控制機(jī)器人行走設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文答辯資料】

需要購買對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 控制機(jī)器人行走設(shè)計(jì) 摘 要 本課題選用輪式作為機(jī)器人平臺設(shè)計(jì)研究， 通過特殊的運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅通過兩個(gè)電機(jī)的控制即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位運(yùn)動，且結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，易于實(shí)現(xiàn)輕型化。其結(jié)構(gòu) 用空心管將兩輪聯(lián)接成“工”字形狀，兩輪軸心處各有一內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)，控制車輪的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全方位的行走。在兩輪的內(nèi)側(cè)各有一個(gè)掛籃與空心管固定為一體，掛籃內(nèi)裝有蓄電池塊，既可作為動力源，還可以當(dāng)作配重塊。掛籃與空心管通過螺絲聯(lián)接成一體，方便拆卸。在空心管的中端有一攝像頭，用于觀察反饋現(xiàn)場情況。通過遙控控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，可輕松實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人的前進(jìn)，后退，及原地轉(zhuǎn)向。掛籃底部裝有蓄電池塊，能夠起到偏重塊作用，保證了輪式機(jī)器人的在平路或斜坡上都能夠保持靜止?fàn)顟B(tài)。該機(jī)構(gòu) 采用了一種全新、高效的內(nèi)驅(qū)動方式， 通過遙控電機(jī)的轉(zhuǎn)向， 雙輪 機(jī)器人能自如地完成直線、圓弧運(yùn)動， 最高 運(yùn)動速度達(dá)到了 5m/s，能夠爬上 30 度的斜坡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)原地自轉(zhuǎn)。在靜止?fàn)顟B(tài)下 輪式 機(jī)器人能夠沿任意方向啟動運(yùn)動。 設(shè)計(jì)時(shí)特意采用弧形空心管，大大提高了機(jī)器人的底盤，使得該機(jī)器人行走可以直接通過障礙物，具有良好的過障礙能力，這在條件惡劣的道路上行走尤其重要。 該輪式機(jī)器人在國內(nèi)外還處于剛 剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣， 在教學(xué)、科研、野外作業(yè)、民用運(yùn)輸方面有著廣泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值 。 關(guān)鍵詞 ： 超輕型機(jī)器人 輪式 平臺設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī) 需要購買對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 of a be as of is to ts of to s to a an to In of a to to an to to be as as to to In of to a to of to a to of s a to to to a on or to is an of if m/ s, 0 to |of s to is in to up to at be in is in in 要購買對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 of is a. of 要購買對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 目錄 摘 要 . 緒 論 .課題研究目的 . 課題研究意義 .國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .國內(nèi)輕型機(jī)器人研究現(xiàn)狀 .國外輕型機(jī)器人研究成果 . 課題方案設(shè)計(jì) . 1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) . 1步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)： . 1 2 步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)及性能指標(biāo) . 2 設(shè)計(jì)方案 . 3 受力分析 . 4 設(shè)計(jì)校核 . 功能實(shí)現(xiàn) .機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù) .機(jī)器人的功能 .遙控控制功能的實(shí)現(xiàn) . 3 1 控制器單元的選型 . 3 2 單片機(jī)的確定 . 