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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
目 錄
1 前言··························································（2）
2 機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)········································（5）
2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇··········································（5）
2.2 輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)········································（9）
2.2.1輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪組成······································（10）
2.2.2輪式機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪組成······································（11）
2.2.3電機(jī)選擇··················································（12）
2.2.4減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)············································（17）
2.2.5變速箱體、前車體及電池箱··································（18）
2.2.6后減震及前減震機(jī)構(gòu)········································（19）
2.2.7車輪和輪轂················································（20）
3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及受力分析····················（23）
3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)················································（23）
3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)················································（24）
3.3 機(jī)器人受力分析及如何保證加速度最優(yōu)····························（24）
4 輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析······························（26）
4.1 輪式式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模······································（26）
4.2 阿克曼約束的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型····································（29）
5 輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)·······················（32）
5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)··············································（32）
5.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)··············································（34）
5.2.2上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)····································（34）
5.2.3下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)····································（34）
6 結(jié)論··························································（36）
參考文獻(xiàn)·························································（37）
致謝······························································（38）
1 前言
移動(dòng)機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)60年代末期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)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(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)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(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)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(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。
國(guó)外對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較早，日本是開(kāi)發(fā)機(jī)器人較早的國(guó)家，并成為世界上機(jī)器人占有量最多的國(guó)家，其次是美國(guó)和德國(guó)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動(dòng)機(jī)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(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開(kāi)發(fā)空間機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)地面機(jī)器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動(dòng)車、爬行移動(dòng)機(jī)器人、球形機(jī)器人、工作伙伴平臺(tái)以及ROSA-2移動(dòng)車等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機(jī)器人一一“勇氣”號(hào)與“機(jī)遇”號(hào)。雖然國(guó)內(nèi)有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績(jī)。2003年國(guó)防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無(wú)人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能控制算法，在高速公路上達(dá)到了130 Km/h的穩(wěn)定時(shí)速，最高時(shí)速170 Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位[1]。但是我國(guó)在機(jī)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(jì)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(dá)國(guó)家相比，我國(guó)仍存在較大的差距。未來(lái)研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的控制。
