小型輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制研究【說(shuō)明書(shū)+CAD】

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南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文) 作 者: 周榮江 學(xué) 號(hào)： 060104231 系： 機(jī)械工程系 專(zhuān) 業(yè): 機(jī)械工程及自動(dòng)化 題 目: 小型輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與 運(yùn)動(dòng)控制研究 指導(dǎo)者： 祖莉 講師 (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 評(píng)閱者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2010 年 5 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要 輪式移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人的一種。它主要由車(chē)體結(jié)構(gòu)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成。這些機(jī)器人通?？梢赃m應(yīng)不同的環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場(chǎng)輻射、重力等條件的影響，完成一些人類(lèi)無(wú)法進(jìn)行的任務(wù)。 隨著機(jī)器人技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展與拓寬，對(duì)機(jī)器人性能提出更高的要求。研究與開(kāi)發(fā)集環(huán)境感知、動(dòng)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移動(dòng)機(jī)器人的綜合控制系統(tǒng)，勢(shì)在必行。本文針對(duì)基于多傳感器的輪式移動(dòng)機(jī)器人行為控制技術(shù)，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制零部件等方面展開(kāi)了深入的研究和探討，提出了一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制的方案，并應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人行為控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 移動(dòng)機(jī)器人， 運(yùn)動(dòng)控制， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要 Title Small wheeled mobile robot design and research in motion control Abstract Wheeled mobile robot is one of robots.It is mainly from the body structure, controller,servo drive system and test sensing devices pose.It is mainly from the body structure,controller,servo drive system and test sensing devices pose.These robots can usually adapt to different environments, from temperature,humidity,space,magnetic field radiation and the influence of gravity and other conditions,complete some tasks that human can not do. With continuous development and widening of robot technology and applications,the robot demands higher performance.research and development in set of environmental perception ,dynamic decision-making and planning,and implementation of behavior control that many functions in one integrated mobile robot control system, it is imperative.In this paper,against multi-sensor based on wheeled mobile robot behavior control technology,we start research and study in depth in such areas as hardware and software of mobile robot architecture,robot structural design,motion control components,and proposed a motion control program,and applied to mobile robot behavior control system. Keywords mobile robots, motion control, structural design 南 京 理 工 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 周榮江 學(xué) 號(hào)： 060104231 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 小型輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng) 控制研究 指 導(dǎo) 教 師: 祖莉 2010 年 3 月 19 日  開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求 1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專(zhuān)業(yè)審查后生效； 2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě) 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 一、輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 近20年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人的研究十分活躍，并得到了快速發(fā)展，這主要有兩個(gè)方面的原因:其一， 移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，包括國(guó)防工業(yè)、制造業(yè)、輕重工業(yè)以及服務(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域。其二，目前國(guó)內(nèi)外的星際探索和海洋開(kāi)發(fā)兩大高端技術(shù)領(lǐng)域的市場(chǎng)需求也是促使移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的客觀因素與潛在動(dòng)力。機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在制造領(lǐng)域，為了保證較高的產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，機(jī)器人已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的手段之一。 到目前為止，地面運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、步行式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)。 (1) 履帶式。最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車(chē)上，后來(lái)出現(xiàn)在某些地面行駛機(jī)器人上。履帶式機(jī)器人可以在凹凸不平的地面上行走[1]，可以跨越障礙物，爬梯度不太高的臺(tái)階，具有行駛速度較快(介于輪式和腿式之間)，承載能力較強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向不易，比較笨重的特點(diǎn)。如圖1所示的履帶式移動(dòng)機(jī)器人，由于其采用了像坦克那種的履帶式設(shè)計(jì)，因此能夠適用于更廣泛的地形。 圖1 履帶式移動(dòng)機(jī)器人 (2)步行式。其中步行式機(jī)器人對(duì)場(chǎng)地有良好的適應(yīng)能力，特別是多足機(jī)器人，能夠跨越臺(tái)階，但動(dòng)作是間歇的，速度不快，且控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難[2]。從移動(dòng)的方式來(lái)看，步行式移動(dòng)機(jī)器人可以分為兩類(lèi):動(dòng)態(tài)行走機(jī)器人和靜態(tài)行走機(jī)器人。根據(jù)支腿的數(shù)量又可分為兩足、四足、六足和多足，這里僅對(duì)六足行走機(jī)構(gòu)和多足行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行介紹。 ①六足行走機(jī)構(gòu) 采用六足行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人很多[3]，一般都采用變換支撐腿的方式，將整體的重心從一部分腿上轉(zhuǎn)移到另一部分腿上，從而達(dá)到行走的目的。具有代表性的有美國(guó)CMU大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種六足結(jié)構(gòu)(如圖2)，它是由六條支腿組成，每條支腿具有由水平旋轉(zhuǎn)和垂直移動(dòng)兩個(gè)自由度。在行走過(guò)程中，整個(gè)支腿可以繞軸端在水平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，支腿的末端可以通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行垂直方向的上下移動(dòng)，以調(diào)整姿態(tài)，最終使機(jī)器人保持水平。通過(guò)六條腿的交替運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。 ②多足行走機(jī)構(gòu) 如圖3所示的八足仿生機(jī)器人，這種機(jī)構(gòu)是一種八足行走的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是在前行時(shí)相對(duì)于身體總是后腿到前腿的順序，后腿著地后前腿才離地，機(jī)器人兩側(cè)的相應(yīng)部分也是成相位交替著運(yùn)動(dòng)。近期的八足機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有太大的突破，在控制方面，則不斷地出新，將現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)等高科技應(yīng)用到機(jī)器人上。 由此可以看出，對(duì)于步行式移動(dòng)機(jī)器人，雖然越野能力比較強(qiáng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行走速度比較緩慢。 圖2 六足仿生機(jī)器人 圖3 八足仿生機(jī)器人 (3)車(chē)輪式。車(chē)輪式移動(dòng)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)輕、動(dòng)作穩(wěn)定、操縱簡(jiǎn)單、其移動(dòng)速度和方向容易控制等優(yōu)點(diǎn)。常用來(lái)在無(wú)人工廠中搬運(yùn)零部件或做其它工作，適用于平地行走，運(yùn)動(dòng)速度快，但其越野能力比步行式機(jī)器人稍遜一籌[4-5]。但隨著各式各樣的車(chē)輪底盤(pán)和懸架系統(tǒng)的出現(xiàn)，像美國(guó)MCU的六輪三體柔性機(jī)器人Robby和美國(guó)研制的火星探路者機(jī)器人，使得車(chē)輪式機(jī)器人能適應(yīng)凹凸不平的地形[6-7]，越野能力大大加強(qiáng)。于是人們對(duì)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來(lái)，近期日本開(kāi)發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的五點(diǎn)支撐懸吊結(jié)構(gòu)MiCro5，由于其采用一支撐輪，所以有很好的越野能力。