小型轮式机器人的设计与研究.docx
- 文档编号:2008073
- 上传时间:2023-05-02
- 格式:DOCX
- 页数:103
- 大小:3.26MB
小型轮式机器人的设计与研究.docx
《小型轮式机器人的设计与研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《小型轮式机器人的设计与研究.docx(103页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
中国矿业大学
本科生毕业设计
姓 名:
学 号:
学 院:
专 业:
设计题目:
小型轮式机器人的设计与研究
指导教师:
职称:
教授 讲师
2012年** 月 **
摘 要
本文以小型轮式机器人为研究对象,结合当前轮式机器人技术的发展,提出所需要的功能和需要满足的性能和指标,设计出小型轮式机器人行走机构。
小型轮式机器人行走机构可做为探测、侦查、以及防爆等作业的搭载平台。
通过对国内外轮式机器人的性能以及结构的研究概况的调查分析,将国内外几种典型的轮式机器人行走机构的研究比较,总结并综合了其各自的优缺点,结合本文所研究的机器人的功能,提出小型四轮和六轮机器人行走机构的虚拟样机模型。
四轮机器人采用四轮驱动、独立悬架结构。
六轮机器人采用六轮驱动、集中控制和前后轮升降系统的结构组成。
对两种轮式机器人行走机构模型在如斜坡、台阶等障碍的非结构环境下进行了越障和转向等运动分析,在此前提下进行轮式机器人行走机构的结构尺寸设计,分别对机器人行走机构在平地和斜坡模式下所需的驱动电
机功率进行了计算,并根据结果对四轮机器人选用24V250W直流减速电机,对六轮机器人选用了24V35W直流减速电机。
根据电机和轮胎的尺寸对行
走机构进行了包括驱动系统、链传动系统以及前后轮升降系统在内的机构设计,并使用建模软件 UG完成了对轮式机器人行走机构零部件的三维参数化建模,绘出零件图。
在实验场地中,对小型四轮机器人进行了爬坡、爬楼梯、高台地形下的实验,测得数据,验证了四轮和六轮机器人行走机构运动速度、爬坡、爬楼梯的能力,能完成所提出的越障指标及性能。
最后,针对论文现有设计,给出了进一步的改善优化建议,并对所设计的轮式机器人行走机构的发展前景进行了展望。
关键词:
行走机构;升降系统;越障;结构设计;建模软件
ABSTRACT
Thisthesisismainlyaboutthesmallwheeledrobot,combiningwiththedevelopmentofthecurrentwheeledrobottechnology,puttingforwardtheneededfunctionandtheperformanceandtheindexneedtobemet,anddesigningthetravelingmechanismofthesmallwheeledrobot.Thesmallwheeledrobotcanbethecarryingplatformfortheworklikedetecting,investigation,andanti-explosion.
Analyzetheperformanceandstructureofthewheeledrobotathomeandabroad,comparetheresearchofthetypicalwheeledrobots’structure,synthesizetheirmeritsanddefaults,combinethefunctionoftherobotwemakeresearchon,thevirtualprototypemodelsofthefour-wheeledandsix-wheeledrobotareputforward.Thefour-wheeledrobotadoptthefour-wheel-driveandindependentsuspensionsystem.Thesix-wheeledrobotcomprisesofthesix-wheel-drive,centralizedcontrolandtheadjustablefrontandbackwheel.
Theanalysisismadeonthestructureofthewheelrobotwhentheyareworkingundertheunstructuredenvironmentsuchasditch,footstepandetc,analyzingtheirabilitiesofgoingovertheobstaclesandturn.Onthebasisofthis,thetravelingmechanismofthewheeledrobotisdesigned.Themotorpoweriscalculatedrespectivelywhentherobotisworkingontheflatgroundorontheslope,finallythe24V250WDCgearedmotorischosetodrivethefour-wheeledrobotand24V35WDCgearedmotorischosetodrivethesix-wheeledrobot.Thedrivesystem,chaintransmissionsystemandtheadjustablefrontandbackwheelsystemaredesignedaccordingtothesizeofthemotorandtire.Thethree-dimensionalmodelofthetravelingmechanismpartsarebuiltbyusingtheUG,andthepartsdrawingaredrawnout.
Atlast,furtherimprovementandoptimizationproposalsareraisedaccordingtothecurrentdesign,andthedevelopmentofthedesignedtravelingmechanismisprospected.
