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摘 要
移動(dòng)機(jī)器人是一種由傳感器、自主控制的移動(dòng)載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，在代替人從事危險(xiǎn)、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下)作業(yè)環(huán)境方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動(dòng)性，靈活性。隨著機(jī)器人技術(shù)在外星探索、野外考察、軍事、安全等全新的領(lǐng)域得到 日益廣泛的采用，機(jī)器人技術(shù)由室內(nèi)走向室外，由固定、人工的環(huán)境走向移動(dòng)、非人工的環(huán)境。本課題是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究 提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。本文對(duì)各種移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了比較，從而確定了四輪式機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)與參數(shù)的研究設(shè)計(jì)。對(duì)四輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了探討，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了分析，并推到計(jì)算出其動(dòng)力學(xué)模型。本文了解了基于多傳感器的移動(dòng)機(jī)器人的自主控制問(wèn)題。分析了直流伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：輪式移動(dòng)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)；自主控制問(wèn)題
Abstract
Mobile robot is a kind of controlled by sensors, autonomous robot system composed of mobile carrier .Mobile robot has the mobile function, instead of people engaged in dangerous and bad environment (such as radiation, toxic) homework and have less (such as space and underwater) in the working environment, have greater flexibility than ordinary robot, flexibility As robots technology in alien exploration, field investigation, military, security and other new fields are widely used, the robot technology by indoor to outdoor, from fixed, artificial environment to move, not artificial environments. This topic is a basic link of robot design, be able to follow-up on the robot platform for the study provide a valuable reference and useful ideas. In this paper, all kinds of mobile robots were compared to determine the four wheel robot structure and parameters of the study design as a whole. Of four wheeled mobile robot kinematics are discussed in this paper, the kinematics model is established. In kinematics model is established on the basis of the basic movement of robot is analyzed, and its dynamic model to calculate. In this paper, the control problem for mobile robot based on multi-sensor. After the completion of the design analysis of the dynamic characteristics and the feasibility of omnidirectional mobile mechanism, provide reliable reference and basis for follow-up studies .
Key words: wheeled mobile robots; Kinematics and dynamics; Autonomous control
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1 本課題的研究?jī)?nèi)容和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 1
1.2.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 1
1.2.2 移動(dòng)機(jī)器人的主要組成 2
1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 2
2 移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 3
2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇 3
2.2 輪式機(jī)器人移動(dòng)能力分析 5
2.3 輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的組成 6
2.4 輪式機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪的組成 7
2.5 電機(jī)的選擇 8
2.6 直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)參數(shù)的確定 9
2.7 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)） 12
2.7.1 電機(jī)參數(shù)的確定 12
2.7.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 13
2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算 14
2.7.4 蝸輪軸的設(shè)計(jì) 16
2.7.5 初選滾動(dòng)軸承 16
2.7.6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
2.8 機(jī)器人的電源供應(yīng) 19
2.9 車(chē)輪及輪轂 19
3 移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 21
3.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 21
3.2 兩種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法分析 23
3.3 仿真實(shí)驗(yàn) 23
3.4 結(jié)論 24
4 機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 25
4.1輪子 25
4.2 平臺(tái)體 25
4.3 小結(jié) 26
5 自主運(yùn)動(dòng)控制 26
5.1 控制系統(tǒng)的選用 26
5.2可行性分析 28
6 結(jié)論與展望 28
6.1 結(jié)論 28
6.2 不足之處及未來(lái)展望 29
致 謝 29
參考文獻(xiàn) 30
3
1 緒論
1.1 本課題的研究?jī)?nèi)容和意義
