救援机器人控制系统的设计毕业设计(编辑修改稿)

救援机器人控制系统的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

壕可视为下垂直障碍和上垂直障碍的组合，阶梯可视为连续垂直障碍的组合。 如果移动机器人能够以某种动作或动作序列适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有 效组合达到适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有效组合达到适应 灾难现场非结构化环境 的目的 [1214]。 各类走行机构的性能特点 足式走行机构 :足式行走机构即所谓的步行机器人。 步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路。 它不仅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面上行走，甚至可以跨越障碍、上下台阶，对环境的适应性强，智能程度相对较高，具有轮式机器人无法达到的机动性，具有独特的优越性能。 但对设计和制造者来说，步行机器人的研究极具挑战性，其主要难点在于各腿之间的协调控制、机身姿态控制、转 向机构和转向控制、动力的有效传递和走行机构机理。 足式机器人的种类很多，一般分为两足机器人和多足机器人，如图所示。 一般将有两条腿机构的移动机器人叫做两足步行机器人，两足步行机器人基本上是近似或模仿人的下肢机构形态而制成；三足以上的机器人称为多足机器人，主要研究模仿四足和六足动物的各种步态而制成，具有复杂的步态。 长春工业大学本科毕业设计 4 步行机器人的结构复杂，由于其运动学及动力学模型复杂，控制难度较大。 从移动的范围来讲，车轮型及履带形的移动机构，无论它有多么复杂都只能在二位平面内移动，虽然能够应付一定的坡度和凹凸表面，但是车体与移动机 构始终保持着固定的位置关系。 而步行机器人的移动却有着很大的不同，它可以在保持身体姿态不变的前提下，能前后左右移动又能沿着楼梯拾阶而上，从这一点来看步行机器人的移动是三维空间移动。 另外，要控制它的步行和不倾倒有很大的难度，目前实现上述功能的机器人很少。 正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上还不成熟，不适用于对灵活性和可靠性要求较高的场合中 [15]。 履带式走行机构 :为了提高车轮对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带式走行机构被广泛采。 履带方式又叫做循环轨道方式，其最大的特征是将圆环状的 循环轨道履带卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与路面接触，利用履带可以缓冲路面状态，因此就可以在各种路面上行走。 图为履带式行走机器人。 机器人采用履带行走方式有以下优点： （ 1）由于冲角的作用，能登上较高的台阶。 （ 2）履带具有较强的驱动力，适合在阶梯上移动。 （ 3）能够原地旋转，所以适合在狭窄的屋内移动。 （ 4）因重心低而稳定 [16]。 履带式走行机构广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。 履带式行走机构的不足之处是转弯不如车轮灵活。 在要改变方向时，要将某一侧的履带驱动系统减速或制动来实现转弯，或者反向驱动来实现车 体的原地自转。 但这都会使履带与路面产生相对横向滑动，不但加大了机器人车体的能耗，还有可能损坏路面。 轮式走行机构 :轮式走行机构由滚动代替滑动摩擦，主要特点是效率高，适合在平坦的路面上移动，定位精确，而且重量较轻，制作简单。 绝大多数轮式机构都是非完整运动约束驱动系统，轮式移动方式的分类有很多种，按照轮的数目划分有三轮、四轮、五轮。 目前机器人中最常用的是三轮或者四轮移动方式，在某些特殊应用情况下也有用五轮以上的机器人，但这种机器人结构和控制都很复杂 [17]。 行走方案的确定 根据以 上的定性分析，探测器需要一个良好的工作性能，要想较好的完成任务，需要平稳的移动方式。 很明显，履带式移动机构的移动性能居于轮式和腿式移动机构之间，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。 履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面以及沟壑等，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为探测机器人的推进系统。 所以采长春工业大学本科毕业设计 5 用履带式的移动方式。 救援机器人机械结构 救援机器人为探测机器人， 设计探测机器人采用了模块化设计，总体分为四个模块，即计算机模块，传感器模块，电 源及驱动模块，运动底盘模块。 模块化设计的探测机器人结构比较明了，而且在一些模块预留了一些空间，可以在需要的时候更换或添加其他模块。 其简图如图 21： 图 21 机器人机械结构简图 其性能参数的基本要求如表 21所示 表 21 性能参数基本要求 性能 参数 额定电压 24VDC 工作电流 2A 驱动方式 直流电机驱动 电池 铅酸蓄电池组 最大速度 1m/s 最小速度 最大负载 30kg 工作时间 6 小时 爬地能力 30 度 越障能力 3cm 传感器模块的设 计 传感器概念及特点 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。 它控制计算机 模块 传感器 模块 电源驱动 模块 底盘运动 模块 长春工业大学本科毕业设计 6 是实现自动检测和自动控制的首要环节。 传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。 通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元 件、色敏元件和味敏元件等十大类 [18]。 救援机器人传感器模块 传感器 用于机器人感知外部环境 ，探测机器人必需要有这方面的设计，视觉传感器也有他的局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在夜间执行任务时就很难实现其功能，为更好的使机器人完成认为，再加超声波传感器 和温度传感器。 通过多种传感器共同作用更全面的进行探测。 