移动式机器人结构设计


     学科分类号



    科 毕 业 设 计


    题目(中文): 移动机器结构设计
    (英文): Mobile robot structure design
    姓 名
    学 号
    院 (系) 工学院机械工程系
    专业年级 2008级机械设计制造动化
    指导教师 副教授



    二○二 年 五 月




    XX学科毕业设计务书
    毕业设计题目
    移动式机器结构设计


    作 者 姓 名

    属院专业年级
    工学院 机械设计制造动化专业 08年级
    指导教师姓名职称
    副教授
    预计字数
    10000
    开题日期
    2011
    选题目意义:
    出兴趣选择设计题目目解移动机器结构设计控制系统设计研究方面容做基础国关移动机器研究起步较晚取少成绩2003年国防科技学贺汉根教授持研制驾驶车采四层递阶控制体系结构机器学等智控制算法高速公路达130 Kmh稳定时速高时速170 Kmh具备超车功技术指标均处世界领先位国机器核心关键技术原创性研究高性关键工艺装备设计制造力高性基础功部件批量生产应等方面发达国家相国存较差距未研究热点种智控制方法应移动机器控制研究方面创新意义
    研究容:

    1 移动机器移动方式
    2 机器结构设计
    3 机器控制系统简单设计

    应达技术指标求:
    1 较灵活移动
    2 基越障力
    3 设计说明书字数少10000
    4 3D装配图幅零件图
    设计方法技术路线:
    首先进行移动方式分析选择选择合适驱动电机驱动机构根控制系统设计机器机构选择设计合适零件机构然预定计划设计控制系统进行运动分析保障机器预期目标进行移动
    完成课题应具备环境(软件硬件):

    UG75office2007电脑相关书籍资料
    阶段务安排:
    12月20日前完成开题报告
    1月22日前完成塑件分析资料准备
    3月12日前完成整模具初稿设计零件初稿设计图纸绘制
    3月25日前完成毕业设计修改完善
    4月30日前完成毕业设计答辩准备
    5月10日前完成毕业设计答辩审核定稿
    参考资料:
    [1] 张毅等编著 移动机器技术应 电子工业出版社 2007年9月
    [2] 张培仁杨兴明编著 机器系统设计算法 中国科技学出版社 2008年10月
    [3] 克格 貟超编著 机器导 机械工业出版社 2006年6月
    [4] 孙恒陈作模葛文杰编著 机械原理 高等教育出版社 2006年5月
    [5] 濮良贵 纪名刚编著 机械设计 高等教育出版社 2006年5月
    指导教师意见:



    指导教师签名
    开 题 报 告 会 纪
    时间









    姓 名
    职务(职称)
    姓 名
    职务(职称)
    姓 名
    职务(职称)
























    会议记录摘:








    会议持签名:
    记录签名:
    年  月 日
    指导组意见







    负责签名:
    年 月 日
    学 院 意 见







    负责签名:
    年 月 日
    XX 学
    工学院指导教师指导毕业设计情况登记表
    设计题目
    移动机器结构设计
    学生姓名

    属专业年级
    机械设计制造动化 专业 2008 级
    指导教师姓名

    职 称
    副教授
    学 历
    博士
    指导时间
    指导点
    指 导 容
    学生签名
    备 注
    2012310
    工学院
    机器移动方式选择问题


    2012315
    工学院
    选择移动方式利弊问题


    2012330
    工学院
    机器控制系统设计


    201243
    工学院
    机器致结构


    201247
    工学院
    机器驱动电机选择


    2012413
    工学院
    传感器选择


    2012418
    工学院
    机器尺寸问题


    2012424
    工学院
    初稿存问题


    2012429
    工学院
    初稿修改问题


    201254
    工学院
    设计前置部分问题


    201258
    工学院
    终稿确定















































    二XX学科毕业设计评审表
    毕业设计题 目
    移动机器结构设计
    作者姓名

    属院专业年级
    工学院 机械设计制造动化专业 2008级
    指导教师
    姓名职称
    副教授
    字 数
    10000
    定稿日期
    2012515













    移动机器机器家族中重分支进步扩展机器应领域重研究发展方世纪九十年代广泛开展机器移动功研制开发适应种工作环境求开发出种移动机构中全方位轮实现高精确定位原调整姿态二维面意连续轨迹运动具般轮式移动机构法取代独特特性研究移动机器行走具重愈义
    文介绍技术较成熟麦克纳姆全方位轮运动原理结构分析四麦克纳姆轮全方位轮组成全移动机构运动协调原理 运轮腿复合式机器身机器移动力更强设计方面包括(1)移动方式选择(2)机器结构设计(3)机器移动原理分析(4)移动机器控制系统简单设计

    关键词
    (35)
    移动机器轮腿复合式四足

















    Mobile robot is not only an important branch in the robot families also a tendency toexpand the robot application domain further People have widely developed the mobilemechanism which can adaptdifferent kind of working conditions and request since 1990sand some kinds of mechanism were developed successfully Omnidirectional wheel is a mechanism which has unique feature the general be unable tosubstitute it can reach theposition in a high precision adjustposture in original place and move continuously and freelyn twodimensional surface It is important for the researching of robot walking freely
    This paper mainly introducing the technology is mature Mckenna's omnidirectional motion principle of the structure and analysising omnidirectional wheel omnidirectional mobile mechanism motion coordination principle by the four MckennaAnd its application to wheel legged robot body that make the robot move ability strongerKey aspects of the design include (1)Mobile mode selection (2) the robot structure design (3) the robot moving principle analysis (4) to the mobile robot control system for a simple design

    关键词
    (35)
    mobile robot Wheel legged type Quadruped


    毕业设计指导教师评定成绩
    评审基元
    评审素
    评审涵
    满分
    实评分
    选题质量30
    目明确
    符合求
    选题符合专业培养目标体现学科专业特点综合训练基求
    10
    10
    选题恰
    题目规模适
    5
    4
    题目难易度适中
    5
    4
    联系实际
    题目生产科研实验室建设等实际相结合具定实际价值
    10
    9
    力水35
    综合运
    知识力
    学专业知识机毕业设计中设计容适深度广度难度
    5
    4
    应文献
    资料力
    独立查阅相关文献资料设计涉关研究状况成果纳总结恰运
    5
    4
    实验(设计)

