控制机器人行走设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 控制机器人行走设计 摘 要 本课题选用轮式作为机器人平台设计研究， 通过特殊的运动机构设计，仅通过两个电机的控制即可实现机器人的全方位运动，且结构简单，拆装方便，易于实现轻型化。其结构 用空心管将两轮联接成“工”字形状，两轮轴心处各有一内置步进电机，控制车轮的正反转，实现机器人全方位的行走。在两轮的内侧各有一个挂篮与空心管固定为一体，挂篮内装有蓄电池块，既可作为动力源，还可以当作配重块。挂篮与空心管通过螺丝联接成一体，方便拆卸。在空心管的中端有一摄像头，用于观察反馈现场情况。通过遥控控制电机的转向，可轻松实现 机器人的前进，后退，及原地转向。挂篮底部装有蓄电池块，能够起到偏重块作用，保证了轮式机器人的在平路或斜坡上都能够保持静止状态。该机构 采用了一种全新、高效的内驱动方式， 通过遥控电机的转向， 双轮 机器人能自如地完成直线、圆弧运动， 最高 运动速度达到了 5m/s，能够爬上 30 度的斜坡，并且能够实现原地自转。在静止状态下 轮式 机器人能够沿任意方向启动运动。 设计时特意采用弧形空心管，大大提高了机器人的底盘，使得该机器人行走可以直接通过障碍物，具有良好的过障碍能力，这在条件恶劣的道路上行走尤其重要。 该轮式机器人在国内外还处于刚 刚起步阶段，其前景广阔，适用性较广， 在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值 。 关键词 ： 超轻型机器人 轮式 平台设计 步进电机 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 the type platform of light robot This lesson all-directions sport for control for choosing using a type be used as the robot platform the design the research, passing the design of special sport organization, only passing two electrical engineerings can immediately realizing robot, and the construction is simple, and the pack convenient, apt to realize the light Its construction take care of to connect two s with hollow arc-shaped “ work word shape, two axle hearts are each to have a the inside place an into the electrical engineering, control felloe positive and negative turn, realize the robot the all-directions to run about. In two rounds of seamy sides each reach a hang the basket to fix to integral whole with hollow tube, and hang an inside to pack to have the storage battery piece, since can be used as the motive , and can still regard as the heavy piece of Hang the basket to pass the screw with hollow tube to connect the integral whole, convenient unload. In the hollow tube of inside carry to have a the resemble the head, and used for to observe the circumstance of vera the spot. Pass to control from a distance to control the turning of electrical engineering the direction, relaxed realize the robots headway, retreat, and originally turn direction. Hang a bottom to pack to have the storage battery piece, and can rise to over-emphasize a function, and guarantee the round the type robot on the even road or slope to can keep the static appearance. The inside that that