Keywords:
travelingmechanism;liftingsystem;overtheobstacles;
structuraldesign;buildingmodelsoftware.
目 录
1绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外小型轮式机器人发展概况 2
1.2.1国外研发概况 2
1.2.2国内现状 5
1.2.3国内外现状总结 7
1.3小型轮式机器人的发展趋势 7
1.4论文研究内容与主要结构 7
1.4.1研究内容 7
1.4.2论文章节结构 8
2建模软件概述与控制系统设计 9
2.1三维建模软件UG概述 9
2.1.1UG软件的特点 9
2.1.2实体建模综述 9
2.1.3创建草图步骤 10
2.1.4实体建模的优点和步骤 11
2.1.5创建工程图 11
2.1.6UGNX6尺寸标注特点 12
2.2小型轮式机器人控制系统设计 12
2.2.1基于STC89C52系列单片机的开发板 12
2.2.2基于SI4432无线数据传输模块 13
2.2.3Modbus通讯协议 16
2.2.4VisualStudio2008开发环境概述 18
2.2.5VisualStudio环境下的上位机界面设计 18
2.3小结 20
3小型轮式机器人行走机构总体设计 21
3.1行走机构总体方案设计 21
3.1.1行走机构的总体设计要求 21
3.1.2指标要求 21
3.2轮式机器人的结构分析 22
3.2.1轮式机器人的行驶机构 22
3.2.2轮式机器人的驱动机构 22
3.2.3轮式机器人的车轮 23
3.3轮式机器人的结构设计 23
3.3.1轮式移动机构的运动条件 23
3.3.2移动机构选型 24
3.4轮式机器人行走机构结构设计 25
3.4.1结构设计原则 25
3.4.2四轮行走机构机构设计 25
3.4.3六轮行走机构机构设计 26
3.5小结 27
4小型四轮机器人结构设计及研究 28
4.1小型四轮行走机构驱动系统的设计 28
4.1.1驱动系统的计算 28
4.1.2减速电机的选取 30
4.1.3链轮链条的选取 31
4.2四轮机器人行走机构的结构设计 33
4.2.1底盘的设计 33
4.2.2轮胎轮毂的选取 33
4.2.3悬挂和传动部分的设计 34
4.3实验场地概述 35
4.4四轮行走机构越障运动分析 36
4.4.1爬坡运动分析 36
4.4.2高台跨越运动分析 36
4.4.3转向分析 37
4.5四轮行走机构场地实验结果分析 39
4.5.1爬坡实验结果分析 40
4.5.2爬楼梯实验结果分析 41
4.5.3高台跨越实验结果分析 42
4.5.4转向效果分析 42
4.6小结 42
5小型六轮机器人结构设计及研究 43
5.1小型六轮行走机构驱动系统的设计 43
5.1.1驱动系统的计算 43
5.1.2减速电机的选取 44
5.1.3电动推杆的选取 44
5.2六轮机器人行走机构的结构设计 46
5.2.1底盘的设计 46
5.2.2轮胎轮毂的选取 47
5.2.3前后轮升降系统的设计 47
5.3六轮行走机构越障运动分析 48
5.3.1爬楼梯运动分析 48
5.3.2高台跨越运动分析 50
5.4六轮行走机构场地实验结果分析 50
5.4.1爬坡实验结果分析 51
5.4.2爬楼梯实验结果分析 52
5.4.3高台跨越实验结果分析 52
5.5小结 53
6结论与展望 54
6.1论文总结 54
6.2存在的缺陷与进一步的工作计划 54
参考文献 55
附录1 58
附录2 59
附录3 60
翻译部分 72
英文原文 72
中文译文 82
致 谢 91
中国矿业大学2012届本科生毕业设计
1绪论
1.1研究背景及意义
近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水,人为的恐怖祸害如恐怖活动、武力冲突,以及由炭疽热、SARS、禽流感等生化病毒和有毒物质、辐射性物质等带来的恐怖,威胁着人们的安全,引起了人们广泛的关注。
虽然人们对各种灾难的警觉和反应能力有所提高,但在处理破坏性灾难事件时还是准备不够充分,很多人依然死于不专业、不及时的救援活动[1]。
