輪式移動(dòng)機(jī)器人課程設(shè)計(jì) (2)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　課程名稱(chēng) </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) </p><p>　　學(xué) 號(hào) 姓 名

2、</p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　輪式移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的一個(gè)重要的分支，也是進(jìn)一步擴(kuò)展機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的重

3、要研究發(fā)展方向。自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，人們廣泛開(kāi)展了對(duì)機(jī)器人移動(dòng)功能的研制和開(kāi)發(fā)，為適應(yīng)各種工作環(huán)境的不同要求而開(kāi)發(fā)出各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中全方位輪可以實(shí)現(xiàn)高精確定位、原地調(diào)整姿態(tài)和二維平面上任意連續(xù)軌跡的運(yùn)動(dòng)，具有一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法取代的獨(dú)特特性，對(duì)于研究移動(dòng)機(jī)器人的自由行走具有重要愈義。</p><p>　　本文主要是介紹了技術(shù)較為成熟的麥克納姆全方位輪的運(yùn)動(dòng)原理結(jié)構(gòu)，分析了由四個(gè)麥克納姆輪全方位輪組成的全向

4、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)原理。 并將其運(yùn)用到輪腿復(fù)合式的機(jī)器人身上，使機(jī)器人移動(dòng)能力更強(qiáng)。設(shè)計(jì)的主要方面包括（1）</p><p>　　移動(dòng)方式的選擇；（2）機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；（3）機(jī)器人移動(dòng)原理的分析；（4）對(duì)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 輪式移動(dòng)機(jī)器人，輪腿復(fù)合式，四足</p><p><b>　　目 錄</b>

5、</p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　1 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況1</p><p>　　1.1 機(jī)器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域1</p><p>　　1.1.1 機(jī)器人的研究意義1</p><p>　　1.1.2 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域2</p><

6、;p>　　1.2 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況2</p><p>　　1.2.1 移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)發(fā)展概況2</p><p>　　1.2.2 移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)外發(fā)展概況3</p><p>　　2 輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.1.1移動(dòng)方式

7、的選擇6</p><p>　　2.1.2機(jī)器人移動(dòng)原理構(gòu)想6</p><p>　　2.1.3機(jī)器人輪子的選擇7</p><p>　　2.1.4機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.2輪式移動(dòng)機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)9</p><p>　　3 輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)9</p><p>

8、;　　3.1 控制系統(tǒng)硬件選型與配置10</p><p>　　3.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型10</p><p>　　3.1.2 伺服電機(jī)的選型11</p><p>　　3.1.3 輪轂電機(jī)的選型11</p><p>　　3.2 輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)框架14</p><p>　　4 結(jié)論和總結(jié)17</p

9、><p><b>　　5 致謝19</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)20</b></p><p>　　1 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況 </p><p>　　1.1 機(jī)器人研究意義及應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)的研究活動(dòng)領(lǐng)域已由陸地?cái)U(kuò)展到海底

10、和空間。利用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行空間探測(cè)和開(kāi)發(fā)，己成為21世紀(jì)世界各主要科技發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)發(fā)空間資源的主要手段之一。研究和發(fā)展月球探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，對(duì)包括移動(dòng)機(jī)器人在內(nèi)的相關(guān)前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。 </p><p>　　1.1.1 機(jī)器人的研究意義</p><p>　　“機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)將成為和汽車(chē)、電腦并駕齊驅(qū)的主干產(chǎn)業(yè)?！睆凝嫶蟮墓I(yè)機(jī)器人到微觀的納米機(jī)器人，從代表尖端技

11、術(shù)的仿人型機(jī)器人到孩子們喜愛(ài)的寵物機(jī)器人，機(jī)器人正在日益走近我們的生活，成為人類(lèi)最親密的伙伴。機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化在中國(guó)具有一定的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)和廣闊的市場(chǎng)前景。</p><p>　　機(jī)器人研究以科技含量高、學(xué)科跨度寬、參與面廣和展示性強(qiáng)等特點(diǎn)在國(guó)際上有著很強(qiáng)的影響力。它涉及人工智能、圖像處理、通訊傳感、精密機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制等多領(lǐng)域的前沿研究和技術(shù)集成。目前已經(jīng)形成了一個(gè)國(guó)際聯(lián)盟的人工智能和機(jī)器人項(xiàng)目開(kāi)發(fā)目標(biāo)，被世界各國(guó)科

12、研機(jī)構(gòu)和眾多高等院校所重視。全球化的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)也給商家?guī)?lái)了豐厚的利潤(rùn)回報(bào)。國(guó)內(nèi)的教育和科研機(jī)構(gòu)也日益關(guān)注機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展，有關(guān)科研工作在深度和規(guī)模上逐漸提高，清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)等著名高校基本形成了完整的課程體系，對(duì)推動(dòng)高校的科技創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研一體化產(chǎn)生了積極作用，也為提高我國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域的國(guó)際地位作出了積極貢獻(xiàn)。</p><p>　　開(kāi)展機(jī)器人研究和參與各項(xiàng)競(jìng)賽活動(dòng)，旨在進(jìn)一步加強(qiáng)未成年人思想道德教育，提

13、高廣大青少年的科學(xué)素養(yǎng)，發(fā)展自身潛能，引導(dǎo)更多的大中小學(xué)生關(guān)注科技、熱愛(ài)科技、走進(jìn)科技，涌現(xiàn)出更多的未來(lái)科學(xué)家和未來(lái)工程師。在積極推進(jìn)基礎(chǔ)教育和高等教育改革的過(guò)程中，滲透科學(xué)技術(shù)教育，努力培養(yǎng)大中小學(xué)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，造就適應(yīng)21 世紀(jì)全球科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的新一代。</p><p>　　機(jī)器人研究不但能吸引一大批電子信息產(chǎn)業(yè)制造商、銷(xiāo)售商、金融投資機(jī)構(gòu)和技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)提供產(chǎn)品和服務(wù)，而且還促進(jìn)了知名科研機(jī)

