合肥工業(yè)大學(xué)校級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目申報書

1、 校 級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目申報書項目名稱 四輪驅(qū)動全向移動機器人的設(shè)計 項目主持人 66 聯(lián)系電話 6666666666 電子信箱 hf6666jian 所在學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院 學(xué) 號 20117720 專業(yè)班級 機設(shè)779班 指導(dǎo)教師 錢鈞 聯(lián)系電話 666666666 申請日期 2014-5-12 項目起止年月 2014年5月至2015年4月 創(chuàng) 新 學(xué) 院 填 表 須 知一、合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目申報書（注明國家級或校級）要按順序逐項填寫，內(nèi)容要實事求是，表達要明確、嚴謹。空缺項要填“無”。要求一律用A4紙正反頁打印，于左側(cè)裝訂成冊。 二、申請參加合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練

2、項目團隊人數(shù)不得超過5人（1人為立項負責人，參與合作研究者1-4人）。三、合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目申報書由申報學(xué)生所在學(xué)院初審，簽署意見后，一式二份報送創(chuàng)新學(xué)院。四、如填表有不明事宜，請與創(chuàng)新學(xué)院聯(lián)系和咨詢。（聯(lián)系電話：62901107）申請者情況姓名李66性別男出生年月19668所在院（系）機汽學(xué)院專業(yè)年級機設(shè)11級學(xué)號206620項目組成員情況姓名學(xué)號性別出生年月專業(yè)年級分工楊焱麟20166660男1966機設(shè)66級機械部分設(shè)計和組裝朱同雄20110662男19666機設(shè)11級各部分布局規(guī)劃和線路連接王力201166男19669機設(shè)11級PLC無線通信和上位機開發(fā)李劍20116660

3、男1966.8機設(shè)11級機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)教師情況姓名錢鈞職稱副教授學(xué)歷/學(xué)位碩士講授課程PLC原理及應(yīng)用機器人 研究方向教學(xué)機器人和移動機器人所在院（系）機械與汽車工程學(xué)院E-mail地址qianjun電題來源：科研 教學(xué) 設(shè)計 工程 自選 其他（ ）1、 申請理由（知識條件，特長、興趣，相關(guān)經(jīng)歷等）我們組成員對機械裝置和控制系統(tǒng)充滿興趣，喜歡動手拆裝機械裝置和設(shè)計控制系統(tǒng)；我們學(xué)習了電學(xué)、C語言、機械設(shè)計、機電傳動控制、PLC原理及應(yīng)用和傳感器等相關(guān)知識，給我們打好了堅實的理論基礎(chǔ)。我們每人還有自己的特點：李劍曾是校級創(chuàng)新性項目-智能家用藥箱的負責人，在項

4、目進行中，熟練地掌握了單片機的編程和電路板的繪制，擅長于硬件電路設(shè)計，有很好的團隊合作能力。楊焱麟曾是合肥工業(yè)大學(xué)云電動車隊車架組主要負責人，設(shè)計了并制造出了云電一代車的車架，且在去年的全國的比賽中獲得了第一名的好成績。在車隊中，其動手實踐能力和團隊合作意識得到了很大的提高。朱同雄喜歡學(xué)習新的東西，在課余時間，經(jīng)常拆裝和維修很多小東西，有著很好的動手實踐能力。王力，曾參與校級創(chuàng)新性項目-家庭燃氣安全控制，主要負責電路設(shè)計和軟件編程，擅長于單片機C語言編程和電腦軟件的開發(fā)。另外，我們小組隊員堅信無論遇到什么樣的困難，我們都將努力去克服，絕不放棄。同時，我們小組也有信心在大家齊心協(xié)力、共同努力和老

5、師不辭勞苦的指導(dǎo)下完成此項目。 二、項目研究內(nèi)容（目前研究的現(xiàn)狀、研究方法、實驗方案、解決的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點等）目前研究的現(xiàn)狀移動機器人的研究可以追溯到20 世紀60 年代。斯坦福大學(xué)研究所成功地研制一種典型的自主移動機器人 Shakey。它具有在復(fù)雜環(huán)境下，對象識別，自主推理，路徑規(guī)劃及控制功能。與此同時，以General Electric Quadruped為代表的步行機器人也研究成功，它能在不平整，非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中運動。70 年代末，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動機器人的研究又出現(xiàn)新的高潮。特別是 80 年代開始，美國國防部 DARPA 的支助下，由 CMU, St

6、andford大學(xué)和MIT 等單位開展的ALV 研究 ；能源部制定的為期10年的機器人和智能系統(tǒng)計劃，以及后來的空間機器人計劃；日本通產(chǎn)省的極限環(huán)境下作業(yè)機器人計劃和人形機器人計劃；歐洲尤里卡中心的機器人計劃等。 除此之外， 很多世界著名公司不惜投入重金，紛紛開始研究移動機器人。進入90年代后，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動機器人向?qū)嵱没?、系列化、智能化進軍。涌現(xiàn)出許許多多智能移動機器人。如CMU的Navlab系列移動機器人系統(tǒng) ；德國Vamors-P和Caravelle 系統(tǒng)；日本本田公司的P 系列和ASIMO人型機器人 ； 日本索尼的SDR-3X 人型機器人和AIBO娛樂型機器人等代表著移動機器

