轮式移动机器人结构设计摘要因此，选择了北京和利时公司的型号电机。静转矩为.。该电机在相近产品中具有在转速变高定范围内能够保持平稳的力矩。图为电机转矩图下面选择转向电机，机器人对转向速度要求较低，对位置精度比较严格，选用