工業(yè)移動機器人設計.doc

1緒論11緒論1.1引言移動機器人已經(jīng)成為機器人研究領域的一個重要分支。在軍事、危險操作和服務業(yè)等許多場合得到應用，需要機器人以無線方式實時接受控制命令，以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動1。移動機器人按照移動方式可分為輪式、履帶式、腿足式等，其中輪式機器人由于具有機構簡單、活動靈活等特點尤為受到青睞。按照移動特性又可將移動機器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動機構的類型也很多，對于一般的輪式移動機構，都不能進行任意的定位和定向，而全方位移動機構則可以利用車輪所具有的定位和定向功能，實現(xiàn)可在二維平面上從當前位置向任意方向運動而不需要車體改變姿態(tài)，在某些場合有明顯的優(yōu)越性；如在較狹窄或擁擠的場所工作時，全方位移動機構因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時候，全方位移動機構可以對自己的位置進行細微的調(diào)整2。由于全方位輪移動機構具有一般輪式移動機構無法取代的獨特特性，對于研究移動機器人的自由行走具有重要意義，成為機器人移動機構的發(fā)展趨勢?；谝陨纤?，本文從普遍應用出發(fā)，設計一種帶有機械手臂的全方位運動機器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運動，運動靈活，機械手臂使之能夠執(zhí)行預定的操作。本文是機器人設計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。1.2國內(nèi)外相關領域的研究現(xiàn)狀1.2.1國外全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀國外很多研究機構開展了全方位移動機器人的研制工作，在車輪設計制造，機器人上輪子的配置方案，以及機器人的運動學分析等方面，進行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動機器人產(chǎn)品。這方面日本、美國和德國處于領先地位。八十年代初期，美國在DARPA的支持下，卡內(nèi)基梅隆大學（CarnegieMellonuniversity,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（MassachusettsInstituteofTechnology,MIT）等院校開展了自主移動車輛的研究，NASA下屬的JetPropulsionLaboratery(JPL)也開展了這方面的研究。CMU機器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機器人代表了室外移動機器人的發(fā)展方向。德國聯(lián)邦國防大學和奔馳公司于二十世紀九十年代研制成VaMoRs-P移動機器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括：4個小型彩色CCD攝像機，構成兩1緒論2組主動式雙目視覺系統(tǒng)；3個慣性線性加速度計和角度變化傳感器。SONY公司青島大學大學學士學位論文31999年推出的寵物機器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾，而且摔倒后可以立即爬起來。本田公司1997年研制的HondaP3類人機器人代表雙足步行機器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米，工作時間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/小時。國外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進行介紹。麥克納姆輪3，如圖1.1所示，它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構成，輪子和滾子之間的夾角為Y，通常夾角Y為45，每個輪子具有三個自由度，第一個是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動，第二個是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動，第三個是繞輪子和地面的接觸點轉(zhuǎn)動。輪子由電機驅(qū)動，其余兩個自由度自由運動。由三個或三個以上的Mecanum輪可以構成全方位移動機器人。圖1.1麥克納姆輪198411lgf圖1.2麥克納姆輪應用正交輪4，由兩個形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架，固定在一個共同的殼體上構成，如圖1.3所示.每個球形輪子架有2個自由度，即繞輪子架的電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動。兩個輪子架的轉(zhuǎn)動軸方向相同，由一個電機驅(qū)動，兩個輪子的軸線方向相互垂直，因而稱為正交輪。中國科學院沈陽自動化研究所所研制的全方位移動機器人采用了這種結(jié)構，如圖1.4。青島大學大學學士學位論文4圖1.3正交輪圖1.4正交輪的應用球輪由一個滾動球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅(qū)動滾子固定在一個可以繞球體中心轉(zhuǎn)動的支架上，如圖1.6所示。每個球輪上的驅(qū)動滾子由一個電機驅(qū)動，使球輪繞驅(qū)動滾子所構成平面的法線轉(zhuǎn)動，同時可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動5。圖1.5球輪圖1.6球輪的應用偏心萬向輪4，如圖1.7所示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運動方式，輪子在滾動和換向過程中同地面的接觸點不變，因而在運動過程中不會使機器人振動，同時明顯減少了機器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。圖1.7偏心萬向輪圖1.8偏心萬向輪的應用1.2.2國內(nèi)全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀我國在移動機器人方面的研究工作起步較晚，上世紀八十年代末，國家863計劃自動化領域自動機器人主題確立立項，開始了這方面的研究。在國防科工委和國家863計劃的資助下，由國防科大、清華大學等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動機器人7B.8,并于1995年12月通過驗收。7B.8的車體是由躍進客車改進而成,車上有二維彩色攝像機、三維激光雷達、超聲傳感器。其體系結(jié)構以水平式機構為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達到20km/h。避障速度達到5-10km/h。