轮式移动机器人结构设计【含CAD图纸和说明书】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共41页)
编号：166708944
类型：共享资源
大小：1.09MB
格式：ZIP
上传时间：2021-11-21
上传人：机****料
认证信息
个人认证
高**（实名认证）
河南
IP属地：河南
40
积分
- 关 键 词：
-
含CAD图纸和说明书
轮式
移动
机器人
结构设计
CAD
图纸
说明书
- 资源描述：
-
资源目录里展示的全都有预览可以查看的噢，，下载就有,,请放心下载，原稿可自行编辑修改=【QQ：11970985 可咨询交流】====================喜欢就充值下载吧。。。资源目录里展示的全都有，，下载后全都有,,请放心下载，原稿可自行编辑修改=【QQ：197216396 可咨询交流】====================
- 内容简介：
-
大学毕业设计说明书题 目： 轮式移动机器人结构设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2012年5月30日 大学 毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 轮式移动机器人结构设计 学号： 姓名： 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求 1：了解轮式移动机器人的原理及其设计： 2：CAD绘图设计，要求A0图纸一张，总共达到两张A0。 3：说明书，要求6000字以上，要求内容完整，计算准确： 4：外文翻译3000字以上，要求语句通顺。 二、重点研究的问题 1：轮式移动机器人转向机构的设计： 2：轮式移动机器人电机的选型 三、进度安排序号 各阶段完成的内容 ：完成时间1查阅资料第1-2周2开题报告、制订设计方案第34周3分析各方案优劣，选出最佳方案第5周4 完成轮式机器人的相关参数设计第6-7周5 绘出机构结构的零件图和装备图 第812周6修改图纸 第13周7说明书的撰写的编辑第14周8答辩准备第15周四、应收集的资料及主要参考文献1 吕伟文.全方位轮移动机构的原理和应用A.无锡职业技术学院学报,2005，615-17.2 赵东斌,易建强等.全方位移动机器人结构和运动分析B.机器人,2003,9. 3 李瑞峰,孙笛生,闫国荣等.移动式作业型智能服务机器人的研制J.机器人技术与应用,2003,1:27-29. 4 杨树风.带有机械臂的全方位移动机器人的研制. 哈尔滨工业大学硕士毕业论文，2006. 5 田宇,吴镇炜,柳长春.开放式三自由度全方位移动机器人实验平台J.机器人,2002,24（2）:102-106. 6 闫国荣，张海兵.一种新型轮式全方位移动机构J.哈尔滨工业大学学报，2001,33（6）:854-857. 7 吕伟文.全方位移动机构的机构设计A.无锡职业技术学院学报，2006.12：03-12. 8 高光敏,张广新,王宇等.一种新型全方位轮式移动机器人的模型研究A.长春工程学院学报,2006,12. 9 吴玉香，胡跃明.轮式移动机械臂的建模与仿真研究B.计算机仿真，2006,1（05）. 10 付宜利,徐贺,王树国.具有新型轮式走行部的移动机器人及其特性研究.高技术通信,2004,12. 11 付宜利,李寒,徐贺等.轮式全方位移动机器人几种转向方式的研究.制造业自动化,2005,10:5-33. 12 滕鹏,马履中,董学哲.具有冗余自由度的新型护理机械臂研究.机械设计与研究,2004,1:3-32. 13 孔繁群，朱方国，周骥平.一种机械手关节联接结构的改进设计B.机械制造与研究，2005,5:2-16. 14 蔡自兴编著.机器人原理及其应用. 中南工业大学出版社，1988. 15 吴广玉，姜复兴编.机器人工程导论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1988. 大学毕业设计评阅表学号 姓名 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 轮式移动机器人结构设计 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价 论文选题基本符合培养目标要求，能体现学科专业特点，达到了综合训练的目的。该生能在设计中运用所学知识，设计方案基本可行，工作量尚可，论文质量基本符合本科生毕业设计要求。同意参加答辩。评阅人： 2012年5月 日 大学 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 姓名： 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 33 页 图 表 8 张论文（设计）题目： 轮式移动机器人结构设计 内容提要：1.本文首先对机器人的国内为发展现状做了介绍，同时根据设计要求对机器人的整体方案进行了分析，包括几何尺寸、电机的选择。然后从机器人性能要求的角度出发，分别对机器人的运动方式、模型结构和车体成型方式做了比较，最终确定了四轮式移动结构模型后轮同轴驱动，前轮转向的轮型机器人。2.文章对移动机器人硬件结构做了详细的可行性分析及设计，并且做了相应的计算、校核，主要包括：驱动轮电机和转向轮电机的选择及其驱动电路的设计；齿轮的设计计算和校核；转向机构设计和车体的一些机械结构设计等。本设计中，采用增量式光电编码器测量移动机器人后轮的实时转速，进而通过特定算法得到实时电机驱动模块的PWM控制量，实现运动机器人运动的闭环控制。3.最后，本文对所作研究和主要工作进行了总结，并将设计的轮型机器人的结构进行联合调试。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠，可控制性高，安全性高，达到了本设计的设计要求。指导教师评语同学在毕业设计期间不够积极主动，在设计过程中缺少与指导老师的沟通，表现一般。采用AutoCAD软件对设计的基本原理结构进行设计与绘图。同意答辩，推荐毕业设计成绩为“及格”。指导教师： 年 月 日答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日目 录第一章 绪 论11.1国内外相关领域的研究现状11.2移动机器人的关键技术21.3课题研究意义31.4.论文主要完成工作4第二章 全向移动机器人移动机构设计52.1引言52.2机械设计的基本要求52.3全方位轮式移动机构的研制62.3.1移动机器人车轮旋转机构设计62.3.2移动机器人转向机构设计92.3.3电机的选型与计算112.4移动机器人车体结构设计142.5本章小结15第三章 机械材料选择和零件的校核163.1机械材料选用原则163.2零件材料选择与强度校核173.3本章小结19结 论20致 谢21参考文献22附录一23附录二28IV第一章 绪论1.1国内外可移动机器人的发展现状移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代，就己经开始有关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此，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。由于对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、核、化污染等危险与恶劣坏境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。国外在移动机器人方面的研究起步较早，不管是在应用还是在研究方面，日本和美国都处于遥遥领先的地位。美国国家科学委员会曾预言:20世纪的核心武器是坦克。21世纪的核心武器是无人作战系统，其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向战场”。为此，从80年代开始，美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕。初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但是却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，同时也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。进入90年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军。