轮式移动机器人的结构设计.docx
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轮式移动机器人的结构设计
目录
1前言··························································
（2）
2机构的驱动方案设计········································（5）
2.1机器人运动方式的选择··········································（5）
2.2轮式机器人驱动方案设计········································（9）
2.2.1轮式机器人驱动轮组成······································（10）
2.2.2轮式机器人转向轮组成······································（11）
2.2.3电机选择··················································（12）
2.2.4减速机构的设计············································（17）
2.2.5变速箱体、前车体及电池箱··································（18）
2.2.6后减震及前减震机构········································（19）
2.2.7车轮和轮毂················································（20）
3传动机构、执行机构的设计及受力分析····················（23）
3.1传动机构的设计················································（23）
3.2执行机构的设计················································（24）
3.3机器人受力分析及如何保证加速度最优····························（24）
4轮式移动机器人的运动学分析······························（26）
4.1轮式式机器人的运动学建模······································（26）
4.2阿克曼约束的机器人运动模型····································（29）
5轮式移动机器人的运动控制系统设计·······················（32）
5.1控制系统硬件设计··············································（32）
5.2控制系统软件设计··············································（34）
5.2.2上位机控制系统软件设计····································（34）
5.2.3下位机控制系统软件设计····································（34）
6结论··························································（36）
参考文献·························································（37）
致谢······························································（38）
1前言
移动机器人的研究始于上世纪60年代末期，随着计算机技术、传感器技术以及信息处理技术的发展，移动机器人已被广泛应用于工业、农业、医疗、保安巡逻等行业。
机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。
另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
国外对于移动机器人的研究起步较早，日本是开发机器人较早的国家，并成为世界上机器人占有量最多的国家，其次是美国和德国。
进入90年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军。
前苏联曾经在移动机器人技术方面居于世界领先的地位，俄罗斯作为前苏联的继承者，在机器人技术领域依然具有相当雄厚的技术基础，ROVER科技有限公司把在开发空间机器人中获得的经验应用于开发地面机器人系统，如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工作伙伴平台以及ROSA-2移动车等，最近的突出成果是2003年发射的火星漫游机器人一一“勇气”号与“机遇”号。
虽然国内有关移动机器人研究的起步较晚，但也取得了不少成绩。
2003年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了130Km/h的稳定时速，最高时速170Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位[1]。
但是我国在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面，同发达国家相比，我国仍存在较大的差距。