organization adopted is an all new, efficiently move the way, and pass the turning of remote control electrical engineering the direction, double the slope for round robot can from if ground completing the straight line, arc the sport, tallest sport the speed come to 5 m/ s, can climbing ascending 30 degrees, and can realize to originally rotate. Under the quiet appearance round type robot can along arbitrarily the direction start the sport. |Design hour the adopt the hollow tube of arc-shaped, and consumedly increased the robots bed rocked, and the making that robot to run about can directly pass the stumbling block, and have the good the obstacle ability, and this is the bad road in the term to up north route to walk particularly important. This type robot at domestic and international still be placed in just the start stage, its foreground is vast, applicability than wide, in the teaching, section , open country the homework, public conveyance aspect have got the extensive and applied foreground, and fear in the anti and 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 the other and sophisticated realm have important of the application is worth a. Key word: the type platform of light robot round design the application Stepper motor 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 目录 摘 要 . 1 1 绪 论 . 1 1.1 课题研究目的 . 1 1.2 课题研究意义 . 2 1.3 国内外发展现状 . 2 1.3.1国内轻型机器人研究现状 . 2 1.3.2国外轻型机器人研究成果 . 5 2 课题方案设计 .10 2 1 步进电机的特点 .11 2 1步进电机具有如下特点： .11 2 1 2 步进电机主要参数及性能指标 .12 2 2 设计方案 .12 2 3 受力分析 .13 2 4 设计校核 .15 3 功能实现 .18 3.1 机器人的各项参数 .18 3.2 机器人的功能 .19 3.3 遥控控制功能的实现 .21 3 3 1 控制器单元的选型 .22 3 3 2 单片机的确定 .23 3 3 3 单片机的最小系统电路 .27 3 3 4 两个步进电机控制电路 .28 3 3 4 主控制电路图 .29 4 结 论 .30 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 下载文档就送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 1 绪 论 1.1 课题研究目的 在当今世界机器人已经越来越广泛的进入人类的生活，在各个领域内都有着机器人的利用，如机械制造，车辆运用，冶金，医疗等等行业。在军事上，随着机器人的广泛应用，世界各军事大国也在加紧对军用机器人的开发，应用。其主要的发展方向就是远程遥控机器人的研制和应用。 遥控车辆是军用地面无人车辆的起始发展阶段，其研制时间长，技术较 为成熟，目前许多国家的部队中都装备有各种不同的遥控车辆。 遥控车辆是初级的不具备智能的无人车辆，它由远程受控车辆 (以下简称远程车辆 )和控制台 (单元 )组成。操纵者操纵控制台 (单元 )发出各种指令，经通信连接传送至远程车辆，由远程车辆上的各种执行机构执行各种指令，实现操纵者的控制要求。 采用遥控形式的地面车辆 (机器人 )诞生于二战时期。由于能承担排除地雷和爆炸物、清障、三防侦察以及开辟通道等各种高危工作 ,世界各国从上世纪 70 年代末纷纷开始了遥控车辆的研制工作。 