3 3 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路 . 3 4 兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制電路 . 3 4 主控制電路圖 . 結(jié) 論 .要購買對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 需要購買對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 需要購買對應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 1 緒 論 課題研究目的 在當(dāng)今世界機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛的進(jìn)入人類的生活，在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都有著機(jī)器人的利用，如機(jī)械制造，車輛運(yùn)用，冶金，醫(yī)療等等行業(yè)。在軍事上，隨著機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，世界各軍事大國也在加緊對軍用機(jī)器人的開發(fā)，應(yīng)用。其主要的發(fā)展方向就是遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人的研制和應(yīng)用。 遙控車輛是軍用地面無人車輛的起始發(fā)展階段，其研制時(shí)間長，技術(shù)較 為成熟，目前許多國家的部隊(duì)中都裝備有各種不同的遙控車輛。 遙控車輛是初級的不具備智能的無人車輛，它由遠(yuǎn)程受控車輛 (以下簡稱遠(yuǎn)程車輛 )和控制臺 (單元 )組成。操縱者操縱控制臺 (單元 )發(fā)出各種指令，經(jīng)通信連接傳送至遠(yuǎn)程車輛，由遠(yuǎn)程車輛上的各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行各種指令，實(shí)現(xiàn)操縱者的控制要求。 采用遙控形式的地面車輛 (機(jī)器人 )誕生于二戰(zhàn)時(shí)期。由于能承擔(dān)排除地雷和爆炸物、清障、三防偵察以及開辟通道等各種高危工作 ,世界各國從上世紀(jì) 70年代末紛紛開始了遙控車輛的研制工作。 遙控車輛的操作員 一般 通過無線電向車輛及其任務(wù)系統(tǒng)發(fā)出大部 分指令和派遣任務(wù)。對于車輛所處的環(huán)境、活動狀態(tài)等信息， 則 主要靠各種傳感器來獲得。 遠(yuǎn)程 車輛沒有地形分析能力，也不能進(jìn)行軍事機(jī)動，更不能接收其它來源的信息， 其 所有認(rèn)知過程都由操作員負(fù)責(zé)。 遠(yuǎn)程 車輛可完成探雷、排雷、爆破、爆炸物處理、未爆物排除、物資處理及單兵偵察與監(jiān)視等任務(wù)。 經(jīng)過初期的可行性研究，遙控車輛的研究集中于標(biāo)準(zhǔn)遙控系統(tǒng)的建立。標(biāo)準(zhǔn)遙控系統(tǒng)包括體系結(jié)構(gòu)的定義及各功能模塊的研制，目標(biāo)是不依賴于具體的車輛平臺、任務(wù)以及執(zhí)行硬件，而能夠根據(jù)需要快速實(shí)現(xiàn)車輛的遙控化。美國在波黑戰(zhàn)爭中就利用標(biāo)準(zhǔn)遙控系統(tǒng)快速地研制 了 控掃雷車 (在 克底盤的基礎(chǔ)上 )以及 型掃雷車。 遙控機(jī)器人車輛是較低級的機(jī)器人系統(tǒng)，必須由操作者進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，在目前的技術(shù)水平條件下，這種車輛的研制易獲成功，周期短，費(fèi)用低。 我所進(jìn)行的設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)出一雙輪式的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程的無人偵查任務(wù)，減少人員，經(jīng)濟(jì)的損失。并通過這次設(shè)計(jì)檢驗(yàn)自己在機(jī)械設(shè)計(jì)這一專業(yè)類所學(xué)知識的掌握情況，并進(jìn)一步的查漏補(bǔ)缺，完算自己的知識體系，為以后的工作生活打下堅(jiān)實(shí)的基 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 礎(chǔ)。 課題研究意義 研制機(jī)器人的最初目的是為了幫 助人們擺脫繁重勞動或簡單的重復(fù)勞動，以及替代人到有輻射等危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，因此機(jī)器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域 、 軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、林業(yè)也都開始使用機(jī)器人。 