    运学科常研究方法选择合理行方案实际问题进行分析进行实验(设计)具较强动手力
    5
    4
    计算力
    原始数搜集进行专业求计算理正确数处理方法处理结果正确
    5
    4
    外文应

    搜集阅读翻译纳综述定量专业外文资料外文摘加运体现定外语水
    5
    4
    计算机应力
    根设计题目求编程机专业应软件完成设计务
    5
    4
    分析力
    设计项目进行技术济分析实验结果进行综合分析
    5
    4
    设计质量35
    插图图纸质量
    计算机绘图绘制图纸表格符合标准
    5
    4
    说明书撰写水
    设计说明书齐全概念清楚容正确条理分明语言流畅结构严谨篇幅达学校求
    15
    12
    规范化程度
    设计格式图纸数语量单位种资料引运规范化符合标准设计栏目齐全合理
    5
    4
    成果实性科学性
    较完成设计选题目求成果富定理深度实际运价值
    5
    4
    创见性
    具创新意识设计具定创新性
    5
    4
    正文部分成绩(表): 83
    总成绩:
    83
    评定等级:

    外文资料译文成绩: 83

    指导教师评审意见:













    指导教师签名:
    说明:表指标部分正文部分计分表正文部分成绩=实评总分×09外文资料译文成绩满分10分总成绩=正文部分成绩+外文资料译文成绩评定成绩分优秀良中等格格五等级总成绩90—100分记优秀80—89分记良70—79分记中等60—69分记格60分记格译文成绩零计总成绩评定等级记格
    三XX学科毕业设计答辩记录表
    毕业设计题 目
    移动机器结构设计
    作者姓名

    属院专业年级
    工学院 机械设计制造动化 专业 2008 年级
    指导教师
    姓名职称
    彭 副教授
    答 辩 会 纪
    时间



    答辩

    成员

    姓 名
    职务(职称)
    姓 名
    职务(职称)
    姓 名
    职务(职称)


















    答辩中提出问题回答简情况记录:
















    会议持签名:
    记录签名:
    年 月 日










    评语:









    评定等级:
    负责(签名): 年 月 日







    评语:







    毕业设计学院终评定等级:
    负责(签名): 学院(公章) 年 月 日







    评语:








    评定等级:
    负责(签名): 年 月 日


    目 录
    摘 1
    Abstract 2
    第章 绪 3
    11选题背景意义 3
    12移动机器移动机构研究概况 3
    13移动机器运动控制系统介绍 5
    131移动机器运动控制系统概 5
    132移动机器运动控制系统设计求 6
    14设计容 7
    第二章 移动机器结构设计 8
    21机器移动方式选择结构设计 8
    211移动方式选择 8
    212机器移动移动原理构想 9
    213机器轮子选择 9
    214机器腿部结构设计 11
    22机器体结构设计 13
    23零配件设计 14
    24机器装配 15
    第三章 移动机器移动原理 16
    31轮式移动原理 16
    32足式移动原理 16

    321四足机器衡判 17
    322四足机器静衡步态研究 17
    3221运动空间需求 19
    3222稳定裕度研究 20
    第四章 移动机器控制系统简单设计 22
    41移动机器控制系统关键技术 22
    42机器驱动系统 23
    421 AX12数字舵机概述特性 24
    422 AX12舵机通信协议 25
    43机器感知系统 26
    431部传感器 27
    432外部传感器 27
    44移动机器控制系统28
    45预计达控制求30
    总 结 33
    参考文献 34
    致 谢 36
    外文翻译 37








    移动机器结构设计
    Mobile robot structure design
    机械设计制造动化 2008级

    移动机器机器家族中重分支进步扩展机器应领域重研究发展方世纪九十年代广泛开展机器移动功研制开发适应种工作环境求开发出种移动机构中全方位轮实现高精确定位原调整姿态二维面意连续轨迹运动具般轮式移动机构法取代独特特性研究移动机器行走具重愈义
    文介绍技术较成熟麦克纳姆全方位轮运动原理结构分析四麦克纳姆轮全方位轮组成全移动机构运动协调原理 运轮腿复合式机器身机器移动力更强设计方面包括(1)
    移动方式选择(2)机器结构设计(3)机器移动原理分析(4)移动机器控制系统简单设计


    关键词 移动机器轮腿复合式四足

















    Abstract

    Mobile robot is not only an important branch in the robot families also a tendency toexpand the robot application domain further People have widely developed the mobilemechanism which can adaptdifferent kind of working conditions and request since 1990sand some kinds of mechanism were developed successfully Omnidirectional wheel is a mechanism which has unique feature the general be unable tosubstitute it can reach theposition in a high precision adjustposture in original place and move continuously and freelyn twodimensional surface It is important for the researching of robot walking freely
    This paper mainly introducing the technology is mature Mckenna omnidirectional motion principle of the structure and analysing omnidirectional wheel omnidirectional mobile mechanism motion coordination principle by the four MckennaAnd its application to wheel legged robot body that make the robot move ability strongerKey aspects of the design include (1)Mobile mode selection (2) the robot structure design (3) the robot moving principle analysis (4) to the mobile robot control system for a simple design


