履带式多功能移动工作台设计 毕业设计Word文件下载.docx
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1.2研究意义和目的1
1.3国内外发展现状2
1.4课题背景来源6
1.5论文组织结构和主要解决问题6
第2章移动工作台总体设计7
2.1平台的移动方式选择7
2.2驱动系统选择9
2.3底盘选择10
2.4传动机构选择11
2.5小结11
第3章移动平台机械设计12
3.1地盘箱体设计12
3.2支架设计13
3.3履带选择及优化13
3.4轮系设计14
3.4.1主动轮设计14
3.4.2从动轮设计15
3.5小结16
第4章总结17
参考文献18
致谢19
第1章绪论
1.1引言
机器人是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器人来代替人的繁重工作从而发明了各种各样的机器，而机器发展的最高形式必然是机器人。
而具有智能特性的自主式移动机器人以其在工业、农业、国防、医疗、服务等行业中的广泛应用，成为了当前机器人研究领域的热点。
移动机器人的研究涉及很多方面。
首先，要考虑机器人的移动方式，可以是轮式、履带式、腿式、爬行式，对于水下作业的机器人则指的是推进器需要根据机器人要实现的不同功用和所处的各种环境选择合适的移动方式。
其次，必须考虑机器人驱动器的控制，以使机器人实现行进、转向、爬坡、越障等预期功能。
第三，必须考虑机器人的导航或路径规划，对于后者还要考虑传感融合、特征提取、避障及环境映射等。
因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能与一体的综合系统。
随着智能移动机器人的应用领域不断扩大，机器人要完成的任务也越来越复杂。
尽管对智能移动机器人的研究已经取得令人鼓舞的可喜成果，但随着机器人研究的不断深入，智能移动机器人研究领域还存在许多的挑战性课题有待我们解决。
1.2研究意义和目的
移动机器人技术的研究属于多学科相互交叉，相互渗透的前沿课题，对它的研究具有很大的理论价值和广阔的应用前景。
在工业机器人问世40多年后的今天，机器人己被人们看作为一种生产工具，同时随着科学技术的迅速发展和人们生活水平的提高，机器人的功能己不再是只能从事某项简单的操作，而是可以承担多种任务;
机器人的工作环境也不再是固定在工厂和车间现场，而是开始走向海洋、太空和户外，有些甚至已经进入医院、家庭和娱乐场所。
具有智能特性的自主式移动机器人正在向非制造业方向扩展，这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、办公自动化和灾害救护等，如飞行机器人、海难救援机器人、化肥和农药喷撒空中机器人、护理机器人等。
智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器人，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果。
智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域占有广泛、重要的位置，对人类开辟新的产业，提高生产与生活水平具有十分现实的意义。
移动机器人是智能机器人中智能最高的机器人，它可以在动态坏境中无须人工干预便自主完成从起点到终点的行驶任务。
近十年来，移动机器人的研究十分活跃，其得到快速开发的原因主要有两个方面：
其一，移动机器人有广泛的应用范围，包括制造系统、服务行业、国防、航天及其它社会应用方面。
其最成功的应用是作为自动化生产系统中的物料搬运装置，用以完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件传送，以及机床与工具库间的工具传送。
由于移动机器人运动灵活，因而大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。
星际探索和海洋开发也是促使移动机器人发展的重要因素。
早在六十年代，美国MIT就开始研究火星探索用移动机器人，以便在火星上软着陆后进行移动收集数据。
海洋开发方面，移动机器人的作用是资源调查、石油矿藏开采、沉船打捞等。
现在，移动机器人的研究开发除上述应用外，还涉及许多其它应用领域。