7、人各個方面的先進研究成果。我國移動機器人是從八五期間開始這方面研究。同世界主要機器人大國相比， 盡管我國在移動機器人的研究起步比較晚，但是發(fā)展卻是很迅速。對于一些室外移動機器人的某些關(guān)鍵技術(shù)達到了或者接近國際先進水平。國內(nèi)移動機器人主要研究成果如下：清華大學(xué)的智能移動機器人 THMR- ,型機器人 ； 中科院沈陽自動化所的AGV 自主車和防爆機器人；香港城市大學(xué)的自動導(dǎo)航車及服務(wù)機器人；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的導(dǎo)游機器人；中科院自動化所的全方位移動式機器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)；國防科技大學(xué)的雙足機器人；由南京理工大學(xué)，北京理工大學(xué)， 浙江大學(xué)等多所院校聯(lián)合研究的軍用室外移動機器人。近年來，以全向運動機構(gòu)為平臺

8、的輪式移動機器人以其優(yōu)異的運動特性，越來越多的受到了國內(nèi)外研究機構(gòu)以及高校的重視，得到了長足的發(fā)展。這其中，Mecanum輪式全向移動機構(gòu)的出現(xiàn)，為移動機器人的發(fā)展注入了新的活力在Mecanum輪的發(fā)明出現(xiàn)以后，美國及世界眾多大學(xué)和公司在此基礎(chǔ)上進行了大量的開發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域涉及到了工業(yè)領(lǐng)域、民用領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域，包括各類叉車、自動引導(dǎo)車、運輸車、競賽機器人等。1996年，美國的Airtrax公司采納了Mecanum輪的技術(shù)，歷史上第一個將運用麥克納姆技術(shù)的車輛商業(yè)化。他們的優(yōu)越性體現(xiàn)在可以在很小的空間環(huán)境中工作實現(xiàn)全方位移動，運動靈活，操作方便，極大的提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。研究方法1.查閱

9、資料法：通過查找國內(nèi)外關(guān)于移動機器人研究的資料文獻，對其進行分析，總結(jié)歸納出自己的設(shè)計方案；2.數(shù)據(jù)分析法：對查找的資料的數(shù)據(jù)和實驗得到的數(shù)據(jù)，進行仔細的研究分析。3.理論計算法：運用力學(xué)、進行理論的計算，選擇合適的機械布局結(jié)構(gòu)；4.模擬實體法：運用軟件，如Solidworks、CATIA等進行仿真模擬；5.實驗法：通過大量的測試、實驗，找尋最佳結(jié)構(gòu)布局；實驗方案：1. 全向移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 機器人設(shè)計采用分層設(shè)計，整個系統(tǒng)組成部分包括：Mecanum全向輪、PLC、無線路由器、避震機構(gòu)和上位機等組成，整個系統(tǒng)采用鋰電池供電。機器人采用四輪驅(qū)動方式，全向輪是整個設(shè)計的核心部

10、分，是實現(xiàn)全向運動的前提?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC控制直流伺服電機實現(xiàn)，上位機是PC機，通過操作PC機上的軟件，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞信息至PLC，PLC控制機器人實現(xiàn)相應(yīng)的運動。1.2輪系設(shè)計本課題采用的全向輪為Mecanum輪，可以實現(xiàn)全向移動，其全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機輪法向力上面。依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小棍子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特

11、殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進行組合，可以更靈活方便的實現(xiàn)全方位移動功能。圖1是實際的Mecanum輪。由于我們采用了四輪驅(qū)動，即可以控制四個電機實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)動的方向和不同的速度，從而可以在狹小的空間實現(xiàn)全向移動。圖2是全向運動的示意圖。例如在圖2的第二個圖中，當左前輪正轉(zhuǎn)，右前輪反轉(zhuǎn)，左后輪反轉(zhuǎn)，右后輪正轉(zhuǎn)的時候，機器人就可以直接橫向往右移動。其他圖也是同樣的原理。 圖1: Mecanum輪 圖2：全向移動示意圖 1.3底盤、減震系統(tǒng)設(shè)計由于機器人采用四輪驅(qū)動

12、系統(tǒng)，想要機器人運動，必須引入減震系統(tǒng)，來解決機器人四輪著地的問題。常見的減震系統(tǒng)是汽車的懸掛系統(tǒng)減震，汽車懸架系統(tǒng)采用的減震器多是液力減震器。對于設(shè)計的小噸位承載機器人，如果引入汽車的懸掛系統(tǒng)，面臨成本太高和體積過大的問題，故不宜采取該方案。我們采用了一套簡易的懸掛系統(tǒng)，采用兩塊彈簧鋼片和底板連接，由于彈簧鋼板具有一定的柔性，當和剛性地板連接后，降低了機器人本體的剛度，在機器人運動過程中，會保證四輪同時著地。同時，為了達到更好的減震效果，我們選用了四個簡易彈簧，通過支撐螺栓，安裝于地板和彈簧鋼片間，起到懸掛作用。2.全向移動機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計2.1運動控制系統(tǒng)概述運動控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功

