小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究.docVIP

本科毕业设计说明书（论文） 第 40 页 共 40 页目录1 绪论211 引言 212 轮式移动机器人的发展概况 213 国内外研究现状61.3.1 国外研究现状 61.3.2 国内研究现状 814 论文研究的背景和意义91.4.1 研究背景 91.4.2 研究的意义1015 论文研究的主要内容 132 轮式机器人的运动控制1321 移动机器人控制系统设计 132.1.1 原理132.1.2 元器件的选择132.1.3 移动机器人平台总体结构142.1.4 移动机器人硬件系统152.1.5 移动机器人电源及驱动模块172.1.6 移动机器人传感系统1822 移动机器人运动控制研究 182.2.1 车体结构与运动学分析183 轮式机器人的结构设计2131 移动机器人的结构分析 213.1.1 驱动机构213.1.2 车轮2132 移动机器人的结构设计 223.2.1 移动机器人零部件设计选择233.2.2 传动的设计计算263.2.3 计算蜗杆传动主要尺寸27结论 33致谢 34参考文献 351 绪论11 引言机器人的诞生和机器人学的建立和发展是20世纪自动控制最具说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。机器人从爬行到学会两腿直立行走，仅仅用了20年，而人类的这一个过程则经历了上百万年。现在全世界已经有近100万台机器人，机器人的技术和工业得到了前所未有的飞速发展。机器人已经能够使用工具，能看，能听，能说，并且开始能进行一些决策和思考的智能行为，其应用也从传统的加工制造业逐渐扩展到军事，海洋探测，宇宙探索等领域，并开始进入家庭和服务行业。作为一种先进的机电一体化产品，机器人技术的发展与自动控制技术的发展息息相关。自动扩展系统是机器人的中枢神经，他控制着机器人的思维，决策和行为，几乎所有自动控制技术都在机器人的控制上得到了应用。近年来，智能控制的发展十分迅速，这必将促使机器人的智能化水平达到新的高度。移动机器人是一种由传感器、遥控操作器和自动控制的移动载体组成的机器人系统。移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣(如辐射、有毒等)环境下作业和人所不及的(如宇宙空间、水下等)环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。随着科技的进步，人类对未知世界进行探索的愿望越来越强烈，移动机器人的发展也日新月异。60年代后期，美国和苏联为完成月球探测计划，研制并应用了移动机器人。美国“探测者”3号，其操作器在地面的遥控下，完成了在月球上挖沟和执行其他任务。苏联的“登月者”20号在无人驾驶的情况下降落在月球表面，操作器在月球表面钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大学研制出具有仿人功能的两足步行机器人。由于这些机器人通常可以适应不同的环境，不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，因此移动机器人常被用来完成一些人类无法进行的任务。12 轮式移动机器人的发展概况近20年来，移动机器人的研究十分活跃，并得到了快速发展，这主要有两个方面的原因:其一， 移动机器人的应用范围很广，包括国防工业、制造业、轻重工业以及服务业等诸多领域。其二，目前国内外的星际探索和海洋开发两大高端技术领域的市场需求也是促使移动机器人发展的客观因素与潜在动力。机器人在各个领域正得到越来越广泛的应用，在制造领域，为了保证较高的产品质量，提高生产效率，机器人已成为现代化生产必不可少的手段之一。 到目前为止，地面运动机器人的行驶机构主要分为履带式、步行式和轮式三种。这三种行驶机构各有其特点。 (1)履带式。最早出现在坦克和装甲车上，后来出现在某些地面行驶机器人上。履带式机器人可以在凹凸不平的地面上行走1，可以跨越障碍物，爬梯度不太高的台阶，具有行驶速度较快(介于轮式和腿式之间)，承载能力较强，但转向不易，比较笨重的特点。如图1所示的履带式移动机器人，由于其采用了像坦克那种的履带式设计，因此能够适用于更广泛的地形。图1 履带式移动机器人(2)步行式。