機(jī)器人分成三類，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)，來(lái)控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過(guò)示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來(lái)，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動(dòng)作，比方說(shuō)汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過(guò)程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒(méi)有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷，因此，在20世紀(jì)70年代后期，人們開(kāi)始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺(jué)的機(jī)器人，這種帶感覺(jué)的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺(jué)，比如說(shuō)力覺(jué)、觸覺(jué)、滑覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺(jué)，比方說(shuō)在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候，它實(shí)際上力的大小能感覺(jué)出來(lái)，它能夠通過(guò)視覺(jué)，能夠去感受和識(shí)別它的形狀、大小、顏色。抓一個(gè)雞蛋，它能通過(guò)一個(gè)觸覺(jué)，知道它的力的大小和滑動(dòng)的情況。那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級(jí)的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動(dòng)，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對(duì)的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒(méi)有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來(lái)越豐富，它內(nèi)涵越來(lái)越寬。
本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題主要是為了掌握和了解輪式移動(dòng)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的能力，基本能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、360°范圍轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng),也可以為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制提供一個(gè)很好的研究平臺(tái)。本文所討論機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型近似于汽車，因此稱為輪式機(jī)器人，它的組態(tài)由機(jī)器人在工作環(huán)境中的位態(tài)確定。
它作為一種小型輪式移動(dòng)機(jī)器人，是一種非線性控制系統(tǒng)。為了能發(fā)揮將來(lái)加載到這種機(jī)器人上的功能因而對(duì)小車性能作了要求。
作為主要在室內(nèi)工作的機(jī)器人長(zhǎng)度不宜超過(guò)1000mm高度要控制在機(jī)器人平衡穩(wěn)定運(yùn)作的范圍內(nèi)。因此，車體在保證穩(wěn)定的情況下做的盡量小各部件排列方式應(yīng)盡量減小縱向尺寸，使車體緊湊。內(nèi)置于其中的電路板和電池的尺寸也要受到限制。設(shè)計(jì)電路是要盡量選用功能大、集成度高的芯片，而電池要選用體積小并且耐用的型號(hào)。因此，本課題控制器設(shè)計(jì)選用STC89LE52單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電路的架構(gòu)，并且減少外圍邏輯電路，使板面布局緊湊。
車體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能是影響系統(tǒng)性能，決定機(jī)器人性能達(dá)標(biāo)的重要因素。因此，在軟硬件選型時(shí)，滿足快速性、準(zhǔn)確性要求是考慮的第一要素之一。要求機(jī)構(gòu)能夠具有更大的靈活性與柔性，能夠具有更大的跨越障礙的能力。最好采用減震設(shè)計(jì)，它有利于保護(hù)機(jī)器人各組成部件，特別是電器元件。
相對(duì)于工業(yè)環(huán)境來(lái)講，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人所處的環(huán)境所受的強(qiáng)磁干擾要小得多，但是要達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)作實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，某些干擾就顯得較為明顯:
首先，機(jī)器人體積很小，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，處理器系統(tǒng)，無(wú)線模塊同處于很小的空間，這幾部分之間的相互干擾，特別是電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)處理器的干擾，無(wú)線模塊對(duì)處理器的干擾以及無(wú)線通訊所特有的噪聲干擾都不容忽視。本課題中，分別采用了硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)。其次，機(jī)器人工作環(huán)境周圍的電器將對(duì)其產(chǎn)生影響。
2 機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇
到目前為止，地面移動(dòng)機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)。
（1）履帶式
履帶最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，后來(lái)出現(xiàn)在某些地面行駛的機(jī)器人上，它具有良好的穩(wěn)定性能、越障性能和較長(zhǎng)的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行駛，但是當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境惡劣時(shí)，履帶很快會(huì)被磨損甚至磨斷，沉重的履帶和繁多的驅(qū)動(dòng)輪使得整體機(jī)構(gòu)笨重不堪，消耗的功率也相對(duì)較大。此外，履帶式機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)分析及自主控制設(shè)計(jì)十分困難。
履帶地面移動(dòng)機(jī)器人是一種通用機(jī)器人平臺(tái)，根據(jù)用途的不同，可以在機(jī)器人上加裝不同的功能模塊和傳感器，以完成復(fù)雜環(huán)境下的救援、偵查、排爆、掃雷、傷員撤離等任務(wù)。加裝了遙控控制電路、主云臺(tái)攝像頭、多個(gè)從攝像頭、MTI微慣導(dǎo)單元和激光掃描測(cè)距傳感器（LRF），機(jī)器人可以在人遠(yuǎn)程遙控下運(yùn)動(dòng)和作業(yè)。
圖1 四段履帶機(jī)器人
圖2 六段履帶機(jī)器人
（2）腿式
第一，腿式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的足印，輪式和履帶式機(jī)器人的則是一條條連續(xù)的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物，可以穩(wěn)定支撐機(jī)器人的連續(xù)路徑十分有限，這意味著輪式和履帶式機(jī)器人在這種地形中已經(jīng)不適用。而腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)接觸地面，對(duì)這種地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，正因?yàn)槿绱?，腿式機(jī)器人對(duì)環(huán)境的破壞程度也較小。
第二，腿式機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，使運(yùn)動(dòng)的靈活性大大增強(qiáng)。它可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度保持身體水平，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心的位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高。
第三，腿式機(jī)器人的身體與地面是分離的，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，機(jī)器人的身體可以平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)而不必考慮地面的粗糙程度和腿的放置位置。當(dāng)機(jī)器人需要攜帶科學(xué)儀器和工具工作時(shí)，首先將腿部固定，然后精確控制身體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)，就可以達(dá)到對(duì)對(duì)象進(jìn)行操作的目的了。
