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探测机器人系统的设计【5张CAD图纸2.5A0+毕业论文】

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关键词：: 探测机器人系统设计 cad图纸探测机器人毕业论文

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探测机器人系统的设计

35页 14000字数+说明书+任务书+开题报告+5张CAD图纸【详情如下】

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摘要

本设计采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。而轮式探测机器人则机动性能比较好。除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动控制方案。

机器人最重要的机构是运动底盘的设计，即使软件设计的再好，移动方式没有设计好，那么机器人也不会很好的执行任务。轮式，腿式，履带式的移动方式在设计过程中已经给出，

可以根据自己设计的要求进行选择如果地形比较平缓，或是有沟壑的地形，可以选择履带的移动方式；如果是平缓没有沟壑的地形，就选用轮式的移动方式；如果地形成阶梯状，而且地形比较复杂，最好选用腿式的方法。

本设计可以采用两种控制系统，即通过上位机直接通过总线对机器人进行控制或是通过无线电台对机器人进行控制。

关键词：探测机器人模块化设计履带移动方式机器人的控制系统

Abstract

The design is modular in design so that in accordance with requirements of options and custom configuration, and when needed to facilitate the replacement and add other modules, and is given two mobile forms of design options, that is, tracked and wheeled mobile way of design , Both have their own characteristics, but mainly to crawler-based research and design, it has good mobility in the barrier, the inter-ditch, climbing has obvious advantages. The robot is the greatest advantage of the barrier has a good performance, adapt to environmental performance, Fangshuai impact resistance and have all-terrain capacity. The wheeled robot will detect mobility is better。In addition to detecting robot design the overall structure, but also gives a mobile control ways。

Robot is the most important bodies of the sports chassis design, even the best software design, mobile design means no good, then the robot will not be very good mission. Wheeled, legged, tracked the movement of way in the design process has been given, Can be designed in accordance with the requirements of their own choice if the relatively flat terrain, or a gully of the terrain, can choose to track the movement; If the gully is not flat terrain, on the choice of wheeled mobile way, if formed ladder, and More complex terrain, the best choice legged approach。

This design uses two types of control systems, through the PC directly through the bus to control the robot through the radio or to control the robot。

Keywords： Detecting robot modular design tracked mobile robot's control system

摘要 ――――――――――――――――――――――――2

Abstract――――――――――――――――――――――3

第一章　绪论――――――――――――――――――――――――6

1.1 机器人的应用范围―――――――――――――――――――――6

1.2 探测机器人的先状及发展趋势――――――――――――――――7

1.3 研究内容―――――――――――――――――――――――――8

第二章　机械系统的设计―――――――――――――――――――9

2.1 计算机模块的设计―――――――――――――――――――――9

2.2　　传感器模块的设计―――――――――――――――――――――10

2.3　　电源及驱动模块的设计―――――――――――――――――――10

2.4　　底盘运动模块的设计――――――――――――――――――――10

2.5　　各模块的连接―――――――――――――――――――――――15

第三章　能源驱动的设计选择―――――――――――――――――17

3.1 能源的供给――――――――――――――――――――――――17

3.2　　电机的选择――――――――――――――――――――――――17

3.3　　电机驱动的选择――――――――――――――――――――――18

第四章　传感器系统的设计――――――――――――――――――21

4.1 视觉传感器――――――――――――――――――――――――21

4.2　　超声波传感器―――――――――――――――――――――――22

4.3　　红外传感器――――――――――――――――――――――――23

第五章　探测机器人的硬件系统――――――――――――――――24

5.1 传感器采集系统――――――――――――――――――――――24

5.2　　保护电路―――――――――――――――――――――――――25

5.3　　红外传感器的接线―――――――――――――――――――――25

5.4　　超声波传感器的接线――――――――――――――――――――26

5.5　　罗盘处理流程―――――――――――――――――――――――26

5.6　　RS485-RS232转换电路―――――――――――――――――――27

第六章　探测机器人计算机硬件系统――――――――――――――29

6.1 无线电台通讯系统―――――――――――――――――――――29

6.2　　电子罗盘―――――――――――――――――――――――――29

第七章　探测机器人软件系统的开发――――――――――――――31

　　　　移动控制系统的设计――――――――――――――――――――31

　　　　演示控制程序―――――――――――――――――――――――31

结束语　　　　　　―――――――――――――――――――――34

致谢 ―――――――――――――――――――――35

参考文献　　　　　―――――――――――――――――――――36

尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人,但到目前为止,无论国内还是国外,同时具备以下性能的移动机器人还没有出现:(1)能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶;(2机器人陷入软土壤中时,能自动脱离软土壤区,恢复正常的行驶能力;(3)整机的可密封性和可压缩性良好;(4)克服倾翻对机器人行驶能力的不良影响;(5)行驶的高速高效性;(6)容积可进行扩充，而这些又是行星探测等领域移动机器人运动系统所应具备的重要性能,因此,研制出新型的、综合性能更好的行星探测机器人是行星探测机器人移动系统研究中有待解决的问题之一。

1.3 研究内容

其具体研究内容如下：

1、研究探测机器人系统的设计原则。

依据运动学原理，对机器人进行性能指标分析，动态分析，使机器人能够自适应路面，即具有抗倾覆性、爬坡性能、越障性能、跨沟性能等功能。

2、确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。

1）移动方式的确定；

2）总体结构设计；

3）传动系统设计。

3、给出移动控制系统的设计方案。

1）监测方法；

2）计算机硬件系统的设计；

3）计算机软件系统的设计。

4、探测机器人的拟定工作流程如图1-1。其性能参数的基本要求如表所示2-1

表2-1 机器人性能参数基本要求

性能参数

额定电压24VDC

工作电流2A

驱动方式直流电机驱动

电池铅酸蓄电池组

最大速度3m/s

最小速度0.01m/s

最大负载30kg

工作时间6小时

爬地能力15度

越障能力3cm

2.1计算机模块的设计

计算机模块分为两部分结构，上端为度支撑架，下端是计算机的保护架。其中支撑架是用来控制摄像头的监测方向，将摄像头安装在支撑架的套筒里，此设计是为减小外界环境对摄像头表面和线路的影响，如水，阳光的腐蚀等，虽然不能完全隔离外界的影响，但尽量增加了摄像头的使用寿命。在支撑架的右方和下方安装两个舵机，使套筒具有上下，左右两个自由度，从而使摄像头可以全方位的监测周围的环境。保护架是用来防止计算机受到外界环境的撞击，另外，保护架提高了摄像设备的高度，可以看的更远一些。

其简图如图2-2所示致谢

我的论文是在XXX的指导和帮助下完成的，在此，我要把最诚挚的谢意献给他，他严谨求实的治学态度、一丝不苟的工作作风、诲人不倦的学者风范、创造性的思维方法都极大地影响和教育了我，并成为我今后的学习和生活中宝贵的财富。

