利用智能手機(jī)控制的娛樂機(jī)器人移動本體設(shè)計【采用輪式移動平臺】,采用輪式移動平臺,利用智能手機(jī)控制的娛樂機(jī)器人移動本體設(shè)計【采用輪式移動平臺】,利用,應(yīng)用,智能手機(jī),控制,節(jié)制,娛樂,文娛,機(jī)器人,移動,挪動,本體,設(shè)計,采用,采取,采納,輪式,平臺 摘 要 移動機(jī)器人是一種由傳感器、自主控制的移動載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動移動機(jī)器人具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下)作業(yè)環(huán)境方面，具有有更大的機(jī)動性，靈活性。 本課題是設(shè)計一款由手機(jī)控制的娛樂移動機(jī)器人設(shè)計。本文對各種移動移動機(jī)器人進(jìn)行了比較，從而確定了四輪式移動機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)與參數(shù)的研究設(shè)計。本文對四輪式移動移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了探討，建立了運(yùn)動學(xué)模型。在建立運(yùn)動學(xué)模型的基礎(chǔ)上對移動機(jī)器人的基本運(yùn)動方式進(jìn)行了分析，并推到計算出其動力學(xué)模型。本文采用基于單片機(jī)的直流伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)，設(shè)計了單片機(jī)各個端口和各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電路圖，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。 關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人；單片機(jī)；運(yùn)動控制 Abstract Smart car is a robot system consists of sensors, autonomous control of mobile carrier. Mobile Smart car has a mobile function, instead of engaging in dangerous conditions (such as radiation, toxic, etc.) operating environment and the people that fall (such as space, underwater) operating environment, with greater mobility, flexible. This topic is designed to design a smart car entertainment from your phone to control. In this paper, a variety of mobile smart car were compared to determine the research design intelligent four-wheel car overall structure and parameters. In this paper, the kinematics wheel mobile smart car is discussed, the establishment of a kinematic model. On the basis of the establishment of the kinematic model of the basic movement pattern of the smart car is analyzed, and pushed to calculate the dynamic model. In this paper, based on single-chip DC servo motion control system, designed circuit diagram microcontroller various ports and various implementing agencies to provide reliable reference and basis for further research. Keywords: Smart Car; SCM; Motion Control 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 1 緒論 4 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 4 1.2 移動移動機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4 1.2.1 移動移動機(jī)器人的發(fā)展趨勢 6 1.2.2 國內(nèi)關(guān)于遠(yuǎn)程終端控制移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 8 1.3 本文研究的主要內(nèi)容 9 2 移動移動機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 10 2.1 移動機(jī)器人運(yùn)動方式的選擇 10 2.2 輪式移動機(jī)器人移動能力分析 12 2.3 輪式移動機(jī)器人驅(qū)動輪的組成 14 2.4 輪式移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪的組成 15 2.5 電機(jī)的選擇 15 2.6 直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)參數(shù)的確定 17 2.7 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計（蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)） 19 2.7.1 電機(jī)參數(shù)的確定 20 2.7.2 計算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù) 21 2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計計算 