【正文】 33 蝸桿法向齒厚 sn sn=sxcosγ 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 36 頁(yè) 共 43 頁(yè) 34 蝸輪齒厚 st 按蝸桿節(jié)圓處軸向齒槽寬 e39。 （ 3）精度選擇 7級(jí)精度。查數(shù)據(jù)可得輪與地面摩擦因素 μ=3 工作機(jī)扭矩 T=FμR=mgμR=40Kg 10m/s2 3 =108N (3)在車體上設(shè)有中央控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行控制。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對(duì)減小壓實(shí)阻力更 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 29 頁(yè) 共 43 頁(yè) 為有效。 本方案采用集中驅(qū)動(dòng)方式。即把驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在車體上，在通過(guò)傳動(dòng)裝置，將動(dòng)力輸出到每個(gè)車輪上，使車輪運(yùn)動(dòng)。因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。因此可推得如下關(guān)系式： Ex（ t） =?to dttv )(cos? (1) Ey（ t） =?to dttv )(sin? (2) θ(t)=?to dtt)(? (3) 在小誤差范圍內(nèi)可以認(rèn)為 : cosθ(t)=1 （ 4） sinθ(t)=θ(t) （ 5） 控制小車的兩電機(jī)電壓保證小車兩后輪中點(diǎn)處的速度為常 量 ， 即 v=v0，則式（ 1），（ 2） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 26 頁(yè) 共 43 頁(yè) 和（ 3）可表示如下： Ex（ t） =v0t （ 6） Ex（ t） = ?to dttv )(0 ? （ 7） θ(t)=?to dtt)(? （ 8） 經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，小車兩電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)特性一致 .電機(jī)輸入電壓與車輪轉(zhuǎn)速關(guān)系如下： n=knU+Cn （ 9） 式中 n 為車輪轉(zhuǎn)速， U為電機(jī)輸入電壓， kn 和 Cn 為常數(shù)。前面兩個(gè)輪為隨動(dòng)輪，僅起到支承車體而無(wú)導(dǎo)向作用，后面兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，用兩臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)后輪的轉(zhuǎn)速來(lái)控制車體運(yùn)行的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。傳感系統(tǒng)的硬件組成單元是傳感器，其功能是為機(jī)器人提供諸如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等對(duì)外部環(huán)境的感知能力，同時(shí)還可以感知機(jī)器人本身的工作狀態(tài)和位置。 基于上述設(shè)計(jì)要求研發(fā)的移動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)，由下至上分為五層 :主要分為用戶層、決策控制層、傳感 /底層決策層、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層。電 機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用直流電機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向。 、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來(lái)功能改進(jìn)與擴(kuò)展。 （ 1） 移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)器人根據(jù)行為的優(yōu)先級(jí)并結(jié)合本身的任務(wù)綜合作出反應(yīng)。傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)源自基于認(rèn)知的人工智能模型，在這種模型中，智能任務(wù)由運(yùn)行于符號(hào)模型之上的推理 過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，它強(qiáng)調(diào)帶有環(huán)境模型或地圖的中央規(guī)劃器是其智能不可缺少的組成部份，而且該模型必須是準(zhǔn)確的、一致的。通過(guò)預(yù)先編好的程序和規(guī)劃的路徑，它們可以自己在指定位置充電，并且長(zhǎng)時(shí)間的高效率的不間斷工作。 從上個(gè)世紀(jì) 60年代后期，人類就開(kāi)始了對(duì)宇宙外星球的探測(cè)。由于它對(duì)地面的適應(yīng)性，可以使其順利到達(dá)目的地。從 80年代開(kāi)始，一種新型的移動(dòng)機(jī)構(gòu)成為了研究移動(dòng)機(jī)器人的熱點(diǎn) —輪腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。到了近代，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。前輪 有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使其做俯仰運(yùn)動(dòng)。