学习期间导师为我创造了良好的学习环境，使我能够顺利地完成硕士阶段的学业。在研究生生活即将结束之际，谨对导师多年的辛勤培养和关心表示衷心的感谢，表达我深深的敬意。

感谢我的同学，在我困惑时，他们常带给我开拓性和建设性的意见，使我在学术上有所突破。

感谢关注我论文的所有老师和同学，在他们的帮助和支持下，我顺利完成我的论文工作，我在此对他们表示衷心的感谢。

参考文献

1、刘晓峰：海洋探测机器人操纵性及仿真研究哈尔滨工业大学 2007.1

2、尚建忠罗自荣张新访范大鹏：基于构型组合的空间探测机器人移动机构设计*

3、邵守君：基于虚拟样机的石抽井故障探恻机器人研究 2007.3

4、贺鑫元马书根李斌王越超：可重构星球探测机器人的机构设计机械工程报2005.12

5、柴汇：履带式井下探测机器人底层控制系统研究与设计 2007.5

6、刘方湖陈建平马培荪曹志奎：行星探测机器人的研究现状和发展趋势 2002.5

7、陈芳允：月球探测机器人移动系统的研究现状和发展趋势井冈山学院学报 2006.8

8、吴芳美：机器人控制基础中国铁道出版社

9、孙树栋：工业机器人技术基础北京工业大学出版社 2006.12

10、为海底探测提供数据日本加强深海探测

11、张建民：机电一体化系统设计北京理工大学出版社 2007.1

12、黄维通：Visual C++面向对象与可视化程序设计清华大学出版社 2003 .12

13、机械设计手册编委会:机械设计手册-带传动和链传动机械工业出版社 2007 .3

14、机械设计手册编委会：减速器和变速器机械工业出版社 2007 .3

15、实用微电机手册辽宁科学技术出版社 2000 .3

16、王建华毕万全机械制图与计算机绘图国防工业出版社 2004. 9

17、胡汉才　单片机原理及其借口技术　清华大学出版社　2004 .4

18、Carlos Rodringuez Lucatero The problem of robot random motion tracking learning algorithms World Scientific and Engingeering Academy and Society 2007

19、Raja Chatila Toward cognitive robot companions Penn Plaza,Suite 701 New York NY USA 2008-6

20、Pierre Boudoin Towards multimodal human-robot interaction in large scale virtual environment Penn Plaza,Suite 701 New York NY USA

21、Dylan F.Glas Simultaneous teleoperation of multiple social robots 2 Penn plaza,Suite 701 New York NY USA