14、構(gòu)、高等院校與高科技企業(yè)的合作交流，共同發(fā)展。通過(guò)大賽期間舉辦學(xué)術(shù)研討等活動(dòng)，眾多專(zhuān)家學(xué)者齊聚一堂，探討我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展出謀獻(xiàn)策，領(lǐng)銜助跑。</p><p>　　1.1.2 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)的研究活動(dòng)領(lǐng)域已由陸地?cái)U(kuò)展到海底和空間。利用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行空間探測(cè)和開(kāi)發(fā)，己成為21世紀(jì)世界各主要科技發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)發(fā)空間資源

15、的主要手段之一。研究和發(fā)展月球探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，對(duì)包括移動(dòng)機(jī)器人在內(nèi)的相關(guān)前沿技術(shù)的研究將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠通過(guò)傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。近年來(lái)，由于移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天和人類(lèi)生活的各個(gè)方面顯示了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景，使得它成為了國(guó)際機(jī)器人學(xué)的研究熱點(diǎn)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，

16、以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。目前，移動(dòng)機(jī)器人特別是自主機(jī)器人已成為機(jī)器人技術(shù)中一個(gè)于分活躍的研究領(lǐng)域[1]。</p><p>　　1.2 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況</p><p>　　1.2.1 移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)發(fā)展概況</p><p>　　機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展從無(wú)到有

17、，從低級(jí)到高級(jí)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷深入發(fā)展。移動(dòng)式機(jī)器人特別是自主式移動(dòng)機(jī)器人已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的中心之一。</p><p>　　移動(dòng)式機(jī)器人的研究現(xiàn)狀主要體現(xiàn)在四個(gè)方面。一是機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)。目前根據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人感知、決策、行為等功能的不同分為分層遞階結(jié)構(gòu)、行為系統(tǒng)、黑板系統(tǒng)三種體系結(jié)構(gòu)。二是信息感知，這主要來(lái)源于傳感器。目前移動(dòng)式機(jī)器人主要使用的傳感器有聲納、紅外、激光掃描、攝像機(jī)和陀螺等，主要采用多傳

18、感器融合的技術(shù)來(lái)獲得信息。三是移動(dòng)機(jī)器人的控制。目前移動(dòng)式機(jī)器人主要應(yīng)用基于機(jī)器人幾何中心或輪軸線(xiàn)中心的時(shí)間微分方程的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建模，應(yīng)用推算航行法與外部傳感器獲得的信息進(jìn)行融合的方式定位，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和容錯(cuò)能力對(duì)移動(dòng)式機(jī)器人控制和基于規(guī)則的模糊控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。四是路徑規(guī)劃，這是導(dǎo)致機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的關(guān)鍵。根據(jù)規(guī)劃時(shí)所利用的信息的不同路徑規(guī)劃可分為基于模型的規(guī)劃和基于情形的規(guī)劃。</p><p>　　

19、移動(dòng)式機(jī)器人的未來(lái)是朝著智能化，情感化發(fā)展的，影響移動(dòng)式機(jī)器人發(fā)展的主要因素有：導(dǎo)航與定位，多傳感器信息的融合，多機(jī)器人協(xié)調(diào)與控制策略等。</p><p>　　中國(guó)與國(guó)外相比，目前還存在一定的差距，雖然掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，但可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距。中國(guó)的智能機(jī)器

20、人和特種機(jī)器人也取得了不少成果。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步。隨著社會(huì)文明程度的提高，對(duì)機(jī)器人的要求也會(huì)越來(lái)越高。中國(guó)要做好充分的準(zhǔn)備迎接新的技術(shù)挑戰(zhàn)。</p><p>　　1.2.2 移動(dòng)機(jī)器人的國(guó)外發(fā)展概況</p><p>　　美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)曾預(yù)言 : “ 20 世紀(jì)的核心武器是坦克 ,21 世

21、紀(jì)的核心武器是無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng) , 其中2000 年以后遙控地面無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊(duì) ,并走向戰(zhàn)場(chǎng)” 。 為此 , 從 80 年代開(kāi)始 , 美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局 (DARPA) 專(zhuān)門(mén)立項(xiàng) , 制定了地面天人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。 從此 , 在全世界掀開(kāi)了全面研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕 , 如 DARPA 的 “戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)” 計(jì)劃中的自主地面車(chē)輛 (ALV) 計(jì)劃 (1983 — 1990) , 能源部制訂的為期 10 年的機(jī)器人和智能系

22、統(tǒng)計(jì)劃 (RIPS) (1986 —1995) , 以及后來(lái)的空間機(jī)器人計(jì)劃 ; 日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計(jì)劃 ; 歐洲尤里卡中的機(jī)器人計(jì)劃等。</p><p>　　初期的研究 , 主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理 , 并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。 雖然由于 80 年代對(duì)機(jī)器人的智能行為期望過(guò)高 , 導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果 , 但卻帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 , 為探討人類(lèi)研制智

23、能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗(yàn) , 同時(shí) , 也推動(dòng)了其它國(guó)家對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)。 進(jìn)入 90 年代 , 隨著技術(shù)的進(jìn)步 , 移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上 , 開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域 , 向?qū)嵱没M(jìn)軍。</p><p>　　由美國(guó) NASA 資助研制的 “丹蒂 II ” 八足行走機(jī)器人 , 是一個(gè)能提供對(duì)高移動(dòng)性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)器人 。 它與其他機(jī)器人 , 如NavLab , 不同之處是它于

24、1994 年在斯珀火山的火山口中進(jìn)行了成功的演示 , 雖然在返回時(shí) , 在一陡峭的、 泥濘的路上 , 失去了穩(wěn)定性 , 倒向了一邊 , 但作為指定的探險(xiǎn)任務(wù)早己完成。 其它機(jī)器人在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 , 都需要人參與或支持。 丹蒂計(jì)劃的主要目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)在充滿(mǎn)碎片的月球或其它星球的表面進(jìn)行探索而提供一種機(jī)器人解決方案。美國(guó) NASA 研制的火星探測(cè)機(jī)器人索杰那于 1997年登上火星 , 這一事件向全世界進(jìn)行了報(bào)道。 為了在火星上進(jìn)行長(zhǎng)距離探險(xiǎn)

25、 , 又開(kāi)始了新一代樣機(jī)的研制 , 命名為 Rocky7, 并在 Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　德國(guó)研制了一種輪椅機(jī)器人 , 并在烏爾姆市中心車(chē)站的客流高峰期的環(huán)境和 1998 年漢諾威工業(yè)商品博覽會(huì)的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)表演。 該輪椅機(jī)器人在公共場(chǎng)所擁擠的、 有大量乘客的環(huán)境中 , 進(jìn)行了超過(guò) 36 個(gè)小時(shí)的考驗(yàn) , 所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機(jī)器人或

26、移動(dòng)機(jī)器人所不可比的。 這種輪椅機(jī)器人是在一個(gè)商業(yè)輪椅的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　從最早出現(xiàn)的機(jī)器人到現(xiàn)在涌現(xiàn)出的形態(tài)各異的移動(dòng)小車(chē)，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式層出不窮，以美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和日本為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)研制出了多種復(fù)雜奇特的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)，有的已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化和商業(yè)化階段[2] [3]。面對(duì)21世紀(jì)深空探測(cè)的挑戰(zhàn)，對(duì)各種自主系統(tǒng)的研制是必須的，而移動(dòng)機(jī)構(gòu)又是各種自主系統(tǒng)的最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。<

27、;/p><p>　　已經(jīng)出現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有履帶式、腿式和輪式，其中以輪式的效率最高，但其適應(yīng)能力相對(duì)較差，而腿式的適應(yīng)能力最強(qiáng)但其效率最低[4]。</p><p>　　履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道卷繞在若干車(chē)輪外，使車(chē)輪不直接與地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平。它具有良好的穩(wěn)定性能、越障能力和較長(zhǎng)的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行使。但由于沉重的履帶和繁多的驅(qū)動(dòng)輪使得

28、整體機(jī)構(gòu)笨重，消耗的功率也相對(duì)較大[5]。</p><p>　　腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)基本上是模仿人或動(dòng)物的下肢機(jī)構(gòu)形態(tài)而制成的。因其出色的地面適應(yīng)能力和越野能力，曾經(jīng)得到很多機(jī)器人專(zhuān)家的廣泛重視，在其開(kāi)發(fā)和研制上投入了大量的時(shí)間和精力，也取得了較大的成果。從移動(dòng)的方式上來(lái)看，腿式移動(dòng)機(jī)器人可分為兩種:動(dòng)態(tài)行走機(jī)器人和靜態(tài)行走機(jī)器人。根據(jù)腿的數(shù)量又可進(jìn)行分類(lèi)，如四腿移動(dòng)機(jī)器人六腿移動(dòng)機(jī)器人。腿式機(jī)器人雖然具有較強(qiáng)的越野能力

29、，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)控制的難度較大，而且移動(dòng)速度較慢[6]。</p><p>　　輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車(chē)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)。但隨著各種各樣的車(chē)輪底盤(pán)的出現(xiàn)，如日本NASDA的六輪柔性底盤(pán)月球漫游車(chē)LRTV，俄羅斯TRANSMASH的六輪三體柔性框架移動(dòng)機(jī)器人Marsokohod，美國(guó)CMU的六輪三體柔性機(jī)器人Robby系列以及美國(guó)JPL

30、的六輪搖臂懸吊式行星漫游車(chē)Rocky系列，已使輪式機(jī)器人越野能力大大增加，可以和腿式機(jī)器人相媲美。于是人們對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來(lái)，特別是最近日本開(kāi)發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的五點(diǎn)支撐懸吊結(jié)構(gòu)Micros，其卓越的越野能力較腿式機(jī)器人有過(guò)之而不及[6-8]。</p><p>　　輪式結(jié)構(gòu)按輪的數(shù)量分可分為二輪機(jī)構(gòu)、三輪機(jī)構(gòu)、四輪機(jī)構(gòu)、六輪以及多輪機(jī)構(gòu)。二輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是在靜止和低速時(shí)非常

31、不穩(wěn)定。三輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組成容易，旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動(dòng)輪的直線(xiàn)上，可以實(shí)現(xiàn)零回轉(zhuǎn)半徑。四輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性基本上與三輪機(jī)構(gòu)相同，由于增加了一個(gè)支撐輪，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。以上幾種輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是它們所有的輪子在行駛過(guò)程中，只能固定在一個(gè)平面上，不能作上下調(diào)整，因此，地面適用能力差。一般的六輪機(jī)構(gòu)主要就是為了提高移動(dòng)機(jī)器人的地面適應(yīng)能力而在其結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)，增加了搖臂結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人在行駛過(guò)程中，其輪子可以根據(jù)地形高低作上下調(diào)整，從

32、而提高了移動(dòng)機(jī)器人的越野能力[9]。</p><p>　　2 輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　已經(jīng)出現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有履帶式、腿式和輪式，其中以輪式的效率最高，但其適應(yīng)能力相對(duì)較差，而腿式的適應(yīng)能力最強(qiáng)但其效率最低。式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在救災(zāi)機(jī)器人中是最為普通的運(yùn)動(dòng)方式，輪式機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)

33、簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)速度快、能源利用率高的、機(jī)動(dòng)性好強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時(shí)間短和工作效率高等優(yōu)勢(shì)。控制的角度看，編程簡(jiǎn)單并有較高的可靠性，每個(gè)輪子都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。與履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，當(dāng)跨越不平坦地形時(shí)，輪式機(jī)器人有著固有的不足，限制了其運(yùn)動(dòng)能力，其穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴(lài)于環(huán)境本身的狀況，對(duì)于進(jìn)入復(fù)雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存在嚴(yán)重的困難。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結(jié)構(gòu)存在著一定的局

34、限性，只能在相對(duì)平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面(如沼澤、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面環(huán)境采用一些預(yù)防措施來(lái)緩解該類(lèi)情況的出現(xiàn)，如采用不同種類(lèi)的款式輪胎以提高其越野能力，象沙漠車(chē)輛、山地車(chē)輛等。</p><p>　　2.1.1移動(dòng)方式的選擇</p><p>　　現(xiàn)在主流的移動(dòng)方式基本是輪式，腿式，和履帶式，但由于其各有各的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，現(xiàn)在的科學(xué)家越來(lái)越追求

35、綜合性能的提高。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車(chē)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)。而腿式移動(dòng)結(jié)構(gòu)雖然有很好的越野能力，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低等缺點(diǎn)。對(duì)于履帶式主要是由于沉重的履帶和繁多的驅(qū)動(dòng)輪使得整體機(jī)構(gòu)笨重，消耗的功率也相對(duì)較大。</p><p>　　針對(duì)本次設(shè)計(jì)的環(huán)境主要是人為環(huán)境，地勢(shì)較平坦，但也需要對(duì)臺(tái)階、樓梯等障礙物進(jìn)行考慮，所以我打算設(shè)計(jì)輪腿結(jié)合式的移

36、動(dòng)方式，在平坦的道路利用輪式結(jié)構(gòu)效率高，迅速等優(yōu)點(diǎn)，在需要上臺(tái)階，上樓梯等地方采用腿式結(jié)構(gòu)進(jìn)行越障。由于機(jī)器人中含腿式結(jié)構(gòu)且需要上臺(tái)階和爬樓梯所以采用四腿結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)殡m然對(duì)于臺(tái)階就算是輪式結(jié)構(gòu)也能滿(mǎn)足要求，但是對(duì)于爬樓梯輪式結(jié)構(gòu)就不行了，所以需要腿式結(jié)構(gòu)的存在，生活中樓梯隨處可見(jiàn)，如果要使機(jī)器人有較好的環(huán)境適應(yīng)能力，上樓梯是必須要克服的。我決定選擇四輪腿式結(jié)構(gòu)，而基本結(jié)構(gòu)如圖2.1。中間為機(jī)器人主體，里面有機(jī)器人的控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)上肢轉(zhuǎn)

37、動(dòng)的電機(jī)，四肢末端為輪胎，機(jī)器人每條腿都分為上肢和下肢，中間為關(guān)節(jié)，下肢可繞其轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　圖2.1機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.2機(jī)器人移動(dòng)原理構(gòu)想</p><p>　　由于環(huán)境較好，基本屬于平坦地面，故主要移動(dòng)方式為輪式移動(dòng)，在需要上臺(tái)階或樓梯是才使用腿式結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)橥仁浇Y(jié)構(gòu)效率較低，只在必須使用腿式結(jié)構(gòu)的時(shí)候才使用，這樣既能提高機(jī)

38、器人的移動(dòng)效率，也能是機(jī)器人有較好的越障能力。在平路上的移動(dòng)原理將在2.1.3節(jié)講述，對(duì)于上臺(tái)階與爬樓梯的原理基本相同，故我只說(shuō)明我對(duì)爬樓梯的移動(dòng)原理的構(gòu)想。</p><p>　　首先是要在機(jī)器人機(jī)身上安裝傳感器，使其能夠感應(yīng)到前面的障礙物樓梯，然后就是爬樓梯的過(guò)程。在準(zhǔn)備爬樓梯的時(shí)候，首先要把輪子上的剎車(chē)系統(tǒng)啟動(dòng)，是輪子不能轉(zhuǎn)動(dòng)。然后爬樓梯的過(guò)程如同人走樓梯一樣，先輪流上前腳，等前腳站穩(wěn)，再輪流上后腳。<

39、/p><p>　　2.1.3機(jī)器人輪子的選擇</p><p>　　現(xiàn)在市面上的輪子有很多，有標(biāo)準(zhǔn)輪，小腳輪，麥克納姆輪，球形輪，正交輪等。我決定選用麥克納姆輪，因?yàn)樗芎芎玫南蚋鱾€(gè)方向移動(dòng)且沒(méi)有球形輪那么難控制，而且現(xiàn)在麥克納姆輪的制作也比較成熟，下面是麥克納姆輪的原理與協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)原理：</p><p>　　麥克納姆外形像一個(gè)斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形輥?zhàn)?，輥?zhàn)拥妮S線(xiàn)與

40、輪的軸線(xiàn)成α角度。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了三個(gè)自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)虞S線(xiàn)垂線(xiàn)方向的平動(dòng)和繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，驅(qū)動(dòng)輪在一個(gè)方向上具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，另外一個(gè)方向也具有自由移動(dòng)（被動(dòng)移動(dòng)）的運(yùn)動(dòng)特性。輪子的圓周不是由普通的輪胎組成，而是分布了許多小滾筒，這些滾筒的軸線(xiàn)與輪子的圓周相切，并且滾筒能自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，車(chē)輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動(dòng)軸的方向前進(jìn)，同時(shí)車(chē)輪周邊的輥?zhàn)友刂涓髯缘妮S線(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)。

41、 圖2.2為采用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的車(chē)輪組合情況，輪中的小斜線(xiàn)表示觸地輥?zhàn)拥妮S線(xiàn)方向。每個(gè)全方位輪都由一臺(tái)直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)四個(gè)全方位輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向適當(dāng)組合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在平面上三自由度的全方位移動(dòng)。4個(gè)全方位輪組成的機(jī)器人底座的力分析如圖，其中 為輪子滾動(dòng)時(shí)小輥?zhàn)邮艿捷S向的摩擦力； 為小輥?zhàn)幼鰪膭?dòng)滾動(dòng)時(shí)受到的滾動(dòng)摩擦力；ω為各輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。</p><p>　　2.1.4機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)</p&

42、gt;<p>　　我設(shè)計(jì)的腿部分為上肢和下肢兩個(gè)部分，上肢連接著機(jī)器人的主體和下肢，下肢連接著輪胎，由于要使機(jī)器人腿能夠滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)要求，所以還需在上肢與機(jī)器人主體連接處設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)節(jié)，一個(gè)使腿部結(jié)構(gòu)能在機(jī)器人側(cè)面平面旋轉(zhuǎn)360度，如圖2.4所示。而且由于要控制轉(zhuǎn)動(dòng)和其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度故需要在上肢與下肢關(guān)節(jié)處安裝小型電機(jī)，所以要留出空間安裝電機(jī)和線(xiàn)路。</p><p><b>　　圖 2.3</

43、b></p><p>　　對(duì)于下肢部分，由于麥克納姆輪可以進(jìn)行全方位的移動(dòng)，故不需要加入關(guān)節(jié)，但需要加入剎車(chē)系統(tǒng)，以保證及時(shí)停車(chē)和在使用腿部功能時(shí)不發(fā)生滾動(dòng)，同時(shí)在下肢與輪胎連接處設(shè)計(jì)平臺(tái)安放電機(jī)，使其驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)輪胎對(duì)應(yīng)一個(gè)電機(jī)，這樣才能通過(guò)改變每個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)速來(lái)控制方向等復(fù)雜的移動(dòng)。</p><p>　　下肢除了像上肢一樣的結(jié)構(gòu)外，多加了兩個(gè)在旁邊的箱體結(jié)構(gòu)，并且下部分較寬大

44、是用來(lái)與輪胎相連。上面的箱體是用力啊裝一個(gè)小型電機(jī)，通過(guò)下肢上端兩個(gè)同軸的孔與一根軸相連，來(lái)控制下肢繞上肢的轉(zhuǎn)動(dòng)，而箱體的旁邊上端的孔是用來(lái)通過(guò)電線(xiàn)。下面的箱體是存放控制輪胎的電機(jī)，右邊有用來(lái)安放齒輪的空間和通孔來(lái)固定齒輪。下肢兩個(gè)豎直的同軸孔也是用來(lái)通過(guò)電線(xiàn)的。下肢總長(zhǎng)約1米，下肢主體寬度約20厘米。</p><p>　　2.2輪式移動(dòng)機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)</p><p>　　主體結(jié)構(gòu)為機(jī)器人

45、的主要結(jié)構(gòu)，里面包括了控制系統(tǒng)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及一些傳感器，傳感器包括有紅外傳感器，壓敏傳感器，聲音傳感器等用來(lái)充當(dāng)機(jī)器人的眼睛、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)功能。結(jié)構(gòu)主要為一箱體結(jié)構(gòu)，里面按需要放置電機(jī)及系統(tǒng)硬件。我構(gòu)想的主體結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。</p><p><b>　　圖 2.4</b></p><p>　　圖2.4中整個(gè)主體是沒(méi)有加上任何傳感器和裝置的外殼，四個(gè)小箱體是安放控

46、制上肢的電機(jī)，旁邊的孔是用來(lái)通過(guò)電線(xiàn)的，大箱體中間是安放控制系統(tǒng)的電板。在整個(gè)零配件都安放好以后可在上方添加一塊板用來(lái)保護(hù)內(nèi)部元件。按照我的設(shè)想，在這個(gè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上可以在主體上方添加其他功能。主體長(zhǎng)1.5米寬0.5米高0.3米。</p><p>　　3 輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)</p><p>　　由于本次研究主要內(nèi)容為機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且在大學(xué)階段沒(méi)有對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，使得我不能對(duì)機(jī)器

47、人的控制系統(tǒng)做出設(shè)計(jì)，以下僅僅是我參考別人的設(shè)計(jì)并對(duì)我的機(jī)器人控制系統(tǒng)的想法。</p><p>　　3.1 控制系統(tǒng)硬件選型與配置</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)精確地完成各項(xiàng)任務(wù)起著重要作用，有時(shí)也可作為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制器。構(gòu)成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要素有:計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、傳感器系統(tǒng)。</p><

48、;p>　　3.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)HB）。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角

49、度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下：</p><p><b>　　(1)控制換相順序</b></p><p>　　通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。&

50、lt;/p><p>　　(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向</p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。</p><p>　　(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度</p><p>　　如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻

51、率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是依靠有序的步進(jìn)脈沖運(yùn)動(dòng)的，利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)是非常適合的。整個(gè)系統(tǒng)包含PIC16F877，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L298和步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)是單片機(jī)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。PIC16f877單片機(jī)的作用是接受命令，完成相應(yīng)的功能，并作為脈沖邏輯分配器，輸出步進(jìn)電機(jī)所需要的時(shí)序脈沖。步進(jìn)電機(jī)可以向任意方向旋轉(zhuǎn)和停止，實(shí)現(xiàn)了所謂“位置控制”的動(dòng)作。每個(gè)輸入脈沖決定