如在采矿业中进行隧道的掘进和矿藏的开采，在医疗中对病人进行护理，在农业中实施化肥和农药的喷洒，在军事上用于探测侦察、爆炸物处理，特别是在一些具有危险性的操作中，例如，核电厂的废料搬运、有毒的化工场地作业。
最近几年，移动机器人技术也应用到了智能交通系统中。
其二，与任何一门现代技术分支一样，移动机器人研究的兴起一方面是社会生产发展的需要，另一方面也是相关技术领域交叉发展的结果。
其中一个最直接的因素是计算机技术的发展。
计算机信息处理、存储能力的大幅提高，为移动机器人运行更复杂的实时控制算法创造了条件。
另外计算机科学出现了一系列诸如人工智能、专家系统等新兴技术分支学科，这些学科为移动机器人未知或动态环境的实时导航开辟了道路。
移动机器人技术已成为众多高新技术的产物，同时也为其它技术的发展提供了丰富的研究素材和应用场所。
从阿波罗登月计划中的月球车到美国NASA行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人和智能服务机器人，都有力地显示出移动机器人正在成为智能机器人发展的方向。
不同于传统的机器人手臂，移动机器人具有其特殊的机构模型和应用性，是一个集多种功能于一体的综合系统。
移动机器人的研究提出了许多新颖的、挑战性的理论与工程技术课题，引起了越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣。
智能移动机器人的发展极大的扩展了人类对周围环境空间的认识范围，也为机器人技术与人工智能的发展提供了一个极好的研究平台。
智能移动机器人正在走进我们的日常工作和生活。
1.3国内外发展现状
国外在移动机器人方面的研究起步较早，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而导致室外移动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。
图1-1金字塔漫游者
图1-2火星探测漫游者——“勇气号”
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。
例如2002年IRobot研制的金字塔探测机器人—“金字塔漫游者”，身长30厘米，宽12厘米，高度可在9至28厘米之间调节。
机器人身带5件法宝:
超声波传感器、地面探测雷达系统、力度测量仪、高分辨率光纤镜头和导电传感器，具备世界上最小的地面探测雷达系统，可以穿透厚超过90厘米的混凝土。
美国在2003年发射的两辆火星探测车“勇气”号和“机遇”号分别于2004年l月3号和24号在火星的不同区域安全着陆，并完成了90个火星日的科研工作。
拿“勇气”号探测车来说，就是一个具有手臂的移动机器人。
他的大脑是一台高速计算机，车体靠自身具有的六个轮了在火星地面运动，视觉系统采用一对全景照相机来拍摄火星表面和天空的全景试图，也用于形成着陆点附近的地形图、搜索感兴趣的岩石和土壤，来完成寻找火星远古时期存在液态水的证据的工作;
另外分别于车体前端和后端安装了两组相同的避危摄像机，由一组立体影像的黑白摄影机所构成的，所拍摄的影像除了用于障碍物侦测之外还用于探测车的路径规划上。
最先进的要数探测车上的机械手臂，手臂末端装备了各种工具，有显微镜成像仪、三种质谱仪和两种分光计，一套岩石研磨和样本采集土具以及三个磁铁阵列，所有设备主要是用来寻找火星上是否曾经有液态水的证据。
西班牙罗斯·
罗卡公司研制的“罗德”轮式机器人。
该机器人可用于清理雷场和处理炸药等危险物品。
如图1.3所示，该车长1.4m、宽0.67m、高0.8m、重350kg、（6X6）驱动、动力装置为1台电动机，车上供电蓄电池可使用2h，车速（前进或后退）可在0-6.5km/h之间连续变化。
车上装有活动操作臂，有6个自由度，固定在机器人车的旋转塔上。
操作臂不伸长时可吊重80kg，伸直时最长为1.5m，此时可吊重16kg。
操作臂顶端装有夹爪，夹紧力可达30kg，能把物体提升至2.75m高。
该车采用100m（或250m）长的电缆或无线电装置进行遥控。
操作手完成整个操作过程必须借助1台黑白或彩色电视显示器，显示车上3个摄像机获得的监视驾驶、操作臂控制和夹爪操作的图像。
车上装有两个卤气探照灯，可在夜间或能见度很低的地区使用。
图1-3“罗德”轮式机器人
除室外移动机器人外，世界各国在遥控移动机器人、高完整性机器人、生态机器人学（生物机器人学）、多机器人系统、环境与移动机器人系统的集成等方面都作了大量的研究。
