0222-輪式移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計,輪式,移動,挪動,機器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計 一、畢業(yè)設(shè)計（論文）依據(jù)及研究意義： 隨著機器人技術(shù)在外星探索、野外考察、軍事、安全等全新的領(lǐng)域得到日益廣泛的采用，機器人技術(shù)由室內(nèi)走向室外，由固定、人工的環(huán)境走向移動、非人工的環(huán)境。移動機器人已經(jīng)成為機器人研究領(lǐng)域的一個重要分支。在軍事、危險操作和服務(wù)業(yè)等許多場合得到應(yīng)用，需要機器人以無線方式實時接受控制命令，以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動。其中輪式機器人由于具有機構(gòu)簡單、活動靈活等特點尤為受到青睞。按照移動特性又可將移動機器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動機構(gòu)的類型也很多，對于一般的輪式移動機構(gòu)，都不能進(jìn)行任意的定位和定向，而全方位移動機構(gòu)則可以利用車輪所具有的定位和定向功能，實現(xiàn)可在二維平面上從當(dāng)前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地穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時候，全方位移動機構(gòu)可以對自己的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。由于全方位輪移動機構(gòu)具有一般輪式移動機構(gòu)無法取代的獨特特性，對于研究移動機器人的自由行走具有重要意義，成為機器人移動機構(gòu)的發(fā)展趨勢?；谝陨纤?，本文從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計一種帶有機械手臂的全方位運動機器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運動，運動靈活，機械手臂使之能夠執(zhí)行預(yù)定的操作。本文是機器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。 二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 2.1 國外全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 國外很多研究機構(gòu)開展了全方位移動機器人的研制工作，在車輪設(shè)計制造，機器人上輪子的配置方案，以及機器人的運動學(xué)分析等方面，進(jìn)行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動機器人產(chǎn)品。這方面日本、美國和德國處于領(lǐng)先地位。八十年代初期，美國在DARPA的支持下，卡內(nèi)基· 梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校開展了自主移動車輛的研究，NASA下屬的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也開展了這方面的研究。CMU機器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機器人代表了室外移動機器人的發(fā)展方向。德國聯(lián)邦國防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀(jì)九十年代研制成VaMoRs-P移動機器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括：4個小型彩色CCD攝像機，構(gòu)成兩 組主動式雙目視覺系統(tǒng)；3個慣性線性加速度計和角度變化傳感器。SONY公司1999年推出的寵物機器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾，而且摔倒后可以立即爬起來。本田公司1997年研制的Honda P3類人機器人代表雙足步行機器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米，工作時間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/小時。 國外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進(jìn)行介紹。 麥克納姆輪，如圖 1.1 所示，它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構(gòu)成， 輪子和滾子之間的夾角為 Y，通常夾角 Y 為 45°，每個輪子具有三個自由度，第一個是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動，第二個是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動，第三個是繞輪子和地面的接觸點轉(zhuǎn)動。輪子由電機驅(qū)動，其余兩個自由度自由運動。由三個或三個以上的 Mecanum 輪可以構(gòu)成全方位移動機器人。 圖1.2 麥克納姆輪應(yīng)用 正交輪，由兩個形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架，固定在一個共同的殼體上構(gòu)成，如圖 1.3 所示.每個球形輪子架有2個自由度，即繞輪子架的電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動。兩個輪子架的轉(zhuǎn)動軸方向相同，由一個電機驅(qū)動，兩個輪子的軸線方向相互垂直，因而稱為正交輪。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所所研制的全方位移動機器人采用了這種結(jié)構(gòu)，如圖1.4。 圖1.3 正交輪 圖1.4 正交輪的應(yīng)用 球輪由一個滾動球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅(qū)動滾子固定在一個可以繞球體中心轉(zhuǎn)動的支架上，如圖 1.6 所示。每個球輪上的驅(qū)動滾子由一個電機驅(qū)動，使球輪繞驅(qū)動滾子所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動，同時可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動。 圖1.5 球 輪 圖1.6 球輪的應(yīng)用 偏心萬向輪，如圖 1.7 所示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運動方式，輪子在滾動和換向過程中同地面的接觸點不變，因而在運動過程中不會使機器人振動，同時明顯減少了機器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。 圖1.7偏心萬向輪 圖1.8 偏心萬向輪的應(yīng)用 2.2 國內(nèi)全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 我國在移動機器人方面的研究工作起步較晚，上世紀(jì)八十年代末，國家863計劃自動化領(lǐng)域自動機器人主題確立立項，開始了這方面的研究。