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摘 要
移動機器人是一種由傳感器、自主控制的移動載體組成的機器人系統(tǒng)。移動機器人具有移動功能，在代替人從事危險、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)作業(yè)環(huán)境方面，比一般機器人有更大的機動性，靈活性。隨著機器人技術(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、非人工的環(huán)境。本課題是機器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機器人的研究 提供有價值的平臺參考和有用的思路。本文對各種移動機器人進行了比較，從而確定了四輪式機器人總體結(jié)構(gòu)與參數(shù)的研究設(shè)計。對四輪式移動機器人的運動學(xué)進行了探討，建立了運動學(xué)模型。在建立運動學(xué)模型的基礎(chǔ)上對機器人的基本運動方式進行了分析，并推到計算出其動力學(xué)模型。本文了解了基于多傳感器的移動機器人的自主控制問題。分析了直流伺服電機的動態(tài)特性，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：輪式移動機器人；運動學(xué)與動力學(xué)；自主控制問題
Abstract
Mobile robot is a kind of controlled by sensors, autonomous robot system composed of mobile carrier .Mobile robot has the mobile function, instead of people engaged in dangerous and bad environment (such as radiation, toxic) homework and have less (such as space and underwater) in the working environment, have greater flexibility than ordinary robot, flexibility As robots technology in alien exploration, field investigation, military, security and other new fields are widely used, the robot technology by indoor to outdoor, from fixed, artificial environment to move, not artificial environments. This topic is a basic link of robot design, be able to follow-up on the robot platform for the study provide a valuable reference and useful ideas. In this paper, all kinds of mobile robots were compared to determine the four wheel robot structure and parameters of the study design as a whole. Of four wheeled mobile robot kinematics are discussed in this paper, the kinematics model is established. In kinematics model is established on the basis of the basic movement of robot is analyzed, and its dynamic model to calculate. In this paper, the control problem for mobile robot based on multi-sensor. After the completion of the design analysis of the dynamic characteristics and the feasibility of omnidirectional mobile mechanism, provide reliable reference and basis for follow-up studies .
Key words: wheeled mobile robots; Kinematics and dynamics; Autonomous control
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 1
1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 1
1.2.1 國內(nèi)外發(fā)展概況 1
1.2.2 移動機器人的主要組成 2
1.3 本課題應(yīng)達到的要求 2
2 移動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 3
2.1 機器人運動方式的選擇 3
2.2 輪式機器人移動能力分析 5
2.3 輪式機器人驅(qū)動輪的組成 6
2.4 輪式機器人轉(zhuǎn)向輪的組成 7
2.5 電機的選擇 8
2.6 直流伺服電機的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)參數(shù)的確定 9
2.7 減速機構(gòu)的設(shè)計（蝸輪蝸桿減速機構(gòu)） 12
2.7.1 電機參數(shù)的確定 12
2.7.2 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 13
2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計計算 14
2.7.4 蝸輪軸的設(shè)計 16
2.7.5 初選滾動軸承 16
2.7.6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18
2.8 機器人的電源供應(yīng) 19
2.9 車輪及輪轂 19
3 移動機器人的運動學(xué)模型 21
3.1 機器人的運動學(xué)分析 21
3.2 兩種運動規(guī)劃方法分析 23
3.3 仿真實驗 23
3.4 結(jié)論 24
4 機器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型 25
4.1輪子 25
4.2 平臺體 25
4.3 小結(jié) 26
5 自主運動控制 26
5.1 控制系統(tǒng)的選用 26
5.2可行性分析 28
6 結(jié)論與展望 28
6.1 結(jié)論 28
6.2 不足之處及未來展望 29
致 謝 29
參考文獻 30
3
1 緒論
1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義