内容简介：: 毕业设计(论文)任务书系别：机电工程分院专业：机械电子工程班级：08521学生情况指导教师情况题目类型姓名学号姓名职称单位理论研究科研开发宋亚强18张广杰讲师机电工程分院工程设计论文题目探测机器人系统的设计主要内容以及目标主要内容：1、研究探测机器人系统的设计原则。2、确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。3、对探测机器人系统的硬件设计，绘制机械图。4、给出移动控制系统的设计方案，。目标：掌握探测机器人系统的设计原则，从实际应用环境出发确定机器人的移动方式，选用合理的目标监测手段，来实现探测目的，并撰写毕业论文，达到机电一体化综合能力训练的目的。成果形式具体工作量：1.3000字的开题报告一份； 2.与毕业设计相关的英文翻译一份，5000字以上； 3.完成机械图纸A0 3张，编制控制界面； 4.撰写一篇15000字以上的关于探测机器人系统的设计的毕业论文。成果形式：论文、图纸、程序。基本要求1、设计图纸符合国家标准，2、结合机械与机电的有关知识对系统进行设计。实习调研要求实习调研提纲：1、探测机器人的设计原则。2、探测机器人的几种移动方式3、探测机器人的监测手段。实习调研时间：第1-3周实习调研地点：机电控制重点实验室主要参考文献1. 主要仪器设备计算机，工控机。PCI数据采集板卡毕业设计（论文）开始日期2011-11-1毕业设计（论文）完成日期2012-6-27毕业设计（论文）进度计划（起止时间、工作内容）1. 第1-3周实习调研基本结束；2. 第4周撰写并提交调研报告和开题报告；3. 第5-6周制定探测移动机器人的设计原则；4第7周确立机器人的移动方式；5. 第8-12周设计机器人系统的机械结构；6. 第13-14周设计控制方案及监测手段；7第15-16周撰写并提交毕业论文；审阅、评审并修改毕业论文；8第17周完成毕业答辩指导教师（签字）：年月日督导教师（签字）：年月日系毕业设计（论文）领导小组审查意见：组长（签字）：年月日摘要本设计采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。而轮式探测机器人则机动性能比较好。除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动控制方案。机器人最重要的机构是运动底盘的设计，即使软件设计的再好，移动方式没有设计好，那么机器人也不会很好的执行任务。轮式，腿式，履带式的移动方式在设计过程中已经给出，可以根据自己设计的要求进行选择如果地形比较平缓，或是有沟壑的地形，可以选择履带的移动方式；如果是平缓没有沟壑的地形，就选用轮式的移动方式；如果地形成阶梯状，而且地形比较复杂，最好选用腿式的方法。本设计可以采用两种控制系统，即通过上位机直接通过总线对机器人进行控制或是通过无线电台对机器人进行控制。关键词：探测机器人；模块化设计；履带移动方式；机器人的控制系统；AbstractThe design is modular in design so that in accordance with requirements of options and custom configuration, and when needed to facilitate the replacement and add other modules, and is given two mobile forms of design options, that is, tracked and wheeled mobile way of design , Both have their own characteristics, but mainly to crawler-based research and design, it has good mobility in the barrier, the inter-ditch, climbing has obvious advantages. The robot is the greatest advantage of the barrier has a good performance, adapt to environmental performance, Fangshuai impact resistance and have all-terrain capacity. The wheeled robot will detect mobility is better。In addition to detecting robot design the overall structure, but also gives a mobile control ways。Robot is the most important bodies of the sports chassis design, even the best software design, mobile design means no good, then the robot will not be very good mission. Wheeled, legged, tracked the movement of way in the design process has been given, Can be designed in accordance with the requirements of their own choice if the relatively flat terrain, or a gully of the terrain, can choose to track the movement; If the gully is not flat terrain, on the choice of wheeled mobile way, if formed ladder, and More complex terrain, the best choice legged approach。This design uses two types of control systems, through the PC directly through the bus to control the robot through the radio or to control the robot。Keywords： Detecting robot; modular design；tracked mobile； robots control system；目录摘要 IAbstractII第一章概述1.1 机器人的应用范围1.2 探测机器人的先状及发展趋势1.3 研究内容第二章机械系统的设计2.1 计算机模块的设计2.2传感器模块的设计2.3电源及驱动模块的设计2.4底盘运动模块的设计2.5各模块的连接11第三章能源驱动的设计选择143.1 能源的供给143.2电机的选择143.3电机驱动的选择15第四章传感器系统的设计174.1 视觉传感器174.2超声波传感器174.3红外传感器19第五章探测机器人的硬件系统205.1 传感器采集系统205.2保护电路205.3红外传感器的接线215.4超声波传感器的接线215.5罗盘处理流程215.6RS485-RS232转换电路22第六章探测机器人计算机硬件系统236.1 无线电台通讯系统236.2电子罗盘23第七章探测机器人软件系统的开发25移动控制系统的设计25演示控制程序25结束语29参考文献30第一章概述出于重要的战略意义，资源领域已成为各科技强国相互竞争的一个焦点，出于安全性等因素的考虑，对探测机器人的研究设计也成为了开发资源的重要硬件之一，探测机器人可以帮助人类完成一些不能完成的任务。1.1 机器人的应用范围1）行星探测移动机器人行星探测移动机器人的研究对于发展行星科学、提高国防能力、提高国家的国际地位等方面均有重要意义，因为:移动机器人是行星科学研究中着陆探测和取回样品到实验室分析的有力工具。人类在太空中停留数月之久会严重丢失钙和磷，这似乎意味着人类不可能在重力为零的状态下飞行6一9个月或更长一点时间。但机器人不存在这个问题。因此，行星探测移动机器人的研究是对行星进行长期实地考察的需要。大大节省探测成本。以月球探测为例，根据粗略的估计，一次有人驾驶的飞行所花费的钱要比无人驾驶飞行多50一100倍。因此，光就科学上的探索来说，用机器人执行无人驾驶飞行任务是合算的。有利于提高国家国防自动化的水平和国际地位。因此，行星探测移动机器人的研究受到世界各国的高度重视。2）海洋探测机器人海洋探测机器人人已经广泛应用于海洋开发的许多领域，随着海洋开发的不断深入，续航力大、探测范围广、能执行多种复杂任务的大型机器人需求也越来越大。主要用于海洋石油开发、海底管道光缆巡查检修以及其他各种复杂任务。为了使机器人能更好的完成指定任务，水下机器人的运动性能预报就成为了一个重要的研究课题。3）油井故障探恻机器人探测仪器的送进是油田上测井、修井等井下作业中的一项重要技术。4) 履带式井下探测机器人中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。这种探测机器人可在灾害发生前对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后进行施救等重要的危险任务。关于探测机器人应用范围比我们想象的要广泛的多，在军事方面，已经研究出了反坦克雷探测机器人；还有医学探测机器人等。2006年，中国政府制定的国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要和国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年），将发展航天事业置于重要地位。根据上述两个规划纲要，中国政府制定了新的航天事业发展规划，明确了未来五年及稍长一段时期的发展目标和主要任务。按照这一发展规划，国家将启动并继续实施载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优先项目，加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新。要发展航空事业，对月球进行探索，那么研究设计探测机器人是必不可少的过程。1.2 探测机器人的现状及发展趋势1）在行星探测机器人的研制方面，美国和俄罗斯处于世界领先地位。