其中步行式机器人对场地有良好的适应能力，特别是多足机器人，能够跨越台阶，但动作是间歇的，速度不快，且控制复杂，实现相对困难2。从移动的方式来看，步行式移动机器人可以分为两类:动态行走机器人和静态行走机器人。根据支腿的数量又可分为两足、四足、六足和多足。六足行驶机构 采用六足行走机构的机器人很多3，一般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。具有代表性的有美国CMU大学开发的一种六足结构(如图2)，它是由六条支腿组成，每条支腿具有由水平旋转和垂直移动两个自由度。在行走过程中，整个支腿可以绕轴端在水平面内进行旋转，支腿的末端可以通过连杆机构进行垂直方向的上下移动，以调整姿态，最终使机器人保持水平。通过六条腿的交替运动来实现机器人的行走。图2 六足仿生机器人多足行走机构如图3所示的八足仿生机器人，这种机构是一种八足行走的移动机构，其运动的特点是在前行时相对于身体总是后腿到前腿的顺序，后腿着地后前腿才离地，机器人两侧的相应部分也是成相位交替着运动。近期的八足机器人，在结构上没有太大的突破，在控制方面，则不断地出新，将现代的计算机等高科技应用到机器人上。由此可以看出，对于步行式移动机器人，虽然越野能力比较强，但其结构复杂，行走速度比较缓慢。图3 多足行走机构 (3)车轮式。车轮式移动机器人具有结构轻、动作稳定、操纵简单、其移动速度和方向容易控制等优点。常用来在无人工厂中搬运零部件或做其它工作，适用于平地行走，运动速度快，但其越野能力比步行式机器人稍逊一筹4-5。但随着各式各样的车轮底盘和悬架系统的出现，像美国MCU的六轮三体柔性机器人Robby和美国研制的火星探路者机器人，使得车轮式机器人能适应凹凸不平的地形6-7，越野能力大大加强。于是人们对机器人移动机构研究的重点也随之转移到轮式机构上来，近期日本开发出一种结构独特的五点支撑悬吊结构MiCroS，由于其采用一支撑轮，所以有很好的越野能力。轮式移动机器人按轮数的多少又可分为三轮、四轮、五轮、六轮以及多轮，其中以四轮和六轮研究居多。两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人不加装车体的两轮移动机器人是典型的机器人结构，左右轮分别由一个电机动，依靠差速实现转向，转向灵活但当安装上车体时，就同自行车机器人一样，要考虑机器人的平衡问题。这种两轮移动机器人具有极强的灵活性而且它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其理论及控制系统的研究受到国内外机器人领域的高度重视近年来，该机器人逐渐成为全球机器人领域的研究热点之一。美国和日木的研究机构相继开始了这方而的应用研究并取得了初步成果两轮行走机构是自然不稳定体，是高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统目前还存在许多问题，不能实际应用8。四轮移动机器人轮式移动机器人中最常见的机构就是四轮移动机器。人当在平整地而上行走时，这种机器人是最合适的选择。并且在其他领域(如汽车领域)已为其发展提供了成熟的技术。 四轮结构一般比较简单，但其越野能力有限，如图4所示为一四轮移动机器人。要想提高此类机器人的越野能力，就必须对其底盘机构及驱动方式进行改进。具有代表性的是美国MCU研制的Nomad，它采用的是可变形的底盘和均化悬挂系统。其底盘可通过两个四杆机构进行变形，当底盘展开时四杆机构变成一个菱形，当底盘收缩时四杆机构变成一条直线。均化悬挂系统可以平滑机器人本体相对于轮子的运动，这种结构可保证在各种地形情况下四轮都能同时着地。 图4 Nomad四轮机器人 图5 “勇气号”火星探测车六轮。具有代表性的是美国研制的火星探测车，如图5所示，它采用的是六轮摇臂悬架机构，其采用对称式结构，单侧摇臂主要包括主摇臂、副摇臂、前后两个主动轮以及中间的随动轮。与四轮结构相比，由于引入了副摇臂和从动轮，当遇到障碍时，通过对副摇臂的转动，并借助于从动轮来调整重力在各个轮上的分力，可以提高车体的稳定性和越野能力。13 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状机器人技术是20世纪中期的重大发明。从60年代起美、俄、日、法等国在航天领域拼搏角逐、争雄霸业。美国曾在19661968年间，向月球成功发射了两次无人巡游探测器。