機器人的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域，移動機器人是機器人學(xué)中的一個重要分支。早在六十年代就已經(jīng)開始了移動機器人的研究。關(guān)于移動機器人的研究涉及到許多方面。首先要考慮到移動方式，輪式，履帶式，腿式的。其次考慮驅(qū)動器的控制，以使機器人達到期望的行為。第三必須考慮到導(dǎo)航或者路徑規(guī)劃，路徑有更多的方面考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此移動機器人是一個集環(huán)境感知動態(tài)決策與規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多種功能與一體的綜合系統(tǒng)。對移動機器人的研究提出了許多新的挑戰(zhàn)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技術(shù)人的興趣，更由于他在軍事偵察排雷防止污染等危險與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對它的研究在世界各地受到普遍關(guān)注。移動機器人按照移動方式可分為輪式，履帶式，腿式，其中輪式具有結(jié)構(gòu)簡單活動靈活等優(yōu)點。移動機器人的機構(gòu)直接影響機器人運動的穩(wěn)定性和控制器的復(fù)雜程度。目前廣泛使用的輪式按照移動特性又可將移動機器人分為非全方位和全方位兩種。在平面上移動的物體可以實現(xiàn)前后，左右和自傳三個自由度的運動稱為全方位移動機器人，其不僅可以再任意方向上移動，并且保持本姿態(tài)不變，實現(xiàn)全方位的移動的功能也可以改變機體方位。這種特性使得輪式移動的路徑規(guī)劃，軌跡跟蹤等問題變得相對簡單，并且它能夠在狹小的空間完成任務(wù)。
通過本次畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用機械設(shè)計、機械原理、理論力學(xué)、大學(xué)物理，機械制造裝備設(shè)計、傳感器應(yīng)用的能力；強調(diào)設(shè)計的實用性、結(jié)構(gòu)的簡單便捷性。同時也培養(yǎng)了我們獨立思考分析問題解決問題的能力，為今后機械設(shè)計和適應(yīng)工作崗位打下了堅實的基礎(chǔ)。
1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況
1.2.1 國內(nèi)外發(fā)展概況
移動機器人的研究始于上世紀60年代末期，隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，移動機器人已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保安巡邏等行業(yè)。機器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。
國外對于移動機器人的研究起步較早，日本是開發(fā)機器人較早的國家，并成為世界上機器人占有量最多的國家，其次是美國和德國。進入90年代，隨著技術(shù)的進步，移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動機器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開發(fā)空間機器人中獲得的經(jīng)驗應(yīng)用于開發(fā)地面機器人系統(tǒng)，如極坐標平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、工作伙伴平臺以及ROSA-2移動車等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機器人一一“勇氣”號與“機遇”號。雖然國內(nèi)有關(guān)移動機器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績。2003年國防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機器學(xué)習等智能控制算法，在高速公路上達到了130Km/h的穩(wěn)定時速，最高時速170Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指[1]標均處于世界領(lǐng)先的地位。但是我國在機器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大的差距。未來研究熱點是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動機器人的控制。
1.2.2 移動機器人的主要組成
一個理想的移動機器人系統(tǒng)通常由三個部分組成：移動機構(gòu)，感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。移動機構(gòu)是移動機器人的核心，決定了機器人的核心，決定了機器人移動空間。感知系統(tǒng)一般采用攝像機，激光測距儀，超聲波傳感器，紅外傳感器，陀螺儀等。隨著計算機技術(shù)人工智能技術(shù)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，移動機器人的控制系統(tǒng)的研究具備了堅實的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。移動機器人的控制與工作環(huán)境信息密切相關(guān)而且包容著各種不確定因素，因此在已知或未知的環(huán)境中作業(yè)時，以適當?shù)慕７椒ū磉_環(huán)境，用必要的傳給器探測環(huán)境具有重要意義。機器人的構(gòu)型選型和設(shè)計需要根據(jù)機器人實際執(zhí)行的工作來進行，尤其對適應(yīng)環(huán)境能力要求較高的移動機器人來講，構(gòu)型不僅滿足應(yīng)用場合，積極開飯新的結(jié)構(gòu)更要使機器人運行穩(wěn)定且可靠。從而減少誤差及不穩(wěn)定影響。
對移動機器人機構(gòu)學(xué)的研究還涉及機器人的運動學(xué)，動力學(xué)問題。控制系統(tǒng)的輸入量需從對機器人的運動學(xué)，動力學(xué)建模分析得到的數(shù)學(xué)模型計算得出。移動機器人是一個交叉的研究領(lǐng)域，涉及機械，控制，傳感器技術(shù)，信息信號處理，模式識別，人工智能和計算機技術(shù)等技術(shù)科學(xué)。
1.3 本課題應(yīng)達到的要求
(1)設(shè)計移動移動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù)；
(2)建立移動機器人的運動學(xué)模型及機器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型；
(3)研究移動機器人運動的動態(tài)特性和機器人自主控制的問題。