如由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人，1994年在斯拍火山的火山口中进行了成功的演示。美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研制，命名为Rocky，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。此外，在民用方面，可移动机器人在国外己被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导游、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。另外，国外还在高完整性机器人，遥控移动机器人，环境与移动机器人系统，生态机器人学，多机器人系统等方面作了大量的研究。国内在移动机器人方面的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有: 清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划);基于传感器信息的局部路径规划技术研究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制);路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟);传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术);智能移动机器人的设计和实现(智能移动机器人THMR-IH的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统)。此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中国科学院沈阳自动化研究所的自动导引车AGV和防爆机器人、中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统、哈尔滨工业大学研制成功的导游机器人等。总之，近年来移动式机器人的研究在国内也得到很大的重视，并且在某些方面的研究取得丰硕的成果。1.2 移动机器人的关键技术移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力，并具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。移动机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。适应性是指机器人具有适应复杂工作环境的能力(主要通过学习)，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力;自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，自己确定工作步骤和工作方式;交互是智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人及机器人之间三种，主要涉及信息的获取、处理和理解。因此，在移动机器人研究中，关键在于以下几个方面：1.机器人结构.机器人机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进行的。在机器人机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的硕士论文轮式机器人控制问题的研究NASA行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人，都有力地显示出移动机器人正在以其具有使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一。2.体系结构.机器人的智能系统具有以下特点:信息密集，多层次的信息与知识表示方式，与环境交互丰富多样，信息与知识分布存储等。所以，它是一个高智能、多系统的复杂系统工程，不是单元技术的简单连接，系统的总功能是各种分系统在多层次的协调和分工中集成，因此，机器人的总体集成技术是一个核心问题，其主要内容是机器人的体系结构研究。体系结构的研究，主要针对有意识行为和反射行为而展开的，如何将两者相统一，是目前的一个研究热点。早期的移动机器人研究都是在室内进行的，其体系结构，一般只能在“积木世界”中运行。德国为在自动化工厂中运行的自动导引车AGV设计了一种分层体系结构。德国还开发了一种具有很高水平的移动机器人系统KAMRO，其体系结构基本上采用NASREM模型的思想。美国MIT的人工智能实验室提出了包容体系结构思想，并建立了一系列新型的移动机器人。包容体系结构采用所一谓“感知一动作”结构，也称基于行为的结构。一些实验表明，包容体系结构在处理动态环境中不确定性和模仿动物的低级反射行为方面具有很多优点。最近，又提出了基于行为控制思想的新型体系结构。目前，这种基于行为控制的体系结构还处于理论探讨阶段，很多工作有待深入。3.移动机器人路径规划技术.移动机器人的路径规划就是给定机器人及其工作环境信息，按照某种优化指标，寻求有界输入使系统在规定的时间内从起始点转移到目标点。机器人路径规划的研究始于20世纪70年代，目前对这一问题的研究仍十分活跃，许多学者做了大量的工作。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态己知环境和动态不确定环境，按机器人获取环境信息的方式不同可分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。运动规划是移动机器人的一个重要问题，对于自由运动的机器人，即机器人的运动不受约束，运动规划问题可以通过在自由位形空间内计算一条路径加以解决，这样的一条路径与工作空间内的一条可行的自由路径相对应。但是移动机器人运动受到非完整性约束，并不是任意路径都一定是可行的。在复杂动态的环境中，还要考虑运动中的避障问题，因此，移动机器人的运动规划是一个比较复杂的问题。尚有许多的问题有待研究。4.导航与定位.在移动机器人的应用中，精确的位置知识是一个基本问题。有关位置的测量，可分为两大类:相对和绝对位置测量。使用的方法可分为7种:里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔，全球定位系统，路标导航和地图模型匹配。1.3 课题研究意义研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域、军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业也都开始使用机器人。本课题选用轮式作为机器人平台设计研究，两轮式机器人在国内外还处于刚刚起步阶段，其前景广阔，适用性较广，在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值。已经初步做出了简单的实验模型，解决了轮式机器人的传动机构难题。该轮式机器人运动响应迅速，具有高机动的零半径转向能力，并且在运动过程中不存在失稳状态。摄像头的密封式结构可以将内部器件密封保护起来，免受外界环境的影响，非常适合在潮湿、多尘土、多辐射或有毒的环境中执行任务。它具有广阔的应用前景，例如，通过搭载视觉传感器或气体传感器等设备，它可以在缺少人干预的环境中进行战场侦察、室内或库房的巡逻及行星探测等任务，也可以通过搭载声光电等设备作为一种新颖的具有移动性和交互性的儿童玩具。1.4 论文主要完成工作课题主要完成轮型机器人，驱动电机选择，驱动芯片的选择及程序的编制，驱动电路设计。1.机械结构部分包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择2.针对设计要求结合所选用的电机，设计电机的驱动模块，并讨论系统设计的可靠性问题 第二章 轮型机器人结构设计2.1引言机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。带有机械臂的全方位移动机器人可以实现在平面内任意角度的移动，能够以一定姿态到达预定位置。根据这一总体思想，进行本机器人移动机构的本体设计。2.2机械设计的基本要求机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。a.对机器整机设计的基本要求对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。b.