美国“登月者20号”在无人驾驶的情况下，降落在月球表面，自由行走，钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器送回了地球。1997年由美国JPL(全称Jet Propulsion laboratory，美国太空总署喷气推进实验室)研制的Sojourner号探测车登上了火星。尽管它仅仅是一辆工程示范车，有效载荷很小，而且还不能离开登陆车太远，但它验证了小型火星车的性能，并且完成了一系列的技术实验9。2004年1月，美国的“勇气号”和“机遇号”火星探测车再度登上火星10。2007年，JPL又成功研制了ATHLETE月球探测车(如图1)。该车有六条支腿，每条支腿上均含有一个驱动轮。每个支腿及车轮均可以独立运动，其越障性能和对环境的适应性都有了很大的提高11。前苏联在19591976年间，总共成功发射了两个月球探测车。其中2号车(lunokhod-2)最为成功。该车工作了四个月，行驶了37 km。欧洲和日本也对行星探测车做了很多深入的研究，并已研制出了样车，不过目前仍未登陆。图1 ATHLETE月球探测车在军事领域中，德国在二战期间就曾经研制了数千辆遥控无人自爆式坦克，这是无人战车的最早雏形。近十年来，美国为了满足未来地面战争的需要，非常重视地面智能移动机器人的研究，己经研究了一系列智能机器人，并己装备军队。在反恐和现代化战争中，智能移动机器人己经得到了很好的应用。美国军方在阿富汗战争和伊拉克战争中都曾广泛使用M-Gator无人战车。在这两次战争中，智能机器人公司的PackBot履带式无人战车也曾执行过数千次任务，比如扫除路边炸弹，到洞穴或房屋内进行搜索等，为战争的胜利提供了有利保障。近两年来，美国军方又研制了“大狗”四足机器人(如图2 )。该机器人主要用来在战场上运送物品，它具有很强的稳定性。无论是在路面复杂的山地，还是在非常光滑的冰面，它都可以自己调节平衡，从而越过障碍，到达目的地。即使受到外界的冲击，也可以像动物一样调节自身稳定，继续行走12。图2 美国Big-Dog1.3.2 国内研究现状当今我国对探测开发太空投入了极大的关注，轮腿式移动机器人是现今最流行的行星探测车结构，虽然与国外的水平还有不小的差距，但国家政府在这方面也加大了投入力量，现在一些高等院校和科研机构相继开展了有关轮腿式机器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。如清华大学在行星表面环境及探测机器人几何建模方面做了大量的工作，并对相关的电机驱动技术进行了深入探讨。与此同时，国防科大的研究小组以我们刚提到的Sojourner为蓝本，研制出了KDR一试验样车(如图3)，并对其自主导航及路径规划技术进行了研究。此外中国科技大学和哈尔滨工业大学都在轮腿式行星移动机器人方面进行了一系列研究工作，并取得了初步的成果。近几年来，中国在移动机器人方面取得的主要成绩有以下几个方面:1、上海交通大学的刘方湖、陈建平等提出了一种5轮月球机器人，并从结构上研究了其越障性能、静态稳定性和附着性能13。该车前三轮均能独立驱动和转向，后面两轮是从动轮。前轮有电机驱动，使其做俯仰运动。2、上海大学研制了一种可越障轮式全方位移动机构车轮组机构，该机构保证在姿态保持不变的前提下，沿壁面任意方向直线移动或在原地旋转任意角度，同时能跨越存在于机器人运行路径中的障碍。上海大学的张海洪、龚振邦等对其越障性能作了简单的机理分析和全方位移动机构的运动学分析14。3、中国科技大学的程刚，竺长安等提出了一种复合结构移动越障机器人(如图4 )，并对该机器人进行了运动学建模与仿真15。该机器人是将轮式、腿关节式、履带式三种结构结合起来设计而成，它采用后轮驱动，每个轮子分别由一台直流伺服电机带动，跟履带车一样通过差速来实现转向功能。车前部有平行四边形的摆杆通过键与车体的前轮轴固连,车体前方有两台直流伺服电机分别控制两边平行四边形摆杆的运动，在遇到突变障碍时，摆杆下压，产生撑地的动作，从而实现越障。图3 KDR-1试验样车4、 清华大学陆文娟等人对一种六轮式移动机器人做了比较详细的研究16，这种机器人具有6个主动轮且都能独立转向，该机器人地形适应性能较普通4轮机器人要好。图4 复合结构移动越障机器人14 论文研究的背景和意义1.4.1 研究背景早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械人偶。