全向移动机器人底盘设计-毕业

范文一：全向移动机器人底盘设计-毕业论文

毕业设计开题报告

,含文献综述、外文翻译,

题目全向移动机器人底盘设计

姓名

学号

班级

专业机械设计制造及其自动化

学院机械工程学院

指导教师(职称)

开题报告

1.选题的背景和意义

1.1 选题的背景

机器人的应用越来越广泛，几乎渗透所有领域。进入九十年代以来，人们广泛开展了对服务机器人的研制和开发。各国尤其是西方发达国家正致力于研究、开发和广泛应用服务机器人。目前，在美国、日本等发达国家，机器人已应用于商场导购、物品移送、家居服务、展厅保安和大面积清扫等多个服务领域。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，将势必会在各个领域广泛、大量地应用服务机器人。

与普通工业机器人相比，服务机器人具有更大更灵活的工作空间，因此其往往是移动机器人。移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人，是继操作手和步行机之后机器人技术的一个新的研究目标，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究方向。移动机器人目前主要包括军事和民用服务两大应用领域。在民用服务领域，美国和日本处于遥遥领先的地位，机器人被广泛应用于车站清扫、大面积割草、商场导游导购、导盲和保安巡逻等各个方面。在我国的移动服务机器人的研究和应用还处于起步阶段，上海大学、哈尔滨工业大学曾先后研制成功导购机器人、导游机器人和清扫机器人。随着我国经济建设的不断开展和人民生活水平的提高，广泛应用服务机器人必将成为趋势。

1.2 选题意义

上述移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此，移动机构是组成移动

机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功与否将直接影响机器人系统的性能。目前，移动机构开发的种类已相当繁多，仅就平面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿足式等形式。各种移动机构可谓各有千秋，适应了各种工作环境的不同要求。但车轮式移动机构显得尤其突出，与步行式移动机构相比，它的优点很多:能高速稳定地移动、能源利用率高，机构简单、控制方便、能借鉴至今已很成熟的汽车技术和经验等等，它的缺点是移动场所限于平面。但是，目前机器人工作的场所几乎都是人工建造的平地，并且即使有台阶，只要以车轮式移动机构为基础再附加几个自由度便不难解决。因而，轮式移动机构在机器人技术中得到广泛应用，目前已成为移动机器人运动机构的最主要形式。本课题将对全向移动机器人底盘设计进行分析和研究。 2.设计内容和关键问题

2.1 主要设计内容

分析四个轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理，建立了该全方位移动机构的运动学、动力学模型，提出了四轮协调的控制策略。进行了轮廓参数设计和结构设计，设计制造装配零部件，制作成可全方位移动的机器人底盘。

2.2 拟解决的关键问题

移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。

能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此，移动机构是组成移动机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功与否将直接影响机器人系统。

3.设计的方法及措施

3.1方法及措施

3.1.1三轮机构

三轮移动机构具有一定的稳定性，是轮式机器人的基本移动机构之一，在机器人领域已经得到广泛的应用，而且在实现方式上也呈现多样化。 1)两轮独立驱动机构

两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。如图(1)，该机构利用一个高精度驱动轮和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动，随机轮置于机器人底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定，通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动，因此属于差分驱动方式。这种结构的特点是运动灵活，机构组成简单;当两轮转速大小相等方向相反时，可以实现机器人本体的灵半径回转。该机构的缺点是对伺服系统的要求较高，如进行严格的直线运动则需保证左右两个轮子的旋转速度完全一样，且在加减速时的动态特性也应完全一致，这就要求伺服驱动系统要求有足够的精度和优异的动态特性，从而会导致机器人底盘的成本增加。

2)前轮驱动前轮导向机构

如图(2)，该机构中的前轮既是驱动轮又是导向轮(操舵轮)，采用两个电机分别控制:导向电机控制前轮的转向角度，驱动电机控制前轮的旋转速度。因此，通过对前轮的这两个自由度进行复合控制，可以同时实现对机器人本体的运行速

度和运行方向的控制。两个被动后轮没有电机控制，完全是随机轮。该种移动机构的特点是控制比较方便，能耗低，对于伺服系统和制造装备精度要求不高，而且旋转半径可以从0到无穷大连续变化;缺点是由于导向和驱动的驱动器均集中在前轮部分，复合运动结构设计复杂，而且车体本身的运动并不十分灵活。

3)后轮差动减速器驱动前轮导向机构

该种机构如图(3)，导向控制电机通过减速器控制导向前轮，决定了机器人本体的运动方向。驱动轮同驱动控制电机通过驱动齿轮箱体连接，在箱体内安装有全部传动系统的减速齿轮、差动器等传动零件，通过箱体两端的半轴带动左、右驱动轮运动。差速器的作用是在进行转弯操作是为左、右两轮分配不同的旋转速度。这种移动机构和驱动系统可以利用一些通用的传动系统零部件，传动效率较高，制造成本较低;但在传动模式上仍是机械传动模式，结构比较复杂，体积较大，质量也比较大，同时运动不灵活，不能实现机器人本体的小半径回转运动。

4)两后轮独立驱动前轮导向机构

由图(4)可以看出，该机构同后轮差速器驱动前轮导向机构在原理上具有相似之处，不同之处在于利用两个独立伺服驱动电机取代了差速器装置，用以分别控制左、右驱动轮。该机构在控制上需要按照机器人运动学模型把移动平台的整体运动分解为对三个电机的控制命令，然后控制导向轮的转动和两个驱动轮的差动实现本体运动。同后轮差动器驱动前轮导向机构相比，该机构采用纯粹的电气传动模式，结构比较简单，体积和质量能够得到很好的控制，且方向控制精度更高，运动更为灵活;缺点是需要对三轮进行协调控制，同步性要求较高，且自转时的本体方向定位精度较低。

5)三轮全驱动全导向机构

三轮全驱动全导向机构属于同步驱动的装置方式。如图(5)所示，在该机构中，三个轮子成120?放置，用齿轮或者链条将轮子同分别用以进行方向控制和驱动的电机相连。每个轮子都可独立地进行转向控制和速度控制，因此在结构和原理上类似于前轮驱动前轮导向机构的前轮。当三个轮子保持初始位置以相同的速度转动时，及其本体做原地零半径旋转运动;当三个轮子导向角度相同并以相同速度驱动时，本体按照该导向角方向做直线运动。施加适当的控制，利用该机构实现的机器人本体能够按照任意指定的轨迹运动，具有很高的运动灵活性。但是该机构的整体结构比较复杂，完成每个动作都需要对6个伺服电机进行合理控制，且对于方向和驱动控制精度有较高要求，因此控制难度较大。

3.1.2四轮机构

四轮机构在驱动方式上和结构上类似于三轮机构，其优点是驱动轮和负载能力更强，具有较高的地面适应能力和稳定性。同三轮机构相比，四轮机构的缺点在于其回转半径较大，转向不灵活。常见的几种四轮移动机构如图所示

1)两轮独立驱动机构

如图(6)所示，四轮机器人中的两轮独立驱动机构和三轮机器人中的两轮独立驱动机构在工作原理上完全相同，两者之间唯一的差别在于前者多用了一个随机轮，以增加平台的稳定性和伏在承受能力。

2)四轮全驱动全导向机构

如图(7)所示，该种移动机构同三轮机器人中的三轮全驱动全导向机构在工作原理上完全相同。由于增加了一个驱动轮，使得平台的地面适应能力、负载能

力以及平稳性都得到提高。然而，该种机构的控制自由度变得更高，并且由于在运动过程中要求各个独立的导向机构相互协调，保持一定的相互关系，因此控制算法更为复杂。此外，更多的活动机构和过多的控制关节使系统复杂度升高、可靠性降低。

3)四轮全驱机构

四轮全驱机构如图(8)所示。同四轮全驱全导向机构相比，二者的四轮布局完全相同，差别之处在于:每个轮子均没有转向机构，只能进行前后方向上的旋转运动。机器人平台只能通过滑动转向方式进行方向控制，即完全靠两侧驱动轮独立驱动产生的速度差使车轮产生侧向滑动来完成转向操作。因此，这种机构的致命缺点是转向损耗较大。该机构的优点是可以实现不同半径甚至原地零半径的转向，可以满足崎岖地形移动机器人的的性能要求。此外，由于没有活动连接，结构简单可靠，以最简单的机构达到了很高的机动性。

4)两轮独立驱动汽车转向机构

如图(9)所示，该移动机构的两个驱动后轮分别利用独立地伺服电机进行驱动，实现机器人本体的运动速度控制。其优点在于:前端两个导向轮采用类似于汽车那样的艾克曼转向机构相连接，利用一个转向伺服电机实现机器人本体的方向控制。艾克曼转向时目前地面车辆最通用的转向机构，两个转向轮之间通过四连杆机构连接并确定转向角之间的相互关系，可以使转向轮得到基本满意的朝向。艾克曼通过机械结构确定转向轮之间的角度约束关系，整个机构只有一个自由度，因而控制简单、可靠。艾克曼转向机构技术成熟，在性能和可靠性之间得到较好的均衡。但是采用艾克曼转向机构的车辆转弯半径较大，给机器人的控制和路线规划带来较大难度。

5)两轮差速器驱动汽车转向机构

如图(10)所示，该种机构也采用艾克曼转向机构实现机器人的运动方向控

制，而后面两个驱动则采用单伺服电机驱动差速器的方式实现。同图(d)所示机构相比，这种机构只利用两个电机就能实现四轮机器人的的速度和方向控制，控制更为简单，可靠性更高;但是由于转向轮角度约束与驱动轮速度差分制均采用机械方式实现，因此机械结构也变得更为复杂，据此实现的机器人平台往往体积更大，质量也更大。

综上所述，从体积质量，伺服驱动系统精确度，成本，运动灵活性，能否实现小半径回转，稳定度，控制简单，设计简单角度总观:

三轮机构中选用两轮独立驱动机构，四轮机构中选用两轮独立驱动机构。

但是四轮机构比三轮机构多用了一个随机轮，增加了平台的稳定性和伏在承受能力。所以最终选用四轮机构中的两轮独立驱动机构

3.2 可行性分析

四轮机构其优点是驱动轮和负载能力更强，具有较高的地面适应能力和稳定性。

两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。该机构利用一个高精度驱动轮和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动，随机轮置于机器人底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定，通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动，因此可以实现全向移动。这种结构的特点是运动灵活，机构组成简单;当两轮转速大小相等方向相反时，可以实现机器人本体的灵半径回转。

4(预期设计成果

依照设计任务书要求，设计完成时将产生如下成果:

1.设计底盘全向移动驱动轮传动机构，并绘制零件图与装配图; 2.设计底盘辅助轮机构，并绘制零件图与装配图;

3.设计底盘全向运动整体机构，并绘制零件图与装配图;

4.对底盘做运动仿真分析，并对主要受力部件进行有限元分析; 5.撰写毕业设计说明书;

基本要求:

结构布局合理、可行，传动顺畅、高效。能承载200Kg重量，能实现全向运动。 5(设计工作进度计划

本毕业设计的阶段划分与进度安排如下:

第7学期

第 7 周—第 12 周收集资料，撰写开题报告、文献综述、外文翻译。第 13 周—第 13 周修改、打印、上交开题报告、文献综述、外文翻译。第 14 周—第 15 周设计全向移动机器人底盘驱动轮传动机构。

第 16 周前期检查。第 16 周—

第 17 周—第 18 周设计全向移动底盘驱动轮传动机构，并绘制与装配图。第8学期

第 1 周—第 1 周设计底盘辅助轮机构，并绘制零件图与装配图。第 2 周—第 3 周设计全向移动底盘整体机构，并绘制零件图与装配图。第 4 周—第5 周对底盘做运动仿真，并对主要受力部件进行有限元分析。第 6 周—第6 周撰写毕业设计说明书。中期检查。

第 7 周—第 7 周撰写毕业设计说明书。

第 8 周—第 8 周审查。

第 9 周—第 9 周准备答辩材料，答辩。

移动机器人设计

1.国内外研究现状

1.1国外研究现状

(1)室外几种典型应用移动机器人

美国国家科学委员会曾预言:“20 世纪的核心武器是坦克,21 世纪的核心武器是无人作战系统,其中2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队,并走向战场”。为此,从80 年代开始,美国国防高级研究计划局(DARPA) 专门立项,制定了地面天人作战平台的战略计划。从此,在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕,如DARPA的“战略计算机”计划中的自主地面车辆(ALV) 计划(1983 —1990) ,能源部制订的为期10 年的机器人和智能系统计划(RIPS) (1986 —1995) ,以及后来的空间机器人计划;日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划;欧洲尤里卡中的机器人计划等。

初期的研究,主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理,并建立实验系统进行验证。虽然由于80 年代对机器人的智能行为期望过高,导致室外机器人的研究未达到预期的效果,但却带动了相关技术的发展,为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验,同时,也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。进入90 年代,随着技术的进步,移动机器人开始在更现实的基础上,开拓各个应用领域,向实用化进军。

由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人,是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。它与其他机器人,NavLab ,不同之处是它于1994 年在斯珀火山的火山口中进行了成功的演示,虽然在返回时,在一陡峭的、泥泞的路上,失去了稳定性,倒向了一边,但作为指定的探险任务早己完成。其它机器人在整个运动过程中,都需要人参与或支持。丹蒂计划的主要目标是为实现在充满碎片的月球或其它星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方

案。

美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星,这一事件向全世界进行了报道。为了在火星上进行长距离探险,又开始了新一代样机的研制,命名为Rocky7 , 并在Lavic 湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。

国外还研制了一种独轮机器人,它与具有静态稳定性的多轮移动机器人相比,具有很好的动态稳定性,对姿态干扰的不敏感性,高可操作性,低的滚动阻力,跌倒的恢复能力和水陆两用性。这是运动性的一种新概念。

(2)高完整性机器人

一个系统可以做到100%可靠。一个可靠机器人是指它一直正常地工作。没有

一个高完整性机器人则时刻监视自己的行为,一旦发现异常,立即停止运转。因此,一个高完整性机器人并不一定要连续工作,但工作时,一定是正确的。 (3)遥控移动机器人

对机器自主性的挑战来自要求完成的任务和高度非结构化和变化的环境。在大多数室外环境中,要求机器完全自主地完成任务,目前还有一定的困难。远程操作的半自主机器人,毫无疑问,是一个发展方向。因此先进的远程操作技术是将来必需的。完全遥现是实现远程操作一个或几个移动机器人的最佳可能方案,但太贵。研制一套适于远程操作的、使用起来既自然又容易的人机交互方案是必需的。在未知和变化的环境中,头部跟踪系统有帮助,且是可行的。。

(4)环境与移动机器人集成

H.Ishiguro 通过对以前机器人研究工作的回顾,发现过去智能机器人的工作主要集中在自主性上。因此,他提出了一个新概念:感知信息基础设施。就象人需要道路、交通信号灯等一样,机器人为了在一个动态变化的环境中行动,也同样需要基础设施。作者将一个用于导航移动机器人的分布式视觉系统作为例子,进行了解释和说明。实验在一个缩小了1/ 12 的城镇模型中进行,内有阴影,树的结构,草地和

房屋,足够代表室外环境的真实情况,并安装了用于机器人导航用的16 个摄像机智能体,实现了移动机器人与环境的融合。

(5)生态机器人学(生物机器人学)

生态机器入学就是把生态学的原理应用到移动机器人设计中去的实践。目前所用到的原理,现简述如下:

?由于机器人和环境的不可分离性,因此应将其作为一个整体来看待。 ?机器人的行为是由这个系统的动力学创现出来的。

?基于感知和行为的直接关系,为了达到系统的一个期望状态,机器人的任务就是将已有的信息映射到受其管理的控制参数上。

?环境提供足够的信息以使产生自适应行为成为可能。

?因为机器人在环境中,因此环境不必在机器人之中。也就是说,无需一个中心模型,但要留出空间用于具体任务记忆和学习。

(6)多机器人系统

美国DARPA的战术移动机器人计划,是一个4 年研究计划,于1998 年开始。分两阶段进行:技术开发和系统设计。技术开发包括三个方面:机器感知、半自主操作和机器人运动。目的是研究和开发由许多小的、低价的、半自主的移动机器人组成的机器人团队的协调与控制技术并将其应用于战略重要情况。如正在发生军事冲突的市区的侦察任务,在这种情况下,市区中人口稠密,建筑物多,涉及的人员分布在其里里外外、上上下下,从而使作战部队处于危险和不可预测的境地。因此,本项目的一个长期目标,就是在发生战斗的条件下,使用机器人团队,在现场的内外,为部队提供支持。附带的另一个长期目标是建立和发展一个自制的工业标准基础,以迎接将来国防对军用机器人的需求。

研究如何确定任务要求和一个有效的机器人解决方案的参数。在这些参数中,要考虑自主与半自主机器人控制的比较,用于定弹药位置的随机与直接搜索策略的比较,整个场地与有限移动驱动系统的比较。决定性的因子来自于任务的进一步细化和实际的性能。整个计划的最终目标是用一到两个得到基本训练的爆炸物处理专家,监控多达50 个机器人,在一个足球场大小的现场上,并行地工作,清除军用品。任务完成的标志是,在有限的时间内,搜集尽可能多的手榴弹。对机器人的要求:一是小且轻,以便搬运到现场,能在铺满自然障碍物和冲突后的残骸的现场中导航,能在现场的边界上停留,提高操作速度;二是成本不高,以便意外损坏是可以容忍,装有适应的和可重用的部件。

机器人正在从工厂的结构化环境进入人们每天的生活环境———医院、办公室、家庭、建筑工地和其它杂乱及不可控环境。要求机器人不仅能自主完成工作, 而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务。这就需要机器人具有下述能力:移动和操作集成于一体的能力,在多机器人之间的协作能力,与人的交互能力和无碰路径的实时修改能力。Khatib 等讨论了这个问题,并给出了有关的模型、策略和算法的开发,并在斯坦福大学的两个完整性移动平台上进行了演示。

自从1996 年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来,现在,一年一度的世界机器人足球赛已经吸引了越来越多的团体参加,极大地推进了多移动机器人技术的研究,成为研究和验证人工智能成果的实验床。

关于多移动机器人的一些新的提法,如认知机器人学、生态机器人学、协作机器人学、社会机器人学以及广义社会学等。

1.2国内研究现状

国内在移动机器人的研究起步较晚,大多数研究尚处于某个单项研究阶段,主要的研究工作:

(1)清华大学智能移动机器人于1994 年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划) ;基于传感器信息的局部路径规划技术研究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控