从20世纪60年代开始，美、苏向月球以及金、火、水、木、土等星球发射了许多探测器。格林威治时间1997年7月4日17时07分，美国国家航空航天局困ASA)发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。探路者登陆器上带有各种仪器及“索杰纳”火星车团。这是上世纪自动化技术最高成就之一。日本对机器人的设计也处于领先地位。日本京都大学科研人员已经开发出一种新型机器人,能在强烈地震发生后到废墟中探测被埋人员。还专门进行了实用演示。这种机器人外表象是一条粗大的节足昆虫,长143 m,由7节组成,有人的小腿一般粗细,每节周身都缠满纵向履带。它可以在遥控下从瓦砾的夹缝中蜿蜒穿行,装在头部的摄像机镜头会随时传输观察到的影像和搜集到的声音,从而供控制者判断里面是否有需要救助的存活人员。未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变化的任务，机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控制特性和能耗特性。基于不同的原理和性能侧重点，国内外提出并试验了多种类型的空间探测机器人移动机构。2）探测机器人移动系统的发展趋势如下:(1)轮腿式，履腿式等复合型结构的移动机器人是一个研制方向。(2)由于航天器技术、尺寸、质量和费用的限制,微小型行星探测机器人是目前发展的主流。(3)由于通信时延和微重力作用的缘故,中低速移动机器人是研制的主流。(4)机械结构设计与控制方案相结合是研制灵活可靠的行星探测机器人的设计方向。3）设计探测机器人所面临的问题尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人,但到目前为止,无论国内还是国外,同时具备以下性能的移动机器人还没有出现:(1)能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶;(2机器人陷入软土壤中时,能自动脱离软土壤区,恢复正常的行驶能力;(3)整机的可密封性和可压缩性良好;(4)克服倾翻对机器人行驶能力的不良影响;(5)行驶的高速高效性;(6)容积可进行扩充，而这些又是行星探测等领域移动机器人运动系统所应具备的重要性能,因此,研制出新型的、综合性能更好的行星探测机器人是行星探测机器人移动系统研究中有待解决的问题之一。1.3 研究内容本设计采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。而轮式探测机器人则机动性能比较好。除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动控制方案。其具体研究内容如下：1、研究探测机器人系统的设计原则。依据运动学原理，对机器人进行性能指标分析，动态分析，使机器人能够自适应路面，即具有抗倾覆性、爬坡性能、越障性能、跨沟性能等功能。2、确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。 1）移动方式的确定； 2）总体结构设计；3）传动系统设计。3、给出移动控制系统的设计方案。 1）监测方法；2）计算机硬件系统的设计； 3）计算机软件系统的设计。4、探测机器人的拟定工作流程如图1-1。接通通讯电缆打开控制界面点击所需运动机器人开始运行图1-1机器人工作流程第二章机械系统的设计设计对探测机器人采用了模块化设计，总体分为四个模块，即计算机模块，传感器模块，电源及驱动模块，运动底盘模块。模块化设计的探测机器人结构比较明了，而且在一些模块预留了一些空间，可以在需要的时候更换或添加其他模块。其简图如图2-1 控制计算机模块传感器模块电源驱动模块底盘运动模块图2-1测机器人简图其性能参数的基本要求如表所示2-1表2-1 机器人性能参数基本要求性能参数额定电压24VDC工作电流2A驱动方式直流电机驱动电池铅酸蓄电池组最大速度3m/s最小速度0.01m/s最大负载30kg工作时间6小时爬地能力15度越障能力3cm2.1计算机模块的设计计算机模块分为两部分结构，上端为度支撑架，下端是计算机的保护架。其中支撑架是用来控制摄像头的监测方向，将摄像头安装在支撑架的套筒里，此设计是为减小外界环境对摄像头表面和线路的影响，如水，阳光的腐蚀等，虽然不能完全隔离外界的影响，但尽量增加了摄像头的使用寿命。在支撑架的右方和下方安装两个舵机，使套筒具有上下，左右两个自由度，从而使摄像头可以全方位的监测周围的环境。保护架是用来防止计算机受到外界环境的撞击，另外，保护架提高了摄像设备的高度，可以看的更远一些。其简图如图2-2所示图2-2探测机器人摄像云台简图2.2传感器模块的设计传感器就像人类的感觉器官，探测机器人必需要有这方面的设计，视觉传感器也有他的局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在夜间执行任务时就很难实现其功能，为更好的使机器人完成认为，再加一组超声波传感器。传感器模块是一个由金属材料板组成的圆柱体，这种结构是根据主板的形状设计的，传感器模块虽然结构简单，但里边所安装的电路主板是机器人的枢纽，机器人个部分的电路板都在这里，所以密封工作一定要做好。传感器块周围安装了24路红外传感器和超声波传感器。当人遥控机器人执行任务且视频效果较好时可以关闭红外和超声波传感器，当视频效果不好或是机器人自行执行任务时，红外和超声波传感器都要开启。传感器与箱体板安装如图所示：2.3电源及驱动模块的设计电源及驱动模块是为机器人提供能源的部分，安装有电池组和左右电机驱动器，因为电池组喝驱动部分有一些重量，所以采用铸铁作为箱体。2.4底盘运动模块2.4.1移动方式的选择机器人的移动方式主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、混合移动式、蛇行移动式等，各种移动方式的机动性能对比如表2-2表2-2 车轮式、轮、履、腿式移动机构性能比较：移动机构方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好机构复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大机构控制难易程度易一般复杂探测器需要一个良好的工作性能，要想较好的完成任务，需要平稳的移动方式。很明显探测机器人系统的设计开题报告一、综述1.课题研究的目的和意义出于重要的战略意义，资源领域已成为各科技强国相互竞争的一个焦点，出于安全性等因素的考虑，对探测机器人的研究设计也成为了开发资源的重要硬件之一，探测机器人可以帮助人类完成一些不能完成的任务，其应用范围很广，有几下几方面：1）行星探测移动机器人行星探测移动机器人的研究对于发展行星科学、提高国防能力、提高国家的国际地位等方面均有重要意义，因为:移动机器人是行星科学研究中着陆探测和取回样品到实验室分析的有力工具。人类在太空中停留数月之久会严重丢失钙和磷，这似乎意味着人类不可能在重力为零的状态下飞行6一9个月或更长一点时间。但机器人不存在这个问题。因此，行星探测移动机器人的研究是对行星进行长期实地考察的需要。大大节省探测成本。以月球探测为例，根据粗略的估计，一次有人驾驶的飞行所花费的钱要比无人驾驶飞行多50一100倍。因此，光就科学上的探索来说，用机器人执行无人驾驶飞行任务是合算的。有利于提高国家国防自动化的水平和国际地位。因此，行星探测移动机器人的研究受到世界各国的高度重视。62）海洋探测机器人海洋探测机器人人已经广泛应用于海洋开发的许多领域，随着海洋开发的不断深入，续航力大、探测范围广、能执行多种复杂任务的大型机器人需求也越来越大。主要用于海洋石油开发、海底管道光缆巡查检修以及其他各种复杂任务。为了使机器人能更好的完成指定任务，水下机器人的运动性能预报就成为了一个重要的研究课题。13）油井故障探恻机器人探测仪器的送进是油田上测井、修井等井下作业中的一项重要技术。34) 履带式井下探测机器人中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。这种探测机器人可在灾害发生前对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后进行施救等重要的危险任务。5 关于探测机器人应用范围比我们想象的要广泛的多，在军事方面，已经研究出了反坦克雷探测机器人；还有医学探测机器人等。2006年，中国政府制定的国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要和国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年），将发展航天事业置于重要地位。根据上述两个规划纲要，中国政府制定了新的航天事业发展规划，明确了未来五年及稍长一段时期的发展目标和主要任务。按照这一发展规划，国家将启动并继续实施载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优先项目，加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新。要发展航空事业，对月球进行探索，那么研究设计探测机器人是必不可少的过程。2.课题的研究现状及发展趋势1）在行星探测机器人的研制方面，美国和俄罗斯处于世界领先地位。从20世纪60年代开始，美、苏向月球以及金、火、水、木、土等星球发射了许多探测器。格林威治时间1997年7月4日17时07分，美国国家航空航天局困ASA)发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。探路者登陆器上带有各种仪器及“索杰纳”火星车团。这是上世纪自动化技术最高成就之一。6日本对机器人的设计也处于领先地位。日本京都大学科研人员已经开发出一种新型机器人,能在强烈地震发生后到废墟中探测被埋人员。还专门进行了实用演示。这种机器人外表象是一条粗大的节足昆虫,长143 m,由7节组成,有人的小腿一般粗细,每节周身都缠满纵向履带。它可以在遥控下从瓦砾的夹缝中蜿蜒穿行,装在头部的摄像机镜头会随时传输观察到的影像和搜集到的声音,从而供控制者判断里面是否有需要救助的存活人员。未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变化的任务，机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控制特性和能耗特性。