小型輪式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動控制研究

目錄1緒論………………………21．1引言…………………21．2輪式移動機(jī)器人的開展概況………21．3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀……………………61.3.1國外研究現(xiàn)狀……………………61.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀……………………81．4論文研究的背景和意義……………91.4.1研究背景…………91.4.2研究的意義………………………101．5論文研究的主要內(nèi)容……………132輪式機(jī)器人的運(yùn)動控制………………132．1移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計………132.1.1原理………………132.1.2元器件的選擇……………………132.1.3移動機(jī)器人平臺總體結(jié)構(gòu)………142.1.4移動機(jī)器人硬件系統(tǒng)……………152.1.5移動機(jī)器人電源及驅(qū)動模塊……………………172.1.6移動機(jī)器人傳感系統(tǒng)……………182．2移動機(jī)器人運(yùn)動控制研究………182.2.1車體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動學(xué)分析…………183輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………213．1移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析…………213.1.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)…………213.1.2車輪………………213．2移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………223.2.1移動機(jī)器人零部件設(shè)計選擇……………………233.2.2傳動的設(shè)計計算…………………263.2.3計算蝸桿傳動主要尺寸…………27結(jié)論………………………33致謝………………………34參考文獻(xiàn)…………………351緒論1．1引言機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立和開展是20世紀(jì)自動控制最具說服力的成就，是20世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重大成果。機(jī)器人從爬行到學(xué)會兩腿直立行走，僅僅用了20年，而人類的這一個過程那么經(jīng)歷了上百萬年?，F(xiàn)在全世界已經(jīng)有近100萬臺機(jī)器人，機(jī)器人的技術(shù)和工業(yè)得到了前所未有的飛速開展。機(jī)器人已經(jīng)能夠使用工具，能看，能聽，能說，并且開始能進(jìn)行一些決策和思考的智能行為，其應(yīng)用也從傳統(tǒng)的加工制造業(yè)逐漸擴(kuò)展到軍事，海洋探測，宇宙探索等領(lǐng)域，并開始進(jìn)入家庭和效勞行業(yè)。作為一種先進(jìn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)器人技術(shù)的開展與自動控制技術(shù)的開展息息相關(guān)。自動擴(kuò)展系統(tǒng)是機(jī)器人的中樞神經(jīng)，他控制著機(jī)器人的思維，決策和行為，幾乎所有自動控制技術(shù)都在機(jī)器人的控制上得到了應(yīng)用。近年來，智能控制的開展十分迅速，這必將促使機(jī)器人的智能化水平到達(dá)新的高度。移動機(jī)器人是一種由傳感器、遙控操作器和自動控制的移動載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動機(jī)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、水下等)環(huán)境作業(yè)方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動性、靈活性。隨著科技的進(jìn)步，人類對未知世界進(jìn)行探索的愿望越來越強(qiáng)烈，移動機(jī)器人的開展也日新月異。60年代后期，美國和蘇聯(lián)為完成月球探測方案，研制并應(yīng)用了移動機(jī)器人。美國“探測者〞3號，其操作器在地面的遙控下，完成了在月球上挖溝和執(zhí)行其他任務(wù)。蘇聯(lián)的“登月者〞20號在無人駕駛的情況下降落在月球外表，操作器在月球外表鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進(jìn)回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大學(xué)研制出具有仿人功能的兩足步行機(jī)器人。由于這些機(jī)器人通常可以適應(yīng)不同的環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場輻射、重力等條件的影響，因此移動機(jī)器人常被用來完成一些人類無法進(jìn)行的任務(wù)。1．2輪式移動機(jī)器人的開展概況近20年來，移動機(jī)器人的研究十分活潑，并得到了快速開展，這主要有兩個方面的原因:其一，移動機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，包括國防工業(yè)、制造業(yè)、輕重工業(yè)以及效勞業(yè)等諸多領(lǐng)域。其二，目前國內(nèi)外的星際探索和海洋開發(fā)兩大高端技術(shù)領(lǐng)域的市場需求也是促使移動機(jī)器人開展的客觀因素與潛在動力。機(jī)器人在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，在制造領(lǐng)域，為了保證較高的產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，機(jī)器人已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的手段之一。到目前為止，地面運(yùn)動機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、步行式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點。(1)履帶式。最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，后來出現(xiàn)在某些地面行駛機(jī)器人上。履帶式機(jī)器人可以在凹凸不平的地面上行走[1]，可以跨越障礙物，爬梯度不太高的臺階，具有行駛速度較快(介于輪式和腿式之間)，承載能力較強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向不易，比擬笨重的特點。如圖1所示的履帶式移動機(jī)器人，由于其采用了像坦克那種的履帶式設(shè)計，因此能夠適用于更廣泛的地形。圖1履帶式移動機(jī)器人(2)步行式。其中步行式機(jī)器人對場地有良好的適應(yīng)能力，特別是多足機(jī)器人，能夠跨越臺階，但動作是間歇的，速度不快，且控制復(fù)雜，實現(xiàn)相對困難[2]。從移動的方式來看，步行式移動機(jī)器人可以分為兩類:動態(tài)行走機(jī)器人和靜態(tài)行走機(jī)器人。根據(jù)支腿的數(shù)量又可分為兩足、四足、六足和多足。①六足行駛機(jī)構(gòu)采用六足行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人很多[3]，一般都采用變換支撐腿的方式，將整體的重心從一局部腿上轉(zhuǎn)移到另一局部腿上，從而到達(dá)行走的目的。