52、了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。步進(jìn)電機(jī)只是根據(jù)輸入脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)和停止，適合于位置控制，把運(yùn)動(dòng)所必需的脈沖數(shù)，以動(dòng)作所需要的速度輸入給電機(jī)，就能夠正確的控制位置而運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一個(gè)電子裝置進(jìn)行控制，這個(gè)裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制脈沖信號(hào)的頻率可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)整；控制脈沖數(shù)可以對(duì)電機(jī)精確定位。選擇步進(jìn)電機(jī)為移

53、動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)。上層系統(tǒng)計(jì)算移動(dòng)機(jī)器人的角度和距離等信息傳給下層系統(tǒng)，通過(guò)分析得到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算等到輪子的步數(shù)等。完成軟件的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的預(yù)期控移動(dòng)機(jī)器人的兩個(gè)重要部分（視覺(jué)處理和運(yùn)動(dòng)控制）。</p><p>　　3.1.2 伺服電機(jī)的選型</p><p>　　所有的主控制功能是微處理器，驅(qū)動(dòng)為DA模擬轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生一個(gè)模擬扭矩需求信號(hào)。從這個(gè)角度上，這臺(tái)機(jī)器非常很像一

54、個(gè)模擬伺服放大器。反饋的信息是來(lái)自隸屬該電機(jī)軸的一個(gè)編碼器。編碼器生成脈沖流可確定傳輸路程，并通過(guò)計(jì)算脈沖頻率，是可以測(cè)定轉(zhuǎn)速的。</p><p>　　數(shù)碼驅(qū)動(dòng)通過(guò)求解一系列的方程式，履行同樣類(lèi)似的功能。微處理器是與數(shù)學(xué)模型（或“算法"）的等效的編程模擬系統(tǒng)。這模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為。它響應(yīng)一個(gè)給定輸入的信號(hào)并產(chǎn)生速度。它同樣也考慮到額外信息如輸出速度，速率轉(zhuǎn)變中的投入和各種調(diào)校設(shè)定。解決所有方程需數(shù)額需有

55、限的時(shí)間，即使是一個(gè)快速的處理器一次處理通常也是100ms和2ms之間。在此之間，在改變輸入或輸出，先前的計(jì)算值將有沒(méi)有回應(yīng)時(shí)，扭矩要求必須保持恒定。因此更新時(shí)間成為數(shù)字伺服和一臺(tái)高性能系統(tǒng)關(guān)鍵的因素，它必須保持及時(shí)更新[4]。調(diào)試數(shù)字伺服電機(jī)可按鈕或從一個(gè)計(jì)算機(jī)或終端調(diào)試。電位器調(diào)整是涉及的。調(diào)試數(shù)據(jù)是設(shè)置在伺服算法的各種系數(shù)，因此，它決定了系統(tǒng)的性能。即使如果調(diào)諧進(jìn)行使用按鈕，終值也可以上傳到終端，讓其進(jìn)行簡(jiǎn)單的重復(fù)。</p&

56、gt;<p>　　在某些應(yīng)用中，因負(fù)載慣量各異，例如一個(gè)機(jī)器手臂卸載后又帶有沉重的負(fù)荷。改變慣性可能是一個(gè)系數(shù)為20或以上，而這樣的變化需要該驅(qū)動(dòng)器重新調(diào)整，以保持其穩(wěn)定。這只不過(guò)是在操作系統(tǒng)的適當(dāng)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送新的調(diào)試參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　3.1.3 輪轂電機(jī)的選型</p><p>　　圖3-2為輪子的示意圖，設(shè)移動(dòng)機(jī)器人與跟蹤物體的原始距離為，上層系統(tǒng)傳送移動(dòng)機(jī)

57、器人與跟蹤物體的距離為，則移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的距離為L(zhǎng)=-。設(shè)計(jì)選用步進(jìn)角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)。</p><p><b>　　輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為：</b></p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)位：</b></p><p>　　當(dāng)=時(shí)，機(jī)器人不運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　圖

58、3-3為移動(dòng)機(jī)器人直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)示意圖，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人的上層傳達(dá)一個(gè)角度為a=0°時(shí)，在直角坐標(biāo)系上，沒(méi)有往X軸上有分量，移動(dòng)機(jī)器人則直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)L>0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)L<0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人后退。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，左輪和右輪保持相同的速度運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向[5]。則輪子移動(dòng)的距離就是移動(dòng)機(jī)器人與跟蹤物體的距離。則步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)位：</p><p>　　圖3-4為機(jī)器人前進(jìn)并轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)示意圖，當(dāng)機(jī)器人

59、上層系統(tǒng)傳送“機(jī)器人旋轉(zhuǎn)a°和L>0”的命令時(shí)，則移動(dòng)機(jī)器人從X1-Y1坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)到X2-Y2坐標(biāo)系。</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人先完成轉(zhuǎn)彎在進(jìn)行前進(jìn)。在轉(zhuǎn)彎時(shí)，從圖可知左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為反轉(zhuǎn)。輪子移動(dòng)的距離為：</p><p>　　則輪子移動(dòng)的角度為：</p><p>　　則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)為：</p><p>　　

60、轉(zhuǎn)彎完成后，移動(dòng)機(jī)器人為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為正轉(zhuǎn)。公式參考4-3.</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)左轉(zhuǎn)和后退轉(zhuǎn)彎時(shí)，我們可以參照前進(jìn)右轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)算。</p><p>　　對(duì)本類(lèi)移動(dòng)機(jī)器人的控制就是通過(guò)控制算法求出輪子的步速，通過(guò)改變單片機(jī)輸出的脈沖波，完成對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的底層控制。</p><p>　　3.2 輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)框架</p>

