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控制機器人行走設計 摘 要 本課題選用輪式作為機器人平臺設計研究，通過特殊的運動機構設計，僅通過兩個電機的控制即可實現機器人的全方位運動，且結構簡單，拆裝方便，易于實現輕型化。其結構用空心管將兩輪聯(lián)接成“工”字形狀，兩輪軸心處各有一內置步進電機，控制車輪的正反轉，實現機器人全方位的行走。在兩輪的內側各有一個掛籃與空心管固定為一體，掛籃內裝有蓄電池塊，既可作為動力源，還可以當作配重塊。掛籃與空心管通過螺絲聯(lián)接成一體，方便拆卸。在空心管的中端有一攝像頭，用于觀察反饋現場情況。通過遙控控制電機的轉向，可輕松實現機器人的前進，后退，及原地轉向。掛籃底部裝有蓄電池塊，能夠起到偏重塊作用，保證了輪式機器人的在平路或斜坡上都能夠保持靜止狀態(tài)。該機構采用了一種全新、高效的內驅動方式，通過遙控電機的轉向，雙輪機器人能自如地完成直線、圓弧運動，最高運動速度達到了5m/s，能夠爬上30度的斜坡，并且能夠實現原地自轉。在靜止狀態(tài)下輪式機器人能夠沿任意方向啟動運動。設計時特意采用弧形空心管，大大提高了機器人的底盤，使得該機器人行走可以直接通過障礙物，具有良好的過障礙能力，這在條件惡劣的道路上行走尤其重要。該輪式機器人在國內外還處于剛剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣，在教學、科研、野外作業(yè)、民用運輸方面有著廣泛的應用前景，在反恐及其它尖端領域具有重大的應用價值。 關鍵詞： 超輕型機器人　輪式　平臺設計　步進電機 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 robot's 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 robot's 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 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 目錄 摘 要 1 1 緒 論 1 1.1 課題研究目的 1 1.2 課題研究意義 2 1.3 國內外發(fā)展現狀 2 1.3.1．國內輕型機器人研究現狀 2 1.3.2．國外輕型機器人研究成果 5 2 課題方案設計 10 2．1步進電機的特點 11 2．1．１步進電機具有如下特點： 11 2．1．2步進電機主要參數及性能指標 12 2．2 設計方案 12 2．3 受力分析 13 2．4 設計校核 15 3 功能實現 18 3.1 機器人的各項參數 18 3.2 機器人的功能 19 3.3 遙控控制功能的實現 21 3．3．1控制器單元的選型 22 3．3．2單片機的確定 23 3．3．3 單片機的最小系統(tǒng)電路 27 3．3．4 兩個步進電機控制電路 28 3．3．4 主控制電路圖 29 4 結 論 30 32 中國地質大學長城學院2012屆畢業(yè)設計 1 緒 論 1.1 課題研究目的 在當今世界機器人已經越來越廣泛的進入人類的生活，在各個領域內都有著機器人的利用，如機械制造，車輛運用，冶金，醫(yī)療等等行業(yè)。在軍事上，隨著機器人的廣泛應用，世界各軍事大國也在加緊對軍用機器人的開發(fā)，應用。其主要的發(fā)展方向就是遠程遙控機器人的研制和應用。遙控車輛是軍用地面無人車輛的起始發(fā)展階段，其研制時間長，技術較為成熟，目前許多國家的部隊中都裝備有各種不同的遙控車輛。 遙控車輛是初級的不具備智能的無人車輛，它由遠程受控車輛(以下簡稱遠程車輛)和控制臺(單元)組成。操縱者操縱控制臺(單元)發(fā)出各種指令，經通信連接傳送至遠程車輛，由遠程車輛上的各種執(zhí)行機構執(zhí)行各種指令，實現操縱者的控制要求。采用遙控形式的地面車輛(機器人)誕生于二戰(zhàn)時期。由于能承擔排除地雷和爆炸物、清障、三防偵察以及開辟通道等各種高危工作,世界各國從上世紀70年代末紛紛開始了遙控車輛的研制工作。 遙控車輛的操作員一般通過無線電向車輛及其任務系統(tǒng)發(fā)出大部分指令和派遣任務。對于車輛所處的環(huán)境、活動狀態(tài)等信息，則主要靠各種傳感器來獲得。遠程車輛沒有地形分析能力，也不能進行軍事機動，更不能接收其它來源的信息，其所有認知過程都由操作員負責。遠程車輛可完成探雷、排雷、爆破、爆炸物處理、未爆物排除、物資處理及單兵偵察與監(jiān)視等任務。 經過初期的可行性研究，遙控車輛的研究集中于標準遙控系統(tǒng)的建立。標準遙控系統(tǒng)包括體系結構的定義及各功能模塊的研制，目標是不依賴于具體的車輛平臺、任務以及執(zhí)行硬件，而能夠根據需要快速實現車輛的遙控化。美國在波黑戰(zhàn)爭中就利用標準遙控系統(tǒng)快速地研制了Panther遙控掃雷車(在M60坦克底盤的基礎上)以及Mini flail小型掃雷車。 遙控機器人車輛是較低級的機器人系統(tǒng)，必須由操作者進行遠距離控制，在目前的技術水平條件下，這種車輛的研制易獲成功，周期短，費用低。 我所進行的設計就是設計出一雙輪式的遠程控制機器人，以實現在遠程的無人偵查任務，減少人員，經濟的損失。