武汉理工大学机械手开题报告.doc

武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、 目的及意义（含国内外的研究现状分析）1.1设计目的及意义近三十年来，计算机技术、集成电子电路高度发展、人工智能理论与实践的进步、新型传感器和先进的微型机电设备等领域的突破，带来了机器人技术前所未有的发展机遇。这些突破性的新技术为机器人产业的迅速崛起奠定了基础。目前世界上使用的机器人已有百万之多，并且此数目仍在迅速增长。其应用领域也从传统的制造业、军事应用逐步拓展到服务业、空间探索等。 目前绝大多数机器人的灵活性,只是就其能够反复编程 而言,工作环境相对来说是固定的,所以一般人们称之为操作手。正如人类活动范围和探索的空间是人类进步的标志一样,机器人的智能同样体现在运动空间的大小上。为了获得更大的独立性,人们也对机器人的灵活性及智能提出更高的要求,要求机器人能够在一定范围内安全运动,完成特定的任务,增强机器人对环境的适应能力。因此,近年来,移动机器人成为机器人研究领域的中心之一。 而全方位移动机器人作为移动机器人研究领域的一个重要分支，与普通移动机器人相比，它提高了机器人的作业范围和复杂作业的适应能力。全方位机器人，就是指如果不考虑驱动电机转速限制，机器人能够在任何时刻像平面上任何方向运动。在军事、危险操作和服务业等许多应用场合，都需要机器人能够实时通过无线通讯接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动。 本次论文研究全方位移动轮式机器人主要有以下几个目的：第一，系统地学习机器人的相关理论知识；第二，了解国内外全方位移动轮式机器人发展现状；第三，利用相关文献资料系统地设计全方位移动轮式机器人，实现其在平面的自由运动，并用此机器人起到一定的实际作用。 1.2国内外关于该论题的研究现状 1.2.1国外研究现状 国外对于全方位移动机器人研究颇多，且技术成熟。 1）美国斯坦福大学设计了一种由 4 个偏心方向轮组成的全方位移动机器人Nomadic XR4000。 2）美国佛罗里达大学设计了 The High Mobility Vehicle (HMV)，HMV 是一种多自由度移动平台，它的四个车轮均独立驱动并独立转向，可以实现自动控制或遥控操作。3）日本设计了一种全方位移动机器人。它采用了 4 个全向轮均匀分布的结构。该移动机器人的一个特点是它的 4 个轮子是由 3 个电动机驱动而不是 4 个。此外，日本还设计了一个类似的机器人，并将它应用在遥操作中。该全方位机器人能够根据摄像头收集的信息辨认目标并确定其位置，从而跟踪它。机器人之间通过红外线系统交流。4）日本另外设计的一种全方位移动机器人，它由 3 个偏心方向轮组成。由于偏心方向轮既能够实现全向运动，又对路面要求较低，故应用在本机器人当中。这个机器人由 6 个带有编码器的直流电机驱动，采用 CPU驱动六个电机，此外，上面还装有其他传感器及摄像头等。5）法国设计了一种采用 3 个正交轮构成的全方位移动机器人，正交轮既能保证全方位移动性能，又能传递电机转矩。这种正交轮是由两个球体加工制成的，每个球只能转 1/4 周，然后由第二个球接续下去转动。三个这种轮子呈 120 度夹角固定在等边三角形的三个边上，每个车轮的轴由电机驱动。 1.2.2国内研究现状 国内关于机器人的研究虽然起步很晚，与国际水平有一定的差距，但是，最近几年发展较快。 1）江南大学的高春能，纪志成研制一种新型的全方位移动机器人全方位移动机器人的轮为一种万向行走轮。 2）哈工大研制的智能服务机器人，可实现一定范围内的机器人全方位自主移动，自动避障，可灵巧的完成一定的服务功能。该智能服务机器人利用来自多传感器（CCD 摄像机、超声波、红外）的融合数据，获得未知移动环境下的障碍物三维空间信息，使移动机器人具有“感知”其运动环境的功能。 