輪式移動(dòng)機(jī)器人按輪數(shù)的多少又可分為三輪、四輪、五輪、六輪以及多輪，其中以四輪和六輪研究居多，所以下面僅對(duì)四輪、六輪進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹[8]。 ①四輪。四輪結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，但其越野能力有限，如圖4所示為一四輪移動(dòng)機(jī)器人。要想提高此類(lèi)機(jī)器人的越野能力，就必須對(duì)其底盤(pán)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)。具有代表性的是美國(guó)MCU研制的Nomad，它采用的是可變形的底盤(pán)和均化懸掛系統(tǒng)。其底盤(pán)可通過(guò)兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形，當(dāng)?shù)妆P(pán)展開(kāi)時(shí)四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)菱形，當(dāng)?shù)妆P(pán)收縮時(shí)四桿機(jī)構(gòu)變成一條直線。均化懸掛系統(tǒng)可以平滑機(jī)器人本體相對(duì)于輪子的運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)可保證在各種地形情況下四輪都能同時(shí)著地。 圖4 四輪機(jī)器人 圖5 “勇氣號(hào)”火星探測(cè)車(chē) ②六輪。具有代表性的是美國(guó)研制的火星探測(cè)車(chē)，如圖5所示，它采用的是六輪搖臂懸架機(jī)構(gòu)，其采用對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，單側(cè)搖臂主要包括主搖臂、副搖臂、前后兩個(gè)主動(dòng)輪以及中間的隨動(dòng)輪。與四輪結(jié)構(gòu)相比，由于引入了副搖臂和從動(dòng)輪，當(dāng)遇到障礙時(shí)，通過(guò)對(duì)副搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，并借助于從動(dòng)輪來(lái)調(diào)整重力在各個(gè)輪上的分力，可以提高車(chē)體的穩(wěn)定性和越野能力。 2、 關(guān)鍵技術(shù)研究 1. 導(dǎo)航控制技術(shù) 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航(Mobile Robot Navigation)是指在具有障礙物的環(huán)境中，按時(shí)間最優(yōu)、路徑最短或能耗最低等約束條件，實(shí)現(xiàn)從起始位置到指定目標(biāo)位置的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)[9]。 在自主式移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究中，導(dǎo)航技術(shù)是其研究核心，也是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化及完全自主的關(guān)鍵技術(shù)。因此，移動(dòng)機(jī)器人要想實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，必須具備以下能力: 1)能實(shí)現(xiàn)基本的趨向目標(biāo)功能，如到達(dá)給定目標(biāo)或者跟蹤指定目標(biāo); 2)能對(duì)非預(yù)見(jiàn)性事件做出實(shí)時(shí)反應(yīng)，如躲避一個(gè)突然出現(xiàn)的障礙物; 3)能創(chuàng)建、維護(hù)和使用環(huán)境地圖; 4)通過(guò)學(xué)習(xí)得到障礙物在地圖中的位置之后能可靠避開(kāi)該障礙物; 5)能識(shí)別三維地形，并能改變其力矩以適應(yīng)不同的地形; 6)具有規(guī)劃制定能力，如制定一個(gè)能避開(kāi)環(huán)境中的陷阱且能完成特定目標(biāo)的規(guī)劃。 目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的研究已取得了大量的成果，但還有很多關(guān)鍵理論和技術(shù)問(wèn)題有待解決和完善。移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式有多種，目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。一般根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號(hào)類(lèi)型、導(dǎo)航地域等因素的不同，可將導(dǎo)航分為地磁導(dǎo)航、航跡推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、基于地圖導(dǎo)航、主動(dòng)信標(biāo)導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航和其它方式導(dǎo)航。 2. 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù) 近年來(lái)隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)智能機(jī)器人的研究越來(lái)越多。輪式移動(dòng)機(jī)器人可以作為各種智能控制方法的良好載體，同時(shí)又可以方便的構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的分布系統(tǒng)，開(kāi)展多智能體的調(diào)度、規(guī)劃等研究，所以對(duì)他的研究越來(lái)越受到重視。 一個(gè)全方位移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，包括傳感器、通訊、伺服控制系統(tǒng)等。 系統(tǒng)可以分成以下四個(gè)模塊：監(jiān)控模塊、感知模塊、路徑規(guī)劃和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模塊、執(zhí)行模塊。 （1）監(jiān)控模塊 該模塊的功能通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要功能包括： ①任務(wù)描述：利用操作者規(guī)定的語(yǔ)言,描述對(duì)機(jī)器人的控制任務(wù)。 ②監(jiān)控指令輸入：在機(jī)器人完成任務(wù)的過(guò)程當(dāng)中,操作者根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行情況以及環(huán)境的狀況,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母深A(yù),以充分發(fā)揮人的智能，構(gòu)成人-機(jī)合作系統(tǒng)。如遇到不可避開(kāi)的障礙、或者多個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生死鎖等意外情況,都需要操作者適時(shí)的干預(yù)。 ③文本和圖形的顯示界面：以文本或者圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示機(jī)器人系統(tǒng)的工作信息，包括當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，機(jī)器人的位置、 速度、 障礙物等環(huán)境信息。監(jiān)控計(jì)算機(jī)是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與每一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人取得聯(lián)系的。 （2） 感知模塊 傳感器作為機(jī)器人的感知部分，是機(jī)器人具有自主能力的重要前提條件。 （3） 路徑規(guī)劃以及運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、 軌跡插補(bǔ)模塊 （4） 執(zhí)行模塊 傳統(tǒng)的分級(jí)式控制器一般都采用通用微機(jī)或以單片機(jī)作為下位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)位置控制，外圍電路復(fù)雜，計(jì)算速度慢，上位機(jī)和下位機(jī)同步困難，從而導(dǎo)致控制精度不夠理想。 3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)是組成移動(dòng)機(jī)器人的重要部分，它是保證機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能要求的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)的成功 與否將直接影響機(jī)器人系統(tǒng)的性能。目前，移動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的種類(lèi)已相當(dāng)繁多，其中全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有完美的運(yùn)動(dòng)性能， 它可利用車(chē)輪所具有的定位和定向功能， 實(shí)現(xiàn)平面上的自由運(yùn)動(dòng) ， 即能夠在當(dāng)前位置沿著任意方向的路徑移動(dòng)，并對(duì)自己所處位置進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精確定位和高精度軌跡跟蹤 。因此它對(duì)移動(dòng)機(jī)器人具有重要的意義，在機(jī)器人技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，成為機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前全方位輪有多種形式，其中Mecanum輪是做得較為成功 、技術(shù)成熟的一種全方位輪。 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)非常靈活，可在二維平面上從現(xiàn)在位置向任意方向運(yùn)動(dòng)而不需要車(chē)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的穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時(shí)候，也需要利用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)自己所處的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。現(xiàn)在比較常見(jiàn)的全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)有空氣懸浮式、球履帶式、輪式等許多種．輪式全方位移動(dòng)機(jī) 構(gòu)又可分為球輪驅(qū)動(dòng)式、全輪轉(zhuǎn)向式、麥克納姆輪式，等等[10]。球輪驅(qū)動(dòng)式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)是由日本電通大的越山等人研制成功的。它由一個(gè)球形輪構(gòu)成；外部是一個(gè)拱形殼，移動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)在輪的內(nèi)部，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，承載較小。全輪轉(zhuǎn)向式移動(dòng)機(jī)構(gòu)理論上可行，但由于每個(gè)輪上均需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)際中也很少有人采用。麥克納姆輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用的相對(duì)較多本文即是從麥克納姆輪中得到啟發(fā)，構(gòu)思設(shè)計(jì)了一種新式全方位輪，進(jìn)而設(shè)計(jì)制造了一種輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)。 麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專(zhuān)利，圖6為它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑穆。小滾子的母線很特殊；當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。