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毕业设计开题报告（含文献综述、外文翻译）题目全向移动机器人底盘设计姓名胡凯凯学号0836210091班级08机械4班专业机械设计制造及其自动化学院机械工程学院指导教师（职称）刘鹏玉2开题报告1.选题的背景和意义1.1选题的背景机器人的应用越来越广泛，几乎渗透所有领域。进入九十年代以来，人们广泛开展了对服务机器人的研制和开发。各国尤其是西方发达国家正致力于研究、开发和广泛应用服务机器人。目前，在美国、日本等发达国家，机器人已应用于商场导购、物品移送、家居服务、展厅保安和大面积清扫等多个服务领域。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，将势必会在各个领域广泛、大量地应用服务机器人。与普通工业机器人相比，服务机器人具有更大更灵活的工作空间，因此其往往是移动机器人。移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人，是继操作手和步行机之后机器人技术的一个新的研究目标，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究方向。移动机器人目前主要包括军事和民用服务两大应用领域。在民用服务领域，美国和日本处于遥遥领先的地位，机器人被广泛应用于车站清扫、大面积割草、商场导游导购、导盲和保安巡逻等各个方面。在我国的移动服务机器人的研究和应用还处于起步阶段，上海大学、哈尔滨工业大学曾先后研制成功导购机器人、导游机器人和清扫机器人。随着我国经济建设的不断开展和人民生活水平的提高，广泛应用服务机器人必将成为趋势。1.2选题意义上述移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此，移动机构是组成移动3机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功与否将直接影响机器人系统的性能。目前，移动机构开发的种类已相当繁多，仅就平面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿足式等形式。各种移动机构可谓各有千秋，适应了各种工作环境的不同要求。但车轮式移动机构显得尤其突出，与步行式移动机构相比，它的优点很多:能高速稳定地移动、能源利用率高，机构简单、控制方便、能借鉴至今已很成熟的汽车技术和经验等等，它的缺点是移动场所限于平面。但是，目前机器人工作的场所几乎都是人工建造的平地，并且即使有台阶，只要以车轮式移动机构为基础再附加几个自由度便不难解决。因而，轮式移动机构在机器人技术中得到广泛应用，目前已成为移动机器人运动机构的最主要形式。本课题将对全向移动机器人底盘设计进行分析和研究。2.设计内容和关键问题2.1主要设计内容分析四个轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理，建立了该全方位移动机构的运动学、动力学模型，提出了四轮协调的控制策略。进行了轮廓参数设计和结构设计，设计制造装配零部件，制作成可全方位移动的机器人底盘。2.2拟解决的关键问题移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此，移动机构是组成移动机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功与否将直接影响机器人系统。43.设计的方法及措施3.1方法及措施3.1.1三轮机构三轮移动机构具有一定的稳定性，是轮式机器人的基本移动机构之一，在机器人领域已经得到广泛的应用，而且在实现方式上也呈现多样化。1）两轮独立驱动机构两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。如图（1），该机构利用一个高精度驱动轮和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动，随机轮置于机器人底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定，通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动，因此属于差分驱动方式。