控制機器人行走設(shè)計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 控制機器人行走設(shè)計 摘 要 本課題選用輪式作為機器人平臺設(shè)計研究， 通過特殊的運動機構(gòu)設(shè)計，僅通過兩個電機的控制即可實現(xiàn)機器人的全方位運動，且結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，易于實現(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)置步進電機，控制車輪的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人全方位的行走。在兩輪的內(nèi)側(cè)各有一個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。通過遙控控制電機的轉(zhuǎn)向，可輕松實現(xiàn) 機器人的前進，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，保證了輪式機器人的在平路或斜坡上都能夠保持靜止狀態(tài)。該機構(gòu) 采用了一種全新、高效的內(nèi)驅(qū)動方式， 通過遙控電機的轉(zhuǎn)向， 雙輪 機器人能自如地完成直線、圓弧運動， 最高 運動速度達到了 5m/s，能夠爬上 30 度的斜坡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)原地自轉(zhuǎn)。在靜止狀態(tài)下 輪式 機器人能夠沿任意方向啟動運動。 設(shè)計時特意采用弧形空心管，大大提高了機器人的底盤，使得該機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、科研、野外作業(yè)、民用運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)用價值 。 關(guān)鍵詞 ： 超輕型機器人 輪式 平臺設(shè)計 步進電機 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 the type platform of light robot This lesson all-directions sport for control for choosing using a type be used as the robot platform the design the research, passing the design of special sport organization, only passing two electrical engineerings can immediately realizing robot, and the construction is simple, and the pack convenient, apt to realize the light Its construction take care of to connect two s with hollow arc-shaped “ work word shape, two axle hearts are each to have a the inside place an into the electrical engineering, control felloe positive and negative turn, realize the robot the all-directions to run about. In two rounds of seamy sides each reach a hang the basket to fix to integral whole with hollow tube, and hang an inside to pack to have the storage battery piece, since can be used as the motive , and can still regard as the heavy piece of Hang the basket to pass the screw with hollow tube to connect the integral whole, convenient unload. In the hollow tube of inside carry to have a the resemble the head, and used for to observe the circumstance of vera the spot. Pass to control from a distance to control the turning of electrical engineering the direction, relaxed realize the robots headway, retreat, and originally turn direction. Hang a bottom to pack to have the storage battery piece, and can rise to over-emphasize a function, and guarantee the round the type robot on the even road or slope to can keep the static appearance. The inside that that organization adopted is an all new, efficiently move the way, and pass the turning of remote control electrical engineering the direction, double the slope for round robot can from if ground completing the straight line, arc the sport, tallest sport the speed come to 5 m/ s, can climbing ascending 30 degrees, and can realize to originally rotate. Under the quiet appearance round type robot can along arbitrarily the direction start the sport. |Design hour the adopt the hollow tube of arc-shaped, and consumedly increased