国内对移动机器人的研究起步虽然较晚，但经过近几十年的发展也取得了很大进步，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。
国内的移动机器人研究主要经历了算法的研究和仿真、国外机器人平台的引进和自主开发三个阶段。
下面是国内的主要研究成果。
“九五”期间由浙江大学、南京理工大学、国防科大、清华大学、北京理工大学联合研制了ALVLABH型陆地移动机器人，并成功完成了全部实验测试，正常行驶速度为30.6km/h，同时支持临场感遥控驾驶及战场侦察等功能。
清华V型智能车THMR一V是清华大学智能技术与系统国家重点实验室在中科院院士张钱教授主持下研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994年通过鉴定。
车体采用道奇7座厢式车改装，装备有彩色摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统；
由差分GPS、磁罗盘和光电码盘组成的组合定位导航系统等。
两套计算机系统分别进行视觉处理，完成信息、融合、路径规划、行为与决策控制等功能。
4台IPC工控机分别完成激光测距信息、处理、定位信息处理、通讯管理、驾驶控制等功能。
设计行驶于高速公路车速为80km/h，一般道路为20km/h。
目前已能够在校园的非结构化环境下，进行道路跟踪和避障碍自主行驶。
清华大学智能车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，基于传感器信息、的局部路径规划技术，路径规划的仿真技术，传感技术、信息融合技术和智能移动机器人的设计和实现。
DY一I型导游服务机器人是海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司推出的新一代智能导游机器人，该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息、避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成。
导游机器人由蓄电池供电，可连续运行4h，在一定环境下可自主行走，并可进行避障，并通过语启‘系统可以进行人机交互。
此外还有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、中科院沈阳自动化所研发了具有自主产权的激光导引AGV和用于公安防暴的“灵晰一B”型移动机器人、中国科学院自动化所自行设计制造的全方位移动机器人导航系统等。
图1-4中国“灵晰—B”型排爆机器人
1.4课题背景来源
本课题源于实际工程项目“多功能移动机器人”，结合当前机器人技术的发展，设计出一种能搭载有多种特殊装置的移动机器人平台。
可搭载侦察、探测、机械臂和轻武器等子系统，用来执行部分消防、防暴、侦察、探测、灭火等危险作业，并争取通过几个阶段的设计与试制掌握地面移动平台的机械设计、控制系统、软件等全方面的技术。
本课题正是在此背景下设计了履带式多功能移动工作台。
1.5论文组织结构和主要解决问题
论文以实际工程为背景，结合多功能移动工作台的研究设计过程中的实际问题，进行分析。
第一章介绍了课题的研究意义和目的，并简述了国内外移动机器人的发展现状。
第二章对多功能移动工作台进行研究，并在对各种类型装置研究的基础上，确定多功能移动工作台机构的结构原理模型。
第三章对多功能移动工作台进行机械结构设计。
第四章总结
第2章移动工作台总体设计
2.1平台的移动方式选择
移动平台是移动机器人的基础，机器人的各种传感器、控制器、驱动器以及搭载平台都需要以移动平台为载体。
作为载体，多功能移动机器人首要功能便是移动，因此确定其行走机构很重要。
机器人的移动方式多种多样，主要的移动机构有：
轮式、履带式、腿式以及各种复合式结构。
轮式移动机器人具有结构简单、控制方便、速度快、运动灵活和能耗低等优点。
美国的“阿波罗”15、16、17号和前苏联的“月球”17、21号探测器探月过程中所使用的月球探测车均是轮式移动机构。
但是，轮式移动机构只适用于相对平坦的地形，对于跨越像沟壑、台阶、楼梯等障碍则不够灵活，越障能力差。
腿式移动机器人在其机动性和能效方面都优于轮式移动机器人，因腿式移动机构的落足点是几个离散的位置点，所以它可以跨过较大的障碍，还可以通过软松地面。
另外，腿式移动机构可以自主隔振，可以保证传感器和科学设备沿平滑预定的轨迹运动。
