合肥工业大学校级大学生创新训练计划项目申报书

1、 校 级大学生创新训练项目申报书项目名称 四轮驱动全向移动机器人的设计 项目主持人 66 联系电话 6666666666 电子信箱 hf6666jian 所在学院 机械与汽车工程学院 学 号 20117720 专业班级 机设779班 指导教师 钱钧 联系电话 666666666 申请日期 2014-5-12 项目起止年月 2014年5月至2015年4月 创 新 学 院 填 表 须 知一、合肥工业大学大学生创新训练项目申报书（注明国家级或校级）要按顺序逐项填写，内容要实事求是，表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。要求一律用A4纸正反页打印，于左侧装订成册。 二、申请参加合肥工业大学大学生创新训练

2、项目团队人数不得超过5人（1人为立项负责人，参与合作研究者1-4人）。三、合肥工业大学大学生创新训练项目申报书由申报学生所在学院初审，签署意见后，一式二份报送创新学院。四、如填表有不明事宜，请与创新学院联系和咨询。（联系电话：62901107）申请者情况姓名李66性别男出生年月19668所在院（系）机汽学院专业年级机设11级学号206620项目组成员情况姓名学号性别出生年月专业年级分工杨焱麟20166660男1966机设66级机械部分设计和组装朱同雄20110662男19666机设11级各部分布局规划和线路连接王力201166男19669机设11级PLC无线通信和上位机开发李剑20116660

3、男1966.8机设11级机器人运动控制系统设计指导教师情况姓名钱钧职称副教授学历/学位硕士讲授课程PLC原理及应用机器人 研究方向教学机器人和移动机器人所在院（系）机械与汽车工程学院E-mail地址qianjun电题来源：科研 教学 设计 工程 自选 其他（ ）1、 申请理由（知识条件，特长、兴趣，相关经历等）我们组成员对机械装置和控制系统充满兴趣，喜欢动手拆装机械装置和设计控制系统；我们学习了电学、C语言、机械设计、机电传动控制、PLC原理及应用和传感器等相关知识，给我们打好了坚实的理论基础。我们每人还有自己的特点：李剑曾是校级创新性项目-智能家用药箱的负责人，在项

4、目进行中，熟练地掌握了单片机的编程和电路板的绘制，擅长于硬件电路设计，有很好的团队合作能力。杨焱麟曾是合肥工业大学云电动车队车架组主要负责人，设计了并制造出了云电一代车的车架，且在去年的全国的比赛中获得了第一名的好成绩。在车队中，其动手实践能力和团队合作意识得到了很大的提高。朱同雄喜欢学习新的东西，在课余时间，经常拆装和维修很多小东西，有着很好的动手实践能力。王力，曾参与校级创新性项目-家庭燃气安全控制，主要负责电路设计和软件编程，擅长于单片机C语言编程和电脑软件的开发。另外，我们小组队员坚信无论遇到什么样的困难，我们都将努力去克服，绝不放弃。同时，我们小组也有信心在大家齐心协力、共同努力和老

5、师不辞劳苦的指导下完成此项目。 二、项目研究内容（目前研究的现状、研究方法、实验方案、解决的关键技术和创新点等）目前研究的现状移动机器人的研究可以追溯到20 世纪60 年代。斯坦福大学研究所成功地研制一种典型的自主移动机器人 Shakey。它具有在复杂环境下，对象识别，自主推理，路径规划及控制功能。与此同时，以General Electric Quadruped为代表的步行机器人也研究成功，它能在不平整，非结构化环境中运动。70 年代末，随着计算机技术的发展和应用，以及传感器技术的发展，移动机器人的研究又出现新的高潮。特别是 80 年代开始，美国国防部 DARPA 的支助下，由 CMU, St

