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機器人受力分析及如何保證加速度最優(yōu)····························（24） 4 輪式移動機器人的運動學分析······························（26） 4.1 輪式式機器人的運動學建模······································（26） 4.2 阿克曼約束的機器人運動模型····································（29） 5 輪式移動機器人的運動控制系統(tǒng)設計·······················（32） 5.1 控制系統(tǒng)硬件設計··············································（32） 5.2 控制系統(tǒng)軟件設計··············································（34） 5.2.2上位機控制系統(tǒng)軟件設計····································（34） 5.2.3下位機控制系統(tǒng)軟件設計····································（34） 6 結論··························································（36） 參考文獻·························································（37） 致謝······························································（38） 1 前言 移動機器人的研究始于上世紀60年代末期，隨著計算機技術、傳感器技術以及信息處理技術的發(fā)展，移動機器人已被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、保安巡邏等行業(yè)。機器人技術的發(fā)展，它應該說是一個科學技術發(fā)展共同的一個綜合性的結果，也同時，為社會經濟發(fā)展產生了一個重大影響的一門科學技術，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經濟的投入，就加強了本國的經濟的發(fā)展。另一方面它也是生產力發(fā)展的需求的必然結果，也是人類自身發(fā)展的必然結果，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，認識自然過程中，實現人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。 國外對于移動機器人的研究起步較早，日本是開發(fā)機器人較早的國家，并成為世界上機器人占有量最多的國家，其次是美國和德國。進入90年代，隨著技術的進步，移動機器人開始在更現實的基礎上，開拓各個應用領域，向實用化進軍。前蘇聯曾經在移動機器人技術方面居于世界領先的地位，俄羅斯作為前蘇聯的繼承者，在機器人技術領域依然具有相當雄厚的技術基礎，ROVER科技有限公司把在開發(fā)空間機器人中獲得的經驗應用于開發(fā)地面機器人系統(tǒng)，如極坐標平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、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)射的火星漫游機器人一一“勇氣”號與“機遇”號。雖然國內有關移動機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構以及機器學習等智能控制算法，在高速公路上達到了130 Km/h的穩(wěn)定時速，最高時速170 Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術指標均處于世界領先的地位[1]。但是我國在機器人的核心及關鍵技術的原創(chuàng)性研究、高性能關鍵工藝裝備的自主設計和制造能力、高可靠性基礎功能部件的批量生產應用等方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大的差距。未來研究熱點是將各種智能控制方法應用到移動機器人的控制。 機器人分成三類，一種是第一代機器人，那么也叫示教再現型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機器人可以重復的根據人當時示教的結果，再現出這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種從第一代機器人，也就存在它這種缺陷，因此，在20世紀70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺的機器人，這種帶感覺的機器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體的時候，它實際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況。