并通過這次設計檢驗自己在機械設計這一專業(yè)類所學知識的掌握情況，并進一步的查漏補缺，完算自己的知識體系，為以后的工作生活打下堅實的基礎。 1.2 課題研究意義 研制機器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動或簡單的重復勞動，以及替代人到有輻射等危險環(huán)境中進行作業(yè)，因此機器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領域得以應用。隨著機器人技術的不斷發(fā)展，工業(yè)領域、軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農業(yè)、林業(yè)也都開始使用機器人。 本課題選用輪式作為機器人平臺設計研究，兩輪式機器人在國內外還處于剛剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣，在教學、科研、野外作業(yè)、民用運輸方面有著廣泛的應用前景，在反恐及其它尖端領域具有重大的應用價值。已經初步做出了簡單的實驗模型，解決了輪式機器人的傳動機構難題。 該輪式機器人運動響應迅速，具有高機動的零半徑轉向能力，并且在運動過程中不存在失穩(wěn)狀態(tài)。攝像頭的密封式結構可以將內部器件密封保護起來，免受外界環(huán)境的影響，非常適合在潮濕、多塵土、多輻射或有毒的環(huán)境中執(zhí)行任務。它具有廣闊的應用前景，例如，通過搭載視覺傳感器或氣體傳感器等設備，它可以在缺少人干預的環(huán)境中進行戰(zhàn)場偵察、室內或庫房的巡邏及行星探測等任務，也可以通過搭載聲光電等設備作為一種新穎的具有移動性和交互性的兒童玩具。 1.3 國內外發(fā)展現狀 1.3.1．國內輕型機器人研究現狀 國內無人車輛的研究起步較晚，直到80年代末才開始這方面的研究。在863高技術計劃中，把智能移動機器人技術研究作為一個研究項目，對路徑規(guī)劃、測距系統(tǒng)、圖像處理技術、自動技術系統(tǒng)等進行了研究，并取得了許多成績，制成了無人駕駛的車輛。 上海大學談士力教授等科研人員經過3年多時間的協(xié)作攻關，研制成功球形壁面爬行機器人。經專家鑒定，這種機器人的爬行、吸附機理和機構的應用研究，為實用化提供了理論依據和實驗平臺，并具創(chuàng)新性，其性能達到國際先進水平。球形壁面爬行機器人可用來代替人工進行的一些危險操作，進行各種儲存有毒有害介質的球形儲存罐的檢修工作。其中包括核工業(yè)和城市石化工業(yè)球形儲液罐的視覺檢查、超聲側厚和焊縫探傷等作業(yè)?！∏蛐伪诿媾佬袡C器人采用了縮放機構原理、氣動驅動、真空吸附的六足移動方案，具備在最小曲率半徑為2至5米的球形壁面上完成任意方向的直線移動和原地轉向的能力，可采用多種步態(tài)行走，并能跨越300毫米高的條形障礙，其球面吸附機構采用具有真空傳感功能的鉸接式橡膠真空吸盤，機器人的移動速度可達每分鐘10米。該機器人的控制系統(tǒng)采用上下微機控制方式，實現了18個關節(jié)聯(lián)動控制，具備自動行走和手動遙控動能。 北京郵電大學以孫漢旭教授為首的研究小組承擔的國家自然科學基金項目的研究，經過幾年的艱苦努力，開發(fā)出了擁有我國自主知識產權、國內首創(chuàng)且具有國際先進水平的球形機器人。北京大學相關機構對球形機器人進行了全面查新，結果表明，目前該結構的球形機器人在國內外尚無先例，屬創(chuàng)新性研究球形機器人是20世紀90年代機器人研究界提出的一個嶄新課題。北京郵電大學機器人實驗室研制的球形機器人采用了一種全新、高效的內驅動方式，球形機器人能自如地完成直線、圓弧運動，運動速度達到了3m/s，能夠爬上20度的斜坡，并且能夠實現原地自轉。在靜止狀態(tài)下球形機器人能夠沿任意方向啟動運動?！? 圖1 球形機器人 針對國內危險行業(yè)與部門實際需求，在國家863計劃的大力支持下，國內一些科研院所學校圍繞少數型號的危險作業(yè)機器人進行了重點攻關，尤其自“十五”863計劃實施以來，在危險作業(yè)機器人方面取得了較大的進步，獲得了一批的成果，?中國自行研制的先進“排爆機器人系統(tǒng)”，在最近舉行的反恐演習中頻頻上鏡，給人們留下了深刻印象；可以出入險地執(zhí)行特種偵察任務的無人駕駛偵察車系統(tǒng)，可以攜帶真槍實彈沖鋒陷陣的無人駕駛戰(zhàn)車、坦克系統(tǒng)，早已研制成功 。 圖2 “靈蜥—B”型排爆機器人 中國科學院自動化研究所研制出了一種智能自主輪式移動機器人，包括：攝像機，為機器人提供他所在環(huán)境的外部信息；工控機，通過總線CAN分別與電機驅動/控制器、超聲環(huán)、紅外環(huán)進行通信；運動機構，由電機驅動/控制其進行控制。此發(fā)明機器人能夠根據超聲傳感器、紅外傳感器和視覺閂桿球進行資助筆帳，利用視覺傳感器進行動態(tài)目標跟蹤、目標特征識別。此外，該機器人還具有語音人一機交互功能。監(jiān)控人員能夠通過無線邁可直接對機器人進行語音控制。同時，機器人能夠與人進行交談、互相問候以及進行自我介紹。 近些年來，隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，我國開始了月球車系統(tǒng)的研究。