移动机器人结构设计最新版本.docx
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移动机器人结构设计最新版本
学科分类号0807
本科毕业设计
题目（中文）：
移动机器人结构设计
（英文）：
Mobilerobotstructuredesign
姓名陈霄锋
学号2008180235
院（系）工学院机械工程系
专业、年级2008级机械设计制造及其自动化
指导教师彭可副教授
二○一二年五月
湖南师范大学本科毕业设计诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除设计中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本设计的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业设计作者签名：
二○一二年五月十四日
湖南师范大学本科毕业设计任务书
毕业设计题目
移动式机器人结构设计
作者姓名
陈霄锋
所属院、专业、年级
工学院机械设计制造及其自动化专业08年级
指导教师姓名、职称
彭可副教授
预计字数
10000
开题日期
2011-12-19
选题的目的和意义：
出于个人兴趣我选择了这个设计题目，目的在于了解移动机器人的结构设计及其控制系统的设计，为将来研究此方面内容做基础。
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。
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。
所以研究和在这个方面的创新是有意义的。
主要研究内容：
1、移动机器人的移动方式
2、机器人的结构设计
3、机器人控制系统的简单设计
应达到的技术指标或要求：
1、能较灵活移动
2、能有基本的越障能力
3、设计说明书字数不少于10000
4、3D装配图一幅和零件图
主要设计方法或技术路线：
首先进行移动方式的分析与选择，选择合适的驱动电机和驱动机构，再根据控制系统来设计机器人的机构，选择和设计合适的零件和机构。
然后按预定计划设计其控制系统，进行运动分析，保障机器人按预期目标进行移动。
完成本课题应具备的环境（软件、硬件）：
UG7.5、office2007、电脑、相关书籍与资料
各阶段任务安排：
12月20日之前完成开题报告。
1月22日之前完成塑件分析，资料准备。
3月12日之前完成整个模具初稿设计、零件初稿设计及图纸的绘制。
3月25日之前完成毕业设计的修改与完善。
4月30日之前完成毕业设计答辩准备。
5月10日之前完成毕业设计答辩，审核，定稿。
主要参考资料：
[1]张毅等编著移动机器人技术及其应用电子工业出版社2007年9月.
[2]张培仁、杨兴明编著机器人系统设计与算法中国科技大学出版社2008年10月.
[3]克来格、貟超编著机器人导论机械工业出版社2006年6月.
[4]孙恒、陈作模、葛文杰编著机械原理高等教育出版社2006年5月.
[5]濮良贵、纪名刚编著机械设计高等教育出版社2006年5月.
指导教师意见：
指导教师签名:
开题报告会纪要
时间
地点
与
会
人
员
姓名
职务（职称）
姓名
职务（职称）
姓名
职务（职称）
会议记录摘要：
会议主持人签名：
记录人签名：
年 月日
指导小组意见
负责人签名：
年月日
学院意见
负责人签名：
年月日
湖南师范大学
工学院指导教师指导毕业设计情况登记表
设计题目
移动机器人结构设计
学生姓名
陈霄锋
所属专业、年级
机械设计制造及其自动化专业2008级
指导教师姓名
彭可
职称
副教授
学历
博士
指导时间
指导地点
指导内容
学生签名
备注
2012.3.10
工学院
机器人移动方式的如何选择问题
2012.3.15
工学院
我选择的移动方式的利弊问题
2012.3.30
工学院
机器人控制系统如何设计
2012.4.3
工学院
机器人的大致结构
2012.4.7
工学院
机器人驱动电机的选择
2012.4.13
工学院
传感器如何选择
2012.4.18
工学院
机器人尺寸问题
2012.4.24
工学院
初稿存在的问题
2012.4.29
工学院
初稿的修改问题
2012.5.4
工学院
设计前置部分的问题
2012.5.8
工学院
终稿的确定
二、湖南师范大学本科毕业设计评审表
毕业设计题目
移动机器人结构设计
作者姓名
陈霄锋
所属院、专业、年级
工学院机械设计制造及其自动化专业2008级
指导教师
姓名、职称
彭可副教授
字数
10000
定稿日期
2012-5-15
中
文
摘
要
移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向。
自上世纪九十年代以来，人们广泛开展了对机器人移动功能的研制和开发，为适应各种工作环境的不同要求而开发出各种移动机构。
其中全方位轮可以实现高精确定位、原地调整姿态和二维平面上任意连续轨迹的运动，具有一般的轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要愈义。
本文主要是介绍了技术较为成熟的麦克纳姆全方位轮的运动原理结构，分析了由四个麦克纳姆轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理。
并将其运用到轮腿复合式的机器人身上，使机器人移动能力更强。
设计的主要方面包括
（1）移动方式的选择；
（2）机器人结构的设计；（3）机器人移动原理的分析；（4）对移动机器人控制系统的简单设计。
关键词
（3-5个）
移动机器人，轮腿复合式，四足
英
文
摘
要
Mobilerobotisnotonlyanimportantbranchintherobotfamilies,alsoatendencytoexpandtherobotapplicationdomainfurther.Peoplehavewidelydevelopedthemobilemechanismwhichcanadaptdifferentkindofworkingconditionsandrequestsince1990s,andsomekindsofmechanismweredevelopedsuccessfully.Omnidirectionalwheelisamechanismwhichhasuniquefeaturethegeneralbeunabletosubstitute,itcanreachthepositioninahighprecision,adjustpostureinoriginalplaceandmovecontinuouslyandfreelyntwo-dimensionalsurface.Itisimportantfortheresearchingofrobotwalkingfreely.
