【正文】 授權(quán) 大學(xué)可 以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。 、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(zhǔn)請他人代寫 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)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。機(jī)器人從爬行到學(xué)會兩腿直立行走，僅僅用了 20 年，而人類的這一個(gè)過程則經(jīng)歷了上百萬年。機(jī)器人已經(jīng)能夠使用工具，能看，能聽，能說，并且開始能進(jìn)行一些決策和思考的智能行為，其應(yīng)用也從傳統(tǒng)的加工制造業(yè)逐漸擴(kuò)展到軍事，海洋探測，宇宙探索等領(lǐng)域， 并開始進(jìn)入家庭和服務(wù)行業(yè)。自動擴(kuò)展系統(tǒng)是機(jī)器人的中樞神經(jīng)，他控制著機(jī)器人的思維，決策和行為，幾乎所有自動控制技術(shù)都在機(jī)器人的控制上得到了應(yīng)用。 移動機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)。隨著科技的進(jìn)步，人類對未知世界進(jìn)行探索的愿望越來越強(qiáng)烈，移動機(jī)器人的發(fā)展也日新月異。美國“探測者” 3 號，其操作器在地面的遙控下，完成了在月球上挖溝和執(zhí)行其他任務(wù)。 70 年代初期，日本早稻田大學(xué)研制出具有仿人功能的兩足步行機(jī)器人。 1． 2 輪式移動機(jī)器人的發(fā)展概況 近 20 年來，移動機(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， 移動機(jī)器人的應(yīng)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(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域。機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，在制造領(lǐng)域，為了保證較高的產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，機(jī)器人已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的手段之一。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)。最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，后來出現(xiàn)在某些地面行駛機(jī)器人上。如圖 1 所示的履帶式移動機(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。其中步行式機(jī)器人對場地有良好的適應(yīng)能力，特別是 多足機(jī)器人，能夠跨越臺階，但動作是間歇的，速度不快，且控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)相對困難 [2]。根據(jù)支腿的數(shù)量又可分為兩足、四足、六足和多足。具有代表性的有美國 CMU大學(xué)開發(fā)的一種六足結(jié)構(gòu) (如圖 2)，它是由六條支腿組成，每條支腿具有由水平旋轉(zhuǎn)和垂直移動兩個(gè)自由度。通過六條腿的交替運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。近期的八足機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)上沒有太大的突破，在控制方面，則不斷地出新，將現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)等高科技應(yīng)用到機(jī)器人上。 圖 3 多足行走機(jī)構(gòu) (3)車輪式。常用來在無人工廠中搬運(yùn)零部件或做其它工作，適用于平地行走，運(yùn)動速度快，但其越野能力比步行式機(jī)器人稍遜一籌 [45]。于是人們對機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)研究的重 點(diǎn)也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來，近期日本開發(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。 ①兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機(jī)器人 不加裝車體的兩輪移動機(jī)器人是典型的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，左右輪分別由一個(gè)電機(jī)動，依靠差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向靈活但當(dāng)安裝上車體時(shí)，就同自行車機(jī)器人一樣，要考慮機(jī)器人的平衡問題。美國和日木的研究機(jī)構(gòu)相繼開始了這方而的應(yīng)用研究并取得了初步成果兩輪行走機(jī)構(gòu)是自然不穩(wěn)定體，是高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)目前還存在許多問題，不能實(shí)際應(yīng)用 [8]。人當(dāng)在平整地而上行走時(shí)，這種機(jī)器人是最合適的選擇。 四輪結(jié)構(gòu)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(jī)器人。具有代表性的是美國 MCU研制的 Nomad，它采用的是可變形的底盤和均化懸掛系統(tǒng)。均化懸掛系統(tǒng)可以平滑機(jī)器人本體相對于輪子的運(yùn)動，這種結(jié)構(gòu)可保證在各種地形情況下四輪都能同時(shí)著地。具有代表性的是美國研制的火星探測車，如 圖 5所示，它采用的是六輪搖臂懸架機(jī)構(gòu)，其采用對稱式結(jié)構(gòu)，單側(cè)搖臂主要包括主搖臂、副搖臂、前后兩個(gè)主動輪以及中間的隨動輪。 1． 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 機(jī)器人技術(shù)是 20 世紀(jì)中期的重大發(fā)明。美國曾在 1966～ 1968 年間，向月球成功發(fā)射了兩次無人巡游探測器。 1997 年由美國 JPL(全稱 Jet Propulsion laboratory，美國太空總署噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 )研制的 Sojourner 號探測車登上了火星。 