輪式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文—開題報(bào)告
1、 選題的依據(jù)及意義：
輪式移動機(jī)器人具有良好的穩(wěn)定性、較快的移動能力等優(yōu)點(diǎn)，在足球機(jī)器人比賽等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛,幾乎滲透到所有領(lǐng)域。移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。早在60 年代,就已經(jīng)開始了關(guān)于移動機(jī)器人的研究。關(guān)于移動機(jī)器人的研究涉及許多方面,首先,要考慮移動方式,可以是輪式的、履帶式、腿式的,對于水下機(jī)器人,則是推進(jìn)器。其次,必須考慮驅(qū)動器的控制,以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三,必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃,對于后者,有更多的方面要考慮,如傳感融合,特征提取,避碰及環(huán)境映射。因此,移動機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。對移動機(jī)器人的研究,提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題,引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣,更由于它在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景,使得對它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
2.1 國外移動機(jī)器人的發(fā)展概況
2.1.1 室外幾種典型應(yīng)用移動機(jī)器人
美國國家科學(xué)委員會曾預(yù)言:“20 世紀(jì)的核心武器是坦克,21 世紀(jì)的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng),其中2000 年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊(duì),并走向戰(zhàn)場”。為此,從80年代開始,美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA) 專門立項(xiàng),制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計(jì)劃。從此,在全世界掀開了全面研究室外移動機(jī)器人的序幕,如DARPA的“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)”計(jì)劃中的自主地面車輛(ALV) 計(jì)劃(1983 —1990) ,能源部制訂的為期10 年的機(jī)器人和智能系統(tǒng)計(jì)劃(RIPS)(1986 —1995) ,以及后來的空間機(jī)器人計(jì)劃; 日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計(jì)劃;歐洲尤里卡中的機(jī)器人計(jì)劃等。
初期的研究,主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理,并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。雖然由于80年代對機(jī)器人的智能行為期望過高,導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果,但卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,為探討人類研制智能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗(yàn),同時(shí),也推動了其它國家對移動機(jī)器人的研究與開發(fā)。進(jìn)入90年代,隨著技術(shù)的進(jìn)步,移動機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上,開拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,向?qū)嵱没M(jìn)軍(圖2-11a、b)。
（a） （b）
圖2-11 實(shí)用化機(jī)器人
由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機(jī)器人（圖2-11c）,是一個(gè)能提供對高移動性機(jī)器人運(yùn)動的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)器人。它與其他機(jī)器人,如NavLab ,不同之處是它于1994年在斯珀火山的火山口中進(jìn)行了成功的演示,雖然在返回時(shí),在一陡峭的、泥濘的路上,失去了穩(wěn)定性,倒向了一邊,但作為指定的探險(xiǎn)任務(wù)早己完成。其它機(jī)器人（圖2-11d）在整個(gè)運(yùn)動過程中,都需要人參與或支持。丹蒂計(jì)劃的主要目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)在充滿碎片的月球或其它星球的表面進(jìn)行探索而提供一種機(jī)器人解決方案。
（c） （d）
圖2-11 八足行走機(jī)器人
美國NASA研制的火星探測機(jī)器人索杰納（圖2-11e）1997年登上火星,這一事件向全世界進(jìn)行了報(bào)道。為了在火星上進(jìn)行長距離探險(xiǎn),又開始了新一代樣機(jī)的研制,命名為Rocky7(圖2-11f),并Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)。
（e） （f）
圖2-11 索杰納 圖2-11 Rocky7
德國研制了一種輪椅機(jī)器人（圖2-11g）, 并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場表演。該輪椅機(jī)器人在公共場所擁擠的、有大量乘客的環(huán)境中,進(jìn)行了超過36 個(gè)小時(shí)的考驗(yàn),所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機(jī)器人或移動機(jī)器人所不可比的。這種輪椅機(jī)器人是在一個(gè)商業(yè)輪椅的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。
（g）
圖2-11 輪椅機(jī)器人
國外還研制了一種獨(dú)輪機(jī)器人（圖2-11h、i）,它與具有靜態(tài)穩(wěn)定性的多輪移動機(jī)器人相比,具有很好的動態(tài)穩(wěn)定性,對姿態(tài)干擾的不敏感性,高可操作性,低的滾動阻力,跌倒的恢復(fù)能力和水陸兩用性。這是運(yùn)動性的一種新概念。
（h） （i）
圖2-11 獨(dú)輪機(jī)器人
2.1.2高完整性機(jī)器人
沒有一個(gè)系統(tǒng)可以做到100%可靠。一個(gè)可靠機(jī)器人是指它一直正常地工作。一個(gè)高完整性機(jī)器人(圖2-12)則時(shí)刻監(jiān)視自己的行為,一旦發(fā)現(xiàn)異常,立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,一個(gè)高完整性機(jī)器人并不一定要連續(xù)工作,但工作時(shí)，一定是正確的。
圖2-12 高完整性機(jī)器人
2.1.3 遙控移動機(jī)器人