那么第三代機器人，也是我們機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知思維和人機通訊的這種功能和機能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學技術的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內涵越來越寬。 本畢業(yè)設計課題主要是為了掌握和了解輪式移動機器人的基本結構和運動控制系統(tǒng)的能力，基本能實現前進、后退、360°范圍轉動的運動,也可以為機器人的運動和控制提供一個很好的研究平臺。本文所討論機器人系統(tǒng)運動學模型近似于汽車，因此稱為輪式機器人，它的組態(tài)由機器人在工作環(huán)境中的位態(tài)確定。 它作為一種小型輪式移動機器人，是一種非線性控制系統(tǒng)。為了能發(fā)揮將來加載到這種機器人上的功能因而對小車性能作了要求。 作為主要在室內工作的機器人長度不宜超過1000mm高度要控制在機器人平衡穩(wěn)定運作的范圍內。因此，車體在保證穩(wěn)定的情況下做的盡量小各部件排列方式應盡量減小縱向尺寸，使車體緊湊。內置于其中的電路板和電池的尺寸也要受到限制。設計電路是要盡量選用功能大、集成度高的芯片，而電池要選用體積小并且耐用的型號。因此，本課題控制器設計選用STC89LE52單片機來實現控制電路的架構，并且減少外圍邏輯電路，使板面布局緊湊。 車體系統(tǒng)的運動性能是影響系統(tǒng)性能，決定機器人性能達標的重要因素。因此，在軟硬件選型時，滿足快速性、準確性要求是考慮的第一要素之一。要求機構能夠具有更大的靈活性與柔性，能夠具有更大的跨越障礙的能力。最好采用減震設計，它有利于保護機器人各組成部件，特別是電器元件。 相對于工業(yè)環(huán)境來講，我們設計的機器人所處的環(huán)境所受的強磁干擾要小得多，但是要達到系統(tǒng)運作實時、準確，某些干擾就顯得較為明顯: 首先，機器人體積很小，電機及其驅動系統(tǒng)，處理器系統(tǒng)，無線模塊同處于很小的空間，這幾部分之間的相互干擾，特別是電機及其驅動系統(tǒng)對處理器的干擾，無線模塊對處理器的干擾以及無線通訊所特有的噪聲干擾都不容忽視。本課題中，分別采用了硬件抗干擾設計和軟件抗干擾設計。其次，機器人工作環(huán)境周圍的電器將對其產生影響。 2 機構的驅動方案設計 2.1 機器人運動方式的選擇 到目前為止，地面移動機器人的行駛機構主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機構各有其特點。 （1）履帶式 履帶最早出現在坦克和裝甲車上，后來出現在某些地面行駛的機器人上，它具有良好的穩(wěn)定性能、越障性能和較長的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行駛，但是當地面環(huán)境惡劣時，履帶很快會被磨損甚至磨斷，沉重的履帶和繁多的驅動輪使得整體機構笨重不堪，消耗的功率也相對較大。此外，履帶式機構復雜，運動分析及自主控制設計十分困難。 履帶地面移動機器人是一種通用機器人平臺，根據用途的不同，可以在機器人上加裝不同的功能模塊和傳感器，以完成復雜環(huán)境下的救援、偵查、排爆、掃雷、傷員撤離等任務。加裝了遙控控制電路、主云臺攝像頭、多個從攝像頭、MTI微慣導單元和激光掃描測距傳感器（LRF），機器人可以在人遠程遙控下運動和作業(yè)。 圖1 四段履帶機器人 圖2 六段履帶機器人 （2）腿式 第一，腿式機器人的運動軌跡是一系列離散的足印，輪式和履帶式機器人的則是一條條連續(xù)的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物，可以穩(wěn)定支撐機器人的連續(xù)路徑十分有限，這意味著輪式和履帶式機器人在這種地形中已經不適用。而腿式機器人運動時只需要離散的點接觸地面，對這種地形的適應性較強，正因為如此，腿式機器人對環(huán)境的破壞程度也較小。 第二，腿式機器人的腿部具有多個自由度，使運動的靈活性大大增強。它可以通過調節(jié)腿的長度保持身體水平，也可以通過調節(jié)腿的伸展程度調整重心的位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高。 第三，腿式機器人的身體與地面是分離的，這種機械結構的優(yōu)點在于，機器人的身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的粗糙程度和腿的放置位置。當機器人需要攜帶科學儀器和工具工作時，首先將腿部固定，然后精確控制身體在三維空間中的運動，就可以達到對對象進行操作的目的了。 當然，腿式機器人也存在一些不足之處。比如，為使腿部協調而穩(wěn)定運動，從機械結構設計到控制系統(tǒng)算法都比較復雜；相比自然界的節(jié)肢動物，仿生腿式機器人的機動性還有很大差距。 腿式機構具有出色的越野能力，曾經得到機器人專家的廣泛重視，取得了較大的成果。根據腿的數量分類，有三腿、四腿、五腿和六腿等各種行駛結構。這里我們簡單介紹一種典型的六腿機構。 