當(dāng)然，腿式機(jī)器人也存在一些不足之處。比如，為使腿部協(xié)調(diào)而穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)算法都比較復(fù)雜；相比自然界的節(jié)肢動(dòng)物，仿生腿式機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性還有很大差距。
腿式機(jī)構(gòu)具有出色的越野能力，曾經(jīng)得到機(jī)器人專家的廣泛重視，取得了較大的成果。根據(jù)腿的數(shù)量分類，有三腿、四腿、五腿和六腿等各種行駛結(jié)構(gòu)。這里我們簡(jiǎn)單介紹一種典型的六腿機(jī)構(gòu)。
一般六腿機(jī)構(gòu)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。行走原理為:靜止時(shí)，由六條腿支撐機(jī)器人整體。需要移動(dòng)時(shí)，其中三條腿抬起成為自由腿(腿的端點(diǎn)構(gòu)成三角形)，機(jī)器人的重心便落在三條支撐腿上，然后自由腿向前移動(dòng)，移動(dòng)的距離和方位由計(jì)算機(jī)規(guī)劃，但必須保證著地時(shí)自由腿的端點(diǎn)構(gòu)成三角形。最后支撐腿向前移動(dòng)，重心逐漸由支撐腿過(guò)渡到自由腿，這時(shí)自由腿變成支撐腿，支撐腿變成自由腿，從而完成一個(gè)行走周期。
腿式機(jī)器人特別是六腿機(jī)器人，具有較強(qiáng)的越野能力，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且行走速度較慢。
圖3 三腿機(jī)器人 圖4 四腿機(jī)器人
（3）輪式
輪式機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)。適于室內(nèi)、硬路面等平整地面，特別不適合松軟或崎嶇地面。按照車輪數(shù)目雖然不能對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行嚴(yán)格的歸類, 但是不同的車輪數(shù)目依然決定了不同的控制方式, 例如滾動(dòng)機(jī)器人和四輪移動(dòng)機(jī)器人顯然在控制原理上是不同的?；仡欇喪揭苿?dòng)機(jī)器人研究已取得的主要成果, 按車輪數(shù)目對(duì)地面移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了歸類分析, 對(duì)單輪滾動(dòng)機(jī)器人、兩輪移動(dòng)機(jī)器人、三輪、四輪、六輪及八輪移動(dòng)機(jī)器人、復(fù)合式(帶有車輪)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了分析和總結(jié)。
圖6 單輪滾動(dòng)機(jī)器人 圖7 兩輪移動(dòng)機(jī)器人
圖8 三輪移動(dòng)機(jī)器人 圖9 四輪移動(dòng)機(jī)器人
圖10 六輪移動(dòng)機(jī)器人 圖11 八輪移動(dòng)機(jī)器人
現(xiàn)在的許多輪式己經(jīng)不同于傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，隨著各種各樣的車輪底盤的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了輪式與腿式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具有與腿式結(jié)構(gòu)相媲美的越障能力。如今人們對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪腿結(jié)合式機(jī)構(gòu)上來(lái)了。
圖13 輪腿式機(jī)器人
美國(guó)的 Nomad，日本的Nissan rover，都是四輪機(jī)器人。四輪機(jī)構(gòu)的機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)在于車輪數(shù)少，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于控制，但其缺點(diǎn)是車體的抗振動(dòng)性能較差，抗傾覆能力也差，同時(shí)承載能力有限，載荷容易分布不均，出現(xiàn)偏重現(xiàn)象。
另外，若采用四輪結(jié)構(gòu)，一般都需要設(shè)置彈簧和阻尼器等隔振設(shè)施，無(wú)形中增加
了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，同時(shí)也降低了車輛結(jié)構(gòu)的可靠性，縮小了機(jī)器人的使用范圍。
從目前公開(kāi)的資料來(lái)看，五輪車的研究較少，僅有日本宇航科學(xué)研究所CISAS,
Institute of Space and Astronautical Science)研究的Micro-5 和上海交大
研究的五輪鉸接式機(jī)器人。Micro-5 機(jī)器人是一種左右車身分體式結(jié)構(gòu)，行走機(jī)
構(gòu)名為PEGASUS 結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的四輪結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，它在左右車身之間增加了一個(gè)
連桿和一個(gè)車輪，來(lái)幫助其余四個(gè)車輪越障。所以，這種結(jié)構(gòu)越障能力較強(qiáng)。
六輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)控制，質(zhì)最也輕，越障能力雖不好，可以為車載儀器提供一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)。不過(guò)，它也存在一定的缺點(diǎn)，就是越障能力不如四輪機(jī)構(gòu)。
八輪車的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，承載能力較強(qiáng)，載荷分布也較平均，有利于車體穩(wěn)定。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量增加，越障能力和轉(zhuǎn)向功能則明顯不如四輪和六輪結(jié)構(gòu)，因此，在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的資料中，這種結(jié)構(gòu)并沒(méi)有得到則真正的應(yīng)用，僅僅停留在試驗(yàn)階段。
通常輪式移動(dòng)機(jī)器人按其輪子具有的運(yùn)動(dòng)自由度 DOM(Degree of Mobility)和舵性自由度DOS (Degree of Steeribility)來(lái)定義移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)能力。
由此可將輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)劃分為五種類型，表示為(DOM, DOS)形式，即(3,
0), (2, 0), (2, 1), (1, 1)與(1, 2)類型。其中只具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的(2, 0)
系統(tǒng)為目前普遍的研究對(duì)象，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)。
在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人時(shí)也應(yīng)遵循以下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則:
1、總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的試驗(yàn)、調(diào)試、和修理。
2、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。
3、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。
通過(guò)對(duì)以上方式的比較，我們選用輪子方式做為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式，它符合我
們的設(shè)計(jì)要求：適應(yīng)室內(nèi)活動(dòng)環(huán)境，需要?jiǎng)恿^小，能量消耗少，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠。
2.2 輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
輪式機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-1：