基于不同的原理和性能侧重点，国内外提出并试验了多种类型的空间探测机器人移动机构。2）探测机器人移动系统的发展趋势如下:(1)轮腿式，履腿式等复合型结构的移动机器人是一个研制方向.(2)由于航天器技术、尺寸、质量和费用的限制,微小型行星探测机器人是目前发展的主流.(3)由于通信时延和微重力作用的缘故,中低速移动机器人是研制的主流.(4)机械结构设计与控制方案相结合是研制灵活可靠的行星探测机器人的设计方向.6 3）设计探测机器人所面临的问题尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人,但到目前为止,无论国内还是国外,同时具备以下性能的移动机器人还没有出现:(1)能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶;(2机器人陷入软土壤中时,能自动脱离软土壤区,恢复正常的行驶能力;(3)整机的可密封性和可压缩性良好;(4)克服倾翻对机器人行驶能力的不良影响;(5)行驶的高速高效性;(6)容积可进行扩充，而这些又是行星探测等领域移动机器人运动系统所应具备的重要性能,因此,研制出新型的、综合性能更好的行星探测机器人是行星探测机器人移动系统研究中有待解决的问题之一6.二、研究内容本文以研制履带便携式抗摔机器人为目标，采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。其研究内容具体如下：1、研究探测机器人系统的设计原则。依据运动学原理，对机器人进行性能指标分析，动态分析，使机器人能够自适应路面，即具有抗倾覆性、爬坡性能、越障性能、跨沟性能等功能。2、确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。 1）移动方式的确定 2）总体结构设计 3）传动系统设计3、对探测机器人系统的硬件设计，绘制机械图。4、给出移动控制系统的设计方案。1）选择传感器2）控制系统3）驱动器的选择目标：掌握探测机器人系统的设计原则，从实际应用环境出发确定机器人的移动方式，选用合理的目标监测手段，来实现探测目的。三、实现方法及其预期目标1、总体结构设计本设计的探测机器人由四个模块构成，即底盘运动模块、电源及驱动模块、传感器模块、控制计算机模块。大体结构如图1-1控制计算机模块传感器模块电源驱动模块底盘运动模块图1-1机器人的总体结构2、移动机构分析便携式机器人按移动方式分主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、混合移动式、蛇行移动式等，各种移动方式的机动性能对比如表1-1表1-1 车轮式、轮、履、腿式移动机构性能比较：移动机构方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好机构复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大机构控制难易程度易一般复杂很明显，履带式移动机构的性能居于轮式和腿式移动机构之间，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面以及沟壑等，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统。运动原理：3、移动控制系统的设计一个在实际工作中的机器人，他的运动由驱动器系统实现，任务的具体执行有终端机具完成。在执行任务的过程中，感觉系统将内感受和外感受的信息反馈给控制系统，有控制系统对整个机器人的活动作决策和付诸实施。系统的控制部分的工作方式要适合于执行的任务。采用某一种工作方式，例如，人进行的干预很少-自由方式；人的干预很多-手动方式；断断续续干预-监督管理方式等，都要按任务的需求而定。在控制机器人执行任务过程中涉及三方面：信息-机器人自身及环境的信息。他们来自感觉系统即感知的机器人自身状态。决定-产生执行任务的行动方式，任务的程序设计。行动-控制信号的产生和实施。如图1-2 所示人决定行动（控制）信息（感觉）环境操作部分控制部分图1-2 控制系统结构图依据上述要求所需，考虑一下几个方面：1）选择传感器首先，机器人的传感器就像人体上的感觉器官，它可以探测到周围的环境，然后经过综合性的测量、计算，对他的行为进行选择判断。其中，视觉是最重要的，因为，即使只有视觉的时候，也能根据看到的进行前行或是改变行为方式，但如果失去了视觉，即使其他的感觉功能都存在，也很难判断周围的环境，很难对行为方式进行判断。所以首先应选择视觉传感器。其次，视觉传感器也有他的局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在晚间执行任务时就很难实现其功能，为更好的使机器人完成认为，再加一个超声波传感器。2）控制系统控制系统是指机器人的信息处理装置，在本设计项目中，选择数字电子计算机。这是一个依据事先和事后的信息而产生对机器人的控制命令的系统。信息主要来自人-机对话和感觉系统。机器人执行任务前。在计算机重要贮存好一个运动模型，一个环境模型，一些与执行任务有关的数据及一定数量的执行任务的策略和算法，在执行任务过程中，计算机接受来自传感器的机器人目前状态的信息和涉及到目前包括工作对象在内的环境状况的信息。依据上述的所有数字模型，原始数据，感受的信息，利用控制策略和算法，以及过去执行任务的经验等，计算机产生一个对机器人的控制命令。3）驱动装置的选择按照能源的不同，可分为液动，气动，电动三大类。电驱动器由于电能易于获取，容易传输，没有污垢，易于维修等优点而被广泛采用。在机器人使用的电驱动器中，步进电机与数字电子计算机的结合上，表现出很好的发展前景。所以驱动装置选择步进电机。 4软件组成硬件只是计算机控制系统的躯体；而软件则是计算机控制系统的大脑和灵魂，是人的思维与系统硬件之间的桥梁。软件的优劣关系到计算机控制系统正常运行、硬件功能的发挥以及控制性能的优劣等。用以具体实施有关功能的算法是以软件包的形式贮存在机器人的计算机系统中。为了控制机器人执行任务，在操作员与机器人之间进行信息交换是必须的，这样做旨在使机器人按操作员的意图进行工作，完成任务。本设计采用VC语言. 四、对进度的具体安排1. 第1-3周实习调研基本结束；2. 第4周撰写并提交调研报告和开题报告；3. 第5-6周制定探测移动机器人的设计原则；4第7周确立机器人的移动方式；5. 第8-12周设计机器人系统的机械结构；6. 第13-14周设计控制方案及监测手段；7第15-16周撰写并提交毕业论文；审阅、评审并修改毕业论文；8第17周完成毕业答辩五、参考文献1、刘晓峰：海洋探测机器人操纵性及仿真研究哈尔滨工业大学 2007.12、尚建忠罗自荣张新访范大鹏：基于构型组合的空间探测机器人移动机构设计*3、邵守君：基于虚拟样机的石抽井故障探恻机器人研究 2007.34、贺鑫元马书根李斌王越超：可重构星球探测机器人的机构设计机械工程报2005、125、柴汇：履带式井下探测机器人底层控制系统研究与设计 2007、56、刘方湖陈建平马培荪曹志奎：行星探测机器人的研究现状和发展趋势 2002、57、陈芳允：月球探测机器人移动系统的研究现状和发展趋势井冈山学院学报 2006、88、吴芳美：机器人控制基础中国铁道出版社9、孙树栋：工业机器人技术基础北京工业大学出版社 2006、1210、为海底探测提供数据日本加强深海探测督导老师：年月日领导小组审查意见：年月日审查人签字：年月日长春理工大学光电信息学院毕业设计本科生毕业设计探测机器人系统的设计Detection of the Robot System Design学生姓名专业机械电子工程学号指导教师分院机械电子工程分院2011年 6 月摘要本设计采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。而轮式探测机器人则机动性能比较好。除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动控制方案。机器人最重要的机构是运动底盘的设计，即使软件设计的再好，移动方式没有设计好，那么机器人也不会很好的执行任务。轮式，腿式，履带式的移动方式在设计过程中已经给出，可以根据自己设计的要求进行选择如果地形比较平缓，或是有沟壑的地形，可以选择履带的移动方式；如果是平缓没有沟壑的地形，就选用轮式的移动方式；如果地形成阶梯状，而且地形比较复杂，最好选用腿式的方法。本设计可以采用两种控制系统，即通过上位机直接通过总线对机器人进行控制或是通过无线电台对机器人进行控制。关键词：探测机器人模块化设计履带移动方式机器人的控制系统AbstractThe design is modular in design so that in accordance with requirements of options and custom configuration, and when needed to facilitate the replacement and add other modules, and is given two mobile forms of design options, that is, tracked and wheeled mobile way of design , Both have their own characteristics, but mainly to crawler-based research and design, it has good mobility in the barrier, the inter-ditch, climbing has obvious advantages. The robot is the greatest advantage of the barrier has a good performance, adapt to environmental performance, Fangshuai impact resistance and have all-terrain capacity. The wheeled robot will detect mobility is better。In addition to detecting robot design the overall structure, but also gives a mobile control ways。