一般六腿機構都采用變換支撐腿的方式，將整體的重心從一部分腿上轉移到另一部分腿上，從而達到行走的目的。行走原理為:靜止時，由六條腿支撐機器人整體。需要移動時，其中三條腿抬起成為自由腿(腿的端點構成三角形)，機器人的重心便落在三條支撐腿上，然后自由腿向前移動，移動的距離和方位由計算機規(guī)劃，但必須保證著地時自由腿的端點構成三角形。最后支撐腿向前移動，重心逐漸由支撐腿過渡到自由腿，這時自由腿變成支撐腿，支撐腿變成自由腿，從而完成一個行走周期。 腿式機器人特別是六腿機器人，具有較強的越野能力，但結構比較復雜，而且行走速度較慢。 圖3 三腿機器人 圖4 四腿機器人 （3）輪式 輪式機器人具有運動速度快的優(yōu)點，只是越野性能不太強。適于室內、硬路面等平整地面，特別不適合松軟或崎嶇地面。按照車輪數目雖然不能對輪式移動機器人進行嚴格的歸類, 但是不同的車輪數目依然決定了不同的控制方式, 例如滾動機器人和四輪移動機器人顯然在控制原理上是不同的?；仡欇喪揭苿訖C器人研究已取得的主要成果, 按車輪數目對地面移動機器人進行了歸類分析, 對單輪滾動機器人、兩輪移動機器人、三輪、四輪、六輪及八輪移動機器人、復合式(帶有車輪)移動機器人進行了分析和總結。 圖6 單輪滾動機器人 圖7 兩輪移動機器人 圖8 三輪移動機器人 圖9 四輪移動機器人 圖10 六輪移動機器人 圖11 八輪移動機器人 現在的許多輪式己經不同于傳統(tǒng)的輪式結構，隨著各種各樣的車輪底盤的出現，實現了輪式與腿式結構相結合，具有與腿式結構相媲美的越障能力。如今人們對機器人機構研究的重心也隨之轉移到輪腿結合式機構上來了。 圖13 輪腿式機器人 美國的 Nomad，日本的Nissan rover，都是四輪機器人。四輪機構的機器人優(yōu)點在于車輪數少，結構相對簡單，便于控制，但其缺點是車體的抗振動性能較差，抗傾覆能力也差，同時承載能力有限，載荷容易分布不均，出現偏重現象。 另外，若采用四輪結構，一般都需要設置彈簧和阻尼器等隔振設施，無形中增加 了結構的復雜程度，同時也降低了車輛結構的可靠性，縮小了機器人的使用范圍。 從目前公開的資料來看，五輪車的研究較少，僅有日本宇航科學研究所CISAS, Institute of Space and Astronautical Science)研究的Micro-5 和上海交大 研究的五輪鉸接式機器人。Micro-5 機器人是一種左右車身分體式結構，行走機 構名為PEGASUS 結構。在傳統(tǒng)的四輪結構基礎上，它在左右車身之間增加了一個 連桿和一個車輪，來幫助其余四個車輪越障。所以，這種結構越障能力較強。 六輪機器人結構簡單，便于實現控制，質最也輕，越障能力雖不好，可以為車載儀器提供一個穩(wěn)定的平臺。不過，它也存在一定的缺點，就是越障能力不如四輪機構。 八輪車的優(yōu)點是驅動力強，承載能力較強，載荷分布也較平均，有利于車體穩(wěn)定。但其結構復雜，質量增加，越障能力和轉向功能則明顯不如四輪和六輪結構，因此，在國內外公開的資料中，這種結構并沒有得到則真正的應用，僅僅停留在試驗階段。 通常輪式移動機器人按其輪子具有的運動自由度 DOM(Degree of Mobility)和舵性自由度DOS (Degree of Steeribility)來定義移動機器人的移動能力。 由此可將輪式移動機器人的結構劃分為五種類型，表示為(DOM, DOS)形式，即(3, 0), (2, 0), (2, 1), (1, 1)與(1, 2)類型。其中只具有兩個運動自由度的(2, 0) 系統(tǒng)為目前普遍的研究對象，因為其結構相對簡單，比較容易實現。 在設計移動機器人時也應遵循以下機構設計原則: 1、總體結構應容易拆卸，便于平時的試驗、調試、和修理。 2、應給機器人暫時未能裝配的傳感器、功能元件等預留安裝位置，以備將 來功能改進與擴展。 3、采取模塊化設計，各個功能模塊之間相互獨立裝配，互不干擾。 通過對以上方式的比較，我們選用輪子方式做為機器人運動方式，它符合我 們的設計要求：適應室內活動環(huán)境，需要動力較小，能量消耗少，結構實現簡單可靠。 2.2 輪式機器人驅動方案設計 輪式機器人的機械結構如圖2-1： 圖2-1 后輪驅動，前輪轉向結構 根據設計需要和實現的難易程度選擇了圖2-1中的驅動方案機器人，稱之為后輪驅動輪型機器人，它是一種典型的非完整約束的輪式移動機器人模型。后輪為驅動輪，方向不變，提供前進驅動力，兩輪驅動速度相同；前輪為轉向輪，稱為舵輪，通過轉向系統(tǒng)同步控制兩輪轉向，使機器人按照要求的方向移動。 輪式移動機構又主要分三個輪、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輪的左右兩側力F作用下翻倒，因此對負載有一定限制。為提高穩(wěn)定性和承載能力，決定選用四輪機構，后輪為兩驅動輪，兩個轉向輪為前輪，具體結構模型見UG圖2-2。這種結構能實現運動規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務，可適應復雜的地形，承載能力強，但是軌跡規(guī)劃及控制相對復雜。 圖2-2 小車整體結構UG模型圖 2.2.1 輪式機器人驅動輪的組成 1） 后輪驅動裝置機械結構模型圖如圖2-3： 圖2-3 后輪驅動裝置機械結構模型 后輪驅動裝置機械傳動結構如圖2-4所示： 圖2-4 驅動輪機械傳動示意圖 1 變速箱底座 2 變速箱蓋 3 軸承 4 齒輪Ⅰ 5 齒輪Ⅱ 6 齒輪Ⅲ 7 電動機 8 中間軸 9 輪轂 10 輪胎 根據上面所確定的方案，輪式機器人后輪驅動裝置由驅動電機，減速裝置和車輪及輪轂組成。 