輪式移動機器人課程設(shè)計

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1、精品 ?江蘇師范大學連云港校區(qū) 海洋港口學院 課程設(shè)計說明書 課程名稱 專業(yè)班級 學號姓名 指導教師 感謝下載載 摘要 輪式移動機器人是機器人家族中的一個重要的分支，也是進一步擴展機器人 應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究發(fā)展方向。自上世紀九十年代以來，人們廣泛開展了對機器 人移動功能的研制和開發(fā)，為適應(yīng)各種工作環(huán)境的不同要求而開發(fā)出各種移動機 構(gòu)。其中全方位輪可以實現(xiàn)高精確定位、原地調(diào)整姿態(tài)和二維平面上任意連續(xù)軌 跡的運動，具有一般的輪式移動機構(gòu)無法取代的獨特特性，對于研究移動機器人 的自由行走具有重要愈義。 本文主要是介紹了技術(shù)較為成熟的麥克納姆全方位輪的運動原理結(jié)

2、構(gòu)，分析 了由四個麥克納姆輪全方位輪組成的全向移動機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)原理。并將其運 用到輪腿復合式的機器人身上，使機器人移動能力更強。設(shè)計的主要方面包括（1） 移動方式的選擇；（2）機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計；（3）機器人移動原理的分析；（4） 對移動機器人控制系統(tǒng)的簡單設(shè)計。 關(guān)鍵詞:輪式移動機器人，輪腿復合式，四足 摘要1 1 移動機器人技術(shù)發(fā)展概況1 1.1 機器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域1 1.1.1 機器人的研究意義1 1.1.2 機器人的應(yīng)用領(lǐng)域2 1.2 移動機器人的發(fā)展概況2 1.2.1 移動機器人的國內(nèi)發(fā)展概況3 1.2.2 移動機器人的國外發(fā)展概況4 2 輪式移動機

3、器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計7 2.1 輪式移動機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7 2.1.1 移動方式的選擇7 2.1.2 機器人移動原理構(gòu)想8 2.1.3 機器人輪子的選擇9 2.1.4 機器人腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計1..0.. 2.2 輪式移動機器人主要結(jié)構(gòu)1..1... 3 輪式移動機器人的控制系統(tǒng)12 3.1 控制系統(tǒng)硬件選型與配置1..2... 3.1.1 驅(qū)動電機的選型1..2... 3.1.2 伺服電機的選型1..3.. 3.1.3 輪轂電機的選型1..4.. 3.2 輪式移動機器人控制系統(tǒng)框架1..7.. 4 結(jié)論和總結(jié)21 5 致謝23 參考文獻24 1 移動機器人技術(shù)發(fā)展概況

4、1.1 機器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類的研究活動領(lǐng)域已由陸地擴展到海底和空間。利 用移動機器人進行空間探測和開發(fā)，己成為21世紀世界各主要科技發(fā)達國家開 發(fā)空間資源的主要手段之一。研究和發(fā)展月球探測移動機器人技術(shù)，對包括移動 機器人在內(nèi)的相關(guān)前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動作用。 1.1.1 機器人的研究意義 “機器人產(chǎn)業(yè)在二十一世紀將成為和汽車、電腦并駕齊驅(qū)的主干產(chǎn)業(yè)。”從 龐大的工業(yè)機器人到微觀的納米機器人，從代表尖端技術(shù)的仿人型機器人到孩子 們喜愛的寵物機器人，機器人正在日益走近我們的生活，成為人類最親密的伙伴。 機器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化在中國具有一定的現(xiàn)實

5、基礎(chǔ)和廣闊的市場前景。 機器人研究以科技含量高、學科跨度寬、參與面廣和展示性強等特點在國際 上有著很強的影響力。它涉及人工智能、圖像處理、通訊傳感、精密機構(gòu)和自動 控制等多領(lǐng)域的前沿研究和技術(shù)集成。目前已經(jīng)形成了一個國際聯(lián)盟的人工智能 和機器人項目開發(fā)目標，被世界各國科研機構(gòu)和眾多高等院校所重視。全球化的 機器人產(chǎn)業(yè)市場也給商家?guī)砹素S厚的利潤回報。國內(nèi)的教育和科研機構(gòu)也日益 關(guān)注機器人事業(yè)的發(fā)展，有關(guān)科研工作在深度和規(guī)模上逐漸提高，清華大學、中 國科技大學等著名高?；拘纬闪送暾恼n程體系，對推動高校的科技創(chuàng)新和產(chǎn) 學研一體化產(chǎn)生了積極作用，也為提高我國在機器人領(lǐng)域的國際地位

6、作出了積極 貢獻。 開展機器人研究和參與各項競賽活動，旨在進一步加強未成年人思想道德教 育，提高廣大青少年的科學素養(yǎng)，發(fā)展自身潛能，引導更多的大中小學生關(guān)注科 技、熱愛科技、走進科技，涌現(xiàn)出更多的未來科學家和未來工程師。在積極推進 基礎(chǔ)教育和高等教育改革的過程中，滲透科學技術(shù)教育，努力培養(yǎng)大中小學學生 的實踐能力和創(chuàng)新精神，造就適應(yīng)21世紀全球科技、經(jīng)濟發(fā)展需要的新一代。 機器人研究不但能吸引一大批電子信息產(chǎn)業(yè)制造商、銷售商、金融投資機構(gòu) 和技術(shù)服務(wù)機構(gòu)提供產(chǎn)品和服務(wù)，而且還促進了知名科研機構(gòu)、高等院校與高科 技企業(yè)的合作交流，共同發(fā)展。通過大賽期間舉辦學術(shù)研討等活動，眾多專

