探測機器人系統(tǒng)的設計,探測,機器人,系統(tǒng),設計 探測機器人系統(tǒng)的設計 開題報告 班級（學號）：機0405-18 姓名：王亮 指導老師： 王會香 一、綜述 1.課題研究的目的和意義 出于重要的戰(zhàn)略意義，資源領域已成為各科技強國相互競爭的一個焦點，出于安全性等因素的考慮，對探測機器人的研究設計也成為了開發(fā)資源的重要硬件之一，探測機器人可以幫助人類完成一些不能完成的任務，其應用范圍很廣，有幾下幾方面： 1）行星探測移動機器人 行星探測移動機器人的研究對于發(fā)展行星科學、提高國防能力、提高國家的國際地位等方面均有重要意義，因為:①移動機器人是行星科學研究中著陸探測和取回樣品到實驗室分析的有力工具。②人類在太空中停留數(shù)月之久會嚴重丟失鈣和磷，這似乎意味著人類不可能在重力為零的狀態(tài)下飛行6一9個月或更長一點時間。但機器人不存在這個問題。因此，行星探測移動機器人的研究是對行星進行長期實地考察的需要。③大大節(jié)省探測成本。以月球探測為例，根據(jù)粗略的估計，一次有人駕駛的飛行所花費的錢要比無人駕駛飛行多50一100倍。因此，光就科學上的探索來說，用機器人執(zhí)行無人駕駛飛行任務是合算的。④有利于提高國家國防自動化的水平和國際地位。因此，行星探測移動機器人的研究受到世界各國的高度重視。[6] 2）海洋探測機器人 海洋探測機器人人已經(jīng)廣泛應用于海洋開發(fā)的許多領域，隨著海洋開發(fā)的不斷深入，續(xù)航力大、探測范圍廣、能執(zhí)行多種復雜任務的大型機器人需求也越來越大。主要用于海洋石油開發(fā)、海底管道光纜巡查檢修以及其他各種復雜任務。為了使機器人能更好的完成指定任務，水下機器人的運動性能預報就成為了一個重要的研究課題。[1] 3）油井故障探惻機器人 探測儀器的送進是油田上測井、修井等井下作業(yè)中的一項重要技術。[3] 4) 履帶式井下探測機器人 中國作為世界產(chǎn)煤大國，也是世界煤礦事故高發(fā)國家，需要非常重視煤礦生產(chǎn)的安全。這種探測機器人可在災害發(fā)生前對隱患進行準確及時的檢測與預防，災后進行施救等重要的危險任務。[5] 關于探測機器人應用范圍比我們想象的要廣泛的多，在軍事方面，已經(jīng)研究出了反坦克雷探測機器人；還有醫(yī)學探測機器人等。 2006年，中國政府制定的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》和《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，將發(fā)展航天事業(yè)置于重要地位。根據(jù)上述兩個規(guī)劃綱要，中國政府制定了新的航天事業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確了未來五年及稍長一段時期的發(fā)展目標和主要任務。按照這一發(fā)展規(guī)劃，國家將啟動并繼續(xù)實施載人航天、月球探測、高分辨率對地觀測系統(tǒng)、新一代運載火箭等重大航天科技工程，以及一批重點領域的優(yōu)先項目，加強基礎研究，超前部署和發(fā)展航天領域的若干前沿技術，加快航天科技的進步和創(chuàng)新。要發(fā)展航空事業(yè)，對月球進行探索，那么研究設計探測機器人是必不可少的過程。 2.課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1）在行星探測機器人的研制方面，美國和俄羅斯處于世界領先地位。從20世紀60年代開始，美、蘇向月球以及金、火、水、木、土等星球發(fā)射了許多探測器。格林威治時間1997年7月4日17時07分，美國國家航空航天局困ASA)發(fā)射的火星探路者號宇宙飛船成功地在火星表面著陸。探路者登陸器上帶有各種儀器及“索杰納”火星車團。這是上世紀自動化技術最高成就之一。[6] 日本對機器人的設計也處于領先地位。日本京都大學科研人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型機器人,能在強烈地震發(fā)生后到廢墟中探測被埋人員。還專門進行了實用演示。這種機器人外表象是一條粗大的節(jié)足昆蟲,長1·43 m,由7節(jié)組成,有人的小腿一般粗細,每節(jié)周身都纏滿縱向履帶。它可以在遙控下從瓦礫的夾縫中蜿蜒穿行,裝在頭部的攝像機鏡頭會隨時傳輸觀察到的影像和搜集到的聲音,從而供控制者判斷里面是否有需要救助的存活人員。 未來的空間探測任務要求機器人系統(tǒng)能夠在預先未知或非結(jié)構化的環(huán)境中執(zhí)行變化的任務，機器人移動平臺應具備良好的幾何通過性、越障性、抗傾覆性、行駛平順性、牽引控制特性和能耗特性?；诓煌脑砗托阅軅?cè)重點，國內(nèi)外提出并試驗了多種類型的空間探測機器人移動機構。 