22 2.7.4 蝸輪軸的設(shè)計 24 2.7.5 初選滾動軸承 25 2.7.6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 26 2.8 移動機(jī)器人的電源供應(yīng) 27 2.9 車輪及輪轂 28 3 移動移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型 29 3.1 移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析 30 3.2 兩種運(yùn)動規(guī)劃方法分析 31 3.3 結(jié)論 32 4 移動機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型 33 4.1輪子 33 4.2 平臺體 34 4.3 小結(jié) 34 5 自主運(yùn)動控制 35 5.1 控制系統(tǒng)的選用 35 5.2可行性分析 35 5.2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng) 38 5.2.2 系統(tǒng)電源設(shè)計 38 5.2.3 運(yùn)動小車運(yùn)動控制 39 5.2.4 移動機(jī)器人驅(qū)動電路 39 5.2.5 狀態(tài)顯示電路控制 40 6 結(jié)論與展望 41 致 謝 42 參考文獻(xiàn) 43 第一章 緒論 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 移動機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域，移動移動機(jī)器人是移動機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支。早在六十年代就已經(jīng)開始了移動移動機(jī)器人的研究。關(guān)于移動移動機(jī)器人的研究涉及到許多方面。首先要考慮到移動方式，輪式，履帶式，腿式的。其次考慮驅(qū)動器的控制，以使移動機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三必須考慮到導(dǎo)航或者路徑規(guī)劃，路徑有更多的方面考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此移動移動機(jī)器人是一個集環(huán)境感知動態(tài)決策與規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多種功能與一體的綜合系統(tǒng)。對移動移動機(jī)器人的研究提出了許多新的挑戰(zhàn)或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家技術(shù)人的興趣，更由于他在軍事偵察排雷防止污染等危險與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對它的研究在世界各地受到普遍關(guān)注。移動移動機(jī)器人按照移動方式可分為輪式，履帶式，腿式，其中輪式具有結(jié)構(gòu)簡單活動靈活等優(yōu)點(diǎn)。移動移動機(jī)器人的機(jī)構(gòu)直接影響移動機(jī)器人運(yùn)動的穩(wěn)定性和控制器的復(fù)雜程度。目前廣泛使用的輪式按照移動特性又可將移動移動機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。在平面上移動的物體可以實(shí)現(xiàn)前后，左右和自傳三個自由度的運(yùn)動稱為全方位移動移動機(jī)器人，其不僅可以再任意方向上移動，并且保持本姿態(tài)不變，實(shí)現(xiàn)全方位的移動的功能也可以改變機(jī)體方位[1-5]。這種特性使得輪式移動的路徑規(guī)劃，軌跡跟蹤等問題變得相對簡單，并且它能夠在狹小的空間完成任務(wù)。 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,人類社會己經(jīng)進(jìn)入信息時代,在日常生活娛樂中,手機(jī)更成為人們不可或缺的一部分，而由手機(jī)作為控制器媒介。如今具有 Android、iOS、Windows Phone等操作系統(tǒng)的智能手機(jī)逐漸普及，成為幾乎人手必備的個人終端，同時性能也在不斷地提升。由于智能手機(jī)良好的便攜性和移動性以及日益強(qiáng)大的計算能力， 本文將就基于多種控制方式的交互式多媒體演示系統(tǒng)和方法進(jìn)行一些探討,并對其中的智能手機(jī)（主要是android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)）交互式控制做詳細(xì)說明,以期對日常生活娛樂的多樣性以及現(xiàn)代科技化娛樂方式起到一定的積極作用。通過本次畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理、理論力學(xué)、大學(xué)物理，機(jī)械制造裝備設(shè)計、傳感器應(yīng)用的能力；強(qiáng)調(diào)設(shè)計的實(shí)用性、結(jié)構(gòu)的簡單便捷性。同時也培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考分析問題解決問題的能力，為今后機(jī)械設(shè)計和適應(yīng)工作崗位打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。 1.2.移動移動機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 移動移動機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)60年代末期，隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，移動移動機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保安巡邏等行業(yè)。移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認(rèn)識自然過程中，實(shí)現(xiàn)人們對不可達(dá)世界的認(rèn)識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。 