机械毕业设计1372探测机器人系统的设计.docx

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机械毕业设计1372探测机器人系统的设计

摘要

本设计采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。

该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。

而轮式探测机器人则机动性能比较好。

除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动控制方案。

机器人最重要的机构是运动底盘的设计，即使软件设计的再好，移动方式没有设计好，那么机器人也不会很好的执行任务。

轮式，腿式，履带式的移动方式在设计过程中已经给出，

可以根据自己设计的要求进行选择如果地形比较平缓，或是有沟壑的地形，可以选择履带的移动方式；如果是平缓没有沟壑的地形，就选用轮式的移动方式；如果地形成阶梯状，而且地形比较复杂，最好选用腿式的方法。

本设计可以采用两种控制系统，即通过上位机直接通过总线对机器人进行控制或是通过无线电台对机器人进行控制。

关键词：

探测机器人；模块化设计；履带移动方式；机器人的控制系统；

Abstract

Thedesignismodularindesignsothatinaccordancewithrequirementsofoptionsandcustomconfiguration,andwhenneededtofacilitatethereplacementandaddothermodules,andisgiventwomobileformsofdesignoptions,thatis,trackedandwheeledmobilewayofdesign,Bothhavetheirowncharacteristics,butmainlytocrawler-basedresearchanddesign,ithasgoodmobilityinthebarrier,theinter-ditch,climbinghasobviousadvantages.Therobotisthegreatestadvantageofthebarrierhasagoodperformance,adapttoenvironmentalperformance,Fangshuaiimpactresistanceandhaveall-terraincapacity.Thewheeledrobotwilldetectmobilityisbetter。

Inadditiontodetectingrobotdesigntheoverallstructure,butalsogivesamobilecontrolways。

Robotisthemostimportantbodiesofthesportschassisdesign,eventhebestsoftwaredesign,mobiledesignmeansnogood,thentherobotwillnotbeverygoodmission.Wheeled,legged,trackedthemovementofwayinthedesignprocesshasbeengiven,Canbedesignedinaccordancewiththerequirementsoftheirownchoiceiftherelativelyflatterrain,oragullyoftheterrain,canchoosetotrackthemovement;Ifthegullyisnotflatterrain,onthechoiceofwheeledmobileway,ifformedladder,andMorecomplexterrain,thebestchoiceleggedapproach。

Thisdesignusestwotypesofcontrolsystems,throughthePCdirectlythroughthebustocontroltherobotthroughtheradioortocontroltherobot。