2.2.2 輪式機器人轉向輪的組成 轉向輪起支撐和轉向作用，不產生驅動力矩，在小車轉向時它可以以一定角度轉動。主要機械組成結構如圖2-5： 圖2-5 轉向裝置模型圖 輪式機器人前輪驅動裝置由以下幾部分構成：驅動電機，蓄電池和充電部分，轉向傳動機構和前減震機構，前車體和電池箱及輪胎和輪轂五部分，如下圖2-6所示： 圖2-6 轉向裝置結構圖 1 前減震彈簧 2 轉向連桿 3 拉桿 4 拉緊彈簧 5 撥叉 6 步進電機 7 前車體蓋 8 轉向節(jié) 9 前輪軸 10 前輪轂 11 輪胎 12 電池盒蓋 13 后減震彈簧14 連接軸 15 變速箱 2.2.3 電機的選擇 目前在機器人的運動控制中較為常用的電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機，對它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結如表2-1所示： 表2-1 不同電機的特性、工作原理與控制方式 電機類型 主要特點 構造與工作原理 控制方式 直流伺服電機 接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉矩大、體積小、重量輕，轉速和轉矩容易控制、效率高；需要定時維護和更換電刷，使用壽命短、噪聲大。 由永磁體定子、線圈轉子、電刷和換向器構成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉子的轉動角度而變化，實現連續(xù)轉動。 轉動控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉矩控制采用電流控制方式,兩者也成正比。 交流伺服電機 沒有電刷和換向器，無需維護；驅動電路復雜，價格高。 按結構分為同步和異步電電刷和換向器構成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉子的轉動角度而變化，實現連續(xù)轉動。 分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異步電機常采用電壓控制。 步進電機 直接用數字信號控制，與計算機接口簡單，沒有電刷，維護方便，壽命長。缺點是能量轉換效率低，易失步，過載能力弱。 按產生轉矩的方式可以分為:永磁式，反應式和混合式?；旌鲜侥墚a生較大轉矩，連續(xù)轉動。 永磁式是單向勵磁，精度高，但易失步，反應式；是雙向勵磁，輸出轉矩大，轉子過沖小，但效率低；混合式是單-雙向勵磁,分辨率高,運轉平穩(wěn)。 一般機器人用電機的基本性能要求: 1. 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行,具有良好的響應特性； 2. 正轉反轉時的特性相同,且運行特性穩(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)。 1）、 驅動輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機的特性、工作原理、控制方式以及移動機器人的移動性能要求、自身重量、傳動機構特點等因素，所以我們決定選用直流電機作為驅動電機。 直流電動機以其良好的線性調速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動態(tài)特性，一直占據著調速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動機(如交流變頻電動機、步進電動機等)的挑戰(zhàn)，但直流電動機仍然是許多調速控制電動機的最優(yōu)選擇，在生產、生活中有著廣泛的應用。 所需電機的功率計算： 機器人小車的受力簡圖如圖2-7所示： 機器人所需的牽引力： Fa=Ff + Fw ； Fa：機器人移動需要的牽引力 Fw=mgsinθ ； Fw：自身重力而產生的阻力 Ff=umgcosθ ； Ff：機器人移動所受摩擦力 圖2-7 機器人小車的受力簡圖 則有： Fa=mgsinθ + umgcosθ ； U-摩擦系數 θ-最大爬坡角度 則機器人在水平面上運動的功率為： P=Fa·V=0.15×3.0×9.8×1.5=6.61W 傳動裝置的總功率： η=η2G·η2B 按照文獻[14]中表2.1-1確定的各部分效率有：齒輪傳動效率：ηG=0.97；滑動軸承：ηB=0.97 代入得到： η=0.972×0.972=0.89 所需直流電機的最小功率： P=Pw/η=6.61/0.89=6.82W 通過以上的比較和計算,我們決定選用廣東德昌微電機公司生產的SRC-555-3250 型直流電動機其外觀如圖2-8所示，技術參數如表2-2。 