在國防科工委和國家863計劃的資助下，由國防科大、清華大學(xué)等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動機器人7B.8,并于1995年 12月通過驗收。7B.8的車體是由躍進(jìn)客車改進(jìn)而成,車上有二維彩色攝像機、三維激光雷達(dá)、超聲傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式機構(gòu)為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h。避障速度達(dá)到5-10km/h。 上海大學(xué)研制了一種全方位越障爬壁機器人,針對清洗壁面作業(yè)對機器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動機構(gòu)—車輪組機構(gòu),該機構(gòu)保證機器人可在保持姿態(tài)不變的前提下,沿壁面任意方向直線移動,或在原地任意角度旋轉(zhuǎn),同時能跨越存在于機器人運行中的障礙,不需要復(fù)雜的輔助機構(gòu)來實現(xiàn)平面上運動和越障運動之間轉(zhuǎn)換。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動式作業(yè)型智能服務(wù)機器人，并對課題當(dāng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如新型全方位移動機構(gòu)、七自由 度機器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術(shù)，最后給出了移動機器人的系統(tǒng)控制方案。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆國榮，張海兵研究一種新型全方位輪式移動機構(gòu)，這種全方位移動機構(gòu)當(dāng)中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于：這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直，則輪子主動的滾動和從動的橫向滑移之間將是真正相互獨立的；輪子正常轉(zhuǎn)動時，輪緣上的小滾子也將是純滾動，如圖1.9。 圖1.9 全方位移動機構(gòu)仿真圖 三、研究內(nèi)容及實驗方案 本課題從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計一種全向運動機器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運動，運動靈活。本課題是機器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。本文研究內(nèi)容主要有：了解和分析已有的機器人移動平臺的工作原理和結(jié)構(gòu)，以及分析操作手臂常用的結(jié)構(gòu)和工作原理，對比它們的優(yōu)劣點。在這些基礎(chǔ)上提出可行性方案，并選擇最佳方案來設(shè)計。根據(jù)選定的方案對帶有機械臂的全方位移動機器人進(jìn)行本體設(shè)計，包括全方位車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計、車輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計和機器人操作臂的設(shè)計。要求全方位移動機構(gòu)轉(zhuǎn)向、移動靈活，可以快速、有效的到達(dá)指定地點；機械臂操作范圍廣、運動靈活、結(jié)構(gòu)簡單緊湊且尺寸小，可以快速、準(zhǔn)確的完成指定工作。設(shè)計完成后要分析全方位移動機構(gòu)的性能，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。 四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度 1.緒論和全向移動機器人移動結(jié)構(gòu)設(shè)計 3周 2.機器人的機械手臂設(shè)計 3周 3.機械材料的選擇和零件的校核 3周 4.外文資料翻譯（不少于6000字） 1周 5.畢業(yè)論文整理及答辯準(zhǔn)備 2周 五．參考文獻(xiàn) 1.孫恒等主編。機械原理（第六版）。高等教育出版社，2011 2.馬香峰主編。工業(yè)機器人的操作機設(shè)計。冶金工業(yè)出版社，1996 3.宗光華 張慧慧譯。機器人設(shè)計與控制。科學(xué)出版社，2004 4.李志尊。UG NX CAD基礎(chǔ)應(yīng)用與范例解析【M】。機械工業(yè)出版社，2004 5.楊靜宇．多傳感器集成與信息融合．機器人情報，1994(1)：1～9 6.夏德深傅德勝現(xiàn)代圖像處理技術(shù)與應(yīng)用東南大學(xué)出版社2001，84～112 7.劉進(jìn)長, 王全福. 發(fā)展機器人技術(shù), 占領(lǐng)21 世紀(jì)的經(jīng)濟技術(shù)制高點. 中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 31 (中國2000 年機器人學(xué)大會論文專輯,長沙, 2000- 10- 23～ 26).2000, 10- 14 8.蔡自興. 機器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略. 中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000, 31 (中國2000 年機器人學(xué)大會論文專輯, 長沙, 2000- 10-23～ 26) : 1- 9 9.張鐵，謝存禧主編.機器人學(xué)，第一版，華南理工大學(xué)出版社，2001，9、45-47 10.吳廣玉，姜復(fù)興主編.機器人工程導(dǎo)論，第一版，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988 11.熊有倫，丁漢，劉恩滄主編，機器人學(xué)，第一版，機械工業(yè)出版社，1993 12.崔正昀主編.機械設(shè)計基礎(chǔ)，第一版，天津大學(xué)出版社，2000，221-224、322-323、412-424、457-475 13.賈名著主編.工程力學(xué)，第一版，天津大學(xué)出版社，1998，48-57 14.廖念釗主編.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)，第三版，2002，11-19 15.孟憲員源，姜琪主編.機構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用，第一版，機械工業(yè)出版社，2004，43、145-146、274、151-152、607-609 16.談欣柏主編.大學(xué)物理，第一版，天津大學(xué)出版社，2000，2-22 17.成大先主編.機械設(shè)計手冊，第一版，化學(xué)工業(yè)出版社，2005，76-84、99-141，157-160 18.加騰一郎主編.機械手圖冊，第一版，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979，50、59、78-79、97、160-176 19.宗光華等編著.機器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐，第一版，北京航空航天大學(xué)出版社，2004，25-35、138-150 20.卜炎主編.中國機械設(shè)計大典—機械零部件設(shè)計，第一版，江西科技出版社，2002 6