6、andford大学和MIT 等单位开展的ALV 研究 ；能源部制定的为期10年的机器人和智能系统计划，以及后来的空间机器人计划；日本通产省的极限环境下作业机器人计划和人形机器人计划；欧洲尤里卡中心的机器人计划等。 除此之外， 很多世界著名公司不惜投入重金，纷纷开始研究移动机器人。进入90年代后，随着技术的迅猛发展，移动机器人向实用化、系列化、智能化进军。涌现出许许多多智能移动机器人。如CMU的Navlab系列移动机器人系统 ；德国Vamors-P和Caravelle 系统；日本本田公司的P 系列和ASIMO人型机器人 ； 日本索尼的SDR-3X 人型机器人和AIBO娱乐型机器人等代表着移动机器

7、人各个方面的先进研究成果。我国移动机器人是从八五期间开始这方面研究。同世界主要机器人大国相比， 尽管我国在移动机器人的研究起步比较晚，但是发展却是很迅速。对于一些室外移动机器人的某些关键技术达到了或者接近国际先进水平。国内移动机器人主要研究成果如下：清华大学的智能移动机器人 THMR- ,型机器人 ； 中科院沈阳自动化所的AGV 自主车和防爆机器人；香港城市大学的自动导航车及服务机器人；哈尔滨工业大学的导游机器人；中科院自动化所的全方位移动式机器人视觉导航系统；国防科技大学的双足机器人；由南京理工大学，北京理工大学， 浙江大学等多所院校联合研究的军用室外移动机器人。近年来，以全向运动机构为平台

8、的轮式移动机器人以其优异的运动特性，越来越多的受到了国内外研究机构以及高校的重视，得到了长足的发展。这其中，Mecanum轮式全向移动机构的出现，为移动机器人的发展注入了新的活力在Mecanum轮的发明出现以后，美国及世界众多大学和公司在此基础上进行了大量的开发和应用，应用领域涉及到了工业领域、民用领域以及军事领域，包括各类叉车、自动引导车、运输车、竞赛机器人等。1996年，美国的Airtrax公司采纳了Mecanum轮的技术，历史上第一个将运用麦克纳姆技术的车辆商业化。他们的优越性体现在可以在很小的空间环境中工作实现全方位移动，运动灵活，操作方便，极大的提高了企业的生产效率。研究方法1.查阅

9、资料法：通过查找国内外关于移动机器人研究的资料文献，对其进行分析，总结归纳出自己的设计方案；2.数据分析法：对查找的资料的数据和实验得到的数据，进行仔细的研究分析。3.理论计算法：运用力学、进行理论的计算，选择合适的机械布局结构；4.模拟实体法：运用软件，如Solidworks、CATIA等进行仿真模拟；5.实验法：通过大量的测试、实验，找寻最佳结构布局；实验方案：1. 全向移动机器人结构设计1.1总体结构设计 机器人设计采用分层设计，整个系统组成部分包括：Mecanum全向轮、PLC、无线路由器、避震机构和上位机等组成，整个系统采用锂电池供电。机器人采用四轮驱动方式，全向轮是整个设计的核心部

10、分，是实现全向运动的前提。控制系统主要由PLC控制直流伺服电机实现，上位机是PC机，通过操作PC机上的软件，通过无线网络传递信息至PLC，PLC控制机器人实现相应的运动。1.2轮系设计本课题采用的全向轮为Mecanum轮，可以实现全向移动，其全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多小棍子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特

11、殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。有4个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。图1是实际的Mecanum轮。由于我们采用了四轮驱动，即可以控制四个电机实现不同的转动的方向和不同的速度，从而可以在狭小的空间实现全向移动。图2是全向运动的示意图。例如在图2的第二个图中，当左前轮正转，右前轮反转，左后轮反转，右后轮正转的时候，机器人就可以直接横向往右移动。其他图也是同样的原理。 图1: Mecanum轮 图2：全向移动示意图 1.3底盘、减震系统设计由于机器人采用四轮驱动

