合肥工業(yè)大學(xué)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)書(shū)

1、 校 級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申報(bào)書(shū)項(xiàng)目名稱(chēng) 四輪驅(qū)動(dòng)全向移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì) 項(xiàng)目主持人 66 聯(lián)系電話(huà) 6666666666 電子信箱 hf6666jian 所在學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 學(xué) 號(hào) 20117720 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 機(jī)設(shè)779班 指導(dǎo)教師 錢(qián)鈞 聯(lián)系電話(huà) 666666666 申請(qǐng)日期 2014-5-12 項(xiàng)目起止年月 2014年5月至2015年4月 創(chuàng) 新 學(xué) 院 填 表 須 知一、合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申報(bào)書(shū)（注明國(guó)家級(jí)或校級(jí)）要按順序逐項(xiàng)填寫(xiě)，內(nèi)容要實(shí)事求是，表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)。空缺項(xiàng)要填“無(wú)”。要求一律用A4紙正反頁(yè)打印，于左側(cè)裝訂成冊(cè)。 二、申請(qǐng)參加合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練

2、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)人數(shù)不得超過(guò)5人（1人為立項(xiàng)負(fù)責(zé)人，參與合作研究者1-4人）。三、合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申報(bào)書(shū)由申報(bào)學(xué)生所在學(xué)院初審，簽署意見(jiàn)后，一式二份報(bào)送創(chuàng)新學(xué)院。四、如填表有不明事宜，請(qǐng)與創(chuàng)新學(xué)院聯(lián)系和咨詢(xún)。（聯(lián)系電話(huà)：62901107）申請(qǐng)者情況姓名李66性別男出生年月19668所在院（系）機(jī)汽學(xué)院專(zhuān)業(yè)年級(jí)機(jī)設(shè)11級(jí)學(xué)號(hào)206620項(xiàng)目組成員情況姓名學(xué)號(hào)性別出生年月專(zhuān)業(yè)年級(jí)分工楊焱麟20166660男1966機(jī)設(shè)66級(jí)機(jī)械部分設(shè)計(jì)和組裝朱同雄20110662男19666機(jī)設(shè)11級(jí)各部分布局規(guī)劃和線(xiàn)路連接王力201166男19669機(jī)設(shè)11級(jí)PLC無(wú)線(xiàn)通信和上位機(jī)開(kāi)發(fā)李劍20116660

3、男1966.8機(jī)設(shè)11級(jí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師情況姓名錢(qián)鈞職稱(chēng)副教授學(xué)歷/學(xué)位碩士講授課程PLC原理及應(yīng)用機(jī)器人 研究方向教學(xué)機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人所在院（系）機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院E-mail地址qianjun電題來(lái)源：科研 教學(xué) 設(shè)計(jì) 工程 自選 其他（ ）1、 申請(qǐng)理由（知識(shí)條件，特長(zhǎng)、興趣，相關(guān)經(jīng)歷等）我們組成員對(duì)機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)充滿(mǎn)興趣，喜歡動(dòng)手拆裝機(jī)械裝置和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)；我們學(xué)習(xí)了電學(xué)、C語(yǔ)言、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電傳動(dòng)控制、PLC原理及應(yīng)用和傳感器等相關(guān)知識(shí)，給我們打好了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。我們每人還有自己的特點(diǎn)：李劍曾是校級(jí)創(chuàng)新性項(xiàng)目-智能家用藥箱的負(fù)責(zé)人，在項(xiàng)

4、目進(jìn)行中，熟練地掌握了單片機(jī)的編程和電路板的繪制，擅長(zhǎng)于硬件電路設(shè)計(jì)，有很好的團(tuán)隊(duì)合作能力。楊焱麟曾是合肥工業(yè)大學(xué)云電動(dòng)車(chē)隊(duì)車(chē)架組主要負(fù)責(zé)人，設(shè)計(jì)了并制造出了云電一代車(chē)的車(chē)架，且在去年的全國(guó)的比賽中獲得了第一名的好成績(jī)。在車(chē)隊(duì)中，其動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)得到了很大的提高。朱同雄喜歡學(xué)習(xí)新的東西，在課余時(shí)間，經(jīng)常拆裝和維修很多小東西，有著很好的動(dòng)手實(shí)踐能力。王力，曾參與校級(jí)創(chuàng)新性項(xiàng)目-家庭燃?xì)獍踩刂?，主要?fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)和軟件編程，擅長(zhǎng)于單片機(jī)C語(yǔ)言編程和電腦軟件的開(kāi)發(fā)。另外，我們小組隊(duì)員堅(jiān)信無(wú)論遇到什么樣的困難，我們都將努力去克服，絕不放棄。同時(shí)，我們小組也有信心在大家齊心協(xié)力、共同努力和老

