【正文】 33 蝸桿法向齒厚 sn sn=sxcosγ 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 36 頁 共 43 頁 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級精度。查數(shù)據(jù)可得輪與地面摩擦因素 μ=3 工作機扭矩 T=FμR=mgμR=40Kg 10m/s2 3 =108N (3)在車體上設有中央控制單元，實現(xiàn)對電機的運行控制。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對減小壓實阻力更 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 29 頁 共 43 頁 為有效。 本方案采用集中驅動方式。即把驅動電機布置在車體上，在通過傳動裝置，將動力輸出到每個車輪上，使車輪運動。因此，機械結構設計是機器人開發(fā)過程中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。因此可推得如下關系式： Ex（ t） =?to dttv )(cos? (1) Ey（ t） =?to dttv )(sin? (2) θ(t)=?to dtt)(? (3) 在小誤差范圍內可以認為 : cosθ(t)=1 （ 4） sinθ(t)=θ(t) （ 5） 控制小車的兩電機電壓保證小車兩后輪中點處的速度為常 量 ， 即 v=v0，則式（ 1），（ 2） 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 26 頁 共 43 頁 和（ 3）可表示如下： Ex（ t） =v0t （ 6） Ex（ t） = ?to dttv )(0 ? （ 7） θ(t)=?to dtt)(? （ 8） 經過實測，小車兩電機閉環(huán)系統(tǒng)特性一致 .電機輸入電壓與車輪轉速關系如下： n=knU+Cn （ 9） 式中 n 為車輪轉速， U為電機輸入電壓， kn 和 Cn 為常數(shù)。前面兩個輪為隨動輪，僅起到支承車體而無導向作用，后面兩輪為驅動輪，用兩臺電機分別驅動，通過調節(jié)后輪的轉速來控制車體運行的速度和轉動角速度。傳感系統(tǒng)的硬件組成單元是傳感器，其功能是為機器人提供諸如視覺、力覺、觸覺等對外部環(huán)境的感知能力，同時還可以感知機器人本身的工作狀態(tài)和位置。 基于上述設計要求研發(fā)的移動機器人總體結構，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、運動執(zhí)行層。電 機驅動模塊采用直流電機對機器人進行驅動，并調節(jié)電機轉速來實現(xiàn)機器人轉向。 、功能元件等預留安裝位置，以備將來功能改進與擴展。 （ 1） 移動機器人的結構設計。機器人根據(jù)行為的優(yōu)先級并結合本身的任務綜合作出反應。傳統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)結構源自基于認知的人工智能模型，在這種模型中，智能任務由運行于符號模型之上的推理 過程來實現(xiàn)，它強調帶有環(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確的、一致的。通過預先編好的程序和規(guī)劃的路徑，它們可以自己在指定位置充電，并且長時間的高效率的不間斷工作。 從上個世紀 60年代后期，人類就開始了對宇宙外星球的探測。由于它對地面的適應性，可以使其順利到達目的地。從 80年代開始，一種新型的移動機構成為了研究移動機器人的熱點 —輪腿式移動機構。到了近代，機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。前輪 有電機驅動，使其做俯仰運動。無論是在路面復雜的山地 ，還是在非常光滑的冰面，它都可以自己調節(jié)平衡，從而越過障礙，到達目的地。歐洲和日本也對行星探測車做了很多深入的研究，并已研制出了樣車，不過目前仍未登陸。盡管它僅僅是一輛工程示范車，有效載荷很小，而且還不能離開登陸車太遠，但它驗證了小型火星車的性能，并且完成了一系列的技術實驗 [9]。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 12 頁 共 43 頁 圖 4 Nomad 四輪機器人 圖 5 “勇氣號”火星探測車 ②六輪。 ②四輪移動機器人 輪式移動機器人中最常見的機構就是四輪移動機器。車輪式移動機器人具有結構輕、動作穩(wěn)定、操縱簡單、其移動速度和方向容易控制等優(yōu)點。 ①六足行駛機構 采用六足行走機構的機器人很多 [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移到另一部分腿上，從而達到行走的目的。 (1)履帶式。蘇聯(lián)的“登月者” 20 號在無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回收容器并送回地球。作為一種先進的機電一體化產品，機器人技術的發(fā)展與自動控制技術的發(fā)展息息相關。 涉密論文按學校規(guī)定處理。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫 2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。 移動機器人是一種由傳感器、遙控操作器和自動控制的移動載體組成的機器人系統(tǒng)。 1． 2 輪式移動機器人的發(fā)展概況 近 20 年來，移動機器人的研究十分活躍，并得到了快速發(fā)展，這主要有兩個方面的原因 :其一， 移動機器人的應用范圍很廣，包括國防工業(yè)、制造業(yè)、輕重工業(yè)以及服務業(yè)等諸多領域。如圖 1 所示的履帶式移動機器人，由于其采用了像坦克那種的履帶式設計，因此能夠適用于更廣泛的地形。通過六條腿的交替運動來實現(xiàn)機器人的行走。