小型轮式机器人的设计与研究.docx
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小型轮式机器人的设计与研究.docx
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中国矿业大学
本科生毕业设计
姓 名:
学 号:
学 院:
专 业:
设计题目:
小型轮式机器人的设计与研究
指导教师:
职称:
教授 讲师
2012年** 月 **
摘 要
本文以小型轮式机器人为研究对象,结合当前轮式机器人技术的发展,提出所需要的功能和需要满足的性能和指标,设计出小型轮式机器人行走机构。
小型轮式机器人行走机构可做为探测、侦查、以及防爆等作业的搭载平台。
通过对国内外轮式机器人的性能以及结构的研究概况的调查分析,将国内外几种典型的轮式机器人行走机构的研究比较,总结并综合了其各自的优缺点,结合本文所研究的机器人的功能,提出小型四轮和六轮机器人行走机构的虚拟样机模型。
四轮机器人采用四轮驱动、独立悬架结构。
六轮机器人采用六轮驱动、集中控制和前后轮升降系统的结构组成。
对两种轮式机器人行走机构模型在如斜坡、台阶等障碍的非结构环境下进行了越障和转向等运动分析,在此前提下进行轮式机器人行走机构的结构尺寸设计,分别对机器人行走机构在平地和斜坡模式下所需的驱动电
机功率进行了计算,并根据结果对四轮机器人选用24V250W直流减速电机,对六轮机器人选用了24V35W直流减速电机。
根据电机和轮胎的尺寸对行
走机构进行了包括驱动系统、链传动系统以及前后轮升降系统在内的机构设计,并使用建模软件 UG完成了对轮式机器人行走机构零部件的三维参数化建模,绘出零件图。
在实验场地中,对小型四轮机器人进行了爬坡、爬楼梯、高台地形下的实验,测得数据,验证了四轮和六轮机器人行走机构运动速度、爬坡、爬楼梯的能力,能完成所提出的越障指标及性能。
最后,针对论文现有设计,给出了进一步的改善优化建议,并对所设计的轮式机器人行走机构的发展前景进行了展望。
关键词:
行走机构;升降系统;越障;结构设计;建模软件
ABSTRACT
Thisthesisismainlyaboutthesmallwheeledrobot,combiningwiththedevelopmentofthecurrentwheeledrobottechnology,puttingforwardtheneededfunctionandtheperformanceandtheindexneedtobemet,anddesigningthetravelingmechanismofthesmallwheeledrobot.Thesmallwheeledrobotcanbethecarryingplatformfortheworklikedetecting,investigation,andanti-explosion.
Analyzetheperformanceandstructureofthewheeledrobotathomeandabroad,comparetheresearchofthetypicalwheeledrobots’structure,synthesizetheirmeritsanddefaults,combinethefunctionoftherobotwemakeresearchon,thevirtualprototypemodelsofthefour-wheeledandsix-wheeledrobotareputforward.Thefour-wheeledrobotadoptthefour-wheel-driveandindependentsuspensionsystem.Thesix-wheeledrobotcomprisesofthesix-wheel-drive,centralizedcontrolandtheadjustablefrontandbackwheel.
Theanalysisismadeonthestructureofthewheelrobotwhentheyareworkingundertheunstructuredenvironmentsuchasditch,footstepandetc,analyzingtheirabilitiesofgoingovertheobstaclesandturn.Onthebasisofthis,thetravelingmechanismofthewheeledrobotisdesigned.Themotorpoweriscalculatedrespectivelywhentherobotisworkingontheflatgroundorontheslope,finallythe24V250WDCgearedmotorischosetodrivethefour-wheeledrobotand24V35WDCgearedmotorischosetodrivethesix-wheeledrobot.Thedrivesystem,chaintransmissionsystemandtheadjustablefrontandbackwheelsystemaredesignedaccordingtothesizeofthemotorandtire.Thethree-dimensionalmodelofthetravelingmechanismpartsarebuiltbyusingtheUG,andthepartsdrawingaredrawnout.
Atlast,furtherimprovementandoptimizationproposalsareraisedaccordingtothecurrentdesign,andthedevelopmentofthedesignedtravelingmechanismisprospected.
Keywords:
travelingmechanism;liftingsystem;overtheobstacles;
structuraldesign;buildingmodelsoftware.