國外對于移動移動機(jī)器人的研究起步較早，日本是開發(fā)移動機(jī)器人較早的國家，并成為世界上移動機(jī)器人占有量最多的國家，其次是美國和德國。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動移動機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動移動機(jī)器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在移動機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開發(fā)空間移動機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗應(yīng)用于開發(fā)地面移動機(jī)器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動車、爬行移動移動機(jī)器人、球形移動機(jī)器人、工作伙伴平臺以及ROSA-2移動車等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游移動機(jī)器人一一“勇氣”號與“機(jī)遇”號[6-7]。雖然國內(nèi)有關(guān)移動移動機(jī)器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績。2003年國防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能控制算法，在高速公路上達(dá)到了130Km/h的穩(wěn)定時速，最高時速170Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位。但是我國在移動機(jī)器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面，同發(fā)達(dá)國家相比，我國仍存在較大的差距。未來研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動移動機(jī)器人的控制。 1.2.1.移動移動機(jī)器人的發(fā)展趨勢 隨著移動機(jī)器人的發(fā)展越來越快，移動機(jī)器人技術(shù)和當(dāng)今發(fā)展最為迅猛的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了對移動機(jī)器人控制的遠(yuǎn)程控制。傳統(tǒng)的移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制主要基于 Internet 和 PC 終端，將移動機(jī)器人接入 Internet，操作者在 PC 上通過瀏覽器訪問移動機(jī)器人，不僅可以看到移動機(jī)器人連接的攝像頭拍攝的實(shí)時圖像，而且可以控制移動機(jī)器人的運(yùn)動。這種控制方式最初在利用移動機(jī)器人進(jìn)行遙操作的危險領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，后來被廣泛應(yīng)用到遠(yuǎn)程制造、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷、遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)和網(wǎng)上娛樂等新領(lǐng)域[8-12]。 1994 年，Ken Goldberg 最早提出了基于 Internet 的移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制構(gòu)想，即通過 Internet 訪問移動機(jī)器人，并對其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。然后他將這一想法應(yīng)用到“水星計劃”中，操作者使用鍵盤和鼠標(biāo)通過瀏覽器遠(yuǎn)程控制一臺配備了 CCD 攝像頭的 IBM SCARA 移動機(jī)器人，在裝有沙子的半圓形空間中進(jìn)行物品挖掘。隨后他們又開發(fā)了 Telegarden 移動機(jī)器人，操作者通過 Internet 反饋的一幅幅圖像遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器人機(jī)械手在花園中進(jìn)行種植和灌溉等操作。[2] 1994 年 9 月，Kenneth Taylor 等人研發(fā)出 Telerobot 移動機(jī)器人，該移動機(jī)器人上安裝了攝像頭觀測周圍環(huán)境，利用六自由度 ASEA IRb-6 型機(jī)械手抓取積木塊。用戶通過 Internet 瀏覽器向移動機(jī)器人發(fā)送指令，控制機(jī)械手抓取工作臺上的積木塊移動到目標(biāo)位置。移動機(jī)器人執(zhí)行完一次運(yùn)動后，將返回當(dāng)前位置不同角度的圖像。 [3]其他的基于Internet的遠(yuǎn)程移動機(jī)器人控制系統(tǒng)還有英國Bradford大學(xué)的Bradford Robotic Telescope 望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，英國 Manchester 大學(xué)的 Forty Two 遠(yuǎn)程移動機(jī)器人以及德國的移動木塊的 Net-Robot 移動機(jī)器人等。[4] 基于 Internet 的移動機(jī)器人遙操作系統(tǒng)初期只能提供移動機(jī)器人執(zhí)行完每步命令后的靜止畫面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流式傳輸技術(shù)出現(xiàn)以后，可以更加方便的對現(xiàn)場環(huán)境圖像進(jìn)行反饋。美國 Wilkes 大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)交互繪畫移動機(jī)器人 PumaPaint 是將 PUMA760 機(jī)械臂連接到 Internet 上，任何用戶可在其網(wǎng)頁的虛擬畫布上使用畫筆和顏料繪畫，系統(tǒng)通過不斷的更新圖像給用戶提供視覺反饋。 