13、能是直流伺服電機閉環(huán)調(diào)速和上位機和下位機的通信?？刂破饕晕鏖T子公司的S7 1200 PLC為核心，對四路直流伺服電機進行閉環(huán)控制，通過以太網(wǎng)和無線路由器實現(xiàn)和上位機的通信，實時處理上位機發(fā)送的運動控制信息，讓機器人按照預(yù)定軌跡運動。2.2 S7-1200 PLC模塊可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。S7-1200是S7-200的替代版本，其基本結(jié)構(gòu)包括：CPU模塊、信號模塊、信

14、號板、通信模塊。S7-1200 控制器具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點，適用于多種應(yīng)用，能夠保障現(xiàn)有投資的長期安全。由于該控制器具有可擴展的靈活設(shè)計，符合工業(yè)通訊最高標準的通訊接口，以及全面的集成工藝功能，因此它可以作為一個組件集成在完整的綜合自動化解決方案中。2.3 直流伺服電機控制模塊直流伺服電機憑借著其良好的調(diào)速特性，在機器人的控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時伴隨著各種新型直流伺服電機的出現(xiàn)，應(yīng)用比例也逐漸增加。為了提高電機的運行穩(wěn)定性，實際設(shè)計過程中，單獨的電機開環(huán)系統(tǒng)是不能滿足要求的。課題采用了速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)，加上先進PID控制算法，利用PWM輸出進行速度的控制，能起到很好的效果

15、。直流伺服電機伺服控制器PLC光電編碼器 圖3 圖3為速度閉環(huán)控制的圖，PLC通過發(fā)送PWM來控制電機的轉(zhuǎn)速，由光電編碼器檢測出電機的實際轉(zhuǎn)速，將實際值和理論值進行比較，經(jīng)過數(shù)字PID運算后，更新各個電機的PWM占空比，以達到對電機的實時控制。創(chuàng)新點：1、四輪驅(qū)動，可以很好的實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向和全向移動。2、速度的閉環(huán)控制，實現(xiàn)準確運動。參考文獻1 劉磊.帶Mecanum輪的移動機器人全向移動控制研究J.系統(tǒng)工程理論與實踐，2011，31(1):66-722翟天嵩. 全向移動機器人運動控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)J.南陽理工學(xué)院學(xué)報，2011，3(04)：9-133 王志龍. 全向移動機器人電控系統(tǒng)設(shè)計J.

16、自動化與儀表.2012（12）:6-104 劉洲,吳洪濤.Mecanum四輪全方位移動機構(gòu)運動分析與仿真 J .中國制造業(yè)信息化, 2011(5):43-45 5 王國勝，呂紅濤，呂強. 四輪全向移動機器人的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)設(shè)J.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2013，27(1):59-646 匡建輝，楊宜民.基于模糊PD控制的四輪驅(qū)動全向移動機器人速度補償控制器研究J.計算與自動化，2011，30(1):22-257 何效飛，楊宜民.基于模糊自適應(yīng)控制的全向移動機器人的運動控制研究J.計算機與現(xiàn)代化，2012（9）：159-1638 劉春陽,譚應(yīng)清,柳長安,馬瑩巍.多智能體強化學(xué)習在足球機器人中的研

17、究與應(yīng)用J. 電子學(xué)報. 2010(08) 三、項目進度安排（查閱資料、選題、自主設(shè)計項目研究方案、開題報告、實驗研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理與分析、研制開發(fā)、填寫結(jié)題表、撰寫研究論文和總結(jié)報告、參加結(jié)題答辯和成果推廣等）1. 項目準備階段（2014.62014.8）補充相關(guān)的知識；對相關(guān)的組成部分進行分析，選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布局。制定具體可行的實驗方案；購買所需電機、輪子和PLC等相關(guān)部件；2. 項目進行階段（2014.92015.2）實體組裝，電路連接；控制系統(tǒng)和無線通信程序的完成；3. 項目后期階段（2015.22015.3）進行功能的測試，改進；4. 項目總結(jié)工作（2015.32015.4）準備相關(guān)的結(jié)題報告，ppt和論文等；準備答辯；四、擬利用資源（實驗室、研究所、創(chuàng)新基地、實踐基地、儀器設(shè)備、資料等）實驗地點：PLC實驗室、傳感器實驗室、工培中心；儀器設(shè)備：PLC試驗臺，示波器；資料：網(wǎng)上和圖書館查找與移動機器人有關(guān)的文獻； 五、經(jīng)費使用計劃序號支出項目