对零件设计的基本要求机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、震动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足的条件，这些条件就是判定零件工作能力的准则。要尽量降低零件的生产成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时合理的选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，如内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。332.3 全方位轮式移动机构的研制 在设计移动机器人本体时应遵循以下设计原则：（1）总体结构应容易拆卸，便于平时的实验、调试和修理。（2）应给机器人暂时未安装的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将来功能改进与扩展。对比绪论中各转向机构的优缺点，本文选用全方位轮式机构来设计。全方位轮式机器人的运动包括纵向、横向和自转三个自由度的运动。车轮形移动机构的特征与其他移动机构相比车轮形移动机构有下列一些优点：能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的缺点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。所以在这个意义上 车轮形移动机构的利用价值可以说是非常高的。图 2.1 是全方位轮式移动机构的示意图。轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，可调速，便于控制。车轮的旋转和转向是独立控制的，全方位移动机器人采用前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每轮旋转来实现全方位移动。 图2.1 全方位轮式移动机构示意图2.3.1 移动机器人车轮旋转机构设计在车轮旋转机构设计过程中，主要考虑了以下模型，如2.2图所示。由图可以看出，模型 a 结构简单，但是车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象，且对电机轴形成一个弯矩，容易对电机轴造成破坏。模型 b 采用电机内嵌式结构，增大了车轮与地面接触面积，减小了打滑现象，但电机固定比较困难。综合两种模型的优缺点，设计如下图中所示结构，图2.2旋转部分结构图将电机内嵌在车轮内部，既增大车轮与地面的接触面积，又缩短了整个结构的轴向距离。为了保持轮子受力平衡使整个机构可以平稳运动，将轮子设计为两个一组来实现。采用了一个深沟球轴承作为径向支承，一方面避免了车轮对电机产生弯矩；另一方面保证了车轮的刚度。轴承外圈与车轮内表面配合，由于内圈并不能与电机直接配合，设计了一个电机壳结构，作电机和轴承的连接。 图2.3 旋转部分车轮旋转部分的具体结构分为五个部分：（1）两个轴承由弹性挡圈和电机壳轴肩轴向定位；通过电机壳外表面径向定位通过电机轴外表面径向定位。此外,此处选用深沟球轴承作为支撑.深沟球轴承主要承载径向载荷,同时也可以承载小的轴向载荷。选用它就可以达到设计的要求,而且深沟球轴承经济性好,方便购买。而作为径向支撑,它主要避免了车轮对电机产生弯矩。（2）电机预装在电机壳上，依靠电机壳凸缘轴向定位；但径向定位不能利用电机定位止口定位，只能采用车轮调整电机轴的同心完成径向定位。（3）车轮依靠轴承的外圈定位，然后再通过车轮自有联轴器与电机轴联接。这个过程也是调整电机轴同心，然后从车轮侧面的预留安装孔将电机紧固在电机壳上。（4）整个车轮分为两部分组合而成。一个是带有轴径的车轮,另一个是不带轴径的轮子,两者相配合使用组成一组完整的车轮。而车轮轴径与车体支撑件以滚动摩擦的形式配合使用,并且作为两车轮的轴向定位件。车轮最终的固定是通过外侧的螺钉来顶紧挡板实现的。具体结构如图2.4所示。（5）整个旋转部分结构设计完成,但它必须与转向机构连接起来才能实现全方位移动。后一小节转向机构的设计中设计有转向轴,为了使转动部分和转向部分的转向轴连接以实现全方位运动,此处设计了类似于半圆的固定件。如图下图所示。使用是采用两个配合来固定住旋转部分,通过四个螺栓的连接来实现和转向轴的连接,从而使转向机构和转动机构连为一体,最终实现全方位移动。 图2.4 固定件 2.3.2 移动机器人转向机构设计转向部分主要由转向轴、轴承、基座、转向电机以及转向连接件组成。转向机构设计的基本路线是从上而下。如图2.5图2.5 转向部分（1）转向轴转向轴分两部分，呈T型，一端采用阶梯轴的形式，便于与基座联接；另一端与车轮部分联接，设计成圆柱形以保证足够的强度和良好的工艺性。同时两部分轴互相配合，可以伸缩以便转向时车轮轴的位移变化。转向轴主要作用就是通过与转向电机的连接起到转向的作用，主要受的是径向力，而受到的轴向力很小。如图2.7所示，转向轴受到向上的轴向力时，轴向力通过轴肩传到下方轴承内圈，再传到套筒，然后传到上方轴承的内圈，再通过滚珠传递到轴承外圈，而轴向力进一步的传递到端盖和箱体，从而将轴向力转移到整个车体上，因为，箱体连接在车体上。转向轴受到向下的轴向力时，首先是靠弹性挡圈传递轴向力，再通过一系列传递最终将轴向力转移到车体上。所以说，转轴的工作是可靠的。（2）转向轴与基座联接：转向轴相对于基座来说只有一个自由度，形成的是转动副，转向轴在机器人移动过程中承受径向力和比较大的轴向力，适合这种要求的常用轴承有圆锥滚子轴承。轴承采用套筒隔开的两端支撑结构，这样设计可以保证转向轴在转向的过程中不发生摇摆，保证转向的精度并且可以减小对转向相关零部件的磨损。一对轴承用套筒隔开后，轴承内圈由轴肩和轴用弹性挡圈固定。两轴承外圈与基座座孔和轴承端盖连接。（3）转向电机轴和转向轴的联接 两轴的连接一般选用联轴器。联轴器主要用来联接轴与轴(或联接轴与其它回转件)以传递运动和转矩,有时也用作安全装置。本文中没用选用标准的联轴器,因为标准的联轴器整体尺寸过大,占用空间大,且不利于安装,不符合设计要求。同时,由于所要连接的两轴径大小确定本文自行设计了一个联轴器。 图2.6 联轴器由于轴仅受到转矩的作用,而轴向力很小，所以两轴都采用平键来周向固定,以达到固定和连接两轴的目的。（4）转向驱动电机与基座的联接当转向轴与基座构成转动副以后，只需要用电机来驱动转向轴即可实现车轮的转向。将电机固定在基座上需要一个连接件，连接件设计过程中考虑了两种模型：整体式和剖分式。整体式装配时定心性好，但必须侧面开口，这样容易导致车轮转向精度不够，且不利于防尘，剖分式定心性稍差一点，可以组合成封闭结构，具有可靠的刚度，防尘，拆卸方便。因此，选用剖分式结构。 整体式 剖分式5）箱体的设计与固定如图2.6所示为箱体结构的示意图。它通过左右两侧对称的呈L型的矩形臂用8个螺栓固定于车体前后两侧。由于箱体是通过螺钉和机座连接的，从而可以把它和机座以及转向电机视为一体。再者，箱体内部是放置轴承，并固定轴承的，所以设计了如图中所示的双臂。这种设计可以将转向机构的整体重量通过箱体的两臂传到车体上，进而施于整个重量施轮子。那么转轴的受力将大大的减小。而且这样设计拆卸方便，利于维修。采用对称结构固定于空间内，有利于稳定整个转向机构，并提高整个全方位移动机构的性能图2.6箱体示意图2.3.3 电机的选型与计算a.电机性能的比较在机器人的驱动器一般采用以下几种电机：直流电机、步进电机和舵机。几种电机有关参数进行如表 2.1 所示。表2.1 几种电机比较电机类型优 点缺 点直流电机容易购买型号多功率大接口简单转速太快，需减速器电流较大较难与车轮装配价格较贵控制复杂（PWM）步进电机精确的速度控制型号多样适合室内机器人的速度接口简单价格便宜功率与自重比小电流通常较大外形体积大较难与车轮装配，负载能力低功率小舵 机内部带有齿轮减速器型号多样适合室内机器人的速度接口简单功率中等价格便宜 负载能力低 速度调节的范围小 （1） 舵机 1）什么是舵机： 在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。 2）舵机的工作原理： 控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就像我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。 （2）步进电机步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到了越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制性能好，没有积累误差，易于实现控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度实现电机的同步控制。