月球車即月球探測機器人，分為有人駕駛和無人遙控兩種。我國研究的重點在后者，這是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及到機械、機器人的遙控作業(yè)、空間技術、通訊和信號處理、加工自動化和人工智能等諸多學科和領域。主要任務是：從遙感數據驗證天文學推理的各種科學理論與事實，對特定地區(qū)進行探測，判斷月球上的水溫、火山、峽谷、月球表面生成與進化過程，對月球表面的太陽輻射線、太陽風、隕石等的活動情況進行探測，對月球上的巖石進行全面的調查與分析，對月球上所有區(qū)域的資源數據進行收集，為建立天文臺做地盤的調查，做各種元素的加熱實驗及氦－3的抽樣實驗。月球車的設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，其研究涉及到許多學科和領域，如機械、機器人的遙控作業(yè)、空間技術、通訊和信號處理、加工自動化和人工智能等。 1.3.2．國外輕型機器人研究成果 1. 小型無人地面車輛(SUGV) FCS家族中最小的平臺將是便攜式小型無人地面車輛（SUGV），能夠在城市地形中的隧道、下水道和洞穴內執(zhí)行RSTA任務。小型無人車的目標重量小于13.6公斤，能夠攜載重達2.72公斤的模塊式“即插即用”載荷。根據設想，小型無人地面車輛將能夠連續(xù)工作6個小時，在地面上能夠在距操作人員1000米遠的地方遂行作戰(zhàn)任務，在隧道中能夠在距操作人員200米遠的地方遂行作戰(zhàn)任務。 圖3 小型無人車 SUGV 2. “角斗士”戰(zhàn)術無人地面車 洛克希德·馬丁公司研制的“角斗士”機器人士兵是一種多用途系統(tǒng),主要有兩種類型：六輪式和履帶式。設計任務包括：偵察、監(jiān)視和目標探測；工程偵察；直射；通信中繼；戰(zhàn)術欺騙；作戰(zhàn)補給；反狙擊部署。該車結構簡單，易于運輸，適于在沿海戰(zhàn)場使用，主要供海軍陸戰(zhàn)隊旅和旅級以下單位使用，“角斗士”全重725公斤，公路行駛速度25千米/小時，越野速度10千米/小時。它采用混合電驅動發(fā)動機，能24小時使用。“角斗士”將由高機動性多用途輪式車輛（HUMVEE）或V-22“魚鷹”傾轉旋翼機運輸?！　　? 履帶式“角斗士”機器人士兵裝備有可保障車輛在黑暗和煙霧中視物能力的攝像機、GPS定位系統(tǒng)、聲學和激光搜索系統(tǒng)、可辨別生化武器的傳感器等各種設備，也可根據需要裝載各種武器和貨物。這是一種非公路型無人地面戰(zhàn)車，從理論上講，履帶也可以改換成輪胎?！敖嵌肥俊睋碛邢喈數闹橇λ?，能根據機器視力算法、探測裝置融合算法到達指定地點，并能記住所走過的路線，之后絲毫不差地按原路自動返回，也不會陷入臨時設置的障礙坑中。 圖4 六輪式“角斗士” 3. 微型機器人 美國新墨西哥冶金技術研究所的佩內洛普·波士頓博士和麻省理工學院的斯蒂芬·杜伯斯基博士目前正在研制一批只有網球大小的微型機器人。這些采用彈跳方式運動的機器人將被用來探測太陽系中的其他行星。較之“勇氣”號和“機遇”號這樣的火星車，目前仍處于研制階段的球形機器人將能夠更為容易地抵達那些地形復雜的區(qū)域。由于采用了特殊的跳躍式前進機制，這種微型機器人可輕易地越過各種障礙物。不過新型機器人的體積雖小，但裝備卻一點兒也不含糊－－它們同樣也攜帶了微型照相機、光譜分析儀和其他多種傳感器。這些微型裝置最主要的優(yōu)點在于：重量輕，體積小，一次可成百上千地被投放到指定的探測對象上。當抵達某一行星表面后，大量的微型機器人會組成一個龐大的探測網絡并可經由軌道站或者直接將獲取的信息傳回地球。 圖5、微型機器人 4、雙輪行走運輸機器人 三洋電機開發(fā)出了可依靠上體倒立來保持平衡的雙輪行走機器人“FLATHRU”，并在從2002年6月19日起至25日于福岡舉行的“機器人世界杯2002福岡·釜山”上做了參考展示（圖）。 FLATHRU的構造為：頭部位于筒狀身體上部，底部左右各設計有一個輪子，頭部兼作載物平臺。當然移動時使用輪子。但是，直接靠輪子移動會形成“2點支撐”，機器人站不穩(wěn)，最嚴重時甚至會跌倒。為此，新型機器人對輪子的驅動力進行了控制，使其上體的重心始終位于連接兩輪的軸線上，能夠在上體倒立的同時保持平衡。銷售日期尚未確定。推出這種機器人主要是探求市場對于“生活輔助機器人”的需求。 新型機器人通過前進和后退時將上體向前方或后方探出、使得重心前移或后移。此時根據車輪速度改變上體傾斜角度，來巧妙地掌握平衡。這樣一來，“即使地面稍有凹凸不平，也可以正常移動，不會跌倒”。 為了使頭部的物品放置平臺保持水平，在頭部也設置了關節(jié)。除了考慮物品本身的重力外，還考慮到機器人加減速時作用于物體的慣性力，通過使頭部前后左右地移動來保持平臺的水平。因此，在為用戶取水杯時，杯中的水不會撒出來。 圖6、遠程控制運輸機器人 5、美改進型輪式機器人 由美國卡內基梅隆大學研制的改進型輪式機器人自動越野車“流浪者”（Nomad），將再次返回南極，對南極做更為出色的考察工作，在表面冰層尋找新的生命形式。 　　Nomad原型車于1997年裝配成功，曾經穿過智利的阿塔卡馬沙漠，跋涉220公里，成功完成越野旅行試驗。它也曾在南極從事過尋找隕石的工作。