到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。移动机器人随其应用环境和移动方式的不同，研究内容也有很大差别。其共同的基本技术有传感器技术、移动技术、操作器、控制技术、人工智能等方面。它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器。移动机构有轮式(如四轮式、两轮式、全方向式、履带式)、足式(如6足、4足、2足)、轮腿式(用轮子和足)、特殊式(如吸附式、轨道式、蛇式)等类型。轮子适于平坦的路面，足式移动机构适于山岳地带和凹凸不平的环境。现今移动机器人的移动机构己经不仅仅限制于轮式或足式。从80年代开始，一种新型的移动机构成为了研究移动机器人的热点轮腿式移动机构。这种移动机构使移动机器人具有了速度快、稳定性好以及对地面的适应能力强的特点。轮式移动机器人中最常见的机构就是二轮及四轮移动机器人当在平整地而上行走时，这种机器人是最合适的选择。并且在其他领域(如汽车领域)已为其发展提供了成熟的技术。1.4.2 研究的意义 智能移动机器人在各种复杂地形上都具有较高的机动性，可以进入人类无法进入或生存的环境，适用于国防和民用等多个领域，在反恐斗争中也发挥了巨大作用。移动机器人的主要应用领域包括以下几个方面:(1)军事侦察，排除险情在军事行动中常需要对未知的环境进行侦察。由于地形的复杂特性以及军事行动中的危险性，采用普通的智能车辆或者人工进行侦察都很难完成任务。智能移动机器人为军事行动提供了一个可靠的平台。由于它对地面的适应性，可以使其顺利到达目的地。如在车上安装摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和GPS全球定位系统等设备，通过无线电或者光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报搜集、目标搜索和自主巡逻等任务。除军事侦察外，智能移动机器人还常被用来完成扫除路边炸弹、寻找地雷和销毁地雷等危险任务。（2） 探测危险，航天航空在考古、工程检测和灾后救援等方面，移动机器人由于其良好的越障性能，也发挥着巨大的作用。在国外，智能移动机器人己经被用来探测金字塔内王后室的秘密通道17。在工程建设领域，可对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测，还可应用在码头、桥墩等被撞后的受损程度探测评估。在制造领域，可用于工业管道中的机械损伤、裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄露和破损点的查找和定位等18。民用方面，可以探测泄露物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。从上个世纪60年代后期，人类就开始了对宇宙外星球的探测。到目前为止，人类研究的星球主要是月球和火星。由于外星球上空气、辐射、温度和重力等条件的影响，人类很难直接进行探测和研究。为此，通过移动机器人采集星球样本进行研究己经成为研究外星球的重要手段。(3) 智能导航，快速运输 在现代化的大型商场、医院等公共场所。智能机器人可以充当导游、售货员、保安等多种职业。不仅可以为行人带路、介绍周围环境，还可以有效的维护公共场所里治安。在大型码头、货场和仓库，已经开始利用这种智能移动机器(AGV)作为主要的运输工具。通过预先编好的程序和规划的路径，它们可以自己在指定位置充电，并且长时间的高效率的不间断工作。大大提高了运输量。 智能移动机器人根据不同的需要，可采取不同的移动机构。但总体目标都是向着高度的机动性、良好的稳定性以及简单的可控性发展。移动机器人技术在经过几十年的发展过程之后，己经取得很大进展，并且成为新兴且快速成长的行业。随着机器人技术的发展和人类活动领域的不断扩大，移动机器人的应用领域不断地拓宽，从制造领域向非制造领域发展，如海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出自动化和机器人化的要求。人们期望机器人能在许多人类不能及的区域来代替人类完成更复杂的任务。因此，研究与开发一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的移动机器人的综合控制系统，势在必行。