b.电机的选型与计算对于本课题来说，移动机器人的移动速度最高为 0.5 米/秒，电机转数最高接近 100 转/分。如果用直流电机，由于受转速和力矩的影响，要配减速器。而如果用步进电机，控制位置精度比较高可以达到 1.8 度。而且不需要减速器避免造成结构冗繁。因此选择步进电机作为驱动电机。下面对旋转步进电机型号进行选择，轮式移动机器人在移动的时候，需要克服两种阻力：摩擦力和重力。对于平面内移动的机器人来讲则只需要克服摩擦力。移动机器人整体重量在 20Kg左右，地面摩擦系数按金属与混凝土之间的取为 0.5，则机器人需要的总功率为：则平均每组车轮提供的功率为25 瓦。对于单个车轮而言： （2-1）车轮直径为 110mm，则电机需要提供的转矩为： （2-2）因此，选择了北京和利时公司的56BYG250D-0241 型号电机。静转矩为 1.5 NM 。该电机在相近产品中具有在转速变高一定范围内能够保持平稳的力矩。图为电机转矩图下面选择转向电机，机器人对转向速度要求较低，对位置精度比较严格，选用步进电机可以满足设计要求。转向电机主要是使车轮实现零半径回转，克服地面摩擦力，要求的转速不高，因此主要计算电机静力矩。在这里我们假设每个车轮与地面的接触按照理想状态即相切线接触，那么平均每个车轮的摩擦力为： （2-3）由于车轮是零半径回转，所以克服的摩擦力矩为： （2-4）式中单个车轮的宽度设计车轮与地面接触总宽度为60mm，即所以克服的力矩为 0.368 。实际上车轮不是与地面呈线接触，保证一定余量，选择电机型号为 56BYG250B-0241，静力矩为0.72 。下面是所选电机的外形尺寸。（图片来自/hunheshibujindianjijingtai.aspx?myid=1&action=1&dictid=1）2.4移动机器人车体结构设计设计移动机器人车体是应遵循以下几个原则：（1）总体结构应容易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理。（2）在设计的移动平台应能够给机器人暂时没有安装的传感器、功能元件、电池等元件预留安装位置，以备将来功能改进和扩展。车体是实现全方位移动机构的部分，也是安装其他元件的主体。它同样是保证机器人具有良好的环境适应能力的关键。本文设计的车体采用的是合金铝框架式结构，如图2.13所示共分二层：第一层是车体内腔，空间较大可以安装电池、集线器、装配电路板等，同时可以在以后的具体设计中改变内部格局，以达到最佳的使用效果；第二层安装车轮旋转机构。本结构的空间分层设计使得机器人机构紧凑，易于维护，而且提高了机器人控制系统的抗干扰能力。 图2.13 车体结构示意图2.5本章小结机器人是一种高度集成的机电一体化产品。它不是机械装置和电子装置的简单组合，而是机械、电子、计算机等技术的有机融合。本文虽只设计机械本体部分，但设计过程要完全考虑各部分的因素。而移动机器人的移动机构，它是移动机器人系统能否完成指定任务的基础。本文设计了可避免对电机轴形成弯矩的车轮旋转结构，通过优化车轮的直径与电机的匹配，使其车轮能够在 0-0.5m/s 调速；设计了车轮旋转机构，可使车轮实现零半径转向。第三章 机械材料选择和零件的校核3.1机械材料选用原则机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用的材料由黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复杂的复合材料等。选择材料主要应考虑以下三方面的问题。a.使用要求使用要求一般包括：零件的受载情况和工作状况；对零件尺寸和质量的限制；零件的重要程度等。若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制，应选用强度较高的材料。静应力下工作的零件，应分布均匀的（拉伸、压缩、剪切），应选用组织均匀，屈服极限较高的材料；应力分布不均匀的（湾区、扭转）宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料，如：调质钢、渗碳钢、氮化钢。零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同，改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。b.工艺要求材料的工艺要求有三个方面内容（1）毛坯制造 大型零件且批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。（2）机械加工 大批批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品质量，应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等，应选用切削性能好的材料，如易削断、加工表面光洁、刀具磨损小的材料。C.经济性要求 （1）经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选用价格高的材料。这对大批量制造的零件尤为重要。（2）当零件的质量不大而加工量很大，加工费用在零件总成本中要占很大的比例，这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能和加工费用。（3）要充分考虑材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应该设法提高利用率。（4）采用局部品质原则。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺，使各局部的要求分别得到满足。（5）尽量用性能相近的廉价材料代替价格相对昂贵的稀有材料。 另外选择材料时应尽量考虑当地当时的材料供应情况，应尽能的减小同一部机器上使用的零件材料品种和规格不同。3.2零件材料选择与强度校核 从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械本体个零部件的材料。 a.轴类零件材料的选择与校核（1）轴材料的选择传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低，还可通过热处理改变其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用45号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高周的刚度。鉴于此，全方位移动结构中的车轮，转轴；螺纹轴采用45号钢，就完全能够满足设计要求的需要。（2）转向机构的转向轴强度校核由于此轴最小轴径是直径为10mm的那段,所以只对这一段进行校核就可以了。轴的运动主要受到扭转力,所以只对其扭转强度进行校核。轴的扭转校核公式为: （3-1）式中： 扭转切应力，单位为 轴的抗扭截面系数，单位为 轴的材料为45号钢,其允许扭转切应力为 由第二章可知，转向机构选择的电机型号为56BYG250B-0241，其静力矩为 0.72。即 T=720。由于此段轴中有键，其截面如图3.1所示： 抗扭截面系数： （3-2）图中图3.1 轴截面将数值带入公式计算得： 则： 由此可知，设计的转轴强度满足要求，可以使用。 （3）车轮的校核 车轮是整个机械部分的支撑，也是整个结构受力最大的部分。这里从材料经济性和强度等方面选择45号钢来制造。加工时为了增大车轮与接触面的摩擦力，车轮表面要滚花处理，这样更有利于机器人的移动。整个车轮部分承载的重量为12Kg。由于整个移动机构有四个车轮，这样每个轮子受到的重量只有3Kg。受到的重力仅为29.4N。轮子的直径为110mm，整个移动部分的强度是非常大的，完全满足设计的要求。 B.壳体件材料的选择壳体类零件它们的性能要求很低,所以尽量选择质量轻,价格低廉且符合设计要求的材料。本文选用的是ZAlSi9Mg，这是一种硬铝材料，强度大、质量轻，完全符合本文的设计要求。 并且这种铝合金有利于材料的购买，同样这种材料是满足设计要求的。其中材料ZAlSi9Mg的弯曲应力240， C.车体支撑件材料的选择和校核（1）材料的选择车体支撑件由于与车轮轴之间为滚动摩擦,需要选取一种耐摩擦,同时要求强度大,质量轻,价格便宜的材料来制造。工程塑料拥有良好的综合性能,其强度、刚度、冲击韧性、抗疲劳等不较高,特别是拥有很高的耐磨性。它可以在无润滑油的情况下有效的进行工作。由于它相对密度小,因此其强度高。聚甲醛(POM)是一种比较常用的工程塑料。它是以线性结晶高聚甲醛树脂为基础的。它有着高强度、高弹性模量等优良的综合力学性能。