【正文】 機器人、數控型機器人、感覺控制機器人、適應控制型機器人、學習控制型機器人、智能機器人等。 操作型機器人：能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。 示教再現(xiàn)型機器人：通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業(yè)。 感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。 學習控制型機器人：能 “體會 ”工作的經驗，具有一定的學習功能，并將所 “學 ”的經驗用于工作中。 在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。 由此可知，無論是對民生還是軍事，各個國家都已經把發(fā)展機器人技術放在重要位置上了。 移動機器人的研究意義 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 4 目前，對機器人的研究越來越受到重視，索杰納的成功應用，成為移動機器人技術發(fā)展的一個嶄新的里程碑，向人們展現(xiàn)了移動機器人代替人們從事骯臟(Dirty)，危險 (Dangerous)，枯燥 (Dull)工作的應用潛力，激發(fā)了人們對于移動機器人技術研究的極大熱情，世界各國或國際機構都加大了相 關研究的力度。經過 30 多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術先進。 進入 80 年代之后，美國感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應用機器人，另一方面制訂計劃、提高投資，增加機器人的研究經費，把機器人看成美國再次 工業(yè)化的特征，使美國的機器人迅速發(fā)展。 盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術在國際上仍一直處于領先地位。具體表現(xiàn)在： （ 1）性能可靠，功能全面，精確度高； （ 2）機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應用廣，水平高居世界之首； （ 3）智能技術發(fā) 展快，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應用； （ 4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。這主要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術，特別是把重點放在開展機器人的應用研究上。即由政府組織一些機器人基礎技術方面的研究項目，而由工業(yè)界支持開展應用和開 發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及 . 移動機器人研究的國內外現(xiàn)狀 移動機器人研究的國外現(xiàn)狀 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 5 德國工業(yè)機器人的總數占世界第三位，僅次于日本和美國。這個計劃為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術的發(fā)展。經過近十年的努力，其智能機器人的研究和 應用方面在世界上處于公認的領先地位。經過 20 年的努力，前蘇聯(lián)的機器人在數量、質量水乎上均處于世界前列地位。 日本在 1967 年由川崎重工業(yè)公司從美國 Unimation 公司引進機器人及其技術，建立起生產車間，并于 1968 年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機器人。日本政府一方面在經濟上采取了積極的扶植政策，鼓勵發(fā)展和推廣應用機器人，另一方面，國家出資對小企業(yè)進行應用機器人的專門知識和技術指導等等。 日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產，使日本汽車及電子產品產量猛增，質量日益提高，而制造成本則大為降低。此時，日本價廉物美的家用電器產品也充斥了美國市場??這使“山姆大叔”后悔不已。 我國的機器人研究相對開始較晚。 1972 年，在中國科學院沈陽自動化所里，被譽為 “中國機器人之父 ”的蔣新松在諸多爭議聲中開始了機器人研究。之后，中科院自動化學科的發(fā)展規(guī)劃正式納入機器人技術研究。 移動機器人國內的現(xiàn)狀 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 6 “七五 ”期間，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關，研制出噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人等五類機型。歷經幾年，他們成功地研制出了一批特種機器人。點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割等各種用途的工業(yè)機器人相繼出爐，形成了一批機器人產業(yè)化基地。 2020 年，我國研制成功世界最大潛深載人潛水器海極一號， 7000 米的工作潛深，可以達到世界 %的海底，比世界上另外 5 臺同類產品深 500 米。一方面，在產業(yè)化上與國際上有著一定的差距 。 機器人學國家重點實驗室（ State Key Laboratory of Robotics)是我國機器人學領域最早建立的部門重點實驗室。 機器人學國家重點實驗室定位于為我國經濟和社會發(fā)展、國家安全和重大科學工程提供所需要的機器人技術與系統(tǒng)，研究機器人學基礎理論與方法、發(fā)展可行技術和平臺樣機系統(tǒng)，培養(yǎng)和匯聚從事機器人學研究的高水平人才，推動我國先進機器人技術與系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。該實驗室機器人學研究總體水平在國內相關領域處于核心和帶頭地位，是國內外具有重要影響的機器人學研究基地?？傮w上看，我國機器人研究仍然任重而道遠。輪式車輛移動速度比較快，機動性能很好，易于控制，移動定位效果很好，能適應復雜多變地形環(huán)境，易于維修，輪式的造 價遠遠低于履帶式車。本文選擇輪式機器人。 獨輪、雙輪：只采用一個或兩個輪子構成其移動機構，由于其平衡控制問題難度較大，穩(wěn)定性和可靠性較差，運行環(huán)境也受到一定限制，在實際應用中價值不大。 四輪 ：四輪移動機構在驅動方式和結構上類似于三輪機構，但同三輪機構相比，四輪機構的確定在于其回轉半徑較大，轉向不靈活。 通過比較，我們將選擇三輪移動作為機器人的移動機構。 三輪移動機構 特點 兩輪獨立驅動 運動靈活，機構組成簡單；當兩輪轉速大小相等方向相反時，可以實現(xiàn)機器人本 體的零半徑回轉，此時旋轉中心位于連接兩輪驅動軸的直線上。 超聲波移動機器人機械結構設計方案 移動方式的選擇 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 8 后輪差速器驅動前輪 傳動效率較高，制造成本較低，但在傳動模式上仍是機械傳動模式，結構較復雜，體積較大，質量也比較大，同時運動不靈活，不能實現(xiàn)機器人本體的小半徑回轉運動。 