這次，改進后的Nomad準備再返南極，在冰層頂部尋找活微生物的痕跡。它裝有新的導航系統(tǒng)，可以自動行駛很長距離，還裝有風力發(fā)電裝置，可以補充太陽能電池的電力損耗。 　　卡內基梅隆大學的研究人員最近在新罕布什爾州馬斯科姆湖的冰面上進行了有關試驗，以研究“流浪者”機器人越野車靠風電和太陽能電力供電的可能性。結果，該車成功地穿過馬斯科姆湖的冰雪湖面，行駛了10公里。這項工作是“在南極用機器人探索生命計劃”（LORAX）的一部分，該計劃打算測量在南極高原近表面冰層生存的微生物的分布狀況。 　　卡內基梅隆大學、美國宇航局和美國陸軍寒冷地區(qū)研究與工程實驗室共同進行的這項研究，主要是在馬斯科姆湖的湖面上進行長距離自主導航實驗，實驗模擬南極高原的冰蓋層。美國陸軍寒冷地區(qū)研究和工程實驗室負責向宇航局和卡內基梅隆大學提供后勤支持和實驗設施。寒冷地區(qū)研究和工程實驗室做出整個實驗區(qū)的冰厚度測量，并證實45厘米厚冰層為機器人越野車在南極實驗的安全條件。 　　科研人員一直在對“流浪者”上的傳感器和計算機不斷進行改進，以實現獨立行走和測量。1997年，“流浪者”穿過阿塔卡馬沙漠；2000年，“流浪者”獨立行走在南極發(fā)現隕石，并成為靠自己能力完成南極大陸科學考察的第一個機器人。野外試驗的目標是確立“流浪者”機器人車在冰雪上的可移動性，而自主導航技術是滿足在南極的“穿越”需求。 宇航局艾姆斯研究中心的皮特森是該計劃的主要研究人員?？▋然仿〈髮W機器人研究所的威特格林和埃博斯特勒負責機器人越野車的設計、分析和研發(fā)其自主導航系統(tǒng)。加州大學伯克利分校的研究人員則負責研發(fā)熒光光譜儀，以識別南極冰層中微生物的存在和含量。 圖7、自動越野車“流浪者”（Nomad） 2 課題方案設計 關于機器人我的設計方案是采用步進電機驅動，步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(即步進角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 步進電機分三種：永磁式(PM)，反應式(VR)和混合式(HB)。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7．5度或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1．5度，但噪聲和振動都很大，在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰：混合式步進電機混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，分為兩相和五相，兩相步進角一般為1．8度而五相步進角一般為0．72度，這種步進電機的應用最為廣泛。 2．1步進電機的特點 2．1．１步進電機具有如下特點： 1、一般步進電機的精度為步進角的3-5％，步距值不受各種干擾因素的影響。簡而言之，轉子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率，而轉子運動的總位移量取決于總的脈沖個數。 2、位移與輸入脈沖信號相對應，步距誤差不長期積累。因此可以組成結構較為簡單而又具有一定精度的丌環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3、步進電機外表允許的最高溫度取決于不同的磁性材料。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點，一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上。所以步進電機外表溫度在攝氏80．90度完全正常。4、步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 5、步進電機有啟動頻率要求和加速過程。雖然步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數為“空載啟動頻率"，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。 6、 無刷，電動機本體部件少，可靠性高；控制性能好，起動、停車、反轉及其他運行方式的改變，都在少數脈沖內完成，在一定的頻率范圍內運行時，任何運行方式都不會丟步；停止時有自鎖能力。 2．1．2步進電機主要參數及性能指標 l、相數m 電機上獨立成系統(tǒng)而存在的回路個數即是相數。步進電機的相數可以為任意數，m通常為2，3，4，5，6． 2、步距角p在不帶任何減速裝置的情況下，輸入一個脈沖信號，步進電機所轉過的機械角位移即步距角。 3、距角特性步進電機靜轉矩和失調角的關系稱為矩角特性。靜轉矩是指步進電機轉子靜止時，控制繞組通以直流電，由失調角(定轉子中心線間夾角)的存在而引起的電磁轉矩。當繞組內電流不變時，靜轉矩隨失調角在一個齒距角范圍內變化一個周期，在近似分析中視距角特性為正弦曲線。 4、最大靜轉矩瓦即距角特性上最大電磁轉矩值，它的值取決于繞組內電流的值及通電相數1331。 2．2 設計方案 如圖所示，其結構用空心管將兩輪聯(lián)接成“工”字形狀，兩輪軸心處各有一內置步進電機，控制車輪的正反轉，實現機器人全方位的行走。