0222-輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0222-輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),輪式,移動(dòng),挪動(dòng),機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)及研究意義： 隨著機(jī)器人技術(shù)在外星探索、野外考察、軍事、安全等全新的領(lǐng)域得到日益廣泛的采用，機(jī)器人技術(shù)由室內(nèi)走向室外，由固定、人工的環(huán)境走向移動(dòng)、非人工的環(huán)境。移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。在軍事、危險(xiǎn)操作和服務(wù)業(yè)等許多場(chǎng)合得到應(yīng)用，需要機(jī)器人以無線方式實(shí)時(shí)接受控制命令，以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動(dòng)。其中輪式機(jī)器人由于具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、活動(dòng)靈活等特點(diǎn)尤為受到青睞。按照移動(dòng)特性又可將移動(dòng)機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型也很多，對(duì)于一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，都不能進(jìn)行任意的定位和定向，而全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)則可以利用車輪所具有的定位和定向功能，實(shí)現(xiàn)可在二維平面上從當(dāng)前位置向任意方向運(yùn)動(dòng)而不需要車體改變姿態(tài)，在某些場(chǎng)合有明顯的優(yōu)越性；如在較狹窄或擁擠的場(chǎng)所工作時(shí)，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時(shí)候，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)自己的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。由于全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一般輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無法取代的獨(dú)特特性，對(duì)于研究移動(dòng)機(jī)器人的自由行走具有重要意義，成為機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。基于以上所述，本文從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)一種帶有機(jī)械手臂的全方位運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活，機(jī)械手臂使之能夠執(zhí)行預(yù)定的操作。本文是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。 二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì) 2.1 國(guó)外全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 國(guó)外很多研究機(jī)構(gòu)開展了全方位移動(dòng)機(jī)器人的研制工作，在車輪設(shè)計(jì)制造，機(jī)器人上輪子的配置方案，以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面，進(jìn)行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品。這方面日本、美國(guó)和德國(guó)處于領(lǐng)先地位。八十年代初期，美國(guó)在DARPA的支持下，卡內(nèi)基· 梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校開展了自主移動(dòng)車輛的研究，NASA下屬的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也開展了這方面的研究。CMU機(jī)器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機(jī)器人代表了室外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展方向。德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀(jì)九十年代研制成VaMoRs-P移動(dòng)機(jī)器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括：4個(gè)小型彩色CCD攝像機(jī)，構(gòu)成兩 組主動(dòng)式雙目視覺系統(tǒng)；3個(gè)慣性線性加速度計(jì)和角度變化傳感器。SONY公司1999年推出的寵物機(jī)器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾，而且摔倒后可以立即爬起來。本田公司1997年研制的Honda P3類人機(jī)器人代表雙足步行機(jī)器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米，工作時(shí)間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/小時(shí)。 國(guó)外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進(jìn)行介紹。 麥克納姆輪，如圖 1.1 所示，它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構(gòu)成， 輪子和滾子之間的夾角為 Y，通常夾角 Y 為 45°，每個(gè)輪子具有三個(gè)自由度，第一個(gè)是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，第二個(gè)是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，第三個(gè)是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。輪子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余兩個(gè)自由度自由運(yùn)動(dòng)。由三個(gè)或三個(gè)以上的 Mecanum 輪可以構(gòu)成全方位移動(dòng)機(jī)器人。 圖1.2 麥克納姆輪應(yīng)用 正交輪，由兩個(gè)形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架，固定在一個(gè)共同的殼體上構(gòu)成，如圖 1.3 所示.每個(gè)球形輪子架有2個(gè)自由度，即繞輪子架的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)輪子架的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向相同，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)輪子的軸線方向相互垂直，因而稱為正交輪。中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所所研制的全方位移動(dòng)機(jī)器人采用了這種結(jié)構(gòu)，如圖1.4。 圖1.3 正交輪 圖1.4 正交輪的應(yīng)用 球輪由一個(gè)滾動(dòng)球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動(dòng)滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅(qū)動(dòng)滾子固定在一個(gè)可以繞球體中心轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上，如圖 1.6 所示。每個(gè)球輪上的驅(qū)動(dòng)滾子由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使球輪繞驅(qū)動(dòng)滾子所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖1.5 球 輪 圖1.6 球輪的應(yīng)用 偏心萬向輪，如圖 1.7 所示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運(yùn)動(dòng)方式，輪子在滾動(dòng)和換向過程中同地面的接觸點(diǎn)不變，因而在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)使機(jī)器人振動(dòng)，同時(shí)明顯減少了機(jī)器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。 圖1.7偏心萬向輪 圖1.8 偏心萬向輪的應(yīng)用 2.2 國(guó)內(nèi)全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 我國(guó)在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究工作起步較晚，上世紀(jì)八十年代末，國(guó)家863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域自動(dòng)機(jī)器人主題確立立項(xiàng)，開始了這方面的研究。在國(guó)防科工委和國(guó)家863計(jì)劃的資助下，由國(guó)防科大、清華大學(xué)等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動(dòng)機(jī)器人7B.8,并于1995年 12月通過驗(yàn)收。7B.8的車體是由躍進(jìn)客車改進(jìn)而成,車上有二維彩色攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)、超聲傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式機(jī)構(gòu)為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h。避障速度達(dá)到5-10km/h。 上海大學(xué)研制了一種全方位越障爬壁機(jī)器人,針對(duì)清洗壁面作業(yè)對(duì)機(jī)器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)—車輪組機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人可在保持姿態(tài)不變的前提下,沿壁面任意方向直線移動(dòng),或在原地任意角度旋轉(zhuǎn),同時(shí)能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行中的障礙,不需要復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)平面上運(yùn)動(dòng)和越障運(yùn)動(dòng)之間轉(zhuǎn)換。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動(dòng)式作業(yè)型智能服務(wù)機(jī)器人，并對(duì)課題當(dāng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如新型全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)、七自由 度機(jī)器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術(shù)，最后給出了移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)控制方案。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆國(guó)榮，張海兵研究一種新型全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于：這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直，則輪子主動(dòng)的滾動(dòng)和從動(dòng)的橫向滑移之間將是真正相互獨(dú)立的；輪子正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪緣上的小滾子也將是純滾動(dòng)，如圖1.9。 圖1.9 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真圖 三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案 本課題從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)一種全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活。本課題是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。本文研究?jī)?nèi)容主要有：了解和分析已有的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的工作原理和結(jié)構(gòu)，以及分析操作手臂常用的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出可行性方案，并選擇最佳方案來設(shè)計(jì)。根據(jù)選定的方案對(duì)帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行本體設(shè)計(jì)，包括全方位車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)器人操作臂的設(shè)計(jì)。要求全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向、移動(dòng)靈活，可以快速、有效的到達(dá)指定地點(diǎn)；機(jī)械臂操作范圍廣、運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊且尺寸小，可以快速、準(zhǔn)確的完成指定工作。設(shè)計(jì)完成后要分析全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。 四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度 1.緒論和全向移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3周 2.機(jī)器人的機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 3周 3.機(jī)械材料的選擇和零件的校核 3周 4.外文資料翻譯（不少于6000字） 1周 5.畢業(yè)論文整理及答辯準(zhǔn)備 2周 五．參考文獻(xiàn) 1.孫恒等主編。機(jī)械原理（第六版）。高等教育出版社，2011 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