7、家學 者齊聚一堂，探討我國自動化技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展趨勢，為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展出謀 獻策，領(lǐng)銜助跑。 1.1.2 機器人的應(yīng)用領(lǐng)域 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類的研究活動領(lǐng)域已由陸地擴展到海底和空間。 利用移動機器人進行空間探測和開發(fā)，己成為21世紀世界各主要科技發(fā)達國家 開發(fā)空間資源的主要手段之一。研究和發(fā)展月球探測移動機器人技術(shù)，對包括移 動機器人在內(nèi)的相關(guān)前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動作用。 移動機器人是一種能夠通過傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙 物的環(huán)境中面向目標的自主運動，從而完成一定作業(yè)功能的機器人系統(tǒng)。近年來， 由于移動機器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、航天和人類生

8、活的各個方面顯示了越來越 廣泛的應(yīng)用前景，使得它成為了國際機器人學的研究熱點。20世紀90年代以來， 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)性的移動機器人控制技 術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。目前， 移動機器人特別是自主機器人已成為機器人技術(shù)中一個于分活躍的研究領(lǐng)域[1]。 1.2 移動機器人的發(fā)展概況 1.2.1 移動機器人的國內(nèi)發(fā)展概況 機器人技術(shù)的發(fā)展從無到有，從低級到高級，隨著科學技術(shù)的進步而不斷深 入發(fā)展。移動式機器人特別是自主式移動機器人已成為機器人研究領(lǐng)域的中心之 一。 移動式機器人的研究現(xiàn)狀主要體現(xiàn)在四個方面。一

9、是機器人的體系結(jié)構(gòu)。目 前根據(jù)實現(xiàn)機器人感知、決策、行為等功能的不同分為分層遞階結(jié)構(gòu)、行為系統(tǒng)、 黑板系統(tǒng)三種體系結(jié)構(gòu)。二是信息感知，這主要來源于傳感器。目前移動式機器 人主要使用的傳感器有聲納、紅外、激光掃描、攝像機和陀螺等，主要采用多傳 感器融合的技術(shù)來獲得信息。三是移動機器人的控制。目前移動式機器人主要應(yīng) 用基于機器人幾何中心或輪軸線中心的時間微分方程的運動學模型建模，應(yīng)用推 算航行法與外部傳感器獲得的信息進行融合的方式定位，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習和 容錯能力對移動式機器人控制和基于規(guī)則的模糊控制機器人運動。四是路徑規(guī) 劃，這是導致機器人能否實現(xiàn)最終目標的關(guān)鍵。根據(jù)規(guī)劃時所利

10、用的信息的不同 路徑規(guī)劃可分為基于模型的規(guī)劃和基于情形的規(guī)劃。 移動式機器人的未來是朝著智能化，情感化發(fā)展的，影響移動式機器人發(fā)展 的主要因素有：導航與定位，多傳感器信息的融合，多機器人協(xié)調(diào)與控制策略等。 中國與國外相比，目前還存在一定的差距，雖然掌握了機器人操作機的設(shè)計制造 技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器 人關(guān)鍵元器件，但可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄， 生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距。中國的智能機器人和特種機器人也取得了不少 成果。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智 能裝配機器人、

11、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步。隨著社會文明程度 的提高，對機器人的要求也會越來越高。中國要做好充分的準備迎接新的技術(shù)挑 戰(zhàn)。 1.2.2 移動機器人的國外發(fā)展概況 美國國家科學委員會曾預言:“20世紀的核心武器是坦克,21世紀的核 心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng),其中2000年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備 部隊,并走向戰(zhàn)場”。為此,從80年代開始,美國國防高級研究計劃局 (DARPA)專門立項,制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此,在全世界 掀開了全面研究室外移動機器人的序幕,如DARPA的“戰(zhàn)略計算機”計劃 中的自主地面車輛(ALV)計劃(1983—1990),能源

12、部制訂的為期10年的 機器人和智能系統(tǒng)計劃(RIPS)(1986—1995),以及后來的空間機器人計劃; 日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機器人計劃;歐洲尤里卡中的機器人計劃 等。 初期的研究,主要從學術(shù)角度研究室外機器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理,并 建立實驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高,導 致室外機器人的研究未達到預期的效果,但卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,為探討 人類研制智能機器人的途徑積累了經(jīng)驗,同時,也推動了其它國家對移動機器 人的研究與開發(fā)。進入90年代,隨著技術(shù)的進步,移動機器人開始在更現(xiàn) 實的基礎(chǔ)上,開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域,向?qū)嵱没M軍。 由美國N