遥控车辆的操作员 一般 通过无线电向车辆及其任务系统发出大部 分指令和派遣任务。对于车辆所处的环境、活动状态等信息， 则 主要靠各种传感器来获得。 远程 车辆没有地形分析能力，也不能进行军事机动，更不能接收其它来源的信息， 其 所有认知过程都由操作员负责。 远程 车辆可完成探雷、排雷、爆破、爆炸物处理、未爆物排除、物资处理及单兵侦察与监视等任务。 经过初期的可行性研究，遥控车辆的研究集中于标准遥控系统的建立。标准遥控系统包括体系结构的定义及各功能模块的研制，目标是不依赖于具体的车辆平台、任务以及执行硬件，而能够根据需要快速实现车辆的遥控化。美国在波黑战争中就利用标准遥控系统快速地研制 了 Panther 遥控扫雷车 (在 M60 坦克底盘的基础上 )以及 Mini flail 小型扫雷车。 遥控机器人车辆是较低级的机器人系统，必须由操作者进行远距离控制，在目前的技术水平条件下，这种车辆的研制易获成功，周期短，费用低。 我所进行的设计就是设计出一双轮式的远程控制机器人，以实现在远程的无人侦查任务，减少人员，经济的损失。并通过这次设计检验自己在机械设计这一专业类所学知识的掌握情况，并进一步的查漏补缺，完算自己的知识体系，为以后的工作生活打下坚实的基 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 础。 1.2 课题研究意义 研制机器人的最初目的是为了帮 助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域 、 军事、海洋探测、航天、医疗、农业、林业也都开始使用机器人。 本课题选用轮式作为机器人平台设计研究，两轮式机器人在国内外还处于刚刚起步阶段，其前景广阔，适用性较广， 在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值 。已经初步做出了简单的实验模型，解决了轮式机器人的传动机构难题。 该轮式机器人运动响应迅速，具有 高机动的零半径转向能力，并且在运动过程中不存在失稳状态。摄像头的密封式结构可以将内部器件密封保护起来，免受外界环境的影响，非常适合在潮湿、多尘土、多辐射或有毒的环境中执行任务。它具有广阔的应用前景，例如，通过搭载视觉传感器或气体传感器等设备，它可以在缺少人干预的环境中进行战场侦察、室内或库房的巡逻及行星探测等任务，也可以通过搭载声光电等设备作为一种新颖的具有移动性和交互性的儿童玩具。 1.3 国内外发展现状 1.3.1国内轻型机器人研究现状 国内无人车辆的研究起步较晚，直到 80 年代末才开始这方面的研究。 在 863 高技术计划中，把智能移动机器人技术研究作为一个研究项目，对路径规划、测距系统、图像处理技术、自动技术系统等进行了研究，并取得了许多成绩，制成了无人驾驶的车辆。 上海大学谈士力教授等科研人员经过 3年多时间的协作攻关，研制成功球形壁面爬行机器人。经专家鉴定，这种机器人的爬行、吸附机理和机构的应用研究，为实用化提供了理论依据和实验平台，并具创新性，其性能达到国际先进水平。球形壁面爬行机器人可用来代替人工进行的一些危险操作，进行各种储存有毒有害介质的球形储存罐的检修工作。其中包括核工业和城市石化工业球形储液 罐的视觉检查、超声侧厚和焊缝探伤等作业。 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 球形壁面爬行机器人采用了缩放机构原理、气动驱动、真空吸附的六足移动方案，具备在最小曲率半径为 2至 5 米的球形壁面上完成任意方向的直线移动和原地转向的能力，可采用多种步态行走，并能跨越 300 毫米高的条形障碍，其球面吸附机构采用具有真空传感功能的铰接式橡胶真空吸盘，机器人的移动速度可达每分钟 10 米。该机器人的控制系统采用上下微机控制方式，实现了 18个关节联动控制，具备自动行走和手动遥控动能。 北京邮电大学以孙汉旭教授为首的研究小组承担的国家自然科学基金项目的研究，经过 几年的艰苦努力，开发出了拥有我国自主知识产权、国内首创且具有国际先进水平的球形机器人。北京大学相关机构对球形机器人进行了全面查新，结果表明，目前该结构的球形机器人在国内外尚无先例，属创新性研究球形机器人是 20 世纪 90 年代机器人研究界提出的一个崭新课题。北京邮电大学机器人实验室研制的球形机器人采用了一种全新、高效的内驱动方式，球形机器人能自如地完成直线、圆弧运动，运动速度达到了 3m/s，能够爬上 20 度的斜坡，并且能够实现原地自转。在静止状态下球形机器人能够沿任意方向启动运动。 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 图 1 球形机器人 针对国内危险行业与部门实际需求，在国家 863 计划的大力支持下，国内一些科研院所学校围绕少数型号的危险作业机器人进行了重点攻关，尤其自“十五” 863 计划实施以来，在危险作业机器人方面取得了较大的进步，获得了一批的成果， 中国自行研制的先进“排爆机器人系统”，在最近举行的反恐演习中频频上镜，给人们留下了深刻印 象；可以出入险地执行特种侦察任务的无人驾驶侦察车系统，可以携带真枪实弹冲锋陷阵的无人驾驶战车、坦克系统，早已研制成功 。 