Keywords：

Detectingrobot;modulardesign；trackedmobile；robot'scontrolsystem；

目录

摘要――――――――――――――――――――――――I

Abstract――――――――――――――――――――――II

第一章　概述――――――――――――――――――――――――４

1.1机器人的应用范围――――――――――――――――――――――４

1.2探测机器人的先状及发展趋势―――――――――――――――――４

1.3研究内容――――――――――――――――――――――――――５

第二章　机械系统的设计―――――――――――――――――――７

2.1计算机模块的设计――――――――――――――――――――――７

2.2　　传感器模块的设计――――――――――――――――――――――８

2.3　　电源及驱动模块的设计――――――――――――――――――――８

2.4　　底盘运动模块的设计―――――――――――――――――――――８

2.5　　各模块的连接――――――――――――――――――――――――11

第三章　能源驱动的设计选择―――――――――――――――――14

3.1能源的供给―――――――――――――――――――――――――14

3.2　　电机的选择―――――――――――――――――――――――――14

3.3　　电机驱动的选择―――――――――――――――――――――――15

第四章　传感器系统的设计――――――――――――――――――17

4.1视觉传感器―――――――――――――――――――――――――17

4.2　　超声波传感器――――――――――――――――――――――――17

4.3　　红外传感器―――――――――――――――――――――――――19

第五章　探测机器人的硬件系统――――――――――――――――20

5.1传感器采集系统―――――――――――――――――――――――20

5.2　　保护电路――――――――――――――――――――――――――20

5.3　　红外传感器的接线――――――――――――――――――――――21

5.4　　超声波传感器的接线―――――――――――――――――――――21

5.5　　罗盘处理流程――――――――――――――――――――――――21

5.6　　RS485-RS232转换电路――――――――――――――――――――22

第六章　探测机器人计算机硬件系统――――――――――――――23

6.1无线电台通讯系统――――――――――――――――――――――23

6.2　　电子罗盘――――――――――――――――――――――――――23

第七章　探测机器人软件系统的开发――――――――――――――25

　　　　移动控制系统的设计―――――――――――――――――――――25

　　　　演示控制程序――――――――――――――――――――――――25

结束语　　　　　　―――――――――――――――――――――29

参考文献　　　　　―――――――――――――――――――――30

第一章概述

出于重要的战略意义，资源领域已成为各科技强国相互竞争的一个焦点，出于安全性等因素的考虑，对探测机器人的研究设计也成为了开发资源的重要硬件之一，探测机器人可以帮助人类完成一些不能完成的任务。

1.1机器人的应用范围

1）行星探测移动机器人

行星探测移动机器人的研究对于发展行星科学、提高国防能力、提高国家的国际地位等方面均有重要意义，因为:

①移动机器人是行星科学研究中着陆探测和取回样品到实验室分析的有力工具。

②人类在太空中停留数月之久会严重丢失钙和磷，这似乎意味着人类不可能在重力为零的状态下飞行6一9个月或更长一点时间。

但机器人不存在这个问题。

因此，行星探测移动机器人的研究是对行星进行长期实地考察的需要。

③大大节省探测成本。

以月球探测为例，根据粗略的估计，一次有人驾驶的飞行所花费的钱要比无人驾驶飞行多50一100倍。

因此，光就科学上的探索来说，用机器人执行无人驾驶飞行任务是合算的。

④有利于提高国家国防自动化的水平和国际地位。

因此，行星探测移动机器人的研究受到世界各国的高度重视。

2）海洋探测机器人

海洋探测机器人人已经广泛应用于海洋开发的许多领域，随着海洋开发的不断深入，续航力大、探测范围广、能执行多种复杂任务的大型机器人需求也越来越大。

主要用于海洋石油开发、海底管道光缆巡查检修以及其他各种复杂任务。

为了使机器人能更好的完成指定任务，水下机器人的运动性能预报就成为了一个重要的研究课题。

3）油井故障探恻机器人

探测仪器的送进是油田上测井、修井等井下作业中的一项重要技术。

4）履带式井下探测机器人

中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。

这种探测机器人可在灾害发生前对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后进行施救等重要的危险任务。

关于探测机器人应用范围比我们想象的要广泛的多，在军事方面，已经研究出了反坦克雷探测机器人；还有医学探测机器人等。

2006年，中国政府制定的《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》，将发展航天事业置于重要地位。

根据上述两个规划纲要，中国政府制定了新的航天事业发展规划，明确了未来五年及稍长一段时期的发展目标和主要任务。

按照这一发展规划，国家将启动并继续实施载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优先项目，加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新。

要发展航空事业，对月球进行探索，那么研究设计探测机器人是必不可少的过程。

1.2探测机器人的现状及发展趋势

1）在行星探测机器人的研制方面，美国和俄罗斯处于世界领先地位。

从20世纪60年代开始，美、苏向月球以及金、火、水、木、土等星球发射了许多探测器。

格林威治时间1997年7月4日17时07分，美国国家航空航天局困ASA）发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。