13、ASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機器人,是一個能提供 對高移動性機器人運動的了解和遠程機器人探險的行走機器人。它與其他機器 人,如NavLab,不同之處是它于1994年在斯珀火山的火山口中進行了成功 的演示,雖然在返回時,在一陡峭的、泥濘的路上,失去了穩(wěn)定性,倒向了 一邊,但作為指定的探險任務(wù)早己完成。其它機器人在整個運動過程中,都需 要人參與或支持。丹蒂計劃的主要目標是為實現(xiàn)在充滿碎片的月球或其它星球 的表面進行探索而提供一種機器人解決方案。美國NASA研制的火星探測機器 人索杰那于1997年登上火星,這一事件向全世界進行了報道。為了在火星上 進行長距離探險,又開始了新一

14、代樣機的研制,命名為Rocky7,并在Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進行了成功的實驗。 德國研制了一種輪椅機器人,并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境 和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進行了實地現(xiàn)場表演。該 輪椅機器人在公共場所擁擠的、有大量乘客的環(huán)境中,進行了超過36個小時 的考驗,所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機器人或移動機器人所不可比的。 這種輪椅機器人是在一個商業(yè)輪椅的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。 從最早出現(xiàn)的機器人到現(xiàn)在涌現(xiàn)出的形態(tài)各異的移動小車，其移動機構(gòu)的形 式層出不窮，以美國、俄羅斯、法國和日本為首的西方發(fā)達國家己經(jīng)研制出了多 種復雜奇特的三維移動

15、機構(gòu)，有的已經(jīng)進入了實用化和商業(yè)化階段[2][3]。面對 21世紀深空探測的挑戰(zhàn)，對各種自主系統(tǒng)的研制是必須的，而移動機構(gòu)又是各 種自主系統(tǒng)的最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。 已經(jīng)出現(xiàn)的移動機器人的移動機構(gòu)主要有履帶式、腿式和輪式，其中以輪式 的效率最高，但其適應(yīng)能力相對較差，而腿式的適應(yīng)能力最強但其效率最低[4]。 履帶式移動機構(gòu)是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與 地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平。它具有良好的穩(wěn)定性能、越障能 力和較長的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行使。但由于沉重的履帶和繁多的驅(qū) 動輪使得整體機構(gòu)笨重，消耗的功率也相對較大[5]。 腿式移動

16、機構(gòu)基本上是模仿人或動物的下肢機構(gòu)形態(tài)而制成的。因其出色的 地面適應(yīng)能力和越野能力，曾經(jīng)得到很多機器人專家的廣泛重視，在其開發(fā)和研 制上投入了大量的時間和精力，也取得了較大的成果。從移動的方式上來看，腿 式移動機器人可分為兩種:動態(tài)行走機器人和靜態(tài)行走機器人。根據(jù)腿的數(shù)量又 可進行分類，如四腿移動機器人六腿移動機器人。腿式機器人雖然具有較強的越 野能力，但結(jié)構(gòu)比較復雜，運動控制的難度較大，而且移動速度較慢[6]。 輪式移動機構(gòu)具有運動速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能借 鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點，只是越野性能不太強。但隨著各種各樣的車 輪底盤的出現(xiàn)，如日本NAS

17、DA的六輪柔性底盤月球漫游車LRTV,俄羅斯 TRANSMASH的六輪三體柔性框架移動機器人Marsokohod，美國CMU的六 輪三體柔性機器人Robby系列以及美國JPL的六輪搖臂懸吊式行星漫游車 Rocky系列，已使輪式機器人越野能力大大增加，可以和腿式機器人相媲美。于 是人們對機器人機構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機構(gòu)上來，特別是最近日本開 發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨特的五點支撐懸吊結(jié)構(gòu)Micros，其卓越的越野能力較腿式機器 人有過之而不及[6-8]。 輪式結(jié)構(gòu)按輪的數(shù)量分可分為二輪機構(gòu)、三輪機構(gòu)、四輪機構(gòu)、六輪以及多 輪機構(gòu)。二輪移動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單，但是在靜止和低速時非常不穩(wěn)

18、定。三輪 機構(gòu)的特點是機構(gòu)組成容易，旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動輪的直線上，可以實現(xiàn)零 回轉(zhuǎn)半徑。四輪機構(gòu)的運動特性基本上與三輪機構(gòu)相同，由于增加了一個支撐輪， 運動更加平穩(wěn)。以上幾種輪式移動機構(gòu)的共同特點是它們所有的輪子在行駛過程 中，只能固定在一個平面上，不能作上下調(diào)整，因此，地面適用能力差。一般的 六輪機構(gòu)主要就是為了提高移動機器人的地面適應(yīng)能力而在其結(jié)構(gòu)上作了改進， 增加了搖臂結(jié)構(gòu)，使得機器人在行駛過程中，其輪子可以根據(jù)地形高低作上下調(diào) 整，從而提高了移動機器人的越野能力[9]。 2 輪式移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 輪式移動機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 已經(jīng)出現(xiàn)的移動機器人的移動機構(gòu)

19、主要有履帶式、腿式和輪式，其中以輪式 的效率最高，但其適應(yīng)能力相對較差，而腿式的適應(yīng)能力最強但其效率最低。式 移動機構(gòu)在救災(zāi)機器人中是最為普通的運動方式，輪式機器人移動機構(gòu)普遍具有 結(jié)構(gòu)簡單、運動速度快、能源利用率高的、機動性好強的特點，同時具有自重輕、 不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和工作效率高等優(yōu)勢。控制的角度看，編程簡單并 有較高的可靠性，每個輪子都可以獨立驅(qū)動。與履帶式移動機器人相比，當跨越 不平坦地形時，輪式機器人有著固有的不足，限制了其運動能力，其穩(wěn)定性和對 環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對于進入復雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存 在嚴重的困難。輪式移動機構(gòu)按輪的數(shù)量可分