圖2-1 后輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)
根據(jù)設(shè)計(jì)需要和實(shí)現(xiàn)的難易程度選擇了圖2-1中的驅(qū)動(dòng)方案機(jī)器人，稱之為后輪驅(qū)動(dòng)輪型機(jī)器人，它是一種典型的非完整約束的輪式移動(dòng)機(jī)器人模型。后輪為驅(qū)動(dòng)輪，方向不變，提供前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，兩輪驅(qū)動(dòng)速度相同；前輪為轉(zhuǎn)向輪，稱為舵輪，通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同步控制兩輪轉(zhuǎn)向，使機(jī)器人按照要求的方向移動(dòng)。
輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)又主要分三個(gè)輪、四個(gè)輪、三輪支撐理論上是穩(wěn)定的，然而這種裝置很容易在施加到單獨(dú)輪的左右兩側(cè)力F作用下翻倒，因此對(duì)負(fù)載有一定限制。為提高穩(wěn)定性和承載能力，決定選用四輪機(jī)構(gòu)，后輪為兩驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪為前輪，具體結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)UG圖2-2。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù)，可適應(yīng)復(fù)雜的地形，承載能力強(qiáng)，但是軌跡規(guī)劃及控制相對(duì)復(fù)雜。
圖2-2 小車整體結(jié)構(gòu)UG模型圖
2.2.1 輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的組成
1） 后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖如圖2-3：
圖2-3 后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型
后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示：
圖2-4 驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)示意圖
1 變速箱底座 2 變速箱蓋 3 軸承 4 齒輪Ⅰ 5 齒輪Ⅱ
6 齒輪Ⅲ 7 電動(dòng)機(jī) 8 中間軸 9 輪轂 10 輪胎
根據(jù)上面所確定的方案，輪式機(jī)器人后輪驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減速裝置和車輪及輪轂組成。
2.2.2 輪式機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪的組成
轉(zhuǎn)向輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用，不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，在小車轉(zhuǎn)向時(shí)它可以以一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)。主要機(jī)械組成結(jié)構(gòu)如圖2-5：
圖2-5 轉(zhuǎn)向裝置模型圖
輪式機(jī)器人前輪驅(qū)動(dòng)裝置由以下幾部分構(gòu)成：驅(qū)動(dòng)電機(jī)，蓄電池和充電部分，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和前減震機(jī)構(gòu)，前車體和電池箱及輪胎和輪轂五部分，如下圖2-6所示：
圖2-6 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)圖
1 前減震彈簧 2 轉(zhuǎn)向連桿 3 拉桿 4 拉緊彈簧 5 撥叉
6 步進(jìn)電機(jī) 7 前車體蓋 8 轉(zhuǎn)向節(jié) 9 前輪軸 10 前輪轂
11 輪胎 12 電池盒蓋 13 后減震彈簧14 連接軸 15 變速箱
2.2.3 電機(jī)的選擇
目前在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，對(duì)它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結(jié)如表2-1所示：
表2-1 不同電機(jī)的特性、工作原理與控制方式
電機(jī)類型
主要特點(diǎn)
構(gòu)造與工作原理
控制方式
直流伺服電機(jī)
接通直流電即可工作，控制簡(jiǎn)單；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時(shí)維護(hù)和更換電刷，使用壽命短、噪聲大。
由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子、電刷和換向器構(gòu)成。通過(guò)電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
轉(zhuǎn)動(dòng)控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式,兩者也成正比。
交流伺服電機(jī)
沒(méi)有電刷和換向器，無(wú)需維護(hù)；驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高。
按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電電刷和換向器構(gòu)成。通過(guò)電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異步電機(jī)常采用電壓控制。
步進(jìn)電機(jī)
直接用數(shù)字信號(hào)控制，與計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單，沒(méi)有電刷，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過(guò)載能力弱。
按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以分為:永磁式，反應(yīng)式和混合式?；旌鲜侥墚a(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
永磁式是單向勵(lì)磁，精度高，但易失步，反應(yīng)式；是雙向勵(lì)磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過(guò)沖小，但效率低；混合式是單-雙向勵(lì)磁,分辨率高,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
一般機(jī)器人用電機(jī)的基本性能要求:
1. 啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行,具有良好的響應(yīng)特性；
2. 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同,且運(yùn)行特性穩(wěn)定；
3. 良好的抗干擾能力,對(duì)輸出來(lái)說(shuō),體積小、重量輕；
4. 維修容易，不用保養(yǎng)。
1）、 驅(qū)動(dòng)輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過(guò)載能力，而且穩(wěn)定性好。通過(guò)比較以上電機(jī)的特性、工作原理、控制方式以及移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)性能要求、自身重量、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素，所以我們決定選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
直流電動(dòng)機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動(dòng)機(jī)(如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等)的挑戰(zhàn)，但直流電動(dòng)機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。
所需電機(jī)的功率計(jì)算：
機(jī)器人小車的受力簡(jiǎn)圖如圖2-7所示：
機(jī)器人所需的牽引力：
Fa=Ff + Fw ；
Fa：機(jī)器人移動(dòng)需要的牽引力
Fw=mgsinθ ；
Fw：自身重力而產(chǎn)生的阻力
Ff=umgcosθ ；
Ff：機(jī)器人移動(dòng)所受摩擦力
圖2-7 機(jī)器人小車的受力簡(jiǎn)圖
則有：
Fa=mgsinθ + umgcosθ ；
U-摩擦系數(shù)
θ-最大爬坡角度
則機(jī)器人在水平面上運(yùn)動(dòng)的功率為：
