全向移动小车本科毕业论文设计.docx
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全向移动小车本科毕业论文设计
摘要
作为移动小车而开发的移动机构种类已相当繁多,仅就地面移动而言,移动机构就有车轮式、履带式、腿脚式、躯干式等多种形式,适应了各种工作环境的不同要求。
全向移动小车的全方位轮具有平面内三个自由度,可同时独立的前后、左右和原地旋转运动,可在不改变自身位姿的情况下向任意方向移动。
借助于横向移动和原地盘旋的特性,全方位运动平台还可方便的穿梭于狭窄拥挤空间中,灵活完成各种任务,相比传统移动平台有明显优势。
本综述论文首先分析了全向移动小车在国内外的研究简史与应用现状;对现使用较为广泛的全向轮进展综述比照;重点对当前主流轮式全向移动小车按照其机械结构、硬件模块、软件分析进展分类整理,总结论述了全向移动小车的三种控制方式;最后对全文进展归纳总结,展望了轮式全向移动小车的开展方向。
本综述论文在借鉴国内外的研究成果上,较为完善的总结了全向移动小车体系结构,为以后深入研究轮式全向移动平台的广泛应用提供理论参考依据。
关键字:
麦克纳姆轮;全方位移动小车;车底安全检查
Reviewofwheeledomni-directionalmobilevehiclearchitecture
Student:
CHENFeng-junTeacher:
XUJian-yu
Abstract:
Asthedevelopmentofmovingmobilecartypesofinstitutionshasbeenquiteextensive,onlythegroundmoving,themovingmechanismhadwheels,crawler,legs,torsoandsoon,adaptedtothedifferentrequirementsofvariousworkenvironments.
Movedcarfullomni-directionalwheelhavingaplaneofthethreedegreesoffreedom,whichcanseparatefront,left,androtationalmovementinsitu,canbemadewithoutchangingtheirpostureinthecasemoveinanydirection.Insitubymeansofmaneuverandlateralmovementcharacteristics,full-motionplatformcanbeeasilyshuttleinthenarrow,flexible,pleteavarietyoftasks,paredtotraditionalmobileplatformhasobviousadvantages.
Thisreviewanalyzestheomni-directionalmobilecarathomeandabroadBriefHistoryofResearchandApplicationStatus;rightnowthemorewidelyusedomni-directionalwheelsummarizedparison;focusingonthecurrentmainstreamwheeledomni-directionalmobilecaraccordingtoitsmechanicalstructure,hardwaremodules,softwareanalysiscarryoutclassifycollate,summarizediscussestheomni-directionalmobiletrolley'sthreekindscontrolmode;Finallypairsoffull-textcarryonsummarized,prospectedwheeledomni-directionalmobilecardirectionofdevelopment.
Thisreviewpaperdrawingontheresearchresultsathomeandabroad,themoreperfectsummaryofthewholearchitectureofthemobilecarforfuturein-depthstudywheeledomni-directionalmobileplatformwidelyusedtolayagoodfoundation.
Keywords:
Mecanumwheel;omni-directionalmobilerobot;vehiclesafetyinspection
目次
1引言
1.1课题研究的背景和意义
随着电子通信与机电控制等技术的高速开展,人们已经开始并不断的尝试将智能小车或机器人等高效率的工具引入我们工业的各个领域。
现在,作为移动小车而开发的移动机构已相当繁多,仅就地面移动而言,移动机构就有车轮式、履带式、腿脚式、躯干式等多种形式,适应各种工作环境要求。
车轮式移动机构尤其突出,逐渐成为移动小车的重要组成局部之一。
对于普通的轮式移动机构,转弯都需要一定的旋转半径,在狭小的空间常因无法横向移动而失去作用,这在一定程度上限制了轮式移动小车的使用X围。
而轮式全向移动小车的车体无需做出任何转动,便可实现前后、左右和自转3个自由度运动,成为轮式移动机构的主要开展趋势。
全向移动小车以Mecanum全方位轮〔Omni-directionalwheel〕研究最多。
全方位移动小车就轮结构布局而言,以结构支撑稳定可靠、各轮负载较均匀、运动平稳、易于控制等优点的四轮结构在实际应用最为广泛。
