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南 京 理 工 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
周榮江
學(xué) 號(hào)：
060104231
專 業(yè)：
機(jī)械工程及自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目：
小型輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)
控制研究
指 導(dǎo) 教 師:
祖莉
2010 年 3 月 19 日
開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求
1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專業(yè)審查后生效；
2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)；
3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)
2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
一、輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況
近20年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人的研究十分活躍，并得到了快速發(fā)展，這主要有兩個(gè)方面的原因:其一， 移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，包括國(guó)防工業(yè)、制造業(yè)、輕重工業(yè)以及服務(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域。其二，目前國(guó)內(nèi)外的星際探索和海洋開(kāi)發(fā)兩大高端技術(shù)領(lǐng)域的市場(chǎng)需求也是促使移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的客觀因素與潛在動(dòng)力。機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在制造領(lǐng)域，為了保證較高的產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，機(jī)器人已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的手段之一。
到目前為止，地面運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、步行式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)。
(1) 履帶式。最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，后來(lái)出現(xiàn)在某些地面行駛機(jī)器人上。履帶式機(jī)器人可以在凹凸不平的地面上行走[1]，可以跨越障礙物，爬梯度不太高的臺(tái)階，具有行駛速度較快(介于輪式和腿式之間)，承載能力較強(qiáng)，但轉(zhuǎn)向不易，比較笨重的特點(diǎn)。如圖1所示的履帶式移動(dòng)機(jī)器人，由于其采用了像坦克那種的履帶式設(shè)計(jì)，因此能夠適用于更廣泛的地形。
圖1 履帶式移動(dòng)機(jī)器人
(2)步行式。其中步行式機(jī)器人對(duì)場(chǎng)地有良好的適應(yīng)能力，特別是多足機(jī)器人，能夠跨越臺(tái)階，但動(dòng)作是間歇的，速度不快，且控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難[2]。從移動(dòng)的方式來(lái)看，步行式移動(dòng)機(jī)器人可以分為兩類:動(dòng)態(tài)行走機(jī)器人和靜態(tài)行走機(jī)器人。根據(jù)支腿的數(shù)量又可分為兩足、四足、六足和多足，這里僅對(duì)六足行走機(jī)構(gòu)和多足行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行介紹。
①六足行走機(jī)構(gòu)
采用六足行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人很多[3]，一般都采用變換支撐腿的方式，將整體的重心從一部分腿上轉(zhuǎn)移到另一部分腿上，從而達(dá)到行走的目的。具有代表性的有美國(guó)CMU大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種六足結(jié)構(gòu)(如圖2)，它是由六條支腿組成，每條支腿具有由水平旋轉(zhuǎn)和垂直移動(dòng)兩個(gè)自由度。在行走過(guò)程中，整個(gè)支腿可以繞軸端在水平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，支腿的末端可以通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行垂直方向的上下移動(dòng)，以調(diào)整姿態(tài)，最終使機(jī)器人保持水平。通過(guò)六條腿的交替運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。
②多足行走機(jī)構(gòu)
如圖3所示的八足仿生機(jī)器人，這種機(jī)構(gòu)是一種八足行走的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是在前行時(shí)相對(duì)于身體總是后腿到前腿的順序，后腿著地后前腿才離地，機(jī)器人兩側(cè)的相應(yīng)部分也是成相位交替著運(yùn)動(dòng)。近期的八足機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有太大的突破，在控制方面，則不斷地出新，將現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)等高科技應(yīng)用到機(jī)器人上。
由此可以看出，對(duì)于步行式移動(dòng)機(jī)器人，雖然越野能力比較強(qiáng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，行走速度比較緩慢。
圖2 六足仿生機(jī)器人 圖3 八足仿生機(jī)器人
(3)車輪式。車輪式移動(dòng)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)輕、動(dòng)作穩(wěn)定、操縱簡(jiǎn)單、其移動(dòng)速度和方向容易控制等優(yōu)點(diǎn)。常用來(lái)在無(wú)人工廠中搬運(yùn)零部件或做其它工作，適用于平地行走，運(yùn)動(dòng)速度快，但其越野能力比步行式機(jī)器人稍遜一籌[4-5]。但隨著各式各樣的車輪底盤(pán)和懸架系統(tǒng)的出現(xiàn)，像美國(guó)MCU的六輪三體柔性機(jī)器人Robby和美國(guó)研制的火星探路者機(jī)器人，使得車輪式機(jī)器人能適應(yīng)凹凸不平的地形[6-7]，越野能力大大加強(qiáng)。于是人們對(duì)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來(lái)，近期日本開(kāi)發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的五點(diǎn)支撐懸吊結(jié)構(gòu)MiCro5，由于其采用一支撐輪，所以有很好的越野能力。輪式移動(dòng)機(jī)器人按輪數(shù)的多少又可分為三輪、四輪、五輪、六輪以及多輪，其中以四輪和六輪研究居多，所以下面僅對(duì)四輪、六輪進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹[8]。