20、為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。 該結(jié)構(gòu)存在著一定的局限性，只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到 軟性地面（如沼澤、草地、雪地、沙地等）容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面環(huán) 境采用一些預防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)，如采用不同種類的款式輪胎以提高 其越野能力，象沙漠車輛、山地車輛等。 2.1.1 移動方式的選擇 現(xiàn)在主流的移動方式基本是輪式，腿式，和履帶式，但由于其各有各的優(yōu)點 與缺點，現(xiàn)在的科學家越來越追求綜合性能的提高。輪式移動機構(gòu)具有運動速度 快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu) 點，只是越野性能不太強。而腿式移動結(jié)構(gòu)雖然有很好的越

21、野能力，但是結(jié)構(gòu)復雜，效率低等缺點。對于履帶式主要是由于沉重的履帶和繁多的驅(qū)動輪使得整體機構(gòu)笨重，消耗的功率也相對較大。 針對本次設(shè)計的環(huán)境主要是人為環(huán)境，地勢較平坦，但也需要對臺階、樓梯等障礙物進行考慮，所以我打算設(shè)計輪腿結(jié)合式的移動方式，在平坦的道路利用輪式結(jié)構(gòu)效率高，迅速等優(yōu)點，在需要上臺階，上樓梯等地方采用腿式結(jié)構(gòu)進行越障。由于機器人中含腿式結(jié)構(gòu)且需要上臺階和爬樓梯所以采用四腿結(jié)構(gòu)，這是 因為雖然對于臺階就算是輪式結(jié)構(gòu)也能滿足要求，但是對于爬樓梯輪式結(jié)構(gòu)就不行了，所以需要腿式結(jié)構(gòu)的存在，生活中樓梯隨處可見，如果要使機器人有較好的環(huán)境適應(yīng)能力，上樓梯是必須要克服的。我決定選擇四輪腿式

22、結(jié)構(gòu)，而基本結(jié)構(gòu)如圖2.1。中間為機器人主體，里面有機器人的控制系統(tǒng)和驅(qū)動上肢轉(zhuǎn)動的電機，四肢末端為輪胎，機器人每條腿都分為上肢和下肢，中間為關(guān)節(jié)，下肢可繞其轉(zhuǎn)動。 0 圖2.1機器人基本結(jié)構(gòu) O 0 2.1.2 機器人移動原理構(gòu)想 由于環(huán)境較好，基本屬于平坦地面，故主要移動方式為輪式移動，在需要上臺階或樓梯是才使用腿式結(jié)構(gòu)，這是因為腿式結(jié)構(gòu)效率較低，只在必須使用腿式結(jié)構(gòu)的時候才使用，這樣既能提高機器人的移動效率，也能是機器人有較好的越 障能力。在平路上的移動原理將在2.1.3節(jié)講述，對于上臺階與爬樓梯的原理基 本相同，故我只說明我對爬樓梯的移動原理的構(gòu)想。 首先是要在

23、機器人機身上安裝傳感器，使其能夠感應(yīng)到前面的障礙物樓梯， 然后就是爬樓梯的過程。在準備爬樓梯的時候，首先要把輪子上的剎車系統(tǒng)啟動， 是輪子不能轉(zhuǎn)動。然后爬樓梯的過程如同人走樓梯一樣，先輪流上前腳，等前腳 站穩(wěn)，再輪流上后腳。 2.1.3 機器人輪子的選擇 現(xiàn)在市面上的輪子有很多，有標準輪，小腳輪，麥克納姆輪，球形輪，正交 輪等。我決定選用麥克納姆輪，因為它能很好的向各個方向移動且沒有球形輪那 么難控制，而且現(xiàn)在麥克納姆輪的制作也比較成熟，下面是麥克納姆輪的原理與 協(xié)調(diào)運動原理： 麥克納姆外形像一個斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動的鼓形輥子，輥子的軸線與輪的軸 線成a角度。這樣的特殊結(jié)

24、構(gòu)使得輪體具備了三個自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動和沿輾 子軸線垂線方向的平動和繞輥子與地面接觸點的轉(zhuǎn)動。這樣，驅(qū)動輪在一個方向 上具有主動驅(qū)動能力的同時，另外一個方向也具有自由移動（被動移動）的運動 特性。輪子的圓周不是由普通的輪胎組成，而是分布了許多小滾筒，這些滾筒的 軸線與輪子的圓周相切，并且滾筒能自由旋轉(zhuǎn)。當電機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時，車輪以 普通方式沿著垂直于驅(qū)動軸的方向前進，同時車輪周邊的輥子沿著其各自的軸線 自由旋轉(zhuǎn)。 圖2.2為采用全方位移動機構(gòu)的車輪組合情況，輪中的小斜線表示觸地輥子 的軸線方向。每個全方位輪都由一臺直流電機獨立驅(qū)動，通過四個全方位輪的轉(zhuǎn) 速轉(zhuǎn)向適當組合，可以