    Key words mobile robot Wheel legged type Quadruped










    第章 绪
    11选题背景意义
    着科学技术发展类研究活动领域已陆扩展海底空间利移动机器进行空间探测开发成21世纪世界科技发达国家开发空间资源手段研究发展月球探测移动机器技术包括移动机器相关前技术研究产生巨推动作
    移动机器种够通传感器感知外界环境身状态实现障碍物环境中面目标运动完成定作业功机器系统年移动机器工业农业医学航天类生活方面显示越越广泛应前景成国际机器学研究热点20世纪90年代研制高水环境信息传感器信息处理技术高适应性移动机器控制技术真实环境规划技术标志开展移动机器更高层次研究目前移动机器特机器已成机器技术中分活
    跃研究领域[1]
    课题着重研究移动机器结构设计控制系统设计知识限暂进行简单设计力求理设计出结构够较移动力越障力移动机器
    12移动机器移动机构研究概况
    早出现机器现涌现出形态异移动车移动机构形式层出穷美国俄罗斯法国日首西方发达国家研制出种复杂奇特三维移动机构已进入实化商业化阶段[2] [3]面21世纪深空探测挑战种系统研制必须移动机构种系统基关键环节
    已出现移动机器移动机构履带式腿式轮式中轮式效率高适应力相较差腿式适应力强效率低[4]
    履带式移动机构圆环状循环轨道卷绕干车轮外车轮直接面接触利履带缓面凹凸具良稳定性越障力较长寿命适合崎岖面行沉重履带繁驱动轮整体机构笨重消耗功率相较[5]
    腿式移动机构基模仿动物肢机构形态制成出色面适应力越野力机器专家广泛重视开发研制投入量时间精力取较成果移动方式腿式移动机器分两种动态行走机器静态行走机器根腿数量进行分类四腿移动机器六腿移动机器腿式机器然具较强越野力结构较复杂运动控制难度较移动速度较慢[6]
    轮式移动机构具运动速度快量利率高结构简单控制方便鉴已成熟汽车技术等优点越野性太强着种样车轮底盘出现日NASDA六轮柔性底盘月球漫游车LRTV俄罗斯TRANSMASH六轮三体柔性框架移动机器Marsokohod美国CMU六轮三体柔性机器Robby系列美国JPL六轮摇臂悬吊式行星漫游车Rocky系列已轮式机器越野力增加腿式机器相媲美机器机构研究重心转移轮式机构特日开发出种结构独特五点支撑悬吊结构Micros卓越越野力较腿式机器[68]
    轮式结构轮数量分分二轮机构三轮机构四轮机构六轮轮机构二轮移动机构结构非常简单静止低速时非常稳定三轮机构特点机构组成容易旋转中心连接两驱动轮直线实现零回转半径四轮机构运动特性基三轮机构相增加支撑轮运动更加稳种轮式移动机构特点轮子行驶程中固定面作调整面适力差般六轮机构提高移动机器面适应力结构作改进增加摇臂结构机器行驶程中轮子根形高低作调整提高移动机器越野力[9]
    13移动机器运动控制系统介绍
    131移动机器运动控制系统概
    机器体
    驱动器
    计算机软件控制软件
    移动机器运动控制系统机器系统执行机构系统精确完成项务起着重作时作简单控制器[10]构成机器运动控制系统素计算机硬件系统控制软件输入输出设备驱动器传感器系统间关系图11示[11]
    计算机硬件控制软件
    IO设备
    外部设备
    传感器
    机器体
    驱动器






    图11 机器控制系统构成素
    132移动机器运动控制系统设计求
    移动机器运动控制系统设计包括系统功体系结构设计功设计完成控制功算法软件设计体系结构设计功硬件实现[12]根面务环境移动机器运动控制系统设计目前机器运动控制系统存问题系统局限专微处理器专机器语言开放性差[13]软件结构赖微处理器硬件难系统间移植扩展性差[14]针足进行机器运动控制系统设计时应考虑求
    (1)开放式系统结构采开放式软件硬件结构根需方便扩充功适目科研需求[1516]
    (2)合理模块化设计硬件根系统求电气特性进行模块化设计仅方便安装维护提高系统性软件功分成模块便修改添加
    (3)实时性务求控制器必须确定时间完成外部中断处理务时进行[17]
    (4)网络通信功便资源享机器协
    (5)具定智根实际情况判断决策定速度突变合理范围外时处理障动诊断等[1]
    14设计容
    次设计准备针服务型移动机器工作环境较坦机器台阶越障力爬楼梯力定求次设计旨设计出服务型移动机器结构雏形够通改装成种服务型机器展厅讲解机器室扫机器等控制系统设计希进行研究设计容包括方面:
    (1)选择合理移动方式阐述移动原理
    (2)UG设计出符合求移动机器结构画出简单装配图
    (3)控制系统简单设计






    第二章 移动机器结构设计
    21机器移动方式选择结构设计
    211移动方式选择
    现流移动方式基轮式腿式履带式优点缺点现科学家越越追求综合性提高轮式移动机构具运动速度快量利率高结构简单控制方便鉴已成熟汽车技术等优点越野性太强腿式移动结构然越野力结构复杂效率低等缺点履带式沉重履带繁驱动轮整体机构笨重消耗功率相较
    针次设计环境环境势较坦需台阶楼梯等障碍物进行考虑算设计轮腿结合式移动方式坦道路利轮式结构效率高迅速等优点需台阶楼梯等方采腿式结构进行越障机器中含腿式结构需台阶爬楼梯采四腿结构然台阶算轮式结构满足求爬楼梯轮式结构行需腿式结构存生活中楼梯处见果机器较环境适应力楼梯必须克服决定选择四轮腿式结构基结构图21中间机器体里面机器控制系统驱动肢转动电机四肢末端轮胎机器条腿分肢肢中间关节肢绕转动




    图21机器基结构
    212机器移动原理构想
    环境较基属坦面移动方式轮式移动需台阶楼梯腿式结构腿式结构效率较低必须腿式结构时候样提高机器移动效率机器较越障力路移动原理213节讲述台阶爬楼梯原理基相说明爬楼梯移动原理构想
    首先机器机身安装传感器够感应前面障碍物楼梯然爬楼梯程准备爬楼梯时候首先轮子刹车系统启动轮子转动然爬楼梯程走楼梯样先轮流前脚等前脚站稳轮流脚
    213机器轮子选择
    现市面轮子标准轮脚轮麦克纳姆轮球形轮正交轮等决定选麦克纳姆轮方移动没球形轮难控制现麦克纳姆轮制作较成熟面麦克纳姆轮原理协调运动原理:
    图22单辊子运动原理:

    图22 麦克纳姆轮运动参量定义
    麦克纳姆外形斜齿轮轮齿够转动鼓形辊子辊子轴线轮轴线成α角度样特殊结构轮体具备三度:绕轮轴转动辊子轴线垂线方动绕辊子面接触点转动样驱动轮方具动驱动力时外方具移动(动移动)运动特性轮子圆周普通轮胎组成分布许滚筒滚筒轴线轮子圆周相切滚筒旋转电机驱动车轮旋转时车轮普通方式着垂直驱动轴方前进时车轮周边辊子着轴线旋转图22麦克纳姆轮结构运动参量
    全方位轮协调运动原理
    图23采全方位移动机构车轮组合情况轮中斜线表示触辊子轴线方全方位轮台直流电机独立驱动通四全方位轮转速转适组合实现机器面三度全方位移动4全方位轮组成机器底座力分析图中 轮子滚动时辊子受轴摩擦力 辊子做动滚动时受滚动摩擦力ω轮转动角速度

    图23 组合运动图 
    214机器腿部结构设计
    设计腿部分肢肢两部分肢连接着机器体肢肢连接着轮胎机器腿够满足运动求需肢机器体连接处设计关节腿部结构机器侧面面旋转360度图24示控制转动转动角度需肢肢关节处安装型电机留出空间安装电机线路
    图 24
    肢部分麦克纳姆轮进行全方位移动需加入关节需加入刹车系统保证时停车腿部功时发生滚动时肢轮胎连接处设计台安放电机驱动轮胎转动轮胎应电机样通改变轮胎转速控制方等复杂移动
    图25构想腿部简图图26图27构想肢肢UG3维结构图






    图 25
    肢:












    图 26

    图26示肢部分孔根轴轴体电机通联轴器相连控制肢绕体转动孔部分竖直孔通电线面两孔肢相连总长约70厘米宽度约16厘米
    肢:







    图27
    图27示肢肢样结构外加两旁边箱体结构部分较宽轮胎相连面箱体力啊装型电机通肢端两轴孔根轴相连控制肢绕肢转动箱体旁边端孔通电线面箱体存放控制轮胎电机右边安放齿轮空间通孔固定齿轮肢两竖直轴孔通电线肢总长约1米肢体宽度约20厘米
    22机器体结构设计
    体结构机器结构里面包括控制系统四驱动电机传感器传感器包括红外传感器压敏传感器声音传感器等充机器眼睛触觉听觉功结构箱体结构里面需放置电机系统硬件构想体结构图28示

    图 28
    图28中整体没加传感器装置外壳四箱体安放控制肢电机旁边孔通电线箱体中间安放控制系统电板整零配件安放方添加块板保护部元件设想机器基础体方添加功体长15米宽05米高03米
    23零配件设计
    肢肢连接轴图29

    图 29
    面螺纹图210六角螺母配合连接肢肢肢绕转动头通联轴器电机相连
    螺母图210

    图 210
    24机器装配
    机器装配图图211

    图 211
    图中留出电机轮子安装空间
    章结
    章机器结构零件进行设计加工没安装电机情况完成基装配图
    第三章 移动机器移动原理
    31轮式移动原理
    轮式移动原理麦克纳姆轮移动原理
    麦克纳姆轮瑞典麦克纳姆公司专利种全方位移动方式基许位机轮周边轮轴中心轮原理成角度周边轮轴部分机轮转力转化机轮法相力面机轮方速度力终合成求方产生合力矢量保证台终合力矢量方移动改变机轮身方轮缘斜分布着许棍子轮子横滑移滚子母线特殊轮子绕着固定轮心轴转动时滚子包络线圆柱面该轮够连续前滚动麦克纳姆轮结构紧凑运动灵活成功种全方位轮4种新型轮子进行组合更灵活方便实现全方位移动功
    原理213节进行讲解通轮子配合机器超方移动需转弯程
    32 足式移动原理
    场合光轮式移动满足求家公司楼层清扫工作轮式结构满足次扫层然需搬运楼层继续扫工作时候果机器够爬楼梯楼道进行扫样方便里需足式移动
    321四足机器衡判
    机器稳定行走通静衡步态动衡步态实现动衡步态保持ZMP点衡获较高行走速度受环境影响未知环境容易失稳静衡步态需机器重心衡低速行走越障爬楼梯时稳定性相较实性强假定机器右前腿编号腿1逆时针序次编腿2 3 4机器4足趾着点划分4象限图1示机器重心位象限1机器移动迈质心象限着腿(腿1腿2)迈腿3腿4否机器失稳机器种衡通常稳定裕度(stability margin)衡量四足机器静态稳定裕度等机器质心距离支撑二角形边界短距离质心位支撑二角形部时取值正质心落支撑二角形外部取值负该值越机器越稳定评价方便通常质心支撑边界前进方距离衡量图31中S表述量(前进方右)
    图31机器静态稳定判示意图
    322四足机器静衡步态研究
    静衡步态通常需时3条腿支撑(足底支撑面时)机器单足步态周期2事件抬腿落腿意时刻3条腿着条腿事件产生前条腿2事件发生完毕基单足两事件化四足机器静衡步态种类仅考虑迈腿次序组合计24种步态24种步态具迈腿次序步态周期时刻稳定裕度目迈腿次序应躯干重心调整量次数重心调整方式影响步态周期机器运动空间需求躯干调整陇调性直线前进例分析步态方面性四足机器特点作出理想化假设:
    (1)机器前行走时4条腿着两侧两条行线前进
    (2) 4条腿绝跨距Ψ相等
    (3)忽略机器迈腿程中腿移动引起机器重心位置改变
    (4)机器重量基称躯干前调整时似认机器重心前方移动
    (5)定义简单初始状态时机器侧两足间距离相等
    基述假设机器初始落足点仅图32示3种状态(前进方右)图中状态1认定状态3特例(L2 0)状态23落足点位置称仅分析状态3