Robot is the most important bodies of the sports chassis design, even the best software design, mobile design means no good, then the robot will not be very good mission. Wheeled, legged, tracked the movement of way in the design process has been given, Can be designed in accordance with the requirements of their own choice if the relatively flat terrain, or a gully of the terrain, can choose to track the movement; If the gully is not flat terrain, on the choice of wheeled mobile way, if formed ladder, and More complex terrain, the best choice legged approach。This design uses two types of control systems, through the PC directly through the bus to control the robot through the radio or to control the robot。Keywords： Detecting robot modular design tracked mobile robots control system目录摘要 2Abstract3第一章绪论61.1 机器人的应用范围61.2 探测机器人的先状及发展趋势71.3 研究内容8第二章机械系统的设计92.1 计算机模块的设计92.2传感器模块的设计102.3电源及驱动模块的设计102.4底盘运动模块的设计102.5各模块的连接15第三章能源驱动的设计选择173.1 能源的供给173.2电机的选择173.3电机驱动的选择18第四章传感器系统的设计214.1 视觉传感器214.2超声波传感器224.3红外传感器23第五章探测机器人的硬件系统245.1 传感器采集系统245.2保护电路255.3红外传感器的接线255.4超声波传感器的接线265.5罗盘处理流程265.6RS485-RS232转换电路27第六章探测机器人计算机硬件系统296.1 无线电台通讯系统296.2电子罗盘29第七章探测机器人软件系统的开发31移动控制系统的设计31演示控制程序31结束语34致谢 35参考文献36第一章绪论出于重要的战略意义，资源领域已成为各科技强国相互竞争的一个焦点，出于安全性等因素的考虑，对探测机器人的研究设计也成为了开发资源的重要硬件之一，探测机器人可以帮助人类完成一些不能完成的任务。1.1 机器人的应用范围1.1.1 行星探测移动机器人行星探测移动机器人的研究对于发展行星科学、提高国防能力、提高国家的国际地位等方面均有重要意义，因为:移动机器人是行星科学研究中着陆探测和取回样品到实验室分析的有力工具。人类在太空中停留数月之久会严重丢失钙和磷，这似乎意味着人类不可能在重力为零的状态下飞行6一9个月或更长一点时间。但机器人不存在这个问题。因此，行星探测移动机器人的研究是对行星进行长期实地考察的需要。大大节省探测成本。以月球探测为例，根据粗略的估计，一次有人驾驶的飞行所花费的钱要比无人驾驶飞行多50一100倍。因此，光就科学上的探索来说，用机器人执行无人驾驶飞行任务是合算的。有利于提高国家国防自动化的水平和国际地位。因此，行星探测移动机器人的研究受到世界各国的高度重视。1.1.2 海洋探测机器人海洋探测机器人人已经广泛应用于海洋开发的许多领域，随着海洋开发的不断深入，续航力大、探测范围广、能执行多种复杂任务的大型机器人需求也越来越大。主要用于海洋石油开发、海底管道光缆巡查检修以及其他各种复杂任务。为了使机器人能更好的完成指定任务，水下机器人的运动性能预报就成为了一个重要的研究课题。1.1.3 油井故障探恻机器人探测仪器的送进是油田上测井、修井等井下作业中的一项重要技术。1.1.4 履带式井下探测机器人中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。这种探测机器人可在灾害发生前对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后进行施救等重要的危险任务。关于探测机器人应用范围比我们想象的要广泛的多，在军事方面，已经研究出了反坦克雷探测机器人；还有医学探测机器人等。2006年，中国政府制定的国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要和国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年），将发展航天事业置于重要地位。根据上述两个规划纲要，中国政府制定了新的航天事业发展规划，明确了未来五年及稍长一段时期的发展目标和主要任务。按照这一发展规划，国家将启动并继续实施载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优先项目，加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新。要发展航空事业，对月球进行探索，那么研究设计探测机器人是必不可少的过程。1.2 探测机器人的现状及发展趋势1.2.1 在行星探测机器人的研制方面，美国和俄罗斯处于世界领先地位。从20世纪60年代开始，美、苏向月球以及金、火、水、木、土等星球发射了许多探测器。格林威治时间1997年7月4日17时07分，美国国家航空航天局困ASA)发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。探路者登陆器上带有各种仪器及“索杰纳”火星车团。这是上世纪自动化技术最高成就之一。日本对机器人的设计也处于领先地位。日本京都大学科研人员已经开发出一种新型机器人,能在强烈地震发生后到废墟中探测被埋人员。还专门进行了实用演示。这种机器人外表象是一条粗大的节足昆虫,长143 m,由7节组成,有人的小腿一般粗细,每节周身都缠满纵向履带。它可以在遥控下从瓦砾的夹缝中蜿蜒穿行,装在头部的摄像机镜头会随时传输观察到的影像和搜集到的声音,从而供控制者判断里面是否有需要救助的存活人员。未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变化的任务，机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控制特性和能耗特性。基于不同的原理和性能侧重点，国内外提出并试验了多种类型的空间探测机器人移动机构。1.2.2 探测机器人移动系统的发展趋势如下:(1)轮腿式，履腿式等复合型结构的移动机器人是一个研制方向。(2)由于航天器技术、尺寸、质量和费用的限制,微小型行星探测机器人是目前发展的主流。(3)由于通信时延和微重力作用的缘故,中低速移动机器人是研制的主流。(4)机械结构设计与控制方案相结合是研制灵活可靠的行星探测机器人的设计方向。1.2.3设计探测机器人所面临的问题尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人,但到目前为止,无论国内还是国外,同时具备以下性能的移动机器人还没有出现:(1)能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶;(2机器人陷入软土壤中时,能自动脱离软土壤区,恢复正常的行驶能力;(3)整机的可密封性和可压缩性良好;(4)克服倾翻对机器人行驶能力的不良影响;(5)行驶的高速高效性;(6)容积可进行扩充，而这些又是行星探测等领域移动机器人运动系统所应具备的重要性能,因此,研制出新型的、综合性能更好的行星探测机器人是行星探测机器人移动系统研究中有待解决的问题之一。1.3 研究内容本设计采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。而轮式探测机器人则机动性能比较好。除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动控制方案。其具体研究内容如下：1、研究探测机器人系统的设计原则。依据运动学原理，对机器人进行性能指标分析，动态分析，使机器人能够自适应路面，即具有抗倾覆性、爬坡性能、越障性能、跨沟性能等功能。2、确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。 1）移动方式的确定； 2）总体结构设计；3）传动系统设计。3、给出移动控制系统的设计方案。 1）监测方法；2）计算机硬件系统的设计； 3）计算机软件系统的设计。4、探测机器人的拟定工作流程如图1-1。接通通讯电缆打开控制界面点击所需运动机器人开始运行图1-1机器人工作流程第二章机械系统的设计设计对探测机器人采用了模块化设计，总体分为四个模块，即计算机模块，传感器模块，电源及驱动模块，运动底盘模块。模块化设计的探测机器人结构比较明了，而且在一些模块预留了一些空间，可以在需要的时候更换或添加其他模块。其简图如图2-1 控制计算机模块传感器模块电源驱动模块底盘运动模块图2-1测机器人简图其性能参数的基本要求如表所示2-1表2-1 机器人性能参数基本要求性能参数额定电压24VDC工作电流2A驱动方式直流电机驱动电池铅酸蓄电池组最大速度3m/s最小速度0.01m/s最大负载30kg工作时间6小时爬地能力15度越障能力3cm2.1计算机模块的设计计算机模块分为两部分结构，上端为度支撑架，下端是计算机的保护架。其中支撑架是用来控制摄像头的监测方向，将摄像头安装在支撑架的套筒里，此设计是为减小外界环境对摄像头表面和线路的影响，如水，阳光的腐蚀等，虽然不能完全隔离外界的影响，但尽量增加了摄像头的使用寿命。在支撑架的右方和下方安装两个舵机，使套筒具有上下，左右两个自由度，从而使摄像头可以全方位的监测周围的环境。保护架是用来防止计算机受到外界环境的撞击，另外，保护架提高了摄像设备的高度，可以看的更远一些。