图 2 “灵蜥 B”型排爆机器人 中国科学院自动化研究所研制出了一种智能自主轮式移动机器人，包括：摄像机，为 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 机器人提供他所在环境的外部信息；工控机，通过总线 CAN 分别与电机驱动 /控制器、超声环、红外环进行通信；运动机构，由电机驱动 /控制 其进行控制。此发明机器人能够根据超声传感器、红外传感器和视觉闩杆球进行资助笔帐，利用视觉传感器进行动态目标跟踪、目标特征识别。此外，该机器人还具有语音人一机交互功能。监控人员能够通过无线迈可直接对机器人进行语音控制。同时，机器人能够与人进行交谈、互相问候以及进行自我介绍 。 近些年来，随着航天事业的飞速发展，我国开始了月球车系统的研究。月球车即月球探测机器人，分为有人驾驶和无人遥控两种。我国研究的重点在后者，这是一项复杂的系统工程，涉及到机械、机器人的遥控作业、空间技术、通讯和信号处理、加工自动化和人工智能等 诸多学科和领域。主要任务是：从遥感数据验证天文学推理的各种科学理论与事实，对特定地区进行探测，判断月球上的水温、火山、峡谷、月球表面生成与进化过程，对月球表面的太阳辐射线、太阳风、陨石等的活动情况进行探测，对月球上的岩石进行全面的调查与分析，对月球上所有区域的资源数据进行收集，为建立天文台做地盘的调查，做各种元素的加热实验及氦 3 的抽样实验。月球车的设计是一项复杂的系统工程，其研究涉及到许多学科和领域，如机械、机器人的遥控作业、空间技术、通讯和信号处理、加工自动化和人工智能等。 1.3.2国外轻型机器人研 究成果 1. 小型无人地面车辆 (SUGV) FCS 家族中最小的平台将是便携式小型无人地面车辆（ SUGV），能够在城市地形中的隧道、下水道和洞穴内执行 RSTA 任务。小型无人车的目标重量小于 13.6 公斤，能够携载重达 2.72 公斤的模块式 “ 即插即用 ” 载荷。根据设想，小型无人地面车辆将能够连续工作 6个小时，在地面上能够在距操作人员 1000 米远的地方遂行作战任务，在隧道中能够在距操作人员 200 米远的地方遂行作战任务。 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 图 3 小型无人车 SUGV 2. “ 角斗士 ” 战术无人地面车 洛克希德马丁公司研制的“角斗士”机器人士兵 是一种多用途系统 ,主要有两种类型：六轮式和履带式。 设计任务包括：侦察、监视和目标探测；工程侦察；直射；通信中继；战术欺骗；作战补给；反狙击部署。该车结构简单，易于运输，适于在沿海战场使用，主要供海军陆战队旅 和 旅级以下单位使用， “角斗士”全重 725 公斤，公路行驶速度 25 千米 /小时，越野速度 10 千米 /小时。它采用混合电 驱动发动机，能 24 小时使用。“角斗士”将由高机动性多用途轮式车辆（ HUMVEE）或 V-22“鱼鹰 ” 倾转旋翼机运输。 履带式“角斗士”机器人士兵装备有可保障车辆在黑暗和烟雾中视物能力的摄像机、GPS 定位系统、声学和激光搜索系统、可辨别生化武器的传感器等各种设备，也可根据需要装载各种武器和货物。这是一种非公路型无人地面战车，从理论上讲，履带也可以改换成轮胎。“角斗士”拥有相当的智力水平，能根据机器视力算法、探测装置融合算法到达指定地点，并能记住所走过的路线，之后丝毫不差地按原路自动返回，也不会陷入临时设置 的障碍坑中。 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 图 4 六轮式“角斗士” 3. 微型机器人 美国新墨西哥冶金技术研究所的佩内洛普 波士顿博士和麻省理工学院的斯蒂芬 杜伯斯基博士目前正在研制一批只有网球大小的微型机器人。这些采用弹跳方式运动的机器人将被用来探测太阳系中的其他行星。较之 “ 勇气 ” 号和 “ 机遇 ” 号这样的火星车，目前仍处于研制阶段的球形机器人将能够更为容易地抵达那些地形复杂的区 域。由于采用了特殊的跳跃式前进机制，这种微型机器人可轻易地越过各种障碍物。不过新型机器人的体积虽小，但装备却一点儿也不含糊它们同样也携带了微型照相机、光谱分析仪和其他多种传感器。这些微型装置最主要的优点在于：重量轻，体积小 ， 一次可成百上千地被投放到指定的探测对象上。当抵达某一行星表面后，大量的微型机器人会组成一个庞大的探测网络并可经由轨道站或者直接将获取的信息传回地球。 图 5、微型机器人 4、双轮行走运输机器人 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 三洋电机开发出了可依靠上体倒立来保持平衡的双轮行走机器人 “FLATHRU” ，并在从 2002 年 6 月 19日起至 25 日于福冈举行的 “ 机器人世界杯 2002 福冈 釜山 ” 上做了参考展示（图）。 FLATHRU 的构造为：头部位于筒状身体上部，底部左右各设计有一个轮子，头部兼作载物平台。当然移动时使用轮子。但是，直接靠轮子移动会形成 “2 点支撑 ” ，机器人站不稳，最严重时甚至会跌倒。为此，新型机器人对轮子的驱动力进行了控制，使其 上体的重心始终位于连接两轮的轴线上，能够在上体倒立的同时保持平衡。销售日期尚未确定。推出这种机器人主要是探求市场对于 “ 生活辅助机器人 ” 的需求。 