0222-輪式移動機器人的結構設計

0222-輪式移動機器人的結構設計,輪式,移動,挪動,機器人,結構設計 一、畢業(yè)設計（論文）依據(jù)及研究意義： 隨著機器人技術在外星探索、野外考察、軍事、安全等全新的領域得到日益廣泛的采用，機器人技術由室內(nèi)走向室外，由固定、人工的環(huán)境走向移動、非人工的環(huán)境。移動機器人已經(jīng)成為機器人研究領域的一個重要分支。在軍事、危險操作和服務業(yè)等許多場合得到應用，需要機器人以無線方式實時接受控制命令，以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動。其中輪式機器人由于具有機構簡單、活動靈活等特點尤為受到青睞。按照移動特性又可將移動機器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動機構的類型也很多，對于一般的輪式移動機構，都不能進行任意的定位和定向，而全方位移動機構則可以利用車輪所具有的定位和定向功能，實現(xiàn)可在二維平面上從當前位置向任意方向運動而不需要車體改變姿態(tài)，在某些場合有明顯的優(yōu)越性；如在較狹窄或擁擠的場所工作時，全方位移動機構因其回轉半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時候，全方位移動機構可以對自己的位置進行細微的調整。由于全方位輪移動機構具有一般輪式移動機構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意義，成為機器人移動機構的發(fā)展趨勢?；谝陨纤?，本文從普遍應用出發(fā)，設計一種帶有機械手臂的全方位運動機器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運動，運動靈活，機械手臂使之能夠執(zhí)行預定的操作。本文是機器人設計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。 二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 2.1 國外全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 國外很多研究機構開展了全方位移動機器人的研制工作，在車輪設計制造，機器人上輪子的配置方案，以及機器人的運動學分析等方面，進行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動機器人產(chǎn)品。這方面日本、美國和德國處于領先地位。八十年代初期，美國在DARPA的支持下，卡內(nèi)基· 梅隆大學（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校開展了自主移動車輛的研究，NASA下屬的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也開展了這方面的研究。CMU機器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機器人代表了室外移動機器人的發(fā)展方向。德國聯(lián)邦國防大學和奔馳公司于二十世紀九十年代研制成VaMoRs-P移動機器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括：4個小型彩色CCD攝像機，構成兩 組主動式雙目視覺系統(tǒng)；3個慣性線性加速度計和角度變化傳感器。SONY公司1999年推出的寵物機器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾，而且摔倒后可以立即爬起來。本田公司1997年研制的Honda P3類人機器人代表雙足步行機器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米，工作時間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/小時。 國外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進行介紹。 麥克納姆輪，如圖 1.1 所示，它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構成， 輪子和滾子之間的夾角為 Y，通常夾角 Y 為 45°，每個輪子具有三個自由度，第一個是繞輪子軸心轉動，第二個是繞滾子軸心轉動，第三個是繞輪子和地面的接觸點轉動。輪子由電機驅動，其余兩個自由度自由運動。由三個或三個以上的 Mecanum 輪可以構成全方位移動機器人。 圖1.2 麥克納姆輪應用 正交輪，由兩個形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架，固定在一個共同的殼體上構成，如圖 1.3 所示.每個球形輪子架有2個自由度，即繞輪子架的電機驅動轉動和繞輪子軸心的自由轉動。兩個輪子架的轉動軸方向相同，由一個電機驅動，兩個輪子的軸線方向相互垂直，因而稱為正交輪。中國科學院沈陽自動化研究所所研制的全方位移動機器人采用了這種結構，如圖1.4。 圖1.3 正交輪 圖1.4 正交輪的應用 球輪由一個滾動球體、一組支撐滾子和一組驅動滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅動滾子固定在一個可以繞球體中心轉動的支架上，如圖 1.6 所示。每個球輪上的驅動滾子由一個電機驅動，使球輪繞驅動滾子所構成平面的法線轉動，同時可以繞垂直的軸線自由轉動。 圖1.5 球 輪 圖1.6 球輪的應用 偏心萬向輪，如圖 1.7 所示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運動方式，輪子在滾動和換向過程中同地面的接觸點不變，因而在運動過程中不會使機器人振動，同時明顯減少了機器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。 