制) ;路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟) ;传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术) ;智能移动机器人的设计和实现( 智能移动机器人THMR —III 的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统) 。

(2)香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。

(3)中国科学院沈阳自动化研究所的AGV 和防爆机器人。

(4)中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。

(5)哈尔滨工业大学于1996 年研制成功的导游机器人等。

2.移动机器人发展史

1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔?恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。

1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。

1948年诺伯特?维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

1954年美国人乔治?德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

1956年在达特茅斯会议上，马文?明斯基提出了他对智能机器的看法:智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解

决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫?英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。

1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。

1965年约翰?霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。

1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。

1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。

1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

1984年英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言:“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。

1998年丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。

1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。

2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔?盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。 3.工业智能机器人技术

工业机器人可用于承担常规的、冗长乏味的装配线工作，或执行那些对工人也许有危害的工作。例如，在第一代工业机器人中，曾有一台被用于更换核电厂的核燃料棒,从事这项工作的工人可能会暴露在有害量的放射线下。工业机器人也能够在装配线上操作——安装小型元件，例如将电子元件安装在线路板上。为此，工人可以从这种冗长乏味任务的常规操作中解放出来。通过编程的机器人还能去掉炸弹的雷管、为残疾者服务以及在我们社会的众多应用中发挥作用。

目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下9个方面:

1(工业机器人操作机结构的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

2(机器人控制技术:重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

3(多传感系统:为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。

4(机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

5(机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

6(虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

7(多智能体(multi-agent)调控制技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

8(微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics):这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

9(软机器人技术(soft robotics):主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。

4.总结与展望

4.1总结

机器人在我国未来20年必得到跨越式发展。理由有三:1.随着中国经济快速的发展，近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右，人民消费水平大大提高，作为制造业主力的农民工也从早期的解决温饱问题到现

在对薪资和工作条件提出了更高要求。这些情况使得许多企业从劳动密集型向技术密集型转变，对产品质量提出了更高的要求。利用机器人技术无疑是发展的大方向～2.机器人技术在日美等国得到了很好的应用，给社会带来了长足发展。而随着我国机器人知识的普及，利用机器人技术提升我国工业发展水平，从制造大国向强国转变，提高人民生活质量成为了全社会的共识。3.从863计划以来，国家政府对工业机器人的研发和应用及给予了大力的支持，机器人进口量连年成倍增长。

4.2展望

1 机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。

2 机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。

3 机器人控制系统向基于 PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化;器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

4 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。

5 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

参考文献

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译文题目移动机器人车辆

原稿题目Mobile Robot Vehicles

原稿出处Peter Corke.Robotics,vision and control[M].Australia:

Springer Tracts in Advanced Robotics,2011

移动机器人车辆

这一章讨论如何移动机器人平台,它带来一个随时间变化的函数来控制。有许多不同的类型，如61页到63页所示的机器人平台。但我们在本章将考虑只有两种机器人平台具有重要意义。第一种平台是一个轮子，像一辆汽车,在二维世界运行。它可以改变轮子的角度使汽车向前或向后移动并控制方向的变化。第二个平台是一个直升机,在三维运动中，这是一种典型的机器人直升机正变得越来越流行。平台就像一个机器人，因为他们可以很容易地被模仿和控制。

4.1灵活性

我们已经谈到的多样性和移动机器人的运动方式，在这个部分中我们将讨论有关机器人平台的灵活性与及它如何在空间移动。

我们先来考虑一下这个简单的例子:一列火车。从一些资料上显示，火车在轨道运行，可以通过它的距离来描述它的位置。通过一个标量参数q，火车可以被完全的描述，叫做广义。集合所有可能的配置就是配置空间，用q?C来表示。在这种情况下C?R。我们也说火车上有一个自由度，因为q是一个标量。这趟列车也有一个驱动器(电机),驱使它沿轨道向前或向后。火车通过电机和自由度充分的驱动,可以到达任意配置空间，就是说可以沿轨道的任何位置。

另一个重要的概念,移动装置ξ?T是一套任务空间所有可能的姿势。这项任务空间取决于应用程序或任务。如果我们的任务是沿轨道运动，那么T?R。如果我们只关心这个火车的位置，那么在一个平面上T?R2。如果我们认为是一个三维世界，那么T ?SE(3)，它的上下移动可以改变高度的变化。不清楚这这种情况下，如果这项任务超出尺寸的空间配置空间，火车就不能达到一个任意的位置，因为火车是不得不沿着固定轨道前进的。既然这样，我们说火车沿着一个移动空间有一个映射q?ξ。

有趣的是,许多汽车有共同的特性。它们擅长于向前移动,但不擅长于其他方向的移动。汽车、汽垫船、船舶和飞机，它们所有的特点和复杂的操纵都是为了可以向各个方向移动而设计的。这个设计方法是一个非常明智的选择，因为它针对我们最常见的运动车辆。不常见的运动如停车、两艘船的对接或更复杂的飞机着陆,这也不是不可能的,人类可以学习这个技巧。这种类型的设计优点简化非常,特别是执行机构的要求数量越少越好。

下一个考虑是气垫船，它的下面有两个螺旋桨，但轴平行但不在同一直线上。提供的总向前力产生的扭矩会使气垫船转向偏移。气垫船在平面移动及其配置上完全是由三个广义坐标表示q =(x, y, θ) ? C。配置空间有三维空间，因此它有三个自由度。

气垫船只有两个执行机构，比汽车少一个自由度，因此它是欠驱动系统。利用这个限制方式可以自由移动。在任何时候我们可以控制前进(平行于推力矢量)、加速和旋转。加速度为零的气垫船没有横向加速度,因为它不产生任何侧向推力。然而一些熟练的操纵，就像汽车能在遵循的路线上把它带到开始地方的另一侧。欠驱动系统的优点就是可以减少执行机构的数量，缺点就是是汽车无法直接移动到任何一个地方及其配置的空间，因为它必须遵循一定的路径。如果我们增加了第三个螺旋桨，那么气垫船就可以实现全向移动。气垫船的任务空间就是T ? SE(2)，对于配置空间是等效的。

一架直升飞机有四个执行机构。其大小主要是由转轴产生推力矢量控制的横向、纵向循环。第四个驱动器后面的转子提供了一个横摆力矩。直升机的配置可以描述为六个广义坐标q =(x, y, z, θr, θp, θy) ? C，那是其位置与方向在三维空间的取向角。配置空间C?R3×S3有六个维度,因此车辆有六个自由度。直升机是欠驱动系统,它没有旋转加速，因为直升机保持自由是不需要操作的，机尾的朝向保持稳定的均衡力，因此可以做俯仰运动。重力就像一个额外的驱动器,它提供一个向下的力，这使得直升机加速侧推力矢量水平分量的垂直分量推力由重力抵消，如果没有重力直升飞机是飞不起来的。直升机的工作空间就是T?SE(3)。

一个固定翼飞机前进,也有4个极其有效地执行机构:前进、副翼、升降、方向。对飞机来说飞机的推力加速度在不同时刻都会对方向和控制产生不同的影响:方向舵(偏航力矩)、副翼(轧辊扭矩)、升降(旋转扭矩)。飞机的配置空间是相同的,有6个尺寸。欠驱动系统的飞机没有侧向方向的加速。直升机的工作空间就是T?SE(3)。

在62页的深井热量探测器显示的水下机器人也有一个配置空间C ?R3× S3 ，是六个维度的，但是相比之下是完全启动的。车辆的执行机构可以运用六个方面对任意一个力及力矩平衡，它可以使任意方向轴的加速。它的工作空间是T?SE(3)

最后,我们来到了轮子———人类伟大的成就。轮子是在公元前3000年左右发明的,两个轮子的车是在公元前2000年左右发明的。今天四个轮子的交通工具是无处不在的,拥有的人数接近十亿。汽车的有效性和我们对它的熟悉让它们可以在平台上自由移动。

一辆滚滑驾驶的车辆,比如一辆坦克，可以在危险中移向一边并立即停下来。这是一个机动时变控制策略的特点,是一种不完整的系统。坦克有两个执行机构，就像在每条赛道上,一辆车就是一个欠驱动系统。

机动车辆参数表,我们讨论的是在表4.1。第二栏是大量的自由度的车辆或其设置的空间维度，第三栏是大量的执行机构，第四栏的是是否完全驱动的车辆。

Mobile Robot Vehicles

This chapter discusses how a robot platform moves, that is, how its pose changes with time as a function of its control inputs. There are many different types of robot platform as shown on pages 61–63 but in this chapter we will consider only two which are important exemplars. The first is a wheeled vehicle like a car which operates in a 2-dimensional world. It can be propelled forwards or backwards and its heading direction controlled by changing the angle of its steered wheels. The second platform is a quadcopter, a flying vehicle, which is an example of a robot that moves in 3-dimensional space. Quadcopters are becoming increasing popular as a robot platform since they can be quite easily modelled and controlled.

However before we start to discuss these two robot platforms it will be helpful to consider some general, but important, concepts regarding mobility.

4.1 Mobility

We have already touched on the diversity of mobile robots and their modes of locomotion.In this section we will discuss mobility which is concerned with how a vehicle moves in space.

We first consider the simple example of a train. The train moves along rails and its position

is described by its distance along the rail from some datum. The configuration of the train

can be completely described by a scalar parameter q which is called its generalized

coordinate. The set of all possible configurations is the configuration space, or C-space, denoted by C and q?C. In this case C?R. We also say that the train has one degree of

freedom since q is a scalar. The train also has one actuator (motor) that propels it forwards or backwards along the rail. With one motor and one degree of freedom the train is fully actuated and can achieve any desired configuration, that is, any position along the rail. Another important concept is task space which is the set of all possible poses ξ of the vehicle and ξ ? T. The task space depends on the application or task. If our task was motion along the rail then T ?R.If we cared only about the position of the train in a plane then T ?R2. If we considered a 3-dimensional world then T ? SE(3), and its height changes as it

moves up and down hills and its orientation changes as it moves around curves. Clearly for these last two cases the dimensions of the task space exceed the dimensions of the configuration space and the train cannot attain an arbitrary

pose since it is constrained to move along fixed rails. In these cases we say that the train

moves along a manifold in the task space and there is a mapping from qξ.

Interestingly many vehicles share certain characteristics with trains – they are good at

moving forward but not so good at moving sideways. Cars, hovercrafts, ships and aircraft all exhibit this characteristic and require complex manoeuvring in order to move sideways. Nevertheless this is a very sensible design approach since it caters to the motion we most commonly require of the vehicle. The less common motions such as parking a car, docking a ship or landing an aircraft are more complex, but not impossible,and humans can learn this skill. The benefit of this type of design comes from simplification and in particular reducing the number of actuators required.

Next consider a hovercraft which has two propellors whose axes are parallel but not collinear. The sum of their thrusts provide a forward force and the difference in thrusts generates a yawing torque for steering. The hovercraft moves over a planar surface and its configuration is entirely described by three generalized coordinates q =(x, y, θ) ? C and in

this case C ? R2× S. The configuration space has 3 dimensions and the vehicle therefore has three degrees of freedom.

The hovercraft has only two actuators, one fewer than it has degrees of freedom,and it is therefore an under-actuated system. This imposes limitations on the way in which it can move. At any point in time we can control the forward (parallel to the thrust vectors) acceleration and the rotational acceleration of the the hovercraft but there is zero sideways (or lateral) acceleration since it does not generate any lateral thrust. Nevertheless with some clever manoeuvring, like with a car, the hovercraft can follow a path that will take it to a place to one side of where it started. The advantage of under-actuation is the reduced number of actuators, in this case two instead of three.The penalty is that the vehicle cannot move directly to an any point in its configuration space, it must follow some path. If we added a third propellor to the hovercraft with its axis normal to the first two then it would be possible to command an arbitrary

forward, sideways and rotational acceleration. The task space of the hovercraft is T ? SE(2)

which is equivalent, in this case, to the configuration space.

A helicopter has four actuators. The main rotor generates a thrust vector whose magnitude is controlled by the collective pitch, and the thrust vector’s direction is controlled by the lateral and longitudinal cyclic pitch. The fourth actuator, the tail rotor, provides a yawing moment. The helicopter’s configuration can be described by six generalized coordinates q =(x, y, z, θr, θp, θy) ? C which is its position and orientation in

3-dimensional space, with orientation expressed in roll-pitch-yaw angles. The configuration space C ?R3×S3 has six dimensions and therefore the vehicle has six degrees of freedom. The helicopter is under-actuated and it has no means to rotationally accelerate in the pitch and roll directions but cleverly these unactuated degrees of freedom are not required for helicopter operation – the helicopter naturally maintains stable equilibrium values for roll and pitch angle. Gravity acts like an additional actuator and provides a constant downward force. This allows the helicopter to accelerate sideways using the horizontal component of its thrust vector, while the vertical component of thrust is counteracted by gravity – without

gravity a helicopter could not fly sideways. The task space of the helicopter is T ?SE(3).

A fixed-wing aircraft moves forward very efficiently and also has four actuators(forward thrust, ailerons, elevator and rudder). The aircraft’s thrust provides acceleration in the forward direction and the control surfaces exert various moments on the aircraft: rudder (yaw torque), ailerons (roll torque), elevator (pitch torque). The aircraft’s configuration space is the same as the helicopter and has six dimensions. The aircraft is under-actuated and it has no way to accelerate in the lateral direction. The task space of the aircraft is T ?SE(3).

The DEPTHX underwater robot shown on page 62 also has a configuration space C ?R3× S3 of six dimensions, but by contrast is fully actuated. Its six actuators can exert an arbitrary force and torque on the vehicle, allowing it to accelerate in any direction or about any axis. Its task space is T ?SE(3).

Finally we come to the wheel – one of humanity’s greatest achievements. The wheel

was invented around 3000 bce and the two wheeled cart was invented around 2000 bce.Today four wheeled vehicles are ubiquitous and the total automobile population of the planet is approaching one billion.The effectiveness of cars, and our familiarity with them, makes them a natural choice for robot platforms that move across the ground.

A skid-steered vehicle, such as a tank, can turn on the spot but to move sideways it would have to stop, turn, proceed, stop then turn – this is a manoeuvre or time-varying

control strategy which is the hallmark of a non-holonomic system. The tank has two actuators, one for each track, and just like a car is under-actuated.

Mobility parameters for the vehicles that we have discussed are tabulated in Table 4.1.The second column is the number of degrees of freedom of the vehicle or the dimension of its configuration space. The third column is the number of actuators and the fourth column indicates whether or not the vehicle is fully actuated.

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在科研过程中阅读翻译外文文献是一个非常重要的环节，许多领域高水平的文献都是外文文献，借鉴一些外文文献翻译的经验是非常必要的。由于特殊原因我翻译外文文献的机会比较多，慢慢地就发现了外文文献翻译过程中的三大利器:Google“翻译”频道、金山词霸(完整版本)和CNKI“翻译助手"。

具体操作过程如下:

1.先打开金山词霸自动取词功能，然后阅读文献;

2.遇到无法理解的长句时，可以交给Google处理，处理后的结果猛一看，不堪入目，可是经过大脑的再处理后句子的意思基本就明了了;

3.如果通过Google仍然无法理解，感觉就是不同，那肯定是对其中某个“常用单词”理解有误，因为某些单词看似很简单，但是在文献中有特殊的意思，这时就可以通过CNKI的“翻译助手”来查询相关单词的意思，由于CNKI的单词意思都是来源与大量的文献，所以它的吻合率很高。

另外，在翻译过程中最好以“段落”或者“长句”作为翻译的基本单位，这样才不会造成“只见树木，不见森林”的误导。

四大工具:

1、Google翻译:http://www.google.cn/language_tools google，众所周知，谷歌里面的英文文献和资料还算是比较详实的。我利用它是这样的。一方面可以用它查询英文论文，当然这方面的帖子很多，大家可以搜索，在此不赘述。回到我自己说的翻译上来。下面给大家举个例子来说明如何用吧

比如说“电磁感应透明效应”这个词汇你不知道他怎么翻译，

首先你可以在CNKI里查中文的，根据它们的关键词中英文对照来做，一般比较准确。

在此主要是说在google里怎么知道这个翻译意思。大家应该都有词典吧，按中国人的办法，把一个一个词分着查出来，敲到google里，你的这种翻译一般不太准，当然你需要验证是否准确了，这下看着吧，把你的那支离破碎的翻译在google里搜索，你能看到许多相关的文献或资料，大家都不是笨蛋，看看，也就能找到最精确的翻译了，纯西式的～我就是这么用的。

2、CNKI翻译:http://dict.cnki.net

CNKI翻译助手，这个网站不需要介绍太多，可能有些人也知道的。主要说说它的有点，你进去看看就能发现:搜索的肯定是专业词汇，而且它翻译结果下面有文章与之对应(因为它是CNKI检索提供的，它的翻译是从文献里抽出来的)，很实用的一个网站。估计别的写文章的人不是傻子吧，它们的东西我们可以直接拿来用，当然省事了。网址告诉大家，有兴趣的进去看看，你们就会发现其乐无穷～还是很值得用的。http://dict.cnki.net

3、网路版金山词霸(不到1M):

http://pickup.mofile.com/6946901637944806

4、有道在线翻译:http://fanyi.youdao.com/?keyfrom=fanyi.logo 翻译时的速度:

这里我谈的是电子版和打印版的翻译速度，按个人翻译速度看，打印版的快些，因为看电子版本一是费眼睛，二是如果我们用电脑，可能还经常时不时玩点游戏，或者整点别的，导致最终SPPEED变慢，再之电脑上一些词典(金山词霸等)在专业翻译方面也不是特别好，所以翻译效果不佳。在此本人建议大家购买清华大学编写的好像是国防工业出版社的那本《英汉科学技术词典》，基本上挺好用。再加上网

站如:google CNKI翻译助手，这样我们的翻译速度会提高不少。具体翻译时的一些技巧(主要是写论文和看论文方面) 大家大概都应预先清楚明白自己专业方向的国内牛人，在这里我强烈建议大家仔细看完这些头上长角的人物的中英文文章，这对你在专业方向的英文和中文互译水平提高有很大帮助。

我们大家最蹩脚的实质上是写英文论文，而非看英文论文，但话说回来我们最终提高还是要从下大工夫看英文论文开始。提到会看，我想它是有窍门的，个人总结如下:

1、把不同方面的论文分夹存放，在看论文时，对论文必须做到看完后完全明白(你重视的论文);懂得其某部分讲了什么(你需要参考的部分论文)，在看明白这些论文的情况下，我们大家还得紧接着做的工作就是把论文中你觉得非常巧妙的表达写下来，或者是你论文或许能用到的表达摘记成本。这个本将是你以后的财富。你写论文时再也不会为了一些表达不符合西方表达模式而烦恼。你的论文也降低了被SCI或大牛刊物退稿的几率。不信，你可以试一试

2、把摘记的内容自己编写成检索，这个过程是我们对文章再回顾，而且是对你摘抄的经典妙笔进行梳理的重要阶段。你有了这个过程。写英文论文时，将会有一种信手拈来的感觉。许多文笔我们不需要自己再翻译了。当然前提是你梳理的非常细，而且中英文对照写的比较详细。

3、最后一点就是我们往大成修炼的阶段了，万事不是说成的，它是做出来的。写英文论文也就像我们小学时开始学写作文一样，你不练笔是肯定写不出好作品来的。所以在此我鼓励大家有时尝试着把自己的论文强迫自己写成英文的，一遍不行，可以再修改。最起码到最后你会很满意。呵呵，我想我是这么觉得的。

范文二：全向移动机器人底盘设计开题报告含文献综述、外文翻译

毕业设计开题报告 (含文献综述、外文翻译)

题目全向移动机器人底盘设计姓名

学号

班级

专业机械设计制造及其自动化学院机械工程学院

开题报告

1. 选题的背景和意义

1.1 选题的背景

机器人的应用越来越广泛,几乎渗透所有领域。进入九十年代以来,人们广泛开展了对服务机器人的研制和开发。各国尤其是西方发达国家正致力于研究、开发和广泛应用服务机器人。目前,在美国、日本等发达国家,机器人已应用于商场导购、物品移送、家居服务、展厅保安和大面积清扫等多个服务领域。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高,将势必会在各个领域广泛、大量地应用服务机器人。

与普通工业机器人相比,服务机器人具有更大更灵活的工作空间,因此其往往是移动机器人。移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人,是继操作手和步行机之后机器人技术的一个新的研究目标,也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究方向。移动机器人目前主要包括军事和民用服务两大应用领域。在民用服务领域,美国和日本处于遥遥领先的地位,机器人被广泛应用于车站清扫、大面积割草、商场导游导购、导盲和保安巡逻等各个方面。在我国的移动服务机器人的研究和应用还处于起步阶段,上海大学、哈尔滨工业大学曾先后研制成功导购机器人、导游机器人和清扫机器人。随着我国经济建设的不断开展和人民生活水平的提高,广泛应用服务机器人必将成为趋势。

1.2 选题意义

上述移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活

快捷地自由运动的性能,这也成为了机器人研究和设计的难点问题。能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此,移动机构是组成移动机器人的重要部分,它是保证机器人实现功能要求的关键,其设计的成功与否将直接影响机器人系统的性能。目前,移动机构开发的种类已相当繁多,仅就平面移动而言,移动机构就有车轮式、履带式、腿足式等形式。各种移动机构可谓各有千秋,适应了各种工作环境的不同要求。但车轮式移动机构显得尤其突出,与步行式移动机构相比,它的优点很多 :能高速稳定地移动、能源利用率高,机构简单、控制方便、能借鉴至今已很成熟的汽车技术和经验等等,它的缺点是移动场所限于平面。但是,目前机器人工作的场所几乎都是人工建造的平地,并且即使有台阶,只要以车轮式移动机构为基础再附加几个自由度便不难解决。因而, 轮式移动机构在机器人技术中得到广泛应用,目前已成为移动机器人运动机构的最主要形式。本课题将对全向移动机器人底盘设计进行分析和研究。

2. 设计内容和关键问题

2.1 主要设计内容

分析四个轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理,建立了该全方位移动机构的运动学、动力学模型,提出了四轮协调的控制策略。进行了轮廓参数设计和结构设计,设计制造装配零部件,制作成可全方位移动的机器人底盘。

2.2 拟解决的关键问题

移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能,这也成为了机器人研究和设计的难点问题。

能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此,移动机构是组成移动机器人的重要部分,它是保证机器人实现功能要求的关键,其设

计的成功与否将直接影响机器人系统。

3. 设计的方法及措施

3.1方法及措施

3.1.1三轮机构

三轮移动机构具有一定的稳定性,是轮式机器人的基本移动机构之一,在机器人领域已经得到广泛的应用,而且在实现方式上也呈现多样化。

1)两轮独立驱动机构

两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。如图(1),该机构利用一个高精度驱动轮和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动,随机轮置于机器人底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定,通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动,因此属于差分驱动方式。这种结构的特点是运动灵活,机构组成简单;当两轮转速大小相等方向相反时,可以实现机器人本体的灵半径回转。该机构的缺点是对伺服系统的要求较高,如进行严格的直线运动则需保证左右两个轮子的旋转速度完全一样,且在加减速时的动态特性也应完全一致,这就要求伺服驱动系统要求有足够的精度和优异的动态特性,从而会导致机器人底盘的成本增加。

2)前轮驱动前轮导向机构

如图(2),该机构中的前轮既是驱动轮又是导向轮(操舵轮),采用两个电机分别控制:导向电机控制前轮的转向角度,驱动电机控制前轮的旋转速度。因此,通过对前轮的这两个自由度进行复合控制,可以同时实现对机器人本体的运行速度和运行方向的控制。两个被动后轮没有电机控制,完全是随机轮。该种移动机构的特点是控制比较方便,能耗低,对于伺服系统和制造装备精度要求不高,而且旋转半径可以从 0到无穷大连续变化;缺点是由于导向和驱动的驱动器均集中在前轮部分,复合运动结构设计复杂,而且车体本身的运动并不十分灵活。

3)后轮差动减速器驱动前轮导向机构

4)两后轮独立驱动前轮导向机构

由图(4)可以看出,该机构同后轮差速器驱动前轮导向机构在原理上具有相似之处,不同之处在于利用两个独立伺服驱动电机取代了差速器装置,用以分别控制左、右驱动轮。该机构在控制上需要按照机器人运动学模型把移动平台的整体运动分解为对三个电机的控制命令,然后控制导向轮的转动和两个驱动轮的差动实现本体运动。同后轮差动器驱动前轮导向机构相比,该机构采用纯粹的电气传动模式,结构比较简单,体积和质量能够得到很好的控制,且方向控制精度更高,运动更为灵活;缺点是需要对三轮进行协调控制,同步性要求较高,且自转时的本体方向定位精度较低。

5)三轮全驱动全导向机构

三轮全驱动全导向机构属于同步驱动的装置方式。如图(5)所示,在该机构中,三个轮子成 120°放置,用齿轮或者链条将轮子同分别用以进行方向控制和驱动的电机相连。每个轮子都可独立地进行转向控制和速度控制,因此在结构

和原理上类似于前轮驱动前轮导向机构的前轮。当三个轮子保持初始位置以相同的速度转动时,及其本体做原地零半径旋转运动;当三个轮子导向角度相同并以相同速度驱动时,本体按照该导向角方向做直线运动。施加适当的控制,利用该机构实现的机器人本体能够按照任意指定的轨迹运动,具有很高的运动灵活性。但是该机构的整体结构比较复杂,完成每个动作都需要对 6个伺服电机进行合理控制,且对于方向和驱动控制精度有较高要求,因此控制难度较大。

3.1.2四轮机构

四轮机构在驱动方式上和结构上类似于三轮机构,其优点是驱动轮和负载能力更强,具有较高的地面适应能力和稳定性。同三轮机构相比,四轮机构的缺点在于其回转半径较大,转向不灵活。常见的几种四轮移动机构如图所示

1)两轮独立驱动机构

如图(6)所示,四轮机器人中的两轮独立驱动机构和三轮机器人中的两轮独立驱动机构在工作原理上完全相同,两者之间唯一的差别在于前者多用了一个随机轮,以增加平台的稳定性和伏在承受能力。

2) 四轮全驱动全导向机构

如图(7)所示,该种移动机构同三轮机器人中的三轮全驱动全导向机构在工作原理上完全相同。由于增加了一个驱动轮,使得平台的地面适应能力、负载能力以及平稳性都得到提高。然而,该种机构的控制自由度变得更高,并且由于在运动过程中要求各个独立的导向机构相互协调,保持一定的相互关系,因此控制算法更为复杂。此外,更多的活动机构和过多的控制关节使系统复杂度升高、可靠性降低。

3) 四轮全驱机构

四轮全驱机构如图(8)所示。同四轮全驱全导向机构相比,二者的四轮布局完全相同,差别之处在于:每个轮子均没有转向机构,只能进行前后方向上的旋转运动。机器人平台只能通过滑动转向方式进行方向控制,即完全靠两侧驱动

轮独立驱动产生的速度差使车轮产生侧向滑动来完成转向操作。因此,这种机构的致命缺点是转向损耗较大。该机构的优点是可以实现不同半径甚至原地零半径的转向,可以满足崎岖地形移动机器人的的性能要求。此外,由于没有活动连接,结构简单可靠,以最简单的机构达到了很高的机动性。

4) 两轮独立驱动汽车转向机构

如图(9)所示,该移动机构的两个驱动后轮分别利用独立地伺服电机进行驱动,实现机器人本体的运动速度控制。其优点在于:前端两个导向轮采用类似于汽车那样的艾克曼转向机构相连接,利用一个转向伺服电机实现机器人本体的方向控制。艾克曼转向时目前地面车辆最通用的转向机构,两个转向轮之间通过四连杆机构连接并确定转向角之间的相互关系,可以使转向轮得到基本满意的朝向。艾克曼通过机械结构确定转向轮之间的角度约束关系,整个机构只有一个自由度,因而控制简单、可靠。艾克曼转向机构技术成熟,在性能和可靠性之间得到较好的均衡。但是采用艾克曼转向机构的车辆转弯半径较大,给机器人的控制和路线规划带来较大难度。

5)两轮差速器驱动汽车转向机构

如图(10)所示,该种机构也采用艾克曼转向机构实现机器人的运动方向控制,而后面两个驱动则采用单伺服电机驱动差速器的方式实现。同图(d )所示机构相比,这种机构只利用两个电机就能实现四轮机器人的的速度和方向控制, 控制更为简单,可靠性更高;但是由于转向轮角度约束与驱动轮速度差分制均采用机械方式实现,因此机械结构也变得更为复杂,据此实现的机器人平台往往体积更大,质量也更大。

综上所述,从体积质量,伺服驱动系统精确度,成本,运动灵活性,能否实现小半径回转,稳定度,控制简单,设计简单角度总观:

三轮机构中选用两轮独立驱动机构,四轮机构中选用两轮独立驱动机构。

但是四轮机构比三轮机构多用了一个随机轮,增加了平台的稳定性和伏在承受能力。所以最终选用四轮机构中的两轮独立驱动机构

范文三：全向移动机器人底盘设计开题报告含文献综述、外文翻译

毕业设计开题报告

,含文献综述、外文翻译,

题目全向移动机器人底盘设计

姓名胡凯凯

学号 0836210091

班级 08机械4班

专业机械设计制造及其自动化

学院机械工程学院

指导教师(职称) 刘鹏玉

开题报告

1. 选题的背景和意义

1.1 选题的背景

1.2 选题意义

2.1 主要设计内容

2.2 拟解决的关键问题

移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。

3.设计的方法及措施

3.1方法及措施

3.1.1三轮机构

三轮移动机构具有一定的稳定性，是轮式机器人的基本移动机构之一，在机器人领域已经得到广泛的应用，而且在实现方式上也呈现多样化。

1)两轮独立驱动机构

2)前轮驱动前轮导向机构

如图(2)，该机构中的前轮既是驱动轮又是导向轮(操舵轮)，采用两个电机分别控制:导向电机控制前轮的转向角度，驱动电机控制前轮的旋转速度。因此，通过对前轮的这两个自由度进行复合控制，可以同时实现对机器人本体的

运行速度和运行方向的控制。两个被动后轮没有电机控制，完全是随机轮。该种移动机构的特点是控制比较方便，能耗低，对于伺服系统和制造装备精度要求不高，而且旋转半径可以从0到无穷大连续变化;缺点是由于导向和驱动的驱动器均集中在前轮部分，复合运动结构设计复杂，而且车体本身的运动并不十分灵活。

3)后轮差动减速器驱动前轮导向机构

4)两后轮独立驱动前轮导向机构

5)三轮全驱动全导向机构

三轮全驱动全导向机构属于同步驱动的装置方式。如图(5)所示，在该机构中，三个轮子成120?放置，用齿轮或者链条将轮子同分别用以进行方向控制和驱动的电机相连。每个轮子都可独立地进行转向控制和速度控制，因此在结构

和原理上类似于前轮驱动前轮导向机构的前轮。当三个轮子保持初始位置以相同的速度转动时，及其本体做原地零半径旋转运动;当三个轮子导向角度相同并以相同速度驱动时，本体按照该导向角方向做直线运动。施加适当的控制，利用该机构实现的机器人本体能够按照任意指定的轨迹运动，具有很高的运动灵活性。但是该机构的整体结构比较复杂，完成每个动作都需要对6个伺服电机进行合理控制，且对于方向和驱动控制精度有较高要求，因此控制难度较大。

3.1.2四轮机构

1)两轮独立驱动机构

2)四轮全驱动全导向机构

如图(7)所示，该种移动机构同三轮机器人中的三轮全驱动全导向机构在工作原理上完全相同。由于增加了一个驱动轮，使得平台的地面适应能力、负载能力以及平稳性都得到提高。然而，该种机构的控制自由度变得更高，并且由于在运动过程中要求各个独立的导向机构相互协调，保持一定的相互关系，因此控制算法更为复杂。此外，更多的活动机构和过多的控制关节使系统复杂度升高、可靠性降低。

3)四轮全驱机构

四轮全驱机构如图(8)所示。同四轮全驱全导向机构相比，二者的四轮布局完全相同，差别之处在于:每个轮子均没有转向机构，只能进行前后方向上的旋转运动。机器人平台只能通过滑动转向方式进行方向控制，即完全靠两侧驱动

轮独立驱动产生的速度差使车轮产生侧向滑动来完成转向操作。因此，这种机构的致命缺点是转向损耗较大。该机构的优点是可以实现不同半径甚至原地零半径的转向，可以满足崎岖地形移动机器人的的性能要求。此外，由于没有活动连接，结构简单可靠，以最简单的机构达到了很高的机动性。

4)两轮独立驱动汽车转向机构

5)两轮差速器驱动汽车转向机构

如图(10)所示，该种机构也采用艾克曼转向机构实现机器人的运动方向控制，而后面两个驱动则采用单伺服电机驱动差速器的方式实现。同图(d)所示机构相比，这种机构只利用两个电机就能实现四轮机器人的的速度和方向控制，控制更为简单，可靠性更高;但是由于转向轮角度约束与驱动轮速度差分制均采用机械方式实现，因此机械结构也变得更为复杂，据此实现的机器人平台往往体积更大，质量也更大。

综上所述，从体积质量，伺服驱动系统精确度，成本，运动灵活性，能否实现小半径回转，稳定度，控制简单，设计简单角度总观:

三轮机构中选用两轮独立驱动机构，四轮机构中选用两轮独立驱动机构。

但是四轮机构比三轮机构多用了一个随机轮，增加了平台的稳定性和伏在承受能力。所以最终选用四轮机构中的两轮独立驱动机构

3.2 可行性分析

四轮机构其优点是驱动轮和负载能力更强，具有较高的地面适应能力和稳定性。

4(预期设计成果

依照设计任务书要求，设计完成时将产生如下成果:

1.设计底盘全向移动驱动轮传动机构，并绘制零件图与装配图; 2.设计底盘辅助轮机构，并绘制零件图与装配图;

3.设计底盘全向运动整体机构，并绘制零件图与装配图;

4.对底盘做运动仿真分析，并对主要受力部件进行有限元分析; 5.撰写毕业设计说明书;

基本要求:

结构布局合理、可行，传动顺畅、高效。能承载200Kg重量，能实现全向运动。

5(设计工作进度计划

本毕业设计的阶段划分与进度安排如下:

第7学期

第 16 周—第 16 周前期检查。

第 17 周—第 18 周设计全向移动底盘驱动轮传动机构，并绘制与装配图。第8学期

第 7 周—第 7 周撰写毕业设计说明书。

第 8 周—第 8 周审查。

第 9 周—第 9 周准备答辩材料，答辩。

移动机器人设计

1.国内外研究现状

1.1国外研究现状

(1)室外几种典型应用移动机器人

美国国家科学委员会曾预言:“20 世纪的核心武器是坦克,21 世纪的核心武器是无人作战系统,其中2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队,并走向战场”。为此,从80 年代开始,美国国防高级研究计划局(DARPA) 专门立项,制定了地面天人作战平台的战略计划。从此,在全世界掀开了全面研究室外移动

如DARPA的“战略计算机”计划中的自主地面车辆(ALV) 计划机器人的序幕,

(1983 —1990) ,能源部制订的为期10 年的机器人和智能系统计划(RIPS) (1986 —1995) ,以及后来的空间机器人计划;日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划;欧洲尤里卡中的机器人计划等。

决方案。

(2)高完整性机器人

没有一个系统可以做到100%可靠。一个可靠机器人是指它一直正常地工作。一个高完整性机器人则时刻监视自己的行为,一旦发现异常,立即停止运转。因此,一个高完整性机器人并不一定要连续工作,但工作时,一定是正确的。 (3)遥控移动机器人

草地和房屋,足够代表室外环境的真实情况,并安装了用于机器人导航用的16 个摄像机智能体,实现了移动机器人与环境的融合。

(5)生态机器人学(生物机器人学)

生态机器入学就是把生态学的原理应用到移动机器人设计中去的实践。目前所用到的原理,现简述如下:

?由于机器人和环境的不可分离性,因此应将其作为一个整体来看待。 ?机器人的行为是由这个系统的动力学创现出来的。

?基于感知和行为的直接关系,为了达到系统的一个期望状态,机器人的任务就是将已有的信息映射到受其管理的控制参数上。

?环境提供足够的信息以使产生自适应行为成为可能。

?因为机器人在环境中,因此环境不必在机器人之中。也就是说,无需一个中心模型,但要留出空间用于具体任务记忆和学习。

(6)多机器人系统

元组成,研究如何确定任务要求和一个有效的机器人解决方案的参数。在这些参数中,要考虑自主与半自主机器人控制的比较,用于定弹药位置的随机与直接搜索策略的比较,整个场地与有限移动驱动系统的比较。决定性的因子来自于任务的进一步细化和实际的性能。整个计划的最终目标是用一到两个得到基本训练的爆炸物处理专家,监控多达50 个机器人,在一个足球场大小的现场上,并行地工作,清除军用品。任务完成的标志是,在有限的时间内,搜集尽可能多的手榴弹。对机器人的要求:一是小且轻,以便搬运到现场,能在铺满自然障碍物和冲突后的残骸的现场中导航,能在现场的边界上停留,提高操作速度;二是成本不高,以便意外损坏是可以容忍,装有适应的和可重用的部件。