具有代表性的有美國CMU大學(xué)開發(fā)的一種六足結(jié)構(gòu)(如圖2)，它是由六條支腿組成，每條支腿具有由水平旋轉(zhuǎn)和垂直移動兩個自由度。在行走過程中，整個支腿可以繞軸端在水平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，支腿的末端可以通過連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行垂直方向的上下移動，以調(diào)整姿態(tài)，最終使機(jī)器人保持水平。通過六條腿的交替運(yùn)動來實現(xiàn)機(jī)器人的行走。圖2六足仿生機(jī)器人②多足行走機(jī)構(gòu)如圖3所示的八足仿生機(jī)器人，這種機(jī)構(gòu)是一種八足行走的移動機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動的特點是在前行時相對于身體總是后腿到前腿的順序，后腿著地后前腿才離地，機(jī)器人兩側(cè)的相應(yīng)局部也是成相位交替著運(yùn)動。近期的八足機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)上沒有太大的突破，在控制方面，那么不斷地出新，將現(xiàn)代的計算機(jī)等高科技應(yīng)用到機(jī)器人上。由此可以看出，對于步行式移動機(jī)器人，雖然越野能力比擬強(qiáng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行走速度比擬緩慢。圖3多足行走機(jī)構(gòu)(3)車輪式。車輪式移動機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)輕、動作穩(wěn)定、操縱簡單、其移動速度和方向容易控制等優(yōu)點。常用來在無人工廠中搬運(yùn)零部件或做其它工作，適用于平地行走，運(yùn)動速度快，但其越野能力比步行式機(jī)器人稍遜一籌[4-5]。但隨著各式各樣的車輪底盤和懸架系統(tǒng)的出現(xiàn)，像美國MCU的六輪三體柔性機(jī)器人Robby和美國研制的火星探路者機(jī)器人，使得車輪式機(jī)器人能適應(yīng)凹凸不平的地形[6-7]，越野能力大大加強(qiáng)。于是人們對機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)研究的重點也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來，近期日本開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨特的五點支撐懸吊結(jié)構(gòu)MiCroS，由于其采用一支撐輪，所以有很好的越野能力。輪式移動機(jī)器人按輪數(shù)的多少又可分為三輪、四輪、五輪、六輪以及多輪，其中以四輪和六輪研究居多。①兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機(jī)器人不加裝車體的兩輪移動機(jī)器人是典型的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，左右輪分別由一個電機(jī)動，依靠差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向靈活但當(dāng)安裝上車體時，就同自行車機(jī)器人一樣，要考慮機(jī)器人的平衡問題。這種兩輪移動機(jī)器人具有極強(qiáng)的靈活性而且它的行為與火箭飛行以及兩足機(jī)器人行走有很大的相似性，因而對其理論及控制系統(tǒng)的研究受到國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的高度重視近年來，該機(jī)器人逐漸成為全球機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點之一。美國和日木的研究機(jī)構(gòu)相繼開始了這方而的應(yīng)用研究并取得了初步成果兩輪行走機(jī)構(gòu)是自然不穩(wěn)定體，是高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)目前還存在許多問題，不能實際應(yīng)用[8]。②四輪移動機(jī)器人輪式移動機(jī)器人中最常見的機(jī)構(gòu)就是四輪移動機(jī)器。人當(dāng)在平整地而上行走時，這種機(jī)器人是最適宜的選擇。并且在其他領(lǐng)域(如汽車領(lǐng)域)已為其開展提供了成熟的技術(shù)。四輪結(jié)構(gòu)一般比擬簡單，但其越野能力有限，如圖4所示為一四輪移動機(jī)器人。要想提高此類機(jī)器人的越野能力，就必須對其底盤機(jī)構(gòu)及驅(qū)動方式進(jìn)行改良。具有代表性的是美國MCU研制的Nomad，它采用的是可變形的底盤和均化懸掛系統(tǒng)。其底盤可通過兩個四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形，當(dāng)?shù)妆P展開時四桿機(jī)構(gòu)變成一個菱形，當(dāng)?shù)妆P收縮時四桿機(jī)構(gòu)變成一條直線。均化懸掛系統(tǒng)可以平滑機(jī)器人本體相對于輪子的運(yùn)動，這種結(jié)構(gòu)可保證在各種地形情況下四輪都能同時著地。圖4Nomad四輪機(jī)器人圖5“勇氣號〞火星探測車②六輪。具有代表性的是美國研制的火星探測車，如圖5所示，它采用的是六輪搖臂懸架機(jī)構(gòu)，其采用對稱式結(jié)構(gòu)，單側(cè)搖臂主要包括主搖臂、副搖臂、前后兩個主動輪以及中間的隨動輪。與四輪結(jié)構(gòu)相比，由于引入了副搖臂和從動輪，當(dāng)遇到障礙時，通過對副搖臂的轉(zhuǎn)動，并借助于從動輪來調(diào)整重力在各個輪上的分力，可以提高車體的穩(wěn)定性和越野能力。1．3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究現(xiàn)狀機(jī)器人技術(shù)是20世紀(jì)中期的重大創(chuàng)造。從60年代起美、俄、日、法等國在航天領(lǐng)域拼搏角逐、爭雄霸業(yè)。美國曾在1966～1968年間，向月球成功發(fā)射了兩次無人巡游探測器。美國“登月者20號〞在無人駕駛的情況下，降落在月球外表，自由行走，鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進(jìn)回收容器送回了地球。1997年由美國JPL(全稱JetPropulsionlaboratory，美國太空總署噴氣推進(jìn)實驗室)研制的Sojourner號探測車登上了火星。盡管它僅僅是一輛工程示范車，有效載荷很小，而且還不能離開登陸車太遠(yuǎn)，但它驗證了小型火星車的性能，并且完成了一系列的技術(shù)實驗[9]。2004年1月，美國的“勇氣號〞和“機(jī)遇號〞火星探測車再度登上火星[10]。2007年，JPL又成功研制了ATHLETE月球探測車(如圖1)。該車有六條支腿，每條支腿上均含有一個驅(qū)動輪。每個支腿及車輪均可以獨立運(yùn)動，其越障性能和對環(huán)境的適應(yīng)性都有了很大的提高[11]。前蘇聯(lián)在1959～1976年間，總共成功發(fā)射了兩個月球探測車。其中2號車(lunokhod-2)最為成功。該車工作了四個月，行駛了37km。歐洲和日本也對行星探測車做了很多深入的研究，并已研制出了樣車，不過目前仍未登陸。圖1ATHLETE月球探測車在軍事領(lǐng)域中，德國在二戰(zhàn)期間就曾經(jīng)研制了數(shù)千輛遙控?zé)o人自爆式坦克，這是無人戰(zhàn)車的最早雛形。近十年來，美國為了滿足未來地面戰(zhàn)爭的需要，非常重視地面智能移動機(jī)器人的研究，己經(jīng)研究了一系列智能機(jī)器人，并己裝備軍隊。在反恐和現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，智能移動機(jī)器人己經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。