機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。早在六十年代就已經(jīng)開(kāi)始了移動(dòng)機(jī)器人的研究。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及到許多方面。首先要考慮到移動(dòng)方式，輪式，履帶式，腿式的。其次考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三必須考慮到導(dǎo)航或者路徑規(guī)劃，路徑有更多的方面考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知?jiǎng)討B(tài)決策與規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多種功能與一體的綜合系統(tǒng)。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究提出了許多新的挑戰(zhàn)或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來(lái)越多的專(zhuān)家技術(shù)人的興趣，更由于他在軍事偵察排雷防止污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對(duì)它的研究在世界各地受到普遍關(guān)注。移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為輪式，履帶式，腿式，其中輪式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單活動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)直接影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和控制器的復(fù)雜程度。目前廣泛使用的輪式按照移動(dòng)特性又可將移動(dòng)機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。在平面上移動(dòng)的物體可以實(shí)現(xiàn)前后，左右和自傳三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為全方位移動(dòng)機(jī)器人，其不僅可以再任意方向上移動(dòng)，并且保持本姿態(tài)不變，實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)的功能也可以改變機(jī)體方位。這種特性使得輪式移動(dòng)的路徑規(guī)劃，軌跡跟蹤等問(wèn)題變得相對(duì)簡(jiǎn)單，并且它能夠在狹小的空間完成任務(wù)。
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、理論力學(xué)、大學(xué)物理，機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用的能力；強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的實(shí)用性、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單便捷性。同時(shí)也培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，為今后機(jī)械設(shè)計(jì)和適應(yīng)工作崗位打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況
1.2.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
移動(dòng)機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)60年代末期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保安巡邏等行業(yè)。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門(mén)科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類(lèi)自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類(lèi)的發(fā)展隨著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。
國(guó)外對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較早，日本是開(kāi)發(fā)機(jī)器人較早的國(guó)家，并成為世界上機(jī)器人占有量最多的國(guó)家，其次是美國(guó)和德國(guó)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開(kāi)發(fā)空間機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)地面機(jī)器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動(dòng)車(chē)、爬行移動(dòng)機(jī)器人、球形機(jī)器人、工作伙伴平臺(tái)以及ROSA-2移動(dòng)車(chē)等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機(jī)器人一一“勇氣”號(hào)與“機(jī)遇”號(hào)。雖然國(guó)內(nèi)有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績(jī)。2003年國(guó)防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無(wú)人駕駛車(chē)采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能控制算法，在高速公路上達(dá)到了130Km/h的穩(wěn)定時(shí)速，最高時(shí)速170Km/h，而且具備了自主超車(chē)功能，這些技術(shù)指[1]標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位。但是我國(guó)在機(jī)器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計(jì)和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)仍存在較大的差距。未來(lái)研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的控制。
1.2.2 移動(dòng)機(jī)器人的主要組成
一個(gè)理想的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)通常由三個(gè)部分組成：移動(dòng)機(jī)構(gòu)，感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是移動(dòng)機(jī)器人的核心，決定了機(jī)器人的核心，決定了機(jī)器人移動(dòng)空間。感知系統(tǒng)一般采用攝像機(jī)，激光測(cè)距儀，超聲波傳感器，紅外傳感器，陀螺儀等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)人工智能技術(shù)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的研究具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。移動(dòng)機(jī)器人的控制與工作環(huán)境信息密切相關(guān)而且包容著各種不確定因素，因此在已知或未知的環(huán)境中作業(yè)時(shí)，以適當(dāng)?shù)慕７椒ū磉_(dá)環(huán)境，用必要的傳給器探測(cè)環(huán)境具有重要意義。機(jī)器人的構(gòu)型選型和設(shè)計(jì)需要根據(jù)機(jī)器人實(shí)際執(zhí)行的工作來(lái)進(jìn)行，尤其對(duì)適應(yīng)環(huán)境能力要求較高的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)講，構(gòu)型不僅滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)合，積極開(kāi)飯新的結(jié)構(gòu)更要使機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定且可靠。從而減少誤差及不穩(wěn)定影響。
對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的研究還涉及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)的輸入量需從對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)建模分析得到的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)交叉的研究領(lǐng)域，涉及機(jī)械，控制，傳感器技術(shù)，信息信號(hào)處理，模式識(shí)別，人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)科學(xué)。
1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求
(1)設(shè)計(jì)移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù)；
(2)建立移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；
(3)研究移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性和機(jī)器人自主控制的問(wèn)題。