在兩輪的內側各有一個掛籃與空心管固定為一體，掛籃內裝有蓄電池塊，既可作為動力源，還可以當作配重塊。掛籃與空心管通過螺絲聯(lián)接成一體，方便拆卸。在空心管的中端有一攝像頭，用于觀察反饋現場情況。通過遙控控制電機的轉向，可輕松實現機器人的前進，后退，及原地轉向。掛籃底部裝有蓄電池塊，能夠起到偏重塊作用，保證了輪式機器人的在平路或斜坡上都能夠保持靜止狀態(tài)。該機構采用了一種全新、高效的內驅動方式，通過遙控電機的轉向，雙輪機器人能自如地完成直線、圓弧運動，最高運動速度達到了5m/s，能夠爬上30度的斜坡，并且能夠實現原地自轉。在靜止狀態(tài)下輪式機器人能夠沿任意方向啟動運動。設計時特意采用弧形空心管，大大提高了機器人的底盤，使得該機器人行走可以直接通過障礙物，具有良好的過障礙能力，這在條件惡劣的道路上行走尤其重要。 通過控制兩個步進電機同步同向轉動，雙輪機器人能實現快速直線行駛，其結構簡單，不存在失穩(wěn)狀態(tài)，易于控制。又可通過控制步進電機同步反向轉動，迅速實現后退，其反應靈活，操作方便。還可單獨控制左右一側電機的轉動，實現機器人的左右轉彎，必要時還可控制兩側電機的同步異向轉動，機器人能實現原地轉向。該設計平臺操作簡便，用途廣泛，在未來各領域都能有著廣闊的發(fā)展空間。 車輪的電機采取內置，沒有導線在外裸露，不易被障礙物掛住或掛斷導線，使機器人適應惡劣環(huán)境的能力增強；輪子與地面接觸產生的摩擦力為驅動力，沒有被動摩擦輪，運動效率高；輪子與地面接觸面小，對路面條件要求低，適應環(huán)境能力強。這種輪式機器人用最少的自由度，以欠驅動的方式實現了機器人的全方位運動。并在弧形管的中間安裝一搖控攝像頭，通過控制攝像頭的云臺可控制攝像頭實現左右、高低轉動，擴大了攝像頭的觀察視野，使得攝像頭能夠全視距觀察現場情況。在特殊場合下，還可通過搭載武器、傳感器等特殊裝備，來完成一些特殊任務，減少在戰(zhàn)爭中的人員傷亡。這種機器人平臺在教學、科研、野外作業(yè)、民用運輸方面有著廣泛的應用前景，在反恐及其它尖端領域具有重大的應用價值。 2．3 受力分析 為了便于受力分析，我們可將該輪式超輕型機器人作為一整體，其受力可簡化為重力G、地面的反作用力F、摩擦力，其受力分析取三種情況進行研究，超輕型機器人在平路上行駛，爬坡，以及在斜坡上的靜止。下面從三種情況開始分析： 1.在平路上行駛時 在平路上行駛時，如圖所示，在路面受力分析如下， G---重力 N---地面反作用力 Ff---摩擦力 在平路上時，機器人受本身重力G，地面的反作用力N，和摩擦力Ff.可知電機的額定功率P為240W，額定電壓為48V，額定轉速為190轉/分，機器人全重M為65kg，額定輸出轉矩為12N. m ,R為270mm。 　　 解方程組，可求出機器人在平路上最大的直線行駛速度為5 m/s. 2.在斜面上行駛 G---重力 N---地面反作用力 Ff---摩擦力 爬坡時，如圖所示，由摩擦力對機器人的反作用力，使得扇形掛籃逆時針轉動，起到偏心的作用，從而使得該機器人能輕松實現爬坡，并通過對電機的調節(jié)能實現機器人在斜坡的靜止。對超輕型機器人爬坡時的兩種狀態(tài)進行分析： 上坡時，在電機的作用下，機器人向上運動，受自身重力G 和斜面的作用力N，和摩擦力影響。其平衡公式如下： 機器人在斜坡上靜止時，牽引力F 和重力沿斜面向下分力 G*sinα與摩擦力Ff 平衡，可求出最大的爬坡度。 2．4 設計校核 由于本機器人大部分的結構采用的是現有零件，故僅對其連接軸進行校核。 由于中間周在整個的運動過程中并沒有隨之轉動，故將其視為梁計算?？芍虚g軸的結構如下圖所示: 1、對軸的強度進行校核 （1）、作剪力圖、彎矩圖，判斷危險面。 由上圖可知危險面為I、II、III。 （2）、計算彎曲截面系數。 （3）、校核最大正應力作用點的強度。 （4）、校核最大切應力作用點的強度。 截面面積 可知合金剛的強度系數為740MPa。 0.57MPa<740MPa 故軸的強度足夠。 2、對軸的剛度進行校核 軸的撓度圖如下： 由圖可知危險點為軸的中點，對其進行校核有 故軸的剛度足夠。 3 功能實現 3.1 機器人的各項參數 整車主要 技術參數 外形尺寸 860*430*780 整車質量 不大于65 kg 最高車速 不大于18km/h 續(xù)行里程 450 變速 0-18km/h 12V蓄電池主要 技術參數 蓄電池類型 高能免維護鉛酸蓄電池 電池容量 9Ah 標稱電壓 12V 48V電動機主要 技術參數 電機類型 無刷無齒 額定功率 240W 額定轉速 190r/min 額定電壓 48V 額定輸出轉矩 12N.M 48V控制器和 充電器的主要 技術參數 欠壓保護 420.5V 過流保護 15A1A 充電電流 1.6A—1.8A 充電電壓 59.20.4V 浮充電壓 54.80.4V 浮充電流 0.4A0.1A 充電時間 6—9小時 充電輸入 AC220V50HZ 數碼攝像頭主要技術參數 產品名 SP-200AP CFG1 鏡頭 1/4“彩色SONY芯片佳能鏡頭 420線 1.0LUX F=3.9～85.8mm 22倍光學變焦 3.2 機器人的功能 機器人的整車圖如下: 1、運動功能 整個機器人在平時的直線運動中能達到18km/h的運動速度，并能實現在運動中向左、向右的轉彎。