美國軍方在阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中都曾廣泛使用M-Gator無人戰(zhàn)車。在這兩次戰(zhàn)爭中，智能機(jī)器人公司的PackBot履帶式無人戰(zhàn)車也曾執(zhí)行過數(shù)千次任務(wù)，比方掃除路邊炸彈，到洞穴或房屋內(nèi)進(jìn)行搜索等，為戰(zhàn)爭的勝利提供了有利保障。近兩年來，美國軍方又研制了“大狗〞四足機(jī)器人(如圖2)。該機(jī)器人主要用來在戰(zhàn)場上運(yùn)送物品，它具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。無論是在路面復(fù)雜的山地，還是在非常光滑的冰面，它都可以自己調(diào)節(jié)平衡，從而越過障礙，到達(dá)目的地。即使受到外界的沖擊，也可以像動物一樣調(diào)節(jié)自身穩(wěn)定，繼續(xù)行走[12]。圖2美國Big-Dog國內(nèi)研究現(xiàn)狀當(dāng)今我國對探測開發(fā)太空投入了極大的關(guān)注，輪腿式移動機(jī)器人是現(xiàn)今最流行的行星探測車結(jié)構(gòu)，雖然與國外的水平還有不小的差距，但國家政府在這方面也加大了投入力量，現(xiàn)在一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)相繼開展了有關(guān)輪腿式機(jī)器人方面的研究工作，也取得了一定的成果。如清華大學(xué)在行星外表環(huán)境及探測機(jī)器人幾何建模方面做了大量的工作，并對相關(guān)的電機(jī)驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行了深入探討。與此同時，國防科大的研究小組以我們剛提到的Sojourner為藍(lán)本，研制出了KDR一試驗樣車(如圖3)，并對其自主導(dǎo)航及路徑規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行了研究。此外中國科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)都在輪腿式行星移動機(jī)器人方面進(jìn)行了一系列研究工作，并取得了初步的成果。近幾年來，中國在移動機(jī)器人方面取得的主要成績有以下幾個方面:1、上海交通大學(xué)的劉方湖、陳建平等提出了一種5輪月球機(jī)器人，并從結(jié)構(gòu)上研究了其越障性能、靜態(tài)穩(wěn)定性和附著性能[13]。該車前三輪均能獨立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，后面兩輪是從動輪。前輪有電機(jī)驅(qū)動，使其做俯仰運(yùn)動。2、上海大學(xué)研制了一種可越障輪式全方位移動機(jī)構(gòu)—車輪組機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)保證在姿態(tài)保持不變的前提下，沿壁面任意方向直線移動或在原地旋轉(zhuǎn)任意角度，同時能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行路徑中的障礙。上海大學(xué)的張海洪、龔振邦等對其越障性能作了簡單的機(jī)理分析和全方位移動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析[14]。3、中國科技大學(xué)的程剛，竺長安等提出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)移動越障機(jī)器人(如圖4)，并對該機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)建模與仿真[15]。該機(jī)器人是將輪式、腿關(guān)節(jié)式、履帶式三種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來設(shè)計而成，它采用后輪驅(qū)動，每個輪子分別由一臺直流伺服電機(jī)帶動，跟履帶車一樣通過差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。車前部有平行四邊形的擺桿通過鍵與車體的前輪軸固連,車體前方有兩臺直流伺服電機(jī)分別控制兩邊平行四邊形擺桿的運(yùn)動，在遇到突變障礙時，擺桿下壓，產(chǎn)生撐地的動作，從而實現(xiàn)越障。圖3KDR-1試驗樣車清華大學(xué)陸文娟等人對一種六輪式移動機(jī)器人做了比擬詳細(xì)的研究[16]，這種機(jī)器人具有6個主動輪且都能獨立轉(zhuǎn)向，該機(jī)器人地形適應(yīng)性能較普通4輪機(jī)器人要好。圖4復(fù)合結(jié)構(gòu)移動越障機(jī)器人1．4論文研究的背景和意義研究背景早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機(jī)械人偶。到了近代，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活潑在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。移動機(jī)器人隨其應(yīng)用環(huán)境和移動方式的不同，研究內(nèi)容也有很大差異。其共同的根本技術(shù)有傳感器技術(shù)、移動技術(shù)、操作器、控制技術(shù)、人工智能等方面。它有相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚的視覺傳感器、聽覺傳感器和觸覺傳感器。移動機(jī)構(gòu)有輪式(如四輪式、兩輪式、全方向式、履帶式)、足式(如6足、4足、2足)、輪腿式(用輪子和足)、特殊式(如吸附式、軌道式、蛇式)等類型。輪子適于平坦的路面，足式移動機(jī)構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境?，F(xiàn)今移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)己經(jīng)不僅僅限制于輪式或足式。從80年代開始，一種新型的移動機(jī)構(gòu)成為了研究移動機(jī)器人的熱點—輪腿式移動機(jī)構(gòu)。這種移動機(jī)構(gòu)使移動機(jī)器人具有了速度快、穩(wěn)定性好以及對地面的適應(yīng)能力強(qiáng)的特點。輪式移動機(jī)器人中最常見的機(jī)構(gòu)就是二輪及四輪移動機(jī)器人當(dāng)在平整地而上行走時，這種機(jī)器人是最適宜的選擇。并且在其他領(lǐng)域(如汽車領(lǐng)域)已為其開展提供了成熟的技術(shù)。研究的意義智能移動機(jī)器人在各種復(fù)雜地形上都具有較高的機(jī)動性，可以進(jìn)入人類無法進(jìn)入或生存的環(huán)境，適用于國防和民用等多個領(lǐng)域，在反恐斗爭中也發(fā)揮了巨大作用。移動機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面:(1)軍事偵察，排除險情在軍事行動中常需要對未知的環(huán)境進(jìn)行偵察。由于地形的復(fù)雜特性以及軍事行動中的危險性，采用普通的智能車輛或者人工進(jìn)行偵察都很難完成任務(wù)。智能移動機(jī)器人為軍事行動提供了一個可靠的平臺。由于它對地面的適應(yīng)性，可以使其順利到達(dá)目的地。如在車上安裝攝像機(jī)、平安激光測距儀、夜視裝置和GPS全球定位系統(tǒng)等設(shè)備，通過無線電或者光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報搜集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)。