于是人們對機器人移動機構研究的重 點也隨之轉移到輪式機構上來，近期日本開發(fā)出一種結構獨特的五點支撐懸吊結構 MiCroS，由于其采用一支撐輪，所以有很好的越野能力。 四輪結構一般比較簡單，但其越野能力有限，如圖 4 所示 為一四輪移動機器人。 1． 3 國內外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 機器人技術是 20 世紀中期的重大發(fā)明。該車有六條支腿，每條支腿上均含有一個驅動輪。在反恐和現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，智能移動機器人己經得到了很好的應用。如清華大學在行星表面環(huán)境及探測機器人幾何建模方面做了大量的工作，并對 相關的電機驅動技術進行了深入探討。 中國科技大學的程剛，竺長安等提出了一種復合結構移動越障機器人 (如圖4 )，并對該機器人進行了運動學建模與仿真 [15]。其共同的基本技術有傳感器技術、移動技術、操作器、控制技術、人工智能等方面。并且在其他領域 (如汽車領域 )已為其發(fā)展提供了成熟的技術。 （ 2） 探測危險，航天航空 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 17 頁 共 43 頁 在考古、工程檢測和災后救援等方面，移動機器人由于其良好的越障性能，也發(fā)揮著巨大的作用。為此，通過移動機器人采集星球樣本進行研究己經成為研究外星球的重要手段。但總體目標都是向著高度的機動性、良好的穩(wěn)定性以及簡單的可控性發(fā)展。反應式控制系統(tǒng)能使機器人快速地對時變的、非人為構造的環(huán)境進行反應。 1． 5 論文研究的主要內容 本文對輪式機器人的結構設計和運動控制技 術進行了研究。移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(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，機器人必須具備自主靈活的轉向性能。其內部還有 8kB Flash程序存儲器， 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)設計說明書（論文） 第 20 頁 共 43 頁 功能，用戶在自己的目標系統(tǒng)上，經串口和 PC連接，就可直接由 PC 對其進行 ISP下載編程，時間僅幾秒鐘。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)體系結構設計實現(xiàn)，完成對移動機器人的行為動作控制；主要完成的移動機器人全局導航控制功能和基于主動視覺的移動機器 人導航控制等功能；通過無線通信系統(tǒng)和上位機進行信息交互。傳感器主板如圖 11所示，其中 12 點方向的超聲波傳感器及紅外傳感器接口號為 24，順時針方向為 5??。小車兩 前輪為隨動輪，僅起到支承車體的作用而無導向作用。 由式（ 13）可知，若小車兩電機輸入電壓之和為常數(shù)，則小車兩后輪中點處速度v0為常數(shù)。在所有的驅動元件中，電機是最常用的機器人驅動器。 (2)集中控制 — 分布驅動方式。使用同樣的電機，車輪直徑增加，機器人的速度會同時增加，二者之間是一種線性關系。車身通過軸與前后四個車輪連接，使車身及承載物的重量能被四個車輪平均承受，再平均分配給每個車 輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個車輛的承載能力。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 30 頁 共 43 頁 (5)機器人自帶蓄電池等能源設備，可以在一定時間段內實現(xiàn)能源的自動供給，保證機器人在失去外部電源的情況下能自動返回出發(fā)地。m） 轉速 （ 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)設計說明書（論文） 第 31 頁 共 43 頁 110ZYT105 1274 3000 400 24 110ZYT155 2230 3000 700 24 130ZYT05 3185 1500 500 24 28 綜合考慮，選定型號 130ZYT05 電動機主要外形尺寸和安裝尺寸如下： 型號 L 重量（ Kg）不大于 130ZYT05 204 13 圖 17 電機安裝尺寸 電機所需功率 Pd=awP? 電動機至工作機的傳動總效率 ηa=η1η22η3 取單頭蝸桿效率 η1= 取滾動軸承效率 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 32 頁 共 43 頁 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， d4與齒輪相配，應圓整為 標準直徑（查手冊）。 圖 19 蝸桿結構尺寸 根據(jù)尺寸畫出蝸桿軸。機器人利用超聲探測信息解決了障礙物的識別與避障問題。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 41 頁 共 43 頁 致 謝 經過將近一個學期的努力學習，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 .五輪鉸接式月球機器人的運動學建模 [J].機器人 .第 23 卷第 6期 .2020 年 11月 .481485. [13] 張海洪 ， 龔振邦 ， 談士力 .全方位越障移動機構研究 .機器人 .第 23 卷第 4期 . 2020 年 7月 .341345. [14] 程剛 ， 竺長安 ， 李川奇 ， 陳宏 ， 張屹 ， 曾議 ， 宋軼群 .突變地形下的復合結 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 43 頁 共 43 頁 構移動越障機器人運動學建模與仿真 .系統(tǒng)仿真學報第 18卷第 1期 .2020年 1月 .148150. [15] 徐蟒琳 ， 陸文娟 ， 朱紀洪 .六主動輪移動機器人的建模及路徑跟蹤 .清華大學學報 (自然科版 ).第 43卷第 3 期 .2020 年