無(wú)論是在路面復(fù)雜的山地 ，還是在非常光滑的冰面，它都可以自己調(diào)節(jié)平衡，從而越過(guò)障礙，到達(dá)目的地。歐洲和日本也對(duì)行星探測(cè)車做了很多深入的研究，并已研制出了樣車，不過(guò)目前仍未登陸。盡管它僅僅是一輛工程示范車，有效載荷很小，而且還不能離開(kāi)登陸車太遠(yuǎn)，但它驗(yàn)證了小型火星車的性能，并且完成了一系列的技術(shù)實(shí)驗(yàn) [9]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 12 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 4 Nomad 四輪機(jī)器人 圖 5 “勇氣號(hào)”火星探測(cè)車 ②六輪。 ②四輪移動(dòng)機(jī)器人 輪式移動(dòng)機(jī)器人中最常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)就是四輪移動(dòng)機(jī)器。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)。 ①六足行駛機(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。 (1)履帶式。蘇聯(lián)的“登月者” 20 號(hào)在無(wú)人駕駛的情況下降落在月球表面，操作器在月球表面鉆削巖石，并把土壤和巖石樣品裝進(jìn)回收容器并送回地球。作為一種先進(jìn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 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)。 1． 2 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。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。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。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) MiCroS，由于其采用一支撐輪，所以有很好的越野能力。 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。 1． 3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 機(jī)器人技術(shù)是 20 世紀(jì)中期的重大發(fā)明。該車有六條支腿，每條支腿上均含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。在反恐和現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中，智能移動(dòng)機(jī)器人己經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。如清華大學(xué)在行星表面環(huán)境及探測(cè)機(jī)器人幾何建模方面做了大量的工作，并對(duì) 相關(guān)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了深入探討。 中國(guó)科技大學(xué)的程剛，竺長(zhǎng)安等提出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)移動(dòng)越障機(jī)器人 (如圖4 )，并對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真 [15]。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。并且在其他領(lǐng)域 (如汽車領(lǐng)域 )已為其發(fā)展提供了成熟的技術(shù)。 （ 2） 探測(cè)危險(xiǎn)，航天航空 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 17 頁(yè) 共 43 頁(yè) 在考古、工程檢測(cè)和災(zāi)后救援等方面，移動(dòng)機(jī)器人由于其良好的越障性能，也發(fā)揮著巨大的作用。為此，通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人采集星球樣本進(jìn)行研究己經(jīng)成為研究外星球的重要手段。但總體目標(biāo)都是向著高度的機(jī)動(dòng)性、良好的穩(wěn)定性以及簡(jiǎn)單的可控性發(fā)展。反應(yīng)式控制系統(tǒng)能使機(jī)器人快速地對(duì)時(shí)變的、非人為構(gòu)造的環(huán)境進(jìn)行反應(yīng)。 1． 5 論文研究的主要內(nèi)容 本文對(duì)輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制技 術(shù)進(jìn)行了研究。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行 為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。要順利躲避障礙，機(jī)器人必須具備自主靈活的轉(zhuǎn)向性能。其內(nèi)部還有 8kB Flash程序存儲(chǔ)器， 512Byte RAM,2kB EZ PROM ,8通道 10 位 ADC、 4 路 PWM 以及硬件看門狗 (WDT)等資源，并具有 ISP 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 20 頁(yè) 共 43 頁(yè) 功能，用戶在自己的目標(biāo)系統(tǒng)上，經(jīng)串口和 PC連接，就可直接由 PC 對(duì)其進(jìn)行 ISP下載編程，時(shí)間僅幾秒鐘。