新型机器人通过前进和后退时将上体向前方或后方探出、使得重心前移或后移。此时根据车轮速度改变上体倾斜角度，来巧妙地掌握平衡。这样一来， “ 即使地面稍有凹凸不平，也可以正常移动，不会跌倒 ” 。 为了使头部的物品放置平台保持水平，在头部也设置了关节。除了考虑物品本身的重力外，还考虑到机器人加减速时作用于物体的惯性力，通过使头部前后左右地移动来保持平台的水平。因此，在为用户 取水杯时，杯中的水不会撒出来。 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 图 6、远程控制运输机器人 5、美改进型轮式机器人 由美国卡内基梅隆大学研制的改进型轮式机器人自动越野车“流浪者”（ Nomad），将再次返回南极，对南极做更为出色的考察工作，在表 面冰层寻找新的生命形式。 Nomad 原型车于 1997 年装配成功，曾经穿过智利的阿塔卡马沙漠，跋涉 220 公里，成功完成越野旅行试验。它也曾在南极从事过寻找陨石的工作。这次，改进后的 Nomad 准备再返南极，在冰层顶部寻找活微生物的痕迹。它装有新的导航系统，可以自动行驶很长距离，还装有风力发电装置，可以补充太阳能电池的电力损耗。 卡内基梅隆大学的研究人员最近在新罕布什尔州马斯科姆湖的冰面上进行了有关试验，以研究“流浪者”机器人越野车靠风电和太阳能电力供电的可能性。结果，该车成功地穿过马斯科姆湖的冰雪湖面， 行驶了 10 公里。这项工作是“在南极用机器人探索生命 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 计划”（ LORAX）的一部分，该计划打算测量在南极高原近表面冰层生存的微生物的分布状况。 卡内基梅隆大学、美国宇航局和美国陆军寒冷地区研究与工程实验室共同进行的这项研究，主要是在马斯科姆湖的湖面上进行长距离自主导航实验，实验模拟南极高原的冰盖层。美国陆军寒冷地区研究和工程实验室负责向宇航局和卡内基梅隆大学提供后勤支持和实验设施。寒冷地区研究和工程实验室做出整个实验区的冰厚度测量，并证实 45 厘米厚冰层为机器人越野车在南极实验的安全条件。 科研人员一直在 对“流浪者”上的传感器和计算机不断进行改进，以实现独立行走和测量。 1997 年，“流浪者”穿过阿塔卡马沙漠； 2000 年，“流浪者”独立行走在南极发现陨石，并成为靠自己能力完成南极大陆科学考察的第一个机器人。野外试验的目标是确立“流浪者”机器人车在冰雪上的可移动性，而自主导航技术是满足在南极的“穿越”需求。 宇航局艾姆斯研究中心的皮特森是该计划的主要研究人员。卡内基梅隆大学机器人研究所的威特格林和埃博斯特勒负责机器人越野车的设计、分析和研发其自主导航系统。加州大学伯克利分校的研究人员则负责研发荧光光谱仪，以识别 南极冰层中微生物的存在和含量。 图 7、自动越野车“流浪者”（ Nomad） 2 课题方案设计 关于机器人我的设计方案是采用步进电机驱动， 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (即步进角 )。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 达到准确定位的目的，同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分三种：永磁式 (PM)，反应式 (VR)和混合式 (HB)。永磁式步进电机一般为 两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7 5度或 15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1 5度，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家 80年代已被淘汰：混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，两相步进角一般为 1 8度而五相步进角一般为 0 72度，这种步进电机的应用最为广泛。 2 1 步进电机的特点 2 1步进电机具有如下特点： 1、一般步进电机的精度为步进角的 3-5，步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量 取决于总的脉冲个数。 2、位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的丌环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。 3、步进电机外表允许的最高温度取决于不同的磁性材料。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点，一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130度以上，有的甚至高达摄氏 200度以上。所以步进电机外表温度在摄氏 80 90度完全正常。 4、步进电机的力矩会随转速的升高 而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率 (或速度 )的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 5、步进电机有启动频率要求和加速过程。