这种结构的特点是运动灵活，机构组成简单；当两轮转速大小相等方向相反时，可以实现机器人本体的灵半径回转。该机构的缺点是对伺服系统的要求较高，如进行严格的直线运动则需保证左右两个轮子的旋转速度完全一样，且在加减速时的动态特性也应完全一致，这就要求伺服驱动系统要求有足够的精度和优异的动态特性，从而会导致机器人底盘的成本增加。2）前轮驱动前轮导向机构如图（2），该机构中的前轮既是驱动轮又是导向轮（操舵轮），采用两个电机分别控制：导向电机控制前轮的转向角度，驱动电机控制前轮的旋转速度。因此，通过对前轮的这两个自由度进行复合控制，可以同时实现对机器人本体的运行速5度和运行方向的控制。两个被动后轮没有电机控制，完全是随机轮。该种移动机构的特点是控制比较方便，能耗低，对于伺服系统和制造装备精度要求不高，而且旋转半径可以从0到无穷大连续变化；缺点是由于导向和驱动的驱动器均集中在前轮部分，复合运动结构设计复杂，而且车体本身的运动并不十分灵活。3）后轮差动减速器驱动前轮导向机构该种机构如图（3），导向控制电机通过减速器控制导向前轮，决定了机器人本体的运动方向。驱动轮同驱动控制电机通过驱动齿轮箱体连接，在箱体内安装有全部传动系统的减速齿轮、差动器等传动零件，通过箱体两端的半轴带动左、右驱动轮运动。差速器的作用是在进行转弯操作是为左、右两轮分配不同的旋转速度。这种移动机构和驱动系统可以利用一些通用的传动系统零部件，传动效率较高，制造成本较低；但在传动模式上仍是机械传动模式，结构比较复杂，体积较大，质量也比较大，同时运动不灵活，不能实现机器人本体的小半径回转运动。4）两后轮独立驱动前轮导向机构6由图（4）可以看出，该机构同后轮差速器驱动前轮导向机构在原理上具有相似之处，不同之处在于利用两个独立伺服驱动电机取代了差速器装置，用以分别控制左、右驱动轮。该机构在控制上需要按照机器人运动学模型把移动平台的整体运动分解为对三个电机的控制命令，然后控制导向轮的转动和两个驱动轮的差动实现本体运动。同后轮差动器驱动前轮导向机构相比，该机构采用纯粹的电气传动模式，结构比较简单，体积和质量能够得到很好的控制，且方向控制精度更高，运动更为灵活；缺点是需要对三轮进行协调控制，同步性要求较高，且自转时的本体方向定位精度较低。5）三轮全驱动全导向机构三轮全驱动全导向机构属于同步驱动的装置方式。如图（5）所示，在该机构中，三个轮子成120°放置，用齿轮或者链条将轮子同分别用以进行方向控制和驱动的电机相连。每个轮子都可独立地进行转向控制和速度控制，因此在结构和原理上类似于前轮驱动前轮导向机构的前轮。当三个轮子保持初始位置以相同的速度转动时，及其本体做原地零半径旋转运动；当三个轮子导向角度相同并以相同速度驱动时，本体按照该导向角方向做直线运动。施加适当的控制，利用该机构实现的机器人本体能够按照任意指定的轨迹运动，具有很高的运动灵活性。但是该机构的整体结构比较复杂，完成每个动作都需要对6个伺服电机进行合理控制，且对于方向和驱动控制精度有较高要求，因此控制难度较大。73.1.2四轮机构四轮机构在驱动方式上和结构上类似于三轮机构，其优点是驱动轮和负载能力更强，具有较高的地面适应能力和稳定性。同三轮机构相比，四轮机构的缺点在于其回转半径较大，转向不灵活。常见的几种四轮移动机构如图所示1）两轮独立驱动机构如图（6）所示，四轮机器人中的两轮独立驱动机构和三轮机器人中的两轮独立驱动机构在工作原理上完全相同，两者之间唯一的差别在于前者多用了一个随机轮，以增加平台的稳定性和伏在承受能力。2)四轮全驱动全导向机构如图（7）所示，该种移动机构同三轮机器人中的三轮全驱动全导向机构在工作原理上完全相同。由于增加了一个驱动轮，使得平台的地面适应能力、负载能8力以及平稳性都得到提高。然而，该种机构的控制自由度变得更高，并且由于在运动过程中要求各个独立的导向机构相互协调，保持一定的相互关系，因此控制算法更为复杂。此外，更多的活动机构和过多的控制关节使系统复杂度升高、可靠性降低。3)四轮全驱机构四轮全驱机构如图（8）所示。同四轮全驱全导向机构相比，二者的四轮布局完全相同，差别之处在于：每个轮子均没有转向机构，只能进行前后方向上的旋转运动。