本課題選用輪式作為機(jī)器人平臺設(shè)計(jì)研究，兩輪式機(jī)器人在國內(nèi)外還處于剛剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣， 在教學(xué)、科研、野外作業(yè)、民用運(yùn)輸方面有著廣泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值 。已經(jīng)初步做出了簡單的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，解決了輪式機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)難題。 該輪式機(jī)器人運(yùn)動響應(yīng)迅速，具有 高機(jī)動的零半徑轉(zhuǎn)向能力，并且在運(yùn)動過程中不存在失穩(wěn)狀態(tài)。攝像頭的密封式結(jié)構(gòu)可以將內(nèi)部器件密封保護(hù)起來，免受外界環(huán)境的影響，非常適合在潮濕、多塵土、多輻射或有毒的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。它具有廣闊的應(yīng)用前景，例如，通過搭載視覺傳感器或氣體傳感器等設(shè)備，它可以在缺少人干預(yù)的環(huán)境中進(jìn)行戰(zhàn)場偵察、室內(nèi)或庫房的巡邏及行星探測等任務(wù)，也可以通過搭載聲光電等設(shè)備作為一種新穎的具有移動性和交互性的兒童玩具。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 內(nèi)輕型機(jī)器人研究現(xiàn)狀 國內(nèi)無人車輛的研究起步較晚，直到 80 年代末才開始這方面的研究。 在 863 高技術(shù)計(jì)劃中，把智能移動機(jī)器人技術(shù)研究作為一個(gè)研究項(xiàng)目，對路徑規(guī)劃、測距系統(tǒng)、圖像處理技術(shù)、自動技術(shù)系統(tǒng)等進(jìn)行了研究，并取得了許多成績，制成了無人駕駛的車輛。 上海大學(xué)談士力教授等科研人員經(jīng)過 3年多時(shí)間的協(xié)作攻關(guān)，研制成功球形壁面爬行機(jī)器人。經(jīng)專家鑒定，這種機(jī)器人的爬行、吸附機(jī)理和機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究，為實(shí)用化提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)平臺，并具創(chuàng)新性，其性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。球形壁面爬行機(jī)器人可用來代替人工進(jìn)行的一些危險(xiǎn)操作，進(jìn)行各種儲存有毒有害介質(zhì)的球形儲存罐的檢修工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲液 罐的視覺檢查、超聲側(cè)厚和焊縫探傷等作業(yè)。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 球形壁面爬行機(jī)器人采用了縮放機(jī)構(gòu)原理、氣動驅(qū)動、真空吸附的六足移動方案，具備在最小曲率半徑為 2至 5米的球形壁面上完成任意方向的直線移動和原地轉(zhuǎn)向的能力，可采用多種步態(tài)行走，并能跨越 300毫米高的條形障礙，其球面吸附機(jī)構(gòu)采用具有真空傳感功能的鉸接式橡膠真空吸盤，機(jī)器人的移動速度可達(dá)每分鐘 10 米。該機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用上下微機(jī)控制方式，實(shí)現(xiàn)了 18個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)動控制，具備自動行走和手動遙控動能。 北京郵電大學(xué)以孫漢旭教授為首的研究小組承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的研究，經(jīng)過 幾年的艱苦努力，開發(fā)出了擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、國內(nèi)首創(chuàng)且具有國際先進(jìn)水平的球形機(jī)器人。北京大學(xué)相關(guān)機(jī)構(gòu)對球形機(jī)器人進(jìn)行了全面查新，結(jié)果表明，目前該結(jié)構(gòu)的球形機(jī)器人在國內(nèi)外尚無先例，屬創(chuàng)新性研究球形機(jī)器人是 20世紀(jì) 90年代機(jī)器人研究界提出的一個(gè)嶄新課題。北京郵電大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制的球形機(jī)器人采用了一種全新、高效的內(nèi)驅(qū)動方式，球形機(jī)器人能自如地完成直線、圓弧運(yùn)動，運(yùn)動速度達(dá)到了 3m/s，能夠爬上 20 度的斜坡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)原地自轉(zhuǎn)。在靜止?fàn)顟B(tài)下球形機(jī)器人能夠沿任意方向啟動運(yùn)動。