    图32 机器初始位置
    3221运动空间需求


    图33机器采1234步态行走时运动示意图
    机器步态周期中维持静态衡需时调整重心重心调整方案导致4足落脚点机器类型步态前进时4足落点需求运动空间机器运动空间需求整步态周期中4条腿间相机器躯干运动空间种步态运动空间需求采迈腿次序图例分析法确定图33示迈腿序1234步态例进行分析机器前腿间前进方运动距离L1 + L2 + Ψ(Ψ跨距值出现图33第3图迈3腿示意图中)理23种步态运动空间击求种步态击运动空间量L1 + L2应3412 3421 4312 4321四种步态(4132步态特殊值max(L1 L2 + ΨL1+L2)
    3222稳定裕度研究
    机器行进程中稳定裕度越机器越稳定步态周期分步中试图获取更稳定裕度图3中机器迈1腿程该分步稳定裕度机器迈1腿前需通躯干调整重心O1移线段AB中点时机器稳定裕度

    机器迈2 3 4腿时通躯干调整实现稳定裕度分

    机器整步态周期稳定裕度

    理24种步态周期稳定裕度SmL14应步态14种10种步态稳定裕度Sm(L1Ψ)4[18]

    章结
    章研究机器路跨障原理分析出机器方案行

    第四章 移动机器控制系统简单设计
    次研究容机器结构设计学阶段没相关知识学机器控制系统做出设计仅仅参考设计机器控制系统想法
    41移动机器控制系统关键技术
    目前移动机器控制系统研究热点包括:
    (1}移动机器体系结构利分布式智结构提高移动机器实时性鲁棒性减移动机器体积重机器更加轻便灵活
    (2}控制系统中传感器技术移动机器传感器技术机器身部位置方信息外部环境信息检测处理获取真实效环境信息控制系统进行决策保证通常采传感器分部传感器外部传感器部传感器包括编码器线加速度计陀螺仪磁罗招等外部传感器包括视觉传感器超声波传感器红外传感器接触接传感器等
    (3)控制系统传感器信息融合技术传感器信息融合分布位置传感器提供局部环境完整信息加综合消传感器间存冗余矛盾降低确定性形成系统环境相完整致感知描述提高智系统决策规划快速性正确性时降低决策风险
    (4)控制系统开发技术重点研究开放式模块化控制系统移动机器控制器结构标准化网络式控制器成研究热点编程技术进步提高线编程操作性离线编程机界面更加友然语言化编程图形化编程进步推广研究重点
    (5)运动控制技术机器运动必须足够快受控安全避开静态动态障碍轨迹踪路径踪点镇定移动机器运动控制三基问题
    (6) 控制系统智化技术控制系统智特征包括知识理解纳推断反应问题求解等容涉领域包括图理解语音文字符号处理理解知识表达获取等方面智控制方法常神网络模糊控制方法前者伴着存储容量运算速度较高求移动机器高速高精度运动控制求存定差距模糊控制方法机器控制方面着较优势
    42 机器驱动系统
    目前爱机器运动控制中较常见直流电机步进电机舵机课题说控制速度电机作麦克纳姆轮需精确控制角度保持电机作腿部关节初步估计电机转速果直流电机转速力矩影响需配置减速器控制角度果步进电机需配置驱动器满足系统控制求考虑济性等准备采Dynamixel系列AX12舵机机器专伺服电机精确控制角度作关节角度控制通软件设置限旋转模式作车轮
    421 AX12数字舵机概述特性
    舵机种位置伺服驱动器适需角度断变化保持控制系统工作原理控制信号接收机通道进入信号调制芯片获直流偏置电压部基准电路产生周期20mS宽度15ms基准信号获直流偏置电压电位器电压较获电压差输出电压差正负输出电机驱动芯片决定电机正反转AX12舵机款智化模块化动力装置微处理器精确直流电机齿轮减速器位置传感器温度传感器具备通讯功控制芯片等组成部机械结构电路控制图41示


    图41 舵机部结构控制图
    AX12数字舵机作舵机时转角300度作电机时旋转应范围广采数字信号控制控制起更方便舵机拥唯ID号采网络驱动模式Daisy总线连接方式网状串连控制连接方便具体参数表41示
    AX12部配ATmega8微处理器接收控制器发送数包通相应处理伺服电机发送PWM信号控制电机起停控制舵机实际控制ATmega8舵机状态参数存储ATmega8RAMEEPROM相应址里舵机进行控制舵机相应址读写数程具体写舵机通信协议什呢面介绍舵机通信协议
    表41 舵机具体参数
    项目
    参数
    项目
    参数
    重量
    55g
    位移角度
    0300° 限旋转
    减速
    1254
    角度
    035°
    工作电压
    7VDC12VDC
    通讯
    半双工异步串行通信
    工作温度
    585摄氏度
    波特率
    7343bps1Mbps
    电流
    900mA
    指令包
    数字信号
    输入电压
    7V 10V
    物理连接
    TTL通道(daisy总线)
    扭矩
    12(Kgf•cm) 165(Kgf•cm)
    材料
    工程塑料
    转速
    0269(秒60°) 0196(秒60°)
    反馈
    位置温度负载电压等

    422 AX12舵机通信协议
    AX12数字舵机般RC伺服电机(舵机)PWM控制控制信号数字信号控制器舵机采TTLDaisy总线连接方式半双工异步串行通讯协议((8位数位1位终止位奇偶校验位)控制器通发送接受数包形式控制舵机两种数包指令包控制器发舵机指令状态包舵机返回控器果控器IDN舵机发送指令包该ID舵机会反馈相应状态执行需
    动作控制原理图图42示

