轮式移动机器人结构设计

第一章前言1.1国外外可移动机器人的演进状况移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代，就己经开始有关于移动机器人的探究。关于移动机器人的探究涵盖许多方面，首先，要考虑移动模式，可以是履带的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是加强器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人超过希望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此，移动机器人是一个集环境认知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合平台。由于对移动机器人的探究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的人士教授和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排爆、核、化污染等危险与恶劣坏境以及军用中的物料搬运上带有宽广的应用前途，使得对它的探究在亚洲各地遭受普遍关注。国外在移动机器人方面的探究起步较早，不管是在应用还是在研究方面，日本和日本都进入遥遥领先的地位。美国国家科学委员会曾猜测:"20世纪的核心装备是坦克。21世纪的核心装备是无人作战平台，其中2000年之后遥控地面无人作战系统将连续装备空军，并走向战场”。

为此，从80年始，美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项，制定了地面无人作战系统的战略计划。从此，在全亚洲掀开了全面探究室内移动机器人的尾声。初期的探究，主要从学术视角探究室外机器人的机制构架和信息处置，并制定试验平台进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为希望过低，导致室内机器人的研究未超过预期的疗效，但是却引领了相关技术的演进，为分析人类研制智能机器人的方式积累了经验，同时也促进了其它国家对移动机器人的探究与研发。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，向实用化深耕。如由中国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人跑步的知道和远程机器人冒险的游走机器人，1994在斯拍火山的火山口中进行了失败的演示。美国NASA研制的月球探测机器人索1997年登上火星。为了在月球上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研发，命名为Rocky，并在Lavic湖的基岩流上和干涸的湖床上进行了失败的试验。此外，在民用方面，可移动机器人在美国己被广泛用于清除、割草、室内传送、导盲、导游、导购、室内外清洁和门卫执勤等各个方面。

另外，国外还在高完整性机器人，遥控移动机器人，环境与联通机器人平台，生态机器人学，多机器人平台等方面作了长期的研究。国内在移动机器人方面的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的探究工作有:北大学校智能移动机器人于1994年借助鉴定。涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术探究(准结构道路网环境下的全局模式规划、具有障碍物越野环境下的全局模式规划、自然地貌环境下的全局模式规划);基于传感器信息的局部路径规划技术探究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制);路径规划的仿真技术探究(基于地图的全局模式规划平台的仿真模拟、室外移动机器人规划平台的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划平台的仿真模拟);传感技术、信息整合技术探究(差分中国卫星定位平台、磁罗盘和光码盘定位平台、超声测距系统、视觉处理技术、信息整合技术);智能移动机器人的设计和谋求(智能移动机器人THMR-IH的模式构架、高效迅速的数据传输技术、自动驾驶系统)。此外，还有美国城市学院智能设计、自动化及生产研究中心的手动导航车和服务机器人、中国科大学上海自动化研究所的手动导引车AGV和防爆机器人、中国科学校自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航平台、哈尔滨工业学校研发成功的导游机器人等。

显然，近年来移动式机器人的探究在中国也给与巨大的加强，并且在诸多方面的探究获得骄人的战果。1.2移动机器人的关键技术移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任的运动平台、可靠的导航平台、精确的认知能力，并具备既安全而又友好地与人一起工作的能力。移动机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。适应性是指机器人带有适应复杂工作环境的能力(主要借助学习)，不但能分辨和检测周围的物体，还有理解周遭环境和所要执行任务的能力，并作出恰当的判定及操作和移动等能力;自主性是指机器人能依据工作任务和周边环境情况，自己确认工作方法和工作方法;交互是智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人及机器人之间三种，主要涵盖信息的获得、处理和理解。因此，在移动机器人探究中，关键在于下列几个方面：1.机器人结构.机器人机械结构方式的选型和设计，是依据实际应该进行的。在机器人机构方面，结合机器人在各个领域及诸多场合的应用，研究员工加强了丰富而充满创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人探究较多。但大多数仍处于试验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等优点，正在向实用化快速发展从阿波罗探月计划中的太空车到中国近期推行的博士论文轮式机器人控制难题的探究NASA行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加快研发的巷战勤务机器人、侦察车到新近研发的管线清洗检测机器人，都有力地显示出移动机器人正在以其具备使用价值和广阔的应用前途而作为智能机器人发展的方向之一。

2.体系构架.机器人的智能平台带有下列优点:信息密集，多层次的信息与知识表示方法，与环境交互丰富多样，信息与常识分布存储等。所以，它是一个高智能、多平台的复杂系统工程，不是单元技术的简洁连接，系统的总功能是诸多分平台在多层次的协调和分工中集成，因此，机器人的总体集成技术是一个核心难题，其主要内容是机器人的模式构架探究。体系构架的探究，主要针对有观念行为和反射行为而展开的，如何将两者相统一，是如今的一个探究热点。早期的移动机器人探究都是在室内进行的，其模式构架，一般没法在“积木世界”中运行。德国为在手动化车间中运行的手动导引车AGV设计了一种分层制度构架。德国还研发了一种带有很好水平的移动机器人平台KAMRO，其制度构架基本上采取NASREM模型的观念。美国MIT的人工智能实验室提出了包容体系构架观念，并制定了一系列新型的移动机器人。包容体系构架引入所一谓“感知一动作”结构，也称基于行为的构架。一些试验说明，包容体系构架在处置动态环境中不确定性和模仿植物的低级反射行为方备众多缺点。最近，又提出了基于行为控制观念的新型体系构架。目前，这种基于行为控制的模式构架还进入理论阐述阶段，很多工作有待深入。