其强度和金属近似,摩擦因数小并有自润滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一种相当便宜的材料。由于本设计中的负荷低,移动机构的速度不快,从而此处选择有聚甲醛这种工程塑料来制造车体支撑件。（2）支撑件的校核支撑件是用来支撑机器人主要机械机构的，本文中共用四个支撑件，都和车轮配套使用，受力几乎一样为29.4N。聚甲醛的抗压强度为125，抗弯强度为980，整个零件的强度和刚度是非常大的。从每个件的受力来看，材料聚甲醛的各个力学性能完全满足本文的设计要求。支撑件和车轮轴是滚动摩擦配合，属于间隙配合。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而机器人移动速度慢，从摩擦的角度来说，聚甲醛也是理想的支撑件材料。3.3本章小结 全方位移动机器人各零部件所要求的强度、刚度等都不同，应该选用不同的材料来制造加工。所以本章就依据机器人在工作过程中各零部件不同受力情况，以及机械设计的要求选用了不同的材料来制造零件，并对零件进行了强度校核，使其达到工作要求。 结 论本文在了解和分析已有的机器人移动平台的工作原理和结构，对比它们的优劣点。在这些基础上提出了全方位移动结构的可行性方案，并选择最佳方案来设计。纵观本文，全方位移动机器人可分为两个大部分即旋转机构设计、转向机构设计。总结如下：1本文采用车轮机构来实现全方位移动。从而设计了可避免对电机轴形成弯矩的车轮旋转结构，通过优化车轮的直径与电机的匹配，使其车轮能够在 0-0.5m/s 调速；2设计了车轮转向机构，可使车轮实现零半径转向；全方位移动机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。致 谢 行文结束之际，我衷心地感谢指导老师老师在我做毕业设计期间给予的关心和指导，在学校良好的硬件和软件环境下，我能够充分地发挥自身的能力，顺利地完成了课题的研究设计工作。而李老师在工作中优秀的学术风范和极高的敬业精神时刻督促作者在今后的学习工作中努力拼搏、精益求精。在此谨向恩师致以最诚挚的感谢！作者衷心感谢刘型志等诸位同窗在作者的设计研究过程中给予的无私帮助与支持。感谢所有关心和帮助过我的亲人、老师、同学和朋友们！参考文献 1 吕伟文.全方位轮移动机构的原理和应用A.无锡职业技术学院学报,2005，615-17.2 赵东斌,易建强等.全方位移动机器人结构和运动分析B.机器人,2003,9. 3 李瑞峰,孙笛生,闫国荣等.移动式作业型智能服务机器人的研制J.机器人技术与应用,2003,1:27-29. 4 杨树风.带有机械臂的全方位移动机器人的研制. 哈尔滨工业大学硕士毕业论文，2006. 5 田宇,吴镇炜,柳长春.开放式三自由度全方位移动机器人实验平台J.机器人,2002,24（2）:102-106. 6 闫国荣，张海兵.一种新型轮式全方位移动机构J.哈尔滨工业大学学报，2001,33（6）:854-857. 7 吕伟文.全方位移动机构的机构设计A.无锡职业技术学院学报，2006.12：03-12. 8 高光敏,张广新,王宇等.一种新型全方位轮式移动机器人的模型研究A.长春工程学院学报,2006,12. 9 吴玉香，胡跃明.轮式移动机械臂的建模与仿真研究B.计算机仿真，2006,1（05）. 10 付宜利,徐贺,王树国.具有新型轮式走行部的移动机器人及其特性研究.高技术通信,2004,12. 11 付宜利,李寒,徐贺等.轮式全方位移动机器人几种转向方式的研究.制造业自动化,2005,10:5-33. 12 滕鹏,马履中,董学哲.具有冗余自由度的新型护理机械臂研究.机械设计与研究,2004,1:3-32. 13 孔繁群，朱方国，周骥平.一种机械手关节联接结构的改进设计B.机械制造与研究，2005,5:2-16. 14 蔡自兴编著.机器人原理及其应用. 中南工业大学出版社，1988. 15 吴广玉，姜复兴编.机器人工程导论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1988. 16 吴玉香，胡跃明.轮式移动机械臂的建模与仿真研究B.计算机仿真，2006,1（05）. 17 濮良贵,纪名刚编著.机械设计（第七版）.北京：高等教育出版社，2001. 18 Feng-bin Qiao,Ting-Kai Xia,Ru-Qing Yang,Zheng-Fei Xu.Design of a terrain sensing machine/sensor for a mobile robotD. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2006,27:5-6.19 Chung Jae Heon,Yi Byung,Kim whee Kuk,Lee Hogil.The dynamic modeling and analysis for an omnidirectional mobile robot with three caster wheelsJ.Mobile Robot,IEEE,1994,3:3091-3096. 20 SANO S,FURUKAWA Y,SHLRALSHIS.Four wheel strring system with rear wheel steer angle controlled as a function of steering wheel angelD.SAE Paper 860625,1986附录1PUMA560机器人的硬件改进和计算转矩的控制更新用于教育事业的工业控制器英国Reading大学的自动控制系有一台Puma 560教学机器人，由于原来的硬件控制部分和人机界面有所欠缺，因此此文就控制部分的改进作了阐述。本论文描述了两个自动化系的研究生的研究结果，这个课题涉及了基于个人计算机的机器人操作臂的人机界面和计算转矩的控制设计。 Puma 560机器人是一个六自由度的机器人操作臂，由六个直流伺服电机驱动，关节位置由编码器和电位计测定。三个大功率的电机用于驱动腰部关节，肩关节和肘关节，而三个较小功率的电机用于驱动腕关节位置和方位。Puma 560机器人有一个宽广的可达空间和较大的加速度，加速度大的超出人的想象。Puma 560机器人设计的初衷是用于工业装配和操作控制，目前大多用于科研院所作为研究的目的来应用。现在机器人操作臂本身仍然有高的强度和动力，然而原来的Unimation Mark 控制器已经过时并且急需替代。随着现代科技的快速发展，出现了能够运行MATLAB/SIMULINK软件的个人计算机，并且还存在有其它的功能,例如实时监控设备、快速成型、以及用于控制机器人操作臂的高级在线测试。基于机器人控制 “工具箱”的SIMULINK软件可以控制Puma 560机器人操作臂，但是它不具备控制计算转矩的功能，正因为此，本文重点介绍这一技术的相关内容。Puma 560机器人的改进和接口部分 为了利用个人计算机来控制Puma 560机器人操作臂，我们特意去掉了原来的LSI/11计算机、EEPROM存储器芯片、CMOS芯片、ad/ac接口、数字伺服控制板、以及操作臂接口卡。正如操作臂接口卡中所描述的一样，原来的功率放大器以及电流、转矩控制器在新设计的控制结构体系中仍然存在。Puma 560机器人控制部分的硬件结构如图一所描述。专用的TRC041改进卡代替原来的芯片安装在Mark 控制器的背面。控制器上的TRC041芯片通过专用的电缆与Q8数据采集器相连接,而Q8数据采集器又与个人计算机上的PCI接口相连接。 奔腾4, 2.4GHz的个人计算机在Windows 2000操作系统下运行,用于控制机器人操作臂的精确运动。伺服电机的转矩通过Mark 控制器来控制，并且与由个人计算机通过Q8数据采集器发送过来的数字电压相比较。Q8数据采集器从TRC041芯片上接收到编码器和电位计上的信号。 电位计上的信号用来校准和标定最近接收到的标志信号，然后校准编码器上的读数用来决定关节的位置和方位。 控制器设计利用控制计算转矩来实现机器人操作臂的控制，这一项技术多用于非线形的动态系统的控制中，用来去掉操作臂控制的非线形、也方便内部控制和定值的获得。关节位置通过微分积分调节器控制计算转矩，进而来控个人计算机 Windows 2000MATLA 6.5/Simulink5.0 Wincon 402PUMA560操作臂改进的UNIMATE控制器PCI总线Q8数据采集器TRC041网卡设置图1 硬件结构专用的TRC041改进卡安装在Mark控制器上，控制器上的TRC041改进卡和Q8数据采集器通过专用的电缆线来连接。奔腾4,2.4GH的个人计算机在Windows2000操作系统下运行，同时应用MATLAB/SIMULINK以及Wincon应用软件来控制机器人操作臂。