其简图如图2-2所示图2-2探测机器人摄像云台简图2.2传感器模块的设计传感器就像人类的感觉器官，探测机器人必需要有这方面的设计，视觉传感器也有他的局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在夜间执行任务时就很难实现其功能，为更好的使机器人完成认为，再加一组超声波传感器。传感器模块是一个由金属材料板组成的圆柱体，这种结构是根据主板的形状设计的，传感器模块虽然结构简单，但里边所安装的电路主板是机器人的枢纽，机器人个部分的电路板都在这里，所以密封工作一定要做好。传感器块周围安装了24路红外传感器和超声波传感器。当人遥控机器人执行任务且视频效果较好时可以关闭红外和超声波传感器，当视频效果不好或是机器人自行执行任务时，红外和超声波传感器都要开启。2.3电源及驱动模块的设计电源及驱动模块是为机器人提供能源的部分，安装有电池组和左右电机驱动器，因为电池组喝驱动部分有一些重量，所以采用铸铁作为箱体。2.4底盘运动模块2.4.1移动方式的选择机器人的移动方式主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、混合移动式、蛇行移动式等，各种移动方式的机动性能对比如表2-2表2-2 车轮式、轮、履、腿式移动机构性能比较：移动机构方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好机构复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大机构控制难易程度易一般复杂探测器需要一个良好的工作性能，要想较好的完成任务，需要平稳的移动方式。很明显，履带式移动机构的性能居于轮式和腿式移动机构之间，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面以及沟壑等，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为探测机器人的推进系统。所以采用履带式的移动方式。另外，考虑到履带移动方式的机动性能比较差，所以，本章节也设计了2轮+1个万向轮的移动方案，这样可以根据地形的不同，才用不同的移动方式，在平缓的地形中，可以采用轮式，在有沟壑的地形中采用履带式。这样就增加了探测机器人的工作效率。2.4.2 履带的选择根据探测机器人性能参数表可知，要求的移动速度不高，但移动距离应该精准，根据这些要求，履带选用梯形齿同步带，其特点如下：结构简图如图2-3图2-3 履带简图结构：工作面为梯形齿，承载层为玻璃纤维绳芯、钢丝绳等环形带，有氯丁胶和聚氨酯橡胶两种。特点：靠啮合传动，承载层保证带齿啮合齿距不变，传动比较准确，轴压力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，但安装制造要求较高。应用：v50m/s P300kw i10要求同步的传动，也可用于低速传动。2.4.3 履带、齿轮的设计计算常见的行走机构形式就是同步带/齿形带。同步带/齿形带传动具有带传动，链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝或玻璃纤维为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可以用于较高速度。传动的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98% 。传动噪音比带传动，链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需有润滑，寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。所以同步带广泛应用于要求传动比准确地中，小功率传动中，如家用电器，计算机，仪器及机器人，机床，化工，石油等机械。同步带的设计计算1选择设计功率 (1) 2选择带型和节距选取带型为H型 (2) 3根据带型H和小带轮转速n1查得最小齿轮，此处取Z=20小带轮节圆直径d1 (3)查表得其外径设计Z2=Z1=204带速 v= (4)5定轴间距=400mm6带长及其齿数 (5)7查表应选用带长代号为420的H型同步带，其节线长，节线上的齿数Z=848实际轴间距a= (6)9小带轮啮合齿数 (7)10基本额定功率 (8)查得所需带宽 (9)查表得：H型带查表得应选带宽代号为150的H型带，其11带轮结构和尺寸传动选用同步带为H150带轮Z1=Z2=20，d1=d2=80.85mm,da1=da2=79.48mm采用同步带作为履带的优点是：效率高，最高效率能达到90%以上；设计简单，只须根据标准规格选择节矩，齿数，长度，宽度就可以了。但是同步带一旦选定，长度，宽度就是固定的，因此基本属于定制，设计不同的履带式平台就需要不同的同步带。这个特点限制了同步带应用的灵活性。本设计还附加了轮式底盘的移动方式，2轮加万向轮，因为尽管履带移动方式的稳定性比较强，但机动性比较差，所以，在必要的时候，可以根据地形的不同，装配不同的移动方式。轮式底盘的装配图在附录中，其他模块不便。2.4.4锥齿轮的设计这是轮式移动方式中，传动是通过锥齿轮来实现的。锥齿轮的计算如下：齿轮比 u=1大端分度圆直径 de1=20mm齿数 Z1=Z2=30大端模数 me1=de1/Z1=6.67分锥角1=45外锥距 Re=de1/2sin1=141.4齿宽 b1=RRe=42.42齿宽系数 R=b/Re=0.3平均分度圆直径 dm1=de1 (1-0.5R)=170中锥距 Rm=Re(1-0.5R)=120.19平均模数 Mm=me1 (1-0.5R)=5.6695切向变位系数 Xt=0径向变位系数 X=0.46（1-cos2/ucos1）=0齿顶高 ha1=me（1+x1）=6-67齿根高 hf1=me（1+c-x1）=8.004顶隙 c= cm齿距角 a1=f2=f1齿根角f1=arctan(hf1/Re)=3.24顶锥角 a1=1+f2=48.24根锥角 f1=1-f1=41.76齿顶圆直径 da1=de1+2ha1cos1=209.43安装距A1冠顶距 Ak1=de2/2-ha1sina1=95.285轮冠距=H1=A1-Ak1大端分度圆齿厚S1=me（/2+2x1tan+xt1）端面当量齿数 Zv1=z1/cos1=42.43锥齿轮在这个设计中的作用是连接电机转轴和车轮转轴，采用的两个90度锥齿轮进行连接，这样既可以保证两个转轴之间的传动，有可以很好的黏合。2.5 各模块的连接2.5.1 计算机模块与传感器模块的连接如图2-4所示传感器盖板传感器箱体连接件计算机模块图2-4 计算机模块与传感器模块的连接计算机模块与传感器模块的连接很简单，设计的原则就是模块化设计，各模块的拆装应该简单明了。其中连接计算机模块与盖板的是8颗M3内六角沉头螺钉，图中显示的是其中的两个，其它6颗都与这两个对称。注意，这里的螺钉式直接连接到盖板上的，并且计算机固定架仅仅靠着几颗螺钉连接。因此，安装时务必装紧，避免由于震动等造成螺钉的松动。传感器上的盖板则是用8颗M5内六角沉头螺钉固定的，一个连接机构需两个螺钉，其它六个与这两个均匀分布，这样的拆卸非常方便。从图中可以看出，8颗内六角沉头螺钉都固定在了计算机模块的外部，很明显，这样连接即使不拆除计算机模块，也可以打开盖板看到传感器模块里的情况，为排查故障等提供了方便，还有就是，盖板要比传感器的箱体要大，因为，传感器箱体里放的是几乎所有机器人所需要的电路板，防止大量灰尘进入到里边影响电路的正常工作。在传感器模块与盖板之间有一条扁平电缆连接，在末端分成两个插头，其中一个是插在传感器主板上，是24V电源插头，为传感器层顶的用电设备提供24V电源插头；另一个插在传感器主板上的一个扩展卡上。作用是将机器人底层的RS-485总线转换为方便连接计算机的RS-232电平。传感器箱体2.5.2 传感器模块与电源驱动模块的部分连接电源及驱动模块盖板两模块连接件连接方法如图2-5图2-5 传感器模块与电源驱动模块的连接如图所示，这里盖板的连接方式与传感器盖板的连接方式相同，用8颗M5内六角沉头螺钉固定。由于传感器箱体底部安装了电路主板等，所以是封闭的，用计算机架的连接方式就不能实现拆卸方便的原则，所以采用途中所示的方法，两个模块分别固定各自的连接快，然后结合到一块儿，然后用一颗M5内六角圆柱头螺钉进行紧固，螺钉头朝外，这样拆装就相当简单了，两个模块之间共有四组这样的连接方式，分布在盖板的四周。2.5.3电源驱动模块与底盘运动模块的连接图如图2-6所示，1为电源及驱动模块，2为减振机构，3为连接架，4位履带当板。这两个模块连接较其它模块有所不同，电源及驱动模块与运动底盘连接，它的稳定性直接影响机器人的工作效率，为了减小底盘移动产生的震动，在与电源及驱动模块的连接中，加进一个减震机构，如图所示，这个结构刚性比较好，可以消除一些由于路面不平产生的震动。连接架的下端用四颗M5螺栓进行固定。机器人共有四组这样的减振机构，左右各两组。电源及驱动模块减震机构连接架运动底盘图2-6电源驱动模块与底盘运动模块的连接第三章能源驱动的设计选择机器人运行条件不同消耗的电能如表3-1表3-1 机器人消耗电能量运行条件电流（A）机器人待机（传感器处于休眠状态）0.5A机器人静止（所有传感器工作）2A机器人前进（最大3m/s速度）3.5A机器人旋转（1m/s速度）4.5A 从表中可以看出，机器人的功耗控制的较低，并且散热系统的设计有效的利用了金属壳作为散热器。在正常工作环境下，机器人长时间工作也不会过热，所以可以放心使用。3.1能源的供给本机器人的能源装置配置了两单元铅酸蓄电池，其参数如下：容量： 24V17Ah(2单元12V串联，单元容量12V17Ah),408Wh 重量： 11kg 放电能力： 10-20,170-340A连续电路能量密度： 39Wh/kg 循环寿命： 500次工作时间： 4-6小时3.2电机的选用驱动装置的选择按照能源的不同，可分为液动，气动，电动三大类。电驱动器由于电能易于获取，容易传输，没有污垢，易于维修等优点而被广泛采用。在机器人使用的电驱动器中，步进电机与数字电子计算机的结合上，表现出很好的发展前景。根据第二章计算结果和机器人性能要求，配置了乐日本三洋公司生产的Super_L直流电机，外观如图3-1所示：图3-1 Super L三洋直流电机电机参数如下：额定电压 24V 额定功率 60W 额定转速 3000n/min 减速比 1:5 编码盘线数 512-10243.3电机驱动的选择直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人运动。直流电机上的电压大小影响它的转速和扭矩。