2020 年 1月，美國的“勇氣號”和“機(jī)遇號”火星探測車再度登上火星 [10]。該車有六條支腿，每條支腿上均含有一個(gè)驅(qū)動輪。前蘇聯(lián)在 1959～ 1976 年間，總共成功發(fā)射了兩個(gè)月球探測車。該車工作了四個(gè)月，行駛了 37 km。 圖 1 ATHLETE 月球探測車 在軍事領(lǐng)域中，德國在二戰(zhàn)期間就曾經(jīng)研制了數(shù)千輛遙控?zé)o人自爆式坦克，這是無人戰(zhàn)車的最早雛形。在反恐和現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，智能移動機(jī)器人己經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。在這兩次戰(zhàn)爭中，智能機(jī)器人公司的PackBot 履帶式無人戰(zhàn)車也曾執(zhí)行過數(shù)千次任務(wù)，比如掃除路邊炸彈，到洞穴或房屋內(nèi)進(jìn)行搜索等，為戰(zhàn)爭的勝利提供了有利保障。該機(jī)器人主要用來在戰(zhàn)場上運(yùn)送物品，它具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。即使受到外界的沖擊，也可以像動物一樣調(diào)節(jié)自身穩(wěn)定，繼續(xù)行走 [12]。如清華大學(xué)在行星表面環(huán)境及探測機(jī)器人幾何建模方面做了大量的工作，并對 相關(guān)的電機(jī)驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行了深入探討。此外中國科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)都在輪腿式行星移動機(jī)器人方面進(jìn)行了一系列研究工作，并取得了初步的成果。該車前三輪均能獨(dú)立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向， 后面兩輪是從動輪。 上海大學(xué)研制了一種可越障輪式全方位移動機(jī)構(gòu) — 車輪組機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)保證在姿態(tài)保持不變的前提下，沿壁面任意方向直線移動或在原地旋轉(zhuǎn)任意角度，同時(shí)能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行路徑中的障礙。 中國科技大學(xué)的程剛，竺長安等提出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)移動越障機(jī)器人 (如圖4 )，并對該機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)建模與仿真 [15]。車前部有平行四邊形的擺桿通過鍵與車體的前輪軸固連 ,車體前方有兩臺直流伺服電機(jī)分別控制兩邊平行四邊形擺桿的運(yùn)動，在遇到突變障礙時(shí)，擺桿下壓，產(chǎn)生撐地的動作，從而實(shí)現(xiàn)越障。 圖 4 復(fù)合結(jié)構(gòu)移動越障機(jī)器人 1． 4 論文研究的背景和意義 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 16 頁 共 43 頁 研究背景 早 在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機(jī)械人偶。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。其共同的基本技術(shù)有傳感器技術(shù)、移動技術(shù)、操作器、控制技術(shù)、人工智能等方面。移動機(jī)構(gòu)有輪式 (如四輪式、兩輪 式、全方向式、履帶式 )、足式 (如 6足、 4足、 2 足 )、輪腿式 (用輪子和足 )、特殊式 (如吸附式、軌道式、蛇式 )等類型。現(xiàn)今移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)己經(jīng)不僅僅限制于輪式或足式。這種移動機(jī)構(gòu)使移動機(jī)器人具有了速度快、穩(wěn)定性好以及對地面的適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。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)。 移動機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面 : (1)軍事偵察，排除險(xiǎn)情 在軍事行動中常需要對未知的環(huán)境進(jìn)行偵察。智能移動機(jī)器人為軍事行動提供了一個(gè)可靠的平臺。如在車上安 裝攝像機(jī)、安全激光測距儀、夜視裝置和 GPS 全球定位系統(tǒng)等設(shè)備，通過無線電或者光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報(bào)搜集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)。 （ 2） 探測危險(xiǎn)，航天航空 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 17 頁 共 43 頁 在考古、工程檢測和災(zāi)后救援等方面，移動機(jī)器人由于其良好的越障性能，也發(fā)揮著巨大的作用。在工程建設(shè)領(lǐng)域，可對水庫堤壩、海岸護(hù)岸堤、江河大壩進(jìn)行質(zhì)量和安全性檢測，還可應(yīng)用在碼頭、橋墩等被撞后的受損 程度探測評估。民用方面，可以探測泄露物質(zhì)，可以進(jìn)行地鐵滅火，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。到目前為止，人類研究的星球主要是月球和火星。為此，通過移動機(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。智能機(jī)器人可以充當(dāng)導(dǎo)游、售貨員、保安等多種職業(yè)。在大型碼頭、貨場和倉庫，已經(jīng)開始利用這種智能移動機(jī)器 (AGV)作為主要的運(yùn)輸工具。大大提高了運(yùn)輸量。但總體目標(biāo)都是向著高度的機(jī)動性、良好的穩(wěn)定性以及簡單的可控性發(fā)展。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和人類活動領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，移動機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地拓寬，從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展，如海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出自動化和機(jī)器人化的要求。