但是，腿式移动机器人通常具有复杂的机械结构并且控制复杂，要想实现稳定高速的行走，还有诸多难题需要解决。
履带式移动机器人适合在未加工的天然路面上行走，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。
履带式移动机构和轮式、腿式移动机构相比，具有如下特点:
1）支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动
阻力小，通过性能较好；
2）越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机构；
3）履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力；
4）结构复杂，重量大，运动惯性大，减震性能差，零件易损坏。
目前，还出现一些复合式结构的移动机器人，如轮履复合式、轮履腿复合式、
腿轮复合式等，这些结构结合了各种移动方式的优点，能够满足机器人的不同需求。
图2.1履带式移动平台机构图
将履带式结构应用于小型地面移动机器人这一领域，是目前移动机器人，尤其是武装、排爆、特殊地形使用的移动机器人发展的主流方向之一。
履带式移动平台的驱动轮分布主要有后轮驱动和前轮驱动两种。
履带两端的导向轮哪一个用来驱动更为合适与履带机构的形状有关。
图2.2常见履带形状
对于图2-2（b）中的履带机构，前轮或后轮驱动均可。
如图2-2（a）的履带机构，以驱动在后方比较有利，这时履带上的分支受力较小，导向轮受力也较小，履带承载分支处于微张紧状态，运行阻力较小，如图2-3（b）。
反之前轮驱动时，履带上分支及导向轮承载最大载荷，履带承载分支部分长度处于压缩弯折状态，运行阻力较大，如图2-3（a）。
图2-3前后轮驱动比较
多功能特殊移动机器人将后轮作为驱动轮，前轮作为导向轮。
这样机器人一前导轮受力较小，底部的履带处于微张状态，运行的阻力较小，此外在遇到障碍物时，此设计更有利于机器人爬越障碍物。
移动机器人使用两台电机分别对两个后轮进行驱动，通过控制电机的转速实现移动机器人的差速转向。
这样可以实现机器人的快速转向和原地零半径回转。
图2-4移动平台总体布局简图
综上所述，多功能特殊移动机器人采用履带式移动机构，便于在野外非结构化环境中作业，差动式的转向机制使得机器人转向灵活、快速。
整体结构设计赋有创新思想，车体前进与后退运动方式一样，这样使得控制一致、方便，适应能力增强，机动转弯能力强。
2.2驱动系统选择
驱动系统是整个工作台的动力来源，选择最佳的驱动系统是设计工作台的关键。
现今的驱动方式主要有气动驱动、液压驱动和电动驱动三种。
气动驱动系统以压缩空气为动力源，具有起源方便，系统结构简单，运动快速灵活，不污染环境，以及维修方便、价格便宜，适合在恶劣环境下工作的特点。
但是由于气体具有可压缩性，气动驱动系统的平稳性差，高速是要设缓冲或制动装置，低速时不易控制，速度、位置控制难以达到精确值，一般不能用于伺服系统。
液压驱动系统是较早被采用的驱动方式，它具有重量轻、惯量小、传动平稳、控制环节简单等特点。
但是液压驱动系统的液压油容易泄漏，影响工作性能和污染环境，它需要单独的油源，所占空间较大，主要适用于中大型机械。
电动驱动系统具有传动平稳、灵活、速度快、控制简单精确、无污染、效率高、结构简单、无管路系统、维护方便等特点。
采用电机驱动是现代机器的技术发展趋势之一，负荷1000N以内的中小型机器，现以绝大部分采用了电动驱动系统。
在参考了国内外大量移动工作台实例后，多功能移动平台采用电动驱动方式进行驱动，并将蓄电池作为电动机的动力源。
在确定了驱动方式后，需要选择合适的电动机。
电动机的性能直接决定着驱动系统的性能，它的选择成为设计多功能特殊移动机器人驱动系统的基础。
电动机按照工作电源分类可分为交流电机（AC）和直流电机（DC）两种。
交流电机（AC）具有结构简单、造价便宜、维护方便等优点，一些工业机器人就使用交流供电，但是交流电机控制特性较差，要实现无级调速必须做到频率无级调节，虽然在现代控制理论发展到今天和产生了矢量控制技术以及脉宽调（PWM）技术的条件下交流电机变频调速己成为现实，但是交流电机的调速系统还是比较复杂。
直流电机（Dc）的激励电流和电枢电流二者的大小及方向可以独立地分别控制，从而使转速在很宽的范围内可以得到精确的调节，具有良好的控制性能和调速性能。