25、實現(xiàn)機器人在平面上三自由度的全方位移動。4個全方位 輪組成的機器人底座的力分析如圖，其中為輪子滾動時小輾子受到軸向的摩擦力；為小輾子做從動滾動時受到的滾動摩擦力；⑴為各輪轉(zhuǎn)動的角速度。 樸向珠卻 圖2.2組合運動圖 2.1.4 機器人腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計 我設(shè)計的腿部分為上肢和下肢兩個部分，上肢連接著機器人的主體和下肢,下肢連接著輪胎，由于要使機器人腿能夠滿足運動要求，所以還需在上肢與機器 人主體連接處設(shè)計一個關(guān)節(jié)，一個使腿部結(jié)構(gòu)能在機器人側(cè)面平面旋轉(zhuǎn)360度, 如圖2.4所示。而且由于要控制轉(zhuǎn)動和其轉(zhuǎn)動的角度故需要在上肢與下肢關(guān)節(jié)處安裝小型電機，所以要留出空間安裝電機和線路。

26、 o 圖2.3 精品 對于下肢部分，由于麥克納姆輪可以進行全方位的移動，故不需要加入關(guān)節(jié)， 但需要加入剎車系統(tǒng)，以保證及時停車和在使用腿部功能時不發(fā)生滾動，同時在下肢與輪胎連接處設(shè)計平臺安放電機，使其驅(qū)動輪胎轉(zhuǎn)動。一個輪胎對應(yīng)一個電機，這樣才能通過改變每個輪胎的轉(zhuǎn)速來控制方向等復雜的移動。 下肢除了像上肢一樣的結(jié)構(gòu)外，多加了兩個在旁邊的箱體結(jié)構(gòu)，并且下部分較寬大是用來與輪胎相連。上面的箱體是用力啊裝一個小型電機，通過下肢上端兩個同軸的孔與一根軸相連，來控制下肢繞上肢的轉(zhuǎn)動，而箱體的旁邊上端的孔是用來通過電線。下面的箱體是存放控制輪胎的電機，右邊有用來安放齒輪的空間和通孔來固定齒

27、輪。下肢兩個豎直的同軸孔也是用來通過電線的。下肢總長約1米，下肢主體寬度約20厘米。 2.2 輪式移動機器人主要結(jié)構(gòu) 主體結(jié)構(gòu)為機器人的主要結(jié)構(gòu)，里面包括了控制系統(tǒng)，四個驅(qū)動電機以及一些傳感器，傳感器包括有紅外傳感器，壓敏傳感器，聲音傳感器等用來充當機器人的眼睛、觸覺和聽覺功能。結(jié)構(gòu)主要為一箱體結(jié)構(gòu)，里面按需要放置電機及系統(tǒng)硬件。我構(gòu)想的主體結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。 圖2.4中整個主體是沒有加上任何傳感器和裝置的外殼，四個小箱體是安放 控制上肢的電機，旁邊的孔是用來通過電線的，大箱體中間是安放控制系統(tǒng)的電 板。在整個零配件都安放好以后可在上方添加一塊板用來保護內(nèi)部元件。按照我 的設(shè)

28、想，在這個機器人的基礎(chǔ)上可以在主體上方添加其他功能。主體長1.5米寬 0.5米高0.3米。 3 輪式移動機器人的控制系統(tǒng) 由于本次研究主要內(nèi)容為機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且在大學階段沒有對相關(guān)知識的學習，使 得我不能對機器人的控制系統(tǒng)做出設(shè)計，以下僅僅是我參考別人的設(shè)計并對我的機器人控制 系統(tǒng)的想法。 3.1 控制系統(tǒng)硬件選型與配置 移動機器人的運動控制系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，對系統(tǒng)精確地完成各 項任務(wù)起著重要作用，有時也可作為一個簡單的控制器。構(gòu)成機器人運動控制系 統(tǒng)的要素有:計算機硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動器、傳感器系統(tǒng)。 3.1.1 驅(qū)動電機的選型 步進電

29、機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號， 步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應(yīng)式 步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM）和混合式步進電機（簡稱 HB）。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行 控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率 決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本 原理作用如下： （1）控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其 各相通電順序為A-B-C—D,通電控制脈沖必須

30、嚴格按照這一順序分別控制 A,B,C，D相的通斷。 (2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則 電機就反轉(zhuǎn)。 (3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一 步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率， 就可以對步進電機進行調(diào)速。 步進電機是依靠有序的步進脈沖運動的，利用單片機控制步進電機運動是非 常適合的。整個系統(tǒng)包含PIC16F877，步進電機驅(qū)動器L298和步進電機。本設(shè) 計是單片機控制兩臺步進電機。PIC16f877單片機的作用是接受命令，完成

31、相應(yīng) 的功能，并作為脈沖邏輯分配器，輸出步進電機所需要的時序脈沖。步進電機可 以向任意方向旋轉(zhuǎn)和停止，實現(xiàn)了所謂“位置控制”的動作。每個輸入脈沖決定 了步進電機轉(zhuǎn)動的角度。步進電機只是根據(jù)輸入脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)和停止，適合于位置 控制，把運動所必需的脈沖數(shù)，以動作所需要的速度輸入給電機，就能夠正確的 控制位置而運動。 步進電機的運行要有一個電子裝置進行控制，這個裝置就是步進電機驅(qū)動 器，它是將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈 沖信號的頻率成正比，控制脈沖信號的頻率可以對電機精確調(diào)整；控制脈沖數(shù)可 以對電機精確定位。選擇步進電機為移動機器人驅(qū)動電機。上層系統(tǒng)

