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智能小車設(shè)計的文獻(xiàn)綜述
L300MM智能小車設(shè)計的文獻(xiàn)綜述
一 本課題的研究意義
智能小車，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多科學(xué)的科技創(chuàng)意性設(shè)計，一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。研究智能小車對現(xiàn)代機器人技術(shù)是有很大的幫助的。
機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生了根本性的變化，讓人類的生產(chǎn)方式從手工業(yè)、機械化，走進(jìn)到了自動化、智能化的新時代。近十年來移動機器人的研究已經(jīng)十分活躍，其得到快速發(fā)展主要有兩個方面的原因：
1)移動機器人有著廣泛的應(yīng)用范圍，以代替人無法適應(yīng)的環(huán)境下工作，這將極大地擴展人類的生活和生產(chǎn)范圍。
2)與任何一門現(xiàn)代化技術(shù)分枝一樣，其中一個最直接的因素是計算機技術(shù)的發(fā)展。計算機信息處理，存儲能力的提高，為移動機器人運行更復(fù)雜的實時控制算法創(chuàng)造了條件。
這里我們所研究的小車，可以應(yīng)用到多個領(lǐng)域如礦下探測，海底檢測等。這里以礦下探測為例：現(xiàn)在我國的大部分礦產(chǎn)都是采用人工井下作業(yè)的形式進(jìn)行的，這不但生產(chǎn)效率得不到保證，井下做業(yè)人員的人身安全也經(jīng)常會受到威脅。而如果應(yīng)用機器小車來進(jìn)行實時的檢測、生產(chǎn)和運輸，必將大大的提高生產(chǎn)效率，其井下的探測功能也可以很大程度的降低安全問題的發(fā)生。
二 本課題的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
機器人這個概念其實是最近幾十年才產(chǎn)生的。但是人類對機器人的遐想早在幾千年前就產(chǎn)生了。人類希望制造一種像人一樣的機器，以便代替人類完成各種工作
西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機器人。
春秋后期，據(jù)《墨經(jīng)》記載，我國著名的木匠魯班曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”，體現(xiàn)了我國勞動人民的聰明智慧。
公元前2世紀(jì)，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機器人——自動機。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。
1800年前的漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車。計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。
后漢三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。
1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動機器玩偶，并在大阪的道頓堀演出。
1738年，法國天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機器鴨，它會嘎嘎叫，會游泳和喝水，還會進(jìn)食和排泄。
在當(dāng)時的自動玩偶中，最杰出的要數(shù)瑞士的鐘表匠杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯。1773年，他們連續(xù)推出了自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的。它們有的拿著畫筆和顏色繪畫，有的拿著鵝毛蘸墨水寫字，結(jié)構(gòu)巧妙，服裝華麗，在歐洲風(fēng)靡一時。由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，這些玩偶其實是身高一米的巨型玩具。現(xiàn)在保留下來的最早的機器人是瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，它制作于二百年前，兩只手的十個手指可以按動風(fēng)琴的琴鍵而彈奏音樂，現(xiàn)在還定期演奏供參觀者欣賞，展示了古代人的智慧。
19世紀(jì)中葉自動玩偶分為2個流派，即科學(xué)幻想派和機械制作派，并各自在文學(xué)藝術(shù)和近代技術(shù)中找到了自己的位置。1831年歌德發(fā)表了《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克魯斯”；1870年霍夫曼出版了以自動玩偶為主角的作品《葛蓓莉婭》；1883年科洛迪的《木偶奇遇記》問世；1886年《未來的夏娃》問世。在機械實物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動雙腿沿圓周走動。
進(jìn)入20世紀(jì)后，機器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持，一些適用化的機器人相繼問世，1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人“電報箱”，并在紐約舉行的世界博覽會上展出。它是一個電動機器人，裝有無線電發(fā)報機，可以回答一些問題，但該機器人不能走動。1959年第一臺工業(yè)機器人（可編程、圓坐標(biāo)）在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀(jì)元。
現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。
自1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進(jìn)展，其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機床的誕生。與數(shù)控機床相關(guān)的控制、機械零件的研究又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，原子能實驗室的惡劣環(huán)境要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。
1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進(jìn)行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。
作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。
1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。
1967年日本成立了人工手研究會（現(xiàn)改名為仿生機構(gòu)研究會），同年召開了日本首屆機器人學(xué)術(shù)會。
1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學(xué)術(shù)會議。1970年以后，機器人的研究得到迅速廣泛的普及。
1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人，它是液壓驅(qū)動的，能提升的有效負(fù)載達(dá)45公斤。
隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機器人概念的延伸。80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機器人技術(shù)的研究和應(yīng)用，而且又賦予了機器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術(shù)（如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等）擴散和滲透到各個領(lǐng)域形成了各式各樣的新機器——機器人化機器。當(dāng)前與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機器人”、“網(wǎng)絡(luò)機器人”的名稱，這也說明了機器人所具有的創(chuàng)新活力。
90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性的移動機器人控制技術(shù)和真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機器人的更高層次的研究?，F(xiàn)在機器人的應(yīng)用越來越廣，種類也越來越多，但大體上可分為輪式機器人和足式機器人。智能小車就是輪式機器人中的一種，雖然是最基本的機器人雛形，但其中已包含了大部分功能，綜合國內(nèi)外專家解釋，機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置或者叫自動化裝置，它仍然是個機器。它有三個特點：一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能；感知功能；行走功能；還能完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象和工作的一些要求。它是人造的機器或機械電子裝置，所以這個機器人仍然是個機器。但是目前還沒有一個統(tǒng)一的有關(guān)機器人定義，美國工程師協(xié)會認(rèn)為機器人是計算機控制的可以編程的目前能夠完成某種工作或可以移動的自動化機械，但日本和其他國家也對機器人有不同的看法，他們認(rèn)為從完整的更為深遠(yuǎn)的機器人定義來看，應(yīng)該更強調(diào)機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。這也將是未來機器人的只要的發(fā)展趨勢。
三 本課題研究的關(guān)鍵問題及方法
根據(jù)任務(wù)書的要求及收集的資料，本課題的關(guān)鍵問題在于機械手臂的設(shè)計。搭載機械手的移動機器人本體為四輪萬向輪小車，它具備自主導(dǎo)航能力。在遇到物體時，可遠(yuǎn)程控制并操作機械手抓取。車載機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)3大部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是機械臂、機械手爪與基座的總稱。驅(qū)動機構(gòu)有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。目前專用機械手采用電氣驅(qū)動方式的較多。手部安裝與手臂前端是用來抓持工件(或工具)的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。手臂的作用是引導(dǎo)手指精確地抓住目標(biāo)物體，并運送到所需要的位置上去，故手臂的位置需精確定位。手臂由以下幾部分組成：①動作元件，帶動手臂運動的動力裝置，在本車載機械手中為兩臺直流無刷伺服電機，驅(qū)動手臂運動；②導(dǎo)向裝置，保證手臂的正確方向及承受由于目標(biāo)物體重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩；③手臂，承接和承受外力作用的部件，手臂上的零部件都裝在手臂上。
機械手臂的設(shè)計還需要從其自由度出發(fā)，結(jié)合材料、動力、抓取的物品的形狀等方面，保證其能在特殊環(huán)境下準(zhǔn)確的夾取指定的物品。
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