传统机器人控制系统结构源自基于认知的人工智能模型，在这种模型中，智能任务由运行于符号模型之上的推理过程来实现，它强调带有环境模型或地图的中央规划器是其智能不可缺少的组成部份，而且该模型必须是准确的、一致的。该模型遵循从感知到动作的串行功能分解控制路线，系统的可靠性、鲁棒性和反应性差。反应式控制系统将机器人行为的感知、规划、任务执行等过程封装成一个行为模块，某一时刻，只有一种行为控制机器人。反应式控制系统能使机器人快速地对时变的、非人为构造的环境进行反应。反应式控制系统的局限性是机器人通常不能保存周围信息，没有记忆功能，没有内部的环境描述，没有实时学习/规划能力。基于行为控制方法是反应式系统的扩展，它介于纯粹的反应式和极端的慎思型之间。在基于行为控制方法中，控制系统的分解是以面向任务的(Task-Oriented）方式进行的，机器人把所要完成的任务分成基本的简单的行为单元，各单元彼此协调工作。每个单元都有自己的感知器和执行器，构成感知一执行动作行为。机器人根据行为的优先级并结合本身的任务综合作出反应。其优点在于每个行为的功能较简单，可以通过简单的传感器及其快速信息处理过程获得良好的运行效果。因此，行为控制是进行机器人底层控制的最佳选择。15 论文研究的主要内容本文对轮式机器人的结构设计和运动控制技术进行了研究。这一机器人的行驶机构为四轮式结构。即各车轮与车架直接相连，使其具有行走功能。本机构配备大直径轮轴，使其能适应室外、草地、沙地等行走环境。同时配备自主驱动控制，能实现无半径转向跨越障碍、躲避障碍等功能。（1） 移动机器人的结构设计。此内容包括机器人主要结构形式和外形尺寸的确定。（2） 移动机器人的模块化设计。移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。是一种具有一定智能、在一定范围内移动且能完成各种规定任务的机器人。与普通机器人的主要区别是移动机器人一般安装在可移动的平台载体上。可在较大地域范围内活动。在设计移动机器人时应遵循以下机构设计原则19： a.总体机构应容易拆卸，便于平时的试验、调试和修理。 b.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。 c.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。（3） 移动机器人的运动控制分析。要顺利躲避障碍，机器人必须具备自主灵活的转向性能。因此，机器人的转向性能是其地面适应能力的一个关键方面。2 轮式机器人的运动控制21 移动机器人控制系统设计 本次设计的论述移动机器人为以STC12C-5408AD为控制核心的后驱四轮机器人。如图5所示，在车身最前部分是信号采集模块，负责对工作环境中的线标志的读取，前轮万向轮来作支撑转向，后轮是机器人前进的主要动力，用直流电机驱动，当机器人拐弯时采用差速机构进行驱动20。图5 轮式移动机器人2.1.1 原理单片机21系统通过信号采集模块，对路面标记的信号进行读取，并把模拟量转换为数字信号输入到单片机，单片机通过己经写入的程序对读取到的信号进行判断，进而通过电机驱动模块和车体转向控制模块来决定机器人的运动状态。电机驱动模块采用直流电机对机器人进行驱动，并调节电机转速来实现机器人转向。2.1.2 元器件的选择 本次设计主要实现信号采集与分析、直流电机控制两大功能，而单片机系统为机器人最终运动状态的决定者，因此单片机的选择很大程度上决定了移动机器人的性能。信号的采集一般需要有AD转换接口，本次设计中选择了国产的STC12C5408AD，是新一代增强型8051单片机，速度快，集成度高，电压范围宽(3.8-5.5V)，指令系统和MCS-51系列完全兼容。其内部还有8kB Flash程序存储器，512Byte RAM,2kB EZ PROM ,8通道10位ADC、4路PWM以及硬件看门狗(WDT)等资源，并具有ISP功能，用户在自己的目标系统上，经串口和PC连接，就可直接由PC对其进行 ISP下载编程，时间仅几秒钟。在集成整个控制系统之前，还要考虑电源问题。运行过程中电机消耗的电量要比控制系统消耗的多，而且在运行过程中机器人的加速、减速、拐弯等动作会导致电压的不稳定，故实行控制系统电源和电机驱动电源的分离，对单片机系统设计了一个独立的以MAX639为核心的供电系统，确保单片机得到5V的电源。 