小型輪式移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動控制研究【說明書+CAD】
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南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告學(xué) 生 姓 名:周榮江學(xué) 號:060104231專 業(yè):機械工程及自動化設(shè)計(論文)題目:小型輪式移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動控制研究指 導(dǎo) 教 師:祖莉 2010 年 3 月 19 日開題報告填寫要求1開題報告(含“文獻(xiàn)綜述”)作為畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下,由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(論文)工作前期內(nèi)完成,經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效;2開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式(可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載)打印,禁止打印在其它紙上后剪貼,完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見;3“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文,并直接書寫(或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi),學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇(不包括辭典、手冊);4有關(guān)年月日等日期的填寫,應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 74082005數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求,一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(論文)課題情況,根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料,每人撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述:文 獻(xiàn) 綜 述一、輪式移動機器人的發(fā)展概況近20年來,移動機器人的研究十分活躍,并得到了快速發(fā)展,這主要有兩個方面的原因:其一, 移動機器人的應(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。其二,目前國內(nèi)外的星際探索和海洋開發(fā)兩大高端技術(shù)領(lǐng)域的市場需求也是促使移動機器人發(fā)展的客觀因素與潛在動力。機器人在各個領(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,機器人已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的手段之一。到目前為止,地面運動機器人的行駛機構(gòu)主要分為履帶式、步行式和輪式三種。這三種行駛機構(gòu)各有其特點。(1) 履帶式。最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上,后來出現(xiàn)在某些地面行駛機器人上。履帶式機器人可以在凹凸不平的地面上行走1,可以跨越障礙物,爬梯度不太高的臺階,具有行駛速度較快(介于輪式和腿式之間),承載能力較強,但轉(zhuǎn)向不易,比較笨重的特點。如圖1所示的履帶式移動機器人,由于其采用了像坦克那種的履帶式設(shè)計,因此能夠適用于更廣泛的地形。圖1 履帶式移動機器人(2)步行式。其中步行式機器人對場地有良好的適應(yīng)能力,特別是多足機器人,能夠跨越臺階,但動作是間歇的,速度不快,且控制復(fù)雜,實現(xiàn)相對困難2。從移動的方式來看,步行式移動機器人可以分為兩類:動態(tài)行走機器人和靜態(tài)行走機器人。根據(jù)支腿的數(shù)量又可分為兩足、四足、六足和多足,這里僅對六足行走機構(gòu)和多足行走機構(gòu)進(jìn)行介紹。 六足行走機構(gòu) 采用六足行走機構(gòu)的機器人很多3,一般都采用變換支撐腿的方式,將整體的重心從一部分腿上轉(zhuǎn)移到另一部分腿上,從而達(dá)到行走的目的。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)和垂直移動兩個自由度。在行走過程中,整個支腿可以繞軸端在水平面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),支腿的末端可以通過連桿機構(gòu)進(jìn)行垂直方向的上下移動,以調(diào)整姿態(tài),最終使機器人保持水平。通過六條腿的交替運動來實現(xiàn)機器人的行走。 多足行走機構(gòu) 如圖3所示的八足仿生機器人,這種機構(gòu)是一種八足行走的移動機構(gòu),其運動的特點是在前行時相對于身體總是后腿到前腿的順序,后腿著地后前腿才離地,機器人兩側(cè)的相應(yīng)部分也是成相位交替著運動。近期的八足機器人,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)代的計算機等高科技應(yīng)用到機器人上。 