目 录
1绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外小型轮式机器人发展概况 2
1.2.1国外研发概况 2
1.2.2国内现状 5
1.2.3国内外现状总结 7
1.3小型轮式机器人的发展趋势 7
1.4论文研究内容与主要结构 7
1.4.1研究内容 7
1.4.2论文章节结构 8
2建模软件概述与控制系统设计 9
2.1三维建模软件UG概述 9
2.1.1UG软件的特点 9
2.1.2实体建模综述 9
2.1.3创建草图步骤 10
2.1.4实体建模的优点和步骤 11
2.1.5创建工程图 11
2.1.6UGNX6尺寸标注特点 12
2.2小型轮式机器人控制系统设计 12
2.2.1基于STC89C52系列单片机的开发板 12
2.2.2基于SI4432无线数据传输模块 13
2.2.3Modbus通讯协议 16
2.2.4VisualStudio2008开发环境概述 18
2.2.5VisualStudio环境下的上位机界面设计 18
2.3小结 20
3小型轮式机器人行走机构总体设计 21
3.1行走机构总体方案设计 21
3.1.1行走机构的总体设计要求 21
3.1.2指标要求 21
3.2轮式机器人的结构分析 22
3.2.1轮式机器人的行驶机构 22
3.2.2轮式机器人的驱动机构 22
3.2.3轮式机器人的车轮 23
3.3轮式机器人的结构设计 23
3.3.1轮式移动机构的运动条件 23
3.3.2移动机构选型 24
3.4轮式机器人行走机构结构设计 25
3.4.1结构设计原则 25
3.4.2四轮行走机构机构设计 25
3.4.3六轮行走机构机构设计 26
3.5小结 27
4小型四轮机器人结构设计及研究 28
4.1小型四轮行走机构驱动系统的设计 28
4.1.1驱动系统的计算 28
4.1.2减速电机的选取 30
4.1.3链轮链条的选取 31
4.2四轮机器人行走机构的结构设计 33
4.2.1底盘的设计 33
4.2.2轮胎轮毂的选取 33
4.2.3悬挂和传动部分的设计 34
4.3实验场地概述 35
4.4四轮行走机构越障运动分析 36
4.4.1爬坡运动分析 36
4.4.2高台跨越运动分析 36
4.4.3转向分析 37
4.5四轮行走机构场地实验结果分析 39
4.5.1爬坡实验结果分析 40
4.5.2爬楼梯实验结果分析 41
4.5.3高台跨越实验结果分析 42
4.5.4转向效果分析 42
4.6小结 42
5小型六轮机器人结构设计及研究 43
5.1小型六轮行走机构驱动系统的设计 43
5.1.1驱动系统的计算 43
5.1.2减速电机的选取 44
5.1.3电动推杆的选取 44
5.2六轮机器人行走机构的结构设计 46
5.2.1底盘的设计 46
5.2.2轮胎轮毂的选取 47
5.2.3前后轮升降系统的设计 47
5.3六轮行走机构越障运动分析 48
5.3.1爬楼梯运动分析 48
5.3.2高台跨越运动分析 50
5.4六轮行走机构场地实验结果分析 50
5.4.1爬坡实验结果分析 51
5.4.2爬楼梯实验结果分析 52
5.4.3高台跨越实验结果分析 52
5.5小结 53
6结论与展望 54
6.1论文总结 54
6.2存在的缺陷与进一步的工作计划 54
参考文献 55
附录1 58
附录2 59
附录3 60
翻译部分 72
英文原文 72
中文译文 82
致 谢 91
中国矿业大学2012届本科生毕业设计
1绪论
1.1研究背景及意义
近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水,人为的恐怖祸害如恐怖活动、武力冲突,以及由炭疽热、SARS、禽流感等生化病毒和有毒物质、辐射性物质等带来的恐怖,威胁着人们的安全,引起了人们广泛的关注。
虽然人们对各种灾难的警觉和反应能力有所提高,但在处理破坏性灾难事件时还是准备不够充分,很多人依然死于不专业、不及时的救援活动[1]。
将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合,研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人,是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。
根据灾难发生的时间,灾难救援可以分为灾前救援、灾时救援与灾后救援三个阶段[2]。
灾前救援指的是对已经预先知道的,即将要发生的灾难采取防范与消除灾难、人员疏散和物资转移的工作;灾时救援是针对火灾、水灾、毒气、放射性物质等有一定发生时间的灾难过程,采取的扑救和补救工作;灾后救援指的是地震、爆炸等突发性和短时性灾难,事后的搜寻和营救工作。
三个阶段在灾难发生时通常没有明确的界限,但是各个阶段救援工作都面临着两个问题;环境的复杂性和环境的危
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- 小型 轮式 机器人 设计 研究
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