    图42舵机控制原理图
    43 机器感知系统
    环境感知力移动机器移动外基种力感知力高低直接决定机器智性}fU感知力感知系统决定感知系统机器环境实现交互重IO工具机器获取信息窗口移动机器已知未知环境中面目标运动完成定作业功够通传感器感知外部环境信息身状态
    移动机器传感器分部外部两类传感器部传感器检测机器身状态完成机器运动必须传感器位置速度传感器等构成机器缺少基原件外部传感器检测机器处环境状况传感器取决机器完成务视觉传感器超声波传感器红外传感器声音传感器等机器传感器采集种信息然采取适方法传感器获取环境信息加综合处理控制机器进行智作业[19]
    设计中采AX12舵机中带位置速度温度供电电压扭矩等部传感器外采AXS1传感器模块作外部传感器值提AXS 1通信协议控制方式AX12样需daisy总线串连起控制重复介绍
    431 部传感器
    AX12舵机置位置速度传感器检测电机旋转速度舵机旋转角度部温度供电电压扭矩等传感器检测舵机部状态AX12舵机部温度扭矩供电电压等超额定范围时动反馈种情况外会闪动LED灯关闭舵机扭矩保护
    432 外部传感器
    Dynamixel系列AX12传感模块说麻雀五脏俱全包含红外距离传感器红外遥控器声音探测传感器光度探测传感器温度探测传感器具蜂鸣器功具体参数表42
    面详细介绍课题中传感器
    (1)红外距离传感器
    红外距离传感器红外线介质利红外线反射原理障碍物距离进行探测具红外信号发射接收发射发射特定频率红外信号接收接收种频率红外信号红外检测方遇障碍物时红外信号反射回接收接收处理处理检测障碍物远
    红外传感器优点受见光影响白天黑夜均测量角度
    灵敏度高结构简单价格较便宜快速感知障碍物存
    (2)声音探测传感器
    听觉传感器机器种必须外传感器声源通空气振动产生声波转化电信号设备AXS 13 800Hz频率检测声音检测声音检测声音次数存放相应寄存器址中防止次掌声误认次掌声传感器检测次声音接800ms检测
    表42 AX12具体参数
    项目
    参数
    项目
    参数
    重量
    37g
    协议类型
    半双工异步通信
    分辨率
    10bit
    物理连接
    TTL通道(daisy总线)
    工作电压
    7VDC12VDC
    波特率
    7343bps1Mbps
    供应电流
    40mA
    材料
    工程塑料
    工作温度
    585摄氏度
    反馈
    红外距离声音探测光度探测温度探测等传感器红外遥控器蜂鸣器等
    指令包
    数字信号
    44 移动机器控制系统
    移动机器控制系统务根移动机器完成功传感器反馈回信号支配机器执行机构完成机器工作目标控制系统机器达功机器体结构机器控制方式决定
    机器控制系统般满足基求
    (1)制系统型化轻型化标准化模块化机器控制系统放置机器体方便安装连接求控制系统型化日寸求控制系统做轻型化样减轻机器负载减少系统功耗外系统口常维护目_具良扩展性系统标准化模块化
    (2)良性干扰信号会影响机器正常工作考虑软硬件务分配选择接隔离屏蔽工艺性等方面素
    (3)系统稳定性稳定性控制系统基求机器运动中首基问题实现稳定行走
    根移动机器控制系统设计求结合机器系统功特点模块化设计思想提出机器控制系统总体设计方案图示

    图43 控制系统总体方案
    控制系统总体设计方案
    该方案ATmega128芯片核心分模块化设计子模块功
    (1)微处理器模块控制系统核心包括微控制器相关外围电路进行种信息数处理协调系统中功模块完成预定务
    (2)驱动模块控制机器系统中舵机传感器模块预定务实现舵机速度位置控制完成前进退直行转弯避障抓取等动作
    (3)传感器模块速度位置距离声音等传感器负责移动机器移动程中障碍物声音等检测
    (4)电源模块负责整移动机器电源供系统离线运动12V蓄电池相关调压稳压电路组成
    (5)串口通信模块根RS232通信标准位机进行串口通信
    (6)JTAG调试实现线编程调试仿真
    控制系统总体方案确定进行系统硬件电路设计软件程序设计[20]
    45 预计达控制求
    机器腿部三驱动电机分控制肢转动肢绕肢转动轮胎转动机器轮腿结合足式移动时需轮胎刹住转动时AX12舵机控制角度腿部转动完全受控制会受重力惯性影响
    机器长达2米样子高达13米左右轮式移动时根环境条件控制机器高度长度进行移动台阶楼梯采足式移动台阶首先机器重心稍偏低然先抬起前脚台阶等站稳前脚前走短距离里通红外感应测距决定前进少开始抬起脚台阶脚台阶楼梯程差楼梯宽度轮胎没完前脚前走步接着脚然楼梯时机器角度握防止机器摔楼梯爬楼梯程图应图44图45示:

    图44机器协调步态爬越楼梯

    图45机器楼梯爬越实验[18]
    避障选择路线想法样机器系统通传感器测量周围环境环境建立三维模型然通环境分析选择路线然少距离重新环境建模时更新环境模型选择路线动作前久模型时进行考虑样够完成务现知识觉难机器系统做脑样进行思考难做出完全符合求机器做出完成某项务机器觉行断方面进行研究期做出更力机器
    章结
    章机器控制系统进行简单研究确定基硬件机器移动猜想程序编辑测试现知识法短时间完成希方面进行深入研究









    总结
    设计阅读关移动机器文献资料设计出种轮腿结合式移动机器较越障力设计完成容:
    (1) 根想法资料研究选择四足轮腿式移动方式移动原理进行分析
    (2) 成熟想法设计种机器结构完成零件3维图形3维装配图
    (3) 机器控制系统进行简单设计里面诸问题没解决
    移动方式选择首先选择麦克纳姆轮麦克纳姆轮工艺已较成熟全方位移动然原理进行阐述接着机器结构设计首先设计重腿部结构然体部分程运UG75完成电机类型进行选择终选择舵机优秀功控制系统设计中身知识匮乏查阅许资料终简单设计控制系统框架没部指令等进行编辑希够学方面知识




    参考文献
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    [20] 洪草根基ASR单片机移动机器控制系统设计 保定 华北电力学 2011
    致 谢
    首先感谢彭老师次机会做设计彭老师知识追求孜孜倦精益求精治学态度留深刻印象学学期间受益匪浅
    感谢机械系老师学期间学工作方面关心帮助悉心指导微关怀终身难忘
     感谢学直家努力进步遇困难互相帮助互相勉励齐前进
    感谢帮助结识起成着生
    特感谢父母感谢直操劳感谢直关心鼓励