未来研究热点是将各种智能控制方法应用到移动机器人的控制。
机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。
抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。
那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。
本毕业设计课题主要是为了掌握和了解轮式移动机器人的基本结构和运动控制系统的能力，基本能实现前进、后退、360°范围转动的运动,也可以为机器人的运动和控制提供一个很好的研究平台。
本文所讨论机器人系统运动学模型近似于汽车，因此称为轮式机器人，它的组态由机器人在工作环境中的位态确定。
它作为一种小型轮式移动机器人，是一种非线性控制系统。
为了能发挥将来加载到这种机器人上的功能因而对小车性能作了要求。
作为主要在室内工作的机器人长度不宜超过1000mm高度要控制在机器人平衡稳定运作的范围内。
因此，车体在保证稳定的情况下做的尽量小各部件排列方式应尽量减小纵向尺寸，使车体紧凑。
内置于其中的电路板和电池的尺寸也要受到限制。
设计电路是要尽量选用功能大、集成度高的芯片，而电池要选用体积小并且耐用的型号。
因此，本课题控制器设计选用STC89LE52单片机来实现控制电路的架构，并且减少外围逻辑电路，使板面布局紧凑。
车体系统的运动性能是影响系统性能，决定机器人性能达标的重要因素。
因此，在软硬件选型时，满足快速性、准确性要求是考虑的第一要素之一。
要求机构能够具有更大的灵活性与柔性，能够具有更大的跨越障碍的能力。
最好采用减震设计，它有利于保护机器人各组成部件，特别是电器元件。
相对于工业环境来讲，我们设计的机器人所处的环境所受的强磁干扰要小得多，但是要达到系统运作实时、准确，某些干扰就显得较为明显:
首先，机器人体积很小，电机及其驱动系统，处理器系统，无线模块同处于很小的空间，这几部分之间的相互干扰，特别是电机及其驱动系统对处理器的干扰，无线模块对处理器的干扰以及无线通讯所特有的噪声干扰都不容忽视。
本课题中，分别采用了硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。
其次，机器人工作环境周围的电器将对其产生影响。
2机构的驱动方案设计
2.1机器人运动方式的选择
到目前为止，地面移动机器人的行驶机构主要分为履带式、腿式和轮式三种。
这三种行驶机构各有其特点。
（1）履带式
履带最早出现在坦克和装甲车上，后来出现在某些地面行驶的机器人上，它具有良好的稳定性能、越障性能和较长的使用寿命，适合在崎岖的地面上行驶，但是当地面环境恶劣时，履带很快会被磨损甚至磨断，沉重的履带和繁多的驱动轮使得整体机构笨重不堪，消耗的功率也相对较大。
此外，履带式机构复杂，运动分析及自主控制设计十分困难。
履带地面移动机器人是一种通用机器人平台，根据用途的不同，可以在机器人上加装不同的功能模块和传感器，以完成复杂环境下的救援、侦查、排爆、扫雷、伤员撤离等任务。
加装了遥控控制电路、主云台摄像头、多个从摄像头、MTI微惯导单元和激光扫描测距传感器（LRF），机器人可以在人远程遥控下运动和作业。
图1四段履带机器人
图2六段履带机器人
（2）腿式
第一，腿式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹。
崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。
而腿式机器人运动时只需要离散的点接触地面，对这种地形的适应性较强，正因为如此，腿式机器人对环境的破坏程度也较小。
第二，腿式机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。
它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置，因此不易翻倒，稳定性更高。
第三，腿式机器人的身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于，机器人的身体可以平稳地运动而不必考虑地面的粗糙程度和腿的放置位置。
当机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，就可以达到对对象进行操作的目的了。
当然，腿式机器人也存在一些不足之处。
比如，为使腿部协调而稳定运动，从机械结构设计到控制系统算法都比较复杂；相比自然界的节肢动物，仿生腿式机器人的机动性还有很大差距。
腿式机构具有出色的越野能力，曾经得到机器人专家的广泛重视，取得了较大的成果。
根据腿的数量分类，有三腿、四腿、五腿和六腿等各种行驶结构。
这里我们简单介绍一种典型的六腿机构。
一般六腿机构都采用变换支撑腿的方式，将整体的重心从一部分腿上转移到另一部分腿上，从而达到行走的目的。
行走原理为:
静止时，由六条腿支撑机器人整体。
需要移动时，其中三条腿抬起成为自由腿（腿的端点构成三角形），机器人的重心便落在三条支撑腿上，然后自由腿向前移动，移动的距离和方位由计算机规划，但必须保证着地时自由腿的端点构成三角形。
最后支撑腿向前移动，重心逐渐由支撑腿过渡到自由腿，这时自由腿变成支撑腿，支撑腿变成自由腿，从而完成一个行走周期。
腿式机器人特别是六腿机器人，具有较强的越野能力，但结构比较复杂，而且行走速度较慢。
图3三腿机器人图4四腿机器人
（3）轮式
轮式机器人具有运动速度快的优点，只是越野性能不太强。
适于室内、硬路面等平整地面，特别不适合松软或崎岖地面。