制关节位置，计算转矩控制器计算必须的参考转矩值，参考转矩值的计算公式如下：M(q)(qKeKeK)N(q,q) （A1）在这里R6是一个矢量，是指关节转矩的参考值；qR6也是一个矢量，一般是指关节变量；M(q)是转动惯量矩阵；N(q,q)代表非线性的术语，例如向心力和震动的影响，以及摩擦和重力（万有引力）的影响；e(t)=qd(t)-q(t)是跟踪误差；qd(t)R6是理想的轨迹值；R6是总的跟踪误差；并且Kp、 Ki和 Kv是微分，积分调节器在各个关节的参数设定值的矩阵真值表。因为公式（）是一个在时间上连续，即动态参数的公式在应用的初期通常应在数字计算机中利用。假定这个动态的模型应用的相当恰当和精确，这个设计将对机器人操作臂提供有效的控制，幸运的是这种Puma 560机器人操作臂的动态性正如其所描述的一样，满足这种设计要求。相对的动态性和Denavit-Hatenburg操作臂所应用的参数是基于45，参考文献中所描述的一样。PID调节器参数的获取可参考文献4。软件部分设计 软件结构的实现是基于在Windows 2000下运行的SIMULINKLAB和SIMULINK软件来实现的。SIMULINK软件使控制算法的快速设计得以实现，并且允许利用C代码来实现特殊的功能，并称之为S功能。除此之外，Wincon 4.16用来实时执行已经编译的C代码，这些C代码是来自于SIMULINK软件项目下的实时监控处得来的，并且通过它来与Q8数据采集器通信。图2 利用PID调节器设计计算转矩控制 并在SIMULINK软件下实现控制利用PID调节器设计计算转矩控制并在SIMULINK软件下实现控制。已知当前的关节位置和过去的关节位置通过调节器计算当前的关节速度。饱和反馈用来防止积分器出错，采样间隔是1ms。轨迹生成轨迹的生成也即是关节的运行路线的生成，是通过MATLAB代码来实现的。在实时控制器运行的时候通过关节点理想轨迹的离线计算可以充分利用处理器，提高处理器的利用效率。第五个命令是用来计算关节沿着指定的路线运动时关节角的矩阵变换。这个矩阵一旦被计算出来，这个变换矩阵就被用来作为控制器的表格来实现理想关节角的插值。控制器的实现PID计算转矩控制器利用SIMULINK软件来实现，它的实现如图2所示。由公式（1）给定的计算转矩的控制准则有一部分写成C代码作为SIMULINK软件的S功能。专门的SIMULINK软件模块与Q8数据采集器连接在一起来实现控制算法的计算，并且将计算转矩的参考值传送到Mark 控制器。假定这个动态的模型应用的相当恰当和精确，这个设计将对机器人操作臂提供有效的控制，幸运的是这种Puma 560机器人操作臂的动态性正如其所描述的一样，满足这种设计要求。相对的动态性和Denavit-Hatenburg操作臂所应用的参数是基于45参考文献中所描述的一样。PID调节器参数的获取可参考文献4。用户界面基于MATLAB的用户使用界面允许使用者通过改变由轨迹生成器生成的代码参数来详细的了解目标轨迹和用户界面。用户使用界面如图三所示。这个机器人操作的用户使用界面十分友好，关节空间的轨迹可以被储存，也可以被重新装载。末端执行器在笛卡尔坐标系中的位置和方位可以利用定义在文献7中的运动学方程来得到。关节到达笛卡尔坐标系中某一特定位置和方位的关节角由文献8中给定的逆运动学方程来求解。实验调试在模拟环境中完成测试，并且达到有效性的要求后，也应该调试一下实际的机器人操作臂的应用情况。很多测试指标都用来评估控制器的性能。控制器调试的结果表明此控制器的设计结构有很好的使用性能，对于不同的轨迹参考值均能达到小的跟踪误差，并且这些误差在要求的范围之内。为了达到跟踪误差的高性能和高精度，在此设计中采用了飞投运动的原理。飞投指的是渔民投掷鱼线到河中的某一位置。这一涉及到飞投的行为存在以下几种状态，向前投掷，向前的运动，腕部关节的抖动，以及投掷运动的完成。PUMA 560机器人操作臂的运动通过提供一个预先设定的关节轨迹到控制器上，然后大体上来模仿投掷运动的原理来实现关节轨迹的控制。参考轨迹包括正弦曲线信号的合适的相位，量值，以及应用在关节二、三、五上的频率。运动结果实现了由人来完成的投掷运动的效果。PUMA 560机器人操作臂实验的关节轨迹的数值如图四所示，这个界面里包括了投掷运动的三个循环周期。实验用的视频是AVI格式的，你可以在文献10里下载。图3应用界面该界面显示了当前的关节角度和末端执行器的笛卡尔坐标位置。在关节的运动范围内编辑器提供有效的关节角度，利用其可以设定理想关节角度。它也显示了末端执行器的理想笛卡尔坐标位置。该应用界面也可以存储当前位置和装载以前存储的位置。教学过程研究这个课题的学生获得了改进工业机器人操作臂的能力和接口部分的设计。这个课题包括阅读和解释即熟练掌握相关科技文献上的相关知识，移去UNIMATE控制器上的多余的芯片，根据使用指南插入改进后的芯片选择和购买电缆和终端，以及接口电源，伺服系统，编码器，以及电位计和数据采集器。学生也学习了计算转矩控制的原理，并且将其熟练的应用到了PUMA 560机器人操作臂的运动控制当中。运动控制的实现还涉及到计算转矩控制方程的模型代码，在这里计算转矩控制方程是通过C语言编制的SIMULINK软件的S功能来实现的；运动控制的实现还包括作为校准的SIMULINK系统的设计，比例微分积分调节器控制，轨迹生成，以及外部信号接口。机器人的应用开发由于该课题是在2002-2003学年完成的，机器人和基于接口技术的新的个人计算机运动控制的开发已经由另外的两个再读研究生来完成，这次历时四年。这两次计算转矩的控制开发都是用在内环上。这次研究的主要内容是： PUMA机器人操作臂的力控制。这个内容涉及到操作臂的末端执行器的六个力传感器以及和计算机的接口部分的设计，也包括在SIMULINK下对控制器的控制。 实现PUMA机器人操作臂的随意控制。这个内容包括利用专用的控制器替换在2002-2003年使用的比例微分积分调节器控制的控制。在基于神经网络控制器的发展和实现的基础上，未来的研究主题因该是利用神经网络控制器来控制PUMA机器人操作臂。一些机器人控制的实验手册可以提供给学生二手的资料，以便了解机器人控制的相关知识，也可以利用它来评估不同的控制器设计的优劣，包括0重力加速度、计算转矩控制、阻抗控制、以及导纳控制等。这篇论文描述了PUMA 560机器人操作臂的改进，与个人计算机的接口，基于MATLAB轨迹生成和友好的用户界面的软件的开发，在SIMULINK下比例微分积分调节器控制的实现。这个项目是利用先进的技术将在技术上落后但机械结构上仍还完善的机器人实验台变废为宝的恰当的例证，能够使使用者在低成本的基础上利用基于SIMULINK和MATLAB开发的先进的、柔性的软件来实现对机器人操作臂的实验研究。附录 2Hardware Retrofit and Computed Torque Control of a Puma 560 RobotUpdating an industrial manipulator for educational useThe Department of Cybernetics at the University of Reading U.K. had, for a number of years, a functional PUMA 560 manipulator robot with its original control hardware and human interfaces. This article describes the results of a third-year project by two undergraduate students in the Cybernetics Department. The project consisted of interfacing the robot arm with a PC and developing software for the real-time implementation of a computed torque control scheme.The PUMA 560 is a six-degree-of-freedom robotic manipulator that uses six dc servomotors for joint control. Joint positions are measured using encoders and potentiometers. Three large motors provide control of the waist, shoulder, and elbow, while three smaller motors position the orientation