因此，研究與開發(fā)一個(gè)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移動機(jī)器人的綜合控制系統(tǒng)，勢在必行。該模型遵循從感知到動作的串行功能分解控制路線，系統(tǒng)的可靠性、魯棒性和反應(yīng)性差。反應(yīng)式控制系統(tǒng)能使機(jī)器人快速地對時(shí)變的、非人為構(gòu)造的環(huán)境進(jìn)行反應(yīng)?；谛袨榭刂品椒ㄊ欠磻?yīng)式系統(tǒng)的擴(kuò)展，它介 于純粹的反應(yīng)式和極端的慎思型之間。每個(gè)單元都有自己的感知器和執(zhí)行器，構(gòu)成感知一執(zhí)行動作行為。其優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)行為的功能較簡單，可以通過簡單的傳感器及其快速信息處理過程獲得良好的運(yùn)行效果。 1． 5 論文研究的主要內(nèi)容 本文對輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動控制技 術(shù)進(jìn)行了研究。即各車輪與車架直接相連，使其具有行走功能。同時(shí)配備自主驅(qū)動控制，能實(shí)現(xiàn)無半徑轉(zhuǎn)向跨越障礙、躲避障礙等功能。此內(nèi)容包括機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)形式和外形尺寸的確定。移動機(jī)器人是一個(gè)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)。與普通機(jī)器人的主要區(qū)別是移動機(jī)器人一般安裝在可移動 的平臺載體上。在設(shè)計(jì)移動機(jī)器人 時(shí)應(yīng)遵循以下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 [19]： ，便于平時(shí)的試驗(yàn)、調(diào)試和修理。 ，各個(gè)功能模塊之間相互獨(dú)立裝配 .互不干擾。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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 19 頁 共 43 頁 2 輪式機(jī)器人的運(yùn)動控制 2． 1 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的論述移 動機(jī)器人為以 STC12C5408AD 為控制核心的后驅(qū)四輪機(jī)器人。 圖 5 輪式移動機(jī)器人 原理 單片機(jī) [21]系統(tǒng)通過信號采集模塊，對路面標(biāo)記的信號進(jìn)行讀取，并把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到單片機(jī)，單片機(jī)通過己經(jīng)寫入的程序?qū)ψx取到的信號進(jìn)行判斷，進(jìn)而通過電機(jī)驅(qū)動模塊和車體轉(zhuǎn)向控制模塊來決定機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。 元器件的選擇 本次設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)信號采集與分析、直流電機(jī)控制兩大功能，而單片機(jī)系統(tǒng)為機(jī)器人最終運(yùn)動狀態(tài)的決定者，因此單片機(jī)的選擇很大程度上決定了移動機(jī)器人的性能。其內(nèi)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(shè)計(jì)說明書（論文） 第 20 頁 共 43 頁 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 對其進(jìn)行 ISP下載編程，時(shí)間僅幾秒鐘。運(yùn)行過程中電機(jī)消耗的電量要比控制系統(tǒng)消耗的多，而且在運(yùn)行過程中機(jī)器人的加速、減速、拐彎等動作會導(dǎo)致電壓的不穩(wěn)定，故實(shí)行控制系統(tǒng)電源和電機(jī)驅(qū)動電源的分離，對單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立的以 MAX639 為核心的供電系統(tǒng)，確保單片機(jī)得到 5V的電源。 鑒于以上的研究目標(biāo)，提出如下總體設(shè)計(jì)要求： 1. 機(jī)器人動作靈活，控制方便； 2. 采用模塊化設(shè)計(jì) 3. 應(yīng)具有較豐富的環(huán)境感知能力，以便對機(jī)器人的行為控制進(jìn)行更全面的研究； 4. 在保證功能實(shí)現(xiàn)的前提下，盡量減少系統(tǒng)硬件的成本； 5. 便于功能擴(kuò)展、軟硬件調(diào)試、及系統(tǒng)維護(hù)。各層與各層之間通訊都有標(biāo)準(zhǔn)的物理層與協(xié)議層，因此各層都具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。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)，完成對移動機(jī)器人的行為動作控制；主要完成的移動機(jī)器人全局導(dǎo)航控制功能和基于主動視覺的移動機(jī)器 人導(dǎo)航控制等功能；通過無線通信系統(tǒng)和上位機(jī)進(jìn)行信息交互。 系統(tǒng)硬件組成可分為以下三個(gè)大模塊 :電源及驅(qū)動模塊、傳感器模塊、控制計(jì)算 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 21 頁 共 43 頁 機(jī)模塊，而按功能類別分，該機(jī)器人又可分為用戶層、傳感 /控制子系統(tǒng)、智能和決策子系統(tǒng)、運(yùn)動控制層如圖 6所示。如需要完整說明書和 設(shè)計(jì) 圖紙等 .請聯(lián)系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載！該論文已經(jīng)通過答辯 移動機(jī)器人傳感系統(tǒng) 移動機(jī)器人的傳感系統(tǒng)負(fù)責(zé)獲取機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)和外部工作環(huán)境的信息，是移動機(jī)器人感知、決策和動作三大要素之一。 外部傳感器有 :傳感器模塊上配備 24 路超聲測距傳感器 (聲納 )及光電開關(guān) (避碰用 )、兩自由度攝像云臺、全景視覺攝像機(jī)