按照车轮数目虽然不能对轮式移动机器人进行严格的归类,但是不同的车轮数目依然决定了不同的控制方式,例如滚动机器人和四轮移动机器人显然在控制原理上是不同的。
回顾轮式移动机器人研究已取得的主要成果,按车轮数目对地面移动机器人进行了归类分析,对单轮滚动机器人、两轮移动机器人、三轮、四轮、六轮及八轮移动机器人、复合式（带有车轮）移动机器人进行了分析和总结。
图6单轮滚动机器人图7两轮移动机器人
图8三轮移动机器人图9四轮移动机器人
图10六轮移动机器人图11八轮移动机器人
现在的许多轮式己经不同于传统的轮式结构，随着各种各样的车轮底盘的出现，实现了轮式与腿式结构相结合，具有与腿式结构相媲美的越障能力。
如今人们对机器人机构研究的重心也随之转移到轮腿结合式机构上来了。
图13轮腿式机器人
美国的Nomad，日本的Nissanrover，都是四轮机器人。
四轮机构的机器人优点在于车轮数少，结构相对简单，便于控制，但其缺点是车体的抗振动性能较差，抗倾覆能力也差，同时承载能力有限，载荷容易分布不均，出现偏重现象。
另外，若采用四轮结构，一般都需要设置弹簧和阻尼器等隔振设施，无形中增加
了结构的复杂程度，同时也降低了车辆结构的可靠性，缩小了机器人的使用范围。
从目前公开的资料来看，五轮车的研究较少，仅有日本宇航科学研究所CISAS,
InstituteofSpaceandAstronauticalScience）研究的Micro-5和上海交大
研究的五轮铰接式机器人。
Micro-5机器人是一种左右车身分体式结构，行走机
构名为PEGASUS结构。
在传统的四轮结构基础上，它在左右车身之间增加了一个
连杆和一个车轮，来帮助其余四个车轮越障。
所以，这种结构越障能力较强。
六轮机器人结构简单，便于实现控制，质最也轻，越障能力虽不好，可以为车载仪器提供一个稳定的平台。
不过，它也存在一定的缺点，就是越障能力不如四轮机构。
八轮车的优点是驱动力强，承载能力较强，载荷分布也较平均，有利于车体稳定。
但其结构复杂，质量增加，越障能力和转向功能则明显不如四轮和六轮结构，因此，在国内外公开的资料中，这种结构并没有得到则真正的应用，仅仅停留在试验阶段。
通常轮式移动机器人按其轮子具有的运动自由度DOM（DegreeofMobility）和舵性自由度DOS（DegreeofSteeribility）来定义移动机器人的移动能力。
由此可将轮式移动机器人的结构划分为五种类型，表示为（DOM,DOS）形式，即（3,
0）,（2,0）,（2,1）,（1,1）与（1,2）类型。
其中只具有两个运动自由度的（2,0）
系统为目前普遍的研究对象，因为其结构相对简单，比较容易实现。
在设计移动机器人时也应遵循以下机构设计原则:
1、总体结构应容易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理。
2、应给机器人暂时未能装配的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将
来功能改进与扩展。
3、采取模块化设计，各个功能模块之间相互独立装配，互不干扰。
通过对以上方式的比较，我们选用轮子方式做为机器人运动方式，它符合我
们的设计要求：
适应室内活动环境，需要动力较小，能量消耗少，结构实现简单可靠。
2.2轮式机器人驱动方案设计
轮式机器人的机械结构如图2-1：
图2-1后轮驱动，前轮转向结构
根据设计需要和实现的难易程度选择了图2-1中的驱动方案机器人，称之为后轮驱动轮型机器人，它是一种典型的非完整约束的轮式移动机器人模型。
后轮为驱动轮，方向不变，提供前进驱动力，两轮驱动速度相同；前轮为转向轮，称为舵轮，通过转向系统同步控制两轮转向，使机器人按照要求的方向移动。
轮式移动机构又主要分三个轮、四个轮、三轮支撑理论上是稳定的，然而这种装置很容易在施加到单独轮的左右两侧力F作用下翻倒，因此对负载有一定限制。
为提高稳定性和承载能力，决定选用四轮机构，后轮为两驱动轮，两个转向轮为前轮，具体结构模型见UG图2-2。
这种结构能实现运动规划、稳定以及跟踪等控制任务，可适应复杂的地形，承载能力强，但是轨迹规划及控制相对复杂。
图2-2小车整体结构UG模型图
2.2.1轮式机器人驱动轮的组成
1）后轮驱动装置机械结构模型图如图2-3：
图2-3后轮驱动装置机械结构模型
后轮驱动装置机械传动结构如图2-4所示：
图2-4驱动轮机械传动示意图
1变速箱底座2变速箱盖3轴承4齿轮Ⅰ5齿轮Ⅱ
6齿轮Ⅲ7电动机8中间轴9轮毂10轮胎
根据上面所确定的方案，轮式机器人后轮驱动装置由驱动电机，减速装置和车轮及轮毂组成。
2.2.2轮式机器人转向轮的组成
转向轮起支撑和转向作用，不产生驱动力矩，在小车转向时它可以以一定角度转动。
主要机械组成结构如图2-5：
图2-5转向装置模型图
轮式机器人前轮驱动装置由以下几部分构成：
驱动电机，蓄电池和充电部分，转向传动机构和前减震机构，前车体和电池箱及轮胎和轮毂五部分，如下图2-6所示：
图2-6转向装置结构图
1前减震弹簧2转向连杆3拉杆4拉紧弹簧5拨叉
6步进电机7前车体盖8转向节9前轮轴10前轮毂
11轮胎12电池盒盖13后减震弹簧14连接轴15变速箱
2.2.3电机的选择
目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机，对它们的特性、工作原理与控制方式有分类介绍，下面总结如表2-1所示：
表2-1不同电机的特性、工作原理与控制方式
电机类型
主要特点
构造与工作原理
控制方式
直流伺服电机