除軍事偵察外，智能移動機(jī)器人還常被用來完成掃除路邊炸彈、尋找地雷和銷毀地雷等危險任務(wù)。探測危險，航天航空在考古、工程檢測和災(zāi)后救援等方面，移動機(jī)器人由于其良好的越障性能，也發(fā)揮著巨大的作用。在國外，智能移動機(jī)器人己經(jīng)被用來探測金字塔內(nèi)王后室的秘密通道[17]。在工程建設(shè)領(lǐng)域，可對水庫堤壩、海岸護(hù)岸堤、江河大壩進(jìn)行質(zhì)量和平安性檢測，還可應(yīng)用在碼頭、橋墩等被撞后的受損程度探測評估。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中的機(jī)械損傷、裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管線的泄露和破損點的查找和定位等[18]。民用方面，可以探測泄露物質(zhì)，可以進(jìn)行地鐵滅火，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。從上個世紀(jì)60年代后期，人類就開始了對宇宙外星球的探測。到目前為止，人類研究的星球主要是月球和火星。由于外星球上空氣、輻射、溫度和重力等條件的影響，人類很難直接進(jìn)行探測和研究。為此，通過移動機(jī)器人采集星球樣本進(jìn)行研究己經(jīng)成為研究外星球的重要手段。智能導(dǎo)航，快速運(yùn)輸在現(xiàn)代化的大型商場、醫(yī)院等公共場所。智能機(jī)器人可以充當(dāng)導(dǎo)游、售貨員、保安等多種職業(yè)。不僅可以為行人帶路、介紹周圍環(huán)境，還可以有效的維護(hù)公共場所里治安。在大型碼頭、貨場和倉庫，已經(jīng)開始利用這種智能移動機(jī)器(AGV)作為主要的運(yùn)輸工具。通過預(yù)先編好的程序和規(guī)劃的路徑，它們可以自己在指定位置充電，并且長時間的高效率的不間斷工作。大大提高了運(yùn)輸量。智能移動機(jī)器人根據(jù)不同的需要，可采取不同的移動機(jī)構(gòu)。但總體目標(biāo)都是向著高度的機(jī)動性、良好的穩(wěn)定性以及簡單的可控性開展。移動機(jī)器人技術(shù)在經(jīng)過幾十年的開展過程之后，己經(jīng)取得很大進(jìn)展，并且成為新興且快速成長的行業(yè)。隨著機(jī)器人技術(shù)的開展和人類活動領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，移動機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地拓寬，從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域開展，如海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、效勞、娛樂等行業(yè)都提出自動化和機(jī)器人化的要求。人們期望機(jī)器人能在許多人類不能及的區(qū)域來代替人類完成更復(fù)雜的任務(wù)。因此，研究與開發(fā)一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的移動機(jī)器人的綜合控制系統(tǒng)，勢在必行。傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)源自基于認(rèn)知的人工智能模型，在這種模型中，智能任務(wù)由運(yùn)行于符號模型之上的推理過程來實現(xiàn)，它強(qiáng)調(diào)帶有環(huán)境模型或地圖的中央規(guī)劃器是其智能不可缺少的組成部份，而且該模型必須是準(zhǔn)確的、一致的。該模型遵循從感知到動作的串行功能分解控制路線，系統(tǒng)的可靠性、魯棒性和反響性差。反響式控制系統(tǒng)將機(jī)器人行為的感知、規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行等過程封裝成一個行為模塊，某一時刻，只有一種行為控制機(jī)器人。反響式控制系統(tǒng)能使機(jī)器人快速地對時變的、非人為構(gòu)造的環(huán)境進(jìn)行反響。反響式控制系統(tǒng)的局限性是機(jī)器人通常不能保存周圍信息，沒有記憶功能，沒有內(nèi)部的環(huán)境描述，沒有實時學(xué)習(xí)/規(guī)劃能力?；谛袨榭刂品椒ㄊ欠错懯较到y(tǒng)的擴(kuò)展，它介于純粹的反響式和極端的慎思型之間。在基于行為控制方法中，控制系統(tǒng)的分解是以面向任務(wù)的(Task-Oriented〕方式進(jìn)行的，機(jī)器人把所要完成的任務(wù)分成根本的簡單的行為單元，各單元彼此協(xié)調(diào)工作。每個單元都有自己的感知器和執(zhí)行器，構(gòu)成感知一執(zhí)行動作行為。機(jī)器人根據(jù)行為的優(yōu)先級并結(jié)合本身的任務(wù)綜合作出反響。其優(yōu)點在于每個行為的功能較簡單，可以通過簡單的傳感器及其快速信息處理過程獲得良好的運(yùn)行效果。因此，行為控制是進(jìn)行機(jī)器人底層控制的最正確選擇。1．5論文研究的主要內(nèi)容本文對輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)動控制技術(shù)進(jìn)行了研究。這一機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)為四輪式結(jié)構(gòu)。即各車輪與車架直接相連，使其具有行走功能。本機(jī)構(gòu)配備大直徑輪軸，使其能適應(yīng)室外、草地、沙地等行走環(huán)境。同時配備自主驅(qū)動控制，能實現(xiàn)無半徑轉(zhuǎn)向跨越障礙、躲避障礙等功能。移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。此內(nèi)容包括機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)形式和外形尺寸確實定。移動機(jī)器人的模塊化設(shè)計。移動機(jī)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)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。是一種具有一定智能、在一定范圍內(nèi)移動且能完成各種規(guī)定任務(wù)的機(jī)器人。與普通機(jī)器人的主要區(qū)別是移動機(jī)器人一般安裝在可移動的平臺載體上?？稍谳^大地域范圍內(nèi)活動。在設(shè)計移動機(jī)器人時應(yīng)遵循以下機(jī)構(gòu)設(shè)計原那么[19]：a.總體機(jī)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試和修理。b.應(yīng)給機(jī)器人暫時未能裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來功能改良與擴(kuò)展。c.采取模塊化設(shè)計，各個功能模塊之間相互獨立裝配.互不干擾。移動機(jī)器人的運(yùn)動控制分析。要順利躲避障礙，機(jī)器人必須具備自主靈活的轉(zhuǎn)向性能。因此，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向性能是其地面適應(yīng)能力的一個關(guān)鍵方面。2輪式機(jī)器人的運(yùn)動控制2．1移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計本次設(shè)計的論述移動機(jī)器人為以STC12C-5408AD為控制核心的后驅(qū)四輪機(jī)器人。如圖5所示，在車身最前局部是信號采集模塊，負(fù)責(zé)對工作環(huán)境中的線標(biāo)志的讀取，前輪萬向輪來作支撐轉(zhuǎn)向，后輪是機(jī)器人前進(jìn)的主要動力，用直流電機(jī)驅(qū)動，當(dāng)機(jī)器人拐彎時采用差速機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動[20]。