由四個(gè)這種輪加以組合，可以使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能[11]。 圖6 麥克納姆輪 Mecanum輪的輪體的圓周不是由普通的輪胎組成[12] ,而是分布了許多鼓形小輥?zhàn)印Ｓ?個(gè)Mecanum輪全方位輪組成的萬(wàn)向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，控制方便，若在輪體上追加傳感器， 再控制好轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,就可能實(shí)現(xiàn)精確定位和軌跡跟蹤，應(yīng)用前景較好[13]  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告 ２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）： 1. 輪式移動(dòng)機(jī)器人的工作原理和設(shè)計(jì)要求。 移動(dòng)機(jī)器人是一種由傳感器、遙控操作器和自動(dòng)控制的移動(dòng)載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人隨其應(yīng)用環(huán)境和移動(dòng)方式的不同，研究?jī)?nèi)容也有很大差別。其共同的基本技術(shù)有傳感器技術(shù)、移動(dòng)技術(shù)、操作器、控制技術(shù)、人工智能等方面。它有相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚的視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器和觸覺(jué)傳感器。移動(dòng)機(jī)構(gòu)有輪式(如四輪式、兩輪式、全方向式、履帶式)、足式(如6足、4足、2足)、輪腿式(用輪子和足)、特殊式(如吸附式、軌道式、蛇式)等類(lèi)型。輪子適于平坦的路面，足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境。 2. 功能模塊。 模塊化廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)等行業(yè)。目前對(duì)模塊化還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，一般可以這樣理解:統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品系統(tǒng)，把其中含有相同或相似的功能單元分離出來(lái)，用標(biāo)準(zhǔn)化原理進(jìn)行統(tǒng)一、歸并、簡(jiǎn)化，以通用單元的形式獨(dú)立存在.這就是模塊，然后用不同的摸塊組合成新產(chǎn)品，這就是模塊化.因此，模塊化技術(shù)主要包含2個(gè)方面的內(nèi)容:一是模塊的合理分解，二是模塊的有效組合.其概念及特點(diǎn)如圖7所示[14] 圖7：模塊化概念及特點(diǎn) 參考文獻(xiàn)： [1] Nildeep Patel, Alex Ellery. 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移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………… 13 2.1.1 原理………………………………………………………………………………13 2.1.2 元器件的選擇……………………………………………………………………13 2.1.3 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)………………………………………………………14 2.1.4 移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)……………………………………………………………15 2.1.5 移動(dòng)機(jī)器人電源及驅(qū)動(dòng)模塊……………………………………………………17 2.1.6 移動(dòng)機(jī)器人傳感系統(tǒng)……………………………………………………………18 2．2 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究……………………………………………………… 18 2.2.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析…………………………………………………………18 3 輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………………21 3．1 移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析………………………………………………………… 21 3.1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)…………………………………………………………………………21 3.1.2 車(chē)輪………………………………………………………………………………21 3．2 移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………… 22 3.2.1 移動(dòng)機(jī)器人零部件設(shè)計(jì)選擇……………………………………………………23 3.2.2 傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………………26 3.2.3 計(jì)算蝸桿傳動(dòng)主要尺寸…………………………………………………………27 結(jié)論……………………………………………………………………………………… 33 致謝……………………………………………………………………………………… 34 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………… 35 1 緒論 1．1 引言 機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立和發(fā)展是20世紀(jì)自動(dòng)控制最具說(shuō)服力的成就，是20世紀(jì)人類(lèi)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重大成果。機(jī)器人從爬行到學(xué)會(huì)兩腿直立行走，僅僅用了20年，而人類(lèi)的這一個(gè)過(guò)程則經(jīng)歷了上百萬(wàn)年?，F(xiàn)在全世界已經(jīng)有近100萬(wàn)臺(tái)機(jī)器人，機(jī)器人的技術(shù)和工業(yè)得到了前所未有的飛速發(fā)展。機(jī)器人已經(jīng)能夠使用工具，能看，能聽(tīng)，能說(shuō)，并且開(kāi)始能進(jìn)行一些決策和思考的智能行為，其應(yīng)用也從傳統(tǒng)的加工制造業(yè)逐漸擴(kuò)展到軍事，海洋探測(cè)，宇宙探索等領(lǐng)域，并開(kāi)始進(jìn)入家庭和服務(wù)行業(yè)。作為一種先進(jìn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。自動(dòng)擴(kuò)展系統(tǒng)是機(jī)器人的中樞神經(jīng)，他控制著機(jī)器人的思維，決策和行為，幾乎所有自動(dòng)控制技術(shù)都在機(jī)器人的控制上得到了應(yīng)用。近年來(lái)，智能控制的發(fā)展十分迅速，這必將促使機(jī)器人的智能化水平達(dá)到新的高度。 移動(dòng)機(jī)器人是一種由傳感器、遙控操作器和自動(dòng)控制的移動(dòng)載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，在代替人從事危險(xiǎn)、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下等)環(huán)境作業(yè)方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動(dòng)性、靈活性。隨著科技的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)未知世界進(jìn)行探索的愿望越來(lái)越強(qiáng)烈，移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展也日新月異。60年代后期，美國(guó)和蘇聯(lián)為完成月球探測(cè)計(jì)劃，研制并應(yīng)用了移動(dòng)機(jī)器人。美國(guó)“探測(cè)者”3號(hào)，其操作器在地面的遙控下，完成了在月球上挖溝和執(zhí)行其他任務(wù)。蘇聯(lián)的“登月者”20號(hào)在無(wú)人駕駛的情況下降落在月球表面，操作器在月球表面鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進(jìn)回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大學(xué)研制出具有仿人功能的兩足步行機(jī)器人。由于這些機(jī)器人通?？梢赃m應(yīng)不同的環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場(chǎng)輻射、重力等條件的影響，因此移動(dòng)機(jī)器人常被用來(lái)完成一些人類(lèi)無(wú)法進(jìn)行的任務(wù)。 1．2 輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 近20年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人的研究十分活躍，并得到了快速發(fā)展，這主要有兩個(gè)方面的原因:其一， 移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，包括國(guó)防工業(yè)、制造業(yè)、輕重工業(yè)以及服務(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域。其二，目前國(guó)內(nèi)外的星際探索和海洋開(kāi)發(fā)兩大高端技術(shù)領(lǐng)域的市場(chǎng)需求也是促使移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的客觀因素與潛在動(dòng)力。機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在制造領(lǐng)域，為了保證較高的產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，機(jī)器人已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的手段之一。 到目前為止，地面運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、步行式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)。 (1)履帶式。最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車(chē)上，后來(lái)出現(xiàn)在某些地面行駛機(jī)器人上。履帶式機(jī)器人可以在凹凸不平的地面上行走[1]，可以跨越障礙物，爬梯度不太高的臺(tái)階，具有行駛速度較快(介于輪式和腿式之間)，承載能力較強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向不易，比較笨重的特點(diǎn)。如圖1所示的履帶式移動(dòng)機(jī)器人，由于其采用了像坦克那種的履帶式設(shè)計(jì)，因此能夠適用于更廣泛的地形。 圖1 履帶式移動(dòng)機(jī)器人 (2)步行式。其中步行式機(jī)器人對(duì)場(chǎng)地有良好的適應(yīng)能力，特別是多足機(jī)器人，能夠跨越臺(tái)階，但動(dòng)作是間歇的，速度不快，且控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難[2]。從移動(dòng)的方式來(lái)看，步行式移動(dòng)機(jī)器人可以分為兩類(lèi):動(dòng)態(tài)行走機(jī)器人和靜態(tài)行走機(jī)器人。根據(jù)支腿的數(shù)量又可分為兩足、四足、六足和多足。 ①六足行駛機(jī)構(gòu) 采用六足行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人很多[3]，一般都采用變換支撐腿的方式，將整體的重心從一部分腿上轉(zhuǎn)移到另一部分腿上，從而達(dá)到行走的目的。具有代表性的有美國(guó)CMU大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種六足結(jié)構(gòu)(如圖2)，它是由六條支腿組成，每條支腿具有由水平旋轉(zhuǎn)和垂直移動(dòng)兩個(gè)自由度。