探测机器人的调速是通过直流运动控制器来实现的，此探测机器人配置了瑞士FAULHABER公司的MCDC2805，如图3-2所示：图3-2MCDC2805驱动器MCDC2805运动控制器是专为直流电机而量身定做的，配合性能优异的SANYOSuperL电机及集成编码器，即使在转速非常低的情况下，也能到达0.18度的定位控制精度。MCDC 2805 运动控制器由功能强大的16位处理器和性能卓越的数字滤波器组成智能化的MCDC 2805 能实现以下功能：1速度控制：在绝大多数应用中，均能达到优异的速度同步性能，同时转矩波动最小内置PI调节器能准确到达指定位置。2速度模式可以方便实现谐波，三角形，梯形及更复杂的复合运动速度图运行模式。3位置控制：采用限位开关，参考令位及高分辨率的编码器，可以实现高精度定位控制。4附加控制模式：可以通过步进控制模式同步控制多个电机工作。5转矩控制：通过调节电流实现转矩控制6保存和运行程序：可以完全脱离PC主机独立运行，实现所有控制功能。7输入输出：给定信号输入：可以用模拟方式或数字方式输入给定速度，此书如也可以作为参考信号用。根据不同的工作模式，又是需要频率信号输入。故障输出端（集成极开路输出）：可以设置成旋转方向输入，数字输入或参考输入口。 RS232串口：用于与PC主机通讯和控制程序运作。 MDCD2805接线口如表3-2表3-2 MDCD2805的接线表如下：电源侧9针D型串口电机侧接线端功能接线端功能接线端功能V1RS-232 TXD(RS-232发送端)2RS-232RXD(RS-232接收端)M1InputNo.5(第三输入端)V2RS-232RXD(RS-232接收端)3RS-232TXD(RS-232发送端)M2InputNo.4(第三输入端)V3AnalogGND(模拟地)5GND(地)M3Channel A (编码器A通道)V4Fault Ouput(故障输出端)M4Channel B (编码器B通道)V5Analog Input（模拟输入端）M5VCC(+5)(系统提供+5V)V6+24V(点源正极)M6Signal GND (信号地)V7GND(地)M7MOTOR+(接电机正极)V8Input No.3(第三输入端)M8MOTOR_（接电机负极）第四章传感器系统的设计首先，机器人的传感器就像人体上的感觉器官，它可以探测到周围的环境，然后经过综合性的测量、计算，对他的行为进行选择判断。其中，视觉是最重要的，因为，即使只有视觉的时候，也能根据看到的进行前行或是改变行为方式，但如果失去了视觉，即使其他的感觉功能都存在，也很难判断周围的环境，很难对行为方式进行判断。所以首先应选择视觉传感器。4.1视觉传感器因为在设计过程中，为了保护好摄像设备的连接线以及防止设备被环境腐蚀等，已经设计了用舵机控制自由度的摄像云台，安装摄像头的部位可以在控制下朝向任何的方向，所以只需一个USB摄像头即可。如图3-3所示；具体视觉参数如表4-1图4-1表4-1 视觉具体参数如下：传感器类型Ccd感光器传感器像素130最高分辨率(dpi) 1280*960最大帖数(FPS)30色彩位数(bit)24对焦方式/范围自动对焦摄像头压缩比5:1兼容操作系统Windows 2000/Windows XPPC接口类型USB 2.0颜色银灰色其它内置麦克风，用Rightsound技术，清晰，无回音的语音系统。为了使机器人更好地执行任务，配置了24路超声波传感器和PSD红外传感器。两种测距传感器可以互补，例如有些不反射红外的物体（像黑色塑料等）却能很好地反射超声波，反之，很多超声波传感器无法检测到的物体（像纤细的织物）很容易被红外测距传感器检测到。4.2超声波传感器超声波传感器安装如图-2图4-2 超声波传感器安装图超声波传感器就是被两个螺钉固定在了箱体上，共配置了24路超声波传感器安装到了传感器的箱体周围的壁上。超声波传感器的测距工作原理：超声波传感器激发出一束很窄的超声波在空气中传播，当遇到障碍物时，超声波返回。根据超声波的传递时间就能准确地计算出障碍物的相对距离。原理如图4-3定时器控制显示器调制器计时器接受检验振荡器超声波接收器超声波发生器图4-3 超声波检测距板原理图本设计采用的使集成的超声测距传感器，使用简单。首先将超声波传感器的INIT信号拉到高电平，此时超声波传感器换能器的将激发超声波。INIT信号高电平的时间与需要测量的最长距离有关。当超声波遇到障碍物时，超声波将返回，超声波传感器检测到回波信号后，将ECHO置为高电平。当INIT信号为低电平时，ECHO同时也变为低电平。因此可以计算障碍物的距离：障碍物的距离S=（INIT高电平时间T1-ECHO高电平的时间）*声速/2。超声波传感器工作的时序如图4-4所示图4-4 超声波传感器工作时序图4.3红外传感器的配置除了超声波传感器，还为探测机器人配置了24路红外传感器参数的型号为E18-B0，规格数据为： VCC: 6V-36V(典型12V) 工作电流: 小于300mA 输出形式: NPN三极管OC输出封装形势: 工程材料安装方式: 直径17mm壳体螺纹，带锁紧螺母光电开关输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不成给出障碍物的实际距离，而且其开关的临界距离要受外界光环境的影响。因此仅作为超声波传感器的补充，以测量超声波传感器的补充，以测量超声波传感器的盲区内有无障碍物。另外，该传感器有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感器触发的距离。随供电电压不同，最远探测距离在5-60cm可调。虽然红外传感器的功能有限，但恰恰与超声波的功能互补，所以为了使探测机器人更好的执行任务，红外传感器是必不可少的。第五章探测机器人的硬件系统5.1 传感器采集系统5.1.1 传感器主板如图5-1图5-1 传感器主板图中只显示了一个超声波传感器，其他24路沿主板均匀排列，将收集到的信息存到采集卡里，并传输给计算机。5.1.2 电源输入以及简单保护电路：传感器主板电源输入如图5-2：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24V电源，另一路直接为PC提供电源。其中LED01与LED02分别是传感器系统与PC系统电源指示电源电路。图5-2 传感器主板电源输入5.2电源保护电路电源保护电路如图5-3为了便于用扩展，对各扩展卡的每一路电源以及信号都进行可靠的保护如图，即使用出现把短路，接反，信号混乱也不会导致整个系统崩溃。图5-3 电源保护电路5.3红外传感器的接线红外传感器输入接口如图5-4 传感器供电为5V,HY_OUT为输入端。图5-4红外传感器输入接口图5.4超声波传感器的接线超声波传感器输入接口如图5-5传感器主板上24路超声波传感器接口，其定义如图所是：POWER,GND是12V供电接口ECHO_OUT是超声波传感器回波信号输出INT_IN是超声波传感器使能输入图5-5 超声波传感器接口图5.5罗盘处理基本工作原理：在接收到PC查询指令后读取罗盘数据，并按标准协议发送到PC.程序基本流程图5-6初始化发送总指令为查询罗盘？向罗盘发出读指令罗盘返回数据？加入数据包头和校验十次连续查询是是否否是是图5-6 罗盘数据基本流程图5.6 RS485-RS232转换电路基本工作原理：通过MAX491将+12V-17V的RS485差分电平转化为0-5V的CMOS电平，然后通过MAX232将CMOS电平转化为PC的+12-7的VRS232电平，实现PC与模块设备的通信。如图5-7所示图5-7 RS485-RS232转换电路第六章探测机器人计算机硬件系统在机器人的研究中，机器人的系统结构一直是人们关注的热点。通用开放式机器人系统是今后发展的趋势。首先，开放机器人应具备以下特征：1 使用基于非专用局算机平台的开发系统；2 使用标准的操作系统和标准的控制语言；3 硬件基于标准总线结构，能够与各种外围设备和传感器接口；4 能与分布式系统中其他单元共享数据，并允许远程操作；5 机器人系统的性能和功能可以根据使用需求很方便地增减。本人设计的探测机器人符合上述条件，是开放式的机器人。本设计采用笔记本电脑架构，集成Windows操作系统和VC开发环境。基于架构的机器人系统的优点是：1 通用的机器人系统，开放性好；2 良好的通讯功能；PC很容易与其他设备实现通讯，因此很容易扩展其他硬件设备；3 具有成熟的标准总线结构，能够与各种外围设备和传感器接口；4 系统的处理能力强，容易实现复杂的算法；5 机器人系统的性能和功能可以根据实用需求很方便的增减。基于操作系统和开发环境的机器人系统有点是：1 友好的人机界面；2 广泛的用户基础；3 完备的软件开发环境；4 丰富的软件资源；6.1无线电台通讯系统无线电台通讯系统通过USB与笔记本或PC上的接口连接。此特定的USB最好不要用随意改变，否则需要重新安装驱动。目前无线电台通讯的波特率19200。6.2电子罗盘所选三轴电子罗盘的参数为：1 主要用于自主机器人定位和导航，以及姿态测量；2 三轴电子罗盘可以进行机器人自身的滚转，俯仰姿态测量，峰峰值（最大误差）精度可高达1度，典型精度0.5度，分辨率0.度。3 带有电子常平架的罗盘即使倾斜达40度，也能给出精度的航向。4 完善的罗盘自动标定程序将修正平台的磁影响。磁场计的宽度范围（正负1G或100）允许工作在当地较大的磁场。63电机调速系统控制原理如图6-1显示电路脉冲整形PWM功放电路编码盘键盘MCS51-8051PWM波形发生器M图6-1 电机调速系统控制原理调速系统的硬件原理是以MCS51-8051单片机为控制核心，包括测速电路，PWM波形发生器和PWM功放电路。其电路图在附件中。主程序流程图如图6-2 显示速度送入控制系统偏差=即时速度-键值开外不中断读取键值系统初始化开始按键S是否按下图6-2主程序流程图第七章探测机器人软件系统的开发机器人的控制系统是指机器人的信息处理装置，在本设计项目中，选择数字电子计算机。这是一个依据事先和事后的信息而产生对机器人的控制命令的系统。信息主要来自人-机对话和感觉系统。机器人执行任务前。在计算机重要贮存好一个运动模型，一个环境模型，一些与执行任务有关的数据及一定数量的执行任务的策略和算法，在执行任务过程中，计算机接受来自传感器的机器人目前状态的信息和涉及到目前包括工作对象在内的环境状况的信息。依据上述的所有数字模型，原始数据，感受的信息，利用控制策略和算法，以及过去执行任务的经验等，计算机产生一个对机器人的控

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