①四輪。四輪結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，但其越野能力有限，如圖4所示為一四輪移動(dòng)機(jī)器人。要想提高此類機(jī)器人的越野能力，就必須對(duì)其底盤(pán)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)。具有代表性的是美國(guó)MCU研制的Nomad，它采用的是可變形的底盤(pán)和均化懸掛系統(tǒng)。其底盤(pán)可通過(guò)兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形，當(dāng)?shù)妆P(pán)展開(kāi)時(shí)四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)菱形，當(dāng)?shù)妆P(pán)收縮時(shí)四桿機(jī)構(gòu)變成一條直線。均化懸掛系統(tǒng)可以平滑機(jī)器人本體相對(duì)于輪子的運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)可保證在各種地形情況下四輪都能同時(shí)著地。
圖4 四輪機(jī)器人 圖5 “勇氣號(hào)”火星探測(cè)車
②六輪。具有代表性的是美國(guó)研制的火星探測(cè)車，如圖5所示，它采用的是六輪搖臂懸架機(jī)構(gòu)，其采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，單側(cè)搖臂主要包括主搖臂、副搖臂、前后兩個(gè)主動(dòng)輪以及中間的隨動(dòng)輪。與四輪結(jié)構(gòu)相比，由于引入了副搖臂和從動(dòng)輪，當(dāng)遇到障礙時(shí)，通過(guò)對(duì)副搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，并借助于從動(dòng)輪來(lái)調(diào)整重力在各個(gè)輪上的分力，可以提高車體的穩(wěn)定性和越野能力。
2、 關(guān)鍵技術(shù)研究
1. 導(dǎo)航控制技術(shù)
移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航(Mobile Robot Navigation)是指在具有障礙物的環(huán)境中，按時(shí)間最優(yōu)、路徑最短或能耗最低等約束條件，實(shí)現(xiàn)從起始位置到指定目標(biāo)位置的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)[9]。
在自主式移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究中，導(dǎo)航技術(shù)是其研究核心，也是移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化及完全自主的關(guān)鍵技術(shù)。因此，移動(dòng)機(jī)器人要想實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，必須具備以下能力:
1)能實(shí)現(xiàn)基本的趨向目標(biāo)功能，如到達(dá)給定目標(biāo)或者跟蹤指定目標(biāo);
2)能對(duì)非預(yù)見(jiàn)性事件做出實(shí)時(shí)反應(yīng)，如躲避一個(gè)突然出現(xiàn)的障礙物;
3)能創(chuàng)建、維護(hù)和使用環(huán)境地圖;
4)通過(guò)學(xué)習(xí)得到障礙物在地圖中的位置之后能可靠避開(kāi)該障礙物;
5)能識(shí)別三維地形，并能改變其力矩以適應(yīng)不同的地形;
6)具有規(guī)劃制定能力，如制定一個(gè)能避開(kāi)環(huán)境中的陷阱且能完成特定目標(biāo)的規(guī)劃。
目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的研究已取得了大量的成果，但還有很多關(guān)鍵理論和技術(shù)問(wèn)題有待解決和完善。移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式有多種，目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。一般根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號(hào)類型、導(dǎo)航地域等因素的不同，可將導(dǎo)航分為地磁導(dǎo)航、航跡推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、基于地圖導(dǎo)航、主動(dòng)信標(biāo)導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航和其它方式導(dǎo)航。
2. 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)
近年來(lái)隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)智能機(jī)器人的研究越來(lái)越多。輪式移動(dòng)機(jī)器人可以作為各種智能控制方法的良好載體，同時(shí)又可以方便的構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的分布系統(tǒng)，開(kāi)展多智能體的調(diào)度、規(guī)劃等研究，所以對(duì)他的研究越來(lái)越受到重視。
一個(gè)全方位移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，包括傳感器、通訊、伺服控制系統(tǒng)等。
系統(tǒng)可以分成以下四個(gè)模塊：監(jiān)控模塊、感知模塊、路徑規(guī)劃和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模塊、執(zhí)行模塊。
（1）監(jiān)控模塊
該模塊的功能通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要功能包括：
①任務(wù)描述：利用操作者規(guī)定的語(yǔ)言,描述對(duì)機(jī)器人的控制任務(wù)。
②監(jiān)控指令輸入：在機(jī)器人完成任務(wù)的過(guò)程當(dāng)中,操作者根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行情況以及環(huán)境的狀況,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母深A(yù),以充分發(fā)揮人的智能，構(gòu)成人-機(jī)合作系統(tǒng)。如遇到不可避開(kāi)的障礙、或者多個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生死鎖等意外情況,都需要操作者適時(shí)的干預(yù)。
③文本和圖形的顯示界面：以文本或者圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示機(jī)器人系統(tǒng)的工作信息，包括當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，機(jī)器人的位置、 速度、 障礙物等環(huán)境信息。監(jiān)控計(jì)算機(jī)是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與每一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人取得聯(lián)系的。
（2） 感知模塊
傳感器作為機(jī)器人的感知部分，是機(jī)器人具有自主能力的重要前提條件。
