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探测机器人系统的设计.doc

探测机器人系统的设计【优秀含5张CAD图纸+全套机器人毕业设计】

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毕业设计附录部分

计算机程序

履带装配 A1.dwg

总装配图 A0.dwg

电气图 A1.dwg

电路图A1.dwg

行走机构A0.dwg

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关键词：: 探测机器人系统设计优秀优良 cad 图纸全套毕业设计

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设计说明书.doc[15000字，32页]

毕业设计附录部分

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履带装配 A1.dwg

总装配图 A0.dwg

电气图 A1.dwg

电路图A1.dwg

行走机构A0.dwg

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 ――――――――――――――――――――――――I

Abstract――――――――――――――――――――――II

第一章　概述――――――――――――――――――――――――４

1.1 机器人的应用范围――――――――――――――――――――――４

1.2 探测机器人的先状及发展趋势―――――――――――――――――４

1.3 研究内容――――――――――――――――――――――――――５

第二章　机械系统的设计―――――――――――――――――――７

2.1 计算机模块的设计――――――――――――――――――――――７

2.2　　传感器模块的设计――――――――――――――――――――――８

2.3　　电源及驱动模块的设计――――――――――――――――――――８

2.4　　底盘运动模块的设计―――――――――――――――――――――８

2.5　　各模块的连接――――――――――――――――――――――――11

第三章　能源驱动的设计选择―――――――――――――――――14

3.1 能源的供给―――――――――――――――――――――――――14

3.2　　电机的选择―――――――――――――――――――――――――14

3.3　　电机驱动的选择―――――――――――――――――――――――15

第四章　传感器系统的设计――――――――――――――――――17

4.1 视觉传感器―――――――――――――――――――――――――17

4.2　　超声波传感器――――――――――――――――――――――――17

4.3　　红外传感器―――――――――――――――――――――――――19

第五章　探测机器人的硬件系统――――――――――――――――20

5.1 传感器采集系统―――――――――――――――――――――――20

5.2　　保护电路――――――――――――――――――――――――――20

5.3　　红外传感器的接线――――――――――――――――――――――21

5.4　　超声波传感器的接线―――――――――――――――――――――21

5.5　　罗盘处理流程――――――――――――――――――――――――21

5.6　　RS485-RS232转换电路――――――――――――――――――――22

第六章　探测机器人计算机硬件系统――――――――――――――23

6.1 无线电台通讯系统――――――――――――――――――――――23

6.2　　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:①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。②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。③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。④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。