三輪全驅動全導向 具有很高的運動靈活性，但是該機構的整體結構比較復雜，完成每個動作都需對 6 個伺服電機進行合理控制，且對于方向和驅動的伺服控制精度有較高的要求，控制難度較大。 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。其中 交流電機：輸 出或輸入為交流電能的旋轉電機，稱為交流電機，是用于實現(xiàn)機械能和交流電能相互轉換的機械。 直流電機：輸出或輸入為直流電能的旋轉電機，稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉換的電機。 步進電機：步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 無刷直流電機結構更簡單、制造成本更低。 的最高轉速。不能得到電機的較低轉速。設備復雜，造價高。 ，一般需用齒輪減速裝置； 小型數控機床。 8． 由于速度正比于脈沖頻率，因步進電機適用于中、小型機床和速度精度要求不高的地方。 傳動方式主要對比齒輪傳動 [6]和帶傳動，鏈傳動來確定： 帶傳動是利用張緊在帶輪上的柔性帶進行運動或動力傳遞的一種 機械傳動 。 鏈傳動是通過 鏈條 將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。 優(yōu)點 缺 點 帶傳動 ，因此傳動過程中可以起到緩沖和吸震的作用，是傳動平穩(wěn)； ，帶會產生打滑，能防止工件的損壞，從而保護原動機； 帶是靠摩擦進行傳動的，而帶傳動產生的打滑使傳動比不確定， 帶壽命低、軸上載荷較大 ，同時代的尺寸較大，傳動效率低， 帶傳動常適用于大中心距、中小功率 而有比較寬的轉速范圍。因此，鏈傳動多用在不宜采用帶傳動與 齒輪傳動 ，而兩軸平行，且距離較遠，功率較大，平均傳動比準確的場合。而齒輪又分圓柱齒輪，斜齒輪，圓錐齒輪。 圓柱斜齒輪除可用于平行中傳動，還可用于交叉軸傳動（螺旋齒輪機構）其特點：重合系數大，傳動平穩(wěn)，齒輪強度高，適于重負載，相比直齒而言：斜齒有軸向力 ，價格太貴 。但是傳動需成一定角度。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關 。 1． 絕對式編碼器（ Absolute encoder） 絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計 數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。 由于絕對編碼器在位置定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器，已經越來越多地應用于工控定位中。增量式編碼器轉軸旋轉時，有相應的脈沖輸出，其計數起點任意設定，可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。需要提高分辨率時，可利用 90 度相位差的 A、 B 兩路信號進行倍頻或更換高分辨率編碼器。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。 考慮到編碼器將應用在移動機器人上，本文決定選擇增量式光電編碼器。 PLC 和單片機都可以作為機器人的控制系統(tǒng)。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產過程。 單片機是一種集成在電路芯 片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和 超聲波移動機器人控制系統(tǒng)設計方案 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 13 中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、 A/D 轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 具體包括礦山，煉鋼，機床，生產加工等等，應用廣泛。因為其價格較高，一般都是附加值較高的自動控制系統(tǒng)才會考慮。 ，目前單片機滲透到我們生活的各個領域，儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了 I/O 設備。它的體積小、質量輕、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件 ，同時單片機的成本比 PLC 略微低廉，綜合考慮我們決定選擇單片機控制！ 單片機有 8 位， 16 位， 32 位等，這里的位指單片機 CPU每次處理能力 ,8 位是指單片機一次可以計算 8 位數據 ,16 位是指單片機一次可以計算 16 位數據 ,依次類推，在此次設計中用 8 位單片機完全可以完成對機器人的控制，另考慮經濟等方面，我們決定選擇 8 位單片機 . 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它相當于移動機器人的感覺器官，把 探知的信息傳遞給其他裝置 。 它的優(yōu)點是便宜，易制，安全，缺點是精度低，方向性差，距離近， 傳感器檢測距離 3cm30cm之間 。所以紅外測距傳感器不適合應用在本文中。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。 缺點是需要注意人體安全，且制做的難度較大，成本較高，而且光學系統(tǒng)需要保持干凈，否則將影響測量。綜合考慮，我們選擇超聲波傳感器。超聲波傳感器具有一定的擴散特性，發(fā)射的超聲能量主要集中在主波瓣上，沿著主波軸兩側呈波浪型衰減，左右約 30176。因此，我們決定選擇由 16個超聲波傳感器組成的超聲波環(huán)，等角度分布。 超聲波環(huán)避免了機器人經常轉身，節(jié)省了時間，提高了機器人的靈活性。整個超聲波環(huán)由 1 6 個超聲波傳感器組成。 圖 22 多 超聲波循環(huán)發(fā)射時序圖 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 15 3 超聲波移動機器人機械結構設計 從機器人是實際運動出發(fā)考慮，機器人的速度不能太快，否則會造成控制部分來不及處理和發(fā)送信號，電機不能及時做出反應，從而使機器人在行進的過程中無法做出相應的動作。由于是橡膠輪在地面上滾動，摩擦因數會比較大，所以暫定 181。mg=*40*= 通過網上查找 ,電機的效率大約為 80％ ,所以機器人電機克服摩擦力的功率 P實際=F經過計算分析，確定電機參數如下： 電動機的確定 ??本科畢業(yè)設計說明書（論文） 16 本文設計的機器人車輪半徑為 ，速度為 m/s。所以總傳動比 i 總 為： i 總 =720n/m： 60n/m=12 本文采用兩級圓柱齒輪減速器進行減速，綜合考慮，本文決定用分流式（結構復雜，但由于齒輪相對于軸承對稱布置，與展開式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。適用于變載荷的場合。 減速 箱 [8]輸出扭矩為 : T = 9550W/n i η = 9550 12 92% =