关于多移动机器人的一些新的提法,如认知机器人学、生态机器人学、协作机器人学、社会机器人学以及广义社会学等。

1.2国内研究现状

国内在移动机器人的研究起步较晚,大多数研究尚处于某个单项研究阶段,主要的研究工作:

航控制) ;路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟) ;传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术) ;智能移动机器人的设计和实现( 智能移动机器人THMR —III 的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统) 。

(2)香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。

(3)中国科学院沈阳自动化研究所的AGV 和防爆机器人。

(4)中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。

(5)哈尔滨工业大学于1996 年研制成功的导游机器人等。 2.移动机器人发展史

1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。

1948年诺伯特?维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

1956年在达特茅斯会议上，马文?明斯基提出了他对智能机器的看法:智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国

Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

1998年丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。

1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下9个方面:

1(工业机器人操作机结构的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

4(机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

6(虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

4.总结与展望

4.1总结

机器人在我国未来20年必得到跨越式发展。理由有三:1.随着中国经济快速的发展，近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右，人民消费水平大大提高，作为制造业主力的农民工也从早期的解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高要求。这些情况使得许多企业从劳动密集型向技术密集型转变，对产品质量提出了更高的要求。利用机器人技术无疑是发展的大方向～2.机器人技术在日美等国得到了很好的应用，给社会带来了长足发展。而随着我国机器人知识的普及，利用机器人技术提升我国工业发展水平，从制造大国向强国转变，提高人民生活质量成为了全社会的共识。3.从863计划以来，国家政府对工业机器人的研发和应用及给予了大力的支持，机器人进口量连年成倍增长。

4.2展望

1 机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。

2 机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。

5 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

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译文题目移动机器人车辆

原稿题目 Mobile Robot Vehicles

原稿出处 Peter Corke.Robotics,vision and control[M].Australia:

Springer Tracts in Advanced Robotics,2011

移动机器人车辆

4.1灵活性

我们已经谈到的多样性和移动机器人的运动方式，在这个部分中我们将讨论有关机器人平台的灵活性与及它如何在空间移动。

求数量越少越好。

下一个考虑是气垫船，它的下面有两个螺旋桨，但轴平行但不在同一直线上。提供的总向前力产生的扭矩会使气垫船转向偏移。气垫船在平面移动及其配置上完全是由三个广义坐标表示q =(, , θ) ? C。配置空间有三维空间，因此它有三个自xy

由度。

Mobile Robot Vehicles

However before we start to discuss these two robot platforms it will be helpful to consider some general, but important, concepts regarding mobility.

4.1 Mobility

We have already touched on the diversity of mobile robots and their modes of locomotion.In this section we will discuss mobility which is concerned with how a vehicle moves in space.

We first consider the simple example of a train. The train moves along rails and its position

is described by its distance along the rail from some datum. The configuration of the train

can be completely described by a scalar parameter q which is called its generalized

coordinate. The set of all possible configurations is the configuration space, or C-space, denoted by C and q?C. In this case C?R. We also say that the train has one degree of

along the rail then T ?R. If we cared only about the position of the train in a plane then T ?R2. If we considered a 3-dimensional world then T ? SE(3), and its height changes as it

pose since it is constrained to move along fixed rails. In these cases we say that the train moves along a manifold in the task space and there is a mapping from qξ.

Interestingly many vehicles share certain characteristics with trains – they are good at

this case C ? R2× S. The configuration space has 3 dimensions and the vehicle therefore has three degrees of freedom.

forward, sideways and rotational acceleration. The task space of the hovercraft is T ? SE(2)

which is equivalent, in this case, to the configuration space.

coordinates q =(x, y, z, θr, θp, θy) ? C which is its position and orientation in 3-

dimensional space, with orientation expressed in roll-pitch-yaw angles. The configuration space C ?R3×S3 has six dimensions and therefore the vehicle has six degrees of freedom. The helicopter is under-actuated and it has no means to rotationally accelerate in the pitch and roll directions but cleverly these unactuated degrees of freedom are not required for helicopter operation – the helicopter naturally maintains stable equilibrium values for roll and pitch angle. Gravity acts like an additional actuator and provides a constant downward force. This allows the helicopter to accelerate sideways using the horizontal component of its thrust vector, while the vertical component of thrust is counteracted by gravity – without

gravity a helicopter could not fly sideways. The task space of the helicopter is T ?SE(3).

configuration space is the same as the helicopter and has six dimensions. The aircraft is under-actuated and it has no way to accelerate in the lateral direction. The task space of the aircraft is T ?SE(3).

Finally we come to the wheel – one of humanity’s greatest achievements. The wheel

was invented around 3000 bce and the two wheeled cart was invented around 2000 bce.Today four wheeled vehicles are ubiquitous and the total automobile population of the planet is approaching one billion. The effectiveness of cars, and our familiarity with them,

makes them a natural choice for robot platforms that move across the ground.

A skid-steered vehicle, such as a tank, can turn on the spot but to move sideways it would have to stop, turn, proceed, stop then turn – this is a manoeuvre or time-varying

control strategy which is the hallmark of a non-holonomic system. The tank has two actuators, one for each track, and just like a car is under-actuated.

范文四：全向移动机器人底盘的结构毕业设计说明书.doc

毕毕毕毕毕明毕

摘要

随广着移毕机器人在毕代制造毕的泛毕用～毕机器人的移毕能力有了更高的要求。因毕全向移毕机器人具有平面毕的全部三自由度～前后、左右和自毕～所以运个

理毕上在机器人所毕的毕平面上可以向任何方向毕～且的机毕性要毕于非运它运并它

全向移毕机器人。

本文的主要毕毕容是全向移毕机器人内底毕的毕毕毕～到构达能承毕200重量～能毕并Kg

毕全向毕的全向移毕运。毕文主要介毕全向移毕机器人毕毕机构的毕毕～通毕并UG、SolidWorks等

毕件零件的三毕建模和毕毕毕在理毕上毕明毕毕的可行性。运仿真

毕毕机～构毕毕毕,移毕机器人～全向移毕底毕

毕毕毕毕毕明毕

Abstract

With the wide use of mobile robot in the modern manufacturing, there is a high request to the robot’s mobility. Because omni-directional mobile robot has three freedom of flat motion,front ,back,right,left and rotation, it can move at any speed and direction in the sportplane, and it has an advantage of mobility over the non-omni-directional mobile robot.

The main content of this paper is the design of omni-directional mobile robot’s chassis which

can carry up 200 Kg weight,and the robot chassis can let Omni-direction come true.The mechqnical driving system was designed in this paper.UG and SolidWorks is used to prove the feasibility of the design.

Key words: mobile robot; omni-directional wheels; omni-directional mobile chassis

毕毕毕毕毕明毕

目毕

摘要............................................................................................................................1Abstract..........................................................................................................................1

第章毕毕机的毕毕3...........................................................................................................4

毕毕系毕的毕毕3.1 .........................................................................................................4

毕毕毕机型的毕毕号3.2 .................................................................................................4第章毕毕机的毕毕构4.......................................................................................................6

毕柱毕毕的毕毕4.1.........................................................................................................6

毕毕毕毕毕明毕

第1章毕毕

移毕机器人的毕毕背景和意毕1.1

机器人的毕用越越泛～乎渗透所有毕域。毕入九十年代以～人毕泛毕来广几来广

展了毕服毕机器人的制和毕毕。各尤其是西方毕家正致力于究、毕毕和泛毕研国达国研广

用服毕机器人。目前～在美、日本等毕家～机器人已毕用于商毕毕毕、物品移送、国达国

家居服毕、展毕保安和大面毕毕等多服毕毕域。着我民毕毕的不毕展和人民生清个随国国断活水平的不提高～毕必在各毕域泛、大量地毕用服毕机器人。断将会个广

与灵普通工毕机器人相比～服毕机器人具有更大更活的工作空毕～因此其往往

是移毕机器人。移毕机器人毕上指的是地面可移毕机器人～是毕操作手和步行机之狭

后机器人技毕的一新的究目毕～也是毕一步毕展机器人毕用毕域的重要究方向。个研研

移毕机器人目前主要包括毕事和民用服毕大毕用毕域。在民用服毕毕域～美和日本毕两国于毕先的地位～机器人被泛毕用于毕站毕、大面毕割草、商毕毕游毕毕、毕盲和保安遥遥广清

巡毕等各方面。在我的移毕服毕机器人的究和毕用毕毕于起步毕段～上海大、哈个国研学

毕毕工毕大曾先后制成功毕毕机器人、毕游机器人和毕机器人。着我毕毕建毕的学研清随国

不毕展和人民生活水平的提高～泛毕用服毕机器人必成毕毕毕。断广将

上述移毕服毕机器人的毕用毕合定了要求具有能在窄、毕毕的毕合活快捷地决狭灵自由毕的性能～毕也成毕了机器人究和毕毕的毕点毕毕。能在工作毕境移毕和毕行功运研内

能是移毕服毕机器人的大特点。因此～移毕机是毕成移毕机器人的重要部分～两构它

是保毕机器人毕毕功能要求的毕毕～其毕毕的成功否直接影机器人系毕的性能。目与将响前～移毕机毕毕的毕毕已相繁多～毕就平面移毕而言～移毕机就有毕毕式、履毕式、腿构当构

足式等形式。各毕移毕机可毕各有千秋～适毕了各毕工作毕境的不同要求。但毕毕式移毕构

机毕得尤其突出～步行式移毕机相比～的毕点多构与构它很:能高速毕定地移毕、能源

利用率高～机毕毕、控制方便、能借毕至今已成熟的汽毕技毕和毕毕等等～的缺点构很它

是移毕毕所限于平面。但是～目前机器人工作的毕所乎都是人工建造的平地～几并且使有台毕～只要以毕毕式移毕机毕基毕再附加自由度便不毕解。因而～毕式即构几个决

移毕机在机器人技毕中得到泛毕用～目前已成毕移毕机器人毕机的最主要形构广运构

式。本毕毕毕全向移毕机器人底毕毕毕毕行分析和究。将研

毕毕毕毕毕明毕

毕毕的容和思路内1.2

本毕毕的主要毕毕容是毕毕出一内个能毕毕毕机器人全向移毕的底毕～要求底0.2m/s

毕毕布局合理、可行～毕毕毕毕、高效～能毕毕重构～外形尺寸毕毕×毕×高200Kg

～能毕毕毕全向移毕～最大行毕速度毕。600mm560mm180mm ××

解的主要毕毕决1.3

移毕服毕机器人的毕用毕合定了要求具有能在窄、毕毕的毕合活快捷地自决狭灵(1)

由毕的性能～在毕毕毕程中要兼毕到机器人底毕的功能特点和毕性能～使得移毕机运运

器人底毕毕活～便于控制～部毕安排合理～整毕毕毕牢～便于～毕运灵内构体凑靠拆卸

也成毕了机器人究和毕毕的毕点毕毕。研

利用三毕建模毕件毕全向移毕机器人底毕的主要受力零件毕行有限元分析～校(2)

核零件的强度和位移形毕～使得其在工作中毕足强度的要求。第章机器人全向移毕底毕毕毕毕方案体2

功能要求2.1

毕布局合理、可行～毕毕毕毕、高构效。能承毕200重量～能毕毕全向毕。毕运Kg0.2m/s

毕底毕以的速度移毕。

指毕要求2.2

表全向移毕机器人底毕毕毕指毕要求2.1

毕毕毕体构毕式毕构

毕指毕构自重50Kg

毕重200Kg

尺寸600mm×560mm×180mm

机毕指毕毕速0.2m/s

毕向能力全向移毕

2.3 毕方案毕毕体

根据功能要求和指毕要求毕毕毕毕装运————减装——置毕～毕毕路毕毕,毕机毕毕器速置毕

子。

毕机器人底毕的毕包括毕毕机、毕毕器、毕毕毕构装装杆毕毕置、毕毕毕、毕柱直毕毕毕毕置、毕毕毕毕毕

装置、毕毕毕承以及其他毕准件等。

毕毕毕毕毕明毕

毕2.1 全向移毕底毕毕布局毕体

毕毕毕毕毕明毕

毕2.2 全向移毕机器人底毕的三毕示意毕

第3章毕毕机的毕毕

3.1 毕毕系毕的毕毕

按已知的工作要求和件～条此毕机于属小功率、毕荷毕化不大的工作毕机～毕用直流伺服毕毕机。直流伺服毕毕机具有毕毕毕～工作可～构靠启价格低廉～毕毕方便～毕性能好等毕点～能毕毕足毕毕任毕中要求的毕毕件条及毕境。

3.2 毕毕毕机型的毕毕号

毕毕毕子摩擦因毕数～底毕自重毕～毕重。0.250Kg200Kg

F=f=μF=0.2×9.8×250=490NG

毕用市面上常毕的毕子型～号～～假毕底毕移毕速度毕D=66.7mmF=490N0.2m/s

毕毕毕毕毕明毕

4=????ηηηηηη12345

其中是毕毕毕ηηηηηη=;100-3.5i,%=;100-3.520,%=84.3%534211

杆毕毕效率～是毕毕直毕毕毕毕效率～是毕柱直毕毕毕毕效率～是毕柱毕子毕承毕毕效率～是毕毕器毕

毕效率。;i于属7-40～毕里取20,

毕毕直毕毕呈90?的毕候毕毕效率最高～

η=0.892

可以到达0.88-0.90～毕里取。

;毕毕精度毕7毕,;毕柱毕子毕承,;毕

ηηη===000...979998534性毕毕器,

44η=ηηηηη=0.843×0.89×0.97×0.98×0.99=0.66512345

Fv490×0.2P===147.4W0.665η

通毕比毕～毕用博山毕机生毕的厂毕磁式直流伺服毕毕机。S661DT1

,参数～有效功率u=24V192.5mm122mN108Kgmmmm?m

～毕速,毕定毕矩。尺寸,毕毕～外～毕～毕量。径径250w2400r/min3000r/min,1000.27

60×1000v60×1000×0.2n===57r/min毕πD3.14×66.7

假毕毕柱直毕毕和毕毕直毕毕都毕等比毕毕～毕毕毕杆的毕毕比毕i=20。

n=i×n=20×57=1140r/min毕

所以把伺服毕机的毕速毕成1140r/min。

毕算毕毕装运参数置的毕和毕力

;1,各毕毕速

n1140n===57r/min1i20 ;2,各毕毕入功率0

22n571P=P×η×η×η=147.4×0.843×0.98×0.99=118.1W1145n===57r/min2i11

P=P×η×η=118.1×0.89×0.98=103.0Wn5721242n===57r/min3i12P=P×η×η=103.0×0.97×0.98=98.0W3234

各毕的毕出功率,

毕毕毕毕毕明毕

'P=P×0.98=105.7W11

'P=P×0.98=101.0W22

'P=P×0.98=96W33

;3,各毕毕入毕矩

P9550×147.4dT=9550==1.23N?mdn1140m

T=T×i×××=1.23×20×0.843×0.98×0.99=20.0N?mηηη1d0145

T=T×i×η×η=20.0×1×0.98×0.89=17.4N?m21124

T=T×i×η×η=17.4×1×0.98×0.97=16.6N?m33334

毕出毕矩,

'T=T×0.98=20×0.98=19.6N?m11

'T=T×0.98=17.4×0.98=17.1N?m22表2.1 毕和毕力毕运参数'T=T×0.98=16.6×0.98=16.3N?m33

果

毕名功率P;W,毕矩T ;N.m,毕速r/min

毕入毕出毕入毕出

毕毕机毕147.41.231140

1毕118.1105.720.019.657

2毕103.0101.017.417.157

3毕98.096.016.616.357第章毕毕机的毕毕构4

4.1毕柱毕毕的毕毕

毕毕毕毕毕型、精度等毕、材料及毕数1.

1)考毕功率及毕毕安的限制～装故毕毕都毕用硬毕面毕毕毕直毕毕。

2)毕毕7毕精度;GB/T10095,88,。

3,毕毕材料。由[1]表10-1毕毕毕

毕毕用45毕毕毕,硬度毕162,207HBS。

4)毕毕毕数Z=Z=24。12

按毕面接触疲毕强度毕毕2.

毕毕毕毕毕明毕

由公式;10-9a,毕行毕算～即[1]

3KTuZZ2?121tHEd?××()1tu[]φσdH ;1,确内定公式的

各毕算数毕

1,毕毕K=1.3t

由[1]毕10-30～毕取区数域系 Z=2.433H

2,由[1]公式10-13毕算毕力毕毕数

9N=60njL=60×626.09×1×，2×8×300×8,=1.4425×10h11h

9(毕比毕数1,即)ZN=Ni=1.4425×10h2211=1 3,毕[1]毕10-19得,ZK=K=0.931HN1HN2

4,毕毕的疲毕强度限极

取失效率毕概1%,安全系数S=1,毕参献考文[1]公式10-12得:

σKHN1Hlim1[]==0.93×550=511.5MPaσH1S

σKHN2Hlim2[]==0.93×550=511.5MPaσH2 毕用接毕力触 S

σσ([]+[])(511.5+511.5)H1H2[]===511.5MPaσH22

5,毕[1]表10-6得,Z=189.8MPaE

由[1]表10-7得: φ=1d

P9841T=9550×=9550×=1.64×10N?mn571

;2,毕算

1,小毕毕的分度毕直径d1t

3342KTu+1ZZ2×1.3×1.64×1022.433×189.8221tHEd?××()=××()=40.67mm1tu[]11511.5φσdH

v 2,毕算毕周速度

πdn3.14×40.67×571t1v===0.121m/s60×100060×1000 3)毕算毕毕b

b=φ×d=40.67mmd1t

4)毕算毕毕高之比与b

毕毕毕毕毕明毕

d40.671tm===1.69ntz241

毕高 h=2.25

m=2.25×1.69=3.8mmnt

b40.67==10.7h3.8

5)毕算毕荷系数K

使用系数K=1A

根据,7毕精度, 毕参献考文[1]v=0.121m/s毕10-8得

毕毕系数K=1.01V

毕[1]由表10-4得,

K=1.158Hβ

毕[1]由表10-13得:

K=1.25Fβ

毕[1]由表10-3得:

K=K=1.2HαFα

故毕荷系数:

K=KKKK=1×1.01×1.2×1.158=1.4AVHαHβ

6)按毕毕毕荷系校正所数径算得的分度毕直

K1.433ddmm==40.67×=41.6811tK1.3t

7)毕算模数mn

d41.681m===1.73mmnZ241

3.毕根曲疲弯毕强度毕毕

毕参献考文[1]公式;10-5,得,

3 YY2KT1FαSαm?()n ?确内数定公式各毕算毕2[]φZσ1dF 1)毕[1]由毕10-20c毕的毕毕σ=420MPaFE1弯极曲疲毕强度限

2)毕[1]由毕10-18取曲疲弯K=K=0.85FN1FN2毕寿数命系

3)毕算曲疲弯毕毕用毕力

取曲疲弯数毕安全系S=1.4～毕参献考文[1]由公式;10-12,得

毕毕毕毕毕明毕

FN1σFE1K0.85×420[]===255MPaσF1S1.4

FN2σFE2K0.85×420[]===255MPaσF2S1.4

4,毕算毕荷系数K

K=KKKK=1×1.01×1.2×10125=1.3635AVHHαβ

5,毕取毕形系数

毕[1]由表10-5毕得Y=Y=2.65Fa1Fa2

6,毕取毕力校正系数

毕[1]由表10-5毕得Y=Y=1.58Sa1Sa2

7,毕算毕毕的加以比毕并YFaYSa

[]σFFa1Sa1YY2.65×1.58==0.01642[]σF1255

Fa2Sa2YY2.65×1.58==0.01642[]σF2255两数毕毕的毕一毕大

?毕毕毕算

342×1.3635×1.98×10×0.01642m?=1.2mmn21×24

毕比毕算毕果～dm==411..685mmmmm1nn由毕面接触疲毕强度毕算的法面模

数弯数大于由毕根曲疲毕强度毕算的法面模～按GB/T1357-1987毕整毕毕准模数,取但

毕了同毕毕足接触触径来数疲毕强度～需要按接疲毕强度算得的分度毕直毕算毕有的毕.

于是由:

41.68z==27.781取～那毕。1.5z=z=28z=28121

毕毕毕毕出的毕毕毕毕～毕足了毕面接既触弯并疲毕强度～又毕足了毕根曲疲毕强度～做

到毕毕毕～构凑避免浪毕。

4.几何尺寸毕算

;1,毕算分度毕直径

d=zm=28×1.5=42mm11

d=zm=28×1.5=42mm22

;2,毕算中心距

d1d24242++a42mm===22

;3,毕算毕毕毕度

毕毕毕毕毕明毕

b=d=1×42=42mmφd1取～。BB==5045mmmm214.2毕毕毕的毕毕

1.毕毕毕毕毕型、精度等毕、材料及毕数

1)考毕功率及毕毕安的限制～装故毕毕都毕用硬毕面毕毕毕毕毕毕。

2)毕毕7毕精度;GB/T10095,88,。

3,毕毕材料。由[1]表10-1毕毕毕毕毕用20Cr2Ni4;渗后碳淬火,,硬度毕350HBS。

4)毕毕毕数Z=Z=24。12

2.按毕面接触疲毕强度毕毕

由[1]公式10-26得,

2:,ZEKT1 (1)确内定公式的各,,d?1t2,,[]ρF()ΦR1-0.5ΦRu::毕算毕

1,毕毕毕荷系数初定螺旋角:K=1.6β=141t 2,毕毕毕毕的毕矩

P41T=9550×=1.98×10N?mm1n1

3,取毕毕系数=0.35

ΦR 4,毕[1]毕10-21毕面硬σ=σ=1200MPaHlim1Hlim2度得毕毕的接触极疲毕强度

限

1 5,毕[1]表10-6毕取毕性影2Z=189.8MPaE响数系

6,毕[1]公式10-13毕算毕力毕毕数

9 N=60njL=60×960×1×3×8×300×10=4.1472×10h11h

9N=N=4.1472×10h12 7,毕[1]毕10-19得,K=K=0.9HN1HN2

8,毕毕的接触极疲毕强度限,

取失效率毕概1%,安全系数S=1,毕用参献考文[1]公式;10-12,得:

KσHN1Hlim1[]==0.9×1200=1080MPaσH1S

毕毕毕毕毕明毕

σKHN2Hlim2==0.9×1200=1080MPa[]σH2S

σσ+[][]1080+1080HH12===1080MPa?1.23σ[]σ[]HH222

[]取=1080MPaσH

;2,毕算

1,毕算小毕毕分度毕直径;由于小毕毕更容易失效故按小毕毕毕毕,d1毕参献考文[1]公式10-26得,

224:,ZKT189.81.6×1.98×10:,E133,,d?2.92=2.92×=46.64mm,,1t22,,[]1080σ()()Φ1?0.5Φu0.35×1?0.5×0.35×1::::HRR

2,毕算毕周速度

π dn3.14×46.64×571t1 3,毕算毕毕b及v===0.139m/sm60×100060000模数

22u+11+1 b=ΦR=dΦ=46.64×0.35×=11.54mmR1tRd46.641t22m1.94mm===nt 4,z241

确定螺旋角和中心距

mnta=(Z1+Z2)=47.98mm2cosβa=48mmm(Z1+Z2):nt毕β=arccos=14.07取～2a

5,毕高

h2.25m2.251.944.365mm==×=nt

b11.54==2.643h4.365 6,毕算毕荷系数K

K 毕[1]由表10-2毕得,KK=K=K=K×1.5=1.875K=KKK===11.01K.25=1βAβHβHαHβbeαHβVHbeαFα使用系使用系数数=1～根据v=0.139m/s 、7毕精度～由参献考文[1]毕10—8毕得,毕

毕毕毕毕毕明毕

毕系～由数参献考文[1]表10—3毕得,毕毕毕荷分配系～由数参献考文[1]表10—3

取毕承系～数毕向毕荷分布系数=

所以,KKKKK==1×1.01×1×1.875=1.89AVHαHβ

,按毕毕毕荷7

系校正所数径算得分度毕直

33K1.89d=d=46.64×=49.30mm11t ,毕算模,数8K1.6t

d49.31m===2.054mmn 按毕根曲疲弯毕强度毕3.z241

毕

mKT4YY3aaFS1?22 ;,确参数定毕算1[]σΦ?Φ10.5zu()+1FRR1

,毕算毕荷1

K=KKKK=1×1.01×1×1.875=1.89AVHαHβ

,毕取毕系数数数及校正系 2

毕[1]由表得,～～～。10—5YYYY====1122....58586565FFSSa2a1a1a2

,由[1]毕按毕面硬310—20cσ=700MPaFE1度毕得毕毕的弯极曲疲毕限。

,毕[1]毕毕得弯曲410—18K=K=0.92FN1FN2疲毕寿数命系

,毕算曲疲弯毕毕用毕力 5

取曲疲弯数毕安全系。S=1.4

Kσ0.92×700FN1FE1[]===160MPaσF1S1.4

Kσ0.92×700FN2FE2[]===460MPaσF2S1.4

6,毕算大小毕毕的加以比毕并FSYYaa

～～毕毕的毕一毕大。两数YYYY22..6565××11..5858[]σFFa2a1SSa1a2F== ==0.00910.0091[][]σσ460460FF12 ;,毕算;按大毕2

毕,

毕毕毕毕毕明毕

毕[1]公式得,10-24

4KTYY31aaFSm?=1.91mm毕比毕算毕果～td49.3022zd==zi49=z.253=mm252121111[]σΦ()1?0.5Φzu+1Fz===24.65RR11m2n由毕面接触疲毕毕

算的模m大于由毕根曲疲弯数数毕强度的模～又有毕毕模m的大小要有弯曲强度毕

定的承毕能力～而毕面接触决与径弯疲毕强度所定的承毕能力毕毕毕直有毕。所以可取曲

mm强度算得的模数1.91并就近毕整毕毕准毕M=2;,～而按mmGB/T12368—1990n接强度触径数算得分度毕直重新修正毕毕毕～,取整～毕。

毕算毕毕毕的基本何尺寸几4.

;,分度毕毕角,1

z:2δ=arccot=451z1

z:22δ=arccot=45z1

;2,分度毕直,径

d=mz=2×25=50mm1n1

dmz22550mm==×=2n2 ;3,毕毕高

?h=hm=1×2mm=2mmaan

;4,毕根高

??()()h=h+cm=1+0.2×2mm=2.4mmfan

;5,毕毕毕直,径

d=d+2hcosδ=50+2×2×0.707=52.83mma11a1

d=d2+2hcosδ=50+2×2×0.707=52.83mma2a2 ;6,毕根毕

直,径

d=d?2hcosδ=50?2×2×0.707=47.17mmf11f1

毕毕毕毕毕明毕

=?=?××=dd2hcosδ50220.70747.17mmf22f2

;,毕距7

mzm22222R==z+z=×25+25=35.35mm122sinδ22

;,毕毕～8b=ΦR=0.35×35.35=12.3725mmR

;取整,。b=13mm

毕,毕整后毕毕～毕毕。

BB==2015mmmm21 ;,当数量毕 9

z251z===35.36v1cosδ0.7071

z252z===35.36v2cos0.707δ2

;,分度毕毕厚 10

πm3.14×2s===3.14mm22

修正毕算毕果,5.

,毕[1]表毕得,～～～。110—5=2.65=1.58=2.65=1.58

YYYYSFFSa2a1a2a1 ,～再根据27KK πdn3.14×50×57K=K=K=K×1.5=1.875K=KKKK====11.101K.25=1βα1ΙβHβHαHβbeαHβVHbeαFαAv===0.149m/s毕精度按考参献文60×100060000[1]由毕毕算毕荷系数～毕[1]由表毕得,使用系使用系～数数根据10-8K10-2

、毕精度～毕[1]由毕毕得,毕毕系～由数参献考文[1]表毕得,毕毕v=0.149m/s 710-810-3

毕荷分配系数～由[1]表取毕承系～数毕向毕荷分布系数=10-3=

所以,3)K=KKKK=1×1.01×1×1.875=1.89AVHαHβ

校核分度毕直径4)

毕[1]由表得,10-26

22433:,ZKT189.81.89×1.98×10:,1E,,d?2.92=2.92×=49.31mm,,1t22,,[]1080σ()()Φ1?0.5Φu0.351?0.5×0.35×1::::HRR

FS 毕算两并毕毕的加以比毕5)YYaa

[]σF14

毕毕毕毕毕明毕

～～毕毕的毕一毕大两数。YYYY2.652.65××1.581.58FFa2a1SSa1a2== ==0.00910.0091[][]σσ460460FF12 6)

4KTYY31aaFSm?=1.86mm毕毕～～均大于毕n22dm==502mmmm21n[]σΦ()1?0.5Φzu+1FRR1算的要求毕～故毕

毕的强度足毕。

表毕毕毕毕毕尺寸4.1

名称毕算公式毕算毕

法面模数2 mmmn

:毕角δ451

:δ245

毕数25z1

z252

毕毕比1i1

分度毕直径50mmd1

d50mm2

毕毕毕直径52.83mmδd=d+2hcosa11a1

d=d+2hcosδ52.83mma22a2

毕根毕直径47.17mmδd=d?2hcosf11f1

d=d?2hcosδ47.17mmf22f2

毕距35.35mmmzm22R==z+z122sin2δ

毕毕20mmB1

B15mm2

分度毕毕厚 3.14mmπms=24.3毕毕毕杆的毕毕

1.毕毕毕杆的毕毕毕型

根据GB/T10085-1988的推荐～采用毕毕式毕杆(ZI)

2.毕毕材料

考毕到毕杆毕毕功率不大～速度只是中等～故毕杆采用45毕～因希望效率高:

毕毕毕毕毕明毕些～耐磨性好些～故毕杆螺旋毕面要求淬火～硬度毕4555HRC～毕毕用毕毕毕磷青

ZCuSn10P1～金属属青模毕造。毕了毕毕毕重的有色金～毕毕圈用毕制造～而毕芯用灰毕毕

HT100制造。

3.按毕面接触疲毕强度毕行毕毕

根据毕式毕杆毕毕的毕毕准毕～先按毕面接触弯疲毕强度毕行毕毕～再校核毕根曲疲毕强

度。毕[1]式;,～毕毕中心距11-12

2:ZZ,Eρ3KTa?,,2,,[]Hσ::

?确定作用在毕毕上的毕矩

T:2

T=17.4N?m=17400N?mm2

?确数定毕荷系K

因工作毕荷毕毕定～故取毕荷分布不均系数K=1～毕[1]表11-5～毕取使用系数BK=1～由于毕速不高～不大～可冲取毕荷K=1.05。AV

K=KKK=1×1×1.05=1.05ABV

?确响数定毕性影系

ZE因毕用的是毕毕毕毕毕和毕毕毕磷青12Z=160MPaE相配～故

?确触数定接系Zρ先假毕毕杆分度毕直径和毕毕中心1dZ=2.9dρ1=0.35a。距a的比毕～从[1]毕11-18得

?确触定毕用接毕力[]σH

根据毕毕材料毕毕毕毕毕毕～磷青'[]σ=268MPaH金属模毕造～毕杆螺旋面毕面硬

。度>45HRC～毕[1]表11-7毕得毕毕的基本毕用毕力

毕力循毕次数:

11407N=60njL=60×1××12000=4.1×101H20 寿数命系:

7108K==0.838HN74.1×10

毕毕毕毕毕明毕

'=K ×=0.838×268MPa=224.6 MPa[][]σσHHNH

?毕算中心距:

2ZZ:,160×2.9:,Eρ 取中''33,,a?KT=1.05×17400×=42.72mmd,,ZZ=<2z.7521,,ρρρ=0.4[]σ224.6:::h:a心距a=50>

, i=20～故从[1]表11-2中取模数m=1.6mm～毕杆分度毕直径d=20mm。毕毕～～毕1

,[1]毕11-18中可毕得接系～因毕触数因此以上毕算毕果可用。

4、毕杆与参数与几毕毕的主要何尺寸

? 毕杆

毕向毕距:

P=πm=3.14×1.6=5.024mma

直系径数:

q=12.50

分度毕直,径

d=20mm1

毕毕毕直径:

d=d+2h=20+2×1×1.6=23.2mma11a1

毕根毕直径:

()d=d?2h=20?2×1×1.6+0.2×1.6=18.08mmf11f1

分度毕毕程角:

:γ=905'25" 毕向毕:

11S=πm=×3.14×1.6=2.512mma22

毕度:

毕毕毕毕毕明毕

?0.75=0.75×23.2=17.4Bdmma1

毕毕:

()()b?8+0.06zm=8+0.06×51×1.6=17.696mm12取b=20mm1

? 毕毕

毕毕毕～毕毕系～数数xz=-051.500=22

毕算毕毕比～毕毕毕毕比毕差毕～25.5Z?20512i===27=25.5%.5Z2201是允毕的。

分度毕直,径

d=mz=1.6mm×51=81.6mm22

喉毕直,径

ddhmmmm=+2=(81.6+2×1.6)=84.6a22a2

毕根毕直,径

d=d?2h=(81.6?2×1.2×1.6)mm=77.76mmf22af2

咽喉母毕半径,

11radmmmm=?=(50?×84.6)=7.7g2a222

毕度,

～故取B=20mm

B?0.75d=0.75×23.2=17.4mma1 毕毕直,径

～故取～d?d+m=84.6+1.6=86.2mmd=90mme2a2e2

5、校核毕根曲疲弯毕强度

1.53KT2σ=YY?[]σFFa2βFddm12

量毕当数:

z512z===52.97v233?cosγ()cos9.09

根据～～毕[1]毕11-19中可毕得Yzx===-5202.500..9775v2Fa22

毕毕毕毕毕明毕

。毕形系数

螺旋角系数:

?γ9.09Y=1?=1?=0.935β??140140

毕用弯曲毕力'[][]σ=σ?KFFFN

毕[1]表11-8中毕得由'[]σ=56MPaFZCS10P1制造毕毕基本毕用弯曲毕un

。力

寿数命系

66101099K===0.662FN7N4.1×10

[]σ=56×0.662MPa=37.072MPaF

1.53×1.05×17400σ=×2.75×0.935MPa=27.53MPaF20×81.6×1.6

,弯曲强度是毕足的。[]σ?σFF

6、毕算效率 η

γtanη=(0.95~0.96)()tanγ+?v

已知～～相毕与滑速度有毕。?'''??=arctanfvfγ=90525=9.09vvsv

ππdn×22.4×114011 毕[1]表v===1.35m/ss?η=0.876η=0.876f=>0η.041=0.843?=2.160×1000cos60×1000cos9.09γv1v

11-18中用毕插

法毕得～～代入式中得=0.876～大于原估即毕毕～～因此不用重算。

7、精度等毕公差和表面粗糙确度定

考毕到所毕毕的毕杆毕毕是毕力毕毕～于通用机属减从械速器～(GB/T10089-1988)毕

柱毕杆～毕毕精度中毕毕8毕精度～毕隙毕毕毕f～毕注毕8f(GB/T10089-1988)～各加工表

面粗糙度Ra毕表4.2所示,

表4.2 各加工表面粗糙度Ra毕

加工表面精度

毕毕毕毕毕明毕

789

毕杆毕毕0.8~1.61.6~3.23.2~6.3

毕毕毕3.2~12.5

毕孔1.6~3.2

与毕肩相配端面3.2~6.3

其他加工表面6.3~12.5

、毕平衡毕算8

估算散毕面毕(1)A

1.751.75a50:,:,2A=0.33=0.33=0.1m,,,, 毕算油的工作(2)ti100100::::温度

室温,通常取。20?t0

毕毕系,。数2:α()α=17.45w/m?Css

η()1?P1?0.843×147.4():,??1t=+t=+20=33.2C?80C,,0iA17.45×0.1α::s

油未超温毕限度。

9、毕滑方式

根据～毕合毕毕～不并需要采

v=1.35m/ss用毕滑油。

毕的毕毕4.4

毕杆毕的毕毕4.4.1

1.毕出的功率毕速和毕矩TnP111

P=118.1w1 n=57r/min1

T=20N?m=20000N?mm1 2.求作用在毕毕上的力

因已知低速毕毕毕的分度毕直毕径

d=mz=1.6×51=81.6mm2t2 2T2×200001F===490.2Nt～81.6d2

αtanF=Ftanβ=490.2NnatF=F=490.2Nrtcosβ

毕毕毕毕毕明毕

毕周力～向力～毕向力的方向径如毕15-24。[1]FFFtar

3.初步定毕的最确径小直

按公式;15-2,初步估径算毕的最小直。毕取毕的材料毕45毕～毕毕毕理。根据[1][1]表15-3～取A=103,0

于是得

P0.1181n 毕出毕的最小33d=A=103×=13.1mmmin0ddT=KT=1.3×20000N?mm=26000N?mmcaA1n571直毕径装然是安毕毕

器毕毕的直径毕了使所毕的毕直径与号毕毕器的孔相适毕～故需同毕毕取毕毕器型～毕?-??-?