QQ截图20150714181600.jpg

QQ截图20150714181659.jpg

电路图A1.jpg

电气图 A1.jpg

行走机构A0.jpg

履带装配 A1.jpg

总装配图 A0.jpg

内容简介：: 控制界面源程序 / wl.cpp : Defines the class behaviors for the application. / #include stdafx.h #include wl.h #include wlDlg.h #ifdef _DEBUG #define new DEBUG_NEW #undef THIS_FILE static char THIS_FILE = _FILE_; #endif / / CWlApp BEGIN_MESSAGE_MAP(CWlApp, CWinApp) /AFX_MSG_MAP(CWlApp) / NOTE - the ClassWizard will add and remove mapping macros here. / DO NOT EDIT what you see in these blocks of generated code! /AFX_MSG ON_COMMAND(ID_HELP, CWinApp:OnHelp) END_MESSAGE_MAP() / / CWlApp construction CWlApp:CWlApp() / TODO: add construction code here, / Place all significant initialization in InitInstance / / The one and only CWlApp object CWlApp theApp; / / CWlApp initialization BOOL CWlApp:InitInstance() nts AfxEnableControlContainer(); / Standard initialization / If you are not using these features and wish to reduce the size / of your final executable, you should remove from the following / the specific initialization routines you do not need. #ifdef _AFXDLL Enable3dControls(); / Call this when using MFC in a shared DLL #else Enable3dControlsStatic(); / Call this when linking to MFC statically #endif CWlDlg dlg; m_pMainWnd = &dlg; int nResponse = dlg.DoModal(); if (nResponse = IDOK) / TODO: Place code here to handle when the dialog is / dismissed with OK else if (nResponse = IDCANCEL) / TODO: Place code here to handle when the dialog is / dismissed with Cancel / Since the dialog has been closed, return FALSE so that we exit the / application, rather than start the applications message pump. return FALSE; nts电机控制程序 org 00h ajmp start org 30h START：；检测键盘状态的程序 mov p0,#0ffh ；置 p0为输入口，将 P0口置为 1，用于检查按键是否按下 jnb p0.0,QIDONG ；按键 S2按下， p0.0为 0，进入启动（正转）程序 jnb p0.1,FANZHUAN ；按键 S3按下， p0.1为 0，进入反转程序 jnb p0.2,JITING ；按键 S4按下， p0.2为 0，进入急停程序 jnb p0.3,JIASU ；按键 S5按下， p0.3为 0，进入加速程序 jnb p0.4,JIANSU ；按键 S6按下， p0.4为 0，进入减速程序 jnb