5、師不辭勞苦的指導(dǎo)下完成此項(xiàng)目。 二、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容（目前研究的現(xiàn)狀、研究方法、實(shí)驗(yàn)方案、解決的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)等）目前研究的現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人的研究可以追溯到20 世紀(jì)60 年代。斯坦福大學(xué)研究所成功地研制一種典型的自主移動(dòng)機(jī)器人 Shakey。它具有在復(fù)雜環(huán)境下，對(duì)象識(shí)別，自主推理，路徑規(guī)劃及控制功能。與此同時(shí)，以General Electric Quadruped為代表的步行機(jī)器人也研究成功，它能在不平整，非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。70 年代末，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的研究又出現(xiàn)新的高潮。特別是 80 年代開(kāi)始，美國(guó)國(guó)防部 DARPA 的支助下，由 CMU, St

6、andford大學(xué)和MIT 等單位開(kāi)展的ALV 研究 ；能源部制定的為期10年的機(jī)器人和智能系統(tǒng)計(jì)劃，以及后來(lái)的空間機(jī)器人計(jì)劃；日本通產(chǎn)省的極限環(huán)境下作業(yè)機(jī)器人計(jì)劃和人形機(jī)器人計(jì)劃；歐洲尤里卡中心的機(jī)器人計(jì)劃等。 除此之外， 很多世界著名公司不惜投入重金，紛紛開(kāi)始研究移動(dòng)機(jī)器人。進(jìn)入90年代后，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人向?qū)嵱没?、系列化、智能化進(jìn)軍。涌現(xiàn)出許許多多智能移動(dòng)機(jī)器人。如CMU的Navlab系列移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng) ；德國(guó)Vamors-P和Caravelle 系統(tǒng)；日本本田公司的P 系列和ASIMO人型機(jī)器人 ； 日本索尼的SDR-3X 人型機(jī)器人和AIBO娛樂(lè)型機(jī)器人等代表著移動(dòng)機(jī)器

7、人各個(gè)方面的先進(jìn)研究成果。我國(guó)移動(dòng)機(jī)器人是從八五期間開(kāi)始這方面研究。同世界主要機(jī)器人大國(guó)相比， 盡管我國(guó)在移動(dòng)機(jī)器人的研究起步比較晚，但是發(fā)展卻是很迅速。對(duì)于一些室外移動(dòng)機(jī)器人的某些關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到了或者接近國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人主要研究成果如下：清華大學(xué)的智能移動(dòng)機(jī)器人 THMR- ,型機(jī)器人 ； 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所的AGV 自主車(chē)和防爆機(jī)器人；香港城市大學(xué)的自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)及服務(wù)機(jī)器人；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的導(dǎo)游機(jī)器人；中科院自動(dòng)化所的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)；國(guó)防科技大學(xué)的雙足機(jī)器人；由南京理工大學(xué)，北京理工大學(xué)， 浙江大學(xué)等多所院校聯(lián)合研究的軍用室外移動(dòng)機(jī)器人。近年來(lái)，以全向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為平臺(tái)

8、的輪式移動(dòng)機(jī)器人以其優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)特性，越來(lái)越多的受到了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)以及高校的重視，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。這其中，Mecanum輪式全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，為移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展注入了新的活力在Mecanum輪的發(fā)明出現(xiàn)以后，美國(guó)及世界眾多大學(xué)和公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域涉及到了工業(yè)領(lǐng)域、民用領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域，包括各類(lèi)叉車(chē)、自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)、運(yùn)輸車(chē)、競(jìng)賽機(jī)器人等。1996年，美國(guó)的Airtrax公司采納了Mecanum輪的技術(shù)，歷史上第一個(gè)將運(yùn)用麥克納姆技術(shù)的車(chē)輛商業(yè)化。他們的優(yōu)越性體現(xiàn)在可以在很小的空間環(huán)境中工作實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活，操作方便，極大的提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。研究方法1.查閱

