轮式移动机器人结构设计

第一章绪论1.1国内外可移动机器人的发展现状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研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。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感知、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系统。由于对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、核、化污染等危险与恶劣坏境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。国外在移动机器人方面的研究起步较早，不管是在应用还是在研究方面，日本和美国都处于遥遥领先的地位。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年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向战场”。为此，从80年代开始，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平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕。初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但是却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，同时也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。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，向实用化进军。如由美国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运动的了解和远程机器人探险的行走机器人，1994年在斯拍火山的火山口中进行了成功的演示。美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研制，命名为Rocky，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。此外，在民用方面，可移动机器人在国外己被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导游、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。另外，国外还在高完整性机器人，遥控移动机器人，环境与移动机器人系统，生态机器人学，多机器人系统等方面作了大量的研究。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，主要的研究工作有:清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。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研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划);基于传感器信息的局部路径规划技术研究(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研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟);传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术);智能移动机器人的设计和实现(智能移动机器人THMR-IH的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统)。此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中国科学院沈阳自动化研究所的自动导引车AGV和防爆机器人、中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统、哈尔滨工业大学研制成功的导游机器人等。总之，近年来移动式机器人的研究在国内也得到很大的重视，并且在某些方面的研究取得丰硕的成果。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系统、可靠的导航系统、精确的感知能力，并具有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。适应性是指机器人具有适应复杂工作环境的能力(主要通过学习)，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力;自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，自己确定工作步骤和工作方式;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，主要涉及信息的获取、处理和理解。因此，在移动机器人研究中，关键在于以下几个方面：1.机器人结构.机器人机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进行的。在机器人机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段，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特点，正在向实用化迅速发展从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的硕士论文轮式机器人控制问题的研究NASA行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人，都有力地显示出移动机器人正在以其具有使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一。2.体系结构.机器人的智能系统具有以下特点:信息密集，多层次的信息与知识表示方式，与环境交互丰富多样，信息与知识分布存储等。所以，它是一个高智能、多系统的复杂系统工程，不是单元技术的简单连接，系统的总功能是各种分系统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问题，其主要内容是机器人的体系结构研究。体系结构的研究，主要针对有意识行为和反射行为而展开的，如何将两者相统一，是目前的一个研究热点。早期的移动机器人研究都是在室内进行的，其体系结构，一般只能在“积木世界”中运行。德国为在自动化工厂中运行的自动导引车AGV设计了一种分层体系结构。德国还开发了一种具有很高水平的移动机器人系统KAMRO，其体系结构基本上采用NASREM模型的思想。美国MIT的人工智能实验室提出了包容体系结构思想，并建立了一系列新型的移动机器人。包容体系结构采用所一谓“感知一动作”·结构，也称基于行为的结构。一些实验表明，包容体系结构在处理动态环境中不确定性和模仿动物的低级反射行为方面具有很多优点。最近，又提出了基于行为控制思想的新型体系结构。目前，这种基于行为控制的体系结构还处于理论探讨阶段，很多工作有待深入。3.移动机器人路径规划技术.移动机器人的路径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，寻求有界输入使系统在规定的时间内从起始点转移到目标点。机器人路径规划的研究始于20世纪70年代，目前对这一问题的研究仍十分活跃，许多学者做了大量的工作。其主要研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定环境，按机器人获取环境信息的方式不同可分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。运动规划是移动机器人的一个重要问题，对于自由运动的机器人，即机器人的运动不受约束，运动规划问题可以通过在自由位形空间内计算一条路径加以解决，这样的一条路径与工作空间内的一条可行的自由路径相对应。但是移动机器人运动受到非完整性约束，并不是任意路径都一定是可行的。在复杂动态的环境中，还要考虑运动中的避障问题，因此，移动机器人的运动规划是一个比较复杂的问题。尚有许多的问题有待研究。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问题。有关位置的测量，可分为两大类:相对和绝对位置测量。使用的方法可分为7种:里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔，全球定位系统，路标导航和地图模型匹配。1.3课题研究意义研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以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制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，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。本课题选用轮式作为机器人平台设计研究，两轮式机器人在国内外还处于刚刚起步阶段，其前景广阔，适用性较广，在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值。已经初步做出了简单的实验模型，解决了轮式机器人的传动机构难题。该轮式机器人运动响应迅速，具有高机动的零半径转向能力，并且在运动过程中不存在失稳状态。摄像头的密封式结构可以将内部器件密封保护起来，免受外界环境的影响，非常适合在潮湿、多尘土、多辐射或有毒的环境中执行任务。它具有广阔的应用前景，例如，通过搭载视觉传感器或气体传感器等设备，它可以在缺少人干预的环境中进行战场侦察、室内或库房的巡逻及行星探测等任务，也可以通过搭载声光电等设备作为一种新颖的具有移动性和交互性的儿童玩具。 1.4 论文主要完成工作课题主要完成轮型机器人，驱动电机选择，驱动芯片的选择及程序的编制，驱动电路设计。 1.机械结构部分包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择2.针对设计要求结合所选用的电机，设计电机的驱动模块，并讨论系统设计的可靠性问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研究提供有价值的平台参考和有用的思路。带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组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。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，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。b.对零件设计的基本要求机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、震动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足的条件，这些条件就是判定零件工作能力的准则。要尽量降低零件的生产成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时合理的选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，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，用来实现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作用的装置。2.3全方位轮式移动机构的研制在设计移动机器人本体时应遵循以下设计原则：（1）总体结构应容易拆卸，便于平时的实验、调试和修理。（2）应给机器人暂时未安装的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将来功能改进与扩展。对比绪论中各转向机构的优缺点，本文选用全方位轮式机构来设计。全方位轮式机器人的运动包括纵向、横向和自转三个自由度的运动 [7] 。车轮形移动机构的特征与其他移动机构相比车轮形移动机构有下列一些优点：能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的缺点是移动只限