p0.5,TINGZHI ；按键 S7按下， P0.5为 0，进入停止程序 ajmp start QIDONG. ；启动程序，默认为顺时针转动，转速为 2000RPM LCALL YANSHI ；调用延时子程序，目的：软件消除按键抖动 JNB P0.0,QI LJMP START ；软件消抖后，若 p0.0为 1，则认为按键未按下，回到检测按键状态程序 QI: clr p0.6 ； p0.6接电机 R/S端，将其清零表示电机可以运行 setb p0.7 ； p0.7接 DIR端，为 1，则与 COM端断开，电机正转 mov p2,#0Bh ； p2.0接 CH1， p2.1接 CH2， p2.2接 CH3，将速度设定为 2000RPM lcall XIANSHI ；显示设定速度 LJMP START ；执行完启动程序后，回到检测按键状态程序 FANZHUAN: ；反转程序，也即逆时针转动 ntsLCALL YANSHI ；调用延时子程序，目的：软件消除按键抖动 JNB P0.1,FAN LJMP START ；软件消抖后，若 p0.0为 1，则认为按键未按下，回到检测按键状态程序 FAN: clr p2.3 ；接通 BRK端，使电机急停 lcall PANTING ；调用判停程序 ,能从判停程序中返回，说明机已停 setb p2.3 ；断开 BRK端，解除急停状态 clr p0.7 ；接通 DIR端，使电机逆时针转动 lcall XIANSHI ；显示设定速度 LJMP START ；执行完启动程序后，回到检测按键状态程序；急停程序 LCALL YANSHI ；调用延时子程序，目的：软件消除按键抖动 JNB P0.2,JI LJMP START ；软件消抖后，若 p0.0为 1，则认为按键未按下，回到检测按键状态程序 JI: clr p2.3 ；接通 BRK端，使电机急停 lcall PANTING ；调用判停程序，若能从中返回，说明电机已停 LJMP START ；执行完启动程序后，回到检测按键状态程序 JIASU: ；加速程序，每按一次键，加速 500rpm LCALL YANSHI ；调用延时子程序，目的：软件消除按键抖动 JNB P0.3,JIA LJMP START ；软件消抖后，若 p0.0为 1，则认为按键未按下，回到检测按键状态程序 JIA: mov a,p2 ；将 p2的值复制到累加器 a中 anl a,#07h ；取 ch3ch2ch1的值，并放到累加器 a中 jz START ；若 a中值为 0，则速度已经最大，不再加速，回到检测按键状态程序 mov r0,p2 dec r0 mov p2,r0 ；加速 500rpm（参考电机驱动器说明中的多段速度选择部分） lcall XIANSHI ；显示设定的速度 LJMP START ；执行完启动程序后，回到检测按键状态程序 JIANSU: ；减速程序，每按一次键，减速 500rpm LCALL YANSHI ；调用延时子程序，目的：软件消除按键抖动 ntsJNB P0.4,JIAN LJMP START ；软件消抖后，若 p0.0为 1，则认为按键未按下，回到检测按键状态程序 JIAN: mov a,p2 anl a,#07h ；取 ch3ch2ch1的值 cjne a,#07h,JS ；若 a中数值为 07h，则速度已为 0， ljmp START ；若速度为 0，则程序回到开始程序，不再减速，以防出错 JS: mov a,P2 inc a mov P2,a ；减速 500rpm（参考电机驱动器说明中的多段速度选择部分） lcall XIANSHI ；显示设定的速度 ljmp START ；执行完启动程序后，回到检测按键状态程序 TINGZHI: ；停止程序 LCALL YANSHI ；调用延时子程序，目的：软件消除按键抖动 JNB P0.5,TING LJMP START ；软件消抖后，若 p0.0为 1，则认为按键未按下，回到检测按键状态程序 TING: setb p0.6 ； p0.6接 R/S端，为 1，则与 COM端断开 lcall PANTING ；调用判停程序，若能从中返回，说明电机已停 LJMP START ；执行完启动程序后，回到检测按键状态程序 YANSHI: ；延时 10ms,这是一个子程序，功能是延时 10毫秒 mov a,#0 ；对累加器 a置零，延时用 y: mov r1,#00h ；对寄存器 r1 置零，延时用 inc r1 cjne r1,#0ffh,y ；延时 1ms inc a cjne a,#10,y ；延时 101=10ms ret PANTING: ；判停程序，这是一个子程序，若能从判停程序中返回，则说明电机已停 jnb p2.4,yanshi250ms ；若 speed端为 0，则进入延时程序 ajmp PANTING ；若 speed端为 1，则返回 PANTING，等待 speed端出现 0电平 ntsyanshi250ms: clr p2.6 ；允许对计数器置数 mov p3,#08h ；对计数器置入数 8 setb p2.6 ；计数器开始计数 mov a,#0 ；对累加器 a置零，延时用 y250: mov r1,#00h ；对寄存器 r1置零，延时用 inc r1 jb p2.5,PANTING ；若期間 Tc 为 1，则电机未停，返回 PANTING，继续判断 cjne r1,#0ffh,y250 ；延时 1ms inc a cjne a,#250,y250 ；延时 250ms， ret ；若至延时结束 Tc 一直不改变状态，则说明 speed端口无脉冲输出，认为电机停转，程序；返回。；在电机停转之前，单片机不响应按键状态的改变。 XIANSHI: ；显示程序，这是一个子程序 mov a,p2 ；将当前的速度设定值读入 a中 anl a,#07h ；取 ch3ch2ch1的值，存入 a中 mov b,#4 mul ab ；取得低位速度值对应的相对地址，存入 a中 add a,r3 ；得到低位字符地址，放在 a中 mov scon,#00h ；初始化串行口方式 0 mov r2,#0 ；利用 r2 来控制显示字符数 mov dptr,#tab ；字形表的入口地址 mov r3,a ；低位速度值地址存入 r3 x: add a,r2 ；利用 a与 r2 的和获得字符地址 movc a,a+dptr ；查表获得字型码，放在 a中 mov sbuf,a ；串口显示 l: jnb ti,l ；等待发送完毕 clr ti ；发送标志 ti清零 inc r2 mov a,r3 cjne r2,#4,x ；发送四个字符 ret tab: db 03h,03h,49h,0dh nts db 03h,03h,03h,0dh db 03h,03h,49h,27h db 03h,03h,03h,27h db 03h,03h,49h,9fh db 03h,03h,03h,9fh db 03h,03h,49h,0ffh db 03h,0ffh,0ffh,0ffh END nts单片机通信程序开发 ORG 0000H AJMP START ;转到初始化程序 ORG 0023H AJMP PGUART ;转到串行中断服务子程序 START: MOV SP,#60H ;堆栈指针初始化 MOV P0,#0FFH ;P0端口初始化 MOV P1,#0FFH ;P1端口初始化 MOV P2,#0FFH ;P2端口初始化 MOV P3,#0FFH ;P3端口初始化 MOV TMOD,#20H ;定时器 T1工作于模式 2,自动重装载 MOV TH1,#0FDH ;TH1初值为 0FDH,9600bps MOV TL1,#0FDH ;TL1初值为 0FDH,9600bps MOV SCON,#50H ;串行口工作于方式 1,允许接收 SETB TR1 ;启动定时器 T1 SETB ES ;允许串行口中断 SETB EA ;开总中断 CLR UABIT nts轻量级丝杠作动器设计在便携的机器人的应用机械设计报凯文 W.霍兰德托马斯 G.唐一个便携机器人是直接与它的用户联系的一个受控和开动的设备。同样，也要求这个设备必须也是便携的，轻量级的，最重要的是安全的。为了达到这些目标。标准丝杠的设计通常不能很好的按要求执行这些。典型的丝杠有很低投球角度和大的半径，从而产生很低的机械效率和很大的重量。可是，使用文本中的设计程序，效率和重量是被改进的 ; 因而可以产生一种与人的肌肉相似的丝杠系统。例子中的问题说明一个可行性的丝杠设计应该是 277 的功率质量比，接近驱动它的马达，即 312W/kg，并且机械效率为 0.74和最大动能到 11.3 kN/kg的丝杠设计。 1引言在美国，有五分之一的人有不同形式的残疾，这些人当中， 61的人患有感觉或身体残疾。在老年人中， 8 到 19 是步态失调。许多残疾人可以独立的受益于某种形式机器人的协助。一个便携机器人是一个被计算机控制和驱动的装置，是直接接触用户的。这种装置的目的是增强用户的行为能力。在病人治疗期间，它可以用于训练，或是仅仅当作一种协助病人完成日常生活的装置。便携的含义是指机器人必须携带方便，重量轻，而且安全是最重要的。相比之下，工厂车间的机器人是没有这些功能的，因此，要简单修改现有的技术是不可能实现的。设计便携机器人的标准方法有三大局限性 ; 1低电池功率密度； 2电机的低强度质量比； 3重量和安全性的机械传动系统。这些工作的目的是审查丝杠驱动器的设计过程 ;结果显示在局限性第三项方面有了重大改进，即，重量和安全性的机械传动系统。 2 背景有趣的是，在便携机器人学领域的研究已经超过了过去十年的增长。最近，浪涌的利益可以归因于电子小型化、微处理器能力和无线技术扩散的推进。提高便携计算机控制设备的能力的可行性是可以实现的。然而，除便携式的计算平台的可及性之外，必须谈及物理机制的问题。在便携机器人发展中，主要的问题是强度质量比、重量和安全。有多少可利用的动力可完成机械功？机器人设备有多少额外的力给人？还有，如何转移这些动力和怎么一直维护安全等？用户和开动的机器人之间的安全互作用在便携机器人设计中是一个首要问题。一个便携的机器人系统的目的是将操作员通过存贮设备获得的努力和能量抵消，即，电池、燃料电池和空气坦克。作动器的效率和整个系统的重量沉重影响分享在操作员和机器人之间的工作负担。在很多情况下，机器人加给用户的额外力量，能多完成一项测量任务。这意味着机器人不仅必须增添操作员的能力，也必须补尝它自己另外的重量。 2.1 作动器的比较。很多机器人作动器被比作成人的骨骼肌的标准。设计师了解他们好的功率强度比和优秀的强制生产能力就是为了动作器与骨骼肌相比拟。为了匹配骨骼肌的性能，重要的是知道其中一些措施。不幸地是，生物文学中的普遍性是 :被测量的肌肉参数是变化繁多的。虽然报告参数有一个宽的变化，这些参数一直能给生物材料行为标度的感觉。制成表的数据和几个原始估计数据被用于描述人的肌肉表现属性和结果如表 1所示。 nts 表 1：作动器比较：通过机械效率，势能，和校正动能对各种各样的作动器类型进行比较：允许与有效能的运用直接进行比较。然而，在便携机器人作动器的发展中这两个参量需要得到审查。考虑到所有作动器在 100%效率中运行，然后整个小组能直接地由他们各自的功率强度比进行比较。可是，如果势能中的动力被提供给每台作动器，由于他们各自的效率仅仅是输出一小部分动力。所以，适当地比较上面被描述的作动器，他们校正的势能必须计算 ,即： (1) 机械效率和 Pwt是原始的功率质量比。对各种动作器演算的结果如表 1所示表 1的内容是从文献或基于那些文献的估计中获得的。 dc马达的参数是 :Maxon RE40马达。传动箱组合的参数在 Maxon 2004编目中能够找到。一台电系列有弹性作动器的参数用于估计这些参数。然而，一个一般大小的丝杠系统可能有更好的强度质量比，因为它有很高的负载能力，并且有很低的重量。对于 McKibben样式的空气肌肉，从各种各样文献中发现了描述它的相关方法。比较中显然显示的是校正功率质量比， cP ， dc马达的参数，空气肌肉和人的骨骼肌是都是简单匹配的。然而，马达上一旦加上额外的硬件，它的执行力会极大减小。基于动作器的重量，如果能修改一个不是很大的 dc马达重量的机械传动系统，则它接近于人的骨骼肌的功能可能会实现。 3丝杠设计如上所见，当一个典型丝杠系统与其他便携机器人作动器在概念上进行比较时，它的性能是有限的。产生这种低性能的主要原因是它的机械效率很低。如果在一个标准丝杠系统中使用大约是 =0.36的摩擦系数，会有更好的润滑效果。相反，典型的球螺丝系统有非常好机械效率。滚珠轴承的滚动接触对这个系统的摩擦作用会保持很低。然而，效率虽然有了改进，球螺丝作动器的 cP t参数仍然低于那骨骼肌，这是因为球螺丝系统的重量很大。如果改进球螺丝的 cP 性能，那么重量的减少就可以实现了。机械设计学报 nts 图 1 丝杠外形 ; 主角 l 在一个单一螺旋螺丝中是等效的用于设计围拢丝杠的基本数学也适用于球螺丝系统。这两个机械传输之间的主要差别是他们的摩擦系数。在以下部分会考虑影响丝杠重量和机械效率的设计参数，并且对它的cP 进行改进。 3.1丝杠外形在图 1显示的是普通丝杠的基本外形。丝杠的关键参量是主角 l，螺丝半径 r和前置角。主角 l是螺丝每次改进达到的位移数量，一个高精度螺丝有非常小或非常好的主角。在图 1的正三角形显示的螺丝的唯一一次改进被剥开的构造。前置角代表螺纹的斜面或倾斜度。三角的基础是螺丝轴的圆周，三角形的右腿是它的主角，螺线螺纹的弦代表路径长度。并且在正三角形中看出使螺母举起负载的强大的力。负载的力量显示为 F ，螺丝的扭矩强度是 F ,在螺丝螺纹上的正常反作用力是 N，并且摩擦力是 N。从这张图中，举起的扭矩的等式就可以是： (2) 3.2 对 R。还考虑，丝杠的外形在图 1可以显示主角 l是由螺丝半径 r和前置角描述的。