在行走過(guò)程中，整個(gè)支腿可以繞軸端在水平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，支腿的末端可以通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行垂直方向的上下移動(dòng)，以調(diào)整姿態(tài)，最終使機(jī)器人保持水平。通過(guò)六條腿的交替運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。 圖2 六足仿生機(jī)器人 ②多足行走機(jī)構(gòu) 如圖3所示的八足仿生機(jī)器人，這種機(jī)構(gòu)是一種八足行走的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是在前行時(shí)相對(duì)于身體總是后腿到前腿的順序，后腿著地后前腿才離地，機(jī)器人兩側(cè)的相應(yīng)部分也是成相位交替著運(yùn)動(dòng)。近期的八足機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有太大的突破，在控制方面，則不斷地出新，將現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)等高科技應(yīng)用到機(jī)器人上。 由此可以看出，對(duì)于步行式移動(dòng)機(jī)器人，雖然越野能力比較強(qiáng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行走速度比較緩慢。 圖3 多足行走機(jī)構(gòu) (3)車(chē)輪式。車(chē)輪式移動(dòng)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)輕、動(dòng)作穩(wěn)定、操縱簡(jiǎn)單、其移動(dòng)速度和方向容易控制等優(yōu)點(diǎn)。常用來(lái)在無(wú)人工廠中搬運(yùn)零部件或做其它工作，適用于平地行走，運(yùn)動(dòng)速度快，但其越野能力比步行式機(jī)器人稍遜一籌[4-5]。但隨著各式各樣的車(chē)輪底盤(pán)和懸架系統(tǒng)的出現(xiàn)，像美國(guó)MCU的六輪三體柔性機(jī)器人Robby和美國(guó)研制的火星探路者機(jī)器人，使得車(chē)輪式機(jī)器人能適應(yīng)凹凸不平的地形[6-7]，越野能力大大加強(qiáng)。于是人們對(duì)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來(lái)，近期日本開(kāi)發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的五點(diǎn)支撐懸吊結(jié)構(gòu)MiCroS，由于其采用一支撐輪，所以有很好的越野能力。輪式移動(dòng)機(jī)器人按輪數(shù)的多少又可分為三輪、四輪、五輪、六輪以及多輪，其中以四輪和六輪研究居多。 ①兩輪呈左右對(duì)稱(chēng)布置的兩輪移動(dòng)機(jī)器人 不加裝車(chē)體的兩輪移動(dòng)機(jī)器人是典型的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，左右輪分別由一個(gè)電機(jī)動(dòng)，依靠差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向靈活但當(dāng)安裝上車(chē)體時(shí)，就同自行車(chē)機(jī)器人一樣，要考慮機(jī)器人的平衡問(wèn)題。 這種兩輪移動(dòng)機(jī)器人具有極強(qiáng)的靈活性而且它的行為與火箭飛行以及兩足機(jī)器人行走有很大的相似性，因而對(duì)其理論及控制系統(tǒng)的研究受到國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的高度重視近年來(lái)，該機(jī)器人逐漸成為全球機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。美國(guó)和日木的研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)始了這方而的應(yīng)用研究并取得了初步成果兩輪行走機(jī)構(gòu)是自然不穩(wěn)定體，是高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)目前還存在許多問(wèn)題，不能實(shí)際應(yīng)用[8]。 ②四輪移動(dòng)機(jī)器人 輪式移動(dòng)機(jī)器人中最常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)就是四輪移動(dòng)機(jī)器。人當(dāng)在平整地而上行走時(shí)，這種機(jī)器人是最合適的選擇。并且在其他領(lǐng)域(如汽車(chē)領(lǐng)域)已為其發(fā)展提供了成熟的技術(shù)。 四輪結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，但其越野能力有限，如圖4所示為一四輪移動(dòng)機(jī)器人。要想提高此類(lèi)機(jī)器人的越野能力，就必須對(duì)其底盤(pán)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)。具有代表性的是美國(guó)MCU研制的Nomad，它采用的是可變形的底盤(pán)和均化懸掛系統(tǒng)。其底盤(pán)可通過(guò)兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形，當(dāng)?shù)妆P(pán)展開(kāi)時(shí)四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)菱形，當(dāng)?shù)妆P(pán)收縮時(shí)四桿機(jī)構(gòu)變成一條直線。均化懸掛系統(tǒng)可以平滑機(jī)器人本體相對(duì)于輪子的運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)可保證在各種地形情況下四輪都能同時(shí)著地。 圖4 Nomad四輪機(jī)器人 圖5 “勇氣號(hào)”火星探測(cè)車(chē) ②六輪。具有代表性的是美國(guó)研制的火星探測(cè)車(chē)，如圖5所示，它采用的是六輪搖臂懸架機(jī)構(gòu)，其采用對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，單側(cè)搖臂主要包括主搖臂、副搖臂、前后兩個(gè)主動(dòng)輪以及中間的隨動(dòng)輪。與四輪結(jié)構(gòu)相比，由于引入了副搖臂和從動(dòng)輪，當(dāng)遇到障礙時(shí)，通過(guò)對(duì)副搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，并借助于從動(dòng)輪來(lái)調(diào)整重力在各個(gè)輪上的分力，可以提高車(chē)體的穩(wěn)定性和越野能力。 1．3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 機(jī)器人技術(shù)是20世紀(jì)中期的重大發(fā)明。從60年代起美、俄、日、法等國(guó)在航天領(lǐng)域拼搏角逐、爭(zhēng)雄霸業(yè)。美國(guó)曾在1966～1968年間，向月球成功發(fā)射了兩次無(wú)人巡游探測(cè)器。美國(guó)“登月者20號(hào)”在無(wú)人駕駛的情況下，降落在月球表面，自由行走，鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進(jìn)回收容器送回了地球。1997年由美國(guó)JPL(全稱(chēng)Jet Propulsion laboratory，美國(guó)太空總署噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室)研制的Sojourner號(hào)探測(cè)車(chē)登上了火星。盡管它僅僅是一輛工程示范車(chē)，有效載荷很小，而且還不能離開(kāi)登陸車(chē)太遠(yuǎn)，但它驗(yàn)證了小型火星車(chē)的性能，并且完成了一系列的技術(shù)實(shí)驗(yàn)[9]。2004年1月，美國(guó)的“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星探測(cè)車(chē)再度登上火星[10]。2007年，JPL又成功研制了ATHLETE月球探測(cè)車(chē)(如圖1)。該車(chē)有六條支腿，每條支腿上均含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。每個(gè)支腿及車(chē)輪均可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，其越障性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性都有了很大的提高[11]。前蘇聯(lián)在1959～1976年間，總共成功發(fā)射了兩個(gè)月球探測(cè)車(chē)。其中2號(hào)車(chē)(lunokhod-2)最為成功。該車(chē)工作了四個(gè)月，行駛了37 km。歐洲和日本也對(duì)行星探測(cè)車(chē)做了很多深入的研究，并已研制出了樣車(chē)，不過(guò)目前仍未登陸。 圖1 ATHLETE月球探測(cè)車(chē) 在軍事領(lǐng)域中，德國(guó)在二戰(zhàn)期間就曾經(jīng)研制了數(shù)千輛遙控?zé)o人自爆式坦克，這是無(wú)人戰(zhàn)車(chē)的最早雛形。近十年來(lái)，美國(guó)為了滿足未來(lái)地面戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，非常重視地面智能移動(dòng)機(jī)器人的研究，己經(jīng)研究了一系列智能機(jī)器人，并己裝備軍隊(duì)。在反恐和現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中，智能移動(dòng)機(jī)器人己經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。美國(guó)軍方在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中都曾廣泛使用M-Gator無(wú)人戰(zhàn)車(chē)。在這兩次戰(zhàn)爭(zhēng)中，智能機(jī)器人公司的PackBot履帶式無(wú)人戰(zhàn)車(chē)也曾執(zhí)行過(guò)數(shù)千次任務(wù)，比如掃除路邊炸彈，到洞穴或房屋內(nèi)進(jìn)行搜索等，為戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利提供了有利保障。近兩年來(lái)，美國(guó)軍方又研制了“大狗”四足機(jī)器人(如圖2 )。該機(jī)器人主要用來(lái)在戰(zhàn)場(chǎng)上運(yùn)送物品，它具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。無(wú)論是在路面復(fù)雜的山地，還是在非常光滑的冰面，它都可以自己調(diào)節(jié)平衡，從而越過(guò)障礙，到達(dá)目的地。即使受到外界的沖擊，也可以像動(dòng)物一樣調(diào)節(jié)自身穩(wěn)定，繼續(xù)行走[12]。 圖2 美國(guó)Big-Dog 1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 當(dāng)今我國(guó)對(duì)探測(cè)開(kāi)發(fā)太空投入了極大的關(guān)注，輪腿式移動(dòng)機(jī)器人是現(xiàn)今最流行的行星探測(cè)車(chē)結(jié)構(gòu)，雖然與國(guó)外的水平還有不小的差距，但國(guó)家政府在這方面也加大了投入力量，現(xiàn)在一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了有關(guān)輪腿式機(jī)器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。如清華大學(xué)在行星表面環(huán)境及探測(cè)機(jī)器人幾何建模方面做了大量的工作，并對(duì)相關(guān)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了深入探討。與此同時(shí)，國(guó)防科大的研究小組以我們剛提到的Sojourner為藍(lán)本，研制出了KDR一試驗(yàn)樣車(chē)(如圖3)，并對(duì)其自主導(dǎo)航及路徑規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行了研究。此外中國(guó)科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)都在輪腿式行星移動(dòng)機(jī)器人方面進(jìn)行了一系列研究工作，并取得了初步的成果。近幾年來(lái)，中國(guó)在移動(dòng)機(jī)器人方面取得的主要成績(jī)有以下幾個(gè)方面: 1、上海交通大學(xué)的劉方湖、陳建平等提出了一種5輪月球機(jī)器人，并從結(jié)構(gòu)上研究了其越障性能、靜態(tài)穩(wěn)定性和附著性能[13]。