圖1.7偏心萬向輪 圖1.8 偏心萬向輪的應用 2.2 國內(nèi)全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 我國在移動機器人方面的研究工作起步較晚，上世紀八十年代末，國家863計劃自動化領域自動機器人主題確立立項，開始了這方面的研究。在國防科工委和國家863計劃的資助下，由國防科大、清華大學等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動機器人7B.8,并于1995年 12月通過驗收。7B.8的車體是由躍進客車改進而成,車上有二維彩色攝像機、三維激光雷達、超聲傳感器。其體系結構以水平式機構為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達到20km/h。避障速度達到5-10km/h。 上海大學研制了一種全方位越障爬壁機器人,針對清洗壁面作業(yè)對機器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動機構—車輪組機構,該機構保證機器人可在保持姿態(tài)不變的前提下,沿壁面任意方向直線移動,或在原地任意角度旋轉,同時能跨越存在于機器人運行中的障礙,不需要復雜的輔助機構來實現(xiàn)平面上運動和越障運動之間轉換。 哈爾濱工業(yè)大學的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動式作業(yè)型智能服務機器人，并對課題當中的一些關鍵技術，如新型全方位移動機構、七自由 度機器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術，最后給出了移動機器人的系統(tǒng)控制方案。 哈爾濱工業(yè)大學的閆國榮，張海兵研究一種新型全方位輪式移動機構，這種全方位移動機構當中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于：這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直，則輪子主動的滾動和從動的橫向滑移之間將是真正相互獨立的；輪子正常轉動時，輪緣上的小滾子也將是純滾動，如圖1.9。 圖1.9 全方位移動機構仿真圖 三、研究內(nèi)容及實驗方案 本課題從普遍應用出發(fā)，設計一種全向運動機器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運動，運動靈活。本課題是機器人設計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。本文研究內(nèi)容主要有：了解和分析已有的機器人移動平臺的工作原理和結構，以及分析操作手臂常用的結構和工作原理，對比它們的優(yōu)劣點。在這些基礎上提出可行性方案，并選擇最佳方案來設計。根據(jù)選定的方案對帶有機械臂的全方位移動機器人進行本體設計，包括全方位車輪旋轉機構的設計、車輪轉向機構的設計和機器人操作臂的設計。要求全方位移動機構轉向、移動靈活，可以快速、有效的到達指定地點；機械臂操作范圍廣、運動靈活、結構簡單緊湊且尺寸小，可以快速、準確的完成指定工作。設計完成后要分析全方位移動機構的性能，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。 四、目標、主要特色及工作進度 1.緒論和全向移動機器人移動結構設計 3周 2.機器人的機械手臂設計 3周 3.機械材料的選擇和零件的校核 3周 4.外文資料翻譯（不少于6000字） 1周 5.畢業(yè)論文整理及答辯準備 2周 五．參考文獻 1.孫恒等主編。機械原理（第六版）。高等教育出版社，2011 2.馬香峰主編。工業(yè)機器人的操作機設計。冶金工業(yè)出版社，1996 3.宗光華 張慧慧譯。機器人設計與控制?？茖W出版社，2004 4.李志尊。UG NX CAD基礎應用與范例解析【M】。機械工業(yè)出版社，2004 5.楊靜宇．多傳感器集成與信息融合．機器人情報，1994(1)：1～9 6.夏德深傅德勝現(xiàn)代圖像處理技術與應用東南大學出版社2001，84～112 7.劉進長, 王全福. 發(fā)展機器人技術, 占領21 世紀的經(jīng)濟技術制高點. 中南工業(yè)大學學報, 31 (中國2000 年機器人學大會論文專輯,長沙, 2000- 10- 23～ 26).2000, 10- 14 8.蔡自興. 機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略. 中南工業(yè)大學學報,2000, 31 (中國2000 年機器人學大會論文專輯, 長沙, 2000- 10-23～ 26) : 1- 9 9.張鐵，謝存禧主編.機器人學，第一版，華南理工大學出版社，2001，9、45-47 10.吳廣玉，姜復興主編.機器人工程導論，第一版，哈爾濱工業(yè)大學出版社，1988 11.熊有倫，丁漢，劉恩滄主編，機器人學，第一版，機械工業(yè)出版社，1993 12.崔正昀主編.機械設計基礎，第一版，天津大學出版社，2000，221-224、322-323、412-424、457-475 13.賈名著主編.工程力學，第一版，天津大學出版社，1998，48-57 14.廖念釗主編.互換性與測量技術基礎，第三版，2002，11-19 15.孟憲員源，姜琪主編.機構構型與應用，第一版，機械工業(yè)出版社，2004，43、145-146、274、151-152、607-609 16.談欣柏主編.大學物理，第一版，天津大學出版社，2000，2-22 17.成大先主編.機械設計手冊，第一版，化學工業(yè)出版社，2005，76-84、99-141，157-160 18.加騰一郎主編.機械手圖冊，第一版，上?？茖W技術出版社，1979，50、59、78-79、97、160-176 19.宗光華等編著.機器人的創(chuàng)意設計與實踐，第一版，北京航空航天大學出版社，2004，25-35、138-150 20.卜炎主編.中國機械設計大典—機械零部件設計，第一版，江西科技出版社，2002 6