这些可改变量之间的关系是： (3) (4) 公式 4的意思是 r、螺丝半径和，前置角，都是需要螺丝主角 l的。这意味着在 r和之间存在一个连续的关系。虽然存在这个连续的关系，多数螺丝系统还是被设计成非常小的前置角。从首选螺丝大小的经验来看，虽然各自的直径都在变化，但前置角都小于 3。在公式 4种显示对所有螺丝主角的需求，各种各样的半径都可以使用。这个意义在于螺丝半径 r的变小，螺丝的重量是通过 r2减小的。因此，要补尝小螺丝半径，必须考虑前置角这个参数。 nts 前角，图 2丝杠系统机械效率：遮蔽一部分的图表多数是丝杠的典型设计区域。是小的，半径大，重量大，并且效率是较低的。在图表的未遮住的区域设计，是大的，暗示更小的半径、更低的重量和更高的效率。 3.3效率对阿尔法。对于一个便携机器人的设计，不仅丝杠作动器的重量是一个重要问题，而且作动器的效率也是非常关键的。如上所述，螺丝半径的减小可以使动作器的重量大大减小。然而，要减小螺丝半径，必须增加前置角，以保持恒定的主角。当看公式 2时，可以看出要求承受负载的力矩 Fw，取决于两前置角和摩擦系数 . 影响螺丝效率的是前置角和摩擦系数，图 2显示对摩擦系数 _和前置角 _的冲击在于丝杠系统的效率 (5) 在图 2的每条线是基于摩擦系数不同的参数。几份普通的工程材料作为例子给读者一个在丝杠系统中能有不同物质或涂层的作用的感觉。这个图表示，当前置角增加，机械效率就增加 ; 或者至少到达一个峰值。理论上，选择最大效率采摘角度是有利的。一个丝杠系统在高效率运行时需要使负载力矩达到最小 Fw。在高峰值效率发生的角度可以取决于与角度效率有关的参数，结果是可以看到的。 (6) 虽然一个高前置角可能提高效率，但它也可能导致反驱动系统。一个反驱动系统是一种负载力矩，没有力矩协助的情况下，螺丝可能自转，因而允许负载自我降低。反驱动丝杠不适合应用于汽车起重器，但是可以应用于便携机器人当中。因此反驱动的前置角是： (7) 不管产生多么高的负载力量，多么低的摩擦系数系统，前置角和摩擦系数总是影响这些条件的，例如球螺丝，反驱动是一个必然结果。 4 实用考虑理论上，如先前的文献所显示，是希望螺丝半径 r减小的，甚至到一个几乎微观尺度。然而，从设计和制造业方面来讲，这不是一种实用的解决方案。虽然从重量和效率的角度来讲小螺丝的直径和高前置角是极其重要的，但他们可能不允许设计师适应物理系统的力量需要。例如轴向产生，压缩折和机制困境都需要被考虑。考虑到单一的超薄的螺丝也许是轻量级的，它可能没有一个系统所需要足够的负载能力。但可以使用单一的，或几个螺丝，就会nts有足够大的负载能力。用几个小螺丝承受大载荷是没有重量优势的，作为因计算一个螺丝断面产生的重量和压强。然而，使用几个小螺丝承受载荷可能允许对高前置角的持续使用和在高效率中运行，甚至在很高负载。通过推挤丝杠原材料物产极限，可以达到轴向很高的负载。这种工作方法的好处在于一个紧张系统比它压缩轴承更好运作的系统。当考虑到减小一个既长又细的螺丝的负载时，类似于 McKibben作动器甚至人的肌肉，（丝杠作动器能被设计负担仅紧张装载），因而消除共折的考虑。在一个便携机器人中创建紧张驱动系统不一定意味着需要一个对抗性。实际上，与一个协助机器人相比，残疾人在做单一的直接动作时，肌肉存在弱点，因此，这些人是非常需要动作器帮助的。对于那些推挤螺丝半径和因此导致前置角的极限超过最大效率的设计师，摩擦极限角度多少是可以倾斜的。所有这些的物理解释是系统捆绑或锁，由导出的公式 2可以看见。一个由公式（ 2）导出，可以产生以下关系 (8) 除被列出的实用考虑之外，还可能存在着许多其他问题。包括扭转力僵硬或屈服力甚至热扩散等。这些因素中的每一个都是重要的并且都需要我们考虑。可是，这个练习的目的是展示选择一个设计或选择螺丝系统的典型方法。这个选择方法的好处是可直接适用于一个便携机器人系统的设计。 5 例子中的问题展示一份粗糙设计报告，考虑高峰距小腿关节扭矩在到一个有能力装载 80 kg的个体并且是 0.8 Hz的跨步频率期间的连接扭矩。在步态期间的脚腕扭矩峰值大约是 100毫微米。这个峰值大致发生在 45%的步态周期。步态周期是指一只脚跟的停止到这支脚跟下一次停止的时间。脚趾是承受另一只腿重力和开始摇摆的点。摇摆阶段的判断是步态再次安置脚回到脚跟停止位置时，然后下一个步态周期开始。例如，让我们考虑修造一个脚腕步态协助丝杠作动器。我们假设协助水平在 30%左右和到小腿关节是 12厘米的力矩臂。表 2作动器问题比较：丝杠设计 I和 II与人的肌肉的效率比较，对势能的比较，校正势能和动能的措施的比较。