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AxeBot机器人:全方位自主移动机器人的机械设计 外文翻译.doc
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AxeBot机器人:全方位自主移动机器人的机械设计 外文翻译.doc
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这篇文章中介绍了一个用来参与机器人世界杯小尺寸等级比赛的完全自主
移动 AxeBot 机器人的机械设计。AxeBot 机器人使用三个全向轮来运动和装备射
击设备从不同的方向射击球。一旦 AxeBot 机器人是一个完全自主移动机器人,其
所有传感器,发动机,伺服电机,电池,计算机系统,必须嵌入在支架内。该项
目可以分为 4 个不同的部分:底盘设计,车轮设计,射击装置的设计和制作一个
可以覆盖整个机器人外壳的整体装配。该 AxeBot 机械设计提出了一种全新的底
盘概念----三轮全向机器人,也介绍了一个新的射击装置,并最终展示 AxeBots
的原型装配。
1. 前言
机器人世界杯是一个国际机器人研究组织,其目的是促进机器人技术与人工
智能领域的发展。这是一种水平挑战及自主机器人队的足球比赛,它于在 1996
年提出[1]。最初有三个不同联赛的 2D:机器人足球仿真联赛,小尺寸机器人联
赛,中型机器人联赛。时至今日,这些联赛已经提高到:四足机器人联赛,人形
机器人联赛,中型机器人联赛,青少年足球机器人,小型机器人联赛,足球模拟
联赛,标准机器人联赛。此外,另一个挑战,1999 年提出了机器人救援,在展
示机器人足球的研究结果可以直接应用在现实世界中的问题,像机器人抢险救灾。
通过技术和先进的计算机算法的集成,机器人世界杯的目标是在 2050 年的时候
建立一个人形机器人团队,打败当时世界杯冠军。
全方位的 AxeBot 使用三个全向轮,装在一个圆上互成 120°角的地方,每
个轮子朝着不同的方向运动。三个 Maxxon A - 22 电机用于驱动全向轮,每个轮
一个马达。这些电机控制由两个脑干电机 1.0 和一个级联控制器,来控制机器人
的轨迹[2] [3]。该 AxeBot 还持有射击装置用来从不同的方向踢球,一个视觉系
统包括一个 CMUCam Plus 和 GP202 红外线传感器[4],一个基于 StrongARM 的
嵌入式计算机系统,即所谓得星门套装和一个 IEEE 802.11 无线网卡。这项工作
展示了机械项目附上这些设备成为一个充分全方位自主机器人,就叫做 AxeBot。
该完整的动力学和运动学模型 AxeBot 可以在[5]发现,该模型是用来指定一些机
械参数,如车轮直径。
2. 底盘
该机器人的底盘是所有其他组件可以直接或间接连接的支架。因此,底盘必
须十分坚固,保证无论静止还是运动,都能承受机器人所有部件的重量。底盘要
承受的力量还要包括由机器人加速度引起的力。另一个重要的要求是底盘上能将
所有组件很坚固的安装起来以致所有机器人内的部件在加速和减速过程中相对
位移小。这对于三个驱动电机来说是特别重要的,其中驱动电机被定位在地平面
彼此之间成 120°角的位置。该机器人的控制效果取决于精确而坚固的马达安装
[6]。底盘要也足以承受了机器人与墙壁,或另一机器人可能发生的最高速度的
碰撞。最后底盘要以最小量的材料来制作。起初,以降低成本,并尽量减少该机
器人的总重量。轻的重量需要较少功率来加速。因此,具有相同的马达,重量轻
的机器人能获得更大的加速度。这当然是在当马达产生所有的动力,可以通过车
轮转让到在地上时。换言之,车轮必须有足够的摩擦力使得车轮和地面之间没有
滑动[7]。
2.1 材料
玻璃纤维被用于制作底盘。这个选择是纯粹的经济问题,因为材料不昂贵
(虽然它是强大的),而且没有必要聘请专业的构造者。所有的底盘(共 6 个)
的制作可由团队成员自己完成。只有模具,必须由一个专业人员制作。上下底盘
可使用一个模具,可以进通过调整,以制作不同的底盘。
2.2 设计
设计的主要目标是固定马达所需的位置。因此,有 3 个马达插槽的地板为
模板。在前端每个马达可以连接到底盘。在板块的轮辋处连接有一块边缘来使底
盘有更好的扭转刚度。这种边缘也可以用于安装其他机器人部件,例如覆盖外壳。
同时有一个切除部分为机器人的射击装置提供空间。在第 5 章将讨论本装置的设
计。但没有展示最终的设计,因此我们坚持这个假设的射击设备需要这些开孔。
所有边缘都是圆的,因为这会使得这个机构有一些比较容易的部分。最后,较低
的底盘如下图所示。这一部分是由 SolidEdge 建模的。
为了得到更牢固的底盘,一个次要的底盘部分——上层底盘,已经建立模型
了。这是几乎是第一部分的精确复制,只是现在有 3 开孔,提供了更多的空间安
装机器人组件。这些开孔也节省一些材料,及减轻重量。这两个部分是相互连接
的,如下图所示。
这种夹层结构使整个底盘更加的牢固,因此两者的总厚度底盘可能比使用一
个底盘还薄。
附录 1-图 1 下层底盘
附录 1-图 2 相互连接的上层底盘和下层底盘
2.3 底盘模具
为了制造出这些零部件,需要制作一个模具。这仅仅是一个实际的机器人
零部件的底片。图 3 所示为上层底盘的模具。下层底盘模具可以通过改变即可,
下层底盘模具中在地面处没有孔洞,表记的地方(白条纹)和没有表记地方的左
部(对称的最右部分)应该降低 4 毫米。对于上下层底盘,模具的基体是完全相
同的。只有一两处不同点是两个不同的底盘,电机和射击系统部分是相同的。
附录 1-图 3 底盘模具
3. 轮子
AxeBot 机器人装有三个车轮,三个车轮安装在互成 120°角的圆周上。这些
轮子使得 AxeBot 机器人是可以万向的。这意味着该轮必须能够让机器人做两各
方向的平移运动(在 x 和 y 方向见图 4)没有围绕机器人自身 Z 轴的旋转(轴垂
直于 y 和 x -轴,即在图 4 旋转)。车轮也能使机器人绕自身 Z 轴旋转。
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