the robots bed rocked, and the making that robot to run about can directly pass the stumbling block, and have the good the obstacle ability, and this is the bad road in the term to up north route to walk particularly important. This type robot at domestic and international still be placed in just the start stage, its foreground is vast, applicability than wide, in the teaching, section , open country the homework, public conveyance aspect have got the extensive and applied foreground, and fear in the anti and 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 the other and sophisticated realm have important of the application is worth a. Key word: the type platform of light robot round design the application Stepper motor 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 目錄 摘 要 . 1 1 緒 論 . 1 1.1 課題研究目的 . 1 1.2 課題研究意義 . 2 1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 . 2 1.3.1國內(nèi)輕型機器人研究現(xiàn)狀 . 2 1.3.2國外輕型機器人研究成果 . 5 2 課題方案設(shè)計 .10 2 1 步進電機的特點 .11 2 1步進電機具有如下特點： .11 2 1 2 步進電機主要參數(shù)及性能指標 .12 2 2 設(shè)計方案 .12 2 3 受力分析 .13 2 4 設(shè)計校核 .15 3 功能實現(xiàn) .18 3.1 機器人的各項參數(shù) .18 3.2 機器人的功能 .19 3.3 遙控控制功能的實現(xiàn) .21 3 3 1 控制器單元的選型 .22 3 3 2 單片機的確定 .23 3 3 3 單片機的最小系統(tǒng)電路 .27 3 3 4 兩個步進電機控制電路 .28 3 3 4 主控制電路圖 .29 4 結(jié) 論 .30 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 1 緒 論 1.1 課題研究目的 在當今世界機器人已經(jīng)越來越廣泛的進入人類的生活，在各個領(lǐng)域內(nèi)都有著機器人的利用，如機械制造，車輛運用，冶金，醫(yī)療等等行業(yè)。在軍事上，隨著機器人的廣泛應(yīng)用，世界各軍事大國也在加緊對軍用機器人的開發(fā)，應(yīng)用。其主要的發(fā)展方向就是遠程遙控機器人的研制和應(yīng)用。 遙控車輛是軍用地面無人車輛的起始發(fā)展階段，其研制時間長，技術(shù)較 為成熟，目前許多國家的部隊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，它由遠程受控車輛 (以下簡稱遠程車輛 )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)通信連接傳送至遠程車輛，由遠程車輛上的各種執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行各種指令，實現(xiàn)操縱者的控制要求。 采用遙控形式的地面車輛 (機器人 )誕生于二戰(zhàn)時期。由于能承擔排除地雷和爆炸物、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 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。 遠程 車輛沒有地形分析能力，也不能進行軍事機動，更不能接收其它來源的信息， 其 所有認知過程都由操作員負責。 遠程 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準遙控系統(tǒng)的建立。標準遙控系統(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)需要快速實現(xiàn)車輛的遙控化。美國在波黑戰(zhàn)爭中就利用標準遙控系統(tǒng)快速地研制 了 Panther 遙控掃雷車 (在 M60 坦克底盤的基礎(chǔ)上 )以及 Mini flail 小型掃雷車。 遙控機器人車輛是較低級的機器人系統(tǒng)，必須由操作者進行遠距離控制，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，費用低。 我所進行的設(shè)計就是設(shè)計出一雙輪式的遠程控制機器人，以實現(xiàn)在遠程的無人偵查任務(wù)，減少人員，經(jīng)濟的損失。并通過這次設(shè)計檢驗自己在機械設(shè)計這一專業(yè)類所學知識的掌握情況，并進一步的查漏補缺，完算自己的知識體系，為以后的工作生活打下堅實的基 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 礎(chǔ)。 1.2 課題研究意義 研制機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環(huán)境中進行作業(yè)，因此機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)也都開始使用機器人。 本課題選用輪式作為機器人平臺設(shè)計研究，兩輪式機器人在國內(nèi)外還處于剛剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣， 在教學、科研、野外作業(yè)、民用運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)用價值 。已經(jīng)初步做出了簡單的實驗?zāi)Ｐ?，解決了輪式機器人的傳動機構(gòu)難題。 該輪式機器人運動響應(yīng)迅速，具有 高機動的零半徑轉(zhuǎn)向能力，并且在運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。 