传感器模块是一个由金属材料板组成的圆柱体，这种结构是根据主板的形状设计的，传感器模块虽然结构简单，但里边所安装的电路主板是机器人的枢纽，机器人各个部分的电路板都在这里，所以密封工作一定要 做好。 上面加了一个稍大的金属盖板，传感器块周围安装了 24 路红外传感器 、温度传感器 和超声波传感器。 当人遥控机器人执行任务且视频效果较好时可以关闭红外 、温度 和超声波传感器，当视频效果不好或是机器人自行执行任务时，红外 、温度 和超声波传感器都要开启。 电源及驱动模块的设计 电源系统的质量直接影响到电子系统的稳定性。 在任何一个机器人的电控硬件系统设计中，稳压电源的设计是其最基本的部分，它为整个机器人的智能单元和执行机构模块提供所需的能量。 一个电压稳定、抗干扰能力较强的电源系统是机器人稳定运行的保证。 电 源工作不稳定，会导致系统工作不稳定，甚至会导致整个系统无法工作。 因此，要设计好一个控制系统，首先要注重电源的设计 [19]。 电源及驱动模块是为机器人提供能源的部分，安装有电池组和左右电机驱动器，因为电池组驱动部分有一些重量，所以采用铸铁作为箱体。 计算机模块的设计 计算机模块分为两部分结构，下端是计算机的保护架，上端为支撑架。 保护架是用来防止计算机受到外界环境的撞击，另外保护架提高了摄像设备的高度，可以看的更远一些。 支撑架的作用是控制摄像头的检测方向。 将摄像头安装在支撑架的套筒里的目 的是减小如水、阳光腐蚀等外界环境对摄像头表面和线路的影响，此设计虽然不能完全隔离外界的影响，但却尽量增加了摄像头的使用寿命。 在支撑架的下方和右方安装了两个舵机，使套筒具有左右、上下两个自由度，从而摄像头可以全方位的检测周围的非结构化环境。 其结构简图如图 22所示。 长春工业大学本科毕业设计 7 图 22 计算机模块结构简图 底盘运动模块 履带的选择 由于在考虑履带装置设计时，基于标准化的思考，我们选择了梯形双面齿同步带作为设计履带，梯形双面齿同步带传动具有 带传动、链传动和齿轮传动的优点。 同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确 的传动比。 同步带通常以氯丁橡胶为材料，这种带薄而且轻，故 可用于较高速度。 传动时的线速度可达 50m/s，传动比可达 10， 效率可达 98％。 传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨 性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。 因为同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的转速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。 传动效率高，结构紧凑，适宜于较为恶劣的场所下正常工作。 从以上对同步带性能的分析中可以得出结论，选用梯形双面齿同步带作为移动装置设计履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。 图 23 双面齿同步带 履带、齿轮的设计计算 长春工业大学本科毕业设计 8 常见的行走机构形式就是同步带 /齿形带。 同步带 /齿形带传动具有带传动，链传动和齿轮传动的优点。 同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。 同步带通常以钢丝或玻璃纤维为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可以用于较高速度。 传动的线速度可达50m/s，传动比可达 10，效率 可达 98%。 传动噪音比带传动，链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需有润滑，寿命比摩擦带长。 其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。 所以同步带广泛应用于要求传动比准确地中，小功率传动中，如家用电器，计算机，仪器及机器人，机床，化工，石油等机械。 同步带的设计计算 1．选择设计功率 k pp kw 选 择 （ 21） 2．选择带型和节距 选取带型 为 H 型 （ 22） 3．根据带型 H 和小带轮转速 n1 查得最小齿轮 min 14Z  ，此处取 Z=20 小带轮节圆直径 d1 11 2 0 1 3 8 2 .8bzpd    （ 23） 查表得其外径 mm 设计 Z2=Z1=20 2121aad d m md d m m 4．带速 v= 11 8 2 . 8 5 4 7 . 5 2 0 . 2 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dn ms   （ 24） 5．定轴间距 0a =400mm 6．带长及其齿数 210 0 1 20()2()248 0 0 8 2 .8 51 0 6 0 .1 4 9ddL a d damm      （ 25） 7．查表应选用带长代号为 420 的 H 型同步带，其节线长 1070pL mm ，节线上的齿数 Z=84 13bp mm长春工业大学本科毕业设计 9 8．实际轴间距 a= 00 10 70 10 60 .14 9[ 40 0 ] 40 622pLLa m m     （ 26） 9．小带轮啮合齿数 11212[ ( ) ] 1 022 bm pzzz e n t z za    （ 27）10．基本额定 功率 20 ()1000aT mv vp  （ 28） 查得 021 00 .85 48 /( 21 00 .85 48 62 ) 61000 4aTNm k g mP k wkw   所需带宽 020dss pbb kp （ 29） 查表得： H 型带 0101mzsbs mmzkbmm （ 210） 查表得应选带宽代号为 150 的 H 型带，其 mm 11．带轮结构和尺寸 传动选用同步带为 H150 带轮 Z1=Z2=20， d1=d2=,da1=da2= 采用同步带作为履带的优点是：效率高，最高效率能达到 90%以上；设计简单，只须根据标准规格选择节矩，齿数，长度，宽度就可以了。 但是同步带一旦选定，长度，宽度就是固定的，因此基本属于定制，设计不同的履带式平台就需要不同的同步带。 这个特点限制了同步带应用的灵活性。 本设计还。