（3） 路徑規(guī)劃以及運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、 軌跡插補(bǔ)模塊
（4） 執(zhí)行模塊
傳統(tǒng)的分級(jí)式控制器一般都采用通用微機(jī)或以單片機(jī)作為下位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)位置控制，外圍電路復(fù)雜，計(jì)算速度慢，上位機(jī)和下位機(jī)同步困難，從而導(dǎo)致控制精度不夠理想。
3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
移動(dòng)機(jī)構(gòu)是組成移動(dòng)機(jī)器人的重要部分，它是保證機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能要求的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)的成功 與否將直接影響機(jī)器人系統(tǒng)的性能。目前，移動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的種類已相當(dāng)繁多，其中全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有完美的運(yùn)動(dòng)性能， 它可利用車輪所具有的定位和定向功能， 實(shí)現(xiàn)平面上的自由運(yùn)動(dòng) ， 即能夠在當(dāng)前位置沿著任意方向的路徑移動(dòng)，并對(duì)自己所處位置進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精確定位和高精度軌跡跟蹤 。因此它對(duì)移動(dòng)機(jī)器人具有重要的意義，在機(jī)器人技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，成為機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前全方位輪有多種形式，其中Mecanum輪是做得較為成功 、技術(shù)成熟的一種全方位輪。
全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)非常靈活，可在二維平面上從現(xiàn)在位置向任意方向運(yùn)動(dòng)而不需要車體改變姿態(tài)。在某些場(chǎng)合有明顯的優(yōu)越性；如在較狹窄或擁擠的場(chǎng)所工作時(shí)，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由的穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時(shí)候，也需要利用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)自己所處的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整?，F(xiàn)在比較常見(jiàn)的全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)有空氣懸浮式、球履帶式、輪式等許多種．輪式全方位移動(dòng)機(jī) 構(gòu)又可分為球輪驅(qū)動(dòng)式、全輪轉(zhuǎn)向式、麥克納姆輪式，等等[10]。球輪驅(qū)動(dòng)式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)是由日本電通大的越山等人研制成功的。它由一個(gè)球形輪構(gòu)成；外部是一個(gè)拱形殼，移動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)在輪的內(nèi)部，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，承載較小。全輪轉(zhuǎn)向式移動(dòng)機(jī)構(gòu)理論上可行，但由于每個(gè)輪上均需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)際中也很少有人采用。麥克納姆輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用的相對(duì)較多本文即是從麥克納姆輪中得到啟發(fā)，構(gòu)思設(shè)計(jì)了一種新式全方位輪，進(jìn)而設(shè)計(jì)制造了一種輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)。
麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專利，圖6為它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑穆。小滾子的母線很特殊；當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。由四個(gè)這種輪加以組合，可以使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能[11]。
圖6 麥克納姆輪
Mecanum輪的輪體的圓周不是由普通的輪胎組成[12] ,而是分布了許多鼓形小輥?zhàn)?。?個(gè)Mecanum輪全方位輪組成的萬(wàn)向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，控制方便，若在輪體上追加傳感器， 再控制好轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,就可能實(shí)現(xiàn)精確定位和軌跡跟蹤，應(yīng)用前景較好[13]
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：
1. 輪式移動(dòng)機(jī)器人的工作原理和設(shè)計(jì)要求。
移動(dòng)機(jī)器人是一種由傳感器、遙控操作器和自動(dòng)控制的移動(dòng)載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人隨其應(yīng)用環(huán)境和移動(dòng)方式的不同，研究?jī)?nèi)容也有很大差別。其共同的基本技術(shù)有傳感器技術(shù)、移動(dòng)技術(shù)、操作器、控制技術(shù)、人工智能等方面。它有相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚的視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器和觸覺(jué)傳感器。移動(dòng)機(jī)構(gòu)有輪式(如四輪式、兩輪式、全方向式、履帶式)、足式(如6足、4足、2足)、輪腿式(用輪子和足)、特殊式(如吸附式、軌道式、蛇式)等類型。輪子適于平坦的路面，足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境。
2. 功能模塊。
模塊化廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)等行業(yè)。目前對(duì)模塊化還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，一般可以這樣理解:統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品系統(tǒng)，把其中含有相同或相似的功能單元分離出來(lái)，用標(biāo)準(zhǔn)化原理進(jìn)行統(tǒng)一、歸并、簡(jiǎn)化，以通用單元的形式獨(dú)立存在.這就是模塊，然后用不同的摸塊組合成新產(chǎn)品，這就是模塊化.因此，模塊化技術(shù)主要包含2個(gè)方面的內(nèi)容:一是模塊的合理分解，二是模塊的有效組合.其概念及特點(diǎn)如圖7所示[14]
圖7：模塊化概念及特點(diǎn)
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日