對機(jī)器自主性的挑戰(zhàn)來自要求完成的任務(wù)和高度非結(jié)構(gòu)化和變化的環(huán)境。在大多數(shù)室外環(huán)境中,要求機(jī)器完全自主地完成任務(wù),目前還有一定的困難。遠(yuǎn)程操作的半自主機(jī)器人,毫無疑問,是一個(gè)發(fā)展方向。因此先進(jìn)的遠(yuǎn)程操作技術(shù)是將來必需的。完全遙現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作一個(gè)或幾個(gè)移動機(jī)器人的最佳可能方案,但太貴。研制一套適于遠(yuǎn)程操作的、使用起來既自然又容易的人機(jī)交互方案是必需的（圖2-13）。在未知和變化的環(huán)境中,頭部跟蹤系統(tǒng)有幫助,且是可行的。
圖2-13 遙控移動機(jī)器人
2.1.4 環(huán)境與移動機(jī)器人集成
H. Ishiguro 通過對以前機(jī)器人研究工作的回顧,發(fā)現(xiàn)過去智能機(jī)器人的工作主要集中在自主性上。因此,他提出了一個(gè)新概念:感知信息基礎(chǔ)設(shè)施。就象人需要道路、交通信號燈等一樣,機(jī)器人為了在一個(gè)動態(tài)變化的環(huán)境中行動,也同樣需要基礎(chǔ)設(shè)施。作者將一個(gè)用于導(dǎo)航移動機(jī)器人的分布式視覺系統(tǒng)作為例子,進(jìn)行了解釋和說明。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)縮小了1/ 12 的城鎮(zhèn)模型中進(jìn)行,內(nèi)有陰影,樹的結(jié)構(gòu),草地和房屋,足夠代表室外環(huán)境的真實(shí)情況,并安裝了用于機(jī)器人導(dǎo)航用的16 個(gè)攝像機(jī)智能體,實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)器人與環(huán)境的融合（圖2-14a、b、c）。
（a） （b） (c)
圖2-14 集成機(jī)器人
2.2 國內(nèi)移動機(jī)器人研究概況
國內(nèi)在移動機(jī)器人的研究起步較晚,大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段,主要的研究工作有:
清華大學(xué)智能移動機(jī)器人（圖2-2a）于1994 年通過鑒定。涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究(準(zhǔn)結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃) ;基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究(基于多種傳感器信息的“感知一動作”行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導(dǎo)航控制) ;路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究(基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動機(jī)器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬) ;傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究(差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù)、信息融合技術(shù)) ;智能移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(智能移動機(jī)器人THMR —III 的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動駕駛）。
（a）
圖2-2 智能移動機(jī)器人
香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動化及制造研究中心的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人（圖2-2b）。
（b）
圖2-2 自動導(dǎo)航機(jī)器人汽車
中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的AGV（圖2-2c）和防爆機(jī)機(jī)器人（圖2-2d）。
（c） （d）
圖2-2 AGV機(jī)器人 圖2-2 防爆機(jī)機(jī)器人
中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)（圖2-2e）。
（e）
圖2-2 全方位移動式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996 年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等（圖2-2f）。
（f）
圖2-2 導(dǎo)游機(jī)器人
3、 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：
本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是基于阿克曼原理的輪式移動機(jī)器人運(yùn)動模型而進(jìn)行的輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是為了實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、360°范圍轉(zhuǎn)動的輪式移動機(jī)器人。 課題主要完成輪式機(jī)器人機(jī)械方案設(shè)計(jì)，包括：驅(qū)動電機(jī)選擇、轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇及控制芯片的選擇;齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核；前后減震系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和車體的一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。對輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行了分析，建立了不考慮滑行、剎車等的輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型。
1.機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動電機(jī)的選擇
2.針對設(shè)計(jì)要求結(jié)合所選用的電機(jī)，討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性問題
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
1、通過圖書館、上網(wǎng)查找大量書籍及相關(guān)資料 2 周
2、總體機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)：運(yùn)動形式、驅(qū)動形式的選擇、 3 周
驅(qū)動電機(jī)的選擇、轉(zhuǎn)向輪電機(jī)的選擇的選擇
3、機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型的分析 3周
4、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算 3周
5、外文資料翻譯（不少于6000實(shí)詞） 2周
6、畢業(yè)論文整理及答辯準(zhǔn)備 2周
五、參考文獻(xiàn)
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