圖2-8 電動機其外觀如圖 表2-2 直流電機技術參數表 空載 最大功率下 制動 型號 額定電壓 轉速 電流 轉速 電流 力矩 功率 力矩 功率 r/min A r/min A g·cm W g·cm W SRC-555-3250 12v CONS TANT 6100 0.24 5300 1.49 229 12.4 1650 9.20 2）、 轉向輪的電機通過對表2-1不同電機的特性、工作原理與控制方式的分析比較，為了滿足轉向系統(tǒng)轉動精度高，控制性能強，并且控制簡單容易實現的特點決定選用步進電機作為轉向機構驅動電機。 步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移(或線位移)的機電元件。對這種電機施加一個電脈沖后，其轉軸就轉過一個角度，稱為一步；脈沖數增加，角位移(或線位移)就隨之增加，脈沖頻率高。則步進電機旋轉速度就高，反之就低；分配脈沖的相序改變后，步進電機的轉向則隨之而變。步進電機的運動狀態(tài)和通常勻速旋轉的電動機有一定的差別，它是步進形式的運動，故也稱其為步進電動機。 步進電機的主要指標有： 相數:產生不同對極N, S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。 拍數:完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數：以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB,八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。 步距角:對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度(轉子齒數J*運行拍數)，以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360°/(50×4)=1.8°(俗稱整步)，八拍運行時步距角為θ=360°/(50×8)=0.9°(俗稱半步)。 定位轉矩:電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的)。 靜轉矩:電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積(幾何尺寸)的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 步距角精度:步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示:誤差/步距角×100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。 失步:電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數，稱之為失步。 失調角:轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。 最大空載起動頻率:電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 最大空載的運行頻率:電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。 運行矩頻特性:電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。 步進電機有其獨特的優(yōu)點，歸納起來主要有: 1. 步距值不受各種干擾因素的影響。簡而言之，轉子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率，而轉子運動的總位移量取決于總的脈沖個數。 2. 位移與輸入脈沖信號相對應，步距誤差不長期積累。因此可以組成結構較為簡單而又具有一定精度的開環(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. 可以用數字信號直接進行開環(huán)控制，整個結構簡單廉價。 4. 無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 5. 控制性能好。起動、停車、反轉及其他運行方式的改變，都在脈沖內完成，在一定的頻率范圍內運行時，任何運行方式會丟步。 6. 停止時有自鎖能力。 7. 步距角選擇范圍大，可在幾角分至180°大范圍內選擇。在小情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D距穩(wěn)定的運行。 通過比較各種指標和參數后，決定選用常州豐源公司生產的35BYHJ03減速步 進電機步進電機，自帶25:1的減速器。參數如表2-3所示: 表2-3 步進電機參數 步距角 θ ，° 相數 電壓 電流 電阻 減速比 空載運行頻率 F,pps 空載啟動頻率F,pps 啟動轉矩T,(g.cm) 鎖定轉矩T,(g.cm) 7.5/25 4 12 255 47 1/25 550 680 750 1400 2.2.4 減速機構的設計 直流電機輸出轉速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機構來降速，同時也提高了轉距。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對機器人的性能有著相當重要的作用。 