2.1.3 移动机器人平台总体结构 移动机器人应具有如下功能：1 进行静态全局路径规划，并控制机器人实现全局导航，完成指定任务；2 当环境中出现障碍物时，机器人识别障碍并采用相应的避障策略实现避障；3 主动视觉系统可以完成目标搜索和跟踪功能；同时可用于辅助全局导航和移动机器人将要到达指定目标时的精确定位。鉴于以上的研究目标，提出如下总体设计要求：1. 机器人动作灵活，控制方便；2. 采用模块化设计 3. 应具有较丰富的环境感知能力，以便对机器人的行为控制进行更全面的研究；4. 在保证功能实现的前提下，尽量减少系统硬件的成本；5. 便于功能扩展、软硬件调试、及系统维护。基于上述设计要求研发的移动机器人总体结构，由下至上分为五层:主要分为用户层、决策控制层、传感/底层决策层、运动执行层。各层与各层之间通讯都有标准的物理层与协议层，因此各层都具有很强的扩展性。2.1.4 移动机器人硬件系统 系统硬件由移动机器人平台和无线通信系统组成，采用上下位二级分布式控制系统结构。采用基于模块化并行通信的多微处理器分布式控制系统体系结构设计实现，完成对移动机器人的行为动作控制；主要完成的移动机器人全局导航控制功能和基于主动视觉的移动机器人导航控制等功能；通过无线通信系统和上位机进行信息交互。移动机器人平台为典型的四轮式机器人，前两轮为万向轮，两后轮单独驱动，后轮安装了左右轮直流电机及其电机控制器，这个移动机器人平台可以爬坡和越障，为实现三维空间的导航提供了平台。 系统硬件组成可分为以下三个大模块:电源及驱动模块、传感器模块、控制计算机模块，而按功能类别分，该机器人又可分为用户层、传感/控制子系统、智能和决策子系统、运动控制层如图6所示。图6 移动机器人平台系统硬件组成2.1.5 移动机器人电源及驱动模块 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩2.1.6 移动机器人传感系统 移动机器人的传感系统负责获取机器人内部状态和外部工作环境的信息，是移动机器人感知、决策和动作三大要素之一。传感系统的硬件组成单元是传感器，其功能是为机器人提供诸如视觉、力觉、触觉等对外部环境的感知能力，同时还可以感知机器人本身的工作状态和位置。外部传感器有:传感器模块上配备24路超声测距传感器(声纳)及光电开关(避碰用)、两自由度摄像云台、全景视觉摄像机、接触和接近传感器等，并提供8个预留的标准接口。结构如图10所示。传感器主板如图11所示，其中12点方向的超声波传感器及红外传感器接口号为24#，顺时针方向为1、 2、 3、 4、5。图10 传感系统结构图11 传感器主板丝印图传感器主板电源由两针接口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24电源，另一路直接为PC提供电源。其中LEDO1与LED02分别是传感器系统与PC系统电源指示灯。图12 电源输入以及简单保护电路22 移动机器人运动控制研究移动机器人通常利用轮子、腿或其他机械装置在应用环境中来回移动。本文讨论的为四轮式结构。前面两个轮为随动轮，仅起到支承车体而无导向作用，后面两轮为驱动轮，用两台电机分别驱动，通过调节后轮的转速来控制车体运行的速度和转动角速度。2.2.1 车体结构与运动学分析图13为可移动机器人车体结构简图。小车两后轮为驱动轮分别由两台电机驱动，每台电机与后轮各构成一个速度闭环，为恒速输出，在工作载荷内，调节两电机的输入电压即可调节两后轮的转速。小车两前轮为随动轮，仅起到支承车体的作用而无导向作用。图13 车体结构图 图14 车体运动路径 图14为车体运动路径示意图。车体运动起始点O为坐标原点，经时间t后车体运动到点A处.其中，Ex(t)和Ey(t)为小车在X方向上和Y方向上的位移；(t)和。(t)为小车的角位移和角速度。为小车两后轮中点处的移动速度。因此可推得如下关系式： Ex（t）= (1) Ey（t）= (2) (t)= (3)在小误差范围内可以认为: cos(t)=1 （4） sin(t)=(t) （5）控制小车的两电机电压保证小车两后轮中点处的速度为常量，即v=v0，则式（1），（2）和（3）可表示如下： Ex（t）=v0t （6） Ex（t）= （7） (t)= （8）经过实测，小车两电机闭环系统特性一致.电机输入电压与车轮转速关系如下： n=knU+Cn （9）式中n为车轮转速，U为电机输入电压，kn和Cn为常数。