圖5輪式移動機(jī)器人2.1.1原理單片機(jī)[21]系統(tǒng)通過信號采集模塊，對路面標(biāo)記的信號進(jìn)行讀取，并把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到單片機(jī)，單片機(jī)通過己經(jīng)寫入的程序?qū)ψx取到的信號進(jìn)行判斷，進(jìn)而通過電機(jī)驅(qū)動模塊和車體轉(zhuǎn)向控制模塊來決定機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。電機(jī)驅(qū)動模塊采用直流電機(jī)對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動，并調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向。2.1.2元器件的選擇本次設(shè)計主要實現(xiàn)信號采集與分析、直流電機(jī)控制兩大功能，而單片機(jī)系統(tǒng)為機(jī)器人最終運(yùn)動狀態(tài)的決定者，因此單片機(jī)的選擇很大程度上決定了移動機(jī)器人的性能。信號的采集一般需要有AD轉(zhuǎn)換接口，本次設(shè)計中選擇了國產(chǎn)的STC12C5408ADV)，指令系統(tǒng)和MCS-51系列完全兼容。其內(nèi)部還有8kBFlash程序存儲器，512ByteRAM,2kBEZPROM,8通道10位ADC、4路PWM以及硬件看門狗(WDT)等資源，并具有ISP功能，用戶在自己的目標(biāo)系統(tǒng)上，經(jīng)串口和PC連接，就可直接由PC對其進(jìn)行ISP下載編程，時間僅幾秒鐘。在集成整個控制系統(tǒng)之前，還要考慮電源問題。運(yùn)行過程中電機(jī)消耗的電量要比控制系統(tǒng)消耗的多，而且在運(yùn)行過程中機(jī)器人的加速、減速、拐彎等動作會導(dǎo)致電壓的不穩(wěn)定，故實行控制系統(tǒng)電源和電機(jī)驅(qū)動電源的別離，對單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計了一個獨立的以MAX639為核心的供電系統(tǒng)，確保單片機(jī)得到5V的電源。2.1.3移動機(jī)器人平臺總體結(jié)構(gòu)移動機(jī)器人應(yīng)具有如下功能：進(jìn)行靜態(tài)全局路徑規(guī)劃，并控制機(jī)器人實現(xiàn)全局導(dǎo)航，完成指定任務(wù)；當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)障礙物時，機(jī)器人識別障礙并采用相應(yīng)的避障策略實現(xiàn)避障；主動視覺系統(tǒng)可以完成目標(biāo)搜索和跟蹤功能；同時可用于輔助全局導(dǎo)航和移動機(jī)器人將要到達(dá)指定目標(biāo)時的精確定位。鑒于以上的研究目標(biāo)，提出如下總體設(shè)計要求：機(jī)器人動作靈活，控制方便；采用模塊化設(shè)計應(yīng)具有較豐富的環(huán)境感知能力，以便對機(jī)器人的行為控制進(jìn)行更全面的研究；在保證功能實現(xiàn)的前提下，盡量減少系統(tǒng)硬件的本錢；便于功能擴(kuò)展、軟硬件調(diào)試、及系統(tǒng)維護(hù)。基于上述設(shè)計要求研發(fā)的移動機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)，由下至上分為五層:主要分為用戶層、決策控制層、傳感/底層決策層、運(yùn)動執(zhí)行層。各層與各層之間通訊都有標(biāo)準(zhǔn)的物理層與協(xié)議層，因此各層都具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。2.1.4移動機(jī)器人硬件系統(tǒng)系統(tǒng)硬件由移動機(jī)器人平臺和無線通信系統(tǒng)組成，采用上下位二級分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用基于模塊化并行通信的多微處理器分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)，完成對移動機(jī)器人的行為動作控制；主要完成的移動機(jī)器人全局導(dǎo)航控制功能和基于主動視覺的移動機(jī)器人導(dǎo)航控制等功能；通過無線通信系統(tǒng)和上位機(jī)進(jìn)行信息交互。移動機(jī)器人平臺為典型的四輪式機(jī)器人，前兩輪為萬向輪，兩后輪單獨驅(qū)動，后輪安裝了左右輪直流電機(jī)及其電機(jī)控制器，這個移動機(jī)器人平臺可以爬坡和越障，為實現(xiàn)三維空間的導(dǎo)航提供了平臺。系統(tǒng)硬件組成可分為以下三個大模塊:電源及驅(qū)動模塊、傳感器模塊、控制計算機(jī)模塊，而按功能類別分，該機(jī)器人又可分為用戶層、傳感/控制子系統(tǒng)、智能和決策子系統(tǒng)、運(yùn)動控制層如圖6所示。圖6移動機(jī)器人平臺系統(tǒng)硬件組成2.1.5移動機(jī)器人電源及驅(qū)動模塊此處省略

NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設(shè)計圖紙等.請聯(lián)系

扣扣：九七一九二零八零零另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計下載！該論文已經(jīng)通過辯論2.1.6移動機(jī)器人傳感系統(tǒng)移動機(jī)器人的傳感系統(tǒng)負(fù)責(zé)獲取機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)和外部工作環(huán)境的信息，是移動機(jī)器人感知、決策和動作三大要素之一。傳感系統(tǒng)的硬件組成單元是傳感器，其功能是為機(jī)器人提供諸如視覺、力覺、觸覺等對外部環(huán)境的感知能力，同時還可以感知機(jī)器人本身的工作狀態(tài)和位置。外部傳感器有:傳感器模塊上配備24路超聲測距傳感器(聲納)及光電開關(guān)(避碰用)、兩自由度攝像云臺、全景視覺攝像機(jī)、接觸和接近傳感器等，并提供8個預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)接口。結(jié)構(gòu)如圖10所示。傳感器主板如圖11所示，其中12點方向的超聲波傳感器及紅外傳感器接口號為24#，順時針方向為1、2、3、4、5……。圖10傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖11傳感器主板絲印圖傳感器主板電源由兩針接口POWER輸入之后分成兩路，一路經(jīng)過可恢復(fù)保險管與TVS管(用于反接與過壓保護(hù))為傳感器系統(tǒng)提供24電源，另一路直接為PC提供電源。其中LEDO1與LED02分別是傳感器系統(tǒng)與PC系統(tǒng)電源指示燈。圖12電源輸入以及簡單保護(hù)電路2．2移動機(jī)器人運(yùn)動控制研究移動機(jī)器人通常利用輪子、腿或其他機(jī)械裝置在應(yīng)用環(huán)境中來回移動。本文討論的為四輪式結(jié)構(gòu)。前面兩個輪為隨動輪，僅起到支承車體而無導(dǎo)向作用，后面兩輪為驅(qū)動輪，用兩臺電機(jī)分別驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)后輪的轉(zhuǎn)速來控制車體運(yùn)行的速度和轉(zhuǎn)動角速度。2.2.1車體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動學(xué)分析圖13為可移動機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)簡圖。