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 圖 1 球形機(jī)器人 針對國內(nèi)危險(xiǎn)行業(yè)與部門實(shí)際需求，在國家 863 計(jì)劃的大力支持下，國內(nèi)一些科研院所學(xué)校圍繞少數(shù)型號的危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了重點(diǎn)攻關(guān)，尤其自“十五” 863 計(jì)劃實(shí)施以來，在危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人方面取得了較大的進(jìn)步，獲得了一批的成果， 中國自行研制的先進(jìn)“排爆機(jī)器人系統(tǒng)”，在最近舉行的反恐演習(xí)中頻頻上鏡，給人們留下了深刻印 象；可以出入險(xiǎn)地執(zhí)行特種偵察任務(wù)的無人駕駛偵察車系統(tǒng)，可以攜帶真槍實(shí)彈沖鋒陷陣的無人駕駛戰(zhàn)車、坦克系統(tǒng)，早已研制成功 。 圖 2 “靈蜥 B”型排爆機(jī)器人 中國科學(xué)院自動化研究所研制出了一種智能自主輪式移動機(jī)器人，包括：攝像機(jī)，為 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 機(jī)器人提供他所在環(huán)境的外部信息；工控機(jī)，通過總線 別與電機(jī)驅(qū)動 /控制器、超聲環(huán)、紅外環(huán)進(jìn)行通信；運(yùn)動機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動 /控制 其進(jìn)行控制。此發(fā)明機(jī)器人能夠根據(jù)超聲傳感器、紅外傳感器和視覺閂桿球進(jìn)行資助筆帳，利用視覺傳感器進(jìn)行動態(tài)目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)特征識別。此外，該機(jī)器人還具有語音人一機(jī)交互功能。監(jiān)控人員能夠通過無線邁可直接對機(jī)器人進(jìn)行語音控制。同時(shí)，機(jī)器人能夠與人進(jìn)行交談、互相問候以及進(jìn)行自我介紹 。 近些年來，隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，我國開始了月球車系統(tǒng)的研究。月球車即月球探測機(jī)器人，分為有人駕駛和無人遙控兩種。我國研究的重點(diǎn)在后者，這是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到機(jī)械、機(jī)器人的遙控作業(yè)、空間技術(shù)、通訊和信號處理、加工自動化和人工智能等 諸多學(xué)科和領(lǐng)域。主要任務(wù)是：從遙感數(shù)據(jù)驗(yàn)證天文學(xué)推理的各種科學(xué)理論與事實(shí)，對特定地區(qū)進(jìn)行探測，判斷月球上的水溫、火山、峽谷、月球表面生成與進(jìn)化過程，對月球表面的太陽輻射線、太陽風(fēng)、隕石等的活動情況進(jìn)行探測，對月球上的巖石進(jìn)行全面的調(diào)查與分析，對月球上所有區(qū)域的資源數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，為建立天文臺做地盤的調(diào)查，做各種元素的加熱實(shí)驗(yàn)及氦 3 的抽樣實(shí)驗(yàn)。月球車的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其研究涉及到許多學(xué)科和領(lǐng)域，如機(jī)械、機(jī)器人的遙控作業(yè)、空間技術(shù)、通訊和信號處理、加工自動化和人工智能等。 外輕型機(jī)器人研 究成果 1. 小型無人地面車輛 (能夠在城市地形中的隧道、下水道和洞穴內(nèi)執(zhí)行 型無人車的目標(biāo)重量小于 夠攜載重達(dá) 即插即用 ” 載荷。根據(jù)設(shè)想，小型無人地面車輛將能夠連續(xù)工作 6個(gè)小時(shí)，在地面上能夠在距操作人員 1000 米遠(yuǎn)的地方遂行作戰(zhàn)任務(wù)，在隧道中能夠在距操作人員 200米遠(yuǎn)的地方遂行作戰(zhàn)任務(wù)。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 圖 3 小型無人車 2. “ 角斗士 ” 戰(zhàn)術(shù)無人地面車 洛克希德馬丁公司研制的“角斗士”機(jī)器人士兵 是一種多用途系統(tǒng) ,主要有兩種類型：六輪式和履帶式。 設(shè)計(jì)任務(wù)包括：偵察、監(jiān)視和目標(biāo)探測；工程偵察；直射；通信中繼；戰(zhàn)術(shù)欺騙；作戰(zhàn)補(bǔ)給；反狙擊部署。該車結(jié)構(gòu)簡單，易于運(yùn)輸，適于在沿海戰(zhàn)場使用，主要供海軍陸戰(zhàn)隊(duì)旅 和 旅級以下單位使用， “角斗士”全重 725公斤，公路行駛速度 25千米 /小時(shí)，越野速度 10千米 /小時(shí)。它采用混合電 驅(qū)動發(fā)動機(jī)，能 24小時(shí)使用?！