P=Fa·V=0.15×3.0×9.8×1.5=6.61W
傳動(dòng)裝置的總功率：
η=η2G·η2B
按照文獻(xiàn)[14]中表2.1-1確定的各部分效率有：齒輪傳動(dòng)效率：ηG=0.97；滑動(dòng)軸承：ηB=0.97
代入得到：
η=0.972×0.972=0.89
所需直流電機(jī)的最小功率：
P=Pw/η=6.61/0.89=6.82W
通過(guò)以上的比較和計(jì)算,我們決定選用廣東德昌微電機(jī)公司生產(chǎn)的SRC-555-3250
型直流電動(dòng)機(jī)其外觀如圖2-8所示，技術(shù)參數(shù)如表2-2。
圖2-8 電動(dòng)機(jī)其外觀如圖
表2-2 直流電機(jī)技術(shù)參數(shù)表
空載
最大功率下
制動(dòng)
型號(hào)
額定電壓
轉(zhuǎn)速
電流
轉(zhuǎn)速
電流
力矩
功率
力矩
功率
r/min
A
r/min
A
g·cm
W
g·cm
W
SRC-555-3250
12v
CONS
TANT
6100
0.24
5300
1.49
229
12.4
1650
9.20
2）、 轉(zhuǎn)向輪的電機(jī)通過(guò)對(duì)表2-1不同電機(jī)的特性、工作原理與控制方式的分析比較，為了滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)精度高，控制性能強(qiáng)，并且控制簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)決定選用步進(jìn)電機(jī)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移(或線位移)的機(jī)電元件。對(duì)這種電機(jī)施加一個(gè)電脈沖后，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)就隨之增加，脈沖頻率高。則步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就高，反之就低；分配脈沖的相序改變后，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向則隨之而變。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和通常勻速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)有一定的差別，它是步進(jìn)形式的運(yùn)動(dòng)，故也稱其為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)的主要指標(biāo)有：
相數(shù):產(chǎn)生不同對(duì)極N, S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用m表示。
拍數(shù):完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)：以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB,八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。
步距角:對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù))，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360°/(50×4)=1.8°(俗稱整步)，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360°/(50×8)=0.9°(俗稱半步)。
定位轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的)。
靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積(幾何尺寸)的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)分采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。
步距角精度:步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示:誤差/步距角×100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。
失步:電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)，稱之為失步。
失調(diào)角:轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。
最大空載起動(dòng)頻率:電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。
最大空載的運(yùn)行頻率:電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。
運(yùn)行矩頻特性:電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。
步進(jìn)電機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，歸納起來(lái)主要有:
1. 步距值不受各種干擾因素的影響。簡(jiǎn)而言之，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量取決于總的脈沖個(gè)數(shù)。
2. 位移與輸入脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累。因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3. 可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單廉價(jià)。
4. 無(wú)刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。
5. 控制性能好。起動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都在脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式會(huì)丟步。
6. 停止時(shí)有自鎖能力。
7. 步距角選擇范圍大，可在幾角分至180°大范圍內(nèi)選擇。在小情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)距穩(wěn)定的運(yùn)行。
通過(guò)比較各種指標(biāo)和參數(shù)后，決定選用常州豐源公司生產(chǎn)的35BYHJ03減速步
進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)，自帶25:1的減速器。參數(shù)如表2-3所示:
表2-3 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
步距角 θ
，°
相數(shù)
電壓
電流
電阻
減速比
空載運(yùn)行頻率
F,pps
空載啟動(dòng)頻率F,pps
啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T,(g.cm)
鎖定轉(zhuǎn)矩T,(g.cm)
7.5/25
4
12
255
47
1/25
550
680
750
1400
2.2.4 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機(jī)構(gòu)來(lái)降速，同時(shí)也提高了轉(zhuǎn)距。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對(duì)機(jī)器人的性能有著相當(dāng)重要的作用。
齒輪傳動(dòng)：工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；易于維護(hù)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度使用范圍很廣。缺點(diǎn)：制造復(fù)雜成本高；不宜用于軸間距的傳動(dòng)。
結(jié)合本設(shè)計(jì)中機(jī)器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效率高噪音小等條件，我們采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，減速比為15:1。電機(jī)軸直接作為輸入軸安裝主動(dòng)齒輪，不是用聯(lián)軸器，既提高了精度又減輕了重量。輪轂和齒輪3安裝在同一根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。齒輪類型為漸開(kāi)線直齒齒輪，聯(lián)軸器相聯(lián)齒輪與車輪裝在同一個(gè)軸上，它們的轉(zhuǎn)速相同。
齒輪參數(shù)如下:
第一級(jí)減速：i1=3，m=3,z1=10，d1=30mm；z2=30，d2=90mm