這一代網(wǎng)絡(luò)遙操作移動機(jī)器人主要以固定的工業(yè)移動機(jī)器人和機(jī)械臂操作手作為被控對象，運(yùn)行于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，通過直接發(fā)送命令的方式控制，系統(tǒng)比較簡單。隨著研究的深入，第二代網(wǎng)絡(luò)遙操作移動機(jī)器人系統(tǒng)以自主式移動移動機(jī)器人作為被控對象，利用其自主性和移動性的特點(diǎn)，可在非結(jié)構(gòu)化、未知的遠(yuǎn)程環(huán)境中運(yùn)行。[5] 1995 年，Carnegie Mellon 大學(xué) Reid Simmons 教授和他的團(tuán)隊研發(fā)出第一個基于 Internet 的自主移動移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) Xavier。移動機(jī)器人上安裝了攝像機(jī)，操作者在網(wǎng)頁上根據(jù)反饋的圖像發(fā)送控制命令，使之在樓內(nèi)各個房間中移動傳遞文件。 其他的自主移動移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)還有瑞士的 KhepOnTheWeb，即一 個小型移動移動機(jī)器人在迷宮中移動，操作者可以從移動機(jī)器人的視角或外部攝像頭的視角監(jiān)視移動機(jī)器人，并控制它的運(yùn)動。 德國 Bonn 大學(xué)開發(fā)的博物館導(dǎo)游移動機(jī)器人，Rhino 和 Minerva，可以使用三個網(wǎng)頁控制它們同游客交流，引導(dǎo)游客觀看博物館的展覽[13-16]。 Natali Ivanova 的移動機(jī)器人真空吸塵器項目，具有交互式的人機(jī)接口，可以在 PC 上使用瀏覽器通過 Internet 在其他地方遠(yuǎn)程引導(dǎo)家里的吸塵器工作。 美國 Anybots 公司開發(fā)的 QB 遠(yuǎn)程臨場移動機(jī)器人，能夠通過遠(yuǎn)程操控代替主人出席緊急會議甚至代為工作。QB 通過兩個攝像頭和三個麥克風(fēng)，將會議現(xiàn)場視頻通過Internet 傳送給遠(yuǎn)程操作者，如圖 1-1 所示。 圖 1-1 Anybots QB 移動機(jī)器人 圖 1-2 MARON-1 移動機(jī)器人 圖 1-3 移動移動機(jī)器人 盡管基于 Internet 和 PC 的移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)具有十分廣泛的應(yīng)用，但由于PC 只能部署在固定地點(diǎn)通過有線方式接入 Internet，限制了遠(yuǎn)程控制的靈活性。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提升，出現(xiàn)了基于移動通信和手機(jī)終端的移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。 [7] 日本富士通實(shí)驗室為特殊病人的醫(yī)療護(hù)理和家庭及辦公室安全保護(hù)等應(yīng)用設(shè)計開發(fā)了一種先進(jìn)的移動機(jī)器人 MARON-1，可以通過日本DoCoMo 電信運(yùn)營商的無線通訊手機(jī)系統(tǒng)來控制，如圖 1-2 所示。 德國的 Daniel He?和 Christof R?hrig 利用 Windows Mobile 系統(tǒng)和 Symbian系統(tǒng)的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)了對移動移動機(jī)器人的控制，如圖 1-3 所示。該移動機(jī)器人攜帶一個 PTZ（云臺全方位移動及鏡頭變倍、變焦控制）攝像頭實(shí)時采集圖像，可以通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、順時針和逆時針轉(zhuǎn)動。 馬來西亞 Saliyah Kahar 等人提出了利用 3G 網(wǎng)絡(luò)建立智能手機(jī)和移動移動機(jī)器人通信的模型。受控移動機(jī)器人 WiRobot X80 配備了攝像頭、話筒和車輪，可以和周圍環(huán)境進(jìn)行交互。用戶可以從手機(jī)上監(jiān)視移動移動機(jī)器人的狀態(tài)信息和視覺信息。 1.2.2.國內(nèi)關(guān)于遠(yuǎn)程終端控制移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)在基于Internet和PC終端以及基于移動通訊和手機(jī)終端的移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方面都進(jìn)行了研究。 對于前者，上海交通大學(xué)開發(fā)了基于 Web 的移動機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，控制 Adept 604-S 型機(jī)械手，人機(jī)界面基于 HTML 技術(shù)。此后他們又開發(fā)了一個基于 Java Applet 和服務(wù)器組件技術(shù)的 Web 移動機(jī)器人遙操作系統(tǒng)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了 Telerobot 遠(yuǎn)程操作移動機(jī)器人，用戶可以通過 Internet 瀏覽器控制一臺 PUMA562 移動機(jī)器人，使用三架 CCD 攝像機(jī)對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行拍攝，并根據(jù)反饋的圖像遠(yuǎn)程操作移動機(jī)器人完成抓取、搬運(yùn)和堆放操作[17-18]。 浙江大學(xué)的基于網(wǎng)絡(luò)的移動移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，利用 Java Applet 實(shí)現(xiàn)信息交互，在無線局域網(wǎng)環(huán)境下利用 JMF 實(shí)現(xiàn)了視頻流的傳輸。重慶郵電大學(xué)以 Pioneer 3-DX 型移動移動機(jī)器人為控制對象，將全景視頻圖像和局部環(huán)境圖像反饋給操作者從而遠(yuǎn)程控制移動移動機(jī)器人。 