敖嵌肥俊睂⒂筛邫C(jī)動性多用途輪式車輛（ 鷹 ” 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)運(yùn)輸。 履帶式“角斗士”機(jī)器人士兵裝備有可保障車輛在黑暗和煙霧中視物能力的攝像機(jī)、位系統(tǒng)、聲學(xué)和激光搜索系統(tǒng)、可辨別生化武器的傳感器等各種設(shè)備，也可根據(jù)需要裝載各種武器和貨物。這是一種非公路型無人地面戰(zhàn)車，從理論上講，履帶也可以改換成輪胎?！敖嵌肥俊睋碛邢喈?dāng)?shù)闹橇λ?，能根?jù)機(jī)器視力算法、探測裝置融合算法到達(dá)指定地點(diǎn)，并能記住所走過的路線，之后絲毫不差地按原路自動返回，也不會陷入臨時(shí)設(shè)置 的障礙坑中。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 圖 4 六輪式“角斗士” 3. 微型機(jī)器人 美國新墨西哥冶金技術(shù)研究所的佩內(nèi)洛普 波士頓博士和麻省理工學(xué)院的斯蒂芬 杜伯斯基博士目前正在研制一批只有網(wǎng)球大小的微型機(jī)器人。這些采用彈跳方式運(yùn)動的機(jī)器人將被用來探測太陽系中的其他行星。較之 “ 勇氣 ” 號和 “ 機(jī)遇 ” 號這樣的火星車，目前仍處于研制階段的球形機(jī)器人將能夠更為容易地抵達(dá)那些地形復(fù)雜的區(qū) 域。由于采用了特殊的跳躍式前進(jìn)機(jī)制，這種微型機(jī)器人可輕易地越過各種障礙物。不過新型機(jī)器人的體積雖小，但裝備卻一點(diǎn)兒也不含糊它們同樣也攜帶了微型照相機(jī)、光譜分析儀和其他多種傳感器。這些微型裝置最主要的優(yōu)點(diǎn)在于：重量輕，體積小 ， 一次可成百上千地被投放到指定的探測對象上。當(dāng)?shù)诌_(dá)某一行星表面后，大量的微型機(jī)器人會組成一個(gè)龐大的探測網(wǎng)絡(luò)并可經(jīng)由軌道站或者直接將獲取的信息傳回地球。 圖 5、微型機(jī)器人 4、雙輪行走運(yùn)輸機(jī)器人 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 三洋電機(jī)開發(fā)出了可依靠上體倒立來保持平衡的雙輪行走機(jī)器人 “，并在從 2002年 6月 19日起至 25日于福岡舉行的 “ 機(jī)器人世界杯 2002福岡 釜山 ” 上做了參考展示（圖）。 部位于筒狀身體上部，底部左右各設(shè)計(jì)有一個(gè)輪子，頭部兼作載物平臺。當(dāng)然移動時(shí)使用輪子。但是，直接靠輪子移動會形成 “2 點(diǎn)支撐 ” ，機(jī)器人站不穩(wěn)，最嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?。為此，新型機(jī)器人對輪子的驅(qū)動力進(jìn)行了控制，使其 上體的重心始終位于連接兩輪的軸線上，能夠在上體倒立的同時(shí)保持平衡。銷售日期尚未確定。推出這種機(jī)器人主要是探求市場對于 “ 生活輔助機(jī)器人 ” 的需求。 新型機(jī)器人通過前進(jìn)和后退時(shí)將上體向前方或后方探出、使得重心前移或后移。此時(shí)根據(jù)車輪速度改變上體傾斜角度，來巧妙地掌握平衡。這樣一來， “ 即使地面稍有凹凸不平，也可以正常移動，不會跌倒 ” 。 為了使頭部的物品放置平臺保持水平，在頭部也設(shè)置了關(guān)節(jié)。除了考慮物品本身的重力外，還考慮到機(jī)器人加減速時(shí)作用于物體的慣性力，通過使頭部前后左右地移動來保持平臺的水平。因此，在為用戶 取水杯時(shí)，杯中的水不會撒出來。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 圖 6、遠(yuǎn)程控制運(yùn)輸機(jī)器人 5、美改進(jìn)型輪式機(jī)器人 由美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的改進(jìn)型輪式機(jī)器人自動越野車“流浪者”（ 將再次返回南極，對南極做更為出色的考察工作，在表 面冰層尋找新的生命形式。 997 年裝配成功，曾經(jīng)穿過智利的阿塔卡馬沙漠，跋涉 220公里，成功完成越野旅行試驗(yàn)。它也曾在南極從事過尋找隕石的工作。這次，改進(jìn)后的 冰層頂部尋找活微生物的痕跡。它裝有新的導(dǎo)航系統(tǒng)，可以自動行駛很長距離，還裝有風(fēng)力發(fā)電裝置，可以補(bǔ)充太陽能電池的電力損耗。 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員最近在新罕布什爾州馬斯科姆湖的冰面上進(jìn)行了有關(guān)試驗(yàn)，以研究“流浪者”機(jī)器人越野車靠風(fēng)電和太陽能電力供電的可能性。結(jié)果，該車成功地穿過馬斯科姆湖的冰雪湖面， 行駛了 10公里。這項(xiàng)工作是“在南極用機(jī)器人探索生命 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 計(jì)劃”（ 一部分，該計(jì)劃打算測量在南極高原近表面冰層生存的微生物的分布狀況。 