1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1國內(nèi)輕型機器人研究現(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)計劃中，把智能移動機器人技術(shù)研究作為一個研究項目，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。 上海大學談士力教授等科研人員經(jīng)過 3年多時間的協(xié)作攻關(guān)，研制成功球形壁面爬行機器人。經(jīng)專家鑒定，這種機器人的爬行、吸附機理和機構(gòu)的應(yīng)用研究，為實用化提供了理論依據(jù)和實驗平臺，并具創(chuàng)新性，其性能達到國際先進水平。球形壁面爬行機器人可用來代替人工進行的一些危險操作，進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)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 球形壁面爬行機器人采用了縮放機構(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，其球面吸附機構(gòu)采用具有真空傳感功能的鉸接式橡膠真空吸盤，機器人的移動速度可達每分鐘 10 米。該機器人的控制系統(tǒng)采用上下微機控制方式，實現(xiàn)了 18個關(guān)節(jié)聯(lián)動控制，具備自動行走和手動遙控動能。 北京郵電大學以孫漢旭教授為首的研究小組承擔的國家自然科學基金項目的研究，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)且具有國際先進水平的球形機器人。北京大學相關(guān)機構(gòu)對球形機器人進行了全面查新，結(jié)果表明，目前該結(jié)構(gòu)的球形機器人在國內(nèi)外尚無先例，屬創(chuàng)新性研究球形機器人是 20 世紀 90 年代機器人研究界提出的一個嶄新課題。北京郵電大學機器人實驗室研制的球形機器人采用了一種全新、高效的內(nèi)驅(qū)動方式，球形機器人能自如地完成直線、圓弧運動，運動速度達到了 3m/s，能夠爬上 20 度的斜坡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)原地自轉(zhuǎn)。在靜止狀態(tài)下球形機器人能夠沿任意方向啟動運動。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 圖 1 球形機器人 針對國內(nèi)危險行業(yè)與部門實際需求，在國家 863 計劃的大力支持下，國內(nèi)一些科研院所學校圍繞少數(shù)型號的危險作業(yè)機器人進行了重點攻關(guān)，尤其自“十五” 863 計劃實施以來，在危險作業(yè)機器人方面取得了較大的進步，獲得了一批的成果， 中國自行研制的先進“排爆機器人系統(tǒng)”，在最近舉行的反恐演習中頻頻上鏡，給人們留下了深刻印 象；可以出入險地執(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”型排爆機器人 中國科學院自動化研究所研制出了一種智能自主輪式移動機器人，包括：攝像機，為 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 機器人提供他所在環(huán)境的外部信息；工控機，通過總線 CAN 分別與電機驅(qū)動 /控制器、超聲環(huán)、紅外環(huán)進行通信；運動機構(gòu)，由電機驅(qū)動 /控制 其進行控制。此發(fā)明機器人能夠根據(jù)超聲傳感器、紅外傳感器和視覺閂桿球進行資助筆帳，利用視覺傳感器進行動態(tài)目標跟蹤、目標特征識別。此外，該機器人還具有語音人一機交互功能。監(jiān)控人員能夠通過無線邁可直接對機器人進行語音控制。同時，機器人能夠與人進行交談、互相問候以及進行自我介紹 。 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器人，分為有人駕駛和無人遙控兩種。我國研究的重點在后者，這是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到機械、機器人的遙控作業(yè)、空間技術(shù)、通訊和信號處理、加工自動化和人工智能等 諸多學科和領(lǐng)域。主要任務(wù)是：從遙感數(shù)據(jù)驗證天文學推理的各種科學理論與事實，對特定地區(qū)進行探測，判斷月球上的水溫、火山、峽谷、月球表面生成與進化過程，對月球表面的太陽輻射線、太陽風、隕石等的活動情況進行探測，對月球上的巖石進行全面的調(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驗及氦 3 的抽樣實驗。月球車的設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其研究涉及到許多學科和領(lǐng)域，如機械、機器人的遙控作業(yè)、空間技術(shù)、通訊和信號處理、加工自動化和人工智能等。 1.3.2國外輕型機器人研 究成果 1. 小型無人地面車輛 (SUGV) FCS 家族中最小的平臺將是便攜式小型無人地面車輛（ SUGV），能夠在城市地形中的隧道、下水道和洞穴內(nèi)執(zhí)行 RSTA 任務(wù)。小型無人車的目標重量小于 13.6 公斤，能夠攜載重達 2.72 公斤的模塊式 “ 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個小時，在地面上能夠在距操作人員 1000 米遠的地方遂行作戰(zhàn)任務(wù)，在隧道中能夠在距操作人員 200 米遠的地方遂行作戰(zhàn)任務(wù)。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 圖 3 小型無人車 SUGV 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)計任務(wù)包括：偵察、監(jiān)視和目標探測；工程偵察；直射；通信中繼；戰(zhàn)術(shù)欺騙；作戰(zhàn)補給；反狙擊部署。該車結(jié)構(gòu)簡單，易于運輸，適于在沿海戰(zhàn)場使用，主要供海軍陸戰(zhàn)隊旅 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，越野速度 10 千米 /小時。它采用混合電 驅(qū)動發(fā)動機，能 24 小時使用。