小車兩后輪為驅(qū)動輪分別由兩臺電機(jī)驅(qū)動，每臺電機(jī)與后輪各構(gòu)成一個速度閉環(huán)，為恒速輸出，在工作載荷內(nèi)，調(diào)節(jié)兩電機(jī)的輸入電壓即可調(diào)節(jié)兩后輪的轉(zhuǎn)速。小車兩前輪為隨動輪，僅起到支承車體的作用而無導(dǎo)向作用。圖13車體結(jié)構(gòu)圖圖14車體運(yùn)動路徑圖14為車體運(yùn)動路徑示意圖。車體運(yùn)動起始點O為坐標(biāo)原點，經(jīng)時間t后車體運(yùn)動到點A處.其中，Ex(t)和Ey(t)為小車在X方向上和Y方向上的位移；θ(t)和。ω(t)為小車的角位移和角速度。為小車兩后輪中點處的移動速度。因此可推得如下關(guān)系式：Ex〔t〕=(1)Ey〔t〕=(2)θ(t)=(3)在小誤差范圍內(nèi)可以認(rèn)為:cosθ(t)=1〔4〕sinθ(t)=θ(t)〔5〕控制小車的兩電機(jī)電壓保證小車兩后輪中點處的速度為常量，即v=v0，那么式〔1〕，〔2〕和〔3〕可表示如下：Ex〔t〕=v0t〔6〕Ex〔t〕=〔7〕θ(t)=〔8〕經(jīng)過實測，小車兩電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)特性一致.電機(jī)輸入電壓與車輪轉(zhuǎn)速關(guān)系如下：n=knU+Cn〔9〕式中n為車輪轉(zhuǎn)速，U為電機(jī)輸入電壓，kn和Cn為常數(shù)。根據(jù)推導(dǎo)可獲得車體轉(zhuǎn)動的角速度ω〔t〕和小車后輪中點處的速度v0如下：ω〔t〕=〔n2-n1〕Dπ/W〔10〕v0=〔n2+n1〕Dπ/2〔11〕其中n1和n2分別為小車左輪和右輪的轉(zhuǎn)速，D為小車后輪的直徑，W為小車兩后輪的距離。把式〔9〕代入式〔10〕和〔11〕中，得ω〔t〕=〔U2-U1〕Dπkn/W〔12〕v0=〔U2+U1〕Dπkn/2+DπCn〔13〕其中U2和U1為小車左輪和右輪的輸入電壓。由式〔13〕可知，假設(shè)小車兩電機(jī)輸入電壓之和為常數(shù)，那么小車兩后輪中點處速度v0為常數(shù)。當(dāng)小車有一瞬時角速度ω〔t〕時，所需兩電機(jī)電壓差Δ為ΔU=U2-U1=ω〔t〕W/(Dπkn)〔14〕假設(shè)使：〔15〕那么小車兩電機(jī)輸入電壓之和為常數(shù)，即U2+U1=2U〔16〕式中，U為小車作直線運(yùn)動時兩電機(jī)的輸入電壓，U值決定于v0的大小。對于此系統(tǒng)，我們不關(guān)心位移，只要求小車能夠沿著示教的路徑做再現(xiàn)運(yùn)動，即希望Ey(t)=0.式(7),(8)和(14)經(jīng)拉氏變換后為:Ey(s)=v0θ(s)/s〔17〕θ(s)=ω〔s〕/s〔18〕ΔU(s)=Wω〔s〕/(Dπkn)〔19〕由式〔17〕、〔18〕、〔19〕給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖15所示。圖15系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計要開發(fā)能夠適應(yīng)復(fù)雜路面環(huán)境的智能移動機(jī)器人，首先要研究其機(jī)械結(jié)構(gòu)。移動機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)是其上儀器設(shè)備的一個搭載平臺，是構(gòu)成移動機(jī)器人整體的根底，其功能和適應(yīng)性的好壞直接關(guān)系到機(jī)器人的使用壽命和完成任務(wù)的情況。因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是機(jī)器人開發(fā)過程中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。3．1移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析3.1.1驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動元件在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉。為了完成預(yù)定的動作，機(jī)器人必須具備前進(jìn)驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)向驅(qū)動裝置，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個關(guān)鍵。在所有的驅(qū)動元件中，電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動器。當(dāng)前許多仿生機(jī)器人也有用液壓元件、氣動元件以及一些特殊材料來作驅(qū)動器。本文主要采用電機(jī)作為該新型智能移動機(jī)器人的驅(qū)動元件。對電機(jī)實現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，才能使機(jī)器人實現(xiàn)精確運(yùn)動。目前，電機(jī)驅(qū)動裝置主要有以下兩種布置方式:(1)集中驅(qū)動方式。即把驅(qū)動電機(jī)布置在車體上，在通過傳動裝置，將動力輸出到每個車輪上，使車輪運(yùn)動。電動汽車便是典型的集中驅(qū)動方式。對于智能移動機(jī)器人，集中驅(qū)動方式并不適宜，主要是由于其難以實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，對車體進(jìn)行精確定位。(2)集中控制—分布驅(qū)動方式。即在每個驅(qū)動車輪上都設(shè)置電機(jī)，驅(qū)動車輪運(yùn)動或轉(zhuǎn)向。電機(jī)由安裝在車體上的中央控制元件控制其轉(zhuǎn)動速度。這種結(jié)構(gòu)簡單，而且便于實現(xiàn)，有利于運(yùn)動機(jī)構(gòu)性能的發(fā)揮[22]。目前各國的空間探測車均采用這種驅(qū)動方式。本方案采用集中驅(qū)動方式。后兩個車輪分別連接一個前進(jìn)驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)提供動力，再由控制系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。3.1.2車輪車輪的直徑對機(jī)器人的速度和越障能力都有很大的影響。使用同樣的電機(jī)，車輪直徑增加，機(jī)器人的速度會同時增加，二者之間是一種線性關(guān)系。另外，按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機(jī)器人的越障能力。但是，車輪直徑變大的同時，車輪外表所受的電機(jī)轉(zhuǎn)矩卻會下降。根據(jù)車輛地面力學(xué)理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實阻力也就越小[23]。不過，車輪變寬后，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向阻力也會變大。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對減小壓實阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實際情況設(shè)定車輪直徑和寬度，不能盲目加大車輪直徑和寬度。3．2移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)本小型輪式智能移動機(jī)器人采用整體車身結(jié)構(gòu)。車身通過軸與前后四個車輪連接，使車身及承載物的重量能被四個車輪平均承受，再平均分配給每個車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個車輛的承載能力。機(jī)器人的主要運(yùn)動結(jié)構(gòu)為前后四個車輪及其相關(guān)機(jī)構(gòu)。