将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合,研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人,是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。
根据灾难发生的时间,灾难救援可以分为灾前救援、灾时救援与灾后救援三个阶段[2]。
灾前救援指的是对已经预先知道的,即将要发生的灾难采取防范与消除灾难、人员疏散和物资转移的工作;灾时救援是针对火灾、水灾、毒气、放射性物质等有一定发生时间的灾难过程,采取的扑救和补救工作;灾后救援指的是地震、爆炸等突发性和短时性灾难,事后的搜寻和营救工作。
三个阶段在灾难发生时通常没有明确的界限,但是各个阶段救援工作都面临着两个问题;环境的复杂性和环境的危险性。
以城市环境为例,人口城市化和城市人口密集现象加剧,高层建筑、地下工程、大型商贸场所、文化娱乐场所迅猛发展,城市建筑物不断增加,使得城市建筑环境中的搜救作业十分复杂。
在一些危险性大的灾难中,如随时会引发爆炸的火灾现场,有易燃、易爆或剧毒气体存在的现场,地震后存在易二次倒塌建筑物的现场,施救人员无法深入进行侦察或施救,人们急于探知灾难现场的内部险情,但又不敢或无法接近或进入灾难现场。
此时,救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡,它们不但能够帮助工作人员执行救援工作,而且能够代替工作人员执行搜救任务,在灾难救援中起着越来越重要的作用。
灾难救援机器人,是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统[3]。
它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能、营救行动技术、灾难学等多学科的研究成果,代表机电一体化的最高成就,是目前科学技术发展最活跃的领域之一。
随着灾难救援机器人性能不断地完善,在火灾、水灾、毒气、放射性物质以及地震、爆炸等灾难救援中,起到非常重要的作用。
0
轮式机器人作为多种救援机器人中的一种,包括单轮、双轮、三轮、四轮、五轮、六轮和多轮等多重类型。
轮式机器人有着共同的特点,即运动速度快、灵活性高、自主性强等特点。
单轮滚动机器人是一种全新概念的轮式机器人。
从外观上看它只有一个轮子, 它的运动方式是沿地面滚动前进, 后来又开发出的球型机器人也属于单轮滚动机器人[9]。
两轮轮式机器人主要包括自行车机器人和两轮呈左右对称布置的两轮轮式机器人。
轮式轮式机器人中最常见的机构就是三轮及四轮轮式机器人。
当在平整地面上行走时,这种机器人是最合适的选择。
1.2国内外小型轮式机器人发展概况
1.2.1国外研发概况
早期的典型代表是美国卡内基-梅隆大学机器人研究所研制的单轮滚动机器人Gyrover。
Gyrover是一种陀螺稳定的单轮滚动机器人。
它的行进方式是基于陀螺运动的基本原理, 具有很强的机动性和灵活性,他们开发该机器人的目的是用于空间探索[23] 。
英国巴斯大学的RhodriHArmour对单轮滚动机器人做了系统的总结性研究[24]。
他从自然界生物存在的滚动前行方式开始论述, 通过分析11种单轮滚动机器人,总结出了7种单轮滚动机器人的设计原理:
弹性中心构件原理、车辆驱动原理、轮式块原理、半球轮原理、陀螺仪平衡器原理、固定于质心轴上的配重块原理、轮式于质心轴上的配重块原理。
由于轮式机构在空间探测机器人系统中的重要地位,国外许多机构都在研究机器人轮式机构。
比较著名的研究机构有:
美国卡内基梅隆大学
(CarnegieMellonUniversity,简称(CMU)[4]、美国喷气推进实验室(JetPropulsionLaboratory,简称JPL)[5]、芬兰赫尔辛基工业大学(HelsinkiUniversityofTechnology,简称HUT)和欧洲航天局等。
各国的研究人员基于不同的原理和性能侧重点提出并试验了多种类型的轮式机构,根据机器人轮式机构的特点,基本可分为轮式、腿式、轮腿式和履带式等类型。
轮式轮式机器人虽然越过壕沟、台阶的能力较低,但具有高速高效的性能,在一般地形中具有相当的优势(运动迅速、平稳)。
尽管其比较适合平缓的环境,但可以通过选择合适的悬架系统来使其适应凹凸不平的地形。
