是比赛的最终目 标。而如何制定机器人行走路线以及机器人速度变化的形式将在很大程度上影 响机器人完成任务所需要的时间。在满足机构稳定，自动控制系统可靠的前提 下，制定良好的路线规划是缩短比赛时间的关键。 l l i iir i i ll iii 启栅 l 搠t r蝴 做投 苎 竖1 1 蚓 ； m 旧 ，五襞毒 i o 。 m u _ 一 f 车下薯 。 j 笑转夸 t - - 转t l l - s f x 一 3 n n 一 p 0 n 一 3 0 0 一 图3 7 机器人转弯路线图 3 3 1 转弯行走的方式 整个比赛过程中，在不出现犯规重试等违规的情况下，自动轿夫机器人以 及手动轿夫机器人将要进行6 次9 0 。转弯。此次参赛机器人制作过程中，自动 轿夫机器人寻线方案采用技术比较成熟的巡线灯板，该灯板作为导向传感器， 起到机器人眼睛的作用，通过巡比赛场地上3 0 m m 宽的白线调整机器人行走轨 迹。因此在满足比赛规则要求的情况下，机器人的路线主要是由比赛场地的白 1 8 第3 章规划设计方案 线轨迹所决定。 自动轿夫机器人采用不同的转弯方式行走的路程则不相同。在速度不变的前 提下所花的时间也不同。目前自动轿夫机器人转弯主要通过以下三种形式【8 】： ( 1 ) 一侧驱动轮不转动，另一侧驱动轮转动： ( 2 ) 两侧驱动轮转向相反。 ( 3 ) 一侧驱动轮转速高于另一侧驱动轮转速； 三种转弯方式中，以第二种转弯耗时最短，转弯半径也最小，但是控制程序 也最为复杂；第一种转弯方式控制程序最为简单，本次设计采用这种转弯方式。 3 3 2 行走路线的规划 根据比赛的实际情况，对自动轿夫机器人制定如下三种行走路线： ( 1 ) 完全巡场地自线行走； ( 2 ) 在转弯处进行圆弧转弯； ( 3 ) 直线穿林行走。 比赛过程中针对对手的实际情况选在不同的行走方案，方案二在转弯处根 据行走路线与场地自线相切的原则行走，圆弧中心分别在三个树桩横向或者纵 向的延长线上。根据比赛规则要求，可以从第一个树桩的任何一边经过，根据 路线最短的原则制定方案三。三种方案分析简图如下： 目日 8l 0i田88。，。日j 06l hi ih月 8 lli 0888 纠 ili 8 i 一，么 貉 形 i 。 l 8 一 “。 二浏“t 、 l8 l j豸 l l蕞线3 蓐钱2 图3 8 三种路线规划简图 假定上轿时间为5 s ，每个转弯需要2 s ，上下坡需要l o s ，下轿击鼓需要 1 9 第3 章规划设汁方案 l o s 。第一种规划方案，自动轿夫机器人行走总路程为2 5 m ，预计需要时间为 8 7 s 第二种规划方案，自动轿夫机器人行走总路程为2 3 m ，预计需要时间为 8 3 s ；第三种规划方案，自动轿夫机器人行走总路程为2 1 m ，预计需要时间为 7 9 s 。在实际比赛过程中，根据对手的实力分别选用不同的行走方案。 其中，方案一行走路程最长，耗时最多，但是转弯过程也最为可靠：第二 种方案通过圆弧转弯，减小了行走路程，但是增加了在转弯过程中脱离白线行 走的几率，增加了丢线等出错的可能性；第三种方案，行走路程最小，耗时也 现对最少，但是在下坡任务完成后基本脱离了场地白线，行走过程中也最容易 出错。 3 4 本章小结 本章通过对驱动模块、升降动作和行进路线的规划，为自动轿夫机器人的 设计确定了实现总体目标的具体要求。驱动模块规划确定同轴安装的两个电机 成对使用，通过控制两个电机不同的转速，可以实现自动轿夫机器人的灵活行 走和转向。升降规划确定了自动轿夫机器人的升降范围为7 9 5 - - 1 2 0 0 m m 。路线规 划确定了完全巡场地白线行走、在转弯处进行圆弧转弯和直线穿林行走三种方 案，实际比赛中，针对不同实力的对手采用不同的方案。 2 0 第4 章自动轿夫机器人底盘的设计 第4 章自动轿夫机器人底盘的设计 4 1 底盘的结构形式 机器入底盘形式可考虑使用履带式底盘和轮式底盘两种方式3 。