在原地的時候，能實現以半徑為1米的原地轉向。車體的最大爬坡度為30度。 2、偵察功能 由于在車上安裝有焦距為6mm，水平拍攝視野為60度的攝像機，車子在運行過程中能對其經過的地形進行拍照，能所控制者得到車體運行中所經過地形的具體情況。 3、遠程控制功能 通過遠程的控制平臺，操作者能實現在遠程對車輛的運動進行控制，使的車輛能更好的完成其任務。由于使用了遠程操控技術，當車輛用于戰(zhàn)場時，其能大大的減少人員的傷亡。 4、遠程通信功能 由于車輛上裝有攝像機，如果在其上在裝載一話筒，就能實現車輛攜帶人員與后方基地人員的遠程通信，能更好參加戰(zhàn)斗。 5、載物功能 在戰(zhàn)時可以在車輛的中間軸上加載物體，能通過車體的運輸將戰(zhàn)時所缺少的物品無傷亡的送到戰(zhàn)場，減少了損失。 3.3 遙控控制功能的實現 移動機器人運動控制即控制機器人按規(guī)劃的軌跡運動，控制的好壞對機器人的性能有著直接的影響。移動機器人運動控制器是移動機器人的執(zhí)行機構，對系統(tǒng)平穩(wěn)運行起著重要作用。世界各國都很重視移動機器人運動控制的研究工作，并且投入了大量的人力和物力。目前，輪式移動機器人常見的控制方法是雙閉環(huán)控制移動機器人的左驅動輪速度和右驅動輪速度，其控制算法主要是PID控制算法和模糊邏輯控制算法。 國外： PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一。由于PID控制器具有簡單而固定的形式，算法簡單、可靠性高，在很寬的操作條件范圍內都能保持較好的魯棒性，能給設計人員提供一種簡單而直接的調節(jié)方式，故在工業(yè)控制過程中，PID控制器是應用最多的一種控制方式。 自1965年美國加利福尼亞大學控制論專家zadeh首次提出了用“隸屬函數”概念來定量描述事物模糊性的模糊集合理論以來，其理論和方法日臻完善zadeh把模糊控制應用于自動控制領域，開辟了模糊控制理論及其工程應用的新時代。 從90年開始，DSP(Digital Signal Processor)技術和FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片技術在美國得到高速發(fā)展，出現了一批高性能低價格的DSP，這些DSP的重要特性是它們的兼容性好而且浮點運算速度快，使運動控制器能夠濃縮在一塊PCISA／PCI控制卡上，而且每個伺服軸的更新速率可以達到20s，而FPGA芯片技術則使通過軟件來更新硬件成為可能，如果將DSP和FPGA與PC相結合，則可充分利用現有的操作環(huán)境和資源，進一步降低系統(tǒng)的成本，增加系統(tǒng)的通用性。 目前，國內外高級運動控制器大多做成了ISA／PCI插卡形式，這種插卡形式能充分地利用計算機現有的軟件資源，總的看來，這種插卡形式的控制器功能強大，但結構也很復雜。從技術水平上看，國內的運動控制器(卡)落后于國外。 目前國外的高性運動控制卡主要有： 美國PMAC運動控制卡：應用領域涉及機器人、數控機床、雕刻機、旋轉刀、X-Y系統(tǒng)等各類自動化設備。 日本三菱電機公司推出的第二代高性能Q系列運動控制器。主要特點有：體積小巧高速運動控制、配置靈活、SSCNET控制功能，Motion SFC編程，上位監(jiān)控，可實現復雜的運動控制。但結構復雜，價格昂貴。 英國BALDOR公司推出的各種運動控制卡：功能很強，她采用類似Basic的結構語言Mint，通俗易懂，編程比較容易。這種卡有總線型(PCL LSA)，獨立型(串口、USB)，驅動集成型(步進、伺服)多種形式，可以滿足不同應用領域的特殊需要。 國內: 在機器人運動控制器中，處理器件接受高層控制級的指令，計算和輸出多路控制信號，協(xié)調各驅動輪，并對系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)控。目前，許多機器人的運動控制系統(tǒng)均采用專用的微處理器，如以DSP為核心的微處理器制作專用的主板，采用專用的編程語言，并將控制算法固化在EPROM中。運動控制算法是移動機器人運動控制的關鍵，由于PID控制器結構簡單、參數易于調整，因此在移動機器人運動控制中得到了廣泛的應用，但是移動機器人運動控制系統(tǒng)的模型在實際系統(tǒng)中存在控制參數難以調整、控制系統(tǒng)存在噪聲影響等問題，即用傳統(tǒng)的比例控制器己不能達到較好的控制效果。 模糊邏輯法模擬駕駛員的駕駛思想，將模糊控制本身所具有的魯棒性與基于生理學上的“感知一動作”行為結合起來，為移動機器人在未知環(huán)境中運動提出了一種新思路，模糊控制不需要建立數學模型，可以利用語言描述復雜的非線性系統(tǒng)，是一種基于非數學模型的控制方法，但是難以建立完善的推理規(guī)則。 3．3．1控制器單元的選型 移動機器入運動控制系統(tǒng)的核心是微控制器，作為機器入控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，選擇一個什么樣的微控制器對于機器人小車的性能、控制系統(tǒng)的設計方式有很大的影響，應具體分析控制系統(tǒng)的特征和要求進行微控制器的選擇， 應以運算速度、功能、兼容性、整個移動機器人系統(tǒng)的結構、通信方式及通信速率、電機控制方式、ROM及RAM的大小為依據來選擇合適的微控制器。 