接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大、体积小、重量轻，转速和转矩容易控制、效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短、噪声大。
由永磁体定子、线圈转子、电刷和换向器构成。
通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。
转动控制采用电压控制方式,两者成正比。
转矩控制采用电流控制方式,两者也成正比。
交流伺服电机
没有电刷和换向器，无需维护；驱动电路复杂，价格高。
按结构分为同步和异步电电刷和换向器构成。
通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。
分为电压控制和频率控制两种方式。
异步电机常采用电压控制。
步进电机
直接用数字信号控制，与计算机接口简单，没有电刷，维护方便，寿命长。
缺点是能量转换效率低，易失步，过载能力弱。
按产生转矩的方式可以分为:
永磁式，反应式和混合式。
混合式能产生较大转矩，连续转动。
永磁式是单向励磁，精度高，但易失步，反应式；是双向励磁，输出转矩大，转子过冲小，但效率低；混合式是单-双向励磁,分辨率高,运转平稳。
一般机器人用电机的基本性能要求:
1.启动、停止和反向均能连续有效的进行,具有良好的响应特性；
2.正转反转时的特性相同,且运行特性稳定；
3.良好的抗干扰能力,对输出来说,体积小、重量轻；
4.维修容易，不用保养。
1）、驱动轮为两后轮，要求控制性好且精度高，能耗要低，输出转矩大，有一定过载能力，而且稳定性好。
通过比较以上电机的特性、工作原理、控制方式以及移动机器人的移动性能要求、自身重量、传动机构特点等因素，所以我们决定选用直流电机作为驱动电机。
直流电动机以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优异的动态特性，一直占据着调速控制的统治地位。
虽然近年不断受到其他电动机（如交流变频电动机、步进电动机等）的挑战，但直流电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选择，在生产、生活中有着广泛的应用。
所需电机的功率计算：
机器人小车的受力简图如图2-7所示：
机器人所需的牵引力：
Fa=Ff+Fw；
Fa：
机器人移动需要的牵引力
Fw=mgsinθ；
Fw：
自身重力而产生的阻力
Ff=umgcosθ；
Ff：
机器人移动所受摩擦力
图2-7机器人小车的受力简图
则有：
Fa=mgsinθ+umgcosθ；
U-摩擦系数
θ-最大爬坡角度
则机器人在水平面上运动的功率为：
P=Fa·V=0.15×3.0×9.8×1.5=6.61W
传动装置的总功率：
η=η²G·η²B
按照文献[14]中表2.1-1确定的各部分效率有：
齿轮传动效率：
ηG=0.97；滑动轴承：
ηB=0.97
代入得到：
η=0.97²×0.97²=0.89
所需直流电机的最小功率：
P=Pw/η=6.61/0.89=6.82W
通过以上的比较和计算,我们决定选用广东德昌微电机公司生产的SRC-555-3250
型直流电动机其外观如图2-8所示，技术参数如表2-2。
图2-8电动机其外观如图
表2-2直流电机技术参数表
空载
最大功率下
制动
型号
额定电压
转速
电流
转速
电流
力矩
功率
力矩
功率
r/min
A
r/min
A
g·cm
W
g·cm
W
SRC-555-3250
12v
CONS
TANT
6100
0.24
5300
1.49
229
12.4
1650
9.20
2）、转向轮的电机通过对表2-1不同电机的特性、工作原理与控制方式的分析比较，为了满足转向系统转动精度高，控制性能强，并且控制简单容易实现的特点决定选用步进电机作为转向机构驱动电机。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的机电元件。
对这种电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步；脉冲数增加，角位移（或线位移）就随之增加，脉冲频率高。
则步进电机旋转速度就高，反之就低；分配脉冲的相序改变后，步进电机的转向则随之而变。
步进电机的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进形式的运动，故也称其为步进电动机。
步进电机的主要指标有：
相数:
产生不同对极N,S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数：
以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
步距角:
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360°/（50×4）=1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360°/（50×8）=0.9°（俗称半步）。
定位转矩:
电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。
静转矩:
电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝
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