但是传统的有刷直流电机体积较大，结构复杂、散热性能差，它必须有炭刷和换向器，炭刷易产生电火花会引起电磁干扰，它和换向器易损坏，降低了电机的稳定性和寿命。
无刷直流电机由电子换向器取代了普通有刷直流电机炭刷和换向器的机械换向，消除了机械换向带来的诸多限制，它既保持着有刷直流电机的优秀控制性和调速性，又具有可靠性高、结构简单、寿命长、体积小、噪声低、损耗低、无干扰性、过载能力大等优点，是交流电机与直流电机优点的结合，广泛用于机械、交通运输等领域。
综上所述，多功能特殊移动机器人移动平台选用无刷直流电机进行驱动，具体由电动机、减速箱、数字伺服驱动器和光电编码器组成。
两台电动机分别驱动两个驱动轮为机器人运行提供动力，数字伺服驱动器对电动机的转速和转向进行控制，并通过光电编码器对电机转速和位置的反馈进行不断调整，它们共同组成一个闭环系统，控制机器人完成前进、后退和转向等动作。
图2-5驱动闭环系统
2.3底盘选择
多功能移动平台的的底盘是各种机械结构的载体，它承载着其它机械结构和搭载元件的部分重量，同时也是其它元件的定位基准。
这就要求平台的底盘有一定的强度、刚度和较高的可靠性。
因此，底盘各轴孔、定位面应该具有较高的精度，以保证其它元件的准确定位。
由于，移动平台用于户外作业，它应该还具备防尘功能，所以还要充分考虑底盘的密封性。
本设计采用箱体式结构，箱体式底盘的结构强度和刚度较高，降低了底盘在压力下变形的可能性；
它的装配面是一次成型，提高了轮系的定位精度，易于保证每侧履带轮安装在同一平面内，最大限度的提高了履带的传动效率；
同时，箱体式结构的密封性较强，具有较好的防尘防雨功能。
2.4传动机构选择
当电动机的性能完全适合工作机的工况要求时，可以进行直接连接。
当电动机的转矩、转速、运动形式和输出轴的几何位置不适合工作机的需要时，则必须采用工作装置。
常见的定传动比传动机构有：
齿轮传动、带传动、链传动、蜗杆传动等。
当主、从动轴平行时，可选用带、链或圆柱齿轮传动。
主、从动轴间距很大，或主动轴需同时驱动多根距离较大的平行轴时，则可选用带或链传动；
同时要求同步时，则可选用链或同步齿轮带传动。
要求两轴在同一轴线上，可采用二级、多级齿轮传动或行星齿轮传动。
两轴相交时可采用圆锥或圆锥摩擦轮传动。
两轴交错时，可采用蜗杆传动或螺旋齿轮传动。
在后两种情况，也可采用平行带传动。
本次设计中，在主动轮的传动中应用齿轮传动，在支架的控制中应用了带传动。
2.5小结
综上所述，履带式多功能移动工作台是一个包括驱动系统、移动系统、传动机构、底盘的综合系统，每个系统之间既相互联系又相互制约。
总体设计的目的就是为了使各个子系统合理布局，使整台机器人尽量紧凑可靠、操作简单、运动灵活。
第3章移动平台机械设计
3.1地盘箱体设计
在设计过程种，应该根据机器人底盘的功能要求确定其结构、尺寸、材料、加工方式等。
第二章中已经选择了履带式多功能移动工作台选用箱体式的底盘结构。
图3-2履带式多功能移动工作台底盘箱体模型
底盘采用铸造成型，避免了过去使用若干铸件、锻件、机加件、钣金件等通过焊接、铆接、螺纹连接等组合而成的形式。
这样既这样既提高了箱体的底盘的可靠性和整体性能，又降低了制造成本，提高了整体密闭性。
ZL101A合金由于其良好的铸造性能、较高的致密性而成为制造整体、薄壁、复杂铸件比较理想的铸造铝合金，在国内外有广泛的应用[49]。
机器人箱体采用zLI0IA铝合金材料，在保证了箱体强度的同时，又降低了箱体的质量。
移动工作台箱体尺寸的确定受到很多方面因素的制约。
根据工作台转向动力学分析，转向的难易程度与工作台宽度B和长度L之比有关，工作台宽度B越大，转向就越容易;
相反，工作台长度L越长，转向则越困难。
在箱体的设计中，通常可以依靠减小L、增大B来提高工作台的转向灵活性。
事实上，L不能太小，它受到走行轮半径的限制，即L）ZR，否则走行轮将无法安装;
B也不能太大，如果B太大，对于一些狭窄的通道，移动工作台将无法通过，而且还增大了工作台的体积。
在综合考虑了工作台内部空间需求和工作台转向性能指标要求后，履带式多功能移动工作台的箱体尺寸确定为500mm*400mm*120mm。
在细节设计方面，箱体的侧面为轮系的装配面，精度应该适度提高。
为避免精加工整个平面，增加制造成本，在轴孔周围设计了凸台结构，这样只需加工凸台平面就可满足
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