这些参数都可以根据自己的个人经验并且在合理的范围内进行修改和变化。参数和可用的参量接近于 Maxon马达，即 RE40，这个例子中，主角长度的范围已经确定了 ;它的范围可以是解决设计两个丝杠的问题 :第一个设计问题是解决最大效率。假设是 2 mm和 =0.05，螺丝在 =43.5、半径是 0.34mm 的地方产生的效率是 90%。这样小的一条半径，需要多个螺丝承受负载。即使如此，估计作动器的势能是 280 W/kg 。通过马达重量和预测的传输系统，划分需要的功率峰值就可以得出势能的大小。我们从以前的工作知道了，辅助组分的重量成比例可以减小螺丝和螺钉的重量。第二个设计，丝杠 II，从商业供营商得到可利用的维度。螺丝的 =13.6和 0.82的效率。更大一些的维度也可行，动作器的势能最好是 277 W/kg。为了达到比较的目的，这个例子nts出现的问题结果制成了表格。表 2显示两个丝杠设计方案的数字结果。这些参数与先前的 dc马达参数和人的骨骼肌的估计值进行比较。通过例子，动能大小是基于力的峰值进行计算的。 6 讨论在分析解决最大效率的方案上，丝杠设计 I显示了一个单一小半径螺丝永远不会处理所要求的负载。可是，多个螺丝同时平行执行那项任务会有同样高的效率。虽然使用典型的技术不容易制造出一个 0.34 mm半径的螺丝，但用这种方法是可以实现的（即，使用多个螺丝产生高效率）。要设计一个特殊的丝杠，效率是没有极限的。丝杠设计 II显示，有一种可行的解决方案可以解决脚腕的问题，校正功率质量比参数使其非常接近于人的肌肉。使用一种相似的方法，球形螺丝机制能有益于它的表现，一般方法是创建一个驱动的背面，低重量和高效率的螺丝系统可以使基于 dc马达的动作器的便携机器人应用有一种有力解答。图 3 原型作动器，高效率丝杠前面提到，一台便携机器人作动器不仅要有好的执行能力，而且还要对它的用户有一定的安全性。在考虑安全方面时，（驾驶）是便携丝杠作动器所需要的。（驾驶）允许操作者任意安装没有动力的螺钉，因而使它的阻碍减到最小。另一方面，在螺丝的末端设计一块闲置的部分以防止马达和用户受到损坏。对人的损伤可以通过安置螺丝的末端范围在用户的生理安全极限内来避免，即一旦遇到危险强度，可以得到短期的脱离。所有这些方法都需要得到重点考虑，并且应该在设计过程中早期解决。安置机械部件必须包括特别的防备措施。防备措施必须超出软件或控制器范围 ; 因此，在机械设计中应该包括他们。保证用户的安全是在设计所有协助机器人时应该是最优先考虑的事，我们的实验室也调查了便携作动器的其他类型。看图 3。这些技术帮助我们保持设备的整体大小和重量打到最低。 7 结论一台便携机器人作动器必须有好的功率势能比，好的机械效率，好的强度质量比，并且一定是安全的。对于一个具有好的功率的 dc马达，改进它力量的唯一方法是增加传动系统。传统上，这种方法导致了 dc马达作动器功率质量比的增加以至于它的执行力笔直下降。可是，我们的方法可以用于设计丝杠和球形丝杠的力，例如一个便携的协助机器人。 nts探测机器人系统的设计开题报告班级（学号）：机 0405-18 姓名：王亮指导老师：王会香一、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。 6 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 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。 3 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。 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（ 2006 2020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nts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 1 43 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 nts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 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

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