轮式星球探测机器人因技术成熟而得以广泛应用,其中有些已经成功地用于实际的行星探测,其代表如2003年发射的“勇气号”火星车。
此外还有如英国的“地雷探测、标识和处理计划”(Minder)、“小猎犬”
96
战斗工程牵引车(CET)和未来工程坦克(FET)等。
法国的几家公司也研制出不同种类的机器人,有Alsetex公司的SAEMC800 爆炸物探测机器人、
DM公司的RM35 机器人等。
德国经过多年的努力,其智能地面无人作战平台的研究和应用在世界上处于公认的领先地位。
现装备的主要车型有
“清道夫”2000扫雷车[6]、Rode 爆炸物处理机器人、MV4系列机器人、
GARANT-3多用途机器人、“犀牛”(Rhino)履带式遥控车等。
图1.1“勇气号”火星车
轮式轮式机器人中最常见的机构就是四轮轮式机器人。
当在平整地面上行走时, 这种机器人是最合适的选择。
并且在其他领域(如汽车领域)已为其发展提供了成熟的技术。
下面从轮式轮式机器人的转向机构来介绍四轮轮式机器人的发展现状。
轮式机器人的转向结构主要有如下5种:
艾克曼转向、滑动转向、全轮转向、轴-关节式转向及车体-关节式转向[7]。
艾克曼转向是汽车常用的转向机构, 使用这种转向方式的汽车中有前轮转向前轮驱动和前轮转向后轮驱动两种运动方式。
西班牙塞维利亚大学研制的ROMEO-4R机器人便采用了艾克曼转向机构[8], 该机器人采用后轮驱动, 前轮由电机控制实现转向。
澳大利亚卧龙岗大学研制的Titan机器人也采用了艾克曼转向机构,该机器人前面两轮为自由轮,采用艾克曼转向
机构,后面两个车轮分别由一个电机驱动,由差速实现转向。
滑动转向的两侧车轮独立驱动, 通过改变两侧车轮速度来实现不同半径的转向甚至原位转向, 所以又称为差速转向。
滑动转向的轮式轮式机器人的结构简单,不需要专门的转向机构;并且,滑动转向结构具有高效性和低成本性。
美国佛罗里达农工大学研制的ATRV-JR机器人及加拿大高等综合理工大学研制的Pioneer3-AT 机器人都采用了滑动转向原理[9]。
左边两个车轮和右边两个车轮分别用一个电机控制, 靠两侧的差速度控制机器人的转向。
轮式全方位轮式机器人能够在保持车体姿态不变的前提下沿任意方向轮式, 这种特性使得轮式轮式机器人的路径规划、轨迹跟踪等问题变得相对简单, 使机器人能够在狭小的工作环境中很好地完成任务。
又由于兼具了履带式机器人较强的越野能力和轮式机器人简单高效的特点, 四轮全方位转向与驱动机构在机器人轮式平台已获得了越来越广泛的应用。
MobileRobots Inc开发的室内外清扫机器人Seekur便采用了四轮全方位转向与驱动机构[10], 其轮式平台采用8个电机分别控制4个轮子的转向和驱动。
这种机构具有转向半径小,转向稳定容易等特点。
另一种全方位轮式方式是基于全方位轮式轮构建的, 目前主要的全方位轮式轮为麦克纳姆轮。
麦克纳姆轮主要应用在四轮全方位轮式机器人上。
麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利, 在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子, 故轮子可以横向滑移。
小滚子的母线很特殊, 当轮子绕着固定的轮心轴转动时,各个小滚子的包络线为圆柱面,所以该轮能够连续地向前滚动。
麦克纳姆轮结构紧凑、运动灵活, 是很成功的一种全方位轮。
由4个这种轮子进行组合,可以使机构实现全方位轮式功能。
新西兰梅西大学研制了装有麦克纳姆轮的轮式机器人,他们对这种机器人进行了运动控制实验。
针对麦克纳姆轮在轮式机器人应用中存在的一些缺陷, 中国哈尔滨工业大学机器人研究所设计了一种新型的全方位轮[11]。
由这种全方位轮组成的全方位轮式机构具有运转灵活、控制方便、效率较高、承载能力较强; 轮上的各个小滚子一般均处于纯滚动状态,不易磨损;滚子轴的受力情况也较好,不易损坏; 对各轮的转向和转速控制得当, 可实现精确定位和轨迹跟踪等特点。
此外, 近年来还出现了一些新的全方位轮式方式。
如伊朗加兹温省的阿萨德大学研制的螺旋运动机器人Climax, Climax机器人有3个固定的车轮,分别由3个电机驱动,可以实现狭小空间的全方位轮式。
由于采用轴- 关节式转向结构的机器人在转向时车轮转动幅度较大,因此这种转向方式一般不常采用。