由此可以看出,對于步行式移動機器人,雖然越野能力比較強,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,行走速度比較緩慢。 圖2 六足仿生機器人 圖3 八足仿生機器人(3)車輪式。車輪式移動機器人具有結(jié)構(gòu)輕、動作穩(wěn)定、操縱簡單、其移動速度和方向容易控制等優(yōu)點。常用來在無人工廠中搬運零部件或做其它工作,適用于平地行走,運動速度快,但其越野能力比步行式機器人稍遜一籌4-5。但隨著各式各樣的車輪底盤和懸架系統(tǒng)的出現(xiàn),像美國MCU的六輪三體柔性機器人Robby和美國研制的火星探路者機器人,使得車輪式機器人能適應(yīng)凹凸不平的地形6-7,越野能力大大加強。于是人們對機器人移動機構(gòu)研究的重點也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機構(gòu)上來,近期日本開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨特的五點支撐懸吊結(jié)構(gòu)MiCro5,由于其采用一支撐輪,所以有很好的越野能力。輪式移動機器人按輪數(shù)的多少又可分為三輪、四輪、五輪、六輪以及多輪,其中以四輪和六輪研究居多,所以下面僅對四輪、六輪進(jìn)行簡單的介紹8。 四輪。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器人。要想提高此類機器人的越野能力,就必須對其底盤機構(gòu)及驅(qū)動方式進(jìn)行改進(jìn)。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)。其底盤可通過兩個四桿機構(gòu)進(jìn)行變形,當(dāng)?shù)妆P展開時四桿機構(gòu)變成一個菱形,當(dāng)?shù)妆P收縮時四桿機構(gòu)變成一條直線。均化懸掛系統(tǒng)可以平滑機器人本體相對于輪子的運動,這種結(jié)構(gòu)可保證在各種地形情況下四輪都能同時著地。 圖4 四輪機器人 圖5 “勇氣號”火星探測車六輪。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、前后兩個主動輪以及中間的隨動輪。與四輪結(jié)構(gòu)相比,由于引入了副搖臂和從動輪,當(dāng)遇到障礙時,通過對副搖臂的轉(zhuǎn)動,并借助于從動輪來調(diào)整重力在各個輪上的分力,可以提高車體的穩(wěn)定性和越野能力。2、 關(guān)鍵技術(shù)研究1. 導(dǎo)航控制技術(shù) 移動機器人導(dǎo)航(Mobile Robot Navigation)是指在具有障礙物的環(huán)境中,按時間最優(yōu)、路徑最短或能耗最低等約束條件,實現(xiàn)從起始位置到指定目標(biāo)位置的無碰撞運動9。 在自主式移動機器人相關(guān)技術(shù)的研究中,導(dǎo)航技術(shù)是其研究核心,也是移動機器人實現(xiàn)智能化及完全自主的關(guān)鍵技術(shù)。因此,移動機器人要想實現(xiàn)自主導(dǎo)航,必須具備以下能力: 1)能實現(xiàn)基本的趨向目標(biāo)功能,如到達(dá)給定目標(biāo)或者跟蹤指定目標(biāo); 2)能對非預(yù)見性事件做出實時反應(yīng),如躲避一個突然出現(xiàn)的障礙物; 3)能創(chuàng)建、維護(hù)和使用環(huán)境地圖; 4)通過學(xué)習(xí)得到障礙物在地圖中的位置之后能可靠避開該障礙物; 5)能識別三維地形,并能改變其力矩以適應(yīng)不同的地形; 6)具有規(guī)劃制定能力,如制定一個能避開環(huán)境中的陷阱且能完成特定目標(biāo)的規(guī)劃。目前,國內(nèi)外研究學(xué)者對移動機器人導(dǎo)航技術(shù)的研究已取得了大量的成果,但還有很多關(guān)鍵理論和技術(shù)問題有待解決和完善。移動機器人的導(dǎo)航方式有多種,目前尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。一般根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號類型、導(dǎo)航地域等因素的不同,可將導(dǎo)航分為地磁導(dǎo)航、航跡推算導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、基于地圖導(dǎo)航、主動信標(biāo)導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和其它方式導(dǎo)航。2. 運動控制技術(shù)近年來隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,對智能機器人的研究越來越多。輪式移動機器人可以作為各種智能控制方法的良好載體,同時又可以方便的構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的分布系統(tǒng),開展多智能體的調(diào)度、規(guī)劃等研究,所以對他的研究越來越受到重視。一個全方位移動機器人的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),包括傳感器、通訊、伺服控制系統(tǒng)等。系統(tǒng)可以分成以下四個模塊:監(jiān)控模塊、感知模塊、路徑規(guī)劃和逆運動學(xué)計算模塊、執(zhí)行模塊。(1)監(jiān)控模塊該模塊的功能通過監(jiān)控計算機來實現(xiàn),主要功能包括:任務(wù)描述:利用操作者規(guī)定的語言,描述對機器人的控制任務(wù)。