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智能小車(chē)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)綜述
L300MM智能小車(chē)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)綜述
一 本課題的研究意義
智能小車(chē)，也稱(chēng)輪式機(jī)器人，是一種以汽車(chē)電子為背景，涵蓋控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多科學(xué)的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)，一般主要由路徑識(shí)別、速度采集、角度控制及車(chē)速控制等模塊組成。研究智能小車(chē)對(duì)現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)是有很大的幫助的。
機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生了根本性的變化，讓人類(lèi)的生產(chǎn)方式從手工業(yè)、機(jī)械化，走進(jìn)到了自動(dòng)化、智能化的新時(shí)代。近十年來(lái)移動(dòng)機(jī)器人的研究已經(jīng)十分活躍，其得到快速發(fā)展主要有兩個(gè)方面的原因：
1)移動(dòng)機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用范圍，以代替人無(wú)法適應(yīng)的環(huán)境下工作，這將極大地?cái)U(kuò)展人類(lèi)的生活和生產(chǎn)范圍。
2)與任何一門(mén)現(xiàn)代化技術(shù)分枝一樣，其中一個(gè)最直接的因素是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)信息處理，存儲(chǔ)能力的提高，為移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行更復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制算法創(chuàng)造了條件。
這里我們所研究的小車(chē)，可以應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域如礦下探測(cè)，海底檢測(cè)等。這里以礦下探測(cè)為例：現(xiàn)在我國(guó)的大部分礦產(chǎn)都是采用人工井下作業(yè)的形式進(jìn)行的，這不但生產(chǎn)效率得不到保證，井下做業(yè)人員的人身安全也經(jīng)常會(huì)受到威脅。而如果應(yīng)用機(jī)器小車(chē)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)、生產(chǎn)和運(yùn)輸，必將大大的提高生產(chǎn)效率，其井下的探測(cè)功能也可以很大程度的降低安全問(wèn)題的發(fā)生。
二 本課題的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)器人這個(gè)概念其實(shí)是最近幾十年才產(chǎn)生的。但是人類(lèi)對(duì)機(jī)器人的遐想早在幾千年前就產(chǎn)生了。人類(lèi)希望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便代替人類(lèi)完成各種工作
西周時(shí)期，我國(guó)的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國(guó)最早記載的機(jī)器人。
春秋后期，據(jù)《墨經(jīng)》記載，我國(guó)著名的木匠魯班曾制造過(guò)一只木鳥(niǎo)，能在空中飛行“三日不下”，體現(xiàn)了我國(guó)勞動(dòng)人民的聰明智慧。
公元前2世紀(jì)，亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人——自動(dòng)機(jī)。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動(dòng)力的會(huì)動(dòng)的雕像，它可以自己開(kāi)門(mén)，還可以借助蒸汽唱歌。
1800年前的漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀，而且發(fā)明了計(jì)里鼓車(chē)。計(jì)里鼓車(chē)每行一里，車(chē)上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。
后漢三國(guó)時(shí)期，蜀國(guó)丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭(zhēng)。
1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動(dòng)機(jī)器玩偶，并在大阪的道頓堀演出。
1738年，法國(guó)天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨，它會(huì)嘎嘎叫，會(huì)游泳和喝水，還會(huì)進(jìn)食和排泄。
在當(dāng)時(shí)的自動(dòng)玩偶中，最杰出的要數(shù)瑞士的鐘表匠杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯。1773年，他們連續(xù)推出了自動(dòng)書(shū)寫(xiě)玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動(dòng)玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的。它們有的拿著畫(huà)筆和顏色繪畫(huà)，有的拿著鵝毛蘸墨水寫(xiě)字，結(jié)構(gòu)巧妙，服裝華麗，在歐洲風(fēng)靡一時(shí)。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，這些玩偶其實(shí)是身高一米的巨型玩具?，F(xiàn)在保留下來(lái)的最早的機(jī)器人是瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，它制作于二百年前，兩只手的十個(gè)手指可以按動(dòng)風(fēng)琴的琴鍵而彈奏音樂(lè)，現(xiàn)在還定期演奏供參觀者欣賞，展示了古代人的智慧。
19世紀(jì)中葉自動(dòng)玩偶分為2個(gè)流派，即科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派，并各自在文學(xué)藝術(shù)和近代技術(shù)中找到了自己的位置。1831年歌德發(fā)表了《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克魯斯”；1870年霍夫曼出版了以自動(dòng)玩偶為主角的作品《葛蓓莉婭》；1883年科洛迪的《木偶奇遇記》問(wèn)世；1886年《未來(lái)的夏娃》問(wèn)世。在機(jī)械實(shí)物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動(dòng)雙腿沿圓周走動(dòng)。
進(jìn)入20世紀(jì)后，機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持，一些適用化的機(jī)器人相繼問(wèn)世，1927年美國(guó)西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”，并在紐約舉行的世界博覽會(huì)上展出。它是一個(gè)電動(dòng)機(jī)器人，裝有無(wú)線(xiàn)電發(fā)報(bào)機(jī)，可以回答一些問(wèn)題，但該機(jī)器人不能走動(dòng)。1959年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人（可編程、圓坐標(biāo)）在美國(guó)誕生，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。
現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展，以及原子能的開(kāi)發(fā)利用。