车体-关节式转向机器人, 具有转弯半径
小,转向灵活的特点。
但其转向轨迹难以进行准确控制。
并且在行驶时容易出现前轮和后轮轨迹不一致,需要用到其它辅助装置来约束后面车体的自由度。
到目前为止, 对四轮轮式机器人的相关研究很多, 主要涉及到机器人机构、体系结构、运动规划、导航与定位、跟踪控制、运动控制的反馈镇定、交互技术、多传感器系统与信息融合、智能技术等关键技术。
同时,该类机器人的研究也为发展多轮及复合式机器人提供了基础。
并将对救援机器人的发展产生深远影响。
1.2.2国内现状
国内在轮式机器人的研究起步较晚,大多数研究尚处于某个单项研究阶段,主要的研究工作有:
清华大学智能轮式机器人于1994 年通过鉴定。
涉及到五个方面的关键技术:
基于地图的全局路径规划技术研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划);基于传感器信息的局部路径规划技术研究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制);路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外轮式机器人规划系统的仿真模拟、室内轮式机器人局部路径规划系统的仿真模拟);传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术);智能轮式机器人的设计和实现( 智能轮式
机器人THMR—III的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统)。
图1.2四轮摇杆式机器人
中国矿业大学研制的适应复杂地形的四轮煤矿救灾机器人样机亦采用了4轮摇杆式轮式系统。
摇杆式轮式机器人有一个共同的特点:
左右采用摇杆式轮式系统,并且通过差动机构连接左右两摇杆与机器人主车体。
差动机构是摇杆式轮式机器人的重要组成部分,将机器人左右摇杆的摆角进行线性平均,并转化为机器人主车体的摆角输出,这样可以保持机器人主车体的相对平衡,能够有效地减小地形变化对主车体的影响;同时可以使得机器人较为均匀地向各个车轮分配车体重量,并且各车轮能随着地面的起伏被动地自由调整位置,因此,摇杆机器人具有较强的运行平稳性抗颠覆能力和越障能力。
如图1.2采用锥齿轮式差动装置的四轮摇杆式机器人。
近年来,国内也对单轮滚动机器人也进行了深入研究。
香港中文大学设计了一种单轮滚动机器人。
它的驱动部件是一个旋转的飞轮。
飞轮的轴承上安装有双链条的操纵器和一个驱动马达。
飞轮不仅可以使机器人实现稳定运行,还可以控制机器人运动的方向。
哈尔滨工业大学设计了一种球形滚动机器人。
在进行结构和控制系统设计时,使转向与直线行走两种运动相互独立,从而避免了非完整约束的存在,简化了动力学模型和控制算法,该机器人转向灵活。
沈阳自动化研究所新近研制的具有自主知识产权的新型复合轮式结构的机器人。
“灵蜥”智能机器人[12]是在我国“国家863高科技发展计划”的支持下,由沈阳自动化研究所新近研制的具有自主知识产权的新型复合轮式结构的机器人,目前已推出A型、B型、H型等具有不同的任务针对性的种类,其中“灵蜥-H”是2002年研制反恐机器人以来所研制的第三代反恐机器人,在国内处于领先地位,在世界上也属于先进行列,已被军警部门大量装备。
这种机器人身涂迷彩,外形像坦克和吊车的结合体。
它的头部安装有摄像头,以便操纵人员及时下达控制指令。
行走部分采用“轮+腿+履带”的复合装置,在平地上用四轮快速前进,遇到台阶或斜坡时,按照指令迅速收缩四轮,改换成擅长攀爬越障的履带。
“灵蜥”动作机灵,可以前后左右轮式或原地转弯,一只自由度较强的机械手可以抓起5公斤重的爆炸物,并迅速投入“排爆筒”。
“灵蜥”可以攀爬35度以下的斜坡和楼梯,可以翻跃0.4米以下的障碍,可以钻入洞穴取物,作业的最大高度达到2.2米。
此外,它还可以装备爆炸物销毁器、连发霰弹枪及催泪弹等各种武器,痛击恐怖分子。
“灵蜥-B”型属于遥控轮式式作业机器人,是一种具有抓取、销毁爆炸物等功能的新型机器人产品。
它由本体、控制台、电动收
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 小型 轮式 机器人 设计 研究