該車(chē)前三輪均能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，后面兩輪是從動(dòng)輪。前輪有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使其做俯仰運(yùn)動(dòng)。 2、上海大學(xué)研制了一種可越障輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)—車(chē)輪組機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)保證在姿態(tài)保持不變的前提下，沿壁面任意方向直線移動(dòng)或在原地旋轉(zhuǎn)任意角度，同時(shí)能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行路徑中的障礙。上海大學(xué)的張海洪、龔振邦等對(duì)其越障性能作了簡(jiǎn)單的機(jī)理分析和全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[14]。 3、中國(guó)科技大學(xué)的程剛，竺長(zhǎng)安等提出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)移動(dòng)越障機(jī)器人(如圖4 )，并對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真[15]。該機(jī)器人是將輪式、腿關(guān)節(jié)式、履帶式三種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)而成，它采用后輪驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪子分別由一臺(tái)直流伺服電機(jī)帶動(dòng)，跟履帶車(chē)一樣通過(guò)差速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。車(chē)前部有平行四邊形的擺桿通過(guò)鍵與車(chē)體的前輪軸固連,車(chē)體前方有兩臺(tái)直流伺服電機(jī)分別控制兩邊平行四邊形擺桿的運(yùn)動(dòng)，在遇到突變障礙時(shí)，擺桿下壓，產(chǎn)生撐地的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)越障。 圖3 KDR-1試驗(yàn)樣車(chē) 4、 清華大學(xué)陸文娟等人對(duì)一種六輪式移動(dòng)機(jī)器人做了比較詳細(xì)的研究[16]，這種機(jī)器人具有6個(gè)主動(dòng)輪且都能獨(dú)立轉(zhuǎn)向，該機(jī)器人地形適應(yīng)性能較普通4輪機(jī)器人要好。 圖4 復(fù)合結(jié)構(gòu)移動(dòng)越障機(jī)器人 1．4 論文研究的背景和意義 1.4.1 研究背景 早在兩千年前就開(kāi)始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械人偶。到了近代，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類(lèi)之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。 移動(dòng)機(jī)器人隨其應(yīng)用環(huán)境和移動(dòng)方式的不同，研究?jī)?nèi)容也有很大差別。其共同的基本技術(shù)有傳感器技術(shù)、移動(dòng)技術(shù)、操作器、控制技術(shù)、人工智能等方面。它有相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚的視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器和觸覺(jué)傳感器。移動(dòng)機(jī)構(gòu)有輪式(如四輪式、兩輪式、全方向式、履帶式)、足式(如6足、4足、2足)、輪腿式(用輪子和足)、特殊式(如吸附式、軌道式、蛇式)等類(lèi)型。輪子適于平坦的路面，足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境?，F(xiàn)今移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)己經(jīng)不僅僅限制于輪式或足式。從80年代開(kāi)始，一種新型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)成為了研究移動(dòng)機(jī)器人的熱點(diǎn)—輪腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)使移動(dòng)機(jī)器人具有了速度快、穩(wěn)定性好以及對(duì)地面的適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。 輪式移動(dòng)機(jī)器人中最常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)就是二輪及四輪移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)在平整地而上行走時(shí)，這種機(jī)器人是最合適的選擇。并且在其他領(lǐng)域(如汽車(chē)領(lǐng)域)已為其發(fā)展提供了成熟的技術(shù)。 1.4.2 研究的意義 智能移動(dòng)機(jī)器人在各種復(fù)雜地形上都具有較高的機(jī)動(dòng)性，可以進(jìn)入人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入或生存的環(huán)境，適用于國(guó)防和民用等多個(gè)領(lǐng)域，在反恐斗爭(zhēng)中也發(fā)揮了巨大作用。 移動(dòng)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面: (1)軍事偵察，排除險(xiǎn)情 在軍事行動(dòng)中常需要對(duì)未知的環(huán)境進(jìn)行偵察。由于地形的復(fù)雜特性以及軍事行動(dòng)中的危險(xiǎn)性，采用普通的智能車(chē)輛或者人工進(jìn)行偵察都很難完成任務(wù)。智能移動(dòng)機(jī)器人為軍事行動(dòng)提供了一個(gè)可靠的平臺(tái)。由于它對(duì)地面的適應(yīng)性，可以使其順利到達(dá)目的地。如在車(chē)上安裝攝像機(jī)、安全激光測(cè)距儀、夜視裝置和GPS全球定位系統(tǒng)等設(shè)備，通過(guò)無(wú)線電或者光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報(bào)搜集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)。除軍事偵察外，智能移動(dòng)機(jī)器人還常被用來(lái)完成掃除路邊炸彈、尋找地雷和銷(xiāo)毀地雷等危險(xiǎn)任務(wù)。 （2） 探測(cè)危險(xiǎn)，航天航空 在考古、工程檢測(cè)和災(zāi)后救援等方面，移動(dòng)機(jī)器人由于其良好的越障性能，也發(fā)揮著巨大的作用。在國(guó)外，智能移動(dòng)機(jī)器人己經(jīng)被用來(lái)探測(cè)金字塔內(nèi)王后室的秘密通道[17]。在工程建設(shè)領(lǐng)域，可對(duì)水庫(kù)堤壩、海岸護(hù)岸堤、江河大壩進(jìn)行質(zhì)量和安全性檢測(cè)，還可應(yīng)用在碼頭、橋墩等被撞后的受損程度探測(cè)評(píng)估。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中的機(jī)械損傷、裂紋等缺陷的探尋，對(duì)輸油和輸氣管線的泄露和破損點(diǎn)的查找和定位等[18]。民用方面，可以探測(cè)泄露物質(zhì)，可以進(jìn)行地鐵滅火，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。 從上個(gè)世紀(jì)60年代后期，人類(lèi)就開(kāi)始了對(duì)宇宙外星球的探測(cè)。到目前為止，人類(lèi)研究的星球主要是月球和火星。由于外星球上空氣、輻射、溫度和重力等條件的影響，人類(lèi)很難直接進(jìn)行探測(cè)和研究。為此，通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人采集星球樣本進(jìn)行研究己經(jīng)成為研究外星球的重要手段。 (3) 智能導(dǎo)航，快速運(yùn)輸 在現(xiàn)代化的大型商場(chǎng)、醫(yī)院等公共場(chǎng)所。智能機(jī)器人可以充當(dāng)導(dǎo)游、售貨員、保安等多種職業(yè)。不僅可以為行人帶路、介紹周?chē)h(huán)境，還可以有效的維護(hù)公共場(chǎng)所里治安。在大型碼頭、貨場(chǎng)和倉(cāng)庫(kù)，已經(jīng)開(kāi)始利用這種智能移動(dòng)機(jī)器(AGV)作為主要的運(yùn)輸工具。通過(guò)預(yù)先編好的程序和規(guī)劃的路徑，它們可以自己在指定位置充電，并且長(zhǎng)時(shí)間的高效率的不間斷工作。大大提高了運(yùn)輸量。 智能移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)不同的需要，可采取不同的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。但總體目標(biāo)都是向著高度的機(jī)動(dòng)性、良好的穩(wěn)定性以及簡(jiǎn)單的可控性發(fā)展。 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展過(guò)程之后，己經(jīng)取得很大進(jìn)展，并且成為新興且快速成長(zhǎng)的行業(yè)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和人類(lèi)活動(dòng)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地拓寬，從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展，如海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等行業(yè)都提出自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。人們期望機(jī)器人能在許多人類(lèi)不能及的區(qū)域來(lái)代替人類(lèi)完成更復(fù)雜的任務(wù)。因此，研究與開(kāi)發(fā)一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)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移動(dòng)機(jī)器人的綜合控制系統(tǒng)，勢(shì)在必行。傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)源自基于認(rèn)知的人工智能模型，在這種模型中，智能任務(wù)由運(yùn)行于符號(hào)模型之上的推理過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，它強(qiáng)調(diào)帶有環(huán)境模型或地圖的中央規(guī)劃器是其智能不可缺少的組成部份，而且該模型必須是準(zhǔn)確的、一致的。該模型遵循從感知到動(dòng)作的串行功能分解控制路線，系統(tǒng)的可靠性、魯棒性和反應(yīng)性差。 反應(yīng)式控制系統(tǒng)將機(jī)器人行為的感知、規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行等過(guò)程封裝成一個(gè)行為模塊，某一時(shí)刻，只有一種行為控制機(jī)器人。反應(yīng)式控制系統(tǒng)能使機(jī)器人快速地對(duì)時(shí)變的、非人為構(gòu)造的環(huán)境進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)式控制系統(tǒng)的局限性是機(jī)器人通常不能保存周?chē)畔?，沒(méi)有記憶功能，沒(méi)有內(nèi)部的環(huán)境描述，沒(méi)有實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)/規(guī)劃能力。基于行為控制方法是反應(yīng)式系統(tǒng)的擴(kuò)展，它介于純粹的反應(yīng)式和極端的慎思型之間。在基于行為控制方法中，控制系統(tǒng)的分解是以面向任務(wù)的(Task-Oriented）方式進(jìn)行的，機(jī)器人把所要完成的任務(wù)分成基本的簡(jiǎn)單的行為單元，各單元彼此協(xié)調(diào)工作。每個(gè)單元都有自己的感知器和執(zhí)行器，構(gòu)成感知一執(zhí)行動(dòng)作行為。