履带式底 盘与采用带轮形式与地面接触，接触面积大，摩擦力也大，但是在转弯方面上 控制比较复杂，显得比较笨拙；机器人采用轮式底盘行动轻便灵活，在转弯过 程中比履带式底盘更具有优势，此次比赛过程中的难点在于三台机器人协调过 山路，滑杆的总长为2 0 0 0 m m ，山坡的高度为3 0 0 m m ，长度为3 0 0 0 m m ，在此过 程中很容易出现因坐席晃动而发生滑杆与轿夫机器人碰撞或是旅客机器人倾翻 落轿的危险。如果在此过程中轮式底盘与山坡之问具备足够的摩擦力的话，应 该优先考虑使用轮式底盘。 方案1 ：阶梯可调式底盘，伺服电机驱动 此底盘采用驱动轮，口字形不锈钢材，伺服电机，减速齿轮，万向轮，钢 板，轴，螺栓，螺母，垫片等装配而成。可实现长度的4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 、5 5 0 的 变化，宽度4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 的变化，可适用于直径在1 1 0 1 5 0 的驱动轮安装要 求。电机安装在l 型板上后，再安装在长条板上，长条板上每隔2 5 钻一直径为 5 的孔实现底盘宽度的变化，用m 5 的内六角螺栓连接。 万向轮安装在两条2 0 1 0 的不锈钢上，再与底盘框架相连。万向轮的可调 高度机构，采用螺杆形式，调整螺母可以调节高度。 优点：底盘高度可调。 缺点；结构较复杂，螺杆与万向轮的连接困难，都采用螺栓连接，底盘精 度难以保证。口字形钢材加工孔困难 方案2 ：x 型材，伺服电机驱动 此底盘分为电机模块，万向轮模块和框架模块，由x 型材，驱动轮，伺服 电机，l 型钢板，螺栓，螺母，加工轴等装配而成。底盘大小为5 0 0 x 3 4 0 ，接近 于1 - 0 6 1 8 。两轮的最外边的距离为4 0 9 。底盘底距离地面高为1 0 6 5 。 这个底盘可实现电机与底盘在前后方向的任意位置的放置。万向轮在底盘 框内的任意位置的移动。由于底盘的框架是用“x 形的材料做的，所以与其它 机构的连接很方便，采用模式块，用螺栓连接。 2 l 第4 章自动轿夫机器人底盘的设计 可实现随意变换电机、万向轮与底盘问的相对位置，各个分机构采用模块 化设计，如有电机模块、万向轮模块等。各个模块与底盘的连接用螺栓连接。 保证各个模块的质量，从而保证整体达标。 在该底盘的设计中，以电机为基准进行设计，即以其轮与地面的接触点为 固定坐标，其他以此为基准来设计制作。即使“x 形框的加工不太精确，只要 保证万向轮与电机的相对位置，也不会影向底盘的整体性能。而且万向轮的高 度是在一定范围内任意可调节的，所以此底盘的适应性是很强的。 方案3 ：口字型不锈钢材，伺服电机驱动 该底盘由万向轮，口字形不锈钢材，直径为1 4 4 的驱动轮，m 5 的螺栓，伺 服电机，铝块和一对减速齿轮装配而成。底盘长4 5 0 宽3 0 0 。 该种结构分为两种：一种是驱动轮装后面，二是驱动轮装中问。前一种比 较普遍，后一种是为了减小机器人转弯时的曲率，转弯方便。万向轮处用螺栓 装配时加弹簧减振，对机器人上坡有一定优势。 优点：主要用口字型不锈钢材，价格相对较便宜。 缺点：各钢材之间的连接要通过长螺栓或者焊接，由于口字型钢材是空心 的，钻孔时容易变形，通过点焊可以把各钢材联接在一起，但各钢材之意的平 面度，平行度很难保证。在满足同样要求的条件下结构较复杂。 方案4 ：前轮采用婴儿车轮式，伺服电机驱动 底盘前轮采用婴儿车轮式，后轮采用直径较为2 1 0 的轮子，框架采用口字 型不锈钢焊接而成，伺服电机驱动，铝块和一对减速齿轮，电机通过一对减速 齿轮将功率传递到后轮上，提高后轮所获得的扭矩。该底盘框架长7 5 0 ，宽4 1 0 。 电机采用直流无刷电机，万向轮采用婴儿轮前轮机构。由于是开环控制，所以最 好在后轮中间加一个码盘，做成闭环控制。万向轮改用婴儿车轮是因为此种轮 子比较大，上坡效果更好。而且还自带减震弹簧。底盘离地1 2 0 ，长7 5 0 ，宽4 1 0 轮子中心问距5 6 0 。 优点：前轮采用婴儿车车轮的形式，后轮轮子较大，有较好的减振作用。 安装方便。 缺点：由于直流伺服电机在保证它的安全扭矩情况下，功率不够，需加减 速器才能保证上坡的平稳。但减振效果并不是十分明显。 