of the wrist. The PUMA 560 has a large reach and can achieve impressive acceleration. Originally designed for assembly and manipulation tasks, the PUMA arm is now widely adopted by academic institutions for research purposes. While the robot arm itself is still relatively robust, the original Unimation Mark II controller was outdated and in need of replacement. The use of a PC running MAT-LAB/SIMULINK and associated real-time tools facilitates the prototyping, development, and on-line testing of advanced schemes for controlling the manipulator. A SIMULINK-based robotic toolkit for controlling the PUMA 560 manipulator, but which excludes the computed torque control technique employed in this article, is reported in1.Retrofitting and Interfacing the PUMA 560 RobotTo control the PUMA arm using a PC, we removed the original LASI/11 computer, EEPROM boards, and arm interface card. The original power amplifiers and current/torque controllers remain in the control architecture, as does the arm cable card. The hardware configuration is illustrated in Figure 1.Special-purpose TRC041 retrofit cards 2 re installed in the backplane of the Mark II controller, replacing the original boards. Custom-made cables are used to interface the TRC041 cards and a Q8 data acquisition board3, which is connected to the PCI interface of the PC. An Intel Pentium 4.2.4 GHz PC running the Windows 2000 operating system is used to control the arm. Servo torques are controlled by the Mark II controller, with reference values sent asPersonal Computer Windows 2000MATLAB6.5/Simulink5.0 Wincon 402P PUMA560 ManipulatorRetrofittedUNIMATEControllerPCI BUS Q8 Data Acquisition BoardTRC041Cable CardSetFigure1. Hardware configuration.Special TRC041 retrofit cards were installed in the Mark II controller. The TRC041 cards in the controller and a Q8 data acquisition board were interfaced using custom-made cables. An Intel Pentium 4 2.4 GHz PC running the Windows 2000 operating system, together with MATLAB/SLMULINK and Wincon, are used to control the arm.analog voltages from the PC through the Q8 board. The Q8 board receives encoder and potentiometer signals from the TRC041. Readings from the potentiometers are used to calibrate the encoders to the nearest index purse. The calibrated encoder readings are then used to determine the joint positions.Controller DesignControl of the arm is performed using computed torque control4. This technique uses a nonlinear dynamic model of the system to remove the nonlinearities of the manipulator, facilitating external control with fixed gains. Joint positions are controlled by means of a proportional integral-derivative (PID) computed torque controller, which calculates the six required reference torque values by means of M(q)(qKeKeK)N(q,q) （A1）WhereR6 is a vector of joint torque references;qR6 is a vector of generalized joint variables; M(q) is the inertia matrix; N(q,q) represents nonlinear terms, including Coriolis/centripetal effects, friction, and gravity; e(t)=qd(t)-q(t) is the tracking error, qd(t)R6 is the desired trajectory;R6 is the integral of the tracking error; and Kp, Ki and Kv are diagonal matrices with the proportional, derivative, and integral gains for each joint, respectively. Since (1) is a continuous-time formulation, a sufficiently short sampling period should be used in a digital computer-based implementation.Provided the dynamic model employed is reasonably accurate, this scheme provides effective control of the arm. Fortunately, the dynamics of the PUMA 560 manipulator are well known and reported. The inverse dynamics and Denavit-Hatenburg arm parameters employed are based on those reported in 45. The PID controller gains employed are reported in4.Software DesignThe