小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究【含6张CAD图纸】
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南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：周荣江学 号：060104231专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究指 导 教 师:祖莉 2010 年 3 月 19 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述一、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，这里仅对六足行走机构和多足行走机构进行介绍。 六足行走机构 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。 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2 六足仿生机器人 图3 八足仿生机器人(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MiCro5，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，所以下面仅对四轮、六轮进行简单的介绍8。 四轮。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 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。2、 关键技术研究1. 导航控制技术 移动机器人导航(Mobile Robot Navigation)是指在具有障碍物的环境中，按时间最优、路径最短或能耗最低等约束条件，实现从起始位置到指定目标位置的无碰撞运动9。 在自主式移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术。因此，移动机器人要想实现自主导航，必须具备以下能力: 1)能实现基本的趋向目标功能，如到达给定目标或者跟踪指定目标; 2)能对非预见性事件做出实时反应，如躲避一个突然出现的障碍物; 3)能创建、维护和使用环境地图; 4)通过学习得到障碍物在地图中的位置之后能可靠避开该障碍物; 5)能识别三维地形，并能改变其力矩以适应不同的地形; 6)具有规划制定能力，如制定一个能避开环境中的陷阱且能完成特定目标的规划。目前，国内外研究学者对移动机器人导航技术的研究已取得了大量的成果，但还有很多关键理论和技术问题有待解决和完善。移动机器人的导航方式有多种，目前尚无统一的分类标准。一般根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素的不同，可将导航分为地磁导航、航迹推算导航、惯性导航、基于地图导航、主动信标导航、路标导航、GPS导航、视觉导航和其它方式导航。2. 运动控制技术近年来随着人工智能技术、计算机技术等相关技术的发展，对智能机器人的研究越来越多。轮式移动机器人可以作为各种智能控制方法的良好载体，同时又可以方便的构成网络化的分布系统，开展多智能体的调度、规划等研究，所以对他的研究越来越受到重视。一个全方位移动机器人的控制系统体系结构，包括传感器、通讯、伺服控制系统等。系统可以分成以下四个模块：监控模块、感知模块、路径规划和逆运动学计算模块、执行模块。（1）监控模块该模块的功能通过监控计算机来实现，主要功能包括：任务描述：利用操作者规定的语言,描述对机器人的控制任务。监控指令输入：在机器人完成任务的过程当中,操作者根据任务的执行情况以及环境的状况,对系统进行适当的干预,以充分发挥人的智能，构成人-机合作系统。如遇到不可避开的障碍、或者多个机器人运动过程中发生死锁等意外情况,都需要操作者适时的干预。文本和图形的显示界面：以文本或者图形的方式实时地显示机器人系统的工作信息，包括当前正在执行的任务，机器人的位置、 速度、 障碍物等环境信息。监控计算机是通过无线网络与每一个移动机器人取得联系的。（2） 感知模块 传感器作为机器人的感知部分，是机器人具有自主能力的重要前提条件。（3） 路径规划以及运动学求解、 轨迹插补模块（4） 执行模块传统的分级式控制器一般都采用通用微机或以单片机作为下位机来实现位置控制，外围电路复杂，计算速度慢，上位机和下位机同步困难，从而导致控制精度不够理想。3. 结构设计 移动机构是组成移动机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功 与否将直接影响机器人系统的性能。目前，移动机构开发的种类已相当繁多，其中全方位轮移动机构具有完美的运动性能， 它可利用车轮所具有的定位和定向功能， 实现平面上的自由运动 ， 即能够在当前位置沿着任意方向的路径移动，并对自己所处位置进行细微调整，实现精确定位和高精度轨迹跟踪 。因此它对移动机器人具有重要的意义，在机器人技术中得到广泛应用，成为机器人移动机构的发展趋势。当前全方位轮有多种形式，其中Mecanum轮是做得较为成功 、技术成熟的一种全方位轮。 全方位移动机构运动非常灵活，可在二维平面上从现在位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态。在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由的穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，也需要利用全方位移动机构的特点对自己所处的位置进行细微的调整。现在比较常见的全方位移动机构有空气悬浮式、球履带式、轮式等许多种轮式全方位移动机 构又可分为球轮驱动式、全轮转向式、麦克纳姆轮式，等等10。球轮驱动式全方位移动机构是由日本电通大的越山等人研制成功的。它由一个球形轮构成；外部是一个拱形壳，移动和控制机构在轮的内部，结构比较复杂，承载较小。全轮转向式移动机构理论上可行，但由于每个轮上均需要复杂的转向机构，实际中也很少有人采用。麦克纳姆轮式全方位移动机构应用的相对较多本文即是从麦克纳姆轮中得到启发，构思设计了一种新式全方位轮，进而设计制造了一种轮式全方位移动机构。麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利，图6为它的结构简图。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑穆。小滚子的母线很特殊；当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑、运动灵活，是很成功的一种全方位轮。由四个这种轮加以组合，可以使机构实现全方位移动功能11。 图6 麦克纳姆轮Mecanum轮的轮体的圆周不是由普通的轮胎组成12 ,而是分布了许多鼓形小辊子。由4个Mecanum轮全方位轮组成的万向移动机构，运转灵活，控制方便，若在轮体上追加传感器， 再控制好转速和转向,就可能实现精确定位和轨迹跟踪，应用前景较好13 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1. 轮式移动机器人的工作原理和设计要求。 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。2. 功能模块。模块化广泛地应用于机械、电子和计算机等行业。目前对模块化还没有一个统一的定义，一般可以这样理解:统筹考虑产品系统，把其中含有相同或相似的功能单元分离出来，用标准化原理进行统一、归并、简化，以通用单元的形式独立存在.这就是模块，然后用不同的摸块组合成新产品，这就是模块化.因此，模块化技术主要包含2个方面的内容:一是模块的合理分解，二是模块的有效组合.其概念及特点如图7所示14图7：模块化概念及特点参考文献： 1 Nildeep Patel, Alex Ellery. Chris Welch and Andv Curley. Preliminary analysis of mobility and suspension systems for a mars micro roverR. International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation (IAF). Oct. 10-19.2002. Houston, TX, USA. 2 查选芳，张融甫.多足步行机器人支腿机构的运动学研究J.东南大学学报， 1995（3）:103-107. 3 Reid Simmons, Eric Krotkov and John Bares. A Six-legged Rover for Planetary Exploration. AIAA-91-3812-CR. 1991:739-747. 4 Burg J Blazevic P. Anti-lock Braking and Terrain Control Concept for All-Terrain Robotic Vehicle.Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1997:1400-1405. 5 Steward Moorehead, Dimitrios Apostolopoulos. Autonomous Navigation Field Results of a Planetary Analog Robot in Antarctica. Proc. of the 5th，International Symposium on Artifical Intelligence, Robotics and Automation in Space.1999: 237-242. 6 F. Jindra. Obstacle Performance of Articulated Wheeled Vehicles. Journal of Terrain Mechanics. 1996,3(2):39-56. 7 S. Niranijan, H. Rao Matthew. The Role of Terrain Modeling in Lunar Rover SimulationC. Simulation. 1993,6(1):60-68. 8 徐国华，谭民.移动机器人的发展现
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