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轮式移动机器人的结构设计.doc
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轮式移动机器人的结构设计.doc
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目 录
1 前
言···································
·······················(2)
2 机 构 的 驱 动 方 案 设
计···································
·····(5)
2.1 机 器 人 运 动 方 式 的 选
择····································
······(5)
2.2 轮 式 机 器 人 驱 动 方 案 设
计····································
····(9)
2.2.1 轮 式 机 器 人 驱 动 轮 组
成····································
··(10)
2.2.2 轮 式 机 器 人 转 向 轮 组
成····································
··(11)
2.2.3 电 机 选
择····································
··············(12)
2.2.4 减 速 机 构 的 设
计····································
········(17)
2.2.5 变 速 箱 体 、 前 车 体 及 电 池
箱··································(1
8)
2.2.6 后 减 震 及 前 减 震 机
构····································
····(19)
2.2.7 车 轮 和 轮
毂····································
············(20)
3 传 动 机 构 、 执 行 机 构 的 设 计 及 受 力 分
析····················(23)
3.1 传 动 机 构 的 设
计····································
············(23)
3.2 执 行 机 构 的 设
计····································
············(24)
3.3 机 器 人 受 力 分 析 及 如 何 保 证 加 速 度 最
优····························(24)
4 轮 式 移 动 机 器 人 的 运 动 学 分
析······························(26)
4.1 轮 式 式 机 器 人 的 运 动 学 建
模····································
··(26)
4.2 阿 克 曼 约 束 的 机 器 人 运 动 模
型····································
(29)
5 轮 式 移 动 机 器 人 的 运 动 控 制 系 统 设
计·······················(32)
5.1 控 制 系 统 硬 件 设
计····································
··········(32)
5.2 控 制 系 统 软 件 设
计····································
··········(34)
5.2.2 上 位 机 控 制 系 统 软 件 设
计····································
(34)
5.2.3 下 位 机 控 制 系 统 软 件 设
计····································
(34)
6 结
论···································
·······················(36)
参 考 文
献···································
······················(37)
致
谢···································
···························(38)
1 前言
移动机器人的研究始于上世纪 60 年代末期,随着计算机技术、传感器技术以及
信息处理技术的发展,移动机器人已被广泛应用于工业、农业、医疗、保安巡逻等行
业。机器人技术的发展,它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果,也
同时,为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术,它的发展归功于在第二
次世界大战中,各国加强了经济的投入,就加强了本国的经济的发展。另一方面它也
是生产力发展的需求的必然结果,也是人类自身发展的必然结果,那么人类的发展随
着人们这种社会发展的情况,人们越来越不断探讨自然过程中,在改造自然过程中,
认识自然过程中,实现人们对不可达世界的认识和改造,这也是人们在科技发展过程
中的一个客观需要。
国外对于移动机器人的研究起步较早,日本是开发机器人较早的国家,并成为世
界上机器人占有量最多的国家,其次是美国和德国。进入 90 年代,随着技术的进步,
移动机器人开始在更现实的基础上,开拓各个应用领域,向实用化进军。前苏联曾经
在移动机器人技术方面居于世界领先的地位,俄罗斯作为前苏联的继承者,在机器人
技术领域依然具有相当雄厚的技术基础,ROVER 科技有限公司把在开发空间机器人中
获得的经验应用于开发地面机器人系统,如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球
形机器人、工作伙伴平台以及 ROSA-2 移动车等,最近的突出成果是 2003 年发射的火
星漫游机器人一一“勇气”号与“机遇”号。虽然国内有关移动机器人研究的起步较
晚,但也取得了不少成绩。2003 年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车
采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法,在高速公路上达到了
130 Km/h 的稳定时速,最高时速 170 Km/h,而且具备了自主超车功能,这些技术指标
均处于世界领先的地位
[1]
。但是我国在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性
能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方
面,同发达国家相比,我国仍存在较大的差距。未来研究热点是将各种智能控制方法
应用到移动机器人的控制。
机器人分成三类,一种是第一代机器人,那么也叫示教再现型机器人,它是通过
一个计算机,来控制一个多自由度的一个机械,通过示教存储程序和信息,工作时把
信息读取出来,然后发出指令,这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果,
再现出这种动作,比方说汽车的点焊机器人,它只要把这个点焊的过程示教完以后,
它总是重复这样一种工作,它对于外界的环境没有感知,这个力操作力的大小,这个
工件存在不存在,焊的好与坏,它并不知道,那么实际上这种从第一代机器人,也就
存在它这种缺陷,因此,在 20 世纪 70 年代后期,人们开始研究第二代机器人,叫带
感觉的机器人,这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉,比如说力觉、触觉、
滑觉、视觉、听觉和人进行相类比,有了各种各样的感觉,比方说在机器人抓一个物
体的时候,它实际上力的大小能感觉出来,它能够通过视觉,能够去感受和识别它的
形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋,它能通过一个触觉,知道它的力的大小和滑动的情
况。那么第三代机器人,也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段,叫
智能机器人,那么只要告诉它做什么,不用告诉它怎么去做,它就能完成运动,感知
思维和人机通讯的这种功能和机能,那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这
种智能的概念和含义,但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在,而只是
随着我们不断的科学技术的发展,智能的概念越来越丰富,它内涵越来越宽。
本毕业设计课题主要是为了掌握和了解轮式移动机器人的基本结构和运动控制
系统的能力,基本能实现前进、后退、360°范围转动的运动,也可以为机器人的运动
和控制提供一个很好的研究平台。本文所讨论机器人系统运动学模型近似于汽车,因
此称为轮式机器人,它的组态由机器人在工作环境中的位态确定。
它作为一种小型轮式移动机器人,是一种非线性控制系统。为了能发挥将来加载
到这种机器人上的功能�因而对小车性能作了要求。
作为主要在室内工作的机器人长度不宜超过 1000mm 高度要控制在机器人平衡稳
定运作的范围内。因此,车体在保证稳定的情况下做的尽量小�各部件排列方式应尽
量减小纵向尺寸,使车体紧凑。内置于其中的电路板和电池的尺寸也要受到限制。设
计电路是要尽量选用功能大、集成度高的芯片,而电池要选用体积小并且耐用的型号。
因此,本课题控制器设计选用 STC89LE52 单片机来实现控制电路的架构,并且减少外
围逻辑电路,使板面布局紧凑。
车体系统的运动性能是影响系统性能,决定机器人性能达标的重要因素。因此,
在软硬件选型时,满足快速性、准确性要求是考虑的第一要素之一。要求机构能够具
有更大的灵活性与柔性,能够具有更大的跨越障碍的能力。最好采用减震设计,它有
利于保护机器人各组成部件,特别是电器元件。
相对于工业环境来讲,我们设计的机器人所处的环境所受的强磁干扰要小得多,
但是要达到系统运作实时、准确,某些干扰就显得较为明显:
首先,机器人体积很小,电机及其驱动系统,处理器系统,无线模块同处于很小
的空间,这几部分之间的相互干扰,特别是电机及其驱动系统对处理器的干扰,无线
模块对处理器的干扰以及无线通讯所特有的噪声干扰都不容忽视。本课题中,分别采
用了硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。其次,机器人工作环境周围的电器将对其产
生影响。
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oligaga
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