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可移动式机器人结构设计毕业论文
第一章 绪 论
1.1选题背景及意义
随着科学技术的发展，人类的研究活动领域已由陆地扩展到海底和空间。利用移动机器人进行空间探测和开发，己成为21世纪世界各主要科技发达国家开发空间资源的主要手段之一。研究和发展月球探测移动机器人技术，对包括移动机器人在内的相关前沿技术的研究将产生巨大的推动作用。
移动机器人是一种能够通过传感器感知外界环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。近年来，由于移动机器人在工业、农业、医学、航天和人类生活的各个方面显示了越来越广泛的应用前景，使得它成为了国际机器人学的研究热点。20世纪90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。目前，移动机器人特别是自主机器人已成为机器人技术中一个于分活 跃的研究领域[1]。
本课题着重于研究移动机器人的结构设计，对于控制系统设计由于知识有限，暂只进行简单的设计。力求在理论上设计出一个在结构上能够有较好的移动能力和越障能力的移动机器人。 1.2移动机器人的移动机构研究概况
从最早出现的机器人到现在涌现出的形态各异的移动小车，其移
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动机构的形式层出不穷，以美国、俄罗斯、法国和日本为首的西方发达国家己经研制出了多种复杂奇特的三维移动机构，有的已经进入了实用化和商业化阶段[2] [3]。面对21世纪深空探测的挑战，对各种自主系统的研制是必须的，而移动机构又是各种自主系统的最基本和最关键的环节。
已经出现的移动机器人的移动机构主要有履带式、腿式和轮式，其中以轮式的效率最高，但其适应能力相对较差，而腿式的适应能力最强但其效率最低[4]。
履带式移动机构是将圆环状的循环轨道卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与地面接触，利用履带可以缓和地面的凹凸不平。它具有良好的稳定性能、越障能力和较长的使用寿命，适合在崎岖的地面上行使。但由于沉重的履带和繁多的驱动轮使得整体机构笨重，消耗的功率也相对较大[5]。
腿式移动机构基本上是模仿人或动物的下肢机构形态而制成的。因其出色的地面适应能力和越野能力，曾经得到很多机器人专家的广泛重视，在其开发和研制上投入了大量的时间和精力，也取得了较大的成果。从移动的方式上来看，腿式移动机器人可分为两种:动态行走机器人和静态行走机器人。根据腿的数量又可进行分类，如四腿移动机器人六腿移动机器人。腿式机器人虽然具有较强的越野能力，但结构比较复杂，运动控制的难度较大，而且移动速度较慢[6]。
轮式移动机构具有运动速度快、能量利用率高、结构简单、控制方便和能借鉴至今已很成熟的汽车技术等优点，只是越野性能不太
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强。但随着各种各样的车轮底盘的出现，如日本NASDA的六轮柔性底盘月球漫游车LRTV，俄罗斯TRANSMASH的六轮三体柔性框架移动机器人Marsokohod，美国CMU的六轮三体柔性机器人Robby系列以及美国JPL的六轮摇臂悬吊式行星漫游车Rocky系列，已使轮式机器人越野能力大大增加，可以和腿式机器人相媲美。于是人们对机器人机构研究的重心也随之转移到轮式机构上来，特别是最近日本开发出一种结构独特的五点支撑悬吊结构Micros，其卓越的越野能力较腿式机器人有过之而不及[6-8]。
轮式结构按轮的数量分可分为二轮机构、三轮机构、四轮机构、六轮以及多轮机构。二轮移动机构的结构非常简单，但是在静止和低速时非常不稳定。三轮机构的特点是机构组成容易，旋转中心是在连接两驱动轮的直线上，可以实现零回转半径。四轮机构的运动特性基本上与三轮机构相同，由于增加了一个支撑轮，运动更加平稳。以上几种轮式移动机构的共同特点是它们所有的轮子在行驶过程中，只能固定在一个平面上，不能作上下调整，因此，地面适用能力差。一般的六轮机构主要就是为了提高移动机器人的地面适应能力而在其结构上作了改进，增加了摇臂结构，使得机器人在行驶过程中，其轮子可以根据地形高低作上下调整，从而提高了移动机器人的越野能力
[9]
。
1.3移动机器人运动控制系统介绍 1.3.1移动机器人运动控制系统概要
移动机器人的运动控制系统是机器人系统的执行机构，对系统精
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确地完成各项任务起着重要作用，有时也可作为一个简单的控制器
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。构成机器人运动控制系统的要素有:计算机硬件系统及控制软件、
输入/输出设备、驱动器、传感器系统，它们之间的关系如图1.1所示[11]。
驱动器 计算机硬件及控制软件 I/O设备 外部设备 传感器 图1.1 机器人控制系统构成要素
机器人本体 1.3.2移动机器人运动控制系统的设计要求
移动机器人运动控制系统的设计主要包括系统的功能和体系结构设计，功能设计主要完成控制功能和算法的软件设计，而体系结构设计是功能在硬件上的实现[12]。根据面向的任务和环境不同，对移动机器人运动控制系统的设计也不同。目前机器人运动控制系统存在主要问题有:系统局限于专用微处理器、专用机器人语言，开放性差[13];软件结构依赖于微处理器硬件，难以在不同系统间移植;扩展性差[14]。针对这些不足，进行机器人运动控制系统设计时应考虑以下要求:
(1)开放式系统结构。采用开放式软件、硬件结构，可以根据需要方便扩充功能，使其适用于不同目的的科研需求[15-16];
(2)合理的模块化设计。硬件根据系统要求和电气特性进行模块化设计，不仅方便安装和维护，而且提高系统的可靠性;软件按功能分成不同模块，便于修改、添加;
(3)实时性、多任务要求。控制器必须能在确定时间内完成对外部中断的处理，并且可以多个任务同时进行[17];
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