3.移动机器人模式规划技术.移动机器人的模式规划就是给定机器人及其工作环境信息，按照某种优化指标，寻求有界输入使平台在条例的时间内从起始点转移到目标点。机器人模式规划的探究源于20世纪70年代，目前对这一难题的探究仍十分活跃，许多专家做了长期的工作。其主要探究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态己知环境和动态不确认环境，按机器人获得环境信息的手段不同可分为基于模型的路径规划和基于传感器的模式规划。运动规划是联通机器人的一个重要难题，对于自由运动的机器人，即机器人的跑步不受约束，运动规划难题可以借助在自由位形空间内推导一条模式加以缓解，这样的一条模式与工作空间内的一条可行的自由模式相对应。但是移动机器人运动遭到非完整性约束，并不是任意模式都一定是可行的。在复杂动态的环境中，还要考虑运动中的避障问题，因此，移动机器人的跑步规划是一个比较复杂的弊端。尚有许多的弊端有待探究。4.导航与定位.在移动机器人的应用中，精确的位置知识是一个基本难题。有关位置的检测，可分为两大类:相对和绝对位置检测。使用的方式可分为71.3课题探究意义研制机器人的最初目的是为了帮助人们远离枯燥劳动或简洁的重复劳动，及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车生产业和核工业领域得以应用。

随着机器人技术的不断演进，工业领域、军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业也都开始使用机器人。本课题选择轮式作为机器人系统设计研究，两轮式机器人在中国外还进入刚刚起步阶段，其前途广阔，适用性较广，在教学、科研、野外作业、民用物流方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具备重大的应用价值。已经初步作出了简洁的试验模型，解决了轮式机器人的传动机构问题。该轮式机器人运动响应及时，具有高机动的零长度转向能力，并且在运动过程中不存在失稳状态。的密封式构架可以将内部元件密封保护出来，免受外界环境的妨碍，非常合适在寒冷、多灰尘、多辐射或有毒的环境中执行任务。它带有广阔的应用前景，例如，通过配备视觉传感器或氧气传感器等器材，它可以在缺乏人干预的环境中进行战役侦查、室内或仓库的值勤及恒星观测等任务，也可以借助配备声光电等器材成为一种独特的带有移动性和交互性的幼儿玩具。1.4论文主要完成工作课题主要完成轮型机器人，驱动电机选用，驱动芯片的选用及程序的编制，驱动电路设计。1.机械结构部分包括机器人组成方案选用、机器人本体机构设计和驱动电机的选取2.针对设计要求结合所选取的电机，设计电机的驱动模块，并探讨平台设计的靠谱性难题第二章轮型机器人结构设计2.1引言机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的探究提供有价值的系统参考和有用的模式。

具有机械臂的全方位移动机器人可以实现在平面内任意角度的移动，能够以一定姿态到达预定位置。根据这一总体思想，进行本机器人移动机构的本体设计。2.2机械设计的基本要求机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对构成部件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互制约。a.对机器整机设计的基本要求对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用功耗指标是设计的主要目标。另外操作使用便捷、工作安全靠谱、体积小、重量轻、效率高、外形简洁、噪声低等往往也有机械设计时所要求的。对机器经济性的要求：机器的经济性表现在设计、制造和使用的中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性表现为合理的功能定位、实现使用要求的最简洁的技术途径和最简洁合理的构架。b.对工件设计的基本要求机械机件是构成机器的基本单元移动机器人原理图，对机器的设计要求最后都是借助部件的设计来谋求，所以设计部件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申起来的，即也应从确保满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。要求在预定的工作年限内正常可靠的工作，从而保证机器的诸的正常实现。

这就要求部件在预定的年限内不会造成诸多可能的失效，即要求部件在硬度、刚度、震动稳定性、耐磨性和温升等方面需要满足的条件，这些条件就是判断零件工作能力的准则。要尽量减少部件的制造费用，这要求从部件的设计和生产等多方面加以考虑。设计时合理的选用材料和毛坯的方式、设计简洁合理的部件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑工件的制做工艺性和组装工艺性等。另外要尽量选用标准化、系列化和通用化的零配件。任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机构成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接运用自然资源（也称为一次电力）或二次电力转化为机械能，如内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来谋求机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它用处的装置。2.3全方位轮式移动机构的研在设计移动机器人本体时应遵守下列设计原则：（1）总体构架应易于拆装，便于平时的试验、调试和维修。（2）应给机器人暂时未加装的继电器、功能器件等预留安装位置，以备将来功能改进与扩充。对比绪论中各转向机构的异同点，本文采用全方位轮式机构来设计。

全方位轮式机器人的跑步包含竖向、横向和自转三个自由度的跑步。车轮形移动机构的特性与其他移动机构相比车轮形移动机构有以下一些缺点：能高速稳定的移动，能量运用率高，机构的控制简单，而且它可以无法借鉴日益加强的汽车技术和经验等。它的特点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。所以在这个意义上轮子形移动机构的借助价值可以说是比较高的。图2.1是全方位轮式移动机构的。轮式移动机构预期设计要求实现零长度回转，可换向，便于控制。车轮的旋转和转向是独立控制的，全方位移动机器人采取前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每轮转动来谋求全方位移动2.1全方位轮式移动机构2.3.1移动机器人车轮转动机构设计在轮子转动机构设计过程中，主要考虑了下面模型，如2.2结构简洁，但是轮子与墙面接触面积小，可能造成侧滑现象，且对轴承轴形成一个截面，容易对轴承轴产生毁坏。模型引入轴承内嵌式构架，增大了轮胎与墙面接触面积，减小了侧滑现象，但轴承固定比较困难。综合两种模型的优劣点，设计如右图中所示结构，2.2旋转部分将轴承内嵌在轮胎内部，既增大车轮与墙面的接触面积，又减少了整个构架的轴向距离。

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/tongxinshuyu/article-119824-1.html