探路者登陆器上带有各种仪器及“索杰纳”火星车团。

这是上世纪自动化技术最高成就之一。

日本对机器人的设计也处于领先地位。

日本京都大学科研人员已经开发出一种新型机器人,能在强烈地震发生后到废墟中探测被埋人员。

还专门进行了实用演示。

这种机器人外表象是一条粗大的节足昆虫,长1·43m,由7节组成,有人的小腿一般粗细,每节周身都缠满纵向履带。

它可以在遥控下从瓦砾的夹缝中蜿蜒穿行,装在头部的摄像机镜头会随时传输观察到的影像和搜集到的声音,从而供控制者判断里面是否有需要救助的存活人员。

未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变化的任务，机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控制特性和能耗特性。

基于不同的原理和性能侧重点，国内外提出并试验了多种类型的空间探测机器人移动机构。

2）探测机器人移动系统的发展趋势如下:

（1）轮腿式，履腿式等复合型结构的移动机器人是一个研制方向。

（2）由于航天器技术、尺寸、质量和费用的限制,微小型行星探测机器人是目前发展的主流。

（3）由于通信时延和微重力作用的缘故,中低速移动机器人是研制的主流。

（4）机械结构设计与控制方案相结合是研制灵活可靠的行星探测机器人的设计方向。

3）设计探测机器人所面临的问题

尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人,但到目前为止,无论国内还是国外,同时具备以下性能的移动机器人还没有出现:

（1）能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶;（2机器人陷入软土壤中时,能自动脱离软土壤区,恢复正常的行驶能力;（3）整机的可密封性和可压缩性良好;（4）克服倾翻对机器人行驶能力的不良影响;（5）行驶的高速高效性;（6）容积可进行扩充，而这些又是行星探测等领域移动机器人运动系统所应具备的重要性能,因此,研制出新型的、综合性能更好的行星探测机器人是行星探测机器人移动系统研究中有待解决的问题之一。

1.3研究内容

本设计采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。

该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。

而轮式探测机器人则机动性能比较好。

除了设计探测机器人的总体结构外，还给出了移动控制方案。

其具体研究内容如下：

1、研究探测机器人系统的设计原则。

依据运动学原理，对机器人进行性能指标分析，动态分析，使机器人能够自适应路面，即具有抗倾覆性、爬坡性能、越障性能、跨沟性能等功能。

2、确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。

1）移动方式的确定；

2）总体结构设计；

3）传动系统设计。

3、给出移动控制系统的设计方案。

1）监测方法；

2）计算机硬件系统的设计；

3）计算机软件系统的设计。

4、探测机器人的拟定工作流程如图1-1。

图1-1机器人工作流程

第二章机械系统的设计

设计对探测机器人采用了模块化设计，总体分为四个模块，即计算机模块，传感器模块，电源及驱动模块，运动底盘模块。

模块化设计的探测机器人结构比较明了，而且在一些模块预留了一些空间，可以在需要的时候更换或添加其他模块。

其简图如图2-1

图2-1测机器人简图

其性能参数的基本要求如表所示2-1

表2-1机器人性能参数基本要求

性能

参数

额定电压

24VDC

工作电流

2A

驱动方式

直流电机驱动

电池

铅酸蓄电池组

最大速度

3m/s

最小速度

0.01m/s

最大负载

30kg

工作时间

6小时

爬地能力

15度

越障能力

3cm

2.1计算机模块的设计

计算机模块分为两部分结构，上端为度支撑架，下端是计算机的保护架。

其中支撑架是用来控制摄像头的监测方向，将摄像头安装在支撑架的套筒里，此设计是为减小外界环境对摄像头表面和线路的影响，如水，阳光的腐蚀等，虽然不能完全隔离外界的影响，但尽量增加了摄像头的使用寿命。

在支撑架的右方和下方安装两个舵机，使套筒具有上下，左右两个自由度，从而使摄像头可以全方位的监测周围的环境。

保护架是用来防止计算机受到外界环境的撞击，另外，保护架提高了摄像设备的高度，可以看的更远一些。

其简图如图2-2所示

图2-2探测机器人摄像云台简图

2.2传感器模块的设计

传感器就像人类的感觉器官，探测机器人必需要有这方面的设计，视觉传感器也有他的局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在夜间执行任务时就很难实现其功能，为更好的使机器人完成认为，再加一组超声波传感器。