根据推导可获得车体转动的角速度（t）和小车后轮中点处的速度v0如下： （t）=（n2-n1）D/W （10） v0=（n2+n1）D/2 （11）其中n1和n2分别为小车左轮和右轮的转速，D为小车后轮的直径，W为小车两后轮的距离。把式（9）代入式（10）和（11）中，得 （t）=（U2-U1）Dkn/W （12） v0=（U2+U1）Dkn/2+DCn （13）其中U2和U1为小车左轮和右轮的输入电压。由式（13）可知，若小车两电机输入电压之和为常数，则小车两后轮中点处速度v0为常数。当小车有一瞬时角速度（t）时，所需两电机电压差为U=U2-U1=（t）W/(Dkn) （14）若使： （15）则小车两电机输入电压之和为常数，即 U2+U1=2U （16）式中，U为小车作直线运动时两电机的输入电压，U值决定于v0的大小。 对于此系统，我们不关心位移，只要求小车能够沿着示教的路径做再现运动，即希望Ey(t)=0.式(7),(8)和(14)经拉氏变换后为: Ey(s)=v0(s)/s （17） (s)=（s）/s （18） U(s)=W（s）/(Dkn) （19）由式（17）、（18）、（19）给出系统结构图如图15所示。图15 系统结构3 轮式机器人的结构设计 要开发能够适应复杂路面环境的智能移动机器人，首先要研究其机械结构。移动机器人的机械结构是其上仪器设备的一个搭载平台，是构成移动机器人整体的基础，其功能和适应性的好坏直接关系到机器人的使用寿命和完成任务的情况。因此，机械结构设计是机器人开发过程中的一个非常重要的环节。31 移动机器人的结构分析3.1.1 驱动机构 驱动元件在机器人中的作用相当于人体的肌肉。为了完成预定的动作，机器人必须具备前进驱动装置和转向驱动装置，这是结构设计中的一个关键。在所有的驱动元件中，电机是最常用的机器人驱动器。当前许多仿生机器人也有用液压元件、气动元件以及一些特殊材料来作驱动器。本文主要采用电机作为该新型智能移动机器人的驱动元件。对电机实现准确的控制，才能使机器人实现精确运动。 目前，电机驱动装置主要有以下两种布置方式: (1)集中驱动方式。即把驱动电机布置在车体上，在通过传动装置，将动力输出到每个车轮上，使车轮运动。电动汽车便是典型的集中驱动方式。对于智能移动机器人，集中驱动方式并不合适，主要是由于其难以实现自由转向，对车体进行精确定位。 (2)集中控制分布驱动方式。即在每个驱动车轮上都设置电机，驱动车轮运动或转向。电机由安装在车体上的中央控制元件控制其转动速度。这种结构简单，而且便于实现，有利于运动机构性能的发挥22。目前各国的空间探测车均采用这种驱动方式。本方案采用集中驱动方式。后两个车轮分别连接一个前进驱动电机，电机提供动力，再由控制系统控制电机转速来实现车体的转向。3.1.2 车轮车轮的直径对机器人的速度和越障能力都有很大的影响。使用同样的电机，车轮直径增加，机器人的速度会同时增加，二者之间是一种线性关系。另外，按照车辆理论的分析，车轮的直径增大可以明显提高机器人的越障能力。但是，车轮直径变大的同时，车轮表面所受的电机转矩却会下降。根据车辆地面力学理论，刚性车轮的宽度越宽，车轮的土壤沉陷量越小，土壤的压实阻力也就越小23。不过，车轮变宽后，机器人的转向阻力也会变大。另外，增加车轮的直径比增加车轮宽度对减小压实阻力更为有效。因此，必须根据实际情况设定车轮直径和宽度，不能盲目加大车轮直径和宽度。32 移动机器人的结构设计 (1)本小型轮式智能移动机器人采用整体车身结构。车身通过轴与前后四个车轮连接，使车身及承载物的重量能被四个车轮平均承受，再平均分配给每个车轮，从而使各车轮的受力均衡，提高整个车辆的承载能力。(2) 机器人的主要运动结构为前后四个车轮及其相关机构。前车轮为万向轮，后车轮连接电机，可以分别实现转向和滚动。四个车轮的接地点呈矩形分布，使车身具有一定的稳定性。各个车轮各自通过一根轴跟车身相连，通过简单的机构传动，可以使车实现协调的运动。(3)在车体上设有中央控制单元，实现对电机的运行控制。图16 机器人整体布置图 (4)控制模式考虑采用自主导航和远距离控制相结合的模式。车上设有传感系统、导航系统、控制系统，机器人本身具有一定自主导航能力，可以实现自动避障。(5) 机器人自带蓄电池等能源设备，可以在一定时间段内实现能源的自动供给，保证机器人在失去外部电源的情况下能自动返回出发地。(6) 车辆的外形尺寸为800510400mm。(7) 车轮直径为180mm宽度为55mm。