齒輪傳動：工作可靠，使用壽命長；易于維護；瞬時傳動比為常數；傳動效率高；結構緊湊；功率和速度使用范圍很廣。缺點：制造復雜成本高；不宜用于軸間距的傳動。 結合本設計中機器人的要求，輸出轉矩大傳動效率高噪音小等條件，我們采用兩級齒輪傳動，減速比為15:1。電機軸直接作為輸入軸安裝主動齒輪，不是用聯軸器，既提高了精度又減輕了重量。輪轂和齒輪3安裝在同一根軸上，他們轉速相同。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，聯軸器相聯齒輪與車輪裝在同一個軸上，它們的轉速相同。 齒輪參數如下: 第一級減速：i1=3，m=3,z1=10，d1=30mm；z2=30，d2=90mm 第二級減速：i2=5，m=3,z3=10，d1=30mm；z4=50，d2=150mm 齒輪傳動的計算 設計中第一級齒輪傳動的齒輪強度計算： 齒面接觸疲勞強度計算 轉矩T1 T1=9.55×1000000×0.0124/1800=65.8 齒數ψd 由文獻[8]表12.13，取ψd=0.6 接觸疲勞極限 σHilm初步計算的許用接觸應力[σH] 由文獻[7]表1.7 [σH1]≈0.9σHilm1=0.9×25 [σH2]≈0.9σHilm2=0.9×25 σHilm1=25MPa σHilm2=25MPa Ad值 由文獻[7]取Ad=30 初步計算小齒輪直徑d1 =21.8mm 取d1=25mm 初步齒寬b b=ψd×d1=0.6×25=15mm 2.2.5 變速箱體、前車體及電池箱 變速箱體要求在保證足夠剛度的條件下，應盡量減輕車架的重量，以提高有效承載重量。其次，變速箱體應保證其它元件安裝上以后，能達到平衡、對稱和同軸。材料為ABS，厚度為6mm，軸承盒集成在箱體上，降低了制造難度。變速箱實物參考圖如圖2-9。 圖2-9 變速器實物參考圖 前車體是轉向機構零件的載體，其結構復雜，要求精度也高(特別是轉向節(jié)安放孔和電機支撐座等，要求同軸度和垂直度高，因此為了提高裝配精度，車體蓋和車體配合的螺栓孔采用了卯榫式設計，保證了裝配的精度）。 為簡化制造工序，提高車體的緊湊程度和牢固程度，將電池盒設計到前車體后部，并且盡量降低電池盒與地面間距，以降低機器人的重心高度。 為了保證運行時電池在和內的牢靠程度和降低噪聲，電池盒蓋內側附貼一薄層海綿。 控制電路容易受到電動機和驅動電路的影響,因此我們將控制電路板與驅動板并列排列見圖2-10，支腳的布局方式見圖2-11。 圖2-10 控制電路板與驅動板并列 圖2-11 前車體實物模型圖 2.2.6 后減震及前減震機構 為保護系統(tǒng)結構免受震動的損傷，和提高躍障能力，在變速箱與后車體間加一減震彈簧。它不但能緩沖震動，而且當機器人遇到低于100mm 的幛礙物，或者高低不平的路面時不至于被架空，其結構模型如圖2-12所示： 圖2-12 后減震結構模型圖 為保護系統(tǒng)結構免受震動的損傷，提高機器人在不平地面上的行走能力，在每個轉向節(jié)軸上加裝減震彈簧。它不但能緩沖震動，而且防止在特殊情況下機器人被架空。它與后減震配合工作效果更加明顯，工作原理與后減震類似。 2.2.7 車輪及輪轂 本設計中可選用機器人的運動方式為輪子方式，輪子方式可以提供多種排列方式，從而滿足不同情況需要，而且轉向容易，可以實現運動的精確控制，機構實現簡單。所以我們考慮到所設計機器人的工作環(huán)境和控制要求，我們選用了四輪方式。 選擇車輪需要考慮多種因素：有機器人的尺寸、重量、地形狀況、電機功率等。車重加負載重量為2kg—4.5kg,所以用質地堅硬且易于加工的聚苯乙烯作輪轂，采用不充氣的中空橡膠輪胎，其優(yōu)點在于不僅重量小而且橡膠與地面的附著系數大，保證了足夠的驅動能力，輪胎及輪轂UG參考圖如圖2-13。 圖2-13 輪胎及輪轂UG模型圖 其機構如圖2-13，其中輪胎直徑d=300mm,則車輪轉一圈移動的為： S=πd=3.14×0.3=0.942m 車輪最大轉速為： w1=w/i=5300/15=353.3r/min(電機轉速/轉動比) 則機器人的最大線速度為： V=sw1=0.942×353.3=332.8m/min=5.55m/s 機器人小車的受力簡圖如圖2-7 機器人所需的牽引力 Fa=Ff + Fw ； Fa-機器人移動所需的牽引力 Fw=mgsinθ ； Ff-機器人移動所受摩擦力 Ff=umgcosθ ； Fw-自身重 力而產生的阻力 則有： Fa=mgsinθ+umgcosθ； U-摩擦系數； θ-最大爬坡角度。 則機器人在水平面上的功率為： P=Fa×V=0.15×3×9.8×5.55=24.47w 其最大加速度為： a=Fa/m=0.15×3×9.8/8=0.55m/s2 前輪輪胎采用和后輪相同的結構和材料，輪轂的軸孔與軸相對滑動，所以要求較后輪精度高機,轉向節(jié)UG圖如圖2-14。 圖2-14 轉向節(jié)實物示意圖如圖 綜上所述，得到輪式機器人的技術參數如表2-4所示： 2-4 輪式機器人的技術參數 自由度數 2 電源 直流電源 運動方式 輪式 驅動方式 后輪驅動，前輪轉向 后輪驅動電機 直流電機 減速機構形式 齒輪傳動 前輪驅動電機 步進電機 控制方式 STC89LE52單片機 3 傳動機構、執(zhí)行機構的設計及受力分析 3.1 傳動機構 在本課題中我們?yōu)榱说玫椒€(wěn)定和承載能力強的系統(tǒng)結構，采用了兩后置驅動輪，轉向輪不作為驅動輪，只提供支撐和轉向作用。