監(jiān)控指令輸入:在機器人完成任務(wù)的過程當(dāng)中,操作者根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行情況以及環(huán)境的狀況,對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母深A(yù),以充分發(fā)揮人的智能,構(gòu)成人-機合作系統(tǒng)。如遇到不可避開的障礙、或者多個機器人運動過程中發(fā)生死鎖等意外情況,都需要操作者適時的干預(yù)。文本和圖形的顯示界面:以文本或者圖形的方式實時地顯示機器人系統(tǒng)的工作信息,包括當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù),機器人的位置、 速度、 障礙物等環(huán)境信息。監(jiān)控計算機是通過無線網(wǎng)絡(luò)與每一個移動機器人取得聯(lián)系的。(2) 感知模塊 傳感器作為機器人的感知部分,是機器人具有自主能力的重要前提條件。(3) 路徑規(guī)劃以及運動學(xué)求解、 軌跡插補模塊(4) 執(zhí)行模塊傳統(tǒng)的分級式控制器一般都采用通用微機或以單片機作為下位機來實現(xiàn)位置控制,外圍電路復(fù)雜,計算速度慢,上位機和下位機同步困難,從而導(dǎo)致控制精度不夠理想。3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計 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。目前,移動機構(gòu)開發(fā)的種類已相當(dāng)繁多,其中全方位輪移動機構(gòu)具有完美的運動性能, 它可利用車輪所具有的定位和定向功能, 實現(xiàn)平面上的自由運動 , 即能夠在當(dāng)前位置沿著任意方向的路徑移動,并對自己所處位置進(jìn)行細(xì)微調(diào)整,實現(xiàn)精確定位和高精度軌跡跟蹤 。因此它對移動機器人具有重要的意義,在機器人技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用,成為機器人移動機構(gòu)的發(fā)展趨勢。當(dāng)前全方位輪有多種形式,其中Mecanum輪是做得較為成功 、技術(shù)成熟的一種全方位輪。 全方位移動機構(gòu)運動非常靈活,可在二維平面上從現(xiàn)在位置向任意方向運動而不需要車體改變姿態(tài)。在某些場合有明顯的優(yōu)越性;如在較狹窄或擁擠的場所工作時,全方位移動機構(gòu)因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由的穿行。另外,在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時候,也需要利用全方位移動機構(gòu)的特點對自己所處的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。現(xiàn)在比較常見的全方位移動機構(gòu)有空氣懸浮式、球履帶式、輪式等許多種輪式全方位移動機 構(gòu)又可分為球輪驅(qū)動式、全輪轉(zhuǎn)向式、麥克納姆輪式,等等10。球輪驅(qū)動式全方位移動機構(gòu)是由日本電通大的越山等人研制成功的。它由一個球形輪構(gòu)成;外部是一個拱形殼,移動和控制機構(gòu)在輪的內(nèi)部,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,承載較小。全輪轉(zhuǎn)向式移動機構(gòu)理論上可行,但由于每個輪上均需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)向機構(gòu),實際中也很少有人采用。麥克納姆輪式全方位移動機構(gòu)應(yīng)用的相對較多本文即是從麥克納姆輪中得到啟發(fā),構(gòu)思設(shè)計了一種新式全方位輪,進(jìn)而設(shè)計制造了一種輪式全方位移動機構(gòu)。麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專利,圖6為它的結(jié)構(gòu)簡圖。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子,故輪子可以橫向滑穆。小滾子的母線很特殊;當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時,各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面,所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活,是很成功的一種全方位輪。由四個這種輪加以組合,可以使機構(gòu)實現(xiàn)全方位移動功能11。 圖6 麥克納姆輪Mecanum輪的輪體的圓周不是由普通的輪胎組成12 ,而是分布了許多鼓形小輥子。由4個Mecanum輪全方位輪組成的萬向移動機構(gòu),運轉(zhuǎn)靈活,控制方便,若在輪體上追加傳感器, 再控制好轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,就可能實現(xiàn)精確定位和軌跡跟蹤,應(yīng)用前景較好13 畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段(途徑):1. 輪式移動機器人的工作原理和設(shè)計要求。 移動機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器人系統(tǒng)。移動機器人隨其應(yīng)用環(huán)境和移動方式的不同,研究內(nèi)容也有很大差別。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。它有相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚的視覺傳感器、聽覺傳感器和觸覺傳感器。