在基于移動通訊網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)終端的移動機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方面，許松清等人利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像，實(shí)現(xiàn)了對移動移動機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控。劉延飛等人提出一種應(yīng)用 3G 通信和 GPS 定位技術(shù)的救援移動機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過 3G 網(wǎng)絡(luò)對移動機(jī)器人進(jìn)行指揮以及將現(xiàn)場視頻傳送至監(jiān)控中心。吳京秋等人設(shè)計了一種基于 DSP和 ARM 的無線遠(yuǎn)程移動機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用 DSP 芯片采集處理 CCD 攝像機(jī)拍攝的視頻，并通過 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)控制移動機(jī)器人。嚴(yán)武軍基于 3G 網(wǎng)絡(luò)和 Android手機(jī)實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)。孫進(jìn)華等人設(shè)計了一種基于嵌入式 WEB 的多功能家用移動機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括運(yùn)動模塊、視頻模塊、傳感器模塊和 GSM 模塊，能在位置環(huán)境中自主導(dǎo)航，具有清潔和視頻監(jiān)控的功能。李宗瑋等人利用iPhone 手機(jī)和 3G 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一種移動機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)，通過傳輸連續(xù)的 JPEG圖像實(shí)現(xiàn)視覺反饋。 1.3本文研究的主要內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容為設(shè)計一款用手機(jī)控制的移動移動機(jī)器人，主要設(shè)計移動機(jī)器人的整體設(shè)計、移動機(jī)構(gòu)（電機(jī)、輪子、軸、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等）、控制系統(tǒng)的設(shè)計。 本文首先從整體上設(shè)計好移動機(jī)器人的大體構(gòu)架，然后選擇合適的移動機(jī)構(gòu)如輪子、驅(qū)動電機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等，然后從整體上確定移動機(jī)器人的控制系統(tǒng)。 第二章 移動移動機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 2.1 移動機(jī)器人運(yùn)動方式的選擇 到目前為止，地面移動移動機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)。 (1)履帶式 圖2.1 四段履帶移動機(jī)器人 圖2.2 六段履帶移動機(jī)器人 (2)腿式 圖2.3 三腿移動機(jī)器人 圖2.4 四腿移動機(jī)器人 (3)輪式 圖2.6 單輪滾動移動機(jī)器人 圖2.7 兩輪移動移動機(jī)器人 圖2.8 三輪移動移動機(jī)器人 圖2.9四輪移動移動機(jī)器人 圖2.10 六輪移動移動機(jī)器人 圖2.11 八輪移動移動機(jī)器人 圖2.13 輪腿式移動機(jī)器人 綜上各移動移動機(jī)器人特點(diǎn)如下表2-1所示： 表2-1 各移動移動機(jī)器人特點(diǎn) 行駛結(jié)構(gòu) 車輪式移動移動機(jī)器人 步行式移動移動機(jī)器人 履帶式移動移動機(jī)器人 特點(diǎn) 一般適用于平底運(yùn)行，切操作簡單，運(yùn)動穩(wěn)定，運(yùn)動速度和方向容易控制。按照輪子個數(shù)又可以分兩輪式、三輪式、四輪式、六輪和八輪式。 具有跨越越障能力，對環(huán)境有良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，尤其是多足式對環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)。但它也存在動作不連貫，速度較慢，控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)相對困難等不足。 履帶式移動機(jī)器人可以跨越障礙，攀爬低度不高的臺階，行動速度快，承載能力強(qiáng)，適用于在凹凸不平的地面上行走，但不易轉(zhuǎn)向。 在設(shè)計移動移動機(jī)器人時也應(yīng)遵循以下機(jī)構(gòu)設(shè)計原則: 1)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理。 2)應(yīng)給移動機(jī)器人暫時未能裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進(jìn)與擴(kuò)展。 3)運(yùn)用三維軟件畫出零件圖，然后再裝配成裝配圖，可以清晰明了的看出哪里設(shè)計合理哪里裝配方便，哪里會產(chǎn)生干涉。通過對以上方式的比較，我們選用輪子方式做為移動機(jī)器人運(yùn)動方式，它符合我們的設(shè)計要求：適應(yīng)室內(nèi)活動環(huán)境，需要動力較小，能量消耗少，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡單可靠。 2.2 輪式移動機(jī)器人移動能力分析 輪式移動移動機(jī)器人的分類方法主要有：按具有的自由度劃分，有三自由度類型，二自由度類型等。按驅(qū)動方式劃分有鉸軸轉(zhuǎn)向式，差速轉(zhuǎn)向式等。本設(shè)計按照傳統(tǒng)的車輪配置方式劃分來討論。 本畢業(yè)設(shè)計課題主要是為了掌握和了解輪式移動移動機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制系統(tǒng)的能力，基本能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、360°范圍轉(zhuǎn)動的運(yùn)動,也可以為移動機(jī)器人的運(yùn)動和控制提供一個很好的研究平臺。 