第二級(jí)減速：i2=5，m=3,z3=10，d1=30mm；z4=50，d2=150mm
齒輪傳動(dòng)的計(jì)算
設(shè)計(jì)中第一級(jí)齒輪傳動(dòng)的齒輪強(qiáng)度計(jì)算：
齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
轉(zhuǎn)矩T1
T1=9.55×1000000×0.0124/1800=65.8
齒數(shù)ψd
由文獻(xiàn)[8]表12.13，取ψd=0.6
接觸疲勞極限
σHilm初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力[σH]
由文獻(xiàn)[7]表1.7
[σH1]≈0.9σHilm1=0.9×25
[σH2]≈0.9σHilm2=0.9×25
σHilm1=25MPa
σHilm2=25MPa
Ad值
由文獻(xiàn)[7]取Ad=30
初步計(jì)算小齒輪直徑d1
=21.8mm
取d1=25mm
初步齒寬b
b=ψd×d1=0.6×25=15mm
2.2.5 變速箱體、前車體及電池箱
變速箱體要求在保證足夠剛度的條件下，應(yīng)盡量減輕車架的重量，以提高有效承載重量。其次，變速箱體應(yīng)保證其它元件安裝上以后，能達(dá)到平衡、對(duì)稱和同軸。材料為ABS，厚度為6mm，軸承盒集成在箱體上，降低了制造難度。變速箱實(shí)物參考圖如圖2-9。
圖2-9 變速器實(shí)物參考圖
前車體是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)零件的載體，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求精度也高(特別是轉(zhuǎn)向節(jié)安放孔和電機(jī)支撐座等，要求同軸度和垂直度高，因此為了提高裝配精度，車體蓋和車體配合的螺栓孔采用了卯榫式設(shè)計(jì)，保證了裝配的精度）。
為簡(jiǎn)化制造工序，提高車體的緊湊程度和牢固程度，將電池盒設(shè)計(jì)到前車體后部，并且盡量降低電池盒與地面間距，以降低機(jī)器人的重心高度。
為了保證運(yùn)行時(shí)電池在和內(nèi)的牢靠程度和降低噪聲，電池盒蓋內(nèi)側(cè)附貼一薄層海綿。
控制電路容易受到電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路的影響,因此我們將控制電路板與驅(qū)動(dòng)板并列排列見(jiàn)圖2-10，支腳的布局方式見(jiàn)圖2-11。
圖2-10 控制電路板與驅(qū)動(dòng)板并列
圖2-11 前車體實(shí)物模型圖
2.2.6 后減震及前減震機(jī)構(gòu)
為保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動(dòng)的損傷，和提高躍障能力，在變速箱與后車體間加一減震彈簧。它不但能緩沖震動(dòng)，而且當(dāng)機(jī)器人遇到低于100mm 的幛礙物，或者高低不平的路面時(shí)不至于被架空，其結(jié)構(gòu)模型如圖2-12所示：
圖2-12 后減震結(jié)構(gòu)模型圖
為保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動(dòng)的損傷，提高機(jī)器人在不平地面上的行走能力，在每個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)軸上加裝減震彈簧。它不但能緩沖震動(dòng)，而且防止在特殊情況下機(jī)器人被架空。它與后減震配合工作效果更加明顯，工作原理與后減震類似。
2.2.7 車輪及輪轂
本設(shè)計(jì)中可選用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式為輪子方式，輪子方式可以提供多種排列方式，從而滿足不同情況需要，而且轉(zhuǎn)向容易，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確控制，機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。所以我們考慮到所設(shè)計(jì)機(jī)器人的工作環(huán)境和控制要求，我們選用了四輪方式。
選擇車輪需要考慮多種因素：有機(jī)器人的尺寸、重量、地形狀況、電機(jī)功率等。車重加負(fù)載重量為2kg—4.5kg,所以用質(zhì)地堅(jiān)硬且易于加工的聚苯乙烯作輪轂，采用不充氣的中空橡膠輪胎，其優(yōu)點(diǎn)在于不僅重量小而且橡膠與地面的附著系數(shù)大，保證了足夠的驅(qū)動(dòng)能力，輪胎及輪轂UG參考圖如圖2-13。
圖2-13 輪胎及輪轂UG模型圖
其機(jī)構(gòu)如圖2-13，其中輪胎直徑d=300mm,則車輪轉(zhuǎn)一圈移動(dòng)的為：
S=πd=3.14×0.3=0.942m
車輪最大轉(zhuǎn)速為：
w1=w/i=5300/15=353.3r/min(電機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)動(dòng)比)
則機(jī)器人的最大線速度為：
V=sw1=0.942×353.3=332.8m/min=5.55m/s
機(jī)器人小車的受力簡(jiǎn)圖如圖2-7
機(jī)器人所需的牽引力
Fa=Ff + Fw ；
Fa-機(jī)器人移動(dòng)所需的牽引力
Fw=mgsinθ ；
Ff-機(jī)器人移動(dòng)所受摩擦力
Ff=umgcosθ ；
Fw-自身重 力而產(chǎn)生的阻力
則有：
Fa=mgsinθ+umgcosθ；
U-摩擦系數(shù)；
θ-最大爬坡角度。
則機(jī)器人在水平面上的功率為：
P=Fa×V=0.15×3×9.8×5.55=24.47w
其最大加速度為：
a=Fa/m=0.15×3×9.8/8=0.55m/s2
前輪輪胎采用和后輪相同的結(jié)構(gòu)和材料，輪轂的軸孔與軸相對(duì)滑動(dòng)，所以要求較后輪精度高機(jī),轉(zhuǎn)向節(jié)UG圖如圖2-14。
圖2-14 轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)物示意圖如圖
綜上所述，得到輪式機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)如表2-4所示：
2-4 輪式機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)
自由度數(shù)
2
電源
直流電源
運(yùn)動(dòng)方式
輪式
驅(qū)動(dòng)方式
后輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向
后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)
直流電機(jī)
減速機(jī)構(gòu)形式
齒輪傳動(dòng)
前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)
控制方式
STC89LE52單片機(jī)
3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及受力分析
3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
在本課題中我們?yōu)榱说玫椒€(wěn)定和承載能力強(qiáng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了兩后置驅(qū)動(dòng)輪，轉(zhuǎn)向輪不作為驅(qū)動(dòng)輪，只提供支撐和轉(zhuǎn)向作用。結(jié)構(gòu)形式模仿普通機(jī)動(dòng)車的一些結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)變速箱輸出軸連接撥叉，撥叉撥動(dòng)左右轉(zhuǎn)向節(jié)連桿來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。為了消除傳動(dòng)間隙和電機(jī)反轉(zhuǎn)死區(qū)，我們?cè)跈C(jī)構(gòu)中加裝了，兩個(gè)拉緊桿和一條拉緊彈簧，很大程度上消除了誤差。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖3-1。
圖3-1 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖
3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)是移動(dòng)機(jī)器人完成各種所需運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件。
傳統(tǒng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)多由電機(jī)或液(氣)壓缸等來(lái)驅(qū)動(dòng)。以這種方式來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，位置精度可以達(dá)到很高，但其剛度往往很大，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的柔順運(yùn)動(dòng)較困難。而柔順性差的機(jī)器人在和人接觸的場(chǎng)合使用時(shí)，容易造成人身和環(huán)境的傷害。因此，在許多服務(wù)機(jī)器人或康復(fù)機(jī)器人研究中，確保機(jī)器人的關(guān)節(jié)具有一定的柔順性提高到了一個(gè)很重要的地位。