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、美國宇航局和美國陸軍寒冷地區(qū)研究與工程實(shí)驗(yàn)室共同進(jìn)行的這項(xiàng)研究，主要是在馬斯科姆湖的湖面上進(jìn)行長距離自主導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M南極高原的冰蓋層。美國陸軍寒冷地區(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)向宇航局和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)提供后勤支持和實(shí)驗(yàn)設(shè)施。寒冷地區(qū)研究和工程實(shí)驗(yàn)室做出整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的冰厚度測量，并證實(shí) 45厘米厚冰層為機(jī)器人越野車在南極實(shí)驗(yàn)的安全條件。 科研人員一直在 對“流浪者”上的傳感器和計(jì)算機(jī)不斷進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行走和測量。 1997年，“流浪者”穿過阿塔卡馬沙漠； 2000 年，“流浪者”獨(dú)立行走在南極發(fā)現(xiàn)隕石，并成為靠自己能力完成南極大陸科學(xué)考察的第一個(gè)機(jī)器人。野外試驗(yàn)的目標(biāo)是確立“流浪者”機(jī)器人車在冰雪上的可移動性，而自主導(dǎo)航技術(shù)是滿足在南極的“穿越”需求。 宇航局艾姆斯研究中心的皮特森是該計(jì)劃的主要研究人員?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所的威特格林和埃博斯特勒負(fù)責(zé)機(jī)器人越野車的設(shè)計(jì)、分析和研發(fā)其自主導(dǎo)航系統(tǒng)。加州大學(xué)伯克利分校的研究人員則負(fù)責(zé)研發(fā)熒光光譜儀，以識別 南極冰層中微生物的存在和含量。 圖 7、自動越野車“流浪者”（ 2 課題方案設(shè)計(jì) 關(guān)于機(jī)器人我的設(shè)計(jì)方案是采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動， 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度 (即步進(jìn)角 )?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式 (反應(yīng)式 (混合式 (永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為 兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7 5度或 15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1 5度，但噪聲和振動都很大，在歐美等發(fā)達(dá)國家 80年代已被淘汰：混合式步進(jìn)電機(jī)混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為 1 8度而五相步進(jìn)角一般為 0 72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 2 1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 2 1步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)： 1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3步距值不受各種干擾因素的影響。簡而言之，轉(zhuǎn)子運(yùn)動的速度主要取決于脈沖信號的頻率，而轉(zhuǎn)子運(yùn)動的總位移量 取決于總的脈沖個(gè)數(shù)。 2、位移與輸入脈沖信號相對應(yīng)，步距誤差不長期積累。因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的丌環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同的磁性材料。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)，一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200度以上。所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 80 90度完全正常。 4、步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高 而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率 (或速度 )的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 5、步進(jìn)電機(jī)有啟動頻率要求和加速過程。