目前微控制器主要有數字信號處理器DSP、現場可編程邏輯門陣列FPGA和單片機等類型。DSP具有數據處理能力強、速度快等優(yōu)點，且其體積較小，有利于電路板布局，但是DSP在中斷處理、位處理或邏輯操作方面不如單片機，芯片價格尤其是浮點器件價格較貴，系統(tǒng)開發(fā)成本較高；FPGA是Filed Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程邏輯門陣列。FPGA是在CPLD的基礎上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件，它一般采用SRAM工藝，也有一些專用器件采用Flash工藝或反熔絲(Anti．Fuse)212藝等。FPGA的集成度很高，其器件密度從數萬系統(tǒng)門到數千萬系統(tǒng)門不等，可以完成極其復雜的時序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數字邏輯電路設計領域，但其系統(tǒng)開發(fā)成本較高。 單片機雖然在運算任務的完成上不如DSP，但是其成本低、易于開發(fā)、相關資料較全，配合一定的外圍芯片能夠很好地完成本系統(tǒng)的控制任務，隨著微電子工藝水平的提高，單片微型計算機技術有了飛躍的發(fā)展。單片機型號之多，已到了難以統(tǒng)計的地步。在MSC．5l系列單片機內核8051／80C5l的基礎上Intel，Philips，Siemens等大公司紛紛推出各種派生芯片。如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉、功能強大。但在一些復雜的系統(tǒng)中，就不得不考慮16位單片機。MCS．96系列16位單片機廣泛應用于伺服系統(tǒng)、變頻調速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)?？紤]到機器人尺寸的限制，功耗等因素選擇一個功能齊全的單片機是比較合適的，定位合理的方案，可獲得較高的性能價格比。 3．3．2單片機的確定 ATmega128帶128K字節(jié)FLASH 的在線可編程8位微控制器。是AVR 系列中功能最強的單片機。 一．特 點： (1) 先進的RISC精簡指令集結構 – 高性能 低功耗的 AVR ? 8位微控制器 – 133條功能強大的指令大部分在單時鐘周期內執(zhí)行 – 32 x 8個通用工作寄存器+ 外設控制寄存器 – 全靜態(tài)操作 – 工作在16 MHz下具有16MIPS的性能 – 片內帶有執(zhí)行時間為兩個時鐘周期的硬件乘法器 (2) 非易失性程序和數據存儲器 – 128K 字節(jié)在線可重復編程 Flash 擦寫次數 1000次 – BOOT區(qū)具有獨立的加密位 可通過片內的引導程序實現在系統(tǒng)編程,寫操作時真正可讀 – 4K字節(jié)EEPROM 擦寫次數 100, 000 次 – 4K 字節(jié)內部SRAM – 最大 64K 字節(jié)可選外部存儲器空間 – 程序加密位 – 在線可編程SPI 接口 (3) JTAG (符合IEEE std. 1149.1標準) 接口 – 邊界掃描能力 – 廣泛的片內Debug 支持 – 通過JTAG接口對Flash, EEPROM, 熔絲位和加密位編程 (4) 外設特點 – 兩個帶預分頻器和一種比較模式的8位定時/計數器 – 兩個擴充的帶預分頻器和比較模式捕獲模式的16位定時/計數器 – 具有獨立振蕩器的實時計數器 – 二通道8位PWM – 6通道2到16位精度PWM – 輸出比較調節(jié)器 – 8通道10位A/D轉換 8 個單端通道 7 個微分通道 2 個增益為1x, 10x 或 200x 的微分通道 – 兩線(I2C)串行接口 – 二路可編程串行UART接口 – 主/從SPI串行接口 – 帶內部振蕩器的可編程看門狗定時器 – 片內模擬比較器 (5) 特別的MCU 特點 – 上電復位和可編程的低電壓檢測 – 內部可校準的RC振蕩器 – 外部和內部中斷源 – 五種睡眠模式:空閑模式ADC噪聲抑制模式省電模式掉電模式待命模式和擴展 待命模式 – 可軟件選擇時鐘頻率 – 通過一個熔絲選定ATmega103 兼容模式 – 全局上拉禁止 (6) I/O 和封裝 – 53個可編程的I/O 腳 – 64腳TQFP封裝 (7) 工作電壓 – 4.5 - 5.5V ATmega128 (8) 速度等級 – 0 - 16 MHz ATmega128 二．引腳配置： ATmega128 的引腳配置 三．描述： Atmega128是一款基于AVR RISC結構的低功耗CMOS8位單片機。通過在一個時鐘周期內執(zhí)行一條指令，ATmega8可以取得1MIPS/MHz的性能，從而使得設計人員可以在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡。 結構圖 AVR核將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結在一起。