    外文翻译:
    Autonomous robot obstacle avoidance using a fuzzy logic control scheme
    William Martin
    Submitted on December 4 2009
    CS311 Final Project
    1 INTRODUCTION
    One of the considerable hurdles to overcome when trying to describe a realworld control scheme with firstorder logic is the strong ambiguity found in both semantics and evaluations Although one option is to utilize probability theory in order to come up with a more realistic model this still relies on obtaining information about an agent's environment with some amount of precision However fuzzy logic allows an agent to exploit inexactness in its collected data by allowing for a level of tolerance This can be especially important when high precision or accuracy in a measurement is quite costly For example ultrasonic and infrared range sensors allow for fast and cost effective distance measurements with varying uncertainty The proposed applications for fuzzy logic range from controlling robotic hands with six degrees of freedom1 to filtering noise from a digital signal2 Due to its easy implementation fuzzy logic control has been popular for industrial applications when advanced differential equations become either computationally expensive or offer no known solution This project is an attempt to take advantage of these fuzzy logic simplifications in order to implement simple obstacle avoidance for a mobile robot
    2 PHYSICAL ROBOT IMPLEMENTATION
    21 Chassis and sensors
    The robotic vehicle's chassis was constructed from an Excalibur EIMSD2003 remote control toy tank The device was stripped of all electronics gears and extraneous parts in order to work with just the empty case and two DC motors for the tank treads However this left a somewhat uneven surface to work on so highdensity polyethylene (HDPE) rods were used to fill in empty spaces Since HDPE has a rather low surface energy which is not ideal for bonding with other materials a propane torch was used to raise surface temperature and improve bonding with an epoxy adhesive
    Three Sharp GP2D12 infrared sensors which have a range of 10 to 80 cm were used for distance measurements In order to mount these appropriately a 25 by 15 cm piece of aluminum was bent into three even pieces at 135 degree angles This allows for the IR sensors to take three different measurements at 45 degree angles (right middle and left distances) This sensor mount was then attached to an HDPE rod with mounting tape and the rod was glued to the tank base with epoxy Since the minimum distance that can be reliably measured with these sensors is 10 cm the sensors were placed about 9 cm from the front of the vehicle This allowed measurements to be taken very close to the front of the robot
    22 Electronics
    In order to control the speed of each motor pulsewidth modulation (PWM) was used to drive two L2722 op amps in open loop mode (Fig 1) The high input resistance of these ICs allow for the motors to be powered with very little power draw from the PWM circuitry In order to isolate the motor's power supply from the rest of the electronics a 96 V NiCad battery was used separately from a standard 9 V that demand on the op amps led to a small amount of overheating during continuous operation This was remedied by adding small heat sinks and a fan to the forcibly disperse heat


    Fig 1 The control circuit used for driving each DC motor Note that the PWM signal was between 0 and 5 V
    23 Microcontroller
    Computation was handled by an Arduino Duemilanove board with an ATmega328 microcontroller The board has low power requirements and modifications In addition it has a large number of prototyping of the control circuit and based on the Wiring language This board provided an easy and lowcost platform to build the robot around
    3 FUZZY CONTROL SCHEME FOR
    In order to apply fuzzy logic to the robot to interpret measured distances While the final algorithm depended critically on the geometry of the robot itself and how it operates some basic guidelines were followed Similar research projects provided both simulation results and ideas for implementing fuzzy control345
    31 Membership functions
    Three sets of membership functions were created to express degrees of membership for distances translational speeds and rotational speeds This made for a total of two input membership functions and eight output membership functions (Fig 2) Triangle and trapezoidal functions were used exclusively since they are quick to compute and easy to modify Keeping computation time to a minimum was essential so that many sets of data could be analyzed every second (approximately one every 40 milliseconds) The distance membership functions allowed the distances from the IR sensors to be quickly fuzzified while the eight speed membership functions converted fuzzy values back into crisp values
    32Rule base
    Once the input data was fuzzified the eight defined fuzzy logic rules (Table I) were executed in order to assign fuzzy values for translational speed and rotation This resulted in multiple values for the each of the fuzzy output components It was then necessary to take the maximum of these values as the fuzzy value for each component Finally these fuzzy output values were defuzzified using the maxproduct technique and the result was used to update each of the motor speeds


    (a)

    (b)

    (c)

    Fig 2 The membership functions used for (a) distance (b) translation speed and (c) rotational speed These functions were adapted from similar work done in reference 3

    4 RESULTS
    The fuzzy control scheme allowed for the robot to quickly respond to obstacles it could detect in its environment This allowed it to follow walls and bend around corners decently without hitting any obstacles However since the IR sensors' measurements depended on the geometry of surrounding objects there were times when the robot could not detect obstacles For example when the IR beam hit a surface with oblique incidence it would reflect away from the sensor and not register as an object In addition the limited number of rules used may have limited the dynamics of the robot's responses Some articles suggest as many as forty rules6 should be used while others tend to present between ten and twenty Since this project did not explore complex kinematics or computational simulations of the robot it is difficult to determine
    exactly how many rules should be used However for the purposes of testing fuzzy logic as a navigational aide the eight rules were sufficient Despite the many problems that IR and similar ultrasonic sensors have with reliably obtaining distances the robustness of fuzzy logic was frequently able to prevent the robot from running into obstacles
    5 CONCLUSION
    There are several easy improvements that could be made to future iterations of this project in order to improve the robot's performance The most dramatic would be to implement the IR or ultrasonic sensors on a servo so that they could each scan a full 180 degrees However this type of overhaul may undermine some of fuzzy logic's helpful simplicity Another helpful tactic would be to use a few types of sensors so that data could be taken at multiple ranges The IR sensors used in this experiment had a minimum distance of 10 cm so anything in front of this could not be reliably detected Similarly the sensors had a maximum distance of 80 cm so it was difficult to react to objects far away Ultrasonic sensors do offer significantly increased ranges at a slightly increased cost and response time Lastly defining more membership functions could help improve the rule base by creating more fine tuned responses However this would again increase the complexity of the system
    Thus this project has successfully implemented a simple fuzzy control scheme for adjusting the heading and speed of a mobile robot While it is difficult to determine whether this is a worthwhile application without heavily researching other methods it is quite apparent that fuzzy logic affords a certain level of simplicity in the design of a system Furthermore it is a novel approach to dealing with high levels of uncertainty in realworld environments
    6 REFERENCES
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    2 Ibid 232261
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    6 W L Xu S K Tso and Y H Fung Fuzzy reactive control of a mobile robot incorporating a realvirtual target switching strategy Robotics and Autonomous Systems 23(3) 171186 (1998)