3.2.1 移动机器人零部件设计选择1. 确定驱动轮半径 R=90mm 机器人车轮周长C=2R=565.2mm2. 机器人车速 V=0.080.6m/s 车轮转速为n 0.08m/s0.6m/s 8.5r/minnw63r/min。3. 选择电机因要满足室外、草地、沙漠等环境的行走。查数据可得轮与地面摩擦因素=3工作机扭矩 T=FR=mgR=40Kg10m/s230.09m=108Nm工作机功率 P=108Nmnw/9550 （1）w=196WP712W现有济南科亚电子科技有限公司ZTY型直流马达技术参数如下表：型号转矩（mNm）转速（r/min）功 率（W）电 压（V）电流（A）不大于110ZYT0563730002002413110ZYT5598030003082416.5110ZYT105127430004002422.5110ZYT155223030007002422.5130ZYT05318515005002428综合考虑，选定型号130ZYT05电动机主要外形尺寸和安装尺寸如下：型号L重量（Kg）不大于130ZYT0520413图17 电机安装尺寸4. 减速器的设计选择电机所需功率 Pd=电动机至工作机的传动总效率 a=1223取单头蜗杆效率 1=0.725取滚动轴承效率 2=0.988取弹性联轴器效率 3=0.994a=0.703Pw=Pda=5000.703=351W根据式（1）nw=31.4i=1500/31.4=47 根据以上数据，选定减速器类型为蜗杆减速器。图18 蜗杆减速器表1 蜗杆、蜗轮参数的匹配中心距a/mm传动比i模数m/mm蜗杆分度圆直径d1/mm蜗杆头数z1蜗杆齿数z2蜗轮变位系数x2404.83222.4629-0.1007.25222.4429-0.1009.51.620438-0.250-14.5222.4229-0.100191.620238-0.25029222.4129-0.100381.620138-0.250491.2520149-0.500621181620.000选择传动比i=495. 传动装置的运动和动力参数 （1）各轴由高速至低速依次为轴、轴（工作轴）轴 n=轴 n=r/min（2） 各轴输入功率 轴 P=Pd3=5000.994=497W 轴 P=P31=4970.7250.988=356W（3）各轴输入转矩 轴 T=Td3=95503=95500.994=1.4Nm 轴 T=T2i1=1.40.98849=67.7将上述计算得到的运动和动力参数列表如下：轴号功率P（kW）扭矩T（Nm）转速n（r/min）电机轴50031853000轴4971.43000轴35667.761.23.2.2 传动的设计计算1 选择齿轮的类型、材料、精度和齿数（1）按已知条件，选用一级蜗杆传动。（2）蜗杆、蜗轮材料采用45钢调质处理，硬度差为40HBS可以提高大齿轮齿面的疲劳。 （3）精度选择7级精度。 （4）根据表1，选择蜗轮齿数z=49 2.按齿面接触疲劳强度计算根据以下设计公式进行计算：（1）确定上式中的各参数 试选使用因素；KA=1 蜗杆传递的扭矩为：T2=9550=95.5105=1582Nm 查设计手册，选动载因素KV=1.1； 查设计手册，选载荷分布因素K=1； 查设计手册，查得接触疲劳强度极限为HP=140MPaH=155=22.9MPa140MPa 3.校核蜗轮齿根弯曲强度 查设计手册，蜗轮综合齿形系数=4； 查设计手册，导程角系数=0.906 查设计手册，查得齿根弯曲强度 =7.56MPa33MPa3.2.3 计算蜗杆传动主要尺寸下表为普通圆柱蜗杆传动基本几何关系式：表2 普通圆柱蜗杆传动基本几何关系式序号名称代号关系式结果1中心距aa=(d1+d2+2x2m)/240mm2蜗杆头数z1-13蜗杆齿数z2z2=iz1494齿形角aax=20或an=20205模数mm=mx=mn/cos1.256传动比ii=n1/n2497齿数比uu=z2/z1498蜗轮变位系数x2x2=a/m-(d1+d2)/2m-0.5009蜗杆直径系数qq=d1/m1610蜗杆轴向齿距pxPx=m3.92511蜗杆导程pzpz=mz13.92512蜗杆分度圆直径d1d1=mq2013蜗杆齿顶圆直径da1da1=d1+2ha1=d1+2ham22.514蜗杆齿根圆直径df1df1=d1-2hf1=d1-(2ham+c)1715顶隙cc=