毕业设计说明书(机器人解救人质).doc

1、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。This design can wear a cave according to spre

2、ading the technique, machine of the feeling machine technique, intelligence control electricity integral whole to turn technique and robot to learn to develop 1, lead brook, the completion gives relief to hostage, and place safe passage etc. a series the intelligence dynamoelectric small car of the

3、action.The thesis analyzed a small car essence, main control system, information feeling to know unit and drive unit etc. the theories argument, design of the mold piece with adjust to try process, andcombine to adjust analysis of trying the process physically, elaborated a small car in detail whole

4、 drive process in of the programming and the realization of sport parameter. This design of theories design project, adjust to try the analysis method and the special features and the innovation in the design of the method, test data to order etc. is to the automatic conveyance robot, domestic expen

5、ses sweep robot, extinguish fire robot.etc. design and realization ofwith independence and the half independent robot contain certain reference meaning.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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、（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

16、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