“角斗士”將由高機動性多用途輪式車輛（ HUMVEE）或 V-22“魚鷹 ” 傾轉(zhuǎn)旋翼機運輸。 履帶式“角斗士”機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、GPS 定位系統(tǒng)、聲學和激光搜索系統(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?shù)闹橇λ?，能根?jù)機器視力算法、探測裝置融合算法到達指定地點，并能記住所走過的路線，之后絲毫不差地按原路自動返回，也不會陷入臨時設(shè)置 的障礙坑中。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 圖 4 六輪式“角斗士” 3. 微型機器人 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)球大小的微型機器人。這些采用彈跳方式運動的機器人將被用來探測太陽系中的其他行星。較之 “ 勇氣 ” 號和 “ 機遇 ” 號這樣的火星車，目前仍處于研制階段的球形機器人將能夠更為容易地抵達那些地形復(fù)雜的區(qū) 域。由于采用了特殊的跳躍式前進機制，這種微型機器人可輕易地越過各種障礙物。不過新型機器人的體積雖小，但裝備卻一點兒也不含糊它們同樣也攜帶了微型照相機、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?shù)诌_某一行星表面后，大量的微型機器人會組成一個龐大的探測網(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、微型機器人 4、雙輪行走運輸機器人 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 三洋電機開發(fā)出了可依靠上體倒立來保持平衡的雙輪行走機器人 “FLATHRU” ，并在從 2002 年 6 月 19日起至 25 日于福岡舉行的 “ 機器人世界杯 2002 福岡 釜山 ” 上做了參考展示（圖）。 FLATHRU 的構(gòu)造為：頭部位于筒狀身體上部，底部左右各設(shè)計有一個輪子，頭部兼作載物平臺。當然移動時使用輪子。但是，直接靠輪子移動會形成 “2 點支撐 ” ，機器人站不穩(wěn)，最嚴重時甚至會跌倒。為此，新型機器人對輪子的驅(qū)動力進行了控制，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保持平衡。銷售日期尚未確定。推出這種機器人主要是探求市場對于 “ 生活輔助機器人 ” 的需求。 新型機器人通過前進和后退時將上體向前方或后方探出、使得重心前移或后移。此時根據(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，還考慮到機器人加減速時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，杯中的水不會撒出來。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 圖 6、遠程控制運輸機器人 5、美改進型輪式機器人 由美國卡內(nèi)基梅隆大學研制的改進型輪式機器人自動越野車“流浪者”（ Nomad），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。 Nomad 原型車于 1997 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。它也曾在南極從事過尋找隕石的工作。這次，改進后的 Nomad 準備再返南極，在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，還裝有風力發(fā)電裝置，可以補充太陽能電池的電力損耗。 卡內(nèi)基梅隆大學的研究人員最近在新罕布什爾州馬斯科姆湖的冰面上進行了有關(guān)試驗，以研究“流浪者”機器人越野車靠風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。這項工作是“在南極用機器人探索生命 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 計劃”（ LORAX）的一部分，該計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、美國宇航局和美國陸軍寒冷地區(qū)研究與工程實驗室共同進行的這項研究，主要是在馬斯科姆湖的湖面上進行長距離自主導(dǎo)航實驗，實驗?zāi)M南極高原的冰蓋層。美國陸軍寒冷地區(qū)研究和工程實驗室負責向宇航局和卡內(nèi)基梅隆大學提供后勤支持和實驗設(shè)施。寒冷地區(qū)研究和工程實驗室做出整個實驗區(qū)的冰厚度測量，并證實 45 厘米厚冰層為機器人越野車在南極實驗的安全條件。 科研人員一直在 對“流浪者”上的傳感器和計算機不斷進行改進，以實現(xiàn)獨立行走和測量。 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考察的第一個機器人。野外試驗的目標是確立“流浪者”機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劃的主要研究人員?？▋?nèi)基梅隆大學機器人研究所的威特格林和埃博斯特勒負責機器人越野車的設(shè)計、分析和研發(fā)其自主導(dǎo)航系統(tǒng)。加州大學伯克利分校的研究人員則負責研發(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”（ Nomad） 2 課題方案設(shè)計 關(guān)于機器人我的設(shè)計方案是采用步進電機驅(qū)動， 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (即步進角 )?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 達到準確定位的目的，同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機分三種：永磁式 (PM)，反應(yīng)式 (VR)和混合式 (HB)。永磁式步進電機一般為 兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 7 5度或 15度；反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 1 5度，但噪聲和振動都很大，在歐美等發(fā)達國家 80年代已被淘汰：混合式步進電機混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點，分為兩相和五相，兩相步進角一般為 1 8度而五相步進角一般為 0 72度，這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。 