人類關(guān)節(jié)具有目前機(jī)器人所不具備的優(yōu)良特性，既可以實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的位置控制又具有很好的柔順性。這種特性主要是由關(guān)節(jié)所采用的對(duì)抗性肌肉驅(qū)動(dòng)方式所決定的。目前模仿生物關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式在仿生機(jī)器人中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。在這種應(yīng)用中為得到類似生物關(guān)節(jié)的良好特性，一般都采用具有類似生物肌肉特性的人工肌肉。
氣動(dòng)機(jī)械手是集機(jī)械、電氣、氣動(dòng)和控制于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。近年來(lái)，機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環(huán)境內(nèi)，與電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手相比，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
1）機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)
本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖3-2：
1. 機(jī)架 2.氣動(dòng)肌肉 3.第一肩關(guān)節(jié) 4.第二肩關(guān)節(jié) 5.機(jī)架臂 6.第三肩關(guān)節(jié) 7.大臂 8.肘關(guān)節(jié) 9.小臂 10.腕關(guān)節(jié) 11.氣爪
圖3-2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)
氣動(dòng)機(jī)械手主要由起固定支撐作用的機(jī)架、機(jī)械臂和氣爪三部分組成。氣動(dòng)機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)自由度（由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定，因此機(jī)構(gòu)的自由度等于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目，此機(jī)構(gòu)有4個(gè)原動(dòng)件，因此可得有4個(gè)自由度）的運(yùn)動(dòng)，其各自的自由度的驅(qū)動(dòng)全部由氣動(dòng)肌肉來(lái)實(shí)現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過(guò)氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使物品在空間上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)合理的控制，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作要求。驅(qū)動(dòng)第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)有2根氣動(dòng)肌肉組成，機(jī)架臂有4根氣動(dòng)肌肉組成，大臂上安裝有4根氣動(dòng)肌肉，小臂上安裝有4根氣動(dòng)肌肉。
3.3 機(jī)器人受力分析及如何保證加速度最優(yōu)
本設(shè)計(jì)中輪型機(jī)器人采用四輪支撐，即兩后輪（驅(qū)動(dòng)輪）和兩前輪（轉(zhuǎn)向輪）。為了增加車輪和地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，每個(gè)車輪的輪胎材料均為橡膠?；瑒?dòng)軸承和輪轂采用了具有自潤(rùn)滑能力的塑料，摩擦力很小，可以忽略不計(jì)。采用這些結(jié)構(gòu)，使小車具有一很好的運(yùn)動(dòng)性能。機(jī)器人小車受力如圖3-3所示：
圖3-3 小車受力圖
有如下關(guān)系:
滑動(dòng)摩擦力：
Fr=u·Ng
支撐反力:
Ng=G-N
G=m·g
水平方向受力:
Fr=F
F=m·a
以上關(guān)系可推出加速度:
a=u（m·g-N）/m
從上式可以看出，由于小車質(zhì)量m一定，若想增加加速度只有增加摩擦系數(shù)μ和減少支撐力N。由于輪型機(jī)器人活動(dòng)場(chǎng)所在室內(nèi)需要頻繁的更換速度，只有加速度大一些時(shí)，才能滿足機(jī)器人快速性、實(shí)時(shí)性要求。
在摩擦系數(shù)一定時(shí)，只有盡量減少支撐力N，加速度才能達(dá)到最大，這直接關(guān)系到小車重心的位置。小車的電池和后加負(fù)載是小車中比重較大者，在放置是應(yīng)該盡量靠近后輪，這樣支撐力N就會(huì)減小，加速度在啟動(dòng)時(shí)就能保持盡量大。通過(guò)計(jì)算機(jī)器人通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)加速度為3.92m/s左右。
4 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
4.1 輪式式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模
首先對(duì)四輪車輛的水平面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究．在整個(gè)分析過(guò)程中，將機(jī)器人建模成輪子上的一個(gè)剛體，運(yùn)行在水平面上時(shí)，車輪與地面只有點(diǎn)接觸，輪子不可發(fā)生形變且是純滾動(dòng)，不發(fā)生滑行、剎車等行為，忽略車輪外傾、側(cè)偏以及輪胎的影響。針對(duì)車式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，不能單一用后軸中點(diǎn)進(jìn)行建模還應(yīng)該取前軸或者其他參考點(diǎn)．這是因?yàn)檐囀綑C(jī)器人相對(duì)于普通機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑較大，若不取多個(gè)參考點(diǎn)，不能完全體現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)情況。
圖4-1 四輪車式移動(dòng)機(jī)器人的局部坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系
為了描述機(jī)器人在平面中的位置，建立全局坐標(biāo)系XI OYI 和機(jī)器人局部坐標(biāo)系XlOYl如圖3-1所示，選擇后軸中點(diǎn)Mr 作為局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)．在全局坐標(biāo)系中，Mr 由（xr ，yr）確定，Mf（xf ，yf）為前軸中點(diǎn)坐標(biāo)．在XlOYl中Mr 和Mf 的坐標(biāo)關(guān)系為
（1）
全局和局部參考系之間的角度差為θ（θ為機(jī)器人的航向角），令 為機(jī)器人在全局參考系中的位姿．用正交旋轉(zhuǎn)矩陣R（θ）將全局參考系映射到局部參考系中，即ζR＝R（θ）ζI ，反之則有I
,式中：
（2）
機(jī)器人局部坐標(biāo)系如圖4-2所示,l 為軸距，ψ為車輪轉(zhuǎn)向角，d 為輪距，ICR(instantaneous center of rotation）為瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心。設(shè)Mr 、Mf 的瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑分別為ρr 、ρf。
圖4-2 機(jī)器人局部坐標(biāo)系
機(jī)器人的整體速率為后輪速率vr ，沿著局部坐標(biāo)系XR 正方向；vf 為前輪的速率，沿著輪子前進(jìn)的方向，vr 與vf 的關(guān)系為vf ＝vr ／cosψ． (2)
在Δt 時(shí)間內(nèi)，后輪XR 正向前進(jìn)分量為vt ｄt，YR方向無(wú)運(yùn)動(dòng)分量； 前輪XR 正方向前進(jìn)分量為vf cosψｄt，YR 正方向前進(jìn)分量為vf sinψｄt．若ψ不變，機(jī)器人瞬時(shí)沿著圓軌跡運(yùn)動(dòng)，瞬時(shí)前進(jìn)的距離為Δs，則有ｄs ＝ρｄθ，如圖3所示．此時(shí)下式成立：
Ρ.dθ ＝v· ｄt． （3）