传感器模块是一个由金属材料板组成的圆柱体，这种结构是根据主板的形状设计的，传感器模块虽然结构简单，但里边所安装的电路主板是机器人的枢纽，机器人个部分的电路板都在这里，所以密封工作一定要做好。

传感器块周围安装了24路红外传感器和超声波传感器。

当人遥控机器人执行任务且视频效果较好时可以关闭红外和超声波传感器，当视频效果不好或是机器人自行执行任务时，红外和超声波传感器都要开启。

传感器与箱体板安装如图所示：

2.3电源及驱动模块的设计

电源及驱动模块是为机器人提供能源的部分，安装有电池组和左右电机驱动器，因为电池组喝驱动部分有一些重量，所以采用铸铁作为箱体。

2.4底盘运动模块

2.4.1移动方式的选择

机器人的移动方式主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、混合移动式、蛇行移动式等，各种移动方式的机动性能对比如表2-2

表2-2车轮式、轮、履、腿式移动机构性能比较：

移动机构方式

轮式

履带式

腿式

移动速度

快

较快

慢

越障能力

差

一般

好

机构复杂程度

简单

一般

复杂

能耗量

小

较小

大

机构控制难易程度

易

一般

复杂

探测器需要一个良好的工作性能，要想较好的完成任务，需要平稳的移动方式。

很明显，履带式移动机构的性能居于轮式和腿式移动机构之间，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。

履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面以及沟壑等，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为探测机器人的推进系统。

所以采用履带式的移动方式。

另外，考虑到履带移动方式的机动性能比较差，所以，本章节也设计了2轮+1个万向轮的移动方案，这样可以根据地形的不同，才用不同的移动方式，在平缓的地形中，可以采用轮式，在有沟壑的地形中采用履带式。

这样就增加了探测机器人的工作效率。

2.4.2履带的选择

根据探测机器人性能参数表可知，要求的移动速度不高，但移动距离应该精准，根据这些要求，履带选用梯形齿同步带，其特点如下：

结构简图如图2-3

图2-3履带简图

结构：

工作面为梯形齿，承载层为玻璃纤维绳芯、钢丝绳等环形带，有氯丁胶和聚氨酯橡胶两种。

特点：

靠啮合传动，承载层保证带齿啮合齿距不变，传动比较准确，轴压力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，但安装制造要求较高。