2 1 步進電機的特點 2 1步進電機具有如下特點： 1、一般步進電機的精度為步進角的 3-5，步距值不受各種干擾因素的影響。簡而言之，轉(zhuǎn)子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率，而轉(zhuǎn)子運動的總位移量 取決于總的脈沖個數(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組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3、步進電機外表允許的最高溫度取決于不同的磁性材料。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點，一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130度以上，有的甚至高達攝氏 200度以上。所以步進電機外表溫度在攝氏 80 90度完全正常。 4、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高 而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率 (或速度 )的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 5、步進電機有啟動頻率要求和加速過程。雖然步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)為“空載啟動頻率 ，即步進電機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，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(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 (電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速 )。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 6、 無刷，電動機本體部件少，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)運行時，任何運行方式都不會丟步；停止時有自鎖能力。 2 1 2 步進電機主要參數(shù)及性能指標 l、相數(shù) m 電機上獨立成系統(tǒng)而存在的回路個數(shù)即是相數(shù)。步進電機的相數(shù)可以為任意數(shù)， m通常為 2， 3， 4， 5， 6 2、步距角 p在不帶任何減速裝置的情況下，輸入一個脈沖信號，步進電機所轉(zhuǎn)過的機械角位移即步距角。 3、距角 特性步進電機靜轉(zhuǎn)矩和失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。靜轉(zhuǎn)矩是指步進電機轉(zhuǎn)子靜止時，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。當繞組內(nèi)電流不變時，靜轉(zhuǎn)矩隨失調(diào)角在一個齒距角范圍內(nèi)變化一個周期，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)置步進電機，控制車輪的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人全方位的行走。在兩輪的內(nèi)側(cè)各有一個掛籃與 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。通過遙控控制電機的轉(zhuǎn)向，可輕松實現(xiàn)機器人的前進，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，保證了輪式機器人的在平路或斜坡上都能夠保持靜止狀態(tài)。該機構(gòu) 采用了一種全新、高效的內(nèi)驅(qū)動方式， 通過遙控電機的轉(zhuǎn)向， 雙輪 機器人能自如地完成直線、圓弧運動， 最高 運動速度達到了 5m/s，能夠爬上 30 度的斜坡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)原地自轉(zhuǎn)。在靜止狀態(tài)下 輪式 機器 人能夠沿任意方向啟動運動。 設(shè)計時特意采用弧形空心管，大大提高了機器人的底盤，使得該機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。 通過控制兩個步進電機同步同向轉(zhuǎn)動，雙輪機器人能實現(xiàn)快速直線行駛，其結(jié)構(gòu)簡單， 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 不存在失穩(wěn)狀態(tài)，易于控制。又可通過控制步進電機同步反向轉(zhuǎn)動，迅速實現(xiàn)后退，其反應(yīng)靈活，操作方便。還可單獨控制左右一側(cè)電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機器人的左右轉(zhuǎn)彎，必要時還可控制兩側(cè)電機的同步異向轉(zhuǎn)動，機器人能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。該設(shè)計平臺操作簡便，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，使機器人適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力增強； 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。這種 輪式 機器人用最少的自由度，以欠驅(qū)動的方式實現(xiàn)了機器人的全方位運動。 并在弧形管的中間安裝一搖控攝像頭，通過控制攝像頭的云臺可控制攝像頭實現(xiàn)左右、高低轉(zhuǎn)動，擴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。 這種機器人 平臺 在教學、科研、野外作業(yè)、民用運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行研究，超輕型機器人在平路上行駛，爬坡，以及在斜坡上的靜止。下面從三種情況開始分析： 1.