機(jī)器人根據(jù)行為的優(yōu)先級(jí)并結(jié)合本身的任務(wù)綜合作出反應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)行為的功能較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的傳感器及其快速信息處理過(guò)程獲得良好的運(yùn)行效果。因此，行為控制是進(jìn)行機(jī)器人底層控制的最佳選擇。 1．5 論文研究的主要內(nèi)容 本文對(duì)輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了研究。這一機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)為四輪式結(jié)構(gòu)。即各車(chē)輪與車(chē)架直接相連，使其具有行走功能。本機(jī)構(gòu)配備大直徑輪軸，使其能適應(yīng)室外、草地、沙地等行走環(huán)境。同時(shí)配備自主驅(qū)動(dòng)控制，能實(shí)現(xiàn)無(wú)半徑轉(zhuǎn)向跨越障礙、躲避障礙等功能。 （1） 移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此內(nèi)容包括機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)形式和外形尺寸的確定。 （2） 移動(dòng)機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)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)。是一種具有一定智能、在一定范圍內(nèi)移動(dòng)且能完成各種規(guī)定任務(wù)的機(jī)器人。與普通機(jī)器人的主要區(qū)別是移動(dòng)機(jī)器人一般安裝在可移動(dòng)的平臺(tái)載體上?？稍谳^大地域范圍內(nèi)活動(dòng)。在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人時(shí)應(yīng)遵循以下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則[19]： a.總體機(jī)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的試驗(yàn)、調(diào)試和修理。 b.應(yīng)給機(jī)器人暫時(shí)未能裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來(lái)功能改進(jìn)與擴(kuò)展。 c.采取模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊之間相互獨(dú)立裝配.互不干擾。 （3） 移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制分析。要順利躲避障礙，機(jī)器人必須具備自主靈活的轉(zhuǎn)向性能。因此，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向性能是其地面適應(yīng)能力的一個(gè)關(guān)鍵方面。 2 輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制 2．1 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的論述移動(dòng)機(jī)器人為以STC12C-5408AD為控制核心的后驅(qū)四輪機(jī)器人。如圖5所示，在車(chē)身最前部分是信號(hào)采集模塊，負(fù)責(zé)對(duì)工作環(huán)境中的線標(biāo)志的讀取，前輪萬(wàn)向輪來(lái)作支撐轉(zhuǎn)向，后輪是機(jī)器人前進(jìn)的主要?jiǎng)恿?，用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人拐彎時(shí)采用差速機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[20]。 圖5 輪式移動(dòng)機(jī)器人 2.1.1 原理 單片機(jī)[21]系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采集模塊，對(duì)路面標(biāo)記的信號(hào)進(jìn)行讀取，并把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)己經(jīng)寫(xiě)入的程序?qū)ψx取到的信號(hào)進(jìn)行判斷，進(jìn)而通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和車(chē)體轉(zhuǎn)向控制模塊來(lái)決定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用直流電機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向。 2.1.2 元器件的選擇 本次設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與分析、直流電機(jī)控制兩大功能，而單片機(jī)系統(tǒng)為機(jī)器人最終運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的決定者，因此單片機(jī)的選擇很大程度上決定了移動(dòng)機(jī)器人的性能。信號(hào)的采集一般需要有AD轉(zhuǎn)換接口，本次設(shè)計(jì)中選擇了國(guó)產(chǎn)的STC12C5408AD，是新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)，速度快，集成度高，電壓范圍寬(3.8-5.5V)，指令系統(tǒng)和MCS-51系列完全兼容。其內(nèi)部還有8kB Flash程序存儲(chǔ)器，512Byte RAM,2kB EZ PROM ,8通道10位ADC、4路PWM以及硬件看門(mén)狗(WDT)等資源，并具有ISP功能，用戶在自己的目標(biāo)系統(tǒng)上，經(jīng)串口和PC連接，就可直接由PC對(duì)其進(jìn)行 ISP下載編程，時(shí)間僅幾秒鐘。 在集成整個(gè)控制系統(tǒng)之前，還要考慮電源問(wèn)題。運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)消耗的電量要比控制系統(tǒng)消耗的多，而且在運(yùn)行過(guò)程中機(jī)器人的加速、減速、拐彎等動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致電壓的不穩(wěn)定，故實(shí)行控制系統(tǒng)電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的分離，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立的以MAX639為核心的供電系統(tǒng)，確保單片機(jī)得到5V的電源。 2.1.3 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)總體結(jié)構(gòu) 移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)具有如下功能： 1． 進(jìn)行靜態(tài)全局路徑規(guī)劃，并控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全局導(dǎo)航，完成指定任務(wù)； 2． 當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)障礙物時(shí)，機(jī)器人識(shí)別障礙并采用相應(yīng)的避障策略實(shí)現(xiàn)避障； 3． 主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)可以完成目標(biāo)搜索和跟蹤功能；同時(shí)可用于輔助全局導(dǎo)航和移動(dòng)機(jī)器人將要到達(dá)指定目標(biāo)時(shí)的精確定位。 鑒于以上的研究目標(biāo)，提出如下總體設(shè)計(jì)要求： 1. 機(jī)器人動(dòng)作靈活，控制方便； 2. 采用模塊化設(shè)計(jì) 3. 應(yīng)具有較豐富的環(huán)境感知能力，以便對(duì)機(jī)器人的行為控制進(jìn)行更全面的研究； 4. 在保證功能實(shí)現(xiàn)的前提下，盡量減少系統(tǒng)硬件的成本； 5. 便于功能擴(kuò)展、軟硬件調(diào)試、及系統(tǒng)維護(hù)。 基于上述設(shè)計(jì)要求研發(fā)的移動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)，由下至上分為五層:主要分為用戶層、決策控制層、傳感/底層決策層、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層。各層與各層之間通訊都有標(biāo)準(zhǔn)的物理層與協(xié)議層，因此各層都具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。 2.1.4 移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng) 系統(tǒng)硬件由移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)和無(wú)線通信系統(tǒng)組成，采用上下位二級(jí)分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用基于模塊化并行通信的多微處理器分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的行為動(dòng)作控制；主要完成的移動(dòng)機(jī)器人全局導(dǎo)航控制功能和基于主動(dòng)視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制等功能；通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)和上位機(jī)進(jìn)行信息交互。 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)為典型的四輪式機(jī)器人，前兩輪為萬(wàn)向輪，兩后輪單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，后輪安裝了左右輪直流電機(jī)及其電機(jī)控制器，這個(gè)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)可以爬坡和越障，為實(shí)現(xiàn)三維空間的導(dǎo)航提供了平臺(tái)。 系統(tǒng)硬件組成可分為以下三個(gè)大模塊:電源及驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、控制計(jì)算機(jī)模塊，而按功能類(lèi)別分，該機(jī)器人又可分為用戶層、傳感/控制子系統(tǒng)、智能和決策子系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制層如圖6所示。 圖6 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)系統(tǒng)硬件組成 2.1.5 移動(dòng)機(jī)器人電源及驅(qū)動(dòng)模塊 沒(méi)有運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)單元，機(jī)器人的電機(jī)就無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)單元被集成并封裝在電源/驅(qū)動(dòng)模塊中。 為了使系統(tǒng)更加可靠，通過(guò)DC/DC模塊實(shí)現(xiàn)功率電源與邏輯電源相互隔離。其中傳感器主板需要三組電原，超聲聲納供電電源+12V，邏輯供電電源+5V，以及功率電路中的+5V電源(用+5P表示)。由于超聲聲納最多選配為24個(gè)，每一個(gè)超聲聲納靜態(tài)工作電流55mA，超聲聲納系統(tǒng)靜態(tài)工作電流為24* 55=1320mA，而一個(gè)超聲聲納使能測(cè)距，電流為2A，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)一次同時(shí)使能兩個(gè)超聲聲納即4A電流。據(jù)此系統(tǒng)12V的功耗最大電流不會(huì)超過(guò)6A，即最大功耗為72W，因此選取用VICOR100W的DC/DC模塊。 圖7 12V電源電路—VICOR 5V穩(wěn)壓電路是使用的VICOR的DC/DC2405，50W。其主要為紅外傳感器、陀螺儀傳感器以及其數(shù)字邏輯電路供電，而紅外傳感器工作最大電流為50mA最多選配8個(gè)，即8*50mA=400mA，陀螺儀功耗小于100mA，而其它數(shù)字邏輯電路功耗很小，不過(guò)1A，所以系統(tǒng)邏輯5V功耗肯定小于2A，采用的50W電源模塊。 