圖4-3 機(jī)器人瞬時(shí)沿圓周運(yùn)動(dòng)
另外在直角三角形內(nèi)有ρ＝l/tanφ，ρf=l/sinφ，從而可得ｄθ＝vr·ｄt/ρr ＝vr.tanφ/l ，即ｄθ/ｄt ＝tanφ/l vr ，同理可得ｄθ/ｄt ＝sinφ/l vf．此時(shí)ζRr＝［vr ０ tanφ/l vr ］Ｔ ，ζRf＝[vf cosφ vf sinφ sinφ/l vf ］Ｔ．Mr 在全局坐標(biāo)系中的位置狀態(tài)方程
（4）
即
(5)
Mf 在全局坐標(biāo)系中的位置狀態(tài)方程為
(6)
即
(7)
將式(2)代入(7)得
(8)
此時(shí)，分別建立起Mr 和Mf 的狀態(tài)方程（5）和（8），都與θ、φ、vr 有關(guān)。
4.2 阿克曼約束的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型
四輪車輛的理想模型中，實(shí)際上是將前面的２個(gè)輪子看成了一個(gè)輪子在運(yùn)動(dòng)，如圖3-4所示．在實(shí)際的車式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向過(guò)程中，為了使所有車輪都處于純滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)，要求轉(zhuǎn)向軸內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角之間符合阿克曼原理。令φ２ 為內(nèi)輪的相對(duì)轉(zhuǎn)向角，φ１為外輪的相對(duì)轉(zhuǎn)向角．為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向車輪的純滾動(dòng)，不發(fā)生橫向滑移，４ 個(gè)車輪應(yīng)繞ＩＣＲ 轉(zhuǎn)動(dòng)，并且內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角之間應(yīng)該滿足式（9）：
（9）
可以解得
（10）
圖4-4 基于阿克曼原理的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型
設(shè)ρlf和ρrf分別為左右兩前輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑，得ρlf＝l/SINφ１，ρrf＝l/SIN φ２．同理可得左右后輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑ρlr ＝l ／tanφ＋d／２，ρrr ＝l/tanφ－d／２．定義內(nèi)輪差Δρ＝ρlf－ρlr （左轉(zhuǎn)向時(shí)為Δρ＝ρrf－ρrr）。際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)向角φ保持不變時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)．在仿真過(guò)程中，φ取為時(shí)間t 的函數(shù)φ（t）．機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡圖如圖3-17 所示，分別代表了前后輪軸中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
圖4-5 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡圖
圖4-6 中所示為虛擬轉(zhuǎn)向角φ與實(shí)際車輛轉(zhuǎn)向角φ１ 、φ２ 間的關(guān)系圖．φ１ 與φ２ 的變化趨勢(shì)較為一致，據(jù)式（9）可得cotφ１ －cotφ２ 的理論值為0.5556，實(shí)際仿真結(jié)果值為0.5505，誤差在可接受范圍內(nèi)。
圖4-6 轉(zhuǎn)向角φ１、φ２ 、φ間的關(guān)系
圖4-7 反映了轉(zhuǎn)向角φ與航向角θ 的關(guān)系，航向角θ 大致可分為４ 個(gè)階段，如圖中Ａ、Ｂ、Ｃ 標(biāo)記所示．初始階段隨著φ的變化θ 逐漸增大，當(dāng)φ向相反方向逐漸變大時(shí)，θ 在點(diǎn)Ａ 處才開(kāi)始逐漸變?。冢?Ｂ 階段，φ的微小變化并沒(méi)有影響到整車運(yùn)動(dòng)的方向；到Ｂ-Ｃ 階段，θ 又隨著φ的反向開(kāi)始變化．實(shí)驗(yàn)有效地驗(yàn)證了該運(yùn)動(dòng)模型符合實(shí)際機(jī)器人轉(zhuǎn)向角與航向角間的關(guān)系．
圖4-7 轉(zhuǎn)向角φ和航向角θ
5 輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
運(yùn)動(dòng)控制器是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的核心內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)外運(yùn)動(dòng)控制器的種類和功能都在不斷豐富和發(fā)展，但總的情況是，國(guó)外的運(yùn)動(dòng)控控制器功能強(qiáng)，使用的技術(shù)也比較先進(jìn)，但是價(jià)格相當(dāng)昂貴，更重要的是這種運(yùn)動(dòng)控制器的使用方法不易為普通用戶所掌握，編程復(fù)雜，即使是專業(yè)人員也很難熟練掌握，這兩大不利因素限制了它的使用范圍，國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器性能和質(zhì)量總體來(lái)說(shuō)跟國(guó)外的產(chǎn)品有一定的差距，或性能單一，或結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且同樣存在使用不便難以掌握的缺點(diǎn)。那么，能不能設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本又低，使用和維護(hù)方便的運(yùn)動(dòng)控制器呢？這正是本節(jié)所嘗試解決的問(wèn)題。在本文中，考慮到機(jī)器人小車本體結(jié)構(gòu)的情況和目前移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，采用主從式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，即由上位機(jī)完成復(fù)雜計(jì)算，將處理后的數(shù)據(jù)傳遞給下位機(jī)，由下位機(jī)完成對(duì)小車本體的控制； 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輪式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械導(dǎo)航結(jié)構(gòu)采用四輪差速轉(zhuǎn)向式的機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖5-1所示，前面兩個(gè)輪是轉(zhuǎn)向輪，后面兩個(gè)輪是驅(qū)動(dòng)輪，由兩臺(tái)獨(dú)立的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，可使機(jī)器人按照不同方向和速度移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活，可控性好。機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有直線運(yùn)動(dòng)（前進(jìn)、后退）、左右轉(zhuǎn)彎、原地零半徑轉(zhuǎn)彎（360°轉(zhuǎn)向）等。因而，有效地降低了成本。該控制器器通過(guò)串口與上位機(jī)通信，這樣，就簡(jiǎn)化了控制器與上位機(jī)的連接，但不妨礙充分利用上位機(jī)的有關(guān)軟件資源。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。
圖5-1 移動(dòng)機(jī)器人的底盤系統(tǒng)
圖5-2 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖
控制器單元的選型：
移動(dòng)機(jī)器入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是微控制器，作為機(jī)器人控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，選擇一個(gè)什么樣的微控制器對(duì)于機(jī)器人小車的性能、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式有很大的影響，應(yīng)具體分析控制系統(tǒng)的特征和要求進(jìn)行微控制器的選擇，應(yīng)以運(yùn)算速度、功能、兼容性、整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、通信方式及通信速率、電機(jī)控制方式、ROM及RAM的大小為依據(jù)來(lái)選擇合適的微控制器。目前微控制器主要有數(shù)字信號(hào)處理器DSP、現(xiàn)場(chǎng)