3）浙江大学也曾在研制足球机器人时采用全方位移动机器人作为移动平台，该足球机器人由 4 个全向轮构成，这 4 个全向轮均匀的分布在一个圆周上。 4）中国科学院北京自动化所还设计了一种型号为CASIA-I的全方位移动机器人，该机器人的底盘由两个主驱动轮和两个平衡轮组成，主驱动轮采用差动轮式驱动，也就是由安装在同一轴上的两个驱动电机及驱动轮组成。 1.2.3国内外机器人研究发展趋势 纵观移动机器人的发展以及相关学科的发展方向,全方位移动机器人具有以下发展趋势: (1)机器人本体将向灵活性和微型化方向发展 这是由于机器人应用面向家庭和服务性行业,需要适应更为复杂的环境。 (2)高速性 室内机器人对运动速度没有特别要求,而室外机器人高速运动可以提高它们的工作效率。高速性对定位精度和控制都提出了更高的要求。 (3)友好的人机交互 为了使机器人能够更好地为人类服务,人们需要一个畅通的渠道与机器进行沟通,这就需要友善的人机接口。当前蓬勃发展的计算机多媒体技术为此提供了支持。 (4)安全性能好 移动机器人是为人类服务的,因此至少不应该给人类带来危害。为使移动机器人真正走向应用,必须遵守Issac Asimov提出的著名的机器人三戒律,即第一,机器人不可伤害人或眼看人将要遇害时而袖手旁观;第二,机器人必须服从人给它的指令,除非这种命令与第一条戒律相抵触;第三,机器人必须保护自身的存在,除非这种保护与第一、第二条戒律相抵触。 (5)产业化 脱离实际的理论不会具有深远的发展潜力,也只有能给社会带来可观经济效益的技术才会得到社会的扶植,吸引研究者的注意力。而产业化是理论联系实际的纽带,是科学技术转化为生产力的重要途径,因此产业化也是移动机器人发展的必由之路。2、 基本内容和技术方案 2.1设计目标 设计一个在空间比较小，移动比较频繁的场合自由运动的全方位移动轮式机器人。机械机构是机器实现运动的基础。而这次全方位移动机器人实现的主要目的是救火。当出现火灾时，机器人移动到现场，感知烟雾后进行二氧化碳的喷射。 2.2设计内容 1、在全面分析现有的移动机器人研究的基础上，设计全方位移动机器人合理的机械结构。 2、根据定位及避障要求选用传感器，然后搭建出控制系统。 3、通过传感器实现感知烟雾，并放出二氧化碳的作用。 2.3设计方案 1机械系统设计 机器人整体采用桶式结构，将控制器等大件置于底板之上，以便降低重心。 全方位移动轮采用四轮结构，而每个车轮模块具有两个自由度，一个自由度控制车轮滚动前进，另一个自由度控制车轮转向。虽然会产生八个自由度，影响定位的精确性，但比较稳定，外形美观。通过控制每个车轮的旋转和转向，来实现轮式移动机构的全方位移动。电机驱动采用步进电机进行驱动，因为直流电机由于受转速和力矩的影响，要配减速器，这样可以避免冗余的结构。2控制系统设计1）避障系统：激光传感器和视觉传感器价格贵，对控制器的要求较高,因而，在移动机器人系统中多采用红外及超声波传感器。超声波传感器的测量角度大，覆盖面广，但是方向性差；而红外测距传感器的测量角度小，方向性好，但红外传感器的测量范围小，故不能作主要探测器。基于以上因素，本项目采用超声波与红外传感器同时使用的方法进行测距避障。 2）运动控制系统：嵌入式工控主板通过无线网络接收遥操作系统上位机的控制和决策命令，根据这些命令对移动机器人进行运动规划和控制并实时把执行情况反馈给上位机，在规划和控制的过程中和其他移动机器人通过无线网实时通信，实现协调控制。 3）控制部件要求：为了增加机器人的运动灵活性，采用电池供电，要求控制部件功耗低。所有控制部件均安装在体内，控制部件选型时应考虑安装尺寸以及散热性等要求。由于机器人的移动特性，要求控制部件具有承震能力。同时由于机器人要有灭火的功效