12、系统，想要机器人运动，必须引入减震系统，来解决机器人四轮着地的问题。常见的减震系统是汽车的悬挂系统减震，汽车悬架系统采用的减震器多是液力减震器。对于设计的小吨位承载机器人，如果引入汽车的悬挂系统，面临成本太高和体积过大的问题，故不宜采取该方案。我们采用了一套简易的悬挂系统，采用两块弹簧钢片和底板连接，由于弹簧钢板具有一定的柔性，当和刚性地板连接后，降低了机器人本体的刚度，在机器人运动过程中，会保证四轮同时着地。同时，为了达到更好的减震效果，我们选用了四个简易弹簧，通过支撑螺栓，安装于地板和弹簧钢片间，起到悬挂作用。2.全向移动机器人运动控制系统设计2.1运动控制系统概述运动控制系统主要实现的功

13、能是直流伺服电机闭环调速和上位机和下位机的通信。控制器以西门子公司的S7 1200 PLC为核心，对四路直流伺服电机进行闭环控制，通过以太网和无线路由器实现和上位机的通信，实时处理上位机发送的运动控制信息，让机器人按照预定轨迹运动。2.2 S7-1200 PLC模块可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。S7-1200是S7-200的替代版本，其基本结构包括：CPU模块、信号模块、信

14、号板、通信模块。S7-1200 控制器具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，适用于多种应用，能够保障现有投资的长期安全。由于该控制器具有可扩展的灵活设计，符合工业通讯最高标准的通讯接口，以及全面的集成工艺功能，因此它可以作为一个组件集成在完整的综合自动化解决方案中。2.3 直流伺服电机控制模块直流伺服电机凭借着其良好的调速特性，在机器人的控制领域得到了广泛的应用，同时伴随着各种新型直流伺服电机的出现，应用比例也逐渐增加。为了提高电机的运行稳定性，实际设计过程中，单独的电机开环系统是不能满足要求的。课题采用了速度反馈闭环系统，加上先进PID控制算法，利用PWM输出进行速度的控制，能起到很好的效果

15、。直流伺服电机伺服控制器PLC光电编码器 图3 图3为速度闭环控制的图，PLC通过发送PWM来控制电机的转速，由光电编码器检测出电机的实际转速，将实际值和理论值进行比较，经过数字PID运算后，更新各个电机的PWM占空比，以达到对电机的实时控制。创新点：1、四轮驱动，可以很好的实现原地转向和全向移动。2、速度的闭环控制，实现准确运动。参考文献1 刘磊.带Mecanum轮的移动机器人全向移动控制研究J.系统工程理论与实践，2011，31(1):66-722翟天嵩. 全向移动机器人运动控制系统的研究与实现J.南阳理工学院学报，2011，3(04)：9-133 王志龙. 全向移动机器人电控系统设计J.

16、自动化与仪表.2012（12）:6-104 刘洲,吴洪涛.Mecanum四轮全方位移动机构运动分析与仿真 J .中国制造业信息化, 2011(5):43-45 5 王国胜，吕红涛，吕强. 四轮全向移动机器人的双闭环速度控制系统设J.装甲兵工程学院学报，2013，27(1):59-646 匡建辉，杨宜民.基于模糊PD控制的四轮驱动全向移动机器人速度补偿控制器研究J.计算与自动化，2011，30(1):22-257 何效飞，杨宜民.基于模糊自适应控制的全向移动机器人的运动控制研究J.计算机与现代化，2012（9）：159-1638 刘春阳,谭应清,柳长安,马莹巍.多智能体强化学习在足球机器人中的研

17、究与应用J. 电子学报. 2010(08) 三、项目进度安排（查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）1. 项目准备阶段（2014.62014.8）补充相关的知识；对相关的组成部分进行分析，选择相应的结构布局。制定具体可行的实验方案；购买所需电机、轮子和PLC等相关部件；2. 项目进行阶段（2014.92015.2）实体组装，电路连接；控制系统和无线通信程序的完成；3. 项目后期阶段（2015.22015.3）进行功能的测试，改进；4. 项目总结工作（2015.32015.4）准备相关的结题报告，ppt和论文等；准备答辩；四、拟利用资源（实验室、研究所、创新基地、实践基地、仪器设备、资料等）实验地点：PLC实验室、传感器实验室、工培中心；仪器设备：PLC试验台，示波器；资料：网上和图书馆查找与移动机器人有关的文献； 五、经费使用计划序号支出项目