61、<p>　　移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的任務(wù)根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人所要完成的功能以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成機(jī)器人的工作目標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)由機(jī)器人所要達(dá)到的功能、機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)和機(jī)器人的控制方式?jīng)Q定的。</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)精確地完成各項(xiàng)任務(wù)起著重要作用，有時(shí)也可作為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制器[10]。構(gòu)成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要素有:計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟

62、件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、傳感器系統(tǒng)，它們之間的關(guān)系如圖1.1所示[11]。</p><p>　　圖3.5機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成要素</p><p>　　機(jī)器人控制系統(tǒng)一般要滿(mǎn)足一下幾個(gè)基本要求:</p><p>　　(1)制系統(tǒng)的小型化、輕型化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。由于機(jī)器人控制系統(tǒng)是放置于機(jī)器人本體上的，為了方便安裝和連接，要求控制系統(tǒng)盡可能小型化;同日寸要求控制系統(tǒng)

63、盡可能做到輕型化，這樣可以減輕機(jī)器負(fù)載，減少系統(tǒng)的功耗;另外，為了系統(tǒng)口常的維護(hù)目_具有良好的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)盡可能的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化；</p><p>　　(2)有良好的可靠性。由于干擾信號(hào)會(huì)影響機(jī)器人的正常工作，因此要考慮軟硬件任務(wù)的分配和選擇接地、隔離、屏蔽以及工藝性等方面的因素；</p><p>　　(3)系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的基本要求，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中首要和基本的問(wèn)題是實(shí)

64、現(xiàn)穩(wěn)定的行走。</p><p>　　根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合本機(jī)器人的系統(tǒng)功能和特點(diǎn)，按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，提出了機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。如下圖所示:</p><p>　　控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　該方案是以ATmega128芯片為核心，分模塊化設(shè)計(jì)，各子模塊功能為:</p><p>　　(1)微處理器模塊:

65、是控制系統(tǒng)的核心，包括微控制器及其相關(guān)外圍電路主要進(jìn)行各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預(yù)定的任務(wù)；</p><p>　　(2)驅(qū)動(dòng)模塊:控制機(jī)器人系統(tǒng)中的舵機(jī)和傳感器模塊預(yù)定的任務(wù);實(shí)現(xiàn)舵機(jī)速度和位置的控制，完成前進(jìn)、后退、直行、轉(zhuǎn)彎、避障、抓取等動(dòng)作；</p><p>　　(3)傳感器模塊:有速度、位置、距離、聲音等傳感器，主要負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中的障礙物、聲音等檢測(cè);

66、</p><p>　　(4)電源模塊:負(fù)責(zé)整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的電源供給，使系統(tǒng)能離線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，主要由12V蓄電池及相關(guān)調(diào)壓穩(wěn)壓電路組成；</p><p>　　(5)串口通信模塊:根據(jù)RS232通信標(biāo)準(zhǔn)與上位機(jī)進(jìn)行串口通信;</p><p>　　(6)JTAG調(diào)試:可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)編程、調(diào)試仿真。</p><p>　　控制系統(tǒng)的總體方案確定之后，就要進(jìn)行系

67、統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)[20]。</p><p>　　圖3.6 控制系統(tǒng)總體方案</p><p>　　我的機(jī)器人每個(gè)腿部共有三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別控制了上肢的轉(zhuǎn)動(dòng)，下肢繞上肢轉(zhuǎn)動(dòng)，和輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)器人是輪腿結(jié)合的，所以在使用足式移動(dòng)時(shí)，需將輪胎剎住，不能讓其轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)每個(gè)AX-12舵機(jī)都能控制角度，所以可以使腿部的轉(zhuǎn)動(dòng)完全受控制，不會(huì)受重力或慣性影響。</p><

68、;p>　　我的機(jī)器人最長(zhǎng)可達(dá)2米的樣子，最高可達(dá)1.3米左右，在使用輪式移動(dòng)時(shí)，根據(jù)環(huán)境條件來(lái)控制機(jī)器人的高度和長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行移動(dòng)。對(duì)于臺(tái)階及樓梯則采用足式移動(dòng)，對(duì)于臺(tái)階，首先機(jī)器人重心要稍偏低，然后先抬起一只前腳上臺(tái)階，等站穩(wěn)后在上另一只前腳，之后再向前走一小短距離，這里通過(guò)紅外感應(yīng)來(lái)測(cè)距，決定前進(jìn)多少之后再開(kāi)始抬起一只后腳上臺(tái)階，最后是另一只后腳上臺(tái)階。對(duì)于上樓梯，過(guò)程差不多只不過(guò)由于樓梯寬度只比輪胎大一些所以沒(méi)有上完前腳再往前走

69、的那一步，而是接著上后腳，當(dāng)然上樓梯時(shí)機(jī)器人的角度要把握好防止機(jī)器人摔下樓梯。爬樓梯過(guò)程圖應(yīng)像圖4.4和圖4.5所示：</p><p>　　圖3.4機(jī)器人以協(xié)調(diào)步態(tài)爬越樓梯</p><p>　　圖3.7機(jī)器人樓梯爬越實(shí)驗(yàn)[18]</p><p>　　在避障和選擇路線(xiàn)上我的想法是這樣的，機(jī)器人系統(tǒng)可以通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)量周?chē)h(huán)境，并對(duì)環(huán)境建立三維模型，然后通過(guò)對(duì)環(huán)境的分析