所有的工作寄存器都與ALU算術邏單元直接相連，允許在一個時鐘周期內執(zhí)行的單條指令同時訪問兩個獨立的寄存器這種結構提高了代碼效率使，AVR得到了比普通CISC單片機高將近10倍的性能。 ATmega128具有以下功能特點:128K字節(jié)具備寫操作時可讀的在系統(tǒng)可編程FLASH，4K字節(jié)EEPROM，4K字節(jié)SRAM，53個通用I/O口，32個通用工作寄存器，實時計數器(RTC)，4個具有比較模式和PWM的定時器/計數器，2個USARTS，一個兩線(I2C)串行接口，一個8通道10位具有可選增益差分輸入的A/D轉換器，一個帶內部振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI口，一個符合IEEE std.1149.1標準的JTAG測試接口，也可用于訪問片內Debug系統(tǒng)和編程，6種可通過軟件選擇的省電模式工作于空閑模式時,CPU將停止運行而SRAM，定時器/計數器，SPI口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電模式時振蕩器停止工作所有功能都被禁止而寄存器內容得到保留，直到下一個外部中斷或硬件復位才退出此狀態(tài)。省電模式時異步定時器繼續(xù)工作，以使用戶能在芯片的其余部分處于睡眠狀態(tài)時保持定時器基準。除異步定時器和ADC繼續(xù)工作外，ADC噪聲。抑制模式停止CPU運行和所有的I/O單元以減少ADC轉換時的開關噪聲待命模式中除晶振工作外芯片的其余部分處于睡眠狀態(tài)。這就使得在低功耗的情況下能非?？斓膯?。在擴展待命模式中主振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。 芯片是以ATMEL的高密度非易失性內存技術生產的。FLASH程序存儲器可以通過SPI串行接口或通用編程器或運行于AVR核上的片內BOOT程序多次編程。BOOT程序可以用任意的接口下載到應用FLASH程序存儲器中。當應用程序區(qū)被更新時BOOT區(qū)的軟件將繼續(xù)運行提供寫操作時真正可讀的功能。通過將增強的RISC8位CPU與FLASH集成在一個芯片內ATmega8為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案。ATmega128具有一整套的編程和系統(tǒng)開發(fā)工具C編譯器宏匯編器調試/模擬器JTAG ICE在線仿真器和SL-MEGA128評估板 3．3．3 單片機的最小系統(tǒng)電路 單片機可以工作的最小系統(tǒng)一般由電源、復位電路、系統(tǒng)時鐘等構成。 (1)復位電路 關于復位電路，當晶振在20MHz以下時，電容可以不用，電阻為l0K。復位電路如圖所示： (2)系統(tǒng)時鐘電路 采用外部時鐘源，時鐘頻率為0-40MHz，CPU最大操作時鐘頻率可達48MHz，振蕩器輸出頻率稱為系統(tǒng)時鐘電路如圖所示： 3．3．4 兩個步進電機控制電路 它是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步距角）。步進電機在空載情況下能夠從鎖定狀態(tài)正常啟動的脈沖頻率?？蛰d牽出頻率是指步進電機在正常運轉情況逐漸升高脈沖頻率使步進電機不失步的最高頻率。步進電機自定位轉矩是指在沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的轉矩。一般步進電機的精度為步距角的 3-5%，且不累積。利用步進電機的特性，我們采用了用SH-20403兩相混合式步進電機細分驅動器控制步進電機。其左右輪的控制電路如圖: 3．3．4 主控制電路圖 4 結 論 結合輕型機器人平臺的研究，本文主要圍繞輕型雙輪式機器人的設計進行研究。對機器人的整體方案進行設計，計算并校核機器人的軸部件，并對機器人的功能進行研究。對上面的工作總結如下: 1輕型雙輪式機器人的設計，采用了雙步進電機操控的方案。 2機器人采用了工字型結構，該機構結構簡單，操作方便。 3電機采用了無刷無齒48V電機。 4對機器人在幾種工作情況下的受力情況進行了分析，并對其進行了校核計算。 5對機器人的控制進行了研究及設計。 致 謝 本課題在導師耿宏偉的悉心指導和熱心關懷下完成，耿宏偉老師對課題的選定，整體的構思，重點和難點的分析都給我以很大的啟迪；淵博的知識、嚴謹的作風、豐富的經驗給我留下了深刻的印象,另外對課題的進度和各種資料的收集給予了很大的幫助。尤其耿宏偉老師在百忙之中，很關切我的畢業(yè)設計。開始即做出了科學的指導方向，在向我提供資料和指導的同時，鼓勵我發(fā)揮主觀能動性，大膽設計，不必拘泥于資料。這給我極大的激勵和啟發(fā)，幫助我克服了畏難情緒，很快進入了狀態(tài)。在設計中期，耿宏偉老師更是認真關注我的設計進程，及時對我遇到的問題作出指導，再次表示誠摯的感謝并致以崇高的敬意！ 參考文獻 1. 吳紹斌，陳慧巖，軍用地面無人車輛的發(fā)展.車輛與動力技術2002年第4期 2. 王榮本 李兵,世界智能車輛的研究概況. 3. 馮巧玲，自動控制原理.北京航空航天大學出版社，2003 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