方案5 ：x 型材式，直流无刷驱动 该底盘采用x 型材，其中两根长度为5 0 0 ，四根5 4 0 ，万向轮，u 型钢板， 第4 章自动轿夫机器人底盘的设计 电机，l 型电机固定钢板，弹性联轴器，驱动轮，轴承，轴承座，轴组装而成。 x 型材及其连接件，万向轮，直流无刷电机，联轴器，轴承，轴承座都直接从市 场上购买；u 型钢板，l 型电机固定钢板，轴等都先选好尺寸后加工。该底盘长 5 4 0 ，宽5 0 0 。 优点：x 型材可在网上直接购买，提出我们所需要的长度即可，可购买专用 的连接件，买回来就可以组装。简洁，强度高，可靠。 缺点：价格较贵，不十分经济。 x 型材和连接形式如图4 1 。 图4 1 底盘骨架型材和连接 考虑到前几届比赛机器人的经验，采用方案5 作为最终方案。采用模块式 制作，组装。如图4 2 。 图4 2自动轿夫机器入底盘结构 鞋皿皿 第4 章自动轿夫机器人底盘的设计 4 2 底盘的设计论证 4 2 1 底盘的设计速度论证： 约束要求：底盘在加速与急停时对轿子的晃动产生影响，因此在最大的速 度与加速度上有限制要求。轿子的最大允许晃动角的计算1 ： 、 | 酗 f 一l2 一 d 一 图4 4 轿子摆角计算 如图4 4 所示，轿子绳长为，= 0 8 m ：滑杆的一端伸入机器人上空的距离为 d ；滑杆的一端离轿子距离为= 0 7 5 m ；轿子晃动的最大角度为0 ；轿子的水平 晃动的最大位移为如= ，l d ，由计算得0 = a r c s i n ( ( , 一d ) 1 ) 当滑杆的一端离机器人距离为d = o 2 5 m 时，0 = 3 8 7 。；当d = o 4 m 时， 0 = 2 5 9 。：当d = o 5 m 时，0 = 18 2 。 综上所述机器人的晃动角度最好控制在1 8 。左右，据此推断以下情况： 机器人急停前的速度为v ；重力加速度为g ，轿子与机器人的总质量为m ，轿 子的高为，= 8 0 0 r a m = 0 8 m ；轿子晃动的最大角度为0 ；急停时的分析情况( 两机 1 器人由速度，急停为0 ) 由能量守恒方程三m y 2 = m g l m g l c o s 0 可得 z ，= 、2 9 ( 1 一c o s g ) 。代入数值，要使机器人在急停的状态下晃动小于1 8 。，则急 停前的速度应小于0 8 7 m s ，所以在没有缓冲的条件下机器人行走最大速度为 ，= 0 8 7 m s 。为使摆角较小，取设计速度为讣= o 5 朋s 。 2 4 第4 章自动轿夫机器人底盘的设计 4 2 2 底盘的加速度论证 平地时轿夫机器人的加速度为a 时轿子的晃动计算：由图4 5 可得计算得公 k t a n o ：旦：口= g a r c t a n 0 。 g 图4 5 机器人加速度分析 代入数值g = 9 8 m s 2 ，要使机器人在急停的状态下晃动不大于1 8 。，轿夫机 器人的加速度要小于3 1 8 m s 2 。 4 2 3 底盘的尺寸论证 由于自动轿夫机器人的重量不能超过1 8 k g ( 否则，三台机器人的总重量会超 过5 0 k g ) ，因此机器人的设计应该尽可能的轻便，底盘尺寸在满足要求的情况下 要尽可能的小。滑杆距离坐席的距离为8 0 0 m m ，因此自动轿夫机器人的总高度不 会小于8 0 0 m m ，即自动轿夫机器人的重心高度受此高度的影响。自动轿夫机器人 的底盘尺寸主要以机器人在斜坡上不发生倾翻为主要设计依据。如图4 6 所示： 图4 6 上坡倾覆力矩分析 2 5 l 鲁 勰嚣嚣耋麓淼 第4 章自动轿夫机器人底盘的设计 掣a v 2 争。胄 破司一兰。2 2 通过计算得a 的要求限度很低( 1 5 2 0 m s 2 ) ，按照正常的设计( 小于5 m s 2 ) 是 没有问题的。而电机的长为2 1 0 m m ，如果两个电机同轴安装( 不交差) ，底盘宽 至少为4 2 0 m m 。 综上所述，自动轿夫机器人底盘尺寸设计为5 4 0 5 0 0 是可行的。 4 3 刹车装置 为了防止自动轿夫机器人在翻越山路的下坡过程中，自动轿夫机器人受重 力加速度的影响，其速度越来越快，必须在底盘上安装刹车装置，其结构示意 图如图4 8 。 图