ThispapermainlyintroducingthetechnologyismatureMckenna'somni-directionalmotionprincipleofthestructureandanalysisingomni-directionalwheelomnidirectionalmobilemechanismmotioncoordinationprinciplebythefourMckenna.Anditsapplicationtowheelleggedrobotbodythatmaketherobotmoveabilitystronger.Keyaspectsofthedesigninclude
（1）Mobilemodeselection;
（2）therobotstructuredesign;（3）therobotmovingprincipleanalysis;（4）tothemobilerobotcontrolsystemforasimpledesign.
关键词
（3-5个）
mobilerobot,Wheelleggedtype,Quadruped
毕业设计指导教师评定成绩
评审基元
评审要素
评审内涵
满分
实评分
选题质量30%
目的明确
符合要求
选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和综合训练的基本要求
10
10
选题恰当
题目规模适当
5
4
题目难易度适中
5
4
联系实际
题目与生产、科研、实验室建设等实际相结合，具有一定的实际价值
10
9
能力水平35%
综合运用
知识能力
能将所学专业知识和机能用与毕业设计中；设计内容有适当的深度、广度和难度
5
4
应用文献
资料能力
能独立查阅相关文献资料，能对本设计所涉及的有关研究状况及成果归纳、总结和恰当运用
5
4
实验（设计）
能力
能运用本学科常用的研究方法，选择合理可行的方案，能对实际问题进行分析，进行实验（设计），具有较强的动手能力
5
4
计算能力
原始数据搜集得当；能进行本专业要求的计算，理论依据正确，数据处理方法和处理结果正确
5
4
外文应用
能力
能搜集、阅读、翻译、归纳、综述一定量的本专业外文资料与外文摘要，并能加以运用，体现一定的外语水平
5
4
计算机应用能力
能根据设计题目要求编程上机或使用专业应用软件完成设计任务
5
4
分析能力
能对设计项目进行技术经济分析或对实验结果进行综合分析
5
4
设计质量35%
插图或图纸质量
能用计算机绘图，且绘制图纸表格符合标准
5
4
说明书撰写水平
设计说明书齐全；概念清楚，内容正确，条理分明，语言流畅，结构严谨；篇幅达到学校要求
15
12
规范化程度
设计的格式、图纸、数据、用语、量和单位、各种资料引用和运用规范化，符合标准；设计栏目齐全合理
5
4
成果的实用性与科学性
较好地完成设计选题的目的要求，成果富有一定的理论深度和实际运用价值
5
4
创见性
具有创新意识，设计具有一定的创新性
5
4
正文部分成绩（上表）：
83
总成绩：
83
评定等级：
良好
外文资料译文成绩：
83
指导教师评审意见：
指导教师签名：
说明：
此表指标部分为正文部分计分表，正文部分成绩＝实评总分×0.9，外文资料译文成绩满分为10分。
总成绩＝正文部分成绩＋外文资料译文成绩。
评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，总成绩90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。
若译文成绩为零，则不计总成绩，评定等级记为不及格。
三、湖南师范大学本科毕业设计答辩记录表
毕业设计题目
移动机器人结构设计
作者姓名
陈霄锋
所属院、专业、年级
工学院机械设计制造及其自动化专业2008年级
指导教师
姓名、职称
彭可副教授
答辩会纪要
时间
地点
答辩
小组
成员
姓名
职务（职称）
姓名
职务（职称）
姓名
职务（职称）
答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录：
会议主持人签名：
记录人签名：
年月日
答
辩
小
组
意
见
评语：
评定等级：
负责人（签名）：
年月日
学
院
意
见
评语：
毕业设计学院最终评定等级：
负责人（签名）：
学院（公章）年月日
学
校
意
见
评语：
评定等级：
负责人（签名）：
年月日
4.4移动机器人控制系统...................................................................28