32、計算移動機 器人的角度和距離等信息傳給下層系統(tǒng)，通過分析得到機器人的運動狀態(tài)，計算 等到輪子的步數(shù)等。完成軟件的編寫，實現(xiàn)了對步進電機的預期控移動機器人的 兩個重要部分(視覺處理和運動控制)。 3.1.2 伺服電機的選型 所有的主控制功能是微處理器，驅(qū)動為DA模擬轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生一個模擬扭 矩需求信號。從這個角度上，這臺機器非常很像一個模擬伺服放大器。反饋的信 息是來自隸屬該電機軸的一個編碼器。編碼器生成脈沖流可確定傳輸路程，并通 過計算脈沖頻率，是可以測定轉(zhuǎn)速的。 數(shù)碼驅(qū)動通過求解一系列的方程式，履行同樣類似的功能。微處理器是與數(shù) 學模型(或“算法")的等效的編程模擬系統(tǒng)。

33、這模型預測系統(tǒng)的行為。它響應(yīng) 一個給定輸入的信號并產(chǎn)生速度。它同樣也考慮到額外信息如輸出速度，速率轉(zhuǎn) 變中的投入和各種調(diào)校設(shè)定。解決所有方程需數(shù)額需有限的時間，即使是一個快 速的處理器一次處理通常也是100ms和2ms之間。在此之間，在改變輸入或 輸出，先前的計算值將有沒有回應(yīng)時，扭矩要求必須保持恒定。因此更新時間成為數(shù)字伺服和一臺高性能系統(tǒng)關(guān)鍵的因素，它必須保持及時更新[4]。調(diào)試數(shù)字伺服電機可按鈕或從一個計算機或終端調(diào)試。電位器調(diào)整是涉及的。調(diào)試數(shù)據(jù)是設(shè)置在伺服算法的各種系數(shù)，因此，它決定了系統(tǒng)的性能。即使如果調(diào)諧進行使用按鈕，終值也可以上傳到終端，讓其進行簡單的重復。 在某些

34、應(yīng)用中，因負載慣量各異，例如一個機器手臂卸載后又帶有沉重的負荷。改變慣性可能是一個系數(shù)為20或以上，而這樣的變化需要該驅(qū)動器重新調(diào)整，以保持其穩(wěn)定。這只不過是在操作系統(tǒng)的適當點通過發(fā)送新的調(diào)試參數(shù)來實現(xiàn)的。 3.1.3 輪轂電機的選型 圖3-2為輪子的示意圖，醐352幅灰暮墻物體的原始距離為 Li,上層 系統(tǒng)傳送移動機器人與跟蹤物體的距離為 L2 ,則移動機器人運動的距離為 L= L2-L10設(shè)計選用步進角為1.8°的步進電機 輪子轉(zhuǎn)動的角度為： L R (3-1 ) 步進電機的步數(shù)位: n — 1.8 (3-2) 當L1=L2時，機器人不運動，步進電機沒有轉(zhuǎn)動。 圖

35、3-3為移動機器人直線運動示意圖，當移動機器人的上層傳達一個角度為 a=0°時，在直角坐標系上，沒有往X軸上有分量，移動機器人則直線運動。當  L>0時，移動機器人前進。當L<0時，移動機器人后退。當移動機器人直線運 動時，左輪和右輪保持相同的速度運動和轉(zhuǎn)向［5］。則輪子移動的距離就是移動機 器人與跟蹤物體的距離。則步進電機的步數(shù)位： (3-3) L 1.8R 左輪 口華銜 圖3-3移動機器人直線運動示 意圖 圖3-4為機器人前進并轉(zhuǎn)彎運動示意圖，當機器人上層系統(tǒng)傳送“機器人旋 轉(zhuǎn)a°不1>0”的命令時，則移動機器人從X1-Y1坐標系運動到X2-Y2坐標系。 感

36、謝下載載 圖3-4移動機器人右轉(zhuǎn)示意圖 移動機器人先完成轉(zhuǎn)彎在進行前進。在轉(zhuǎn)彎時，從圖可知左輪為正轉(zhuǎn)，右輪 為反轉(zhuǎn)。輪子移動的距離為: S=aXr (3-4) 則輪子移動的角度為： ar R 則驅(qū)動步進電機的脈沖數(shù)為: (3-5) ar 1.8R (3-6) 轉(zhuǎn)彎完成后，移動機器人為直線運動。左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為正轉(zhuǎn)