前車輪為萬向輪，后車輪連接電機(jī)，可以分別實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和滾動。四個車輪的接地點呈矩形分布，使車身具有一定的穩(wěn)定性。各個車輪各自通過一根軸跟車身相連，通過簡單的機(jī)構(gòu)傳動，可以使車實現(xiàn)協(xié)調(diào)的運(yùn)動。(3)在車體上設(shè)有中央控制單元，實現(xiàn)對電機(jī)的運(yùn)行控制。圖16機(jī)器人整體布置圖(4)控制模式考慮采用自主導(dǎo)航和遠(yuǎn)距離控制相結(jié)合的模式。車上設(shè)有傳感系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機(jī)器人本身具有一定自主導(dǎo)航能力，可以實現(xiàn)自動避障。機(jī)器人自帶蓄電池等能源設(shè)備，可以在一定時間段內(nèi)實現(xiàn)能源的自動供應(yīng)，保證機(jī)器人在失去外部電源的情況下能自動返回出發(fā)地。車輛的外形尺寸為800×510×400mm。車輪直徑為180mm寬度為55mm。3.2.1移動機(jī)器人零部件設(shè)計選擇確定驅(qū)動輪半徑R=90mm機(jī)器人車輪周長C=2πR=565.2mm機(jī)器人車速V=0.08—0.6m/s車輪轉(zhuǎn)速為n0.08m/s≦≦0.6m/s8.5r/min≦nw≦63r/min。選擇電機(jī)因要滿足室外、草地、沙漠等環(huán)境的行走。查數(shù)據(jù)可得輪與地面摩擦因素μ=3工作機(jī)扭矩T=FμR=mgμR=40Kg×10m/s2×3×0.09m=108N·m工作機(jī)功率P==108N·m×nw/9550〔1〕ηw=196W≦P≦712W現(xiàn)有濟(jì)南科亞電子科技ZTY型直流馬達(dá)技術(shù)參數(shù)如下表：型號轉(zhuǎn)矩〔mN·m〕轉(zhuǎn)速〔r/min〕功率〔W〕電壓〔V〕電流〔A〕不大于110ZYT0563730002002413110ZYT5598030003082416.5110ZYT105127430004002422.5110ZYT155223030007002422.5130ZYT05318515005002428綜合考慮，選定型號130ZYT05電動機(jī)主要外形尺寸和安裝尺寸如下：型號L重量〔Kg〕不大于130ZYT0520413圖17電機(jī)安裝尺寸減速器的設(shè)計選擇電機(jī)所需功率Pd=電動機(jī)至工作機(jī)的傳動總效率ηa=η1η22η3取單頭蝸桿效率η1=0.725取滾動軸承效率η2=0.988取彈性聯(lián)軸器效率η3=0.994ηa=0.703Pw=Pd×ηa=500×0.703=351W根據(jù)式〔1〕nw=31.4i==1500/31.4=47根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選定減速器類型為蝸桿減速器。圖18蝸桿減速器表1蝸桿、蝸輪參數(shù)的匹配中心距a/mm傳動比i模數(shù)m/mm蝸桿分度圓直徑d1/mm蝸桿頭數(shù)z1蝸桿齒數(shù)z2蝸輪變位系數(shù)x2404.83222.4629-0.1007.25222.4429-0.1009.51.620438-0.25014.5222.4229-0.100191.620238-0.25029222.4129-0.100381.620138-0.250491.2520149-0.500621181620.000選擇傳動比i=49傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)〔1〕各軸由高速至低速依次為Ⅰ軸、Ⅱ軸〔工作軸〕……Ⅰ軸nⅠ=Ⅱ軸nⅡ=r/min各軸輸入功率Ⅰ軸PⅠ=Pdη3=500×0.994=497WⅡ軸PⅡ=PⅠη3η1=497×0.725×0.988=356W〔3〕各軸輸入轉(zhuǎn)矩Ⅰ軸TⅠ=Tdη3=9550×η3=9550××0.994=1.4N·mⅡ軸TⅡ=TⅠη2i1=1.4×0.988×49=67.7將上述計算得到的運(yùn)動和動力參數(shù)列表如下：軸號功率P〔kW〕扭矩T〔N·m〕轉(zhuǎn)速n〔r/min〕電機(jī)軸50031853000Ⅰ軸4971.43000Ⅱ軸35667.7傳動的設(shè)計計算選擇齒輪的類型、材料、精度和齒數(shù)〔1〕按條件，選用一級蝸桿傳動?！?〕蝸桿、蝸輪材料采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度差為40HBS可以提高大齒輪齒面的疲勞?！?〕精度選擇7級精度?！?〕根據(jù)表1，選擇蝸輪齒數(shù)z=49QUOTE2.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算根據(jù)以下設(shè)計公式進(jìn)行計算：〔1〕確定上式中的各參數(shù)①試選使用因素QUOTE；KA=1②蝸桿傳遞的扭矩為：T2=9550=95.5×105×=1582N·m③查設(shè)計手冊，選動載因素KV=1.1；④查設(shè)計手冊，選載荷分布因素Kβ=1；⑤查設(shè)計手冊，查得接觸疲勞強(qiáng)度極限為σHP=140MPaσH=155×=22.9MPa<140MPa3.校核蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度①查設(shè)計手冊，蝸輪綜合齒形系數(shù)=4；②查設(shè)計手冊，導(dǎo)程角系數(shù)=0.906③查設(shè)計手冊，查得齒根彎曲強(qiáng)度=7.56MPa<33MPa3.2.3計算蝸桿傳動主要尺寸下表為普通圓柱蝸桿傳動根本幾何關(guān)系式：表2普通圓柱蝸桿傳動根本幾何關(guān)系式序號名稱代號關(guān)系式結(jié)果1中心距aa=(d1+d2+2x2m)/240mm2蝸桿頭數(shù)z1-13蝸桿齒數(shù)z2z2=iz1494齒形角aax=20°或an=20°20°5模數(shù)mm=mx=mn/cosγ1.256傳動比ii=n1/n2497齒數(shù)比uu=z2/z1498蝸輪變位系數(shù)x2x2=a/m-(d1+d2)/2m-0.5009蝸桿直徑系數(shù)qq=d1/m1610蝸桿軸向齒距pxPx=πm3.92511蝸桿導(dǎo)程pzpz=πmz13.92512蝸桿分度圓直徑d1d1=mq2013蝸桿齒頂圓直徑da1da1=d1+2ha1=d1+2ha×m22.514蝸桿齒根圓直徑df1df1=d1-2hf1=d1-(2ha×m+c)1715頂隙cc=c×m0.2516漸開線蝸桿基圓直徑db1db1=d1tanγ/1tanγb=mz1/1tanγb17蝸桿齒頂高h(yuǎn)a1ha1=ha×m=(da1-d1)/21.2518蝸桿齒根高h(yuǎn)f1hf1=〔ha×+c×〕m=(d1-df1)/21.519蝸桿齒高h(yuǎn)1h1=ha1+hf1=(da1-df1)/22.7520蝸桿導(dǎo)程角γtanγ=mz1/d1=z1/q3.576°21漸開線蝸桿基圓導(dǎo)程角γbcosγb=cosγcosαn22蝸桿齒寬b1z1=1.2時b1≥(12+0.1z2)mz1=3.4時b1≥(13+0.1z2)m1723蝸輪分度圓直徑d2d2=mz2=2a-d1-2x2m61.2524蝸輪喉圓直徑da2da2=d2+2hf262.2525蝸輪齒根圓直徑df2df2=d2-2hf256.7526蝸輪齒頂高h(yuǎn)a2ha2=〔da2-d2)/2=m(h×a+x2)0.62527蝸輪齒根高h(yuǎn)f2hf2=〔d2-df2)/2=m(h×a-x2+c×)2.12528蝸輪齒高h(yuǎn)2h2=ha2+hf2=(da2-df2)/22.7529蝸輪咽喉母圓半徑rg2rg2=a-da2/28.7530蝸輪齒寬b2b2≥0.65da11531蝸輪齒寬角θθ=2arcsin〔b2/d1〕97.1832蝸輪軸向齒厚sxsx=πm/21.9633蝸桿法向齒厚snsn=sxcosγ1.9634蝸輪齒厚st按蝸桿節(jié)圓處軸向齒槽寬e'x確定35蝸桿節(jié)圓直徑d'1d'1=d1+2x2m=m(q+2x2)18.7536蝸輪節(jié)圓