虽然步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数为“空载启动频率 ，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即 启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 (电机转速从低速升到高速 )。 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 6、 无刷，电动机本体部件少，可靠性高；控制性能好，起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步；停止时有自锁能力。 2 1 2 步进电机主要参数及性能指标 l、相数 m 电机上独立成系统而存在的回路个数即是相数。步进电机的相数可以为任意数， m通常为 2， 3， 4， 5， 6 2、步距角 p在不带任何减速装置的情况下，输入一个脉冲信号，步进电机所转过的机械角位移即步距角。 3、距角 特性步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性。静转矩是指步进电机转子静止时，控制绕组通以直流电，由失调角 (定转子中心线间夹角 )的存在而引起的电磁转矩。当绕组内电流不变时，静转矩随失调角在一个齿距角范围内变化一个周期，在近似分析中视距角特性为正弦曲线。 4、最大静转矩瓦即距角特性上最大电磁转矩值，它的值取决于绕组内电流的值及通电相数 1331。 2 2 设计方案 如图所示，其结构 用空心管将两轮联接成“工”字形状，两轮轴心处各有一内置步进电机，控制车轮的正反转，实现机器人全方位的行走。在两轮的内侧各有一个挂篮与 空心管固定为一体，挂篮内装有蓄电池块，既可作为动力源，还可以当作配重块。挂篮与空心管通过螺丝联接成一体，方便拆卸。在空心管的中端有一摄像头，用于观察反馈现场情况。通过遥控控制电机的转向，可轻松实现机器人的前进，后退，及原地转向。挂篮底部装有蓄电池块，能够起到偏重块作用，保证了轮式机器人的在平路或斜坡上都能够保持静止状态。该机构 采用了一种全新、高效的内驱动方式， 通过遥控电机的转向， 双轮 机器人能自如地完成直线、圆弧运动， 最高 运动速度达到了 5m/s，能够爬上 30 度的斜坡，并且能够实现原地自转。在静止状态下 轮式 机器 人能够沿任意方向启动运动。 设计时特意采用弧形空心管，大大提高了机器人的底盘，使得该机器人行走可以直接通过障碍物，具有良好的过障碍能力，这在条件恶劣的道路上行走尤其重要。 通过控制两个步进电机同步同向转动，双轮机器人能实现快速直线行驶，其结构简单， 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 不存在失稳状态，易于控制。又可通过控制步进电机同步反向转动，迅速实现后退，其反应灵活，操作方便。还可单独控制左右一侧电机的转动，实现机器人的左右转弯，必要时还可控制两侧电机的同步异向转动，机器人能实现原地转向。该设计平台操作简便，用途广泛，在未来各领域都能有着广阔的 发展空间。 车轮的电机采取内置 ，没有导线在外裸露，不易被障碍物挂住或挂断导线，使机器人适应恶劣环境的能力增强； 轮子 与地面接触产生的摩擦力为驱动力，没有被动摩擦轮，运动效率高；轮子与地面接触面小，对路面条件要求低，适应环境能力强。这种 轮式 机器人用最少的自由度，以欠驱动的方式实现了机器人的全方位运动。 并在弧形管的中间安装一摇控摄像头，通过控制摄像头的云台可控制摄像头实现左右、高低转动，扩大了摄像头的观察视野，使得摄像头能够全视距观察现场情况。在特殊场合下，还可通过搭载武器、传感器等特殊装备，来完成一些特殊任务， 减少在战争中的人员伤亡。 这种机器人 平台 在教学、科研、野外作业、民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值。 2 3 受力分析 为了便于受力分析，我们可将该轮式超轻型机器人作为一整体，其受力可简化为重力G、地面的反作用力 F、摩擦力 ，其受力分析取三种情况进行研究，超轻型机器人在平路上行驶，爬坡，以及在斜坡上的静止。下面从三种情况开始分析： 1.在平路上行驶时 在平路上行驶时，如图所示，在路面受力分析如下， G-重力 N-地面反作用力 Ff-摩擦力 在 平路上时，机器人受本身重力 G，地面的反作用力 N，和摩擦力 Ff.可知电机的额定功率 P为 240W，额定电压为 48V，额定转速为 190 转 /分，机器人全重 M 为 65kg，额定输 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 出转矩为 12N. m ,R 为 270mm。 RLnLVNG*14.3*2* 解方程组，可求出机器人在平路上最大的直线行驶速度为 5 m/s. 2.在斜面上行驶 G-重力 N-地面反作用力 Ff-摩擦力 爬坡时，如图所示，由摩擦力 对机器人的反作用力， 使得扇形挂篮逆时针转动，起到偏心的作用，从而使得该机器人能轻松实现爬坡，并通过对电机的调节能实现机器人在斜坡的静止。