毕器的毕算毕矩

按照毕算毕矩毕小于毕毕器公称毕矩L=18mm=14mmddL=16mmT1ca的件～毕条[2]毕用毕用HL1型毕性柱

毕毕毕器～其公称毕矩毕160000N.mm。半毕毕器的孔径～故取=14mm～半毕毕器毕与??-?

配合的毕孔毕度～半毕毕器毕与配合的毕孔毕度。

4.毕的毕毕毕构

;1,毕定毕上零件的装配方案

;2,根据毕向定的要求定毕的各段直和毕度径确径

1)毕了毕足半毕毕器的毕向定要求～径I-?毕段左端需制出一毕肩～由于是毕杆毕～右端毕毕毕100mm～左端用毕端毕圈定位～按毕端直径径取毕圈定位～按毕端直取毕圈直径D=15mm。

2)初步毕毕毕毕毕承。因毕承d×D×T=15×35×11mmd

同毕受有向力和毕向力的作用～径参并故毕用毕列毕毕毕子毕承。照工作要求根据 ?-=14mm～由毕承毕品目毕中初步毕取0基本游隙毕、毕准精度毕的毕列毕毕毕子毕承?

30202～其尺寸毕。

故=15mm。?-?d

;3,毕上零件的周向定位

半毕毕器毕的与周向定位均3bmm×h×=35mmmm××105mmmmm6hh77

采用平毕毕接。由表6-1毕得平毕截面～毕槽用毕槽毕刀加工～毕毕10mm～同毕毕了[1]kn66

保毕毕毕毕与与与配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕毕配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕毕的配合毕～同毕半毕毕器毕的毕接～毕毕用平毕～与与与半毕毕器毕的配合毕～毕毕毕承毕的周向

毕毕毕毕毕明毕定位是由毕渡配合保毕的～此毕毕毕的直尺寸来径公差。

;4,确定毕上毕角和倒角尺寸～毕[1]表15-2～取毕端倒角。1×45?

5.求毕上的毕荷

根据毕的毕毕构

L+L+L=18mm+50mm+50mm=118mmMM123VH做出毕的毕算筒毕～

在定毕承的确支点位置的～作毕筒支梁的毕的支撑跨距。根据毕的毕算～分毕按水平面和垂直面毕算各力毕生的弯并弯矩～按毕算毕果分毕做出水平面上的矩和垂直面上的弯弯并矩～然后按下式毕算毕矩做出M

毕毕将算出的截面毕的相毕毕求得如下

L+L=50mm+50mm=100mm23

L503F=F=×490.2=245.1NNH1tL+L50+50 L50232F=F=×1600=245.1NNH2tL+L50+50FD245.1×81.623aFL+245.1×50+r322F===222.6NNV1L+L50+5023FFFN=?=490.2?222.6=267.6NV2rNV1

M=FL=245.1×50=12255N?mmHNH12

M=FL=222.6×50=11130N?mmV1NV12

M=FL=247.6×50=12380N?mmV2NV23

2222M=M+M=12255+11130=16554.8N?mm11HV

2222M=M+M=12255+12380=17419.8N?mm22HV

表4.3 低速毕毕毕受力参数

毕荷水平面H垂直面V支反力FF==245245..11NNFF==267222..66NNNHNH12NVNV11

～～

弯矩MM=12255N?mmM=11130N?mmHV1

M=12380N?mmV2

毕弯矩,MM==1655417419..88NN??mmmm12

扭矩TT=20000N?mm1

毕毕毕毕毕明毕

6.按矩弯合成毕力校核毕的强度

毕行校核毕～通常只校核毕上承受最大弯扭即矩和矩的截面;危毕截α=0.6面,的强度。根据公式15-5及上列的数扭据～以及毕毕向旋毕～毕切毕[1]

力毕毕脉循毕毕毕力～取～毕的毕算毕力

22()M+αT11==0.173MPaσcaw

已毕定毕的材料毕45毕～毕毕毕理～[]=<>

4.4.2 毕1的毕毕

1. 毕出的功率毕速和毕矩

TnP111 P=118.1w1 n=57r/min1

T=20N?m=20000N?mm1 2.求作用在毕毕上的力

因已知低速毕毕毕的分度毕直毕径

d=mz=2×25=50mm2t2 2T2×200001F===800Nt50d2:αtantan20nFFN==800×=300.2rt:coscos14.07β

:F=Ftanβ=800×tan14.07=200.5Nat

毕周力～向力～毕向力的方向径如考参献文毕15-24。[1]

FFFtar 3.初步定毕的最确径小直

按[1]公式;15-2,初步估径算毕的最小直。毕取毕的材料毕45毕～毕毕毕理。根据参

考文献[1]表15-3～取A=103～0

于是得

P0.1181n3 4.毕的毕毕毕构3d=A=103×=13.1mmmin0n571 ;1,毕定毕上零

件的装配方案

毕毕毕毕毕明毕

d×D×T=15×35×11mm ;2,初步毕毕毕毕毕承。因d?13.1mmmin

毕承同毕受有向力和毕向力的作用～径参并故毕用毕列毕毕毕子毕承。照工作要求根据～由毕承毕品目毕中初步毕取0基本游隙毕、毕准精度毕的毕列毕毕毕子毕承30202～其尺寸毕。

故。d=15mm

;3,毕上零件的周向定位

半毕毕器毕的与周向定位均

3bmm×h×=35mmmm××105mmmmm6hh77

采用平毕毕接。由参献考文表[1]kn66

6-1毕得平毕截面～毕槽用毕槽毕刀加工～毕毕10mm～同毕毕了保毕毕毕毕与配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕毕与与与配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕毕的配合毕～同毕半毕毕器毕的毕接～毕毕用平毕～半毕毕器毕的与与来配合毕～毕毕毕承毕的周向定位是由毕渡配合保毕的～此毕毕毕的直尺寸径公差。

;4,确定毕上毕角和倒角尺寸～参考表15-2～取毕端倒角。

1×45? 5.求毕上的毕荷

根据毕的毕毕构做出毕的毕算筒毕～如下毕～在定毕承的确支点位置的～90mmMMHV

作毕筒支梁的毕的支撑跨距。根据毕的毕算～分毕按水平面和垂直面毕算各力毕生的弯矩～并弯弯弯按毕算毕果分毕做出水平面上的矩和垂直面上的矩～然后按下式毕算毕矩做并出M。

毕毕将算出的截面毕的相毕毕求得如下

L+L=20mm+55mm=75mm23

L553F=F=×800=586.7NNHt1 L+L20+55L20232F=F=×800=213.3NNHt2L+L20+55FD200.5×5023aFL+300.2×55+r322F===286.8NNV1L+L20+5523F=F?F=300.2?286.8=13.4NNV2rNV1

毕毕毕毕毕明毕

==586.7×20=11734?MFLNmmHNH12

M=FL=286.8×20=5732N?mmV1NV12

M=FL=13.4×55=737N?mmV2NV23

2222M=M+M=11734+5732=13059.2N?mm1HV1

2222M=M+M=11734+737=11757.1N?mm2HV2

表4.4 低速毕毕毕受力参数

毕荷水平面H垂直面V支反力FF==586213..73NNFF==28613.4.8NNNHNH12NVNV11

～～

弯矩MM=11734N?mmM=5732N?mmHV1

M=737N?mmV2

毕弯矩,MM==1305911757..21NN??mmmm12

扭矩TT=20000N?mm1

5.按矩弯合成毕力校核毕的强度

毕行校核毕～通常只校核毕上承受最大弯扭即矩和矩的截面;危毕截

α=0.6面,的强度。根据式15-5及上列的数扭据～以及毕毕向旋毕～毕切毕力[1]

毕毕脉循毕毕毕力～取～毕的毕算毕力

22()M+αT11==0.15MPaσcaw

已毕定毕的材料毕45毕～毕毕毕理～[]σσ=<>

由[1]表15-1毕得～因此～故安

全。

4.4.3 毕2的毕毕

1. 毕出的功率毕速和毕矩

TnP222 P=101w2

n=57r/min2

T=17.1N?m=17100N?mm2 2.求作用在毕毕上的力

毕毕毕毕毕明毕

因已知低速毕毕毕的分度毕直毕径

d=mz=1.5×28=42mm2t2 T22×171001F===814.3Ntd422:αtantan20nF=F=800×=291.2Nrt:cosβcos0

:F=Ftanβ=800×tan0=0Nat

毕周力～向力～毕向力的方向径如参献考文[1]毕15-24。

FFFtra 3.初步定毕的最确径小直

按公式;15-2,初步估径算毕的最小直。毕取毕的材料毕45毕～毕毕毕理。根据参[1]

考文献表15-3～取A=103～[1]0

于是得

P0.101n3 4.毕的毕毕毕构3d=A=103×=12.5mmmin0n571 ;1,毕定毕上零

件的装配方案

;2,初步毕毕毕毕毕承。因d×D×T=15×35×11mmd?12.5mmmin

毕承同毕受有向力的作用～径与参并故毕用毕杆毕一毕的毕列毕毕毕子毕承。照工作要求根

据～由毕承毕品目毕中初步毕取0基本游隙毕、毕准精度毕的毕列毕毕毕子毕承30202～其尺

寸毕。

故。d=15mm

毕毕毕毕毕明毕

;3,毕上零件的周向定位

半毕毕器毕的与周向定位均3bmm×h×=35mmmm××105mmmmm6hh77

采用平毕毕接。由表6-1毕得平[1]kn66

毕截面～毕槽用毕槽毕刀加工～毕毕10mm～同毕毕了保毕毕毕毕与配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕毕与与与配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕毕的配合毕～同毕半毕毕器毕的毕接～毕毕用平毕～半毕毕器毕的与与来配合毕～毕毕毕承毕的周向定位是由毕渡配合保毕的～此毕毕毕的直尺寸径公差

;4,确定毕上毕角和倒角尺寸～毕[1]表15-2～取毕端倒角。

1×45?

5.求毕上的毕荷

根据毕的毕毕构做出毕

L+L=8mm+20mm=28mmMM12HV的毕算筒毕～如下毕～在确

定毕承的支点位置的～作毕筒支梁的毕的支撑跨距。根据毕的毕算～分毕按水平面和垂直面毕算各力毕生的弯并弯弯矩～按毕算毕果分毕做出水平面上的矩和垂直面上的矩～然后按下式毕算毕弯并矩做出M。

毕毕将算出的截面毕的相毕毕求得如下

L+L=8mm+20mm=28mm12

L202F=F=×814.3=581.6NNHt1 L+L8+20L8121F=F=×814.3=232.7NNHt2L+L8+20FD0×4212aFL+291.2×20+r222F===208NNV1L+L8+2012F=F?F=291.2?208=83.2NNV2rNV1

M=FL=581.6×8=4652.8N?mmHNH11

M=FL=208×8=1664N?mmV1NV11

M=FL=83.2×20=1664N?mmV2NV22

2222M=M+M=4652.8+1664=4941.1N?mm11HV

2222M=M+M=4652.8+1664=4941.4N?mm22HV

表7.2 低速毕毕毕受力参数

毕荷水平面H垂直面V支反力～FF==581232..67NNFF==83208.2NNNHNH21NVNV11

～

毕毕毕毕毕明毕弯矩M M=4652.8N?mmM1664Nmm=?HV1

M=1664N?mmV2毕弯矩,M=4941.4N?mmM=4941.4N?mm21

扭矩TT=17100N?mm1

6.按矩弯合成毕力校核毕的强度

毕行校核毕～通常只校核毕上承受最大弯扭即矩和矩的截面;危毕截α=0.6面,的强度。根据式15-5及上列的数扭脉据～以及毕毕向旋毕～毕切毕力毕毕循毕毕毕力～

取～毕的毕算毕力

22()αM+T11==0.11MPaσcaw 已毕定毕的材料毕45毕～

[]σσ=<>

故安全。

4.4.4 毕3的毕毕

1. 毕出的功率毕速和毕矩TnP333

P=96w3 n=57r/min3

T=16.3N?m=16300N?mm3

2.求作用在毕毕上的力

因已知低速毕毕毕的分度毕直毕径

d=mz=1.5×28=42mm2t2 2T2×163001F===776.2Nt:42dαtantan202nF=F=776.2×=282.5Nrt:coscos0β

:F=Ftanβ=800×tan0=0Nat

毕周力～向力～毕向力的方向径如毕15-24。[1]FFFtra

3.初步定毕的最确径小直

毕公式;15-2,初步估径算毕的最小直。毕取毕的材料毕45毕～毕毕毕理。根据[1][1]

毕毕毕毕毕明毕表15-3～取A=103～0

于是得

P0.096n33d=A=103×=12.3mmmin0 4.毕的毕毕毕构n571

;1,毕定毕上零件的装配方案

;2,初步毕毕毕毕毕承。因d×D×T=15×35×11mmd?12.3mmmin

毕承同毕受有向力的作用～径与参并故毕用毕杆毕一毕的毕列毕毕毕子毕承。照工作要求根据～由毕承毕品目毕中初步毕取0基本游隙毕、毕准精度毕的毕列毕毕毕子毕承30202～其尺寸毕。

故。d=15mm

;3,毕上零件的周向定位

半毕毕器毕的与周向定位均3bmm×h×=35mmmm××105mmmmm6hh77

采用平毕毕接。由表6-1毕得平毕截面～毕槽用毕槽毕刀加工～毕毕10mm～同毕毕了[1]kn66

保毕毕毕毕与与与配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕毕配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕毕的配合毕～同毕半毕毕器毕的毕接～毕毕用平毕～与与与半毕毕器毕的配合毕～毕毕毕承毕的周向定位是由毕渡配合保毕的～此毕毕毕的直尺寸来径公差。

;4,确定毕上毕角和倒角尺寸～参献考文[1]表15-2～取毕端倒角。1×45?

5.求毕上的毕荷

根据毕的毕毕构做出毕L+L=25mm+35mm=60mmMM23HV

的毕算筒毕～如下毕～在定毕承的确支点位置的～作毕筒支梁的毕的支撑跨距。根据毕的毕算～分毕按水平面和垂直面毕算各力毕生的弯并矩～按毕算毕果分毕做出水平面上的弯弯弯并矩和垂直面上的矩～然后按下式毕算毕矩做出M。

毕毕将算出的截面毕的相毕毕求得如下

毕毕毕毕毕明毕

+=+=LL25mm35mm60mm23

L353F=F=×776.2=452.8NNHt1 L+L25+35L25232F=F=×776.2=323.4NNHt2L+L25+35FD0×4223aFL+282.5×35+r322F===164.8NNV1L+L25+3523F=F?F=282.5?164.8=117.7NNV2rNV1

M=FL=452.8×25=11320N?mmHNH12

M=FL=164.8×25=4120N?mmV1NV12

M=FL=117.7×35=4120N?mmV2NV23

2222M=M+M=11320+4120=12046.4N?mm1HV1

2222M=M+M=11320+4120=12046.4N?mm2HV2

表4.5 低速毕毕毕受力参数

毕荷水平面H垂直面V支反力FF==452323..84NNFF==117164..78NNNHNH12NVNV11

～～

弯矩MM=11320N?mmM=4120N?mmHV1

M=4120N?mmV2

毕弯矩,MM==1204612046..44NN??mmmm12

扭矩TT=16300N?mm1

6.按矩弯合成毕力校核毕的强度

毕行校核毕～通常只校核毕上承受最大弯扭即矩和矩的截面;危毕截α=0.6

面,的强度。根据式15-5及上列的数扭脉据～以及毕毕向旋毕～毕切毕力毕毕循毕毕毕[1]

力～取～毕的毕算毕力

22()M+αT11==0.16MPaσcaw

已毕定毕的材料毕45毕～毕毕毕理～[]σσ=<>

由[1]表15-1毕得～因此～故安全。

第章其零件的毕它取5

毕毕毕毕毕明毕

毕毕器的毕取5.1

毕出毕的最小ddT=KT=1.3×20000N?mm=26000N?mmcaA1

直毕径装然是安毕毕

器毕毕的直径毕了使所毕的毕直径与号毕毕器的孔相适毕～故需同毕毕取毕毕器型～毕?-??-?

毕器的毕算毕最大毕矩

按照毕算毕矩毕小于毕毕器公称毕矩的

L=18mm=14mmddL=16mmT1ca条件～毕毕用毕用HL1型毕性柱毕毕毕[1]

器～其公称毕矩毕160000N.mm。半毕毕器的孔径～故取=14mm～半毕毕器毕与配??-?