implemented software architecture is based on MATLAB and SIMULINK running under Windows 2000. SIMULINK enables rapid design of control algorithms and allows specific functions to be implemented in C code as S-functions. In addition, WinCon 4.6 is used for real-time execution of the compiled C-code generated by the Real Time Work shop form the SIMULINK diagram, and to communicate with the Q8 board.Trajectory GenerationTrajectory generation, which is performed in joint space, was implemented in MATLAB code. The off-line calculation of points on the desired trajectory reduces the overhead on the processor while the real-time controller is running. A fifth-order polynomial is used to calculate a matrix of joint angles along the specified trajectory. Once calculated, this matrix is used as a look-up table to interpolate the desired joint angles for the controller.Figure2. SIMULIK implementation of the PID computed torque control schemeFigure2. SIMULIK implementation of the PID computed torque control scheme. Joint velocities are computed using a filtered derivative the current and past joint positions. A saturation feedback scheme is used to prevent integrator windup. The sample interval is 1 ms.Controller ImplementationThe PID computed torque controller was implemented in SIMULINK as shown in Figure 2. The computed torque control law given by (1) was partly written in C as a SIMULINK S-function. Special SIMULINK blocks interface with the Q8 board to bring measurements into the control algorithm and to send torque references to the Mark II controller. Results show that the implemented control scheme has good performance, achieving small tracking errors for different reference trajectories.Graphical User InterfaceA MATLAB-based graphical-user interface (GUI) allows the user to specify the desired trajectory by changing the parameters used by the trajectory generation code. The GUL, shown in Figure 3, is designed for user-friendly operation of the robot, enabling joint-space trajectories to be stored and reloaded. The Cartesian position and orientation of the end effector are obtained using the forward kinematic equations defined in7. The joint angles required to reach a specified cartesian position and orientation are calculated using the inverse kinematics given in8.ExperimentsAfter initial testing and validation of the implemented controller in a simulated environment, real-time experiments with the actual manipulator were carried out. Several tests were made to assess the performance of the implemented controller. The results show that the implemented control scheme has good performance, achieving small tracking errors for different reference trajectories.To illustrate the tracking performance of the implemented control scheme, a demonstration was designed based on the action of fly-casting9. Flycasting is used by fishermen to cast off the fishing line to a position in the river. The actions involved in flycasting are the forward cast, the forward motion, the flick of the wrist joint, and completion of the cast. The Cartesian position of the end-effector is displayed together with the current joint angles. Desired joint angles are set using edit boxes that provide validation of the joint angle with respect to the arm limitations. It is also possible to specify the desired cartesian store positions and load previously saved positions.The flycasting motion was approximately modeled using the PUMA manipulator by supplying a predefined join trajectory to the controller. The reference trajectory consists of sinusoidal signals with appropriate phase, magnitude, and frequency applied to joints 2,3, and 5. The resulting motion r
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号