自1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機(jī)床的誕生。與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的控制、機(jī)械零件的研究又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，原子能實(shí)驗(yàn)室的惡劣環(huán)境要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)原子能委員會(huì)的阿爾貢研究所于1947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。
1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。該專(zhuān)利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?，F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。
作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似，但外形特征迥異，主要由類(lèi)似人的手和臂組成。
1965年，MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺(jué)傳感器的、能識(shí)別與定位簡(jiǎn)單積木的機(jī)器人系統(tǒng)。
1967年日本成立了人工手研究會(huì)（現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會(huì)），同年召開(kāi)了日本首屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)。
1970年在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議。1970年以后，機(jī)器人的研究得到迅速?gòu)V泛的普及。
1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，它是液壓驅(qū)動(dòng)的，能提升的有效負(fù)載達(dá)45公斤。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人的視覺(jué)和觸覺(jué)等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)器人概念的延伸。80年代，將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱(chēng)為智能機(jī)器人，這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用，而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問(wèn)世，許多夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。將機(jī)器人的技術(shù)（如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等）擴(kuò)散和滲透到各個(gè)領(lǐng)域形成了各式各樣的新機(jī)器——機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”的名稱(chēng)，這也說(shuō)明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。
90年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)和真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人的更高層次的研究?，F(xiàn)在機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣，種類(lèi)也越來(lái)越多，但大體上可分為輪式機(jī)器人和足式機(jī)器人。智能小車(chē)就是輪式機(jī)器人中的一種，雖然是最基本的機(jī)器人雛形，但其中已包含了大部分功能，綜合國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家解釋?zhuān)瑱C(jī)器人是具有一些類(lèi)似人的功能的機(jī)械電子裝置或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機(jī)器。它有三個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是有類(lèi)人的功能，比如說(shuō)作業(yè)功能；感知功能；行走功能；還能完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象和工作的一些要求。它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置，所以這個(gè)機(jī)器人仍然是個(gè)機(jī)器。但是目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的有關(guān)機(jī)器人定義，美國(guó)工程師協(xié)會(huì)認(rèn)為機(jī)器人是計(jì)算機(jī)控制的可以編程的目前能夠完成某種工作或可以移動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)械，但日本和其他國(guó)家也對(duì)機(jī)器人有不同的看法，他們認(rèn)為從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來(lái)看，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來(lái)機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對(duì)外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。這也將是未來(lái)機(jī)器人的只要的發(fā)展趨勢(shì)。
三 本課題研究的關(guān)鍵問(wèn)題及方法
根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求及收集的資料，本課題的關(guān)鍵問(wèn)題在于機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)。搭載機(jī)械手的移動(dòng)機(jī)器人本體為四輪萬(wàn)向輪小車(chē)，它具備自主導(dǎo)航能力。在遇到物體時(shí)，可遠(yuǎn)程控制并操作機(jī)械手抓取。車(chē)載機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)3大部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械臂、機(jī)械手爪與基座的總稱(chēng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。目前專(zhuān)用機(jī)械手采用電氣驅(qū)動(dòng)方式的較多。手部安裝與手臂前端是用來(lái)抓持工件(或工具)的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。手臂的作用是引導(dǎo)手指精確地抓住目標(biāo)物體，并運(yùn)送到所需要的位置上去，故手臂的位置需精確定位。手臂由以下幾部分組成：①動(dòng)作元件，帶動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，在本車(chē)載機(jī)械手中為兩臺(tái)直流無(wú)刷伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)；②導(dǎo)向裝置，保證手臂的正確方向及承受由于目標(biāo)物體重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩；③手臂，承接和承受外力作用的部件，手臂上的零部件都裝在手臂上。
機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)還需要從其自由度出發(fā)，結(jié)合材料、動(dòng)力、抓取的物品的形狀等方面，保證其能在特殊環(huán)境下準(zhǔn)確的夾取指定的物品。
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