采用基于模塊化并行通信的多微處理器分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的行為動(dòng)作控制；主要完成的移動(dòng)機(jī)器人全局導(dǎo)航控制功能和基于主動(dòng)視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器 人導(dǎo)航控制等功能；通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)和上位機(jī)進(jìn)行信息交互。傳感器主板如圖 11所示，其中 12 點(diǎn)方向的超聲波傳感器及紅外傳感器接口號(hào)為 24，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)? 5??。小車兩 前輪為隨動(dòng)輪，僅起到支承車體的作用而無(wú)導(dǎo)向作用。 由式（ 13）可知，若小車兩電機(jī)輸入電壓之和為常數(shù)，則小車兩后輪中點(diǎn)處速度v0為常數(shù)。在所有的驅(qū)動(dòng)元件中，電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。 (2)集中控制 — 分布驅(qū)動(dòng)方式。使用同樣的電機(jī)，車輪直徑增加，機(jī)器人的速度會(huì)同時(shí)增加，二者之間是一種線性關(guān)系。車身通過(guò)軸與前后四個(gè)車輪連接，使車身及承載物的重量能被四個(gè)車輪平均承受，再平均分配給每個(gè)車 輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個(gè)車輛的承載能力。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 30 頁(yè) 共 43 頁(yè) (5)機(jī)器人自帶蓄電池等能源設(shè)備，可以在一定時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源的自動(dòng)供給，保證機(jī)器人在失去外部電源的情況下能自動(dòng)返回出發(fā)地。m） 轉(zhuǎn)速 （ r/min） 功 率 （ W） 電 壓 （ V） 電流（ A） 不大于 110ZYT05 637 3000 200 24 13 110ZYT55 980 3000 308 24 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 31 頁(yè) 共 43 頁(yè) 110ZYT105 1274 3000 400 24 110ZYT155 2230 3000 700 24 130ZYT05 3185 1500 500 24 28 綜合考慮，選定型號(hào) 130ZYT05 電動(dòng)機(jī)主要外形尺寸和安裝尺寸如下： 型號(hào) L 重量（ Kg）不大于 130ZYT05 204 13 圖 17 電機(jī)安裝尺寸 電機(jī)所需功率 Pd=awP? 電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)總效率 ηa=η1η22η3 取單頭蝸桿效率 η1= 取滾動(dòng)軸承效率 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 32 頁(yè) 共 43 頁(yè) η2= 取彈性聯(lián)軸器效率 η3= ηa= Pw=Pd ηa=500 =351W 根據(jù)式（ 1） nw= i=wmnn=1500/=47 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選定減速器類型為蝸桿減速器。 ； KA=1 ② 蝸桿傳遞的扭矩為： T2=955011np =105=1582N1=d1+2x2m=m(q+2x2) 36 蝸輪節(jié)圓直徑 d39。 d4 圖 a）中， d4=d2+(1～ 3)mm，圖 b）中， d4=d3+(1～ 3)mm 直徑變化為區(qū)分加工表面及裝配方便，圓角半徑查手冊(cè)， d4與齒輪相配，應(yīng)圓整為 標(biāo)準(zhǔn)直徑（查手冊(cè)）。 圖 19 蝸桿結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)尺寸畫出蝸桿軸。機(jī)器人利用超聲探測(cè)信息解決了障礙物的識(shí)別與避障問(wèn)題。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 41 頁(yè) 共 43 頁(yè) 致 謝 經(jīng)過(guò)將近一個(gè)學(xué)期的努力學(xué)習(xí)，我終于完成了這篇畢業(yè)論文。an_ China. [12] 劉方湖，馬培蓀 ， 曹志奎 ， 姚沁 .五輪鉸接式月球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 [J].機(jī)器人 .第 23 卷第 6期 .2020 年 11月 .481485. [13] 張海洪 ， 龔振邦 ， 談士力 .全方位越障移動(dòng)機(jī)構(gòu)研究 .機(jī)器人 .第 23 卷第 4期 . 2020 年 7月 .341345. [14] 程剛 ， 竺長(zhǎng)安 ， 李川奇 ， 陳宏 ， 張屹 ， 曾議 ， 宋軼群 .突變地形下的復(fù)合結(jié) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 43 頁(yè) 共 43 頁(yè) 構(gòu)移動(dòng)越障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真 .系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)第 18卷第 1期 .2020年 1月 .148150. [15] 徐蟒琳 ， 陸文娟 ， 朱紀(jì)洪 .六主動(dòng)輪移動(dòng)機(jī)器人的建模及路徑跟蹤 .清華大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科版 ).第 43卷第 3 期 .2020 年