圖8 5 V電源電路 為了便于擴(kuò)展，各擴(kuò)展卡的每一路電源以有信號(hào)都進(jìn)行可靠的保護(hù)，短路、接反、信號(hào)混亂也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。 圖9 電源保護(hù)電路 2.1.6 移動(dòng)機(jī)器人傳感系統(tǒng) 移動(dòng)機(jī)器人的傳感系統(tǒng)負(fù)責(zé)獲取機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)和外部工作環(huán)境的信息，是移動(dòng)機(jī)器人感知、決策和動(dòng)作三大要素之一。傳感系統(tǒng)的硬件組成單元是傳感器，其功能是為機(jī)器人提供諸如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等對(duì)外部環(huán)境的感知能力，同時(shí)還可以感知機(jī)器人本身的工作狀態(tài)和位置。 外部傳感器有:傳感器模塊上配備24路超聲測(cè)距傳感器(聲納)及光電開(kāi)關(guān)(避碰用)、兩自由度攝像云臺(tái)、全景視覺(jué)攝像機(jī)、接觸和接近傳感器等，并提供8個(gè)預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)接口。結(jié)構(gòu)如圖10所示。傳感器主板如圖11所示，其中12點(diǎn)方向的超聲波傳感器及紅外傳感器接口號(hào)為24#，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)?、 2、 3、 4、5……。 圖10 傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖11 傳感器主板絲印圖 傳感器主板電源由兩針接口POWER輸入之后分成兩路，一路經(jīng)過(guò)可恢復(fù)保險(xiǎn)管與TVS管(用于反接與過(guò)壓保護(hù))為傳感器系統(tǒng)提供24電源，另一路直接為PC提供電源。其中LEDO1與LED02分別是傳感器系統(tǒng)與PC系統(tǒng)電源指示燈。 圖12 電源輸入以及簡(jiǎn)單保護(hù)電路 2．2 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究 移動(dòng)機(jī)器人通常利用輪子、腿或其他機(jī)械裝置在應(yīng)用環(huán)境中來(lái)回移動(dòng)。本文討論的為四輪式結(jié)構(gòu)。前面兩個(gè)輪為隨動(dòng)輪，僅起到支承車(chē)體而無(wú)導(dǎo)向作用，后面兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，用兩臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)后輪的轉(zhuǎn)速來(lái)控制車(chē)體運(yùn)行的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。 2.2.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖13為可移動(dòng)機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。小車(chē)兩后輪為驅(qū)動(dòng)輪分別由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)與后輪各構(gòu)成一個(gè)速度閉環(huán)，為恒速輸出，在工作載荷內(nèi)，調(diào)節(jié)兩電機(jī)的輸入電壓即可調(diào)節(jié)兩后輪的轉(zhuǎn)速。小車(chē)兩前輪為隨動(dòng)輪，僅起到支承車(chē)體的作用而無(wú)導(dǎo)向作用。 圖13 車(chē)體結(jié)構(gòu)圖 圖14 車(chē)體運(yùn)動(dòng)路徑 圖14為車(chē)體運(yùn)動(dòng)路徑示意圖。車(chē)體運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，經(jīng)時(shí)間t后車(chē)體運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)A處.其中，Ex(t)和Ey(t)為小車(chē)在X方向上和Y方向上的位移；θ(t)和。ω(t)為小車(chē)的角位移和角速度。為小車(chē)兩后輪中點(diǎn)處的移動(dòng)速度。因此可推得如下關(guān)系式： Ex（t）= (1) Ey（t）= (2) θ(t)= (3) 在小誤差范圍內(nèi)可以認(rèn)為: cosθ(t)=1 （4） sinθ(t)=θ(t) （5） 控制小車(chē)的兩電機(jī)電壓保證小車(chē)兩后輪中點(diǎn)處的速度為常量，即v=v0，則式（1），（2）和（3）可表示如下： Ex（t）=v0t （6） Ex（t）= （7） θ(t)= （8） 經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，小車(chē)兩電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)特性一致.電機(jī)輸入電壓與車(chē)輪轉(zhuǎn)速關(guān)系如下： n=knU+Cn （9） 式中n為車(chē)輪轉(zhuǎn)速，U為電機(jī)輸入電壓，kn和Cn為常數(shù)。 根據(jù)推導(dǎo)可獲得車(chē)體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω（t）和小車(chē)后輪中點(diǎn)處的速度v0如下： ω（t）=（n2-n1）Dπ/W （10） v0=（n2+n1）Dπ/2 （11） 其中n1和n2分別為小車(chē)左輪和右輪的轉(zhuǎn)速，D為小車(chē)后輪的直徑，W為小車(chē)兩后輪的距離。 把式（9）代入式（10）和（11）中，得 ω（t）=（U2-U1）Dπkn/W （12） v0=（U2+U1）Dπkn/2+DπCn （13） 其中U2和U1為小車(chē)左輪和右輪的輸入電壓。 由式（13）可知，若小車(chē)兩電機(jī)輸入電壓之和為常數(shù)，則小車(chē)兩后輪中點(diǎn)處速度v0為常數(shù)。當(dāng)小車(chē)有一瞬時(shí)角速度ω（t）時(shí)，所需兩電機(jī)電壓差Δ為 ΔU=U2-U1=ω（t）W/(Dπkn) （14） 若使： （15） 則小車(chē)兩電機(jī)輸入電壓之和為常數(shù)，即 U2+U1=2U （16） 式中，U為小車(chē)作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)兩電機(jī)的輸入電壓，U值決定于v0的大小。 對(duì)于此系統(tǒng)，我們不關(guān)心位移，只要求小車(chē)能夠沿著示教的路徑做再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，即希望Ey(t)=0.式(7),(8)和(14)經(jīng)拉氏變換后為: Ey(s)=v0θ(s)/s （17） θ(s)=ω（s）/s （18） ΔU(s)=Wω（s）/(Dπkn) （19） 由式（17）、（18）、（19）給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖15所示。 圖15 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3 輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 要開(kāi)發(fā)能夠適應(yīng)復(fù)雜路面環(huán)境的智能移動(dòng)機(jī)器人，首先要研究其機(jī)械結(jié)構(gòu)。移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)是其上儀器設(shè)備的一個(gè)搭載平臺(tái)，是構(gòu)成移動(dòng)機(jī)器人整體的基礎(chǔ)，其功能和適應(yīng)性的好壞直接關(guān)系到機(jī)器人的使用壽命和完成任務(wù)的情況。因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。 3．1 移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析 3.1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)元件在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉。為了完成預(yù)定的動(dòng)作，機(jī)器人必須具備前進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵。在所有的驅(qū)動(dòng)元件中，電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)前許多仿生機(jī)器人也有用液壓元件、氣動(dòng)元件以及一些特殊材料來(lái)作驅(qū)動(dòng)器。本文主要采用電機(jī)作為該新型智能移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件。對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，才能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。 目前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置主要有以下兩種布置方式: (1)集中驅(qū)動(dòng)方式。即把驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在車(chē)體上，在通過(guò)傳動(dòng)裝置，將動(dòng)力輸出到每個(gè)車(chē)輪上，使車(chē)輪運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)汽車(chē)便是典型的集中驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)于智能移動(dòng)機(jī)器人，集中驅(qū)動(dòng)方式并不合適，主要是由于其難以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，對(duì)車(chē)體進(jìn)行精確定位。 (2)集中控制—分布驅(qū)動(dòng)方式。即在每個(gè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪上都設(shè)置電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)向。電機(jī)由安裝在車(chē)體上的中央控制元件控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且便于實(shí)現(xiàn)，有利于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的發(fā)揮[22]。目前各國(guó)的空間探測(cè)車(chē)均采用這種驅(qū)動(dòng)方式。 本方案采用集中驅(qū)動(dòng)方式。后兩個(gè)車(chē)輪分別連接一個(gè)前進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)提供動(dòng)力，再由控制系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)體的轉(zhuǎn)向。 3.1.2 車(chē)輪 車(chē)輪的直徑對(duì)機(jī)器人的速度和越障能力都有很大的影響。使用同樣的電機(jī)，車(chē)輪直徑增加，機(jī)器人的速度會(huì)同時(shí)增加，二者之間是一種線性關(guān)系。另外，按照車(chē)輛理論的分析，車(chē)輪的直徑增大可以明顯提高機(jī)器人的越障能力。但是，車(chē)輪直徑變大的同時(shí)，車(chē)輪表面所受的電機(jī)轉(zhuǎn)矩卻會(huì)下降。根據(jù)車(chē)輛地面力學(xué)理論，剛性車(chē)輪的寬度越寬，車(chē)輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實(shí)阻力也就越小[23]。不過(guò)，車(chē)輪變寬后，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向阻力也會(huì)變大。另外，增加車(chē)輪的直徑比增加車(chē)輪寬度對(duì)減小壓實(shí)阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定車(chē)輪直徑和寬度，不能盲目加大車(chē)輪直徑和寬度。 3．2 移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (1)本小型輪式智能移動(dòng)機(jī)器人采用整體車(chē)身結(jié)構(gòu)。