結構形式模仿普通機動車的一些結構，步進電機變速箱輸出軸連接撥叉，撥叉撥動左右轉向節(jié)連桿來實現轉向。為了消除傳動間隙和電機反轉死區(qū)，我們在機構中加裝了，兩個拉緊桿和一條拉緊彈簧，很大程度上消除了誤差。轉向傳動機構受力簡圖如圖3-1。 圖3-1 轉向傳動機構受力簡圖 3.2 執(zhí)行機構設計 執(zhí)行機構是移動機器人完成各種所需運動的機械部件。 傳統(tǒng)的機器人關節(jié)多由電機或液(氣)壓缸等來驅動。以這種方式來驅動關節(jié)，位置精度可以達到很高，但其剛度往往很大，實現關節(jié)的柔順運動較困難。而柔順性差的機器人在和人接觸的場合使用時，容易造成人身和環(huán)境的傷害。因此，在許多服務機器人或康復機器人研究中，確保機器人的關節(jié)具有一定的柔順性提高到了一個很重要的地位。 人類關節(jié)具有目前機器人所不具備的優(yōu)良特性，既可以實現較準確的位置控制又具有很好的柔順性。這種特性主要是由關節(jié)所采用的對抗性肌肉驅動方式所決定的。目前模仿生物關節(jié)的驅動方式在仿生機器人中得到越來越多的應用。在這種應用中為得到類似生物關節(jié)的良好特性，一般都采用具有類似生物肌肉特性的人工肌肉。 氣動機械手是集機械、電氣、氣動和控制于一體的典型機電一體化產品。近年來，機械手在自動化領域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環(huán)境內，與電動和液壓驅動的機械手相比，顯示出獨特的優(yōu)越性，得到了越來越廣泛的應用。 1）機械手的基本結構 本文所設計的機械手的結構如圖3-2： 1. 機架 2.氣動肌肉 3.第一肩關節(jié) 4.第二肩關節(jié) 5.機架臂 6.第三肩關節(jié) 7.大臂 8.肘關節(jié) 9.小臂 10.腕關節(jié) 11.氣爪 圖3-2 機械手的結構 氣動機械手主要由起固定支撐作用的機架、機械臂和氣爪三部分組成。氣動機械手能夠實現4個自由度（由于機構運動確定，因此機構的自由度等于機構的原動件數目，此機構有4個原動件，因此可得有4個自由度）的運動，其各自的自由度的驅動全部由氣動肌肉來實現。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅動實現各自關節(jié)的轉動，使物品在空間上運動，根據合理的控制，最終實現機械手的動作要求。驅動第一肩關節(jié)的運動有2根氣動肌肉組成，機架臂有4根氣動肌肉組成，大臂上安裝有4根氣動肌肉，小臂上安裝有4根氣動肌肉。 3.3 機器人受力分析及如何保證加速度最優(yōu) 本設計中輪型機器人采用四輪支撐，即兩后輪（驅動輪）和兩前輪（轉向輪）。為了增加車輪和地面的滑動摩擦系數，每個車輪的輪胎材料均為橡膠。滑動軸承和輪轂采用了具有自潤滑能力的塑料，摩擦力很小，可以忽略不計。采用這些結構，使小車具有一很好的運動性能。機器人小車受力如圖3-3所示： 圖3-3 小車受力圖 有如下關系: 滑動摩擦力： Fr=u·Ng  支撐反力: Ng=G-N G=m·g 水平方向受力: Fr=F F=m·a 以上關系可推出加速度: a=u（m·g-N）/m  從上式可以看出，由于小車質量m一定，若想增加加速度只有增加摩擦系數μ和減少支撐力N。由于輪型機器人活動場所在室內需要頻繁的更換速度，只有加速度大一些時，才能滿足機器人快速性、實時性要求。 在摩擦系數一定時，只有盡量減少支撐力N，加速度才能達到最大，這直接關系到小車重心的位置。小車的電池和后加負載是小車中比重較大者，在放置是應該盡量靠近后輪，這樣支撐力N就會減小，加速度在啟動時就能保持盡量大。通過計算機器人通過實驗驗證最優(yōu)加速度為3.92m/s左右。 4 輪式移動機構運動學分析 4.1 輪式式機器人的運動學建模 首先對四輪車輛的水平面運動進行研究．在整個分析過程中，將機器人建模成輪子上的一個剛體，運行在水平面上時，車輪與地面只有點接觸，輪子不可發(fā)生形變且是純滾動，不發(fā)生滑行、剎車等行為，忽略車輪外傾、側偏以及輪胎的影響。針對車式機器人的運動學建模，不能單一用后軸中點進行建模還應該取前軸或者其他參考點．這是因為車式機器人相對于普通機器人轉彎半徑較大，若不取多個參考點，不能完全體現它的運動情況。 圖4-1 四輪車式移動機器人的局部坐標系和全局坐標系 為了描述機器人在平面中的位置，建立全局坐標系XI OYI 和機器人局部坐標系XlOYl如圖3-1所示，選擇后軸中點Mr 作為局部坐標系的原點．在全局坐標系中，Mr 由（xr ，yr）確定，Mf（xf ，yf）為前軸中點坐標．在XlOYl中Mr 和Mf 的坐標關系為 （1） 全局和局部參考系之間的角度差為θ（θ為機器人的航向角），令 為機器人在全局參考系中的位姿．用正交旋轉矩陣R（θ）將全局參考系映射到局部參考系中，即ζR＝R（θ）ζI ，反之則有I ,式中： （2） 機器人局部坐標系如圖4-2所示,l 為軸距，ψ為車輪轉向角，d 為輪距，ICR(instantaneous center of rotation）為瞬時轉動中心。設Mr 、Mf 的瞬時轉彎半徑分別為ρr 、ρf。 