2）探測機器人移動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下: (1)輪腿式，履腿式等復合型結(jié)構的移動機器人是一個研制方向. (2)由于航天器技術、尺寸、質(zhì)量和費用的限制,微小型行星探測機器人是目前發(fā)展的主流. (3)由于通信時延和微重力作用的緣故,中低速移動機器人是研制的主流. (4)機械結(jié)構設計與控制方案相結(jié)合是研制靈活可靠的行星探測機器人的設計方向.[6] 3）設計探測機器人所面臨的問題 盡管國內(nèi)外已經(jīng)研制出了輪式、腿式、輪腿式、履帶式和其它特殊形式的移動機器人,但到目前為止,無論國內(nèi)還是國外,同時具備以下性能的移動機器人還沒有出現(xiàn):(1)能跨越大于輪子直徑的壕溝和高于輪子半徑的臺階;(2機器人陷入軟土壤中時,能自動脫離軟土壤區(qū),恢復正常的行駛能力;(3)整機的可密封性和可壓縮性良好;(4)克服傾翻對機器人行駛能力的不良影響;(5)行駛的高速高效性;(6)容積可進行擴充，而這些又是行星探測等領域移動機器人運動系統(tǒng)所應具備的重要性能,因此,研制出新型的、綜合性能更好的行星探測機器人是行星探測機器人移動系統(tǒng)研究中有待解決的問題之一[6]. 二、研究內(nèi)容 本文以研制履帶便攜式抗摔機器人為目標，采用模塊化設計，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時候方便更換和添加其他模塊，具有良好的機動性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。該機器人的最大優(yōu)點是具有良好的越障性能、環(huán)境適應性能、防摔抗沖擊性能并具備全地形通過能力。 其研究內(nèi)容具體如下： 1、 研究探測機器人系統(tǒng)的設計原則。 依據(jù)運動學原理，對機器人進行性能指標分析，動態(tài)分析，使機器人能夠自適應路面，即具有抗傾覆性、爬坡性能、越障性能、跨溝性能等功能。 2、 確定探測機器人的移動方式，并對整個探測機器人的整體進行規(guī)劃設計。 1）移動方式的確定 2）總體結(jié)構設計 3）傳動系統(tǒng)設計 3、對探測機器人系統(tǒng)的硬件設計，繪制機械圖。 4、給出移動控制系統(tǒng)的設計方案。 1）選擇傳感器 2）控制系統(tǒng) 3）驅(qū)動器的選擇 目標：掌握探測機器人系統(tǒng)的設計原則，從實際應用環(huán)境出發(fā)確定機器人的移動方式，選用合理的目標監(jiān)測手段，來實現(xiàn)探測目的。 三、實現(xiàn)方法及其預期目標 1、總體結(jié)構設計 本設計的探測機器人由四個模塊構成，即底盤運動模塊、電源及驅(qū)動模塊、傳感器模塊、控制計算機模塊。大體結(jié)構如圖1-1 控制計算機模塊 傳感器模塊 電源驅(qū)動模塊 底盤運動模塊 圖1-1機器人的總體結(jié)構 2、 移動機構分析 便攜式機器人按移動方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進移動式、 混合移動式、蛇行移動式等，各種移動方式的機動性能對比如表1-1 表1-1 車輪式、輪、履、腿式移動機構性能比較： 移動機構方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 機構復雜程度 簡單 一般 復雜 能耗量 小 較小 大 機構控制難易程度 易 一般 復雜 很明顯，履帶式移動機構的性能居于輪式和腿式移動機構之間，在地面適應性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構地面適應性能好，在復雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面以及溝壑等，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)。 運動原理： 3、 移動控制系統(tǒng)的設計 一個在實際工作中的機器人，他的運動由驅(qū)動器系統(tǒng)實現(xiàn)，任務的具體執(zhí)行有終端機具完成。在執(zhí)行任務的過程中，感覺系統(tǒng)將內(nèi)感受和外感受的信息反饋給控制系統(tǒng)，有控制系統(tǒng)對整個機器人的活動作決策和付諸實施。系統(tǒng)的控制部分的工作方式要適合于執(zhí)行的任務。采用某一種工作方式，例如，人進行的干預很少---自由方式；人的干預很多---手動方式；斷斷續(xù)續(xù)干預---監(jiān)督管理方式等，都要按任務的需求而定。 在控制機器人執(zhí)行任務過程中涉及三方面： 信息---機器人自身及環(huán)境的信息。