70、來(lái)選擇路線(xiàn)，然后再經(jīng)過(guò)多少的距離就重新對(duì)環(huán)境建模來(lái)及時(shí)更新環(huán)境模型選擇路線(xiàn)和動(dòng)作，之前不久的模型也要同時(shí)進(jìn)行考慮，這樣就能夠很好的完成任務(wù)。以我現(xiàn)在的知識(shí)，我覺(jué)得人很難把機(jī)器人系統(tǒng)做的能像人腦一樣進(jìn)行思考，所以就很難做出完全符合要求的機(jī)器人。但是要做出能完成某項(xiàng)任務(wù)的機(jī)器人我覺(jué)得還是很可行的，所以我們要不斷在這方面進(jìn)行研究，以期望做出更有能力的機(jī)器人。</p><p><b>　　4 結(jié)論和總結(jié)<

71、/b></p><p>　　我的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)我閱讀一些關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)出了一種輪腿結(jié)合式的移動(dòng)機(jī)器人，它有較好的越障能力。設(shè)計(jì)主要完成了一下內(nèi)容：</p><p>　　根據(jù)自己的想法和對(duì)一些資料的研究，選擇了四足的輪腿式移動(dòng)方式，并對(duì)其移動(dòng)原理進(jìn)行了分析。</p><p>　　靠自己不成熟的想法設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并完成了零件的3維圖形和3維裝配圖

72、。</p><p>　　對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，里面還有諸多問(wèn)題沒(méi)有解決。</p><p>　　在對(duì)移動(dòng)方式的選擇上我首先就選擇了麥克納姆輪，因?yàn)辂溈思{姆輪工藝已經(jīng)比較成熟，而且能全方位移動(dòng)。然后對(duì)其原理進(jìn)行了闡述。接著是機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)重要的腿部結(jié)構(gòu)，然后是主體部分，這個(gè)過(guò)程都是運(yùn)用UG7.5來(lái)完成的。之后對(duì)電機(jī)類(lèi)型進(jìn)行選擇，最終選擇了舵機(jī)，因?yàn)槠鋬?yōu)秀的功能。在對(duì)

73、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于自身知識(shí)的匱乏，我查閱了許多資料，最終簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的框架，并沒(méi)有對(duì)內(nèi)部指令等進(jìn)行編輯。希望以后能夠?qū)W習(xí)此方面的知識(shí)。</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的功能和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功能設(shè)計(jì)主要完成控制功能和算法的軟件設(shè)計(jì)，而體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是功能在硬件上的實(shí)現(xiàn)[12]。根據(jù)面向的任務(wù)和環(huán)境不同，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也不同。目前機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在主要問(wèn)題有

74、:系統(tǒng)局限于專(zhuān)用微處理器、專(zhuān)用機(jī)器人語(yǔ)言，開(kāi)放性差;軟件結(jié)構(gòu)依賴(lài)于微處理器硬件，難以在不同系統(tǒng)間移植;擴(kuò)展性差。針對(duì)這些不足，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下要求:</p><p>　　(1)開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用開(kāi)放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便擴(kuò)充功能，使其適用于不同目的的科研需求;</p><p>　　(2)合理的模塊化設(shè)計(jì)。硬件根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，不僅方便

75、安裝和維護(hù)，而且提高系統(tǒng)的可靠性;軟件按功能分成不同模塊，便于修改、添加;</p><p>　　(3)實(shí)時(shí)性、多任務(wù)要求?？刂破鞅仨毮茉诖_定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外部中斷的處理，并且可以多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行;</p><p>　　(4)網(wǎng)絡(luò)通信功能，便于資源共享和多機(jī)器人協(xié)同;</p><p>　　(5)具有一定智能，能根據(jù)實(shí)際情況判斷和決策，如給定速度突變或在合理范圍之外時(shí)的處

76、理、對(duì)故障的自動(dòng)診斷等[1]。</p><p>　　我的心得也就這么多了，總之，不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的的確覺(jué)得困難比較多，真是萬(wàn)事開(kāi)頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺(jué)。此外，還得出一個(gè)結(jié)論：知識(shí)必須通過(guò)應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。 </p><p>　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我通過(guò)查閱有關(guān)

77、資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹(shù)立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。</p><p>

78、<b>　　5 致謝</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)一個(gè)星期的奮戰(zhàn)我的課程設(shè)計(jì)終于完成了。在沒(méi)有做課程設(shè)計(jì)以前覺(jué)得課程設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過(guò)這次做課程設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，

79、有點(diǎn)眼高手低。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。 </p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽(tīng)聽(tīng)不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí)，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲了，在這段時(shí)間中我所做的工作是比

80、較膚淺的，由于該設(shè)計(jì)與常規(guī)機(jī)械有所不同，這也使我的設(shè)計(jì)顯得有所欠缺，設(shè)計(jì)過(guò)程中也遇到了不少的問(wèn)題，在關(guān)鍵問(wèn)題上，老師給了我很大的幫助和指導(dǎo)，論文能夠完成，首先要感謝我的老師，在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)讓我少走了許多的彎路。老師的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，這也將影響到我今后的工作和學(xué)習(xí)。</p><p>　　最后，我還要感謝我的老師和同學(xué)們，謝謝！</p><p&g

81、t;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王文學(xué)，孫萍，徐心和.足球機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究[[J].控制與決策，2001，16(2): 233-235.</p><p>　　[2] 柳洪義，宋偉剛.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)「M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002. 16-29,49-50, 165-174.</p><p>　　[

82、3] 祖莉，王華坤.智能移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及算法的設(shè)計(jì)[[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2002, 24(5): 39-42.</p><p>　　[4]王福瑞.單片機(jī)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M]．北京航空航天大學(xué)出版社,1998．</p><p>　　[5] 王鴻鈺. 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)入門(mén)[M]. 同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.</p><p>　　[6] 孫迪生，王炎.