生活中我們見到最多的家用小車的車輪布局在輪式移動移動機(jī)器人中最先得到了應(yīng)用，就像我們平時推小車一樣，當(dāng)我們給小車左邊的力大于右邊的力時小車右轉(zhuǎn)，同理右邊的力大時，小車左轉(zhuǎn)。所以我選擇了跟家用小車一樣的移動方式即差速度輪式移動移動機(jī)器人。四個車輪布置在我設(shè)計的移動機(jī)器人矩形機(jī)身四角，后兩輪差速驅(qū)動，前兩輪是轉(zhuǎn)向輪。當(dāng)然通過查閱資料這種機(jī)構(gòu)有兩個缺點(diǎn)，一是四輪構(gòu)型移動移動機(jī)器人運(yùn)動能力受到限制，轉(zhuǎn)向之前必須有一定的前行行程。二是這種輪子布局需要有保持穩(wěn)定可靠驅(qū)動的能力，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。 圖2.14 后輪差速驅(qū)動，前輪是隨動結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計需要和實(shí)現(xiàn)的難易程度選擇了圖2.14中的驅(qū)動方案移動機(jī)器人，稱之為后輪驅(qū)動輪型移動機(jī)器人，它是一種典型的非完整約束的輪式移動移動機(jī)器人模型。后輪為驅(qū)動輪，方向不變，提供前進(jìn)驅(qū)動力，兩輪驅(qū)動速度不相同；前輪為轉(zhuǎn)向輪，稱為隨動輪，使移動機(jī)器人按照要求的方向移動。 輪式移動機(jī)構(gòu)又主要分三個輪、四個輪、三輪支撐理論上是穩(wěn)定的，然而這種裝置很容易在施加到單獨(dú)輪的左右兩側(cè)力F作用下翻倒，因此對負(fù)載有一定限制。為提高穩(wěn)定性和承載能力，決定選用四輪機(jī)構(gòu)，后輪為兩驅(qū)動輪，兩個轉(zhuǎn)向輪為前輪。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù)，可適應(yīng)復(fù)雜的地形，承載能力強(qiáng)，但是軌跡規(guī)劃及控制相對復(fù)雜。 圖2.15 輪式移動機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)三維模型圖 2.3 輪式移動機(jī)器人驅(qū)動輪的組成 (1)后輪驅(qū)動裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖如圖2.16 圖2.16 后輪驅(qū)動裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型 后輪驅(qū)動裝置機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)如圖2.17所示： 圖2.17 驅(qū)動輪機(jī)械傳動示意圖 1輪胎　 2輪轂　 3聯(lián)軸器 4蝸輪　 5蝸桿　 6直流電機(jī)　 7減震墊 根據(jù)上面所確定的方案，輪式移動機(jī)器人前輪驅(qū)動裝置由驅(qū)動電機(jī)，減速裝置和車輪及輪轂組成。 2.4 輪式移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪的組成 轉(zhuǎn)向輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用，不產(chǎn)生驅(qū)動力矩，在小車轉(zhuǎn)向時它可以以一定角度轉(zhuǎn)動。主要機(jī)械組成結(jié)構(gòu)如圖2.18所示： 圖2.18 轉(zhuǎn)向裝置模型圖 輪式移動機(jī)器人前輪驅(qū)動裝置由以下幾部分構(gòu)成：輪胎，輪轂，兩個轉(zhuǎn)向輪和深溝球軸承幾個部分組成。 2.5 電機(jī)的選擇 目前在移動機(jī)器人的運(yùn)動控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，對它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結(jié)如表2-2所示： 表2-2 不同電機(jī)的特性、工作原理與控制方式 電機(jī)的類型 特點(diǎn) 構(gòu)造與工作原理 控制方式 步進(jìn)電機(jī) 直接用數(shù)字信號控制，與計算機(jī)接口簡單，沒有電刷，維護(hù)方便，壽命長。缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過載能力弱 按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以分為:永磁式，反 應(yīng)式和混合式?；旌鲜侥墚a(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動。 永磁式是單向勵磁，精度高，但易失步，反應(yīng)式；是雙向勵磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低；混 合式是單-雙向勵磁,分辨率高,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 續(xù)表2-2 電機(jī)的類型 特點(diǎn) 構(gòu)造與工作原理 控制方式 直流伺服電機(jī) 接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時維護(hù)和更換電刷，使用壽命短、噪聲大。 由永磁體定子、線圈 轉(zhuǎn)子、電刷和換向器 構(gòu)成。通過電刷和換 向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。 轉(zhuǎn)動控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式, 兩者也成正比。 交流伺服電機(jī) 沒有電刷和換向器，無需維護(hù)；驅(qū)動電路復(fù)雜，價格高。 按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電電刷和換向器構(gòu)成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。 分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異 步電機(jī)常采用電壓控制。 