履带式移动机器人平台设计

河北工业大学城市学院2010届本科毕业说明书河北工业大学城市学院毕业设计说明书作者：王佳学号：063268系：机械工程专业：机械设计制造及其自动化题目：多感官履带式移动机器人平台设计指导者：丁承君教授(姓名)(专业技术职务)评阅者：(姓名)(专业技术职务)2010年6月1日GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware届本科毕业说明书毕业设计中文摘要多感官履带式移动机器人底盘设计摘要：多感官履带机器人是国家高技术发展研究计划（863）支持项目之一，包括双节履带直流伺服驱动底盘和机器人多感官头部以及传感器系统和计算机控制系统。本题目的设计目标是完成底盘机械结构设计，完成底盘驱动系统的电机功率扭矩等参数计算校核、选型。本设计利用了机械设计、机械制造、机电传动等专业知识，解决多感官履带式机器人移动平台的驱动、移动平台的机械系统设计以及多节履带和附属部件的设计。本设计的具有较强的实用性，可以作为各种移动机器人平台以及其它移动设备的载体。关键词：机器人平台设计履带设计GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware届本科毕业说明书毕业设计（论文）外文摘要TitleTheChassisDesignofMulti-sensoryCrawler-typeMobileRobotAbstractThemulti-sensorycrawlerrobot,whichincludesthetwin-crawlerDCservodrivechassisandmulti-sensoryrobotheadaswellasthesensorsystemsandcomputercontrolsystems,isoneoftheitemssupportedbyTheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgram(863Program).Thissubjectisdesignedtocompletethechassismechanicalstructuredesign,tocompletetheparametercalculationandproof-readingsuchasthetorqueoftheelectric-motorpowerofthechassisdrivesystemandtocompletethepropertype-selections.Inthisdesignspecializedknowledgesuchasthemechanicaldesign,themachinerymanufacturingandthemechanical&electricaltransmissionisusedtodesignthedrivesystem,mechanicalsystem,multi-sectioncrawlersystemandancillarycomponentsofthemobilechassisofthemulti-sensorycrawlerrobot.Thisdesignhasstrongpracticalapplications,itcanbeusedasthechassisofmanykindsofmovingrobotsandalsoasthecarrierofothermovingequipments.Keywords：RobotChassisdesignCrawlerdesignGeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware届本科毕业说明书目录（Index）1绪论1.1研究现状……………………………………………………………………11.2研究意义及目的……………………………………………………………21.3应用情况……………………………………………………………………31.4研究方向……………………………………………………………………41.5虚拟设计技术在多感官机器人中的应用…………………………………52课题内容及其参数要求2.1课题主要解决的问题…………………………………………………………62.2遇到的主要问题………………………………………………………………72.3解决问题的方法………………………………………………………………72.4参数要求………………………………………………………………………73总体设计方案3.1底盘设计……………………………………………………………………83.2传动系统设计………………………………………………………………103.3驱动系统设计………………………………………………………………113.4小结…………………………………………………………………………124移动平台底盘的机械设计4.1底盘设计……………………………………………………………………144.2摆臂设计……………………………………………………………………154.3多感官传感器………………………………………………………………184.4承载轮………………………………………………………………………184.5履带…………………………………………………………………………194.6外壳及辅助装置……………………………………………………………205移动机器人动力系统设计5.1基于平地最大速度的驱动电机功率计算…………………………………225.2基于爬坡最大坡度的驱动电机功率计算…………………………………23GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware直流伺服电机的选型………………………………………………………245.4电源选择……………………………………………………………………265.5小结…………………………………………………………………………266传动系统设计6.1后轮减速器系统……………………………………………………………276.2摆臂传动系统………………………………………………………………297移动平台关键零部件有限元分析和校核7.1底盘的有限元分析…………………………………………………………307.2行星轮外支架有限元分析…………………………………………………327.3摆臂支架有限元分析………………………………………………………327.4小结…………………………………………………………………………348总结及展望……………………………………………………………………34致谢………………………………………………………………………………34参考文献…………………………………………………………………………35GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware、绪论1.1移动机器人的研究现状移动机器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的NilsNilssen和CharlesRosen等人,在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。其中最著名是名为GeneralElectricQuadruped的步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来,以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。智能移动机器人集人工智能、智能控制、信息处理、图像处理、检测与转换等专业技术为一体，跨计算机、自动控制、机械、电子等多学科，代表机电一体化的最高成就，是当前智能机器人研究的热点之一。随着在智能移动机器人应用领域的不断扩大，机器人要完成的任务也越来越复杂。尽管对智能移动机器人的研究已经取得了令人鼓舞的可喜成果，但随着机器人研究的不断深入，智能移动机器人研究领域还存在许多的挑战性课题有待我们解决[1]。GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware研究意义及目的科学技术是第一生产力，各国之间综合国力的竞争，很大程度上取决于高新技术之间的竞争，作为机电一体化的最高成就，机器人技术普遍受到了各国政府的重视，他们都将机器人作为一个战略高新技术给予支持。中国工程院院士宋健曾指出:“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。”智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器人，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果。智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域占有广泛、重要的位置，对人类开辟新的产业，提高生产与生活水平具有十分现实的意义[2]。移动机器人是智能机器人中智能最高的机器人，它可以在动态坏境中无须人工干预便自主完成从起点到终点的行驶任务。近十年来，移动机器人的研究十分活跃，其得到快速开发的原因主要有两个方面:其一，移动机器人有广泛的应用范围，包括制造系统、服务行业、国防、航天及其它社会应用方面。其最成功的应用是作为自动化生产系统中的物料搬运装置，用以完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件传送，以及机床与工具库间的工具传送。由于移动机器人运动灵活，因而大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。星际探索和海洋开发也是促使移动机器人发展的重要因素。早在六十年代，美国MIT就开始研究火星探索用移动机器人，以便在火星上软着陆后进行移动收集数据。海洋开发方面，移动机器人的作用是资源调查、石油矿藏开采、沉船打捞等。现在，移动机器人的研究开发除上述应用外，还涉及许多其它应用领域。如在采矿业中进行隧道的掘进和矿藏的开采，在医疗中对病人进行护理，在农业中实施化肥和农药的喷洒，在军事上用于探测侦察、爆炸物处理，特别是在一些具有危险性的操作中，例如，核电厂的废料搬运、有毒的化工场地作业。最近几年，移动机器人技术也应用到了智能交通系统中。其二，与任何一门现代技术分支一样，移动机器人研究的兴起一方面是社会生产发展的需要，另一方面也是相关技术领域交叉发展的结果。其中一个最直接的因素是计算机技术的发展。计算机信息处理、存储能力的大幅提高，为移动机器人运行更复杂的实时控制算法创造了条件。另外计算机科学出现了一系列诸如人工智能、专家系统等新兴技术分支学科，这些学科为移动机器人GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware