【正文】 機器人領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應用，而且在實現(xiàn)方式上也呈現(xiàn)多樣化。 能在工作環(huán)境內(nèi)移動和執(zhí)行功能是移動服務機器人的兩大特點。進行了輪廓參數(shù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計制造裝配零部件，制作成可全方位移動的機器人底盤。 本課題將對全向移動機器人底盤設(shè)計進行分析和研究。 但是，目前機器人工作的場所幾乎都是人工建造的平地，并且即使有臺階，只要以車輪式移動機構(gòu)為基礎(chǔ)再附加幾個自由度便不難解決。各種移動機構(gòu)可謂各有千秋，適應了各種工作環(huán)境的不同要求。因此，移動機構(gòu)是組成移動機器人的重要部分，它是保證機器人實現(xiàn)功能要求的關(guān)鍵，其設(shè)計的成功與否將直接影響機器人系統(tǒng)的性能。 選題意義上述移動服務機器人的應用場合決定了要求具有能在狹窄、擁擠的場合靈活快捷地自由運動的性能，這也成為了機器人研究和設(shè)計的難點問題。在我國的移動服務機器人的研究和應用還處于起步階段，上海大學、哈爾濱工業(yè)大學曾先后研制成功導購機器人、導游機器人和清掃機器人。移動機器人目前主要包括軍事和民用服務兩大應用領(lǐng)域。 與普通工業(yè)機器人相比，服務機器人具有更大更靈活的工作空間，因此其往往是移動機器人。目前，在美國、日本等發(fā)達國家，機器人已應用于商場導購、物品移送、家居服務、展廳保安和大面積清掃等多個服務領(lǐng)域。進入九十年代以來，人們廣泛開展了對服務機器人的研制和開發(fā)。 畢業(yè)設(shè)計開題報告（含文獻綜述、外文翻譯）題 目 全向移動機器人底盤設(shè)計 姓 名 胡凱凱 學 號 0836210091 班 級 08機械4班 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學 院 機械工程學院 指導教師（職稱） 劉鵬玉 32開題報告1. 選題的背景和意義 選題的背景 機器人的應用越來越廣泛，幾乎滲透所有領(lǐng)域。各國尤其是西方發(fā)達國家正致力于研究、開發(fā)和廣泛應用服務機器人。隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，將勢必會在各個領(lǐng)域廣泛、大量地應用服務機器人。 移動機器人狹義上指的是地面可移動機器人，是繼操作手和步行機之后機器人技術(shù)的一個新的研究目標，也是進一步擴展機器人應用領(lǐng)域的重要研究方向。在民用服務領(lǐng)域，美國和日本處于遙遙領(lǐng)先的地位，機器人被廣泛應用于車站清掃、大面積割草、商場導游導購、導盲和保安巡邏等各個方面。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的不斷開展和人民生活水平的提高，廣泛應用服務機器人必將成為趨勢。能在工作環(huán)境內(nèi)移動和執(zhí)行功能是移動服務機器人的兩大特點。目前，移動機構(gòu)開發(fā)的種類已相當繁多，僅就平面移動而言，移動機構(gòu)就有車輪式、履帶式、腿足式等形式。但車輪式移動機構(gòu)顯得尤其突出，與步行式移動機構(gòu)相比，它的優(yōu)點很多:能高速穩(wěn)定地移動、能源利用率高，機構(gòu)簡單、控制方便、能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)和經(jīng)驗等等，它的缺點是移動場所限于平面。因而，輪式移動機構(gòu)在機器人技術(shù)中得到廣泛應用，目前已成為移動機器人運動機構(gòu)的最主要形式。 主要設(shè)計內(nèi)容 分析四個輪全方位輪組成的全向移動機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)原理，建立了該全方位移動機構(gòu)的運動學、動力學模型，提出了四輪協(xié)調(diào)的控制策略。 擬解決的關(guān)鍵問題 移動服務機器人的應用場合決定了要求具有能在狹窄、擁擠的場合靈活快捷地自由運動的性能，這也成為了機器人研究和設(shè)計的難點問題。因此，移動機構(gòu)是組成移動機器人的重要部分，它是保證機器人實現(xiàn)功能要求的關(guān)鍵，其設(shè)計的成功與否將直接影響機器人系統(tǒng)。 1）兩輪獨立驅(qū)動機構(gòu)兩輪獨立驅(qū)動機構(gòu)是最常用的一種驅(qū)動機構(gòu)。左右兩個驅(qū)動輪由兩個電動機經(jīng)過減速器獨立驅(qū)動，隨機輪置于機器人底盤的前方位置。這種結(jié)構(gòu)的特點是運動靈活，機構(gòu)組成簡單；當兩輪轉(zhuǎn)速大小相等方向相反時，可以實現(xiàn)機器人本體的靈半徑回轉(zhuǎn)。 2）前輪驅(qū)動前輪導向機構(gòu) 如圖（2），該機構(gòu)中的前輪既是驅(qū)動輪又是導向輪（操舵輪），采用兩個電機分別控制：導向電機控制前輪的轉(zhuǎn)向角度，驅(qū)動電機控制前輪的旋轉(zhuǎn)速度。兩個被動后輪沒有電機控制，完全是隨機輪。3）后輪差動減速器驅(qū)動前輪導向機構(gòu)該種機構(gòu)如圖（3），導向控制電機通過減速器控制導向前輪，決定了機器人本體的運動方向。差速器的作用是在進行轉(zhuǎn)彎操作是為左、右兩輪分配不同的旋轉(zhuǎn)速度。 4）兩后輪獨立驅(qū)動前輪導向機構(gòu) 由圖（4）可以看出，該機構(gòu)同后輪差速器驅(qū)動前輪導向機構(gòu)在原理上具有相似之處，不同之處在于利用兩個獨立伺服驅(qū)動電機取代了差速器裝置，用以分別控制左、右驅(qū)動輪。同后輪差動器驅(qū)動前輪導向機構(gòu)相比，該機構(gòu)采用純粹的電氣傳動模式，結(jié)構(gòu)比較簡單，體積和質(zhì)量能夠得到很好的控制，且方向控制精度更高，運動更為靈活；缺點是需要對三輪進行協(xié)調(diào)控制，同步性要求較高，且自轉(zhuǎn)時的本體方向定位精度較低。如圖（5）所示，在該機構(gòu)中，三個輪子成120176。每個輪子都可獨立地進行轉(zhuǎn)向控制和速度控制，因此在結(jié)構(gòu)和原理上類似于前輪驅(qū)動前輪導向機構(gòu)的前輪。施加適當?shù)目刂?，利用該機構(gòu)實現(xiàn)的機器人本體能夠按照任意指定的軌跡運動，具有很高的運動靈活性。四輪機構(gòu)在驅(qū)動方式上和結(jié)構(gòu)上類似于三輪機構(gòu)，其優(yōu)點是驅(qū)動輪和負載能力更強，具有較高的地面適應能力和穩(wěn)定性。常見的幾種四輪移動機構(gòu)如圖所示1）兩輪獨立驅(qū)動機構(gòu) 如圖（6）所示，四輪機器人中的兩輪獨立驅(qū)動機構(gòu)和三輪機器人中的兩輪獨立驅(qū)動機構(gòu)在工作原理上完全相同，兩者之間唯一的差別在于前者多用了一個隨機輪，以增加平臺的穩(wěn)定性和伏在承受能力。由于增加了一個驅(qū)動輪，使得平臺的地面適應能力、負載能力以及平穩(wěn)性都得到提高。此外，更多的活動機構(gòu)和過多的控制關(guān)節(jié)使系統(tǒng)復雜度升高、可靠性降低。同四輪全驅(qū)全導向機構(gòu)相比，二者的四輪布局完全相同，差別之處在于：每個輪子均沒有轉(zhuǎn)向機構(gòu)，只能進行前后方向上的旋轉(zhuǎn)運動。因此，這種機構(gòu)的致命缺點是轉(zhuǎn)向損耗較大。此外，由于沒有活動連接，結(jié)構(gòu)簡單可靠，以最簡單的機構(gòu)達到了很高的機動性。其優(yōu)點在于：前端兩個導向輪采用類似于汽車那樣的艾克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu)相連接，利用一個轉(zhuǎn)向伺服電機實現(xiàn)機器人本體的方向控制。艾克曼通過機械結(jié)構(gòu)確定轉(zhuǎn)向輪之間的角度約束關(guān)系，整個機構(gòu)只有一個自由度，因而控制簡單、可靠。但是采用艾克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu)的車輛轉(zhuǎn)彎半徑較大，給機器人的控制和路線規(guī)劃帶來較大難度。同圖（d）所示機構(gòu)相比，這種機構(gòu)只利用兩個電機就能實現(xiàn)四輪機器人的的速度和方向控制，控制更為簡單，可靠性更高；但是由于轉(zhuǎn)向輪角度約束與驅(qū)動輪速度差分制均采用機械方式實現(xiàn)，因此機械結(jié)構(gòu)也變得更為復雜，據(jù)此實現(xiàn)的機器人平臺往往體積更大，質(zhì)量也更大。 但是四輪機構(gòu)比三輪機構(gòu)多用了一個隨機輪，增加了平臺的穩(wěn)定性和伏在承受能力。 兩輪獨立驅(qū)動機構(gòu)是最常用的一種驅(qū)動機構(gòu)。左右兩個驅(qū)動輪由兩個電動機經(jīng)過減速器獨立驅(qū)動，隨機輪置于機器人底盤的前方位置。這種結(jié)構(gòu)的特點是運動靈活，機構(gòu)組成簡單；當兩輪轉(zhuǎn)速大小相等方向相反時，可以實現(xiàn)機器人本體的靈半徑回轉(zhuǎn)。能承載200Kg重量，能實現(xiàn)全向運動。第 13 周—第 13 周 修改、打印、上交開題報告、文獻綜述、外文翻 譯。第 16 周—第 16 周 前期檢查。第8學期 第 1 周—第 1 周 設(shè)計底盤輔助輪機構(gòu)，并繪制零件圖與裝配圖。第 4 周—第5 周 對底盤做運動仿真，并對主要受力部件進行有限元分析。中期檢查。第 8 周—第 8 周 審查。