一般移動機(jī)器人用電機(jī)的基本性能要求: 1)啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性；　 2)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時的特性相同,且運(yùn)行特性穩(wěn)定；　 3)良好的抗干擾能力，對輸出來說,體積小、重量輕；　 4)維修容易，不用保養(yǎng)。 輪式移動機(jī)器人采用雙輪雙電機(jī)的驅(qū)動方式，對于小功率電機(jī)，直流伺服電機(jī)具有良好的啟動和調(diào)速性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)移動機(jī)器人、計算機(jī)外圍設(shè)備以及高精度伺服系統(tǒng)中。設(shè)計的驅(qū)動輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機(jī)的特性、工作原理、控制方式以及移動移動機(jī)器人的移動性能要求、自身重量、傳動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素，所以決定選用直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。 直流電動機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動態(tài)特性，一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動機(jī)(如交流變頻電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等)的挑戰(zhàn)，但直流電動機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。 通過以上的比較決定選用直流伺服電機(jī)直流電動機(jī)。 2.6 直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)參數(shù)的確定 直流伺服電動機(jī)是將電信號轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動的關(guān)鍵元件，它應(yīng)該能提供足夠的功率，使負(fù)載按照所需的規(guī)律運(yùn)動。因此，伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率，應(yīng)能滿足負(fù)載的運(yùn)動要求，控制特性應(yīng)保證所需的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩變化范圍。另外，從驅(qū)動的角度，要對電機(jī)的驅(qū)動電壓、額定電流進(jìn)行選擇。 直流伺服電機(jī)的基本方程式為： (2.1) (2.2) (2.3) 其中，己為電樞電流，為電樞電勢，為電磁轉(zhuǎn)矩，為電樞電阻，為電勢系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 忽略鐵耗和摩擦損耗，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時， (J為轉(zhuǎn)動慣量)，則有 (2.4) 如果轉(zhuǎn)速的初始條件，則上式拉氏變換后得到 (2.5) 得到的傳遞函數(shù)為 G(S)= (2.6) 令是直流伺服電機(jī)的機(jī)械時間常數(shù)，為電動機(jī)的電氣時間常數(shù)則傳遞函數(shù)可以寫成： G(S)= (2.7) 直流伺服電機(jī)的除了銅耗之外，還有風(fēng)損、機(jī)械損耗、鐵耗，其中風(fēng)損和機(jī)械損耗與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即和反電勢E的平方成正比，這樣可以設(shè)置一等效的電阻R。來代替這兩項損耗，鐵耗中的磁滯損耗和渦流損耗大致和磁通的二次方成正比，因而可以像 風(fēng)耗和機(jī)械損耗一樣包含在等效電阻中。 分析直流伺服電動機(jī)動態(tài)特性的等效電路如圖4—17所示。轉(zhuǎn)子動能(J為轉(zhuǎn)動慣量，為角速度)用等效電路中的靜電能來代替，則等效電容，空載損耗(包括風(fēng)損、機(jī)械損耗、鐵耗等)在電路中用等效電阻上的損耗來代替。 圖2.19 分析動態(tài)特性的等效電路 假設(shè)初始時候電容兩端的電壓為零，電感中的電流為零，則可以得到拉氏變換后的運(yùn)算電路圖如圖所示： 圖2.20 拉氏變換后的運(yùn)算電路 其傳遞函數(shù)為： (2.8) 如果施加的電壓時一個階越函數(shù)，,則： (2.9) 由拉氏變換后令,可得到： (2.10) 上式中，是直流伺服電機(jī)穩(wěn)態(tài)時候的電流，這個值比較容易測量；()是待定參數(shù)，利用計算機(jī)依據(jù)最小二乘法擬和曲線的辦法，可以確定參數(shù)()。 電流相應(yīng)曲線一般采用直流伺服電機(jī)的啟動電流曲線，可以在電機(jī)輸A回路中串一個阻值很小的采樣電阻，用存儲示波器記錄電機(jī)啟動的瞬間采樣電阻兩端的電壓值，即可獲得啟動電流曲線。當(dāng)電樞回路中串采樣電阻以后。對直流伺服電機(jī)的電氣時間常數(shù)和機(jī)械時間常數(shù)是有影晌的，應(yīng)該消除采樣電阻的影響。假定t，靠為計算的動態(tài)時間常數(shù)，則實(shí)際的動態(tài)時間常數(shù)為： (2.11) (2.12) 2.7 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計（蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)） 直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機(jī)構(gòu)來降速，所以設(shè)計了蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，并對其參數(shù)進(jìn)行了校核與驗證。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對移動機(jī)器人的性能有著相當(dāng)重要的作用。 