应用：

v<50m/sP<300kwi<10要求同步的传动，也可用于低速传动。

2.4.3履带、齿轮的设计计算

常见的行走机构形式就是同步带/齿形带。

同步带/齿形带传动具有带传动，链传动和齿轮传动的优点。

同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。

同步带通常以钢丝或玻璃纤维为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可以用于较高速度。

传动的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98%。

传动噪音比带传动，链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需有润滑，寿命比摩擦带长。

其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。

所以同步带广泛应用于要求传动比准确地中，小功率传动中，如家用电器，计算机，仪器及机器人，机床，化工，石油等机械。

同步带的设计计算

1．选择设计功率

（1）

2．选择带型和节距

选取带型为H型

（2）

3．根据带型H和小带轮转速n1

查得最小齿轮

，此处取Z=20

小带轮节圆直径d1

（3）

查表得其外径

设计Z2=Z1=20

4．带速v=

（4）

5．定轴间距

=400mm

6．带长及其齿数

（5）

7．查表应选用带长代号为420的H型同步带，其节线长

，节线上的齿数Z=84

8．实际轴间距a=

（6）

9．小带轮啮合齿数

（7）

10．基本额定功率

（8）

查得

所需带宽

（9）

查表得：

H型带

查表得应选带宽代号为150的H型带，其

11．带轮结构和尺寸

传动选用同步带为H150

带轮Z1=Z2=20，d1=d2=80.85mm,da1=da2=79.48mm

采用同步带作为履带的优点是：

效率高，最高效率能达到90%以上；设计简单，只须根据标准规格选择节矩，齿数，长度，宽度就可以了。

但是同步带一旦选定，长度，宽度就是固定的，因此基本属于定制，设计不同的履带式平台就需要不同的同步带。

这个特点限制了同步带应用的灵活性。

本设计还附加了轮式底盘的移动方式，2轮加万向轮，因为尽管履带移动方式的稳定性比较强，但机动性比较差，所以，在必要的时候，可以根据地形的不同，装配不同的移动方式。

轮式底盘的装配图在附录中，其他模块不便。

2.4.4锥齿轮的设计

这是轮式移动方式中，传动是通过锥齿轮来实现的。

锥齿轮的计算如下：

齿轮比u=1

大端分度圆直径de1=20mm

齿数Z1=Z2=30

大端模数me1=de1/Z1=6.67

分锥角δ1=45°

外锥距Re=de1/2sinδ1=141.4

齿宽b1=φRRe=42.42

齿宽系数φR=b/Re=0.3

平均分度圆直径dm1=de1（1-0.5φR）=170

中锥距Rm=Re（（1-0.5φR）=120.19

平均模数Mm=me1（1-0.5φR）=5.6695

切向变位系数Xt=0

径向变位系数Xε=0.46（1-cosδ2/ucosδ1）=0

齿顶高ha1=me（1+x1）=6-67

齿根高hf1=me（1+c＊-x1）=8.004

顶隙c=c＊m

齿距角θa1=θf2=θf1

齿根角θf1=arctan（hf1/Re）=3.24°

顶锥角δa1=δ1+δf2=48.24°

根锥角δf1=δ1-θf1=41.76°

齿顶圆直径da1=de1+2ha1cosδ1=209.43

安装距A1

冠顶距Ak1=de2/2-ha1sinaδ1=95.285

轮冠距=H1=A1-Ak1

大端分度圆齿厚S1=me（π/2+2x1tanα+xt1）

端面当量齿数Zv1=z1/cosδ1=42.43

锥齿轮在这个设计中的作用是连接电机转轴和车轮转轴，采用的两个90度锥齿轮进行连接，这样既可以保证两个转轴之间的传动，有可以很好的黏合。

2.5各模块的连接

2.5.1计算机模块与传感器模块的连接如图2-4所示

图2-4计算机模块与传感器模块的连接

计算机模块与传感器模块的连接很简单，设计的原则就是模块化设计，各模块的拆装应该简单明了。

其中连接计算机模块与盖板的是8颗M3内六角沉头螺钉，图中显示的是其中的两个，其它6颗都与这两个对称。

注意，这里的螺钉式直接连接到盖板上的，并且计算机固定架仅仅靠着几颗螺钉连接。

因此，安装时务必装紧，避免由于震动等造成螺钉的松动。

传感器上的盖板则是用8颗M5内六角沉头螺钉固定的，一个连接机构需两个螺钉，其它六个与这两个均匀分布，这样的拆卸非常方便。

从图中可以看出，8颗内六角沉头螺钉都固定在了计算机模块的外部，很明显，这样连接即使不拆除计算机模块，也可以打开盖板看到传感器模块里的情况，为排查故障等提供了方便，还有就是，盖板要比传感器的箱体要大，因为，传感器箱体里放的是几乎所有机器人所需要的电路板，防止大量灰尘进入到里边影响电路的正常工作。

在传感器模块与盖板之间有一条扁平电缆连接，在末端分成两个插头，其中一个是插在传感器主板上，是24V电源插头，为传感器层顶的用电设备提供24V电源插头；另一个插在传感器主板上的一个扩展卡上。

作用是将机器人底层的RS-485总线转换为方便连接计算机的RS-232电平。

2.5.2传感器模块与电源驱动模块的部分连接