在平路上行駛時 在平路上行駛時，如圖所示，在路面受力分析如下， G-重力 N-地面反作用力 Ff-摩擦力 在 平路上時，機器人受本身重力 G，地面的反作用力 N，和摩擦力 Ff.可知電機的額定功率 P為 240W，額定電壓為 48V，額定轉(zhuǎn)速為 190 轉(zhuǎn) /分，機器人全重 M 為 65kg，額定輸 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 出轉(zhuǎn)矩為 12N. m ,R 為 270mm。 RLnLVNG*14.3*2* 解方程組，可求出機器人在平路上最大的直線行駛速度為 5 m/s. 2.在斜面上行駛 G-重力 N-地面反作用力 Ff-摩擦力 爬坡時，如圖所示，由摩擦力 對機器人的反作用力， 使得扇形掛籃逆時針轉(zhuǎn)動，起到偏心的作用，從而使得該機器人能輕松實現(xiàn)爬坡，并通過對電機的調(diào)節(jié)能實現(xiàn)機器人在斜坡的靜止。對超輕型機器人爬坡時的兩種狀態(tài)進行分析： 上坡時，在電機的作用下，機器人向上運動，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： fFGFVFPGNs in*c os* 機器人在斜坡上靜止時，牽引力 F 和重力沿斜面向下分力 G*sin 與摩擦力 Ff 平衡，可求出最大的爬坡度。 30 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 2 4 設(shè)計校核 由于本機器人大部分的結(jié)構(gòu) 采用的是現(xiàn)有零件，故僅對其連接軸進行校核。 由于中間周在整個的運動過程中并沒有隨之轉(zhuǎn)動，故將其視為梁計算?？芍虚g軸的結(jié)構(gòu)如下圖所示 : 1、對軸的強度進行校核 （ 1）、作剪力圖、彎矩圖，判斷危險面。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 由上圖可知危險面為 I、 II、 III。 （ 2）、計算彎曲截面系數(shù)。 3393649343106 1 3.0108132651210)128(1321012)(132mmDdD（ 3）、校核最大正應(yīng)力作用點的強度。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 MPaM66.5710613.025.356maxmax（ 4）、校核最大切應(yīng)力作用點的強度。 NF 245max 截面面積 24622221055.810)812(4)(4mdDAM P a57.01055.82 4 524m a x 可知合金剛的強度系數(shù)為 740MPa。 0.57MPa740MPa 故軸的強度足夠。 2、對軸的剛度進行校核 軸的撓度圖如下： 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 由圖可知危險點為軸的中點，對其進行校核有 LmL E IbxLxbFL E IbxLxbF0002.010674.31039.31084.2101.21020086067804308604307802002101.2102008606)4302860(430430906)(26)(6674922249222222222221212111m a x故軸的剛度足夠。 3 功能實現(xiàn) 3.1 機器人的各項參數(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 kg 最 高車速 不大于 18km/h 續(xù)行里程 450 變速 0-18km/h 12V 蓄電池主要 蓄電池類 高能免維護鉛酸蓄 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 技術(shù)參數(shù) 型 電池 電池容量 9Ah 標稱電壓 12V 48V 電動機主要 技術(shù)參數(shù) 電機類型 無刷無齒 額定功率 240W 額定轉(zhuǎn)速 190r/min 額定電壓 48V 額定輸出轉(zhuǎn)矩 12N.M 48V 控制器和 充電器的主要 技術(shù)參數(shù) 欠壓保護 42 0.5V 過流保護 15A 1A 充電電流 1.6A 1.8A 充電電壓 59.2 0.4V 浮充電壓 54.8 0.4V 浮充電流 0.4A 0.1A 充電時間 6 9 小時 充電輸入 AC220V50HZ 數(shù)碼攝像頭主要技術(shù)參數(shù) 產(chǎn)品名 SP-200AP CFG1 鏡頭 1/4“ 彩色 SONY 芯片佳能鏡頭 420 線 1.0LUX F=3.985.8mm 22 倍光學變焦 3.2 機器人的功能 機器人的整車圖如下 : 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 1、運動功能 整個機器人在平時的直線運動中能達到 18km/h 的運動速度，并能實現(xiàn)在運動中向左、向右的轉(zhuǎn)彎。在原地的時候，能實現(xiàn)以半徑為 1 米的原地轉(zhuǎn)向。車體的最大爬坡度為 30度。 2、偵察功能 由于在車上安裝有焦距為 6mm，水平拍攝視野為 60 度的攝像機，車子在運行過程中能對其經(jīng)過的地形進行拍照，能所控制者得到車體運行中所經(jīng)過地形的具體情況。 3、遠程控制功能 通過遠程的控制平臺，操作者能實現(xiàn)在遠程對車輛的運動進行 控制，使的車輛能更好的完成其任務(wù)。由于使用了遠程操控技術(shù)，當車輛用于戰(zhàn)場時，其能大大的減少人員的傷亡。 4、遠程通信功能 由于車輛上裝有攝像機，如果在其上在裝載一話筒，就能實現(xiàn)車輛攜帶人員與后方基地人員的遠程通信，能更好參加戰(zhàn)斗。 5、載物功能 在戰(zhàn)時可以在車輛的中間軸上加載物體，能通過車體的運輸將戰(zhàn)時所缺少的物品無傷 中國地質(zhì)大學長城學院 2012屆畢業(yè)設(shè)計 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 亡的送到戰(zhàn)場，減少了損失。 3.3 遙控控制功能的實現(xiàn) 移動機器人運動控制即控制機器人按規(guī)劃的軌跡運動，控制的好壞對機器人的性能有著直接的影響。移動機器人運動控制器是移動機器人的 執(zhí)行機構(gòu)，對系統(tǒng)平穩(wěn)運行起著重要作用。世界各國都很重視移動機器人運動控制的研究工作，并且投入了大量的人力和物力。目前，輪式移動機器人常見的控制方法是雙閉環(huán)控制移動機器人的左驅(qū)動輪速度和右驅(qū)動輪速度，其控制算法主要是 PID控制算法和模糊邏輯控制算法。 國外： PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一。由于 PID控制器具