9、資料法：通過(guò)查找國(guó)內(nèi)外關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人研究的資料文獻(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行分析，總結(jié)歸納出自己的設(shè)計(jì)方案；2.數(shù)據(jù)分析法：對(duì)查找的資料的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行仔細(xì)的研究分析。3.理論計(jì)算法：運(yùn)用力學(xué)、進(jìn)行理論的計(jì)算，選擇合適的機(jī)械布局結(jié)構(gòu)；4.模擬實(shí)體法：運(yùn)用軟件，如Solidworks、CATIA等進(jìn)行仿真模擬；5.實(shí)驗(yàn)法：通過(guò)大量的測(cè)試、實(shí)驗(yàn)，找尋最佳結(jié)構(gòu)布局；實(shí)驗(yàn)方案：1. 全向移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)組成部分包括：Mecanum全向輪、PLC、無(wú)線(xiàn)路由器、避震機(jī)構(gòu)和上位機(jī)等組成，整個(gè)系統(tǒng)采用鋰電池供電。機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)方式，全向輪是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部

10、分，是實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)的前提?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC控制直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)是PC機(jī)，通過(guò)操作PC機(jī)上的軟件，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息至PLC，PLC控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。1.2輪系設(shè)計(jì)本課題采用的全向輪為Mecanum輪，可以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，其全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上面。依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力矢量從而保證了這個(gè)平臺(tái)在最終的合力矢量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小棍子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線(xiàn)很特

11、殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線(xiàn)為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個(gè)這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便的實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。圖1是實(shí)際的Mecanum輪。由于我們采用了四輪驅(qū)動(dòng)，即可以控制四個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和不同的速度，從而可以在狹小的空間實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)。圖2是全向運(yùn)動(dòng)的示意圖。例如在圖2的第二個(gè)圖中，當(dāng)左前輪正轉(zhuǎn)，右前輪反轉(zhuǎn)，左后輪反轉(zhuǎn)，右后輪正轉(zhuǎn)的時(shí)候，機(jī)器人就可以直接橫向往右移動(dòng)。其他圖也是同樣的原理。 圖1: Mecanum輪 圖2：全向移動(dòng)示意圖 1.3底盤(pán)、減震系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)

12、系統(tǒng)，想要機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，必須引入減震系統(tǒng)，來(lái)解決機(jī)器人四輪著地的問(wèn)題。常見(jiàn)的減震系統(tǒng)是汽車(chē)的懸掛系統(tǒng)減震，汽車(chē)懸架系統(tǒng)采用的減震器多是液力減震器。對(duì)于設(shè)計(jì)的小噸位承載機(jī)器人，如果引入汽車(chē)的懸掛系統(tǒng)，面臨成本太高和體積過(guò)大的問(wèn)題，故不宜采取該方案。我們采用了一套簡(jiǎn)易的懸掛系統(tǒng)，采用兩塊彈簧鋼片和底板連接，由于彈簧鋼板具有一定的柔性，當(dāng)和剛性地板連接后，降低了機(jī)器人本體的剛度，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)保證四輪同時(shí)著地。同時(shí)，為了達(dá)到更好的減震效果，我們選用了四個(gè)簡(jiǎn)易彈簧，通過(guò)支撐螺栓，安裝于地板和彈簧鋼片間，起到懸掛作用。2.全向移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功

13、能是直流伺服電機(jī)閉環(huán)調(diào)速和上位機(jī)和下位機(jī)的通信?？刂破饕晕鏖T(mén)子公司的S7 1200 PLC為核心，對(duì)四路直流伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，通過(guò)以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)路由器實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信，實(shí)時(shí)處理上位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制信息，讓機(jī)器人按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。2.2 S7-1200 PLC模塊可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。S7-1200是S7-200的替代版本，其基本結(jié)構(gòu)包括：CPU模塊、信號(hào)模塊、信