直徑d'2d'2=d261.25下表為減速器機(jī)體主要結(jié)構(gòu)尺寸：表3減速器機(jī)體主要結(jié)構(gòu)尺寸名稱符號尺寸關(guān)系式結(jié)果機(jī)座壁厚δ-3機(jī)蓋壁厚δ1-3機(jī)座凸緣壁厚b1.5δ4.5機(jī)蓋凸緣壁厚b11.5δ14.5機(jī)座底凸緣壁厚b22.5δ7.5地角螺釘直徑d56地角螺釘數(shù)目nn≥44軸承旁聯(lián)接螺栓直徑d10.75d54.5蓋與座聯(lián)接螺栓直徑d2(0.5～0.6)d53聯(lián)接螺栓d2的間距l(xiāng)軸承端蓋螺釘直徑d3(0.4～0.5)d53窺視孔蓋螺釘直徑d4(0.3～0.4)d53定位銷直徑d(0.7～0.8)d23d5、d1、d2至外機(jī)壁距離c1-3d5、d2至凸緣邊緣距離c2-2軸承旁凸臺半徑R1c2凸臺高度h外機(jī)壁至軸承座端面距離l1c1+c2+(3～8)蝸輪外圓與內(nèi)機(jī)壁距離Δ1＞1.2δ蝸輪輪轂端面與內(nèi)機(jī)壁距離Δ2＞δ中間軸兩傳動件的軸向距離Δ38～15機(jī)蓋、機(jī)座筋厚m1、mm1＞0.85δ1m＞0.85δ軸承端蓋外徑D239軸承旁聯(lián)接螺栓距離s下表顯示了如何確定各段軸的長度表4軸各段直徑確實定符號確定方法及說明d按許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的計算方法估算，盡可能圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑〔查手冊〕，如有外接零件〔如聯(lián)軸器〕，d應(yīng)與外接零件的孔徑一致，并滿足鍵的強(qiáng)度要求。d1d1=d+2aa為軸肩高度。用于軸上零件的定位和固定，通常取0.07d<=a<=0.1d;d1應(yīng)符合密封元件的孔徑要求〔查手冊〕，軸肩過渡圓角的要求查手冊。d2d2=d1+〔1～3〕mmd1和d2的變化僅為方便及區(qū)分加工外表，所以其差值可小些，d2與滾動軸承相配，應(yīng)與軸承孔徑一致，軸徑過渡為自由外表，其圓角半徑〔查手冊〕。d3圖b〕中,d3=d2+(1～3)mm直徑變化為區(qū)分加工外表及裝配方便，圓角半徑查手冊。d4圖a〕中，d4=d2+(1～3)mm，圖b〕中，d4=d3+(1～3)mm直徑變化為區(qū)分加工外表及裝配方便，圓角半徑查手冊，d4與齒輪相配，應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑〔查手冊〕。d5d5=d4+2a軸環(huán)供齒輪軸向定位和固定用，0.07d4≤a≤0.1d4。軸肩a及過渡圓角r要求查手冊D6一般d6=d23.2.4繪制裝配圖前的準(zhǔn)備裝配圖是表達(dá)設(shè)計者設(shè)計機(jī)器總體結(jié)構(gòu)意圖的圖樣，是繪制零件工作圖，進(jìn)行機(jī)器組裝、調(diào)試、維護(hù)等環(huán)節(jié)的技術(shù)依據(jù)。要求它能正確表達(dá)機(jī)器的工作原理和裝配關(guān)系，反映出各個零件的相互位置、結(jié)構(gòu)形狀及尺寸。因此機(jī)器的圖紙設(shè)計工作一般總是從裝配圖開始進(jìn)行。而裝配圖的設(shè)計，人們通常先設(shè)計裝配草圖，然后再逐步完成整個裝配工作圖的繪制。這樣，裝配草圖的設(shè)計就是首當(dāng)其沖的重要環(huán)節(jié)，絕大局部零件的結(jié)構(gòu)和尺寸均在此階段中確定，這就需要綜合考慮零件的強(qiáng)度、剛度、工藝、裝配、調(diào)整、潤滑以及經(jīng)濟(jì)性等各方面的要求，并需要足夠的視圖和剖視來表達(dá)清楚。設(shè)計時，既有結(jié)構(gòu)設(shè)計又有強(qiáng)度等的校核計算，因此設(shè)計過程較為復(fù)雜，常常需采用邊計算、邊畫圖、邊修改的“三邊〞設(shè)計方法逐步完善之。圖19蝸桿結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)尺寸畫出蝸桿軸。蝸輪。圖20蝸桿軸圖21蝸輪軸圖22蝸輪結(jié)論隨著機(jī)器人技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開展與拓寬，對機(jī)器人性能提出更高的要求。研究與開發(fā)集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的移動機(jī)器人的綜合控制系統(tǒng)，勢在必行。本文針對基于多傳感器的輪式移動機(jī)器人行為控制技術(shù)，對移動機(jī)器人硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動控制零部件等方面展開了深入的研究和探討，提出了一個運(yùn)動控制的方案，并應(yīng)用于移動機(jī)器人行為控制系統(tǒng)。本文的主要工作和奉獻(xiàn)有:設(shè)計并應(yīng)用了基于模塊化結(jié)構(gòu)、并行通信的多微處理器分布式控制體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)硬件系統(tǒng)設(shè)計。每個模塊都采用獨立微處理器完成控制及信息處理功能，并實現(xiàn)了多模塊并行運(yùn)行；模塊之間采用的并行通信方式提高了信息傳輸速度，同時簡化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計；系統(tǒng)具有易于開發(fā)、維護(hù)及系統(tǒng)升級和功能擴(kuò)展等特點。用全局規(guī)劃和局部規(guī)劃相結(jié)合的方法解決全局路徑規(guī)劃問題。機(jī)器人利用超聲探測信息解決了障礙物的識別與避障問題。根據(jù)運(yùn)動控制需要對機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對最主要的傳動裝置進(jìn)行了主要的分析設(shè)計。根據(jù)傳開工作需求，選擇了適宜的電動機(jī)，再設(shè)計了一減速器以到達(dá)傳動需求。根據(jù)機(jī)器人要適應(yīng)的環(huán)境，選擇適宜零部件。由于水平有限，有些方面需要更進(jìn)一步探索和深化。如：〔1〕輪地接觸關(guān)系是一個值得研究的課題。要確定車輪的外形和外表形式，必須對機(jī)器人在路面行走時車輪的受力狀態(tài)有深入的研究；(3)在上述分析和研究的根底上，要積極探索機(jī)器人的控制系統(tǒng)的算法。把控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)充分結(jié)合起來，機(jī)器人的研究就更有實際意義。致謝經(jīng)過將近一個學(xué)期的努力學(xué)習(xí)，我終于完成了這篇畢業(yè)論文。首先要向給予我悉心指導(dǎo)和深切關(guān)心的導(dǎo)師祖莉講師表示由衷的感謝!在大學(xué)四年里，我曾經(jīng)是祖莉老師的一名普通的學(xué)生，抽簽抽到祖老師作為我的導(dǎo)師，使我重新認(rèn)識了祖老師。祖老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和忘我的敬業(yè)精神給我留下了難以磨滅的印象。他的高尚品德和處事作風(fēng)，也使我受益匪淺。每次畢業(yè)設(shè)計給老師審核，老師并不像其他同學(xué)講的他們老師那樣敷衍了事，老師總會很細(xì)心的挑出我的毛病，給我講解，耐心指導(dǎo)。再次感謝祖莉講師給我的幫助，正是在他細(xì)心的指導(dǎo)下我才順利完成畢業(yè)論還要感謝其他所有給過我?guī)椭睦蠋?、朋友、同學(xué)，謝謝你們。最后，感謝學(xué)校給我們提供了一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，使我們能夠在這里學(xué)習(xí)、進(jìn)步和成長。參考文獻(xiàn)[1]NildeepPatel,AlexEllery.ChrisWelchandAndvCurley.Preliminaryanalysisofm