4.5预计要达到的控制要求...............................................................30
移动机器人结构设计
Mobilerobotstructuredesign
机械设计制造及其自动化2008级陈霄锋
摘要
移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向。
自上世纪九十年代以来，人们广泛开展了对机器人移动功能的研制和开发，为适应各种工作环境的不同要求而开发出各种移动机构。
其中全方位轮可以实现高精确定位、原地调整姿态和二维平面上任意连续轨迹的运动，具有一般的轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要愈义。
本文主要是介绍了技术较为成熟的麦克纳姆全方位轮的运动原理结构，分析了由四个麦克纳姆轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理。
并将其运用到轮腿复合式的机器人身上，使机器人移动能力更强。
设计的主要方面包括
（1）
移动方式的选择；
（2）机器人结构的设计；（3）机器人移动原理的分析；（4）对移动机器人控制系统的简单设计。
关键词:
移动机器人，轮腿复合式，四足
Abstract
Mobilerobotisnotonlyanimportantbranchintherobotfamilies,alsoatendencytoexpandtherobotapplicationdomainfurther.Peoplehavewidelydevelopedthemobilemechanismwhichcanadaptdifferentkindofworkingconditionsandrequestsince1990s,andsomekindsofmechanismweredevelopedsuccessfully.Omnidirectionalwheelisamechanismwhichhasuniquefeaturethegeneralbeunabletosubstitute,itcanreachthepositioninahighprecision,adjustpostureinoriginalplaceandmovecontinuouslyandfreelyntwo-dimensionalsurface.Itisimportantfortheresearchingofrobotwalkingfreely.
ThispapermainlyintroducingthetechnologyismatureMckennaomni-directionalmotionprincipleofthestructureandanalysingomni-directionalwheelomnidirectionalmobilemechanismmotioncoordinationprinciplebythefourMckenna.Anditsapplicationtowheelleggedrobotbodythatmaketherobotmoveabilitystronger.Keyaspectsofthedesigninclude
（1）Mobilemodeselection;
（2）therobotstructuredesign;（3）therobotmovingprincipleanalysis;（4）tothemobilerobotcontrolsystemforasimpledesign.
Keywords:
mobilerobot,Wheelleggedtype,Quadruped
第1章
绪论
1.1选题背景及意义
随着科学技术的发展，人类的研究活动领域已由陆地扩展到海底和空间。
利用移动机器人进行空间探测和开发，己成为21世纪世界各主要科技发达国家开发空间资源的主要手段之一。
研究和发展月球探测移动机器人技术，对包括移动机器人在内的相关前沿技术的研究将产生巨大的推动作用。
移动机器人是一种能够通过传感器感知外界环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。
近年来，由于移动机器人在工业、农业、医学、航天和人类生活的各个方面显示了越来越广泛的应用前景，使得它成为了国际机器人学的研究热点。
20世纪90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。
目前，移动机器人特别是自主机器人已成为机器人技术中一个于分活
跃的研究领域[1]。
本课题着重于研究移动机器人的结构设计，对于控制系统设计由于知识有限，暂只进行简单的设计。