    采模糊逻辑控制1机器避障设计
    William Martin 威廉马丁
    Submitted on December 4 2009 提交2009年12月4日
    CS311 Final Project CS311 终设计
    1INTRODUC引言
    中障碍需克服试图控制逻辑阶描述真实世界设计发现两语义evaluations评价中control scheme with firstorder logic is the strong ambiguity found in both semantics and设计设计设计强模糊区Although one option is to utilize probability theory in order to come up with a mo然方案利概率便更realistic model this still relies on obtaining information about an agent's environment with some现实模型种获信息方法精度然赖外部环境amount of precision然收集data by allowing for a level of tolerance数公差允许范围模糊逻辑允许利精确间接方法实现需高精度or accuracy in a measurement is quite costly测量时相昂贵例超声波红外线传感器距离allow for fast and cost effective distance measurements with varying uncertaint允许快速效测量测量结果存确定性模糊逻辑控制应范围利六度[1]控制机器手臂数字信号[2]中滤噪音2Due to its easy implementation fuzzy logic control has易实现模糊逻辑控制been popular for industrial applications when advanced differential equations become either直流行工业应中尤高级微分方程computationally expensive or offer no known solution计算复杂难解决时项目企图利advantage of these fuzzy logic simplifications in order to implement simple obstacle avoidance简化模糊逻辑实现移动机器简单避障
    2机器具体实现
    21 底盘传感器
    机器汽车底盘Excalibur MSD2003远程控制玩具坦克构成该装置电子齿轮余部分留空架两带动坦克履带直流电动机然表面滑高密度聚乙烯(HDPE)棒填补空白处高密度聚乙烯具较低表面材料粘接时理想丙烷棒环氧粘合剂提高表面温度提高易焊接力
    三夏普GP2D12红外传感器测量距离测量范围1080厘米分更安装块25*15厘米铝弯曲成3135度角块户红外传感器采取三种(右中左)测量距离分45度角种传感器通安装带高密度聚乙烯棒安装坦克底部测量距离10厘米传感器放置距离车前面约9厘米处测量点非常接机器前面
    22 电子器件
    控制电机速度脉宽度调制(PWM)驱动两L2722运算放器工作开环模式(图1)IC高输入电阻马达供电PWM电路中非常功率电机供电器件供电相分开专门96 V镍镉电池电机供电余电子器件标准9伏电源供电样运算放器持续工作时产生少热部分热通热槽散热风扇保持衡

    图1控制电路驱动直流电动机
    注:PWM信号电压 between 0 and 5 V05V间

    23 微控制器
    计算Arduino Duemilanove板ATmega328微控制器完成该电路板具低功耗支持原始PWM信号特点外适应快速变化输入端Arduino编程语言具C语言形式电路板提供简易低成机器开发电路
    3避障模糊控制方案
    模糊逻辑应机器运作开发诠释测量距离设计然终算法程度取决该机器身运作遵循基准类似研究项目提供模拟结果模糊控制执行方法[35]
    31 附属功
    引出三种附属功分测量距离移速度旋转速度2输入隶属函数8输出隶属函数(图2)组成三角形梯形函数专计算速度快易修改保持计算时间低限度必便组数秒(约40毫秒)分析距离隶属函数距离红外传感器距离信息迅速模糊化8速模糊值函数转换回准确数值
    32 基规
    旦输入数模糊化模糊逻辑定义8规(表)执行便模糊值分配移速度旋转速度导致组件模糊输出值必采组件值作模糊值通输出技术模糊输出值解模糊结果更新马达速度
    ()

    (二)

    (三)
    (c)
    图2
    图2附属函数分测量()距离(二)翻译速度(三)转动速度函数参考文献3类似容中鉴
    表1 控制模糊逻辑规库

    左边
    中间
    右边
    速度
    旋转
    1




    右转
    2


    远离
    中等
    右转
    3

    远离



    4

    远离
    远离

    右转
    5
    远离


    中等
    左转
    6
    远离

    远离

    右转
    7
    远离
    远离


    左转
    8
    远离
    远离
    远离


    4结果
    该设计模糊控制机器够迅速回应检测障碍着墙壁角落行动会撞击障碍物然红外传感器尺寸取决周围物体形状时候机器法检测障碍物例红外线光束击中面倾斜处事反映出远离传感器认障碍象外限数量规限制机器反应文章建议达40条规应加倾1020条间[6]该项目探索复杂机器运动学模拟计算难确定底少规应该作模糊逻辑宗旨测试导航助手八规足够许相似问题IR超声波传感器距离获取途径鲁棒性模糊逻辑通常够防止机器跑障碍物
    5 结
    简单改进方法鉴未迭代项目中提高机器性引注目实现红外线超声波传感器伺服够次扫描完整180度然种类型改革会破坏模糊逻辑简化策略传感器数获取元化该红外传感器设计中测量距离10厘米障碍前面法检测样测量距离80厘米传感器远处物体难作出反应超声波传感器稍微增加成反应时间时效增测量范围定义更附属函数改善机器反应力样做次增加系统复杂性
    简单模糊控制机器移动方移动速度方案通设计成功实现没量方法研究时难确定否值方法明显模糊逻辑系统设计提供种某层面简单化研究方法外处理环境中种实际确定性新方法
    6
    参考文献
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    文***享

    贡献于2021-03-02

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