移动机器人结构设计.doc

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编号:

无锡太湖学院

毕业设计（论文）

题目：

移动机器人结构设计

信机系机械工程及自动化专业

学号：

　　　0923122　　　　

学生姓名：

赵熙熙

指导教师：

　龚常洪（职称：

副教授）

（职称：

）

2013年5月25日

III

无锡太湖学院本科毕业设计（论文）

诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）移动机器人结构设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。

班级：

机械93

学号：

0923122

作者姓名：

2013年5月25日

无锡太湖学院

　信机　系　机械工程及自动化　专业

毕业设计论文任务书

一、题目及专题：

1、题目　移动机器人结构设计　　　

2、专题　　

二、课题来源及选题依据

课题来源：

导师提供

选题依据：

近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。

像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。

这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。

目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。

三、本设计（论文或其他）应达到的要求：

①设计移动移动机器人行走机构的总体结构和参数；

②建立移动机器人的运动学模型及机器人四轮转向系统的动力学模型；

③研究其稳态特性、动态特性和自主控制的问题，验证所研究机器人结构参数的合理性。

四、接受任务学生：

机械93班　　姓名赵熙熙

五、开始及完成日期：

自2012年11月12日至2013年5月25日

六、设计（论文）指导（或顾问）：

指导教师　　　　　　　签名

签名

　　　　　　　签名

教研室主任

　　　　　　〔学科组组长研究所所长〕　　　　　　　签名

　　　　系主任　　　　　　签名

2012年11月12日

摘要

移动机器人是一种由传感器、自主控制的移动载体组成的机器人系统。

移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业和人所不及的（如宇宙空间、水下）作业环境方面，比一般机器人有更大的机动性，灵活性。

随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。

本课题是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。

本文对各种移动机器人进行了比较，从而确定了四轮式机器人总体结构与参数的研究设计。

对四轮式移动机器人的运动学进行了探讨，建立了运动学模型。

在建立运动学模型的基础上对机器人的基本运动方式进行了分析，并推到计算出其动力学模型。

本文了解了基于多传感器的移动机器人的自主控制问题。

分析了直流伺服电机的动态特性，为后续的研究提供可靠的参考和依据。

关键词：

轮式移动机器人；运动学与动力学；自主控制问题

Abstract

Mobilerobotisakindofcontrolledbysensors,autonomousrobotsystemcomposedofmobilecarrier.Mobilerobothasthemobilefunction,insteadofpeopleengagedindangerousandbadenvironment（suchasradiation,toxic）homeworkandhaveless（suchasspaceandunderwater）intheworkingenvironment,havegreaterflexibilitythanordinaryrobot,flexibilityAsrobotstechnologyinalienexploration,fieldinvestigation,military,securityandothernewfieldsarewidelyused,therobottechnologybyindoortooutdoor,fromfixed,artificialenvironmenttomove,notartificialenvironments.Thistopicisabasiclinkofrobotdesign,beabletofollow-upontherobotplatformforthestudyprovideavaluablereferenceandusefulideas.Inthispaper,allkindsofmobilerobotswerecomparedtodeterminethefourwheelrobotstructureandparametersofthestudydesignasawhole.Offourwheeledmobilerobotkinematicsarediscussedinthispaper,thekinematicsmodelisestablished.Inkinematicsmodelisestablishedonthebasisofthebasicmovementofrobotisanalyzed,anditsdynamicmodeltocalculate.Inthispaper,thecontrolproblemformobilerobotbasedonmulti-sensor.Afterthecompletionofthedesignanalysisofthedynamiccharacteristicsandthefeasibilityofomnidirectionalmobilemechanism,providereliablereferenceandbasisforfollow-upstudies.

Keywords:

wheeledmobilerobots;Kinematicsanddynamics;Autonomouscontrol

目录

摘要 III

Abstract IV

目录 V

1绪论 1

1.1本课题的研究内容和意义 1

1.2国内外的发展概况 1

1.2.1国内外发展概况 1

1.2.2移动机器人的主要组成 2

1.3本课题应达到的要求 2

2移动机器人行走机构的总体结构和参数 3

2.1机器人运动方式的选择 3

2.2轮式机器人移动能力分析 5

2.3轮式机器人驱动轮的组成 6

2.4轮式机器人转向轮的组成 7

2.5电机的选择 8

2.6直流伺服电机的数学模型及动态参数的确定 9

2.7减速机构的设计（蜗轮蜗杆减速机构） 12

2.7.1电机参数的确定 12

2.7.2计算传动装置的运动和动力参数 13

2.7.3蜗轮蜗杆设计计算 14

2.7.4蜗轮轴的设计 16

2.7.5初选滚动轴承 16

2.7.6蜗杆轴的结构设计 18

2.8机器人的电源供应 19

2.9车轮及轮毂 19

3移动机器人的运动学模型 21

3.1机器人的运动学分析 21

3.2两种运动规划方法分析 23

3.3仿真实验 23

3.4结论 24

4机器人四轮转向系统的动力学模型 25

4.1轮子 25

4.2平台体 25

4.3小结 26

5自主运动控制 26

5.1控制系统的选用 26

5.2可行性分析 28

6结论与展望 28

6.1结论 28

6.2不足之处及未来展望 29

致谢 29

参考文献 30

31

移动机器人结构设计

1绪论

1.1本课题的研究内容和意义

机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域，移动机器人是机器人学中的一个重要分支。

早在六十年代就已经开始了移动机器人的研究。

关于移动机器人的研究涉及到许多方面。

首先要考虑到移动方式，轮式，履带式，腿式的。

其次考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。

第三必须考虑到导航或者路径规划，路径有更多的方面考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。

因此移动机器人是一个集环境感知动态决策与规划，行为控制与执行等多种功能与一体的综合系统。

对移动机器人的研究提出了许多新的挑战或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家技术人的兴趣，更由于他在军事侦察排雷防止污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各地受到普遍关注。

移动机器人按照移动方式可分为轮式，履带式，腿式，其中轮式具有结构简单活动灵活等优点。

移动机器人的机构直接影响机器人运动的稳定性和控制器的复杂程度。

目前广泛使用的轮式按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。

在平面上移动的物体可以实现前后，左右和自传三个自由度的运动称为全方位移动机器人，其不仅可以再任意方向上移动，并且保持本姿态不变，实现全方位的移动的功能也可以改变机体方位。

这种特性使得轮式移动的