圖4-2　機器人局部坐標系 機器人的整體速率為后輪速率vr ，沿著局部坐標系XR 正方向；vf 為前輪的速率，沿著輪子前進的方向，vr 與vf 的關系為vf ＝vr ／cosψ． (2) 　　 在Δt 時間內，后輪XR 正向前進分量為vt ｄt，YR方向無運動分量； 前輪XR 正方向前進分量為vf cosψｄt，YR 正方向前進分量為vf sinψｄt．若ψ不變，機器人瞬時沿著圓軌跡運動，瞬時前進的距離為Δs，則有ｄs ＝ρｄθ，如圖3所示．此時下式成立： Ρ.dθ ＝v· ｄt． （3） 圖4-3 機器人瞬時沿圓周運動 另外在直角三角形內有ρ＝l/tanφ，ρf=l/sinφ，從而可得ｄθ＝vr·ｄt/ρr ＝vr.tanφ/l ，即ｄθ/ｄt ＝tanφ/l vr ，同理可得ｄθ/ｄt ＝sinφ/l vf．此時ζRr＝［vr 　０　tanφ/l vr ］Ｔ ，ζRf＝[vf cosφ vf sinφ　sinφ/l vf ］Ｔ．Mr 在全局坐標系中的位置狀態(tài)方程 （4） 即 (5) Mf 在全局坐標系中的位置狀態(tài)方程為 (6) 即 (7) 將式(2)代入(7)得 (8) 此時，分別建立起Mr 和Mf 的狀態(tài)方程（5）和（8），都與θ、φ、vr 有關。 4.2 阿克曼約束的機器人運動模型 四輪車輛的理想模型中，實際上是將前面的２個輪子看成了一個輪子在運動，如圖3-4所示．在實際的車式移動機器人轉向過程中，為了使所有車輪都處于純滾動而無滑動，要求轉向軸內、外輪轉角之間符合阿克曼原理。令φ２ 為內輪的相對轉向角，φ１為外輪的相對轉向角．為了實現轉向時轉向車輪的純滾動，不發(fā)生橫向滑移，４ 個車輪應繞ＩＣＲ 轉動，并且內外輪轉角之間應該滿足式（9）： （9） 可以解得 （10） 圖4-4　基于阿克曼原理的機器人運動模型 設ρlf和ρrf分別為左右兩前輪的瞬時轉彎半徑，得ρlf＝l/SINφ１，ρrf＝l/SIN φ２．同理可得左右后輪的瞬時轉彎半徑ρlr ＝l ／tanφ＋d／２，ρrr ＝l/tanφ－d／２．定義內輪差Δρ＝ρlf－ρlr （左轉向時為Δρ＝ρrf－ρrr）。際運動過程中，轉向角φ保持不變時做圓周運動．在仿真過程中，φ取為時間t 的函數φ（t）．機器人運動的軌跡圖如圖3-17 所示，分別代表了前后輪軸中點的運動軌跡。 圖4-5 機器人的運動軌跡圖 圖4-6 中所示為虛擬轉向角φ與實際車輛轉向角φ１ 、φ２ 間的關系圖．φ１ 與φ２ 的變化趨勢較為一致，據式（9）可得cotφ１ －cotφ２ 的理論值為0.5556，實際仿真結果值為0.5505，誤差在可接受范圍內。 圖4-6　轉向角φ１、φ２ 、φ間的關系 圖4-7 反映了轉向角φ與航向角θ 的關系，航向角θ 大致可分為４ 個階段，如圖中Ａ、Ｂ、Ｃ 標記所示．初始階段隨著φ的變化θ 逐漸增大，當φ向相反方向逐漸變大時，θ 在點Ａ 處才開始逐漸變小．在Ａ-Ｂ 階段，φ的微小變化并沒有影響到整車運動的方向；到Ｂ-Ｃ 階段，θ 又隨著φ的反向開始變化．實驗有效地驗證了該運動模型符合實際機器人轉向角與航向角間的關系． 圖4-7　轉向角φ和航向角θ 5 輪式移動機器人的運動控制系統(tǒng)設計 5.1 控制系統(tǒng)硬件設計 運動控制器是移動機器人運動控制系統(tǒng)中的核心內容。目前，國內外運動控制器的種類和功能都在不斷豐富和發(fā)展，但總的情況是，國外的運動控控制器功能強，使用的技術也比較先進，但是價格相當昂貴，更重要的是這種運動控制器的使用方法不易為普通用戶所掌握，編程復雜，即使是專業(yè)人員也很難熟練掌握，這兩大不利因素限制了它的使用范圍，國內的運動控制器性能和質量總體來說跟國外的產品有一定的差距，或性能單一，或結構復雜，且同樣存在使用不便難以掌握的缺點。那么，能不能設計一種結構簡單，成本又低，使用和維護方便的運動控制器呢？這正是本節(jié)所嘗試解決的問題。在本文中，考慮到機器人小車本體結構的情況和目前移動機器人控制技術的發(fā)展狀況，采用主從式結構的控制系統(tǒng)，即由上位機完成復雜計算，將處理后的數據傳遞給下位機，由下位機完成對小車本體的控制； 該系統(tǒng)設計的輪式移動機器人機械導航結構采用四輪差速轉向式的機械機構如圖5-1所示，前面兩個輪是轉向輪，后面兩個輪是驅動輪，由兩臺獨立的直流電機驅動，分別控制兩個驅動輪的轉速，可使機器人按照不同方向和速度移動，運動靈活，可控性好。機器人的主要運動狀態(tài)有直線運動（前進、后退）、左右轉彎、原地零半徑轉彎（360°轉向）等。因而，有效地降低了成本。該控制器器通過串口與上位機通信，這樣，就簡化了控制器與上位機的連接，但不妨礙充分利用上位機的有關軟件資源。運動控制系統(tǒng)硬件結構如圖5-2所示。 圖5-1 移動機器人的底盤系統(tǒng) 圖5-2 控制器硬件結構框圖 控制器單元的選型： 移動機器入運動控制系統(tǒng)的核心是微控制器，作為機器人控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，選擇一個什么樣的微控制器對于機器人小車的性能、控制系統(tǒng)的設計方式有很大的影響，應具體分析控制系統(tǒng)的特征和要求進行微控制器的選擇，應以運算速度、功能、兼容性、整個移動機器人系統(tǒng)的結構、通信方式及通信速率、電機控制方式、ROM及RAM的大小為依據來選擇合適的微控制器。目前微控制器主要有數字信號處理器DSP、現場