他們來自感覺系統(tǒng)即感知的機器人自身狀態(tài)。 決定---產(chǎn)生執(zhí)行任務的行動方式，任務的程序設計。 行動---控制信號的產(chǎn)生和實施。 如圖1-2 所示 人 決定 行動（控制） 信息（感覺） 環(huán)境 操作部分 控制部分 圖1-2 控制系統(tǒng)結(jié)構圖 依據(jù)上述要求所需，考慮一下幾個方面： 1） 選擇傳感器 首先，機器人的傳感器就像人體上的感覺器官，它可以探測到周圍的環(huán)境，然后經(jīng)過綜合性的測量、計算，對他的行為進行選擇判斷。其中，視覺是最重要的，因為，即使只有視覺的時候，也能根據(jù)看到的進行前行或是改變行為方式，但如果失去了視覺，即使其他的感覺功能都存在，也很難判斷周圍的環(huán)境，很難對行為方式進行判斷。所以首先應選擇視覺傳感器。 其次，視覺傳感器也有他的局限性，實現(xiàn)視覺的功能是需要光的，如果在晚間執(zhí)行任務時就很難實現(xiàn)其功能，為更好的使機器人完成認為，再加一個超聲波傳感器。 2） 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是指機器人的信息處理裝置，在本設計項目中，選擇數(shù)字電子計算機。這是一個依據(jù)事先和事后的信息而產(chǎn)生對機器人的控制命令的系統(tǒng)。信息主要來自人---機對話和感覺系統(tǒng)。機器人執(zhí)行任務前。在計算機重要貯存好一個運動模型，一個環(huán)境模型，一些與執(zhí)行任務有關的數(shù)據(jù)及一定數(shù)量的執(zhí)行任務的策略和算法，在執(zhí)行任務過程中，計算機接受來自傳感器的機器人目前狀態(tài)的信息和涉及到目前包括工作對象在內(nèi)的環(huán)境狀況的信息。依據(jù)上述的所有數(shù)字模型，原始數(shù)據(jù)，感受的信息，利用控制策略和算法，以及過去執(zhí)行任務的經(jīng)驗等，計算機產(chǎn)生一個對機器人的控制命令。 3）驅(qū)動裝置的選擇 按照能源的不同 ，可分為液動，氣動，電動三大類。電驅(qū)動器由于電能易于獲取，容易傳輸，沒有污垢，易于維修等優(yōu)點而被廣泛采用。在機器人使用的電驅(qū)動器中，步進電機與數(shù)字電子計算機的結(jié)合上，表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。所以驅(qū)動裝置選擇步進電機。 4軟件組成　 　 硬件只是計算機控制系統(tǒng)的軀體；而軟件則是計算機控制系統(tǒng)的大腦和靈魂，是人的思維與系統(tǒng)硬件之間的橋梁。軟件的優(yōu)劣關系到計算機控制系統(tǒng)正常運行、硬件功能的發(fā)揮以及控制性能的優(yōu)劣等。用以具體實施有關功能的算法是以軟件包的形式貯存在機器人的計算機系統(tǒng)中。為了控制機器人執(zhí)行任務，在操作員與機器人之間進行信息交換是必須的，這樣做旨在使機器人按操作員的意圖進行工作，完成任務。本設計采用VC語言. 四、對進度的具體安排 1. 第1-3周 實習調(diào)研基本結(jié)束； 2. 第4周 撰寫并提交調(diào)研報告和開題報告； 3. 第5-6周 制定探測移動機器人的設計原則； 4．第7周 確立機器人的移動方式； 5. 第8-12周 設計機器人系統(tǒng)的機械結(jié)構； 6. 第13-14周 設計控制方案及監(jiān)測手段； 7．第15-16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評審并修改畢業(yè)論文； 8．第17周 完成畢業(yè)答辯 五、參考文獻 1、劉曉峰：海洋探測機器人操縱性及仿真研究 哈爾濱工業(yè)大學 2007.1 2、尚建忠 羅自榮 張新訪 范大鵬：基于構型組合的空間探測機器人移動機構設計* 3、邵守君：基于虛擬樣機的石抽井故障探惻機器人研究 2007.3 4、賀鑫元 馬書根 李斌 王越超：可重構星球探測機器人的機構設計 機械工程報2005、12 5、柴匯：履帶式井下探測機器人底層控制系統(tǒng)研究與設計 2007、5 6、劉方湖 陳建平 馬培蓀 曹志奎：行星探測機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2002、5 7、陳芳允：月球探測機器人移動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 井岡山學院學報 2006、8 8、吳芳美：機器人控制基礎 中國鐵道出版社 9、孫樹棟：工業(yè)機器人技術基礎 北京工業(yè)大學出版社 2006、12 10、為海底探測提供數(shù)據(jù)日本加強深海探測 督導老師： 年 月 日 領導小組審查意見： 年 月 日 審查人簽字： 年 月 日