合的毕孔毕度～半毕毕器毕与配合的毕孔毕度

5.2毕承的毕取

初步毕毕毕毕毕承。因毕承同d×D×T=15×35×11mmd?13.1mmmin

毕受有向力和毕向力的作用～径参并故毕用毕列毕毕毕子毕承。照工作要求根据～由毕承毕品目毕中初步毕取0基本游隙毕、毕准精度毕的毕列毕毕毕子毕承30202～其尺寸毕。

毕的毕取 5.3

半毕毕器毕的与周向定位均3bmm×h×=35mmmm××105mmmmm6hh77

采用平毕毕接。由表6-1毕得平毕截面～毕槽用毕槽毕刀加工～毕毕10mm～同[1]kn66

毕毕了保毕毕毕毕与与配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕毕配合有良好的毕中性～故毕毕毕毕毕毕与与与与毕的配合毕～同毕半毕毕器毕的毕接～毕毕用平毕～半毕毕器毕的配合毕～毕毕毕承毕的周向定位是由毕渡配合保毕的～此毕毕毕的直尺寸来径公差。

第章 UG毕毕毕运仿真6

UG毕毕毕毕介运仿真6.1

;,是公司出品的一毕品工程解个UGUnigraphics NXSiemens PLM Software决它方案～毕用毕的毕品毕毕及加工毕程提供了数字化造型和毕毕手段。Unigraphics NX毕毕用毕的虚毕毕品毕毕和工毕毕毕的需求～提供了毕毕毕毕毕的解方案。践决

本章主要介毕 UG模毕中毕的功能。毕毕毕是运仿真运仿真UG的主要部分～能毕它任何二毕或三毕机毕行毕毕的毕分析、毕力分析和毕毕。通毕构运学仿真UG的功能建立一个体三毕毕模型～利用 UG的功能毕三毕毕模型的各部件毕体个运学予一定的毕毕特性～再在各部件之毕毕个既个运仿真立一定的毕接毕系可建立一毕毕毕模型。UG的功能可以毕运构装运毕机毕行大量的配分析工作、毕合理性分析工作～毕如干涉毕毕、毕迹包毕等～

毕毕毕毕毕明毕得到大量毕机的毕。通毕毕毕毕模型毕行毕运构运参数个运仿真运学学运或毕力毕分析就可以毕毕毕毕机毕毕的合理性～且可以利用毕形毕出各部件的位移、运构并个坐毕、加速度、速度和力的毕化情况运构～毕毕机毕行毕化。

基于的毕毕毕运仿真6.2UG

毕毕毕功能的毕毕步毕毕,运仿真

毕毕毕毕毕的毕境,在本文中毕毕了毕毕分析～运仿真(1)

毕建毕杆,毕毕仿真将模型中零件～毕毕毕杆、毕毕毕和直毕毕毕毕毕杆。而一些固定(2)UG

机架毕可毕置毕固定毕杆。

毕建毕运运将副,在本文中只毕用了一毕毕副形式。模型中的毕杆、毕毕、毕、直毕毕、毕(3)

毕毕、毕子的配合以及整毕毕毕毕个均毕置毕旋毕副。其中毕毕毕中的零件;毕、毕毕、毕上零件及毕毕毕毕,毕置了第二毕杆;毕毕的外框随框架,～使之各自毕毕的同毕～毕着毕毕的外架一起毕毕。

毕予毕毕力,本文中毕予了一个即双恒定毕毕～恒定的速度和加速度。毕已毕建的(4)

运毕副～点毕毕毕毕毕毕～毕毕恒定毕毕～毕置速度。

毕建解算方案,毕当运杆、毕副、毕毕力均毕置完成后～就可毕建解算方案～毕置(5)

运与数毕分析的毕毕步。

通毕求解～就可看到模型的毕毕程～可到毕毕。仿真运并画(6)

第7章有限元分析SolidWork

有限元分析毕介7.1

有限元分析;～,利用数学真近似的方法毕毕几FEAFinite Element Analysis物理系毕;何和毕荷工况它将称,毕行模毕。毕利用毕毕毕的毕毕代替毕毕毕毕后再求解。求解域看成是由毕多毕有限元的小的互毕子域毕成～毕每一毕元假定一合适的个毕毕毕的,近似解～然后推毕求解毕域毕的毕足个(

条件如毕的平构条从个确衡件,～而得到毕毕的解。毕解不是准解～而是近似解～因毕毕毕毕毕被毕毕(

毕的毕毕所代替。由于大多毕毕毕毕毕以得到数确准解～而有限元不毕毕算精度高～而且能适毕各毕毕毕形状～因而成毕行之有效的工程分析手段。

基于的有限元分析7.2SolidWorks

有限元分析功能毕毕的一般步毕毕,

;1,建立几何模型～

;2,定毕材料属性～

毕毕毕毕毕明毕

;3,定毕毕界条件(毕束和毕荷)～

;4,划网分格～

;5,求解～

;6,毕看和毕毕估果～

毕毕杆毕的有限元分析7.1

按毕毕要求～毕用材料毕毕～毕杆毕受到的的毕力毕。如毕所示～由毕力毕可知～最451.23MPa7.1大毕力毕～屈服力毕～强度毕毕符合要求。 27.7Mpa220.6Mpa

毕毕毕毕毕明毕

毕毕的有限元分析7.2 1

按毕毕要求～毕用材料毕毕～毕杆毕受到的的毕力毕。如毕所示～由毕力毕可知～4519.6MPa7.2最大毕力毕～屈服力毕～强度毕毕符合要求。572.8Mpa220.6Mpa

毕毕的有限元分析7.3 2

毕毕毕毕毕明毕

按毕毕要求～毕用材料毕毕～毕杆毕受到的的毕力毕。如毕所示～由毕力毕可知～最4517.1MPa7.3大毕力毕～屈服力毕～强度毕毕符合要求。222.5Mpa220.6Mpa

毕毕的有限元分析7.4 3

按毕毕要求～毕用材料毕毕～毕杆毕受到的的毕力毕。如毕所示～由毕力毕可知～最4516.3MPa7.4大毕力～屈服力毕～强度毕毕符合要求。229.2Mpa220.6Mpa

毕毕柱直毕毕的有限元分析7.5

毕毕毕毕毕明毕

按毕毕要求～毕用材料毕毕～毕杆毕受到的的毕力毕。如毕所示～由毕力毕可知～45255.5MPa7.5最大毕力毕～屈服力毕～强度毕毕符合要求。1926.9Mpa220.6Mpa

毕直毕毕毕毕的有限元分析7.6

按毕毕要求～毕用材料毕～毕杆毕受到的的毕力毕。如毕所示～由毕力毕可20Cr2Ni41080MPa7.6知～最大毕力毕～屈服力毕～强度毕毕符合要求。4110.6Mpa220.6Mpa

毕毕毕毕毕明毕

毕毕毕的有限元分析7.7

按毕毕要求～毕用材料毕～毕杆毕受到的的毕力毕。如毕所示～由毕力毕可ZCuSn10P117.4MPa7.7知～最大毕力毕～屈服力毕～强度毕毕静符合要求。209.3Mpa220.6Mpa

毕毕毕毕毕明毕

参献考文

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毕毕毕毕毕明毕

致毕

在此我要感毕老毕毕我的悉心指毕～感毕所有毕我与帮助的老毕毕。在毕毕毕程中～我通毕毕毕大量有毕毕料～同与学学并教学交流毕毕和自～向老毕毕等方式～使自己到了不少知毕～毕然毕毕了不少毕辛～但收毕多。在整毕毕中我得了毕多毕西～也很个懂培毕了我独会学立工作的能力～毕立了毕自己工作能力的信心～相信毕今后的毕工作生活有非常重要的影。而且大大提高了毕手的能力～使我响体会充分到了在毕造毕程中探索的毕毕和成功毕的喜悦个学。毕然毕毕毕做的也不太好～但是在毕毕毕程中所到的毕西是毕次毕毕毕毕的最大收毕和毕富～使我毕身受益。

毕毕毕毕能毕毕利的完成指毕与老毕的指毕是分不毕的。遇到的毕毕和自己不能毕毕的步毕～都是在指毕老毕的指毕下得到毕意的答案～而加快了自从确己毕毕的毕度和毕毕的正性、毕毕性。毕校要求的毕毕学刘个格式～毕玉老毕也反毕的毕毕每一格式和布局的美毕～毕毕我才能毕毕出符合毕准的毕毕。

毕毕就毕毕在自己毕毕毕的毕程中真个学慢慢的毕去了～一期的毕毕毕的有效而且充毕。到最后看到自己毕毕的毕目完成后心情是非常喜悦的。因毕毕凝毕了自己辛苦的毕毕和指毕老毕的悉心指毕～所以毕毕次完成的毕毕收毕甚多。

最后在感毕老毕的同毕～也要毕在百忙中毕毕毕我毕毕的真学你丰院毕毕表示感毕～毕毕富的毕毕知毕能毕我毕提出多可行的方案。再很次由衷的表示毕意,

范文五：全向移动机器人底盘设计开题报告含文献综述、外文翻译可编辑

全向移动机器人底盘设计开题报告(含文献综述、外文

翻译)

毕业设计开题报告

(含文献综述、外文翻译)

题目全向移动机器人底盘设计

姓名

学号 0836210091

班级 08机械4班专业机械设计制造及其自动化学院机械工程学院指导教师(职称)

开题报告

1. 选题的背景和意义

1.1 选题的背景机器人的应用越来越广泛,几乎渗透所有领域。进入九十年代以来,人们广泛开展了对服务机器人的研制和开发。各国尤其是西方发达国家正致力于研究、开发和广泛应用服务机器人。目前,在美国、日本等发达国家,机器人已应用于商场导购、物品移送、家居服务、展厅保安和大面积清扫等多个服务领域。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高,将势必会在各个领域广泛、大量地应用服务机器人。

与普通工业机器人相比,服务机器人具有更大更灵活的工作空间,因此其往往是移动机器人。移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人,是继操作手和

步行机之后机器人技术的一个新的研究目标,也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究方向。移动机器人目前主要包括军事和民用服务两大应用领域。在民用服务领域,美国和日本处于遥遥领先的地位,机器人被广泛应用于车站清扫、大面积割草、商场导游导购、导盲和保安巡逻等各个方面。在我国的移动服务机器人的研究和应用还处于起步阶段,上海大学、哈尔滨工业大学曾先后研制成功导购机器人、导游机器人和清扫机器人。随着我国经济建设的不断开展和人民生活水平的提高,广泛应用服务机器人必将成为趋势。

1.2 选题意义

上述移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能,这也成为了机器人研究和设计的难点问题。能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此,移动机构是组成移动机器人的重要部分,它是保证机器人实现功能要求的关键,其设计的成功与否将直接影响机器人系统的性能。目前,移动机构开发的种类已相当繁多,仅就平面移动而言,移动机构就有车轮式、履带式、腿足式等形式。各种移动机构可谓各有千秋,适应了各种工作环境的不同要求。但车轮式移动机构显得尤其突出,与步行式移动机构相比,它的优点很多:能高速稳定地移动、能源利用率高,机构简单、控制方便、能借鉴至今已很成熟的汽车技术和经验等等,它的缺点是移动场所限于平面。但是,目前机器人工作的场所几乎都是人工建造的平地,并且即使有台阶,只要以车轮式移动机构为基础再附加几个自由度便不难解决。因而,轮式移动机构在机器人技术中得到广泛应用,目前已成为移动机器人运动机构的最主要形式。本课题将对全向移动机器人底盘设计进行分析和研究。

2.设计内容和关键问题

2.1 主要设计内容分析四个轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理,建立了该全方位移动机构的运动学、动力学模型,提出了四轮协调的控制策略。进行了轮廓参数设计和结构设计,设计制造装配零部件,制作成可全方位移动的机器人底盘。

2.2 拟解决的关键问题移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能,这也成为了机器人研究和设计的难点问题。

能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此,移动机构是组成移动机器人的重要部分,它是保证机器人实现功能要求的关键,其设计的成功与否将直接影响机器人系统。

3.设计的方法及措施

3.1方法及措施

3.1.1三轮机构三轮移动机构具有一定的稳定性,是轮式机器人的基本移动机构之一,在机器人领域已经得到广泛的应用,而且在实现方式上也呈现多样化。 1)两轮独立驱动机构

且在加减速时的动态特性也应完全一致,这就要求伺服驱动系统要求有足够的精度和优异的动态特性,从而会导致机器人底盘的成本增加。 2)前轮驱动前轮导向机构如图(2),该机构中的前轮既是驱动轮又是导向轮(操舵轮),采用两个电机分别控制:导向电机控制前轮的转向角度,驱动电机控制前轮的旋转速度。因此,通过对前轮的这两个自由度进行复合控制,可以同时实现对机器人本体的运行速度和运行方向的控制。两个被动后轮没有电机控制,完全是随机轮。该种移动机构的特点是控制比较方便,能耗低,对于伺服系统和制造装备精度要求不高,而且旋转半径可以从0到无穷大连续变化;缺点是由于导向和驱动的驱动器均集中在前轮部分,复合运动结构设计复杂,而且车体本身的运动并不十分灵活。

3)后轮差动减速器驱动前轮导向机构

该种机构如图(3),导向控制电机通过减速器控制导向前轮,决定了机器人本体的运动方向。驱动轮同驱动控制电机通过驱动齿轮箱体连接,在箱体内安装有全部传动系统的减速齿轮、差动器等传动零件,通过箱体两端的半轴带动左、右驱动轮运动。差速器的作用是在进行转弯操作是为左、右两轮分配不同的旋转速度。这种移动机构和驱动系统可以利用一些通用的传动系统零部件,传动效率较高,制造成本较低;但在传动模式上仍是机械传动模式,结构比较复杂,体积较大,质量也比较大,同时运动不灵活,不能实现机器人本体的小半径回转运动。 4)两后轮独立驱动前轮导向机构由图(4)可以看出,该机构同后轮差速器驱动前轮导向机构在原理上具有相似之处,不同之处在于利用两个独立伺服驱动电机取代了差速器装置,用以分别控制左、右驱动轮。该机构在控制上需要按照机器人运动学模型把移动平台的整体运动分解为对三个电机的控制命令,然后控制导向轮的转动和两个驱动轮的差动实现本体运动。同后轮差动器驱动前轮导向机构相

比,该机构采用纯粹的电气传动模式,结构比较简单,体积和质量能够得到很好的控制,且方向控制精度更高,运动更为灵活;缺点是需要对三轮进行协调控制,同步性要求较高,且自转时的本体方向定位精度较低。

5)三轮全驱动全导向机构

三轮全驱动全导向机构属于同步驱动的装置方式。如图(5)所示,在该机构中,三个轮子成120?放置,用齿轮或者链条将轮子同分别用以进行方向控制和驱动的电机相连。每个轮子都可独立地进行转向控制和速度控制,因此在结构和原理上类似于前轮驱动前轮导向机构的前轮。当三个轮子保持初始位置以相同的速度转动时,及其本体做原地零半径旋转运动;当三个轮子导向角度相同并以相同速度驱动时,本体按照该导向角方向做直线运动。施加适当的控制,利用该机构实现的机器人本体能够按照任意指定的轨迹运动,具有很高的运动灵活性。但是该机构的整体结构比较复杂,完成每个动作都需要对6个伺服电机进行合理控制,且对于方向和驱动控制精度有较高要求,因此控制难度较大。

3.1.2四轮机构

1)两轮独立驱动机构如图(6)所示,四轮机器人中的两轮独立驱动机构和三轮机器人中的两轮独立驱动机构在工作原理上完全相同,两者之间唯一的差别在于前者多用了一个随机轮,以增加平台的稳定性和伏在承受能力。 2四轮全驱动全导向机构

如图(7)所示,该种移动机构同三轮机器人中的三轮全驱动全导向机构在

工作原理上完全相同。由于增加了一个驱动轮,使得平台的地面适应能力、负载能力以及平稳性都得到提高。然而,该种机构的控制自由度变得更高,并且由于在运动过程中要求各个独立的导向机构相互协调,保持一定的相互关系,因此控制算法更为复杂。此外,更多的活动机构和过多的控制关节使系统复杂度升高、可靠性降低。 3四轮全驱机构四轮全驱机构如图(8)所示。同四轮全驱全导向机构相比,二者的四轮布局完全相同,差别之处在于:每个轮子均没有转向机构,只能进行前后方向上的旋转运动。机器人平台只能通过滑动转向方式进行方向控制,即完全靠两侧驱动轮独立驱动产生的速度差使车轮产生侧向滑动来完成转向操作。因此,这种机构的致命缺点是转向损耗较大。该机构的优点是可以实现不同半径甚至原地零半径的转向,可以满足崎岖地形移动机器人的的性能要求。此外,由于没有活动连接,结构简单可靠,以最简单的机构达到了很高的机动性。 4两轮独立驱动汽车转向机构如图(9)所示,该移动机构的两个驱动后轮分别利用独立地伺服电机进行驱动,实现机器人本体的运动速度控制。其优点在于:前端两个导向轮采用类似于汽车那样的艾克曼转向机构相连接,利用一个转向伺服电机实现机器人本体的方向控制。艾克曼转向时目前地面车辆最通用的转向机构,两个转向轮之间通过四连杆机构连接并确定转向角之间的相互关系,可以使转向轮得到基本满意的朝向。艾克曼通过机械结构确定转向轮之间的角度约束关系,整个机构只有一个自由度,因而控制简单、可靠。艾克曼转向机构技术成熟,在性能和可靠性之间得到较好的均衡。但是采用艾克曼转向机构的车辆转弯半径较大,给机器人的控制和路线规划带来较大难度。

5)两轮差速器驱动汽车转向机构

如图(10)所示,该种机构也采用艾克曼转向机构实现机器人的运动方向

控制,而后面两个驱动则采用单伺服电机驱动差速器的方式实现。同图(d)所示机构相比,这种机构只利用两个电机就能实现四轮机器人的的速度和方向控制,控制更为简单,可靠性更高;但是由于转向轮角度约束与驱动轮速度差分制均采用机械方式实现,因此机械结构也变得更为复杂,据此实现的机器人平台往往体积更大,质量也更大。综上所述,从体积质量,伺服驱动系统精确度,成本,运动灵活性,能否实现小半径回转,稳定度,控制简单,设计简单角度总观:

三轮机构中选用两轮独立驱动机构,四轮机构中选用两轮独立驱动机构。但是四轮机构比三轮机构多用了一个随机轮,增加了平台的稳定性和伏在承受能力。所以最终选用四轮机构中的两轮独立驱动机构

3.2 可行性分析四轮机构其优点是驱动轮和负载能力更强,具有较高的地面适应能力和稳定性。两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。该机构利用一个高精度驱动轮和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动,随机轮置于机器人底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定,通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动,因此可以实现全向移动。这种结构的特点是运动灵活,机构组成简单;当两轮转速大小相等方向相反时,可以实现机器人本体的灵半径回转。

4.预期设计成果

依照设计任务书要求,设计完成时将产生如下成果:

1.设计底盘全向移动驱动轮传动机构,并绘制零件图与装配图;

2.设计底盘辅助轮机构,并绘制零件图与装配图;

3.设计底盘全向运动整体机构,并绘制零件图与装配图;

4.对底盘做运动仿真分析,并对主要受力部件进行有限元分析;

5.撰写毕业设计说明书;

基本要求: 结构布局合理、可行,传动顺畅、高效。能承载200Kg重量,能

实现全向运动。

5.设计工作进度计划

本毕业设计的阶段划分与进度安排如下:

第7学期

第 7 周?第 12 周收集资料,撰写开题报告、文献综述、外文翻译。第 13 周?第 13 周修改、打印、上交开题报告、文献综述、外文翻译。第 14 周?第 15 周设计全向移动机器人底盘驱动轮传动机构。第 16 周?第 16 周前期检查。

第 17 周?第 18 周设计全向移动底盘驱动轮传动机构,并绘制与装配图。第8学期

第 1 周?第 1 周设计底盘辅助轮机构,并绘制零件图与装配图。第 2 周?第 3 周设计全向移动底盘整体机构,并绘制零件图与装配图。第 4 周?第5 周对底盘做运动仿真,并对主要受力部件进行有限元分

析。

第 6 周?第6 周撰写毕业设计说明书。中期检查。

第 7 周?第 7 周撰写毕业设计说明书。

第 8 周?第 8 周审查。

第 9 周?第 9 周准备答辩材料,答辩。

移动机器人设计

1.国内外研究现状

1.1国外研究现状1室外几种典型应用移动机器人

美国国家科学委员会曾预言:“20 世纪的核心武器是坦克,21 世纪的核心武器是无人作战系统,其中2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队,并走向战场”。为此,从80 年代开始,美国国防高级研究计划局DARPA 专门立项,制定了地面天人作战平台的战略计划。从此,在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕,如DARPA的“战略计算机”计划中的自主地面车辆ALV 计划1983 ?1990 ,能源部制订的为期10 年的机器人和智能系统计划RIPS 1986 ?1995 ,

以及后来的空间机器人计划;日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划;欧洲尤里卡中的机器人计划等。

德国研制了一种轮椅机器人, 并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和1998 年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中,进行了超过36 个小时的考验,所表现出的性能是其它现存的轮椅机器人或移动机器人所不可比的。这种轮椅机器人是在一个商业轮椅的基础上实现的。国外还研制了一种独轮机器人,它与具有静态稳定性的多轮移动机器人相比,具有很好的动态稳定性,对姿态干扰的不敏感性,高可操作性,低的滚动阻力,跌倒的恢复能力和水陆两用性。这是运动性的一种新概念。

2高完整性机器人没有一个系统可以做到100%可靠。一个可靠机器人是指它一直正常地工作。一个高完整性机器人则时刻监视自己的行为,一旦发现异常,立即停止运转。因此,一个高完整性机器人并不一定要连续工作,但工作时,一定是正确的。

3遥控移动机器人对机器自主性的挑战来自要求完成的任务和高度非结构化和变化的环境。在大多数室外环境中,要求机器完全自主地完成任务,目前还有一定的困难。远程操作的半自主机器人,毫无疑问,是一个发展方向。因此先进的远程操作技术是将来必需的。完全遥现是实现远程操作一个或几个移动机器人的最佳可能方案,但太贵。研制一套适于远程操作的、使用起来既自然又容易的人机交互方案是必需的。在未知和变化的环境中,头部跟踪系统有帮助,且是可行的。。

4环境与移动机器人集成 H.Ishiguro 通过对以前机器人研究工作的回顾,发现过去智能机器人的工作主要集中在自主性上。因此,他提出了一个新概念:感知信息基础设施。就象人需要道路、交通信号灯等一样,机器人为了在一个动态变化的环境中行动,也同样需要基础设施。作者将一个用于导航移动机器人的分布式视觉系统作为例子,进行了解释和说明。实验在一个缩小了1/ 12 的城镇模型中进行,内有阴影,树的结构,草地和房屋,足够代表室外环境的真实情况,并安装了用于机器人导航用的16 个摄像机智能体,实现了移动机器人与环境的融合。

5生态机器人学生物机器人学生态机器入学就是把生态学的原理应用到移动机器人设计中去的实践。目前所用到的原理,现简述如下:

?由于机器人和环境的不可分离性,因此应将其作为一个整体来看待。

?机器人的行为是由这个系统的动力学创现出来的。

?基于感知和行为的直接关系,为了达到系统的一个期望状态,机器人的任务就是将已有的信息映射到受其管理的控制参数上。

?环境提供足够的信息以使产生自适应行为成为可能。

?因为机器人在环境中,因此环境不必在机器人之中。也就是说,无需一个中心模型,但要留出空间用于具体任务记忆和学习。

6多机器人系统

美国DARPA的战术移动机器人计划,是一个4 年研究计划,于1998 年开始。分两阶段进行:技术开发和系统设计。技术开发包括三个方面:机器感知、半自主操作和机器人运动。目的是研究和开发由许多小的、低价的、半自主的移动机器人组成的机器人团队的协调与控制技术并将其应用于战略重要情况。如正在

发生军事冲突的市区的侦察任务,在这种情况下,市区中人口稠密,建筑物多,涉及的人员分布在其里里外外、上上下下,从而使作战部队处于危险和不可预测的境地。因此,本项目的一个长期目标,就是在发生战斗的条件下,使用机器人团队,在现场的内外,为部队提供支持。附带的另一个长期目标是建立和发展一个自制的工业标准基础,以迎接将来国防对军用机器人的需求。

美国的MDARS 项目是在著名的保安机器人RO2BART的基础上建立的一个多移动机器人平台,用来在指定地点执行随机巡逻任务。第一期任务是用于国防部仓库和储蓄场自动化闯入探测和库存量的查定。关于第一期任务,在经历了实验室到模拟实验场地之后,已经在一个作战用的真实仓库环境内,进行了成功的演示。第二期任务主要强调在国防部的室外仓储地的应用。美国的FETCH计划是在BUGS 计划的基础上,研究使用一群小的、坚固的自主移动机器人去清除地表上的未爆炸的M42 炮弹。首先建立一个实验床,由四个机器人和一个陪同的操作员控制单元组成,研究如何确定任务要求和一个有效的机器人解决方案的参数。在这些参数中,要考虑自主与半自主机器人控制的比较,用于定弹药位置的随机与直接搜索策略的比较,整个场地与有限移动驱动系统的比较。决定性的因子来自于任务的进一步细化和实际的性能。整个计划的最终目标是用一到两个得到基本训练的爆炸物处理专家,监控多达50 个机器人,在一个足球场大小的现场上,并行地工作,清除军用品。任务完成的标志是,在有限的时间内,搜集尽可能多的手榴弹。对机器人的要求:一是小且轻,以便搬运到现场,能在铺满自然障碍物和冲突后的残骸的现场中导航,能在现场的边界上停留,提高操作速度;二是成本不高,以便意外损坏是可以容忍,装有适应的和可重用的部件。机器人正在从工厂的结构化环境进入人们每天的生活环境???医院、办公室、家庭、建筑工地和其

它杂乱及不可控环境。要求机器人不仅能自主完成工作,

而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务。这就需要机器人具有下述能力:移动和操作集成于一体的能力,在多机器人之间的协作能力,与人的交互能力和无碰路径的实时修改能力。Khatib 等讨论了这个问题,并给出了有关的模型、策略和算法的开发,并在斯坦福大学的两个完整性移动平台上进行了演示。自从1996 年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来,现在,一年一度的世界机器人足球赛已经吸引了越来越多的团体参加,极大地推进了多移动机器人技术的研究,成为研究和验证人工智能成果的实验床。关于多移动机器人的一些新的提法,如认知机器人学、生态机器人学、协作机器人学、社会机器人学以及广义社会学等。

1.2国内研究现状

国内在移动机器人的研究起步较晚,大多数研究尚处于某个单项研究阶段,主要的研究工作:

清华大学智能移动机器人于1994 年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术研究准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划 ;基于传感器信息的局部路径规划技术研究基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制 ;路径规划的仿真技术研究基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟 ;传感技术、信息融合技术研究差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术 ;智能移动机器人的设计和实现智

能移动机器人THMR ?III 的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统。

香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。

中国科学院沈阳自动化研究所的AGV 和防爆机器人。

中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。

哈尔滨工业大学于1996 年研制成功的导游机器人等。

2.移动机器人发展史 1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔?恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中,根据Robota捷克文,原意为“劳役、苦工”和Robotnik波兰文,原意为“工人”,创造出“机器人”这个词。

1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制,可以行走,会说77个字,甚至可以抽烟,不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造,但后来成为学术界默认的研发原则。

1948年诺伯特?维纳出版《控制论》,阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律,率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

1954年美国人乔治?德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人,并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作,因此具有通用性和灵活性。

1956年在达特茅斯会议上,马文?明斯基提出了他对智能机器的看法:

智能机器“能够创建周围环境的抽象模型,如果遇到问题,能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫?英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后,成立了世界上第一家机器人制造工厂??Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传,他也被称为“工业机器人之父”。

1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”意思是万能搬运,与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人,并出口到世界各国,掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器,包括1961年恩斯特采用的触觉传感器,托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器,而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统,并在1965年,帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器,能识别并定位积木的机器人系统。

1965年约翰?霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置,根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始,美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人,并向人工智能进发。

1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器,能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人,拉开了第三代机器人研发的序幕。

1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人,被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长,后来更进一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。

1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作,就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

1984年英格伯格再推机器人Helpmate,这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年,他还预言:“我要让机器人擦地板,做饭,出去帮我洗车,检查安全”。

1998年丹麦乐高公司推出机器人Mind-storms套件,让机器人制造变得跟搭积木一样,相对简单又能任意拼装,使机器人开始走入个人世界。

1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝AIBO,当即销售一空,从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba,它能避开障碍,自动设计行进路线,还能在电量不足时,自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。

2006年 6月,微软公司推出Microsoft Robotics Studio,机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显,比尔?盖茨预言,家用机器人很快将席卷全球。

3.工业智能机器人技术

工业机器人可用于承担常规的、冗长乏味的装配线工作,或执行那些对工

人也许有危害的工作。例如,在第一代工业机器人中,曾有一台被用于更换核电厂的核燃料棒,从事这项工作的工人可能会暴露在有害量的放射线下。工业机器人也能够在装配线上操作??安装小型元件,例如将电子元件安装在线路板上。为此,工人可以从这种冗长乏味任务的常规操作中解放出来。通过编程的机器人还能去掉炸弹的雷管、为残疾者服务以及在我们社会的众多应用中发挥作用。

目前国际机器人界都在加大科研力度,进行机器人共性技术的研究,并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下9个方面:

1.工业机器人操作机结构的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载/自重比,同时机构向着模块化、可重构方向发展。

2.机器人控制技术:重点研究开放式,模块化控制系统,人机界面更加友好,语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化,以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外,离线编程的实用化将成为研究重点。

3.多传感系统:为进一步提高机器人的智能和适应性,多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法,特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。

4.机器人的结构灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一体化方向发展。

5.机器人遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术,多机器人和操作者之间的协调控制,通过网络建立大范围内的机器人遥控系统,在有时延的情况下,建立预先显示进行遥控等。

6.虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术,

实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

7.多智能体(multi-agent)调控制技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理,感知与学习方法,建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

8.微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics):这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白,因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命,并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响,微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

9.软机器人技术(soft robotics):主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处,因此其结构材料多为金属或硬性材料,软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的,机器人对人是友好的。

4.总结与展望

4.1总结

机器人在我国未来20年必得到跨越式发展。理由有三:1.随着中国经济快速的发展,近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右,人民消费水平大大提高,作为制造业主力的农民工也从早期的解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高要求。这些情况使得许多企业从劳动密集型向技术密集型转变,对产品质量提出了更高的要求。利用机器人技术无疑是发展的大方向!2.机器人技术在日美等国得到了很好的应用,给社会带来了长足发展。而随着我国机器人知识的普及,利用机器人技术提升我国工业发展水平,从制造大国向强国

转变,提高人民生活质量成为了全社会的共识。3.从863计划以来,国家政府对工业机器人的研发和应用及给予了大力的支持,机器人进口量连年成倍增长。

4.2展望

1 机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。

2 机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。

3 机器人控制系统向基于 PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化,网络化;器件集成度提高,控制柜日渐小巧,采用模块化结构,大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

4 机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。

5 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。参考文献

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外文翻译

译文题目移动机器人车辆原稿题目 Mobile Robot Vehicles

原稿出处 Peter Corke.Robotics,vision and control[M].Australia:

Springer Tracts in Advanced Robotics,2011移动机器人车辆这一章讨论如何移动机器人平台,它带来一个随时间变化的函数来控制。有许多不同的类型,如61页到63页所示的机器人平台。但我们在本章将考虑只有两种机器人平台具有重要意义。第一种平台是一个轮子,像一辆汽车,在二维世界运行。它可以改变轮子的角度使汽车向前或向后移动并控制方向的变化。第二个平台是一个直升机,在三维运动中,这是一种典型的机器人直升机正变得越来越流行。平台就像一个机器人,因为他们可以很容易地被模仿和控制。4.1灵活性我们已经谈到的多样性和移动机器人的运动方式,在这个部分中我们将讨论有关机器人平台的灵活性与及它如何在空间移动。

我们先来考虑一下这个简单的例子:一列火车。从一些资料上显示,火车在轨道运行,可以通过它的距离来描述它的位置。通过一个标量参数q,火车可以被完全的描述,叫做广义。集合所有可能的配置就是配置空间,用q?C来表示。在这种情况下C?R。我们也说火车上有一个自由度,因为q是一个标量。这趟列

车也有一个驱动器电机,驱使它沿轨道向前或向后。火车通过电机和自由度充分的驱动,可以到达任意配置空间,就是说可以沿轨道的任何位置。

另一个重要的概念,移动装置ξ?T是一套任务空间所有可能的姿势。这项任务空间取决于应用程序或任务。如果我们的任务是沿轨道运动,那么T?R。如果我们只关心这个火车的位置,那么在一个平面上T?R2。如果我们认为是一个三维世界,那么T ?SE3,它的上下移动可以改变高度的变化。不清楚这这种情况下,如果这项任务超出尺寸的空间配置空间,火车就不能达到一个任意的位置,因为火车是不得不沿着固定轨道前进的。既然这样,我们说火车沿着一个移动空间有一个映射q?ξ。

有趣的是,许多汽车有共同的特性。它们擅长于向前移动,但不擅长于其他方向的移动。汽车、汽垫船、船舶和飞机,它们所有的特点和复杂的操纵都是为了可以向各个方向移动而设计的。这个设计方法是一个非常明智的选择,因为它针对我们最常见的运动车辆。不常见的运动如停车、两艘船的对接或更复杂的飞机着陆,这也不是不可能的,人类可以学习这个技巧。这种类型的设计优点简化非常,特别是执行机构的要求数量越少越好。

下一个考虑是气垫船,它的下面有两个螺旋桨,但轴平行但不在同一直线上。提供的总向前力产生的扭矩会使气垫船转向偏移。气垫船在平面移动及其配置上完全是由三个广义坐标表示q x, y, θ ? C。配置空间有三维空间,因此它有三个自由度。

气垫船只有两个执行机构,比汽车少一个自由度,因此它是欠驱动系统。利用这个限制方式可以自由移动。在任何时候我们可以控制前进(平行于推力矢量)、加速和旋转。加速度为零的气垫船没有横向加速度,因为它不产生任何侧向

推力。然而一些熟练的操纵,就像汽车能在遵循的路线上把它带到开始地方的另一侧。欠驱动系统的优点就是可以减少执行机构的数量,缺点就是是汽车无法直接移动到任何一个地方及其配置的空间,因为它必须遵循一定的路径。如果我们增加了第三个螺旋桨,那么气垫船就可以实现全向移动。气垫船的任务空间就是TSE2,对于配置空间是等效的。

一架直升飞机有四个执行机构。其大小主要是由转轴产生推力矢量控制的横向、纵向循环。第四个驱动器后面的转子提供了一个横摆力矩。直升机的配置可以描述为六个广义坐标q x, y, z, θr, θp, θy ? C,那是其位置与方向在三维空间的取向角。配置空间C?R3×S3有六个维度,因此车辆有六个自由度。直升机是欠驱动系统,它没有旋转加速,因为直升机保持自由是不需要操作的,机尾的朝向保持稳定的均衡力,因此可以做俯仰运动。重力就像一个额外的驱动器,它提供一个向下的力,这使得直升机加速侧推力矢量水平分量的垂直分量推力由重力抵消,如果没有重力直升飞机是飞不起来的。直升机的工作空间就是T?SE3。

一个固定翼飞机前进,也有4个极其有效地执行机构:前进、副翼、升降、方向。对飞机来说飞机的推力加速度在不同时刻都会对方向和控制产生不同的影响:方向舵(偏航力矩)、副翼(轧辊扭矩)、升降(旋转扭矩)。飞机的配置空间是相同的,有6个尺寸。欠驱动系统的飞机没有侧向方向的加速。直升机的工作空间就是T?SE3。

在62页的深井热量探测器显示的水下机器人也有一个配置空间C ?R3× S3 ,是六个维度的,但是相比之下是完全启动的。车辆的执行机构可以运用六个方面对任意一个力及力矩平衡,它可以使任意方向轴的加速。它的工作空间是

T?SE3

最后,我们来到了轮子???人类伟大的成就。轮子是在公元前3000年左右

发明的,两个轮子的车是在公元前2000年左右发明的。今天四个轮子的交通工具

是无处不在的,拥有的人数接近十亿。汽车的有效性和我们对它的熟悉让它们可

以在平台上自由移动。

一辆滚滑驾驶的车辆,比如一辆坦克,可以在危险中移向一边并立即停下

来。这是一个机动时变控制策略的特点,是一种不完整的系统。坦克有两个执行

机构,就像在每条赛道上,一辆车就是一个欠驱动系统。

机动车辆参数表,我们讨论的是在表4.1。第二栏是大量的自由度的车辆或

其设置的空间维度,第三栏是大量的执行机构,第四栏的是是否完全驱动的车辆。

Mobile Robot VehiclesThis chapter discusses how a robot platform moves, that is, how its pose changes with time as a function of its control inputs. There are many different types of robot platform as shown on pages 61?63 but in this chapter we will consider only two which are important exemplars. The first is a wheeled vehicle like a car which operates in a 2-dimensional world. It can be propelled forwards or backwards and its heading direction controlled by changing the angle of its steered wheels. The second platform is a quadcopter, a flying vehicle, which is an example of a robot that moves in 3-dimensional space. Quadcopters are becoming increasing popular as a robot platform since they can be quite easily modelled and controlled However before we start to discuss these two robot platforms it will be helpful to consider some general, but important, concepts

regarding mobility.

4.1 lMobilityWe have already touched on the diversity of mobile robots and their modes of locomotion.In this section we will discuss mobility which is concerned with how a vehicle moves in space We first consider the simple example of a train. The train moves along ra

转载请注明出处范文大全网 » 全向移动机器人底盘设计-毕业