力求在理论上设计出一个在结构上能够有较好的移动能力和越障能力的移动机器人。
1.2移动机器人的移动机构研究概况
从最早出现的机器人到现在涌现出的形态各异的移动小车，其移动机构的形式层出不穷，以美国、俄罗斯、法国和日本为首的西方发达国家己经研制出了多种复杂奇特的三维移动机构，有的已经进入了实用化和商业化阶段[2][3]。
面对21世纪深空探测的挑战，对各种自主系统的研制是必须的，而移动机构又是各种自主系统的最基本和最关键的环节。
已经出现的移动机器人的移动机构主要有履带式、腿式和轮式，其中以轮式的效率最高，但其适应能力相对较差，而腿式的适应能力最强但其效率最低[4]。
履带式移动机构是将圆环状的循环轨道卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与地面接触，利用履带可以缓和地面的凹凸不平。
它具有良好的稳定性能、越障能力和较长的使用寿命，适合在崎岖的地面上行使。
但由于沉重的履带和繁多的驱动轮使得整体机构笨重，消耗的功率也相对较大[5]。
腿式移动机构基本上是模仿人或动物的下肢机构形态而制成的。
因其出色的地面适应能力和越野能力，曾经得到很多机器人专家的广泛重视，在其开发和研制上投入了大量的时间和精力，也取得了较大的成果。
从移动的方式上来看，腿式移动机器人可分为两种:
动态行走机器人和静态行走机器人。
根据腿的数量又可进行分类，如四腿移动机器人六腿移动机器人。
腿式机器人虽然具有较强的越野能力，但结构比较复杂，运动控制的难度较大，而且移动速度较慢[6]。
轮式移动机构具有运动速度快、能量利用率高、结构简单、控制方便和能借鉴至今已很成熟的汽车技术等优点，只是越野性能不太强。
但随着各种各样的车轮底盘的出现，如日本NASDA的六轮柔性底盘月球漫游车LRTV，俄罗斯TRANSMASH的六轮三体柔性框架移动机器人Marsokohod，美国CMU的六轮三体柔性机器人Robby系列以及美国JPL的六轮摇臂悬吊式行星漫游车Rocky系列，已使轮式机器人越野能力大大增加，可以和腿式机器人相媲美。
于是人们对机器人机构研究的重心也随之转移到轮式机构上来，特别是最近日本开发出一种结构独特的五点支撑悬吊结构Micros，其卓越的越野能力较腿式机器人有过之而不及[6-8]。
轮式结构按轮的数量分可分为二轮机构、三轮机构、四轮机构、六轮以及多轮机构。
二轮移动机构的结构非常简单，但是在静止和低速时非常不稳定。
三轮机构的特点是机构组成容易，旋转中心是在连接两驱动轮的直线上，可以实现零回转半径。
四轮机构的运动特性基本上与三轮机构相同，由于增加了一个支撑轮，运动更加平稳。
以上几种轮式移动机构的共同特点是它们所有的轮子在行驶过程中，只能固定在一个平面上，不能作上下调整，因此，地面适用能力差。
一般的六轮机构主要就是为了提高移动机器人的地面适应能力而在其结构上作了改进，增加了摇臂结构，使得机器人在行驶过程中，其轮子可以根据地形高低作上下调整，从而提高了移动机器人的越野能力[9]。
1.3移动机器人运动控制系统介绍
1.3.1移动机器人运动控制系统概要
移动机器人的运动控制系统是机器人系统的执行机构，对系统精确地完成各项任务起着重要作用，有时也可作为一个简单的控制器[10]。
构成机器人运动控制系统的要素有:
计算机硬件系统及控制软件、输入/输出设备、驱动器、传感器系统，它们之间的关系如图1.1所示[11]。
图1.1机器人控制系统构成要素
1.3.2移动机器人运动控制系统的设计要求
移动机器人运动控制系统的设计主要包括系统的功能和体系结构设计，功能设计主要完成控制功能和算法的软件设计，而体系结构设计是功能在硬件上的实现[12]。
根据面向的任务和环境不同，对移动机器人运动控制系统的设计也不同。
目前机器人运动控制系统存在主要问题有:
系统局限于专用微处理器、专用机器人语言，开放性差[13];软件结构依赖于微处理器硬件，难以在不同系统间移植;扩展性差[14]。
针对这些不足，进行机器人运动控制系统设计时应考虑以下要求:
（1）开放式系统结构。
采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便扩充功能，使其适用于不同目的的科研需求[15-16];
（2）合理的模块化设计。
硬件根据系统要求和电气特性进行模块化设计，不仅方便安装和维护，而且提高系统的可靠性;软件按功能分成不同模块，便于修改、添加;
（3）实时性、多任务要求。
控制器必须能在确定时间内完成对外部中断的处理，并且可以多个任务同时进行[17];
（4）网络通信功能，便
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