雖然步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)為“空載啟動頻率 ，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即 啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻 (電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速 )。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 6、 無刷，電動機(jī)本體部件少，可靠性高；控制性能好，起動、停車、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式都不會丟步；停止時(shí)有自鎖能力。 2 1 2 步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)及性能指標(biāo) l、相數(shù) m 電機(jī)上獨(dú)立成系統(tǒng)而存在的回路個(gè)數(shù)即是相數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)可以為任意數(shù)， ， 3， 4， 5， 6 2、步距角 入一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的機(jī)械角位移即步距角。 3、距角 特性步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，控制繞組通以直流電，由失調(diào)角 (定轉(zhuǎn)子中心線間夾角 )的存在而引起的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)繞組內(nèi)電流不變時(shí)，靜轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角在一個(gè)齒距角范圍內(nèi)變化一個(gè)周期，在近似分析中視距角特性為正弦曲線。 4、最大靜轉(zhuǎn)矩瓦即距角特性上最大電磁轉(zhuǎn)矩值，它的值取決于繞組內(nèi)電流的值及通電相數(shù) 1331。 2 2 設(shè)計(jì)方案 如圖所示，其結(jié)構(gòu) 用空心管將兩輪聯(lián)接成“工”字形狀，兩輪軸心處各有一內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)，控制車輪的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全方位的行走。在兩輪的內(nèi)側(cè)各有一個(gè)掛籃與 空心管固定為一體，掛籃內(nèi)裝有蓄電池塊，既可作為動力源，還可以當(dāng)作配重塊。掛籃與空心管通過螺絲聯(lián)接成一體，方便拆卸。在空心管的中端有一攝像頭，用于觀察反饋現(xiàn)場情況。通過遙控控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，可輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)，后退，及原地轉(zhuǎn)向。掛籃底部裝有蓄電池塊，能夠起到偏重塊作用，保證了輪式機(jī)器人的在平路或斜坡上都能夠保持靜止?fàn)顟B(tài)。該機(jī)構(gòu) 采用了一種全新、高效的內(nèi)驅(qū)動方式， 通過遙控電機(jī)的轉(zhuǎn)向， 雙輪 機(jī)器人能自如地完成直線、圓弧運(yùn)動， 最高 運(yùn)動速度達(dá)到了 5m/s，能夠爬上 30 度的斜坡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)原地自轉(zhuǎn)。在靜止?fàn)顟B(tài)下 輪式 機(jī)器 人能夠沿任意方向啟動運(yùn)動。 設(shè)計(jì)時(shí)特意采用弧形空心管，大大提高了機(jī)器人的底盤，使得該機(jī)器人行走可以直接通過障礙物，具有良好的過障礙能力，這在條件惡劣的道路上行走尤其重要。 通過控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同步同向轉(zhuǎn)動，雙輪機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)快速直線行駛，其結(jié)構(gòu)簡單， 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 不存在失穩(wěn)狀態(tài)，易于控制。又可通過控制步進(jìn)電機(jī)同步反向轉(zhuǎn)動，迅速實(shí)現(xiàn)后退，其反應(yīng)靈活，操作方便。還可單獨(dú)控制左右一側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左右轉(zhuǎn)彎，必要時(shí)還可控制兩側(cè)電機(jī)的同步異向轉(zhuǎn)動，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。該設(shè)計(jì)平臺操作簡便，用途廣泛，在未來各領(lǐng)域都能有著廣闊的 發(fā)展空間。 