机器人平台只能通过滑动转向方式进行方向控制，即完全靠两侧驱动轮独立驱动产生的速度差使车轮产生侧向滑动来完成转向操作。因此，这种机构的致命缺点是转向损耗较大。该机构的优点是可以实现不同半径甚至原地零半径的转向，可以满足崎岖地形移动机器人的的性能要求。此外，由于没有活动连接，结构简单可靠，以最简单的机构达到了很高的机动性。94)两轮独立驱动汽车转向机构如图（9）所示，该移动机构的两个驱动后轮分别利用独立地伺服电机进行驱动，实现机器人本体的运动速度控制。其优点在于：前端两个导向轮采用类似于汽车那样的艾克曼转向机构相连接，利用一个转向伺服电机实现机器人本体的方向控制。艾克曼转向时目前地面车辆最通用的转向机构，两个转向轮之间通过四连杆机构连接并确定转向角之间的相互关系，可以使转向轮得到基本满意的朝向。艾克曼通过机械结构确定转向轮之间的角度约束关系，整个机构只有一个自由度，因而控制简单、可靠。艾克曼转向机构技术成熟，在性能和可靠性之间得到较好的均衡。但是采用艾克曼转向机构的车辆转弯半径较大，给机器人的控制和路线规划带来较大难度。5）两轮差速器驱动汽车转向机构如图（10）所示，该种机构也采用艾克曼转向机构实现机器人的运动方向控10制，而后面两个驱动则采用单伺服电机驱动差速器的方式实现。同图（d）所示机构相比，这种机构只利用两个电机就能实现四轮机器人的的速度和方向控制，控制更为简单，可靠性更高；但是由于转向轮角度约束与驱动轮速度差分制均采用机械方式实现，因此机械结构也变得更为复杂，据此实现的机器人平台往往体积更大，质量也更大。综上所述，从体积质量，伺服驱动系统精确度，成本，运动灵活性，能否实现小半径回转，稳定度，控制简单，设计简单角度总观：三轮机构中选用两轮独立驱动机构，四轮机构中选用两轮独立驱动机构。但是四轮机构比三轮机构多用了一个随机轮，增加了平台的稳定性和伏在承受能力。所以最终选用四轮机构中的两轮独立驱动机构3.2可行性分析四轮机构其优点是驱动轮和负载能力更强，具有较高的地面适应能力和稳定性。两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。该机构利用一个高精度驱动轮和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动，随机轮置于机器人底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定，通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动，因此可以实现全向移动。这种结构的特点是运动灵活，机构组成简单；当两轮转速大小相等方向相反时，可以实现机器人本体的灵半径回转。114．预期设计成果依照设计任务书要求，设计完成时将产生如下成果：1.设计底盘全向移动驱动轮传动机构，并绘制零件图与装配图；2.设计底盘辅助轮机构，并绘制零件图与装配图；3.设计底盘全向运动整体机构，并绘制零件图与装配图；4.对底盘做运动仿真分析，并对主要受力部件进行有限元分析；5.撰写毕业设计说明书；基本要求：结构布局合理、可行，传动顺畅、高效。能承载200Kg重量，能实现全向运动。5．设计工作进度计划本毕业设计的阶段划分与进度安排如下：第7学期第7周—第12周收集资料，撰写开题报告、文献综述、外文翻译。第13周—第13周修改、打印、上交开题报告、文献综述、外文翻译。第14周—第15周设计全向移动机器人底盘驱动轮传动机构。第16周—第16周前期检查。第17周—第18周设计全向移动底盘驱动轮传动机构，并绘制与装配图。第8学期第1周—第1周设计底盘辅助轮机构，并绘制零件图与装配图。第2周—第3周设计全向移动底盘整体机构，并绘制零件图与装配图。第4周—第5周对底盘做运动仿真，并对主要受力部件进行有限元分析。第6周—第6周撰写毕业设计说明书。中期检查。第7周—第7周撰写毕业设计说明书。第8周—第8周审查。第9周—第9周准备答辩材料，答辩。12移动机器人设计1.国内外研究现状1.1国外研究现状(1)室外几种典型应用移动机器人美国国家科学委员会曾预言:“20世纪的核心武器是坦克,21世纪的核心武器是无人作战系统,其中2000年以后遥