4363小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4363小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,小型,轮式,移动,挪动,机器人,结构设计,运动,控制,节制,研究,钻研,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究 答辩： 周荣江 指导老师： 祖莉 主要内容 发展概况 国内外研究概况 研究的背景和意义 研究内容 运动控制 结构设计 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。 国内外研究现状 国外研究现状 国 内 研究现状 国内外研究现状 -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 1966 1968年间，向月球成功发射了两次无人巡游探测器。 1997年由美国 称 国太空总署喷气推进实验室 )研制的 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。 2007年， 国内外研究现状 -国外研究现状 美国军方在阿富汗战争和伊拉克战争中都曾广泛使用 近两年来，美国军方又研制了 “大狗 ”四足机器人 前苏联在 1959 1976年间，总共成功发射了两个月球探测车。其中 2号车 (为成功。 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 。 国内外研究现状 -国内研究现状 当今我国对 研发机器人 投入了极大的关注，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机器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。 国内外研究现状 -国内研究现状 清华大学在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。 国防科大的研究小组以我们刚提到的制出了 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。 国内外研究现状 -国内研究现状 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 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。 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，并对该机器人进行了运动学建模与仿真。 研究的背景和意义 研究背景 研究的意义 研究的背景和意义 -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 。 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。 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。 研究的背景和意义 -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 : 军事侦察，排除险情 探测危险，航天航空 智能导航，快速运输 研究内容 移动机器人的运动控制分析。 移动机器人的模块化设计。 移动机器人的结构设计。 运动控制 移动机器人控制系统设计 原理 元器件的选择 移动机器人平台总体结构 移动机器人硬件系统 移动机器人电源及驱动模块 移动机器人传感系统 移动机器人运动控制研究 车体结构与运动学分析 移动机器人控制系统设计 -原理 单片机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。 移动机器人控制系统设计 -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 次设计中选择了国产的 新一代增强型 8051单片机，速度快，集成度高，电压范围宽 (指令系统和 移动机器人控制系统设计 -移动机器人平台总体结构 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。 移动机器人控制系统设计 -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。 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、运动控制层如图所示。 移动机器人控制系统设计 -移动机器人电源及驱动模块 没有运动控制和驱动单元，机器人的电机就无法运转。运动控制和驱动单元被集成并封装在电源 /驱动模块中。 为了使系统更加可靠，通过 移动机器人控制系统设计 -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。 运动控制 车体结构与运动学分析 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。 车体结构图 车体运动路径 结构设计 移动机器人的结构分析 驱动机构 车轮 移动机器人的结构设计 移动机器人零部件设计选择 传动的设计计算 绘制装配图 移动机器人的结构分析 -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。 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。 移动机器人的结构分析 -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。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。 移动机器人的结构设计 -移动机器人零部件设计选择 合适的电机 在这里选择济南科亚电子科技有限公司30蜗杆减速器 传动比选择 49 减速器强度校核 装配图的绘制 装配图是表达设计者设计机器总体结构意图的图样，是绘制零件工作图，进行机器组装、调试、维护等环节的技术依据。要求它能正确表达机器的工作原理和装配关系，反映出各个零件的相互位置、结构形状及尺寸。因此机器的图纸设计工作一般总是从装配图开始进行。而装配图的设计，人们通常先设计装配草图，然后再逐步完成整个装配工作图的绘制。这样，装配草图的设计就是首当其冲的重要环节，绝大部分零件的结构和尺寸均在此阶段中确定，这就需要综合考虑零件的强度、刚度、工艺、装配、调整、润滑以及经济性等各方面的要求，并需要足够的视图和剖视来表达清楚。设计时，既有结构设计又有强度等的校核计算，因此设计过程较为复杂，常常需采用边计算、边画图、边修改的“三边”设计方法逐步完善之。 装配图的绘制 序号 名称 代号 关系式 结果 1 中心距 a a=(d1+2 40 蜗杆头数 1 3 蜗杆齿数 z2 z2=9 4 齿形角 a 0 或 0 20 5 模数 m m=mx=mn/ 传动比 i i=n1/9 7 齿数比 u u=z2/9 8 蜗轮变位系数 x2 x2=a/m-(d1+2m 蜗杆直径系数 q q=d1/m 16 10 蜗杆轴向齿距 x=m 1 蜗杆导程 pz 2 蜗杆分度圆直径 d1 d1=0 13 蜗杆齿顶圆直径 m 4 蜗杆齿根圆直径 m+c) 17 15 顶隙 c c=c m 6 渐开线蜗杆基圆直径 速器蜗杆蜗轮参数 17 蜗杆齿顶高 m=(2 8 蜗杆齿根高 +c ） m=(2 9 蜗杆齿高 h1 h1=2 0 蜗杆导程角 d1=z1/q 21 渐开线蜗杆基圆导程角 b 2 蜗杆齿宽 b1 12+0.1 z2)m 13+0.1 z2)m 17 23 蜗轮分度圆直径 d2 d2=4 蜗轮喉圆直径 5 蜗轮齿根圆直径 6 蜗轮齿顶高 2=m(h a+7 蜗轮齿根高 2=m(h c ) 8 蜗轮齿高 h2 h2=2 9 蜗轮咽喉母圆半径 0 蜗轮齿宽 b2 5 31 蜗轮齿宽角 =2b2/ 2 蜗轮轴向齿厚 sx m/2 3 蜗杆法向齿厚 sn sn=4 蜗轮齿厚 蜗杆节圆处轴向齿槽宽 e35 蜗杆节圆直径 d1 d1=m(q+26 蜗轮节圆直径 d2 d2=速器机体主要结构尺寸 名称 符号 尺寸关系式 结果 机座壁厚 - 3 机盖壁厚 1 - 3 机座凸缘壁厚 b 盖凸缘壁厚 座底凸缘壁厚 角螺钉直径 地角螺钉数目 n n4 4 轴承旁联接螺栓直径 与座联接螺栓直径 0.6) 联接螺栓 l 轴承端盖螺钉直径 0.5) 窥视孔盖螺钉直径 0.4) 定位销直径 d (0.8) 3 2 外机壁至轴承座端面距离 l1 c1+3 8) 蜗轮外圆与内机壁距离 1 轮轮毂端面与内机壁距离 2 中间轴两传动件的轴向距离 3 8 15 机盖、机座筋厚 m m 承端盖外径 9 确定轴各段直径 符号 确定方法及说明 d 按许用扭转剪应力的计算方法估算，尽可能圆整为标准直径（查手册），如有外接零件（如联轴器）
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