結(jié)合本設(shè)計中移動機(jī)器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動效率高的條件電機(jī)軸直接作為輸入軸安裝用聯(lián)軸器，聯(lián)軸器有過載保護(hù)，提高了精度又減輕了重量。輪轂和齒輪安裝在同一根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，聯(lián)軸器相聯(lián)齒輪與車輪裝在同一個軸上，它們的轉(zhuǎn)速相同。 移動移動機(jī)器人的驅(qū)動裝置電機(jī)與車輪軸需要傳動機(jī)構(gòu)。蝸桿傳動是用來傳遞空間交錯軸之間的運(yùn)動和動力的。最常用的是軸交角∑=90°的減速傳動。蝸桿傳動能得到很大的單級傳動比，在傳遞動力時，傳動比一般為5~80，常用15~50；在分度機(jī)構(gòu)中傳動比可達(dá)300，若只傳遞運(yùn)動，傳動比可達(dá)1000。蝸輪蝸桿傳動工作平穩(wěn)無噪音，蝸桿反行程能自鎖，所以決定選用普通圓柱蝸桿傳動。其實(shí)物圖跟結(jié)構(gòu)簡圖如下： 圖2.21 實(shí)物圖 圖2.22 結(jié)構(gòu)示意圖 2.7.1 電機(jī)參數(shù)的確定 考慮到移動機(jī)器人運(yùn)動的時候的穩(wěn)定，并且需要越障，克服各種地面的摩擦因素，還要有爬坡等因素，通過查閱機(jī)械設(shè)計手冊指導(dǎo)，先假設(shè)輪式移動機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行時候的速度大約為0.7m/s，最大速度為1.5m/s。需要的最大拉力F為800N，地面與輪胎之間的損耗，則,則。 1）工作機(jī)各傳動部件的傳動效率及總效率： 查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》書中表1- 7得各傳動部件的效率分別為： ； ； ； 工作機(jī)的總效率為： 2）電機(jī)的所需要的功率： 3）傳動裝置的傳動比的確定： 查《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》書中表13 – 2得各級齒輪傳動比如下： 理論總傳動比： 4）電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)速： 根據(jù)上面所算得的原動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速范圍，可由《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》書中表12 – 1可選擇合適的電動機(jī)。本設(shè)計選擇的電動機(jī)的型號及參數(shù)如下表2-3： 表2-3 電動機(jī)型號及參數(shù) 型號 額定功率 滿載轉(zhuǎn)速 最大轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量 軸的直徑 Y160M1-8 4kw 720r/min 2.3 38 kg 24mm 計算傳動比=720/33.44=21.53，單機(jī)蝸桿傳動，傳動比都集中在蝸桿上，不需分配傳動比。 2.7.2 計算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù) (1)蝸桿蝸輪的轉(zhuǎn)速 蝸桿轉(zhuǎn)速和電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速相同渦輪轉(zhuǎn)速n=33.44r/min,車輪的轉(zhuǎn)速和蝸輪的轉(zhuǎn)速相同。 (2)功率 電機(jī)軸輸出功率 Pd=2.54kw 蝸桿的輸入功率 2.54×0.99=2.5146 蝸桿的輸出功率 2.5146×0.99=2.49 蝸輪的輸入功率 2.49×0.75=1.86 蝸輪的輸出功率 1.86×0.99=1.85 車輪的輸入功率 1.85×0.99=1.83 車輪的輸出功率 1.83×0.96=1.76 (3)轉(zhuǎn)矩 所以： Td=33.69 N·M T1=33.35N·M T2=703.74 N·M T3=668.83 N·M 運(yùn)動動力參數(shù)表格如下表2-4所示： 表2-4 運(yùn)動力參數(shù) 參數(shù) 電動機(jī) 蝸桿 蝸輪 車輪 轉(zhuǎn)速 720 720 33.44 33.44 輸入功率 2.51 1.86 1.83 輸出功率 2.54 2.49 1.85 1.76 輸出轉(zhuǎn)矩 33.69 33.35 703.74 668．83 傳動比 21.53 效率 0.99 0.75 0.96 2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計計算 (1)選舉蝸桿的傳動類型材料：采用漸開線蝸桿（ZI蝸桿） 蝸桿：45鋼 表面淬火至45-55HRC 蝸輪邊緣選擇： ZCuSn10Pb1 金屬模鑄造輪芯：HT200 (2)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計 傳動中心距計算公式如下： 1）作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩T2=703.74N·M 2）已知條件：載荷較穩(wěn)定，故取齒向載荷分布系數(shù)Kβ=1，使用系數(shù)KA=1.15，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不太大，可選取動載荷系數(shù)KV=1.05，則K=KAKβKV=1.21 3）確定彈性影響系數(shù)ZE 因選用鑄錫磷青銅蝸桿個剛蝸桿相配，故ZE=160Mpa1/2 4）確定接觸系數(shù)Zp 先假設(shè)蝸桿分度圓d1和傳動中心距a的比值為d1/a=0.3?？刹榈腪p=3.1 5）確定許用接觸應(yīng)力 根據(jù)蝸輪材料為ZcuSn10Pb1，可查表得蝸桿的許用應(yīng)力=268Mpa，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60×2×720×16×8×300/21.53=1.54×108 壽命系數(shù) KHN=(107/1.54×108)1/8=0.71 則[σ]H=KHN·[σ]=0.71×268=190.28Mpa 6）計算中心距 mm 取中心距a=180mm因i=21取m=6.3，蝸桿分度圓直徑d1=63mm，這時d1/a=63/180=0.35，對應(yīng)Zp′=2.9，因為Zp′

收藏