37、。公式參考4-3. 移動機器人前進左轉(zhuǎn)和后退轉(zhuǎn)彎時，我們可以參照前進右轉(zhuǎn)時計算。 對本類移動機器人的控制就是通過控制算法求出輪子的步速，通過改變單片機輸出的脈沖波，完成對移動機器人的底層控制。 3.2 輪式移動機器人控制系統(tǒng)框架 移動機器人控制系統(tǒng)的任務(wù)根據(jù)移動機器人所要完成的功能以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)完成機器人的工作目標?？刂葡到y(tǒng)由機器 人所要達到的功能、機器人的本體結(jié)構(gòu)和機器人的控制方式?jīng)Q定的。 移動機器人的運動控制系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，對系統(tǒng)精確地完成各項任務(wù)起著重要作用，有時也可作為一個簡單的控制器［10］。構(gòu)成機器人運動控制系統(tǒng)的要素有：計算

38、機硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動器、傳感器系統(tǒng)，它們之間的關(guān)系如圖1.1所示［11］。 圖3.5機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成要素 機器人控制系統(tǒng)一般要滿足一下幾個基本要求 (1)制系統(tǒng)的小型化、輕型化、標準化、模塊化。由于機器人控制系統(tǒng)是放 置于機器人本體上的，為了方便安裝和連接，要求控制系統(tǒng)盡可能小型化;同日 寸要求控制系統(tǒng)盡可能做到輕型化，這樣可以減輕機器負載，減少系統(tǒng)的功耗; 另外，為了系統(tǒng)口常的維護目_具有良好的可擴展性，系統(tǒng)盡可能的標準化、模 塊化； (2)有良好的可靠性。由于干擾信號會影響機器人的正常工作，因此要考慮 軟硬件任務(wù)的分配和選擇接地、隔離、屏蔽

39、以及工藝性等方面的因素； (3) 系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的基本要求，機器人運動中首 要和基本的問題是實現(xiàn)穩(wěn)定的行走。 根據(jù)移動機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，結(jié)合本機器人的系統(tǒng)功能和特點，按 照模塊化的設(shè)計思想，提出了機器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案。如下圖所示: 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案 該方案是以ATmega128芯片為核心，分模塊化設(shè)計，各子模塊功能為: (1)微處理器模塊:是控制系統(tǒng)的核心，包括微控制器及其相關(guān)外圍電路主要 進行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預定的任務(wù)； (2)驅(qū)動模塊:控制機器人系統(tǒng)中的舵機和傳感器模塊預定的任務(wù);實現(xiàn)舵機 速度和位置

40、的控制，完成前進、后退、直行、轉(zhuǎn)彎、避障、抓取等動作； (3)傳感器模塊:有速度、位置、距離、聲音等傳感器，主要負責移動機器人 移動過程中的障礙物、聲音等檢測; (4) 電源模塊:負責整個移動機器人的電源供給，使系統(tǒng)能離線運動，主要由 12V蓄電池及相關(guān)調(diào)壓穩(wěn)壓電路組成； (5) 串口通信模塊:根據(jù)RS232通信標準與上位機進行串口通信; (6)JTAG調(diào)試:可以實現(xiàn)在線編程、調(diào)試仿真。 控制系統(tǒng)的總體方案確定之后，就要進行系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè) 計［20］。 圖3.6控制系統(tǒng)總體方案 我的機器人每個腿部共有三個驅(qū)動電機，分別控制了上肢的轉(zhuǎn)動，下肢繞上肢轉(zhuǎn)動，和

41、輪胎的轉(zhuǎn)動。由于機器人是輪腿結(jié)合的，所以在使用足式移動時，需將輪胎剎住，不能讓其轉(zhuǎn)動。同時每個AX-12舵機都能控制角度，所以可以使腿部的轉(zhuǎn)動完全受控制，不會受重力或慣性影響。 我的機器人最長可達2米的樣子，最高可達1.3米左右，在使用輪式移動時，根據(jù)環(huán)境條件來控制機器人的高度和長度來進行移動。對于臺階及樓梯則采用足式移動，對于臺階，首先機器人重心要稍偏低，然后先抬起一只前腳上臺階，等站穩(wěn)后在上另一只前腳，之后再向前走一小短距離，這里通過紅外感應(yīng)來測距，決定前進多少之后再開始抬起一只后腳上臺階，最后是另一只后腳上臺階。對于 上樓梯，過程差不多只不過由于樓梯寬度只比輪胎大一些所以沒有上完前

42、腳再往前走的那一步，而是接著上后腳，當然上樓梯時機器人的角度要把握好防止機器 人摔下樓梯。爬樓梯過程圖應(yīng)像圖4.4和圖4.5所示: 圖3.4機器人以協(xié)調(diào)步態(tài)爬越樓梯 圖3.7機器人樓梯爬越實驗[18] 在避障和選擇路線上我的想法是這樣的，機器人系統(tǒng)可以通過傳感器來測量周圍 然后再經(jīng)過 環(huán)境，并對環(huán)境建立三維模型，然后通過對環(huán)境的分析來選擇路線， 多少的距離就重新對環(huán)境建模來及時更新環(huán)境模型選擇路線和動作，之前不久的 模型也要同時進行考慮，這樣就能夠很好的完成任務(wù)。以我現(xiàn)在的知識，我覺得 人很難把機器人系統(tǒng)做的能像人腦一樣進行思考，所以就很難做出完全符合要求 的機