移動機器人設(shè)計 (1)室外幾種典型應用移動機器人美國國家科學委員會曾預言:“20 世紀的核心武器是坦克,21 世紀的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng),其中2000 年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊,并走向戰(zhàn)場”。從此,在全世界掀開了全面研究室外移動機器人的序幕,如DARPA的“戰(zhàn)略計算機”計劃中的自主地面車輛(ALV) 計劃(1983 —1990) ,能源部制訂的為期10 年的機器人和智能系統(tǒng)計劃(RIPS) (1986 —1995) ,以及后來的空間機器人計劃。歐洲尤里卡中的機器人計劃等。雖然由于80 年代對機器人的智能行為期望過高,導致室外機器人的研究未達到預期的效果,但卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,為探討人類研制智能機器人的途徑積累了經(jīng)驗,同時,也推動了其它國家對移動機器人的研究與開發(fā)。由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機器人,是一個能提供對高移動性機器人運動的了解和遠程機器人探險的行走機器人。其它機器人在整個運動過程中,都需要人參與或支持。美國NASA研制的火星探測機器人索杰那于1997年登上火星,這一事件向全世界進行了報道。德國研制了一種輪椅機器人, 并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998 年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進行了實地現(xiàn)場表演。這種輪椅機器人是在一個商業(yè)輪椅的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。這是運動性的一種新概念。一個可靠機器人是指它一直正常地工作。因此,一個高完整性機器人并不一定要連續(xù)工作,但工作時,一定是正確的。在大多數(shù)室外環(huán)境中,要求機器完全自主地完成任務,目前還有一定的困難。因此先進的遠程操作技術(shù)是將來必需的。研制一套適于遠程操作的、使用起來既自然又容易的人機交互方案是必需的。(4)環(huán)境與移動機器人集成 通過對以前機器人研究工作的回顧,發(fā)現(xiàn)過去智能機器人的工作主要集中在自主性上。就象人需要道路、交通信號燈等一樣,機器人為了在一個動態(tài)變化的環(huán)境中行動,也同樣需要基礎(chǔ)設(shè)施。實驗在一個縮小了1/ 12 的城鎮(zhèn)模型中進行,內(nèi)有陰影,樹的結(jié)構(gòu),草地和房屋,足夠代表室外環(huán)境的真實情況,并安裝了用于機器人導航用的16 個攝像機智能體,實現(xiàn)了移動機器人與環(huán)境的融合。目前所用到的原理,現(xiàn)簡述如下:◆由于機器人和環(huán)境的不可分離性,因此應將其作為一個整體來看待。◆基于感知和行為的直接關(guān)系,為了達到系統(tǒng)的一個期望狀態(tài),機器人的任務就是將已有的信息映射到受其管理的控制參數(shù)上?！粢驗闄C器人在環(huán)境中,因此環(huán)境不必在機器人之中。(6)多機器人系統(tǒng)美國DARPA的戰(zhàn)術(shù)移動機器人計劃,是一個4 年研究計劃,于1998 年開始。技術(shù)開發(fā)包括三個方面:機器感知、半自主操作和機器人運動。如正在發(fā)生軍事沖突的市區(qū)的偵察任務,在這種情況下,市區(qū)中人口稠密,建筑物多,涉及的人員分布在其里里外外、上上下下,從而使作戰(zhàn)部隊處于危險和不可預測的境地。附帶的另一個長期目標是建立和發(fā)展一個自制的工業(yè)標準基礎(chǔ),以迎接將來國防對軍用機器人的需求。第一期任務是用于國防部倉庫和儲蓄場自動化闖入探測和庫存量的查定。第二期任務主要強調(diào)在國防部的室外倉儲地的應用。首先建立一個實驗床,由四個機器人和一個陪同的操作員控制單元組成,研究如何確定任務要求和一個有效的機器人解決方案的參數(shù)。決定性的因子來自于任務的進一步細化和實際的性能。任務完成的標志是,在有限的時間內(nèi),搜集盡可能多的手榴彈。二是成本不高,以便意外損壞是可以容忍,裝有適應的和可重用的部件。要求機器人不僅能自主完成工作,而且能與人共同協(xié)作完成任務或在人的指導下完成任務。Khatib 等討論了這個問題,并給出了有關(guān)的模型、策略和算法的開發(fā),并在斯坦福大學的兩個完整性移動平臺上進行了演示。 關(guān)于多移動機器人的一些新的提法,如認知機器人學、生態(tài)機器人學、協(xié)作機器人學、社會機器人學以及廣義社會學等。涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究(準結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃) 。路徑規(guī)劃的仿