車(chē)身通過(guò)軸與前后四個(gè)車(chē)輪連接，使車(chē)身及承載物的重量能被四個(gè)車(chē)輪平均承受，再平均分配給每個(gè)車(chē)輪，從而使各車(chē)輪的受力均衡，提高整個(gè)車(chē)輛的承載能力。 (2) 機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)為前后四個(gè)車(chē)輪及其相關(guān)機(jī)構(gòu)。前車(chē)輪為萬(wàn)向輪，后車(chē)輪連接電機(jī)，可以分別實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和滾動(dòng)。四個(gè)車(chē)輪的接地點(diǎn)呈矩形分布，使車(chē)身具有一定的穩(wěn)定性。各個(gè)車(chē)輪各自通過(guò)一根軸跟車(chē)身相連，通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，可以使車(chē)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)。 (3)在車(chē)體上設(shè)有中央控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行控制。 圖16 機(jī)器人整體布置圖 (4)控制模式考慮采用自主導(dǎo)航和遠(yuǎn)距離控制相結(jié)合的模式。車(chē)上設(shè)有傳感系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機(jī)器人本身具有一定自主導(dǎo)航能力，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。 (5) 機(jī)器人自帶蓄電池等能源設(shè)備，可以在一定時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源的自動(dòng)供給，保證機(jī)器人在失去外部電源的情況下能自動(dòng)返回出發(fā)地。 (6) 車(chē)輛的外形尺寸為800×510×400mm。 (7) 車(chē)輪直徑為180mm寬度為55mm。 3.2.1 移動(dòng)機(jī)器人零部件設(shè)計(jì)選擇 1. 確定驅(qū)動(dòng)輪半徑 R=90mm 機(jī)器人車(chē)輪周長(zhǎng) C=2πR=565.2mm 2. 機(jī)器人車(chē)速 V=0.08—0.6m/s 車(chē)輪轉(zhuǎn)速為n 0.08m/s≦≦0.6m/s 8.5r/min≦nw≦63r/min。 3. 選擇電機(jī) 因要滿足室外、草地、沙漠等環(huán)境的行走。查數(shù)據(jù)可得輪與地面摩擦因素 μ=3 工作機(jī)扭矩 T=FμR=mgμR=40Kg×10m/s2×3×0.09m=108N·m 工作機(jī)功率 P==108N·m×nw/9550 （1） ηw=1 96W≦P≦712W 現(xiàn)有濟(jì)南科亞電子科技有限公司ZTY型直流馬達(dá)技術(shù)參數(shù)如下表： 型號(hào) 轉(zhuǎn)矩（mN·m） 轉(zhuǎn)速（r/min） 功 率 （W） 電 壓 （V） 電流（A） 不大于 110ZYT05 637 3000 200 24 13 110ZYT55 980 3000 308 24 16.5 110ZYT105 1274 3000 400 24 22.5 110ZYT155 2230 3000 700 24 22.5 130ZYT05 3185 1500 500 24 28 綜合考慮，選定型號(hào)130ZYT05 電動(dòng)機(jī)主要外形尺寸和安裝尺寸如下： 型號(hào) L 重量（Kg）不大于 130ZYT05 204 13 圖17 電機(jī)安裝尺寸 4. 減速器的設(shè)計(jì)選擇 電機(jī)所需功率 Pd= 電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)總效率 ηa=η1η22η3 取單頭蝸桿效率 η1=0.725 取滾動(dòng)軸承效率 η2=0.988 取彈性聯(lián)軸器效率 η3=0.994 ηa=0.703 Pw=Pd×ηa=500×0.703=351W 根據(jù)式（1） nw=31.4 i==1500/31.4=47 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選定減速器類(lèi)型為蝸桿減速器。 圖18 蝸桿減速器 表1 蝸桿、蝸輪參數(shù)的匹配 中心距a /mm 傳動(dòng)比i 模數(shù)m /mm 蝸桿分度圓直徑d1/mm 蝸桿頭數(shù)z1 蝸桿齒數(shù) z2 蝸輪變位系數(shù)x2 40 4.83 2 22.4 6 29 -0.100 7.25 2 22.4 4 29 -0.100 9.5 1.6 20 4 38 -0.250 - - - - - - 14.5 2 22.4 2 29 -0.100 19 1.6 20 2 38 -0.250 29 2 22.4 1 29 -0.100 38 1.6 20 1 38 -0.250 49 1.25 20 1 49 -0.500 62 1 18 1 62 0.000 選擇傳動(dòng)比i=49 5. 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) （1）各軸由高速至低速依次為Ⅰ軸、Ⅱ軸（工作軸）…… Ⅰ軸 nⅠ= Ⅱ軸 nⅡ=r/min （2） 各軸輸入功率 Ⅰ軸 PⅠ=Pdη3=500×0.994=497W Ⅱ軸 PⅡ=PⅠη3η1=497×0.725×0.988=356W （3）各軸輸入轉(zhuǎn)矩 Ⅰ軸 TⅠ=Tdη3=9550×η3=9550××0.994=1.4N·m Ⅱ軸 TⅡ=TⅠη2i1=1.4×0.988×49=67.7 將上述計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)列表如下： 軸號(hào) 功率P（kW） 扭矩T（N·m） 轉(zhuǎn)速n（r/min） 電機(jī)軸 500 3185 3000 Ⅰ軸 497 1.4 3000 Ⅱ軸 356 67.7 61.2 3.2.2 傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1． 選擇齒輪的類(lèi)型、材料、精度和齒數(shù) （1）按已知條件，選用一級(jí)蝸桿傳動(dòng)。 （2）蝸桿、蝸輪材料采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度差為40HBS可以提高大齒輪齒面的疲勞。 （3）精度選擇7級(jí)精度。 （4）根據(jù)表1，選擇蝸輪齒數(shù)z=49 2.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 根據(jù)以下設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算： （1）確定上式中的各參數(shù) ① 試選使用因素；KA=1 ② 蝸桿傳遞的扭矩為： T2=9550=95.5×105×=1582N·m ③ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選動(dòng)載因素KV=1.1； ④ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選載荷分布因素Kβ=1； ⑤ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，查得接觸疲勞強(qiáng)度極限為 σHP=140MPa σH=155×=22.9MPa<140MPa 3.校核蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度 ①查設(shè)計(jì)手冊(cè)，蝸輪綜合齒形系數(shù)=4； ②查設(shè)計(jì)手冊(cè)，導(dǎo)程角系數(shù)=0.906 ③查設(shè)計(jì)手冊(cè)，查得齒根彎曲強(qiáng)度 =7.56MPa<33MPa 3.2.3 計(jì)算蝸桿傳動(dòng)主要尺寸 下表為普通圓柱蝸桿傳動(dòng)基本幾何關(guān)系式： 表2 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)基本幾何關(guān)系式 序號(hào) 名稱(chēng) 代號(hào) 關(guān)系式 結(jié)果 1 中心距 a a=(d1+d2+2x2m)/2 40mm 2 蝸桿頭數(shù) z1 - 1 3 蝸桿齒數(shù) z2 z2=iz1 49 4 齒形角 a ax=20°或an=20° 20° 5 模數(shù) m m=mx=mn/cosγ 1.25 6 傳動(dòng)比 i i=n1/n2 49 7 齒數(shù)比 u u=z2/z1 49 8 蝸輪變位系數(shù) x2 x2=a/m-(d1+d2)/2m -0.500 9 蝸桿直徑系數(shù) q q=d1/m 16 10 蝸桿軸向齒距 px Px=πm 3.925 11 蝸桿導(dǎo)程 pz pz=πmz1 3.925 12 蝸桿分度圓直徑 d1 d1=mq 20 13 蝸桿齒頂圓直徑 da1 da1=d1+2ha1=d1+2ha×m 22.5 14 蝸桿齒根圓直徑 df1 df1=d1-2hf1=d1-(2ha×m+c) 17 15 頂隙 c c=c×m 0.25 16 漸開(kāi)線蝸桿基圓直徑 db1 db1=d1tanγ/1tanγb=mz1/1tanγb 17 蝸桿齒頂高 ha1 ha1=ha×m=(da1-d1)/2 1.25 18 蝸桿齒根高 hf1 hf1=（ha×+c×）m=(d1-df1)/2 1.5 19 蝸桿齒高 h1 h1=ha1+hf1=(da1-df1)/2 2.75 20 蝸桿導(dǎo)程角 γ tanγ=mz1/d1=z1/q 3.576° 21 漸開(kāi)線蝸桿基圓導(dǎo)程角 γb cosγb=cosγcosαn 22 蝸桿齒寬 b1 z1=1.2時(shí) b1≥(12+0.1z2)m z1=3.4時(shí) b1≥(13+0.1z2)m 17 23 蝸輪分度圓直徑 d2 d2=mz2=2a-d1-2x2m 61.25 24 蝸輪喉圓直徑 da2 da2=d2+2hf2 62.25 25 蝸輪齒根圓直徑 df2 df2=d2-2hf2 56.75 26 蝸輪齒頂高 ha2 ha2=（da2-d2)/2=m(h×a+x2) 0.625 27 蝸輪齒根高 hf2 hf2=（d2-df2)/2=m(h×a-x2+c×) 2.125 28 蝸輪齒高 h2 h2=ha2+hf2=(da2-df2)/2 2.75 29 蝸輪咽喉母圓半徑 rg2 rg2=a-da2/2 8.75 30 蝸輪齒寬 b2 b2≥0.65da1 15 31 蝸輪齒寬角 θ θ=2arcsin（b2/d1） 97.18 32 蝸輪軸向齒厚 sx sx=πm/2 1.96 33 蝸桿法向齒厚 sn sn=sxcosγ 1.96 34 蝸輪齒厚 st 按蝸桿節(jié)圓處軸向齒槽寬e'x確定 35 蝸桿節(jié)圓直徑 d'1 d'1=d1+2x2m=m(q+2x2) 18.75 36 蝸輪節(jié)圓直徑 d'2 d'2=d2 61.25 下表為減速器機(jī)體主要結(jié)構(gòu)尺寸： 表3 減速器機(jī)體主要結(jié)構(gòu)尺寸 名稱(chēng) 符號(hào) 尺寸關(guān)系式 結(jié)果 機(jī)座壁厚 δ - 3 機(jī)蓋壁厚 δ1 - 3 機(jī)座凸緣壁厚 b 1.5δ 4.5 機(jī)蓋凸緣壁厚 b1 1.5δ1 4.5 機(jī)座底凸緣壁厚 b2 2.5δ 7.5 地角螺釘直徑 d5 6 地角螺釘數(shù)目 n n≥4 4 軸承旁聯(lián)接螺栓直徑 d1 0.75d5 4.5 蓋與座聯(lián)接螺栓直徑 d2 (0.5～0.6)d5 3 聯(lián)接螺栓d2的間距 l 軸承端蓋螺釘直徑 d3 (0.4～0.5)d5 3 窺視孔蓋螺釘直徑 d4 (0.3～0.4)d5 3 定位銷(xiāo)直徑 d (0.7～0.8)d2 3 d5、d1、d2至外機(jī)壁距離 c1 - 3 d5、d2至凸緣邊緣距離 c2 - 2 軸承旁凸臺(tái)半徑 R1 c2 凸臺(tái)高度 h 外機(jī)壁至軸承座端面距離 l1 c1+c2+(3～8) 蝸輪外圓與內(nèi)機(jī)壁距離 Δ1 ＞1.2δ 蝸輪輪轂端面與內(nèi)機(jī)壁距離 Δ2 ＞δ 中間軸兩傳動(dòng)件的軸向距離 Δ3 8～15 機(jī)蓋、機(jī)座筋厚 m1、m m1＞0.85δ1 m＞0.85δ 軸承端蓋外徑 D2 39 軸承旁聯(lián)接螺栓距離 s 下表顯示了如何確定各段軸的長(zhǎng)度 表4 軸各段直徑的確定 符號(hào) 確定方法及說(shuō)明 d 按許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的計(jì)算方法估算，盡可能圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑（查手冊(cè)），如有外接零件（如聯(lián)軸器），d應(yīng)與外接零件的孔徑一致，并滿足鍵的強(qiáng)度要求。 d1 d1=d+2a a為軸肩高度。用于軸上零件的定位和固定，通常取0.07d<=a<=0.1d;d1應(yīng)符合密封元件的孔徑要求（查手冊(cè)），軸肩過(guò)渡圓角的要求