43、器人。但是要做出能完成某項任務(wù)的機器人我覺得還是很可行的，所以我們 要不斷在這方面進行研究，以期望做出更有能力的機器人。 4 結(jié)論和總結(jié) 我的設(shè)計經(jīng)過我閱讀一些關(guān)于移動機器人的文獻資料，設(shè)計出了一種輪腿 結(jié)合式的移動機器人，它有較好的越障能力。設(shè)計主要完成了一下內(nèi)容： （ 1）根據(jù)自己的想法和對一些資料的研究，選擇了四足的輪腿式移動方式， 并對其移動原理進行了分析。 （ 2）靠自己不成熟的想法設(shè)計了一種機器人結(jié)構(gòu)，并完成了零件的3維圖 形和3維裝配圖。 （ 3）對機器人的控制系統(tǒng)進行了簡單的設(shè)計，里面還有諸多問題沒有解決。 在對移動方式的選擇上我首先就選擇了麥克納姆輪，因為

44、麥克納姆輪工藝已 經(jīng)比較成熟，而且能全方位移動。然后對其原理進行了闡述。接著是機器人的結(jié) 構(gòu)的設(shè)計。首先設(shè)計重要的腿部結(jié)構(gòu)，然后是主體部分，這個過程都是運用UG7.5 來完成的。之后對電機類型進行選擇，最終選擇了舵機，因為其優(yōu)秀的功能。在 對控制系統(tǒng)的設(shè)計中，由于自身知識的匱乏，我查閱了許多資料，最終簡單的設(shè) 計了控制系統(tǒng)的框架，并沒有對內(nèi)部指令等進行編輯。希望以后能夠?qū)W習此方面 的知識。 移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括系統(tǒng)的功能和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，功能 設(shè)計主要完成控制功能和算法的軟件設(shè)計，而體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是功能在硬件上的實 現(xiàn)[12]。根據(jù)面向的任務(wù)和環(huán)境不同，對移動機器

45、人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計也不同。 目前機器人運動控制系統(tǒng)存在主要問題有:系統(tǒng)局限于專用微處理器、專用機器 人語言，開放性差;軟件結(jié)構(gòu)依賴于微處理器硬件，難以在不同系統(tǒng)間移植;擴展 性差。針對這些不足，進行機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮以下要求: (1)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便擴充 功能，使其適用于不同目的的科研需求; (2)合理的模塊化設(shè)計。硬件根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性進行模塊化設(shè)計，不 僅方便安裝和維護，而且提高系統(tǒng)的可靠性;軟件按功能分成不同模塊，便于修 改、添加; (3) 實時性、多任務(wù)要求?？刂破鞅仨毮茉诖_定時間內(nèi)完成對外部中斷的處 理，

46、并且可以多個任務(wù)同時進行; (4) 網(wǎng)絡(luò)通信功能，便于資源共享和多機器人協(xié)同; (5)具有一定智能，能根據(jù)實際情況判斷和決策，如給定速度突變或在合理 范圍之外時的處理、對故障的自動診斷等[1]。 我的心得也就這么多了，總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較 多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。 此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會 了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是 真的學會了。 在設(shè)計過程中，我通過查閱有關(guān)資料，與同學交流經(jīng)驗和自學等方式，使自 己學到了不少知識，

47、也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得 了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信 會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我 充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不 太好，但是在設(shè)計過程中所學到的東西是這次課程設(shè)計的最大收獲和財富，使我 終身受益。 5致謝 經(jīng)過一個星期的奮戰(zhàn)我的課程設(shè)計終于完成了。在沒有做課程設(shè)計以前覺得 課程設(shè)計只是對這幾年來所學知識的單純總結(jié)，但是通過這次做課程設(shè)計發(fā)現(xiàn)自 己的看法有點太片面。課程設(shè)計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對 自己能

48、力的一種提高。通過這次課程設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。 自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有 點眼高手低。通過這次課程設(shè)計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后 的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 在這次課程設(shè)計中也使我們的同學關(guān)系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么 不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非 常感謝幫助我的同學。 課程設(shè)計已經(jīng)接近尾聲了，在這段時間中我所做的工作是比較膚淺的，由于 該設(shè)計與常規(guī)機械有所不同，這也使我的設(shè)計顯得有所欠缺，設(shè)計過程中也遇到 了不

49、少的問題，在關(guān)鍵問題上，老師給了我很大的幫助和指導，論文能夠完成， 首先要感謝我的老師，在設(shè)計的整個過程中都給予了我悉心的指導讓我少走了許 多的彎路。老師的治學嚴謹和科學研究的精神是我永遠學習的榜樣，這也將影響到我今后的工作和學習。 最后，我還要感謝我的老師和同學們，謝謝！ 參考文獻 [1] 王文學，孫萍，徐心和.足球機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究[[J].控制與決策，2001， 16(2):233-235. [2] 柳洪義，宋偉剛.機器人技術(shù)基礎(chǔ)「M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002.16-29,49-50, 165-174. [3] 祖莉，王華坤.智能移動機器人運動控制系統(tǒng)及算法的設(shè)計[[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2002, 24(5):39-42. [4] 王福瑞.單片機微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全[M]．北京航空航天大學出版社,1998． [5] 王鴻鈺.步進電機控制技術(shù)入門[M].同濟大學出版社，1990. [6] 孫迪生，王炎.機器人控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1997.45-56. 精品 感謝下載! 歡迎您的下載，資料僅供參考 感謝下載載