車輪的電機(jī)采取內(nèi)置 ，沒有導(dǎo)線在外裸露，不易被障礙物掛住或掛斷導(dǎo)線，使機(jī)器人適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力增強(qiáng)； 輪子 與地面接觸產(chǎn)生的摩擦力為驅(qū)動力，沒有被動摩擦輪，運(yùn)動效率高；輪子與地面接觸面小，對路面條件要求低，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。這種 輪式 機(jī)器人用最少的自由度，以欠驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的全方位運(yùn)動。 并在弧形管的中間安裝一搖控?cái)z像頭，通過控制攝像頭的云臺可控制攝像頭實(shí)現(xiàn)左右、高低轉(zhuǎn)動，擴(kuò)大了攝像頭的觀察視野，使得攝像頭能夠全視距觀察現(xiàn)場情況。在特殊場合下，還可通過搭載武器、傳感器等特殊裝備，來完成一些特殊任務(wù)， 減少在戰(zhàn)爭中的人員傷亡。 這種機(jī)器人 平臺 在教學(xué)、科研、野外作業(yè)、民用運(yùn)輸方面有著廣泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。 2 3 受力分析 為了便于受力分析，我們可將該輪式超輕型機(jī)器人作為一整體，其受力可簡化為重力G、地面的反作用力 F、摩擦力 ，其受力分析取三種情況進(jìn)行研究，超輕型機(jī)器人在平路上行駛，爬坡，以及在斜坡上的靜止。下面從三種情況開始分析： 在平路上行駛時(shí)，如圖所示，在路面受力分析如下， 在 平路上時(shí)，機(jī)器人受本身重力 G，地面的反作用力 N，和摩擦力 為 240W，額定電壓為 48V，額定轉(zhuǎn)速為 190 轉(zhuǎn) /分，機(jī)器人全重 M 為 65定輸 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 出轉(zhuǎn)矩為 12N. m ,70 * 解方程組，可求出機(jī)器人在平路上最大的直線行駛速度為 5 m/s. 爬坡時(shí)，如圖所示，由摩擦力 對機(jī)器人的反作用力， 使得扇形掛籃逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，起到偏心的作用，從而使得該機(jī)器人能輕松實(shí)現(xiàn)爬坡，并通過對電機(jī)的調(diào)節(jié)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在斜坡的靜止。對超輕型機(jī)器人爬坡時(shí)的兩種狀態(tài)進(jìn)行分析： 上坡時(shí)，在電機(jī)的作用下，機(jī)器人向上運(yùn)動，受自身重力 G 和斜面的作用力 N，和摩擦力影響。其平衡公式如下： 機(jī)器人在斜坡上靜止時(shí)，牽引力 F 和重力沿斜面向下分力 G*摩擦力 衡，可求出最大的爬坡度。 30 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 2 4 設(shè)計(jì)校核 由于本機(jī)器人大部分的結(jié)構(gòu) 采用的是現(xiàn)有零件，故僅對其連接軸進(jìn)行校核。 由于中間周在整個(gè)的運(yùn)動過程中并沒有隨之轉(zhuǎn)動，故將其視為梁計(jì)算。可知中間軸的結(jié)構(gòu)如下圖所示 : 1、對軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核 （ 1）、作剪力圖、彎矩圖，判斷危險(xiǎn)面。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 由上圖可知危險(xiǎn)面為 I、 （ 2）、計(jì)算彎曲截面系數(shù)。 128(1321012)(132（ 3）、校核最大正應(yīng)力作用點(diǎn)的強(qiáng)度。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 （ 4）、校核最大切應(yīng)力作用點(diǎn)的強(qiáng)度。 45 截面面積 12(4)(4M 可知合金剛的強(qiáng)度系數(shù)為 740 40軸的強(qiáng)度足夠。 2、對軸的剛度進(jìn)行校核 軸的撓度圖如下： 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 由圖可知危險(xiǎn)點(diǎn)為軸的中點(diǎn)，對其進(jìn)行校核有 302860(430430906)(26)(6674922249222222222221212111m a x故軸的剛度足夠。 3 功能實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù) 整車主要 技術(shù)參數(shù) 外形尺寸 860*430*780 整車質(zhì)量 不大于 65 高車速 不大于 18km/h 續(xù)行里程 450 變速 0h 12蓄電池類 高能免維護(hù)鉛酸蓄 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 買對應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763