14、號(hào)板、通信模塊。S7-1200 控制器具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用，能夠保障現(xiàn)有投資的長(zhǎng)期安全。由于該控制器具有可擴(kuò)展的靈活設(shè)計(jì)，符合工業(yè)通訊最高標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，以及全面的集成工藝功能，因此它可以作為一個(gè)組件集成在完整的綜合自動(dòng)化解決方案中。2.3 直流伺服電機(jī)控制模塊直流伺服電機(jī)憑借著其良好的調(diào)速特性，在機(jī)器人的控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)伴隨著各種新型直流伺服電機(jī)的出現(xiàn)，應(yīng)用比例也逐漸增加。為了提高電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，單獨(dú)的電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)是不能滿(mǎn)足要求的。課題采用了速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)，加上先進(jìn)PID控制算法，利用PWM輸出進(jìn)行速度的控制，能起到很好的效果

15、。直流伺服電機(jī)伺服控制器PLC光電編碼器 圖3 圖3為速度閉環(huán)控制的圖，PLC通過(guò)發(fā)送PWM來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由光電編碼器檢測(cè)出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，將實(shí)際值和理論值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)數(shù)字PID運(yùn)算后，更新各個(gè)電機(jī)的PWM占空比，以達(dá)到對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。創(chuàng)新點(diǎn)：1、四輪驅(qū)動(dòng)，可以很好的實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向和全向移動(dòng)。2、速度的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。參考文獻(xiàn)1 劉磊.帶Mecanum輪的移動(dòng)機(jī)器人全向移動(dòng)控制研究J.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2011，31(1):66-722翟天嵩. 全向移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)J.南陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，3(04)：9-133 王志龍. 全向移動(dòng)機(jī)器人電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.

16、自動(dòng)化與儀表.2012（12）:6-104 劉洲,吳洪濤.Mecanum四輪全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真 J .中國(guó)制造業(yè)信息化, 2011(5):43-45 5 王國(guó)勝，呂紅濤，呂強(qiáng). 四輪全向移動(dòng)機(jī)器人的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)設(shè)J.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，27(1):59-646 匡建輝，楊宜民.基于模糊PD控制的四輪驅(qū)動(dòng)全向移動(dòng)機(jī)器人速度補(bǔ)償控制器研究J.計(jì)算與自動(dòng)化，2011，30(1):22-257 何效飛，楊宜民.基于模糊自適應(yīng)控制的全向移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制研究J.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012（9）：159-1638 劉春陽(yáng),譚應(yīng)清,柳長(zhǎng)安,馬瑩巍.多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)在足球機(jī)器人中的研

17、究與應(yīng)用J. 電子學(xué)報(bào). 2010(08) 三、項(xiàng)目進(jìn)度安排（查閱資料、選題、自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目研究方案、開(kāi)題報(bào)告、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、處理與分析、研制開(kāi)發(fā)、填寫(xiě)結(jié)題表、撰寫(xiě)研究論文和總結(jié)報(bào)告、參加結(jié)題答辯和成果推廣等）1. 項(xiàng)目準(zhǔn)備階段（2014.62014.8）補(bǔ)充相關(guān)的知識(shí)；對(duì)相關(guān)的組成部分進(jìn)行分析，選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布局。制定具體可行的實(shí)驗(yàn)方案；購(gòu)買(mǎi)所需電機(jī)、輪子和PLC等相關(guān)部件；2. 項(xiàng)目進(jìn)行階段（2014.92015.2）實(shí)體組裝，電路連接；控制系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)通信程序的完成；3. 項(xiàng)目后期階段（2015.22015.3）進(jìn)行功能的測(cè)試，改進(jìn)；4. 項(xiàng)目總結(jié)工作（2015.32015.4）準(zhǔn)備相關(guān)的結(jié)題報(bào)告，ppt和論文等；準(zhǔn)備答辯；四、擬利用資源（實(shí)驗(yàn)室、研究所、創(chuàng)新基地、實(shí)踐基地、儀器設(shè)備、資料等）實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：PLC實(shí)驗(yàn)室、傳感器實(shí)驗(yàn)室、工培中心；儀器設(shè)備：PLC試驗(yàn)臺(tái)，示波器；資料：網(wǎng)上和圖書(shū)館查找與移動(dòng)機(jī)器人有關(guān)的文獻(xiàn)； 五、經(jīng)費(fèi)使用計(jì)劃序號(hào)支出項(xiàng)目