对超轻型机器人爬坡时的两种状态进行分析： 上坡时，在电机的作用下，机器人向上运动，受自身重力 G 和斜面的作用力 N，和摩擦力影响。其平衡公式如下： fFGFVFPGNs in*c os* 机器人在斜坡上静止时，牵引力 F 和重力沿斜面向下分力 G*sin 与摩擦力 Ff 平衡，可求出最大的爬坡度。 30 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 2 4 设计校核 由于本机器人大部分的结构 采用的是现有零件，故仅对其连接轴进行校核。 由于中间周在整个的运动过程中并没有随之转动，故将其视为梁计算。可知中间轴的结构如下图所示 : 1、对轴的强度进行校核 （ 1）、作剪力图、弯矩图，判断危险面。 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 由上图可知危险面为 I、 II、 III。 （ 2）、计算弯曲截面系数。 3393649343106 1 3.0108132651210)128(1321012)(132mmDdD（ 3）、校核最大正应力作用点的强度。 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 MPaM66.5710613.025.356maxmax（ 4）、校核最大切应力作用点的强度。 NF 245max 截面面积 24622221055.810)812(4)(4mdDAM P a57.01055.82 4 524m a x 可知合金刚的强度系数为 740MPa。 0.57MPa740MPa 故轴的强度足够。 2、对轴的刚度进行校核 轴的挠度图如下： 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 由图可知危险点为轴的中点，对其进行校核有 LmL E IbxLxbFL E IbxLxbF0002.010674.31039.31084.2101.21020086067804308604307802002101.2102008606)4302860(430430906)(26)(6674922249222222222221212111m a x故轴的刚度足够。 3 功能实现 3.1 机器人的各项参数 整车主要 技术参数 外形尺寸 860*430*780 整车质量 不大于 65 kg 最 高车速 不大于 18km/h 续行里程 450 变速 0-18km/h 12V 蓄电池主要 蓄电池类 高能免维护铅酸蓄 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 技术参数 型 电池 电池容量 9Ah 标称电压 12V 48V 电动机主要 技术参数 电机类型 无刷无齿 额定功率 240W 额定转速 190r/min 额定电压 48V 额定输出转矩 12N.M 48V 控制器和 充电器的主要 技术参数 欠压保护 42 0.5V 过流保护 15A 1A 充电电流 1.6A 1.8A 充电电压 59.2 0.4V 浮充电压 54.8 0.4V 浮充电流 0.4A 0.1A 充电时间 6 9 小时 充电输入 AC220V50HZ 数码摄像头主要技术参数 产品名 SP-200AP CFG1 镜头 1/4“ 彩色 SONY 芯片佳能镜头 420 线 1.0LUX F=3.985.8mm 22 倍光学变焦 3.2 机器人的功能 机器人的整车图如下 : 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 1、运动功能 整个机器人在平时的直线运动中能达到 18km/h 的运动速度，并能实现在运动中向左、向右的转弯。在原地的时候，能实现以半径为 1 米的原地转向。车体的最大爬坡度为 30度。 2、侦察功能 由于在车上安装有焦距为 6mm，水平拍摄视野为 60 度的摄像机，车子在运行过程中能对其经过的地形进行拍照，能所控制者得到车体运行中所经过地形的具体情况。 3、远程控制功能 通过远程的控制平台，操作者能实现在远程对车辆的运动进行 控制，使的车辆能更好的完成其任务。由于使用了远程操控技术，当车辆用于战场时，其能大大的减少人员的伤亡。 4、远程通信功能 由于车辆上装有摄像机，如果在其上在装载一话筒，就能实现车辆携带人员与后方基地人员的远程通信，能更好参加战斗。 5、载物功能 在战时可以在车辆的中间轴上加载物体，能通过车体的运输将战时所缺少的物品无伤 中国地质大学长城学院 2012届毕业设计 学习好资料，毕设专用，答辩优秀 亡的送到战场，减少了损失。 3.3 遥控控制功能的实现 移动机器人运动控制即控制机器人按规划的轨迹运动，控制的好坏对机器人的性能有着直接的影响。移动机器人运动控制器是移动机器人的 执行机构，对系统平稳运行起着重要作用。世界各国都很重视移动机器人运动控制的研究工作，并且投入了大量的人力和物力。目前，轮式移动机器人常见的控制方法是双闭环控制移动机器人的左驱动轮速度和右驱动轮速度，其控制算法主要是 PID控制算法和模糊逻辑控制算法。 国外： PID控制是最早发展起来的控制策略之一。由于 PID控制器具