研究明确麦克纳姆轮全向移动小车在运动与转位方面灵活,不受运动空间空间,可应用于生活、物流、工业和机器人等多个领域,有广阔的应用前景。
1.2课题研究的主要内容和工作
本课题研究内容主要有:
整理当前主流轮式全向移动小车的体系结构〔机械、硬件、软件〕与应用现状。
主要工作如下:
1〕根据轮式全向移动小车体系结构,整理出当前轮式全向移动小车体系结构的机械、硬件、软件和移动小车的应用现状。
2〕参照国内外已有实例,提出适用于车底安全检查应用的小型小车体系结并论证此体系结构有效性。
3〕搜集国内/外文献,整理此领域1980年代以来研究简史。
4〕简单预测本领域未来的研究开展方向。
5〕查找本领域的主要研究机构与其研究子领域内容和研究现状;
本领域主要国际期刊与其关注的子领域内容;
本领域主要国际会议的网址、提交会议论文方式。
2全向移动小车研究简史与应用现状
目前移动机构的使用最广泛且最可靠的就算轮式移动小车了。
相对于目前亦有应用的其他移动形式(履带式、蛇行式、腿足式等)而言,移动小车运动效率高、载重能力强、机械结构稳定等优点可满足大局部工业环境使用要求。
且小车的结构丰富、驱动控制相对简单、运动灵活、行进速度相对较高而倍受青睐[1-4]。
因此,国内外相关研究机构对此作出广泛的研究。
2.1国外研究
对于全方位移动机器人的研究工作,国外已有相当多的研究机构进展了广泛的研究,全方位移动机器人大致可以分为6类,美国、德国、日本等兴旺国家在此领域上属于领先地位〔具体分析参见第三章〕。
2.2国内研究
我国自上个世纪八十年代,才开始对Mecanum轮的研究工作。
研究主要集中在Mecanum轮结构与机理分析上,主要研究机构包括清华大学、国防科技大学、某某大学、中国科学院等高等院校和国家科研机构。
某某大学研制的全方位越障爬壁机器人可以在保持姿势不变的情况下,沿壁面进展全方位移动,并能跨越运行路径中的障碍物。
该机构结构简单,不需要传感装置来检测障碍。
江南大学的高春能,纪志成研制一种定制使用单排万向行走轮的新型全方位移动机器人,见图2-1。
付宜利、王树国等进展了全方位轮式移动机器人平台研究,提出了一种新型轮式移动机器人结构,见图2-2。
图2-1单排万向行走轮图2-2全方位轮式移动机器人
某某大学X翮、熊蓉、褚健[5]和某某工业大学的闫国荣,X海兵各研究一种在结构复杂程度、承载能力和效率方面都有所改良的新型全方位轮式移动机构,即双排万向行走轮[6],见图2-3。
图2-3双排万向行走轮与全方位移动足球机器人
中国科学院自动化研究所研制的全方位移动机械手,该全方位移动机械手主要由3个轮间夹角互为120°的偏心方向轮构成。
其他的还有某某中国科学院自动化研究所的X开周,孙茂相,董再励对一类正交轮全方位移动机器人不确定扰动数学模型进展了研究。
2.3应用现状
全向移动机器人可以实现前后、左右、左前、右前、左后、右后、逆时针、顺时针的平稳运动[7]等优点,在各种比赛、生活、物流、工业上都具有普遍应用。
全向移动机构在足球机器人的比赛上已有相当的研究应用,以日本Keio大学Eigen队、Kanazawa理工大学Winkit队,和德国的Freie大学FU-fighter队、Stuttgart大学CopsStuttgart队实力较强。
图2-4 足球机器人踢足球过程
国内足球机器人〔如图2-4〕的中型比赛在近年来开展迅速。
以国防科技大学的“猎豹队〔NuBot〕〞为例,该队早在2001年起就开始参加国内足球机器人运动比赛,技术开展到今日,已能代表国内的最高水平,但与国际上的最高水平还有一定的差距[8]。
在生活领域,将全方位轮应用在轮椅上,使轮椅具有全方位移动的能力,能更好的适应室内狭窄空间的特点,提高了行动不便人士的行动能力,见图2-5。
图2-5全方位运动轮椅[9]图2-6Mecanum轮叉车
在物流领域,使用叉车可以方便的搬运货物,但传统的叉车仅具有两个自由度,无法横向移动和零半径旋转,如需移动如此要占用较大仓库存储空间,这样既浪费仓储空间又增加存储本钱。
采用全向轮构成的叉车系统具备全向移动的能力,既提高了叉车运行效率,又提高了仓库的空间利用率,降低仓储本钱。
例如:
中国人民解放军装甲兵工程学院与美科斯叉车公司合作开发了如图2-6所示的全方位运动叉车。
在工业领域上,移动机器人已广泛应用于工厂监控、车间检查以与仓库搬运等重复、繁重的体力劳动,像某某某某就已经开始引入机器人代替人工劳动。
经济的开展,更使得机器人市场日益扩大,如在移动机器人本体上安装麦克纳姆轮就可以达到在狭小空间上自由灵活的运动的目的,产生巨大的经济效益。
例如:
自动引导车〔AVG〕可以实现生产物料搬运自动化,将Mecanum轮应用在AGV上就可以使其在狭小的空间灵活工作,提高搬运效率,节省存储空间,有着广泛的应用前景,如图2-7所示。
图2-7基于Mecanum轮的AGVS[10]
另外,全向移动机构由于自身的转位运动灵活,且能在狭隘的空间中自由运动,全向移动小车还广泛的应用于火灾救援、自动化工厂的物流系统、核辐射和易爆炸物的处理、军事侦察等场合。
2.4本章小结
本章主要小结了本领域自1980年以来,国内外对此相关领域的研究简史,以与对各种类型全向轮的研究改良,获得成功,并研发出相应的移动平台应用于工业现场和现实,方便群众生产和生活。
3轮式全向轮的研究综述
轮式全向移动机构是指移动机构以全向轮作为驱动部件,在二维平面上具有从当前位置沿任意方向运动的能力。
其机械局部最重要的就是全向轮,常见的全向轮与其应用主要分为如下6类
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