上海大學研制了一種全方位越障爬壁機器人,針對清洗壁面作業(yè)對機器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動機構車輪組機構,該機構保證機器人可在保持姿態(tài)不變的前提下,沿壁面任意方向直線移動,或在原地任意角度旋轉(zhuǎn),同時能跨越存在于機器人運行中的障礙,不需要復雜的輔助機構青島大學大學學士學位論文5來實現(xiàn)平面上運動和越障運動之間轉(zhuǎn)換。哈爾濱工業(yè)大學的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動式作業(yè)型智能服務機器人，并對課題當中的一些關鍵技術，如新型全方位移動機構、七自由度機器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術，最后給出了移動機器人的系統(tǒng)控制方案。哈爾濱工業(yè)大學的閆國榮，張海兵研究一種新型全方位輪式移動機構，這種全方位移動機構當中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于：這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直，則輪子主動的滾動和從動的橫向滑移之間將是真正相互獨立的；輪子正常轉(zhuǎn)動時，輪緣上的小滾子也將是純滾動8，如圖1.9。圖1.9全方位移動機構仿真圖1.3主要研究內(nèi)容本課題從普遍應用出發(fā)，設計一種帶有操作臂的全向運動機器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運動，運動靈活，機械手臂使之能夠執(zhí)行預定的操作。本課題是機器人設計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。本文研究內(nèi)容主要有：了解和分析已有的機器人移動平臺的工作原理和結(jié)構，以及分析操作手臂常用的結(jié)構和工作原理，對比它們的優(yōu)劣點。在這些基礎上提出可行性方案，并選擇最佳方案來設計。根據(jù)選定的方案對帶有機械臂的全方位移動機器人進行本體設計，包括全方位車輪旋轉(zhuǎn)機構的設計、車輪轉(zhuǎn)向機構的設計和機器人操作臂的設計。要求全方位移動機構轉(zhuǎn)向、移動靈活，可以快速、有效的到達指定地點；機械臂操作范圍廣、運動靈活、結(jié)構簡單緊湊且尺寸小，可以快速、準確的完成指定工作。設計完成后要分析全方位移動機構的性能，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。2全向移動機器人移動機構設計62全向移動機器人移動機構設計2.1引言機器人機械本體的設計是機器人設計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。帶有機械臂的全方位移動機器人可以實現(xiàn)在平面內(nèi)任意角度的移動，能夠以一定姿態(tài)到達預定位置。根據(jù)這一總體思想，進行本機器人移動機構的本體設計。2.2機械設計的基本要求機械結(jié)構設計的要求，包括對機器整機的設計要求和對組成零件的設計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。a.對機器整機設計的基本要求對機器使用功能方面的要求：實現(xiàn)預定的使用功能是機械設計的最基本的要求，好的使用性能指標是設計的主要目標。另外操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是機械設計時所要求的。對機器經(jīng)濟性的要求：機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設計、制造和使用的全過程中，在設計機器時要全面綜合的進行考慮。設計的經(jīng)濟性體現(xiàn)為合理的功能定位、實現(xiàn)使用要求的最簡單的技術途徑和最簡單合理的結(jié)構。b.對零件設計的基本要求機械零件是組成機器的基本單元，對機器的設計要求最終都是通過零件的設計來實現(xiàn)，所以設計零件時應滿足的要求是從設計機器的要求中引申出來的，即也應從保證滿足機器的使用功能要求和經(jīng)濟性要求兩方面考慮。要求在預定的工作期限內(nèi)正?？煽康墓ぷ?，從而保證機器的各種功能的正常實現(xiàn)。這就要求零件在預定的壽命內(nèi)不會產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件在強度、剛度、震動穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿足的條件，這些條件就是判定零件工作能力的準則。要盡量降低零件的生產(chǎn)成本，這要求從零件的設計和制造等多方面加以考慮。設計時合理的選擇材料和毛坯的形式、設計簡單合理的零件結(jié)構、合理規(guī)定零件加工的公差等級以及認真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量采用標準化、系列化和通用化的零部件。任何一種機器都有動力機、傳動裝置和工作機組成。動力機是機器工作的能量來源，可以直接利用自然資源（也稱為一次能源）或二次能源轉(zhuǎn)換為機械能，如內(nèi)燃機、氣輪機、電動機、電動馬達、水輪機等。工作機是機器的執(zhí)行機構，用來實現(xiàn)機器的動力和運動能力，如機器人的末端執(zhí)行器就是工作機。傳動裝置則是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。青島大學學士學位論文72.3全方位輪式移動機構的研制在設計移動機器人本體時應遵循以下設計原則：（1）總體結(jié)構應容易拆卸，便于平時的實驗、調(diào)試和修理。（2）應給機器人暫時未安裝的傳感器、功能元件等預留安裝位置，以備將來功能改進與擴展。對比緒論中各轉(zhuǎn)向機構的優(yōu)缺點，本文選用全方位輪式機構來設計。全方位輪式機器人的運動包括縱向、橫向和自轉(zhuǎn)三個自由度的運動7。車輪形移動機構的特征與其他移動機構相比車輪形移動機構有下列一些優(yōu)點：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用率高，機構的控制簡單，而且它可以能夠借鑒日益完善的汽車技術和經(jīng)驗等。它的缺點是移動只限于平面。目前，需要機器人工作的場所，如果不考慮特殊環(huán)境和山地等自然環(huán)境，幾乎都是人工建造的平地。所以在這個意義上車輪形移動機構的利用價值可以說是非常高的。圖2.1是全方位輪式移動機構的示意圖。輪式移動機構預期設計要求實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，可調(diào)速，便于控制。車輪的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向是獨立控制的，全方位移動機器人采用前后輪成對驅(qū)動來控制轉(zhuǎn)向，以及控制每輪旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)全方位移動8。圖2.1全方位輪式移動機構示意圖2.3.1移動機器人車輪旋轉(zhuǎn)機構設計在車輪旋轉(zhuǎn)機構設計過