移動機構(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。輪子適于平坦的路面,足式移動機構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境。2. 功能模塊。模塊化廣泛地應(yīng)用于機械、電子和計算機等行業(yè)。目前對模塊化還沒有一個統(tǒng)一的定義,一般可以這樣理解:統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品系統(tǒng),把其中含有相同或相似的功能單元分離出來,用標(biāo)準(zhǔn)化原理進(jìn)行統(tǒng)一、歸并、簡化,以通用單元的形式獨立存在.這就是模塊,然后用不同的摸塊組合成新產(chǎn)品,這就是模塊化.因此,模塊化技術(shù)主要包含2個方面的內(nèi)容:一是模塊的合理分解,二是模塊的有效組合.其概念及特點如圖7所示14圖7:模塊化概念及特點參考文獻(xiàn): 1 Nildeep Patel, Alex Ellery. Chris Welch and Andv Curley. Preliminary analysis of mobility and suspension systems for a mars micro roverR. International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation (IAF). Oct. 10-19.2002. Houston, TX, USA. 2 查選芳,張融甫.多足步行機器人支腿機構(gòu)的運動學(xué)研究J.東南大學(xué)學(xué)報, 1995(3):103-107. 3 Reid Simmons, Eric Krotkov and John Bares. A Six-legged Rover for Planetary Exploration. AIAA-91-3812-CR. 1991:739-747. 4 Burg J Blazevic P. Anti-lock Braking and Terrain Control Concept for All-Terrain Robotic Vehicle.Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1997:1400-1405. 5 Steward Moorehead, Dimitrios Apostolopoulos. Autonomous Navigation Field Results of a Planetary Analog Robot in Antarctica. Proc. of the 5th,International Symposium on Artifical Intelligence, Robotics and Automation in Space.1999: 237-242. 6 F. Jindra. Obstacle Performance of Articulated Wheeled Vehicles. Journal of Terrain Mechanics. 1996,3(2):39-56. 7 S. Niranijan, H. Rao Matthew. The Role of Terrain Modeling in Lunar Rover SimulationC. Simulation. 1993,6(1):60-68. 8 徐國華,譚民.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢J.機器人技術(shù)與應(yīng)用. 2001,(3): 7-14. 9 R.Arajo,A.T.D.Almeida.Learning Sensor-Based Navigation of a Real Mobile Robot in Unknown Worlds.IEEE Transactions on Systems,Man and Cyernetics, Part B:Cyernetics.1999,29(2):164-178. 10 趙言正全方位壁面移動機器人系統(tǒng)的研究D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),1999. 11 趙言正,門廣亮,閏國榮,等.具有全方位移動功能的爬壁機構(gòu)J.高技術(shù)通訊,1995,5(6):4l-42. 12 Chung Jae Heon,Yi ByungJu.Kim Whee Kuk.Lee Hogi l.The dynamic modeling and analysis for an omnidirectional mobile robot with three caster wheelsJ.Mobile Robot,IEEE,1994:(3)30913096. 13 張海兵輪式全方位移動機構(gòu)的研究D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2001 14 張寶輝.模塊化總體設(shè)什研究D,長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué).2004. 畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)開 題 報 告指導(dǎo)教師意見:1對“文獻(xiàn)綜述”的評語:2對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計(論文)結(jié)果的預(yù)測: 指導(dǎo)教師: 年 月 日所在專業(yè)審查意見: 負(fù)責(zé)人: 年 月 日
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