毕业设计说明书(机器人解救人质).doc

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解救人质简易机器人的研制

摘要：

本设计基于传感器技术、智能控制技术、机电一体化技术及机器人学研制了一个能穿山洞，过小河，完成解救“人质”，并放置到安全通道等一系列动作的智能电动小车。

论文分析了小车本体、主控系统、信息感知单元、驱动单元等模块的理论论证、设计与调试过程，并结合实际调试过程的分析，详细阐述了小车整个行驶过程中的运动参数的规划与实现。

本设计的理论设计方案、调试方法、测试数据分析方法及设计中的特色与创新点等对自动运输机器人、家用清洁机器人、灭火机器人等自主及半自主机器人的设计与实现有一定的参考意义。

Thisdesigncanwearacaveaccordingtospreadingthetechnique,machineofthefeelingmachinetechnique,intelligencecontrolelectricityintegralwholetoturntechniqueandrobottolearntodevelop1,leadbrook,thecompletiongivesreliefto"hostage",andplacesafepassageetc.aseriestheintelligencedynamoelectricsmallcaroftheaction.Thethesisanalyzedasmallcaressence,maincontrolsystem,informationfeelingtoknowunitanddriveunitetc.thetheoriesargument,designofthemoldpiecewithadjusttotryprocess,andcombinetoadjustanalysisoftryingtheprocessphysically,elaboratedasmallcarindetailwholedriveprocessinoftheprogrammingandtherealizationofsportparameter.

Thisdesignoftheoriesdesignproject,adjusttotrytheanalysismethodandthespecialfeaturesandtheinnovationinthedesignofthemethod,testdatatoorderetc.istotheautomaticconveyancerobot,domesticexpensessweeprobot,extinguishfirerobot...etc.designandrealizationof[with]independenceandthehalfindependentrobotcontaincertainreferencemeaning.

关键词：

四轮小车、路径规划 、蜗轮蜗杆、过桥机构、行走机构和手臂上下摆动机构

一、前言：

“工欲善其事，必先利其器”。

人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。

作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。

世间万物，人力是第一资源，这是任何其它物质不能替代的。

尽管人类社会本身还存在着不文明、不平等的现象，甚至还存在着战争，但是，社会的进步是历史的必然，象其它许多科学技术的发明发现一样，机器人也渐渐成为人类的好助手、好朋友。

二、设计目的和任务：

通过设计，进行机械设计基本技能的训练，如计算、绘图、（其中包括计算机辅助设计）和学习使用设计资料、手册、标准和规范等；通过设计，把有关课程（机械原理、机械设计、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、现代机械设计理论及方法等）中所获得的理论知识在实际中综合的加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切地结合起来；通过设计，提高机构分析与综合的能力，机械结构设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。

本设计的宗旨是应用于示教性的空间五自由度机器人，设计重点侧重于方案和结构，设计中应用CAD电子绘图版软件，工作任务包括机器人机器人的过桥机构设计、小车行走机构设计和手臂上下摆动设计以及驱动的选择，传动方案的确定等等。

三、方案的拟订

本设计以制造简单，控制灵活准确为宗旨,进行总体机构的设计。

充分运用了机械原理、机械设计及工艺等相关理论知识。

为了使本机器人更方便改进和维护，我们对机器人采用了模块化设计的方法。

1、机器人过桥机构设计方案的拟订

根据设计要求，机器人必须通过一个宽300mm，深200mm的壕沟，（而机器人的长、宽、高均不超过300mm），有以下几种方案可以考虑：

（1）、飞越式

这种方法可以飞越任意宽度深度的壕沟，但是实现难度很大。

一是机器人顶部需安装螺旋桨，为获得足够升力，往往其旋转直径很大，尺寸很容易超过规定300*300*300要求。

二是带动螺旋桨的电机功率很大（估算为100瓦以上），而这种低电压（12伏）的电机很难制造出来。

（2）、步行式

步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好，智能程度也相对较高。

但它平稳性差，结构复杂，控制困难，灵活性好，但要控制它迈步而不倾倒是有难度的。

正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。

（3）、履带式

履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。

它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。

履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。

它的缺点是由于没有自位轮，没有转向机构，要转弯只能靠左右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在前进方向也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确定回转半径等。

因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。

图2-1履带式过桥机构示意图

如图2-1所示，过桥机构由里外均有齿形的同步带（效果近似于履带）带动的摆臂和齿轮齿条伸缩机构构成。

小车开到壕沟前伸出长约240mm左右的下面带车轮的齿条，小车往再前开一段能使齿条带小轮的那端搭到壕沟对岸10mm的距离即可，然后把同步带摆臂向后翻转180度，再启动小车就能完成过沟了。

过沟之后把齿条缩回同步带摆臂摆到原来位置即可。

（4）、架桥式

即采用架桥机构与机器人小车分离的办法。

如图2-1所示，架桥机构行驶由电机驱动，可以直走和转弯。

其底版由上下两块底版组成，其中下底板在过桥时可以完全伸出，伸出后其前轮与上底版前轮之间距离要保证不小于280mm，这样就可以保证整个桥搭在壕沟两端。

这样就完成了搭桥工作，上面的机器人小车就可以从桥上开过去，实现过桥动作。

图2-2架桥式机构原理示意图

综合以上考虑，后两种方案实现较为容易，又由于本机器人是在光滑平整的地面上动作，非常适合车轮运动，因此本设计采用架桥式机构。

2、机器人行驶机构设计方案的拟订

要求机器人行驶时可以实现前进、后退、左转、右转四个动作，实现的方法可以用步行式、履带式以及轮式三种方式。

1、步行式（见上）

2、履带式（见上）

3、车轮式

图2-3车轮行驶机构示意图

如图2-3所示，后面为两个驱动轮，前面为两个支撑轮。

直走时两电机转向相同，转弯时两电机转向相反。

为减轻重量，车轮本身采用铝或尼龙材料。

为保证与地面始终接触并增加与地面的摩擦力，轮缘采用弹性较好的橡胶制造。

车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。

车轮式移动的优点是：

适于平整硬质路面，能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，转向灵活，而且技术比较成熟。

综合以上几种方案，考虑到行走地面为光滑平整，再者轮式机构实现容易，因此机器人行驶机构我们采用了轮式机构。

3、机器人手臂升降机构设计方案的拟订

由于机器人采用普通直流电机驱动，而普通直流电机一般都具有转矩不大、不能自锁的缺陷，因此必须在电机与手臂之间需增加一个减速增力和实现自锁的装置。

根据机械传动知识可知，蜗轮蜗杆传动就可以实现上述功能。

如图2-12所示，安装时蜗轮和手臂固定在一起，电机与蜗杆固定在小车底盘上，要求蜗轮带动手臂每分转动5转左右并且速度可以调节，由于所需力矩很大，因此这里需选择一个功率较大的电机。

图2-12机器人手臂升降机构示意图

4、机器人驱动设计方案的拟订

机器人驱动系统，按动力源可分为液压驱动、气动驱动和电动驱动三种基本驱动类型。

我们可采用这三种基本驱动类型的一种，或合成式驱动系统。

这三种基本驱动系统的主要特点如下：

（1）、液压驱动

一般说来，液压驱动功率较大，可无级调速，反应灵敏，体积适当，执行机构易实现直接驱动。

但是使用液压系统，必须配备单独的液压站。

另外伸缩用的液压缸不适宜做成3级以上，伸出长度受到很大限制。

（2）、气动驱动:

相对液压系统，气压系统输出功率较小，但完全可以满足本机器人完成动作需要。

但其体积稍大，工作时有噪音，另外必须配备单独的空气压缩机。

（3）、普通电机驱动

根据本次设计要求，机器人驱动电机使用的是低于36伏的安全电压。

为了使机器人结构更加紧凑，输出的力矩达到要求，我们选用的一般是直流微型减速电机。

采用普通电机驱动，控制电路简单，安装方便，反应较液压气动更快，电机价格低廉，因此和其他驱动具有很大优势。

但其还存在转速很高，输出功率转矩小一般较小，寿命短，驱动装置不能自锁等缺陷。

步进电机驱动

图2-10步进电机进给系统示意图

步进电机输出转角大小与输入脉冲数严格成比例，即每输入一个脉冲，电机转子相应转动一步。

若在如图2-10的进给系统里，工作台就移动了一个脉冲当量（一般为1微米）。

步进电机的转速可随输入信号的脉冲频率而变化，可以实现无级调速，且调速范围相当宽。

因此采用步进电机驱动可以获得很好的位置精度（能够自锁）和速度控制性能，故在数控机床中得到广泛应用。

但较普通电机控制来看，低电压步进电机输出转矩一般比较小，控制电路复杂，成本高出很多。

综合比较上述各种驱动的特点，普通电机具有控制方便，成本低廉，并且可以通过各种减速机构来弥补其速度过高、输出转矩过小，不能自锁等缺点。

因此我们最终选用驱动采用普通直流减速电机驱动。

四、设计过程：

1机器人过桥机构的设计

（一）、工作原理

利用过桥机构中下底板的电机的旋转，实现齿轮的转动，进一步推动齿条向前伸长，将下底板推出去，并伸到理想长度，从而完成搭桥的结构，最后让小车从过桥机构上开过。

原理如图3-1：

图3-1过桥机构示意图

（二）、行走部分的设计

1、底板的设计

1）材料的选择

上底板所受的力不是很大，强度要求不高，考虑到机器人的重量要尽可能轻，所以选择铝板作为上底板。

2）结构的设计

机器人在收缩状态时，其长宽高均应≤300mm，展开状态时尺寸不限，所以初设过桥机构的长宽均为280mm，铝板所受的压力不是很大，强度要求不高，选择铝板的厚度为5mm。

2、车轮的设计

1）材料的选择

上底板要安装四个轮子，分别为驱动轮与前轮。

驱动轮完成的动作是电机带动该轮旋转，不可以变形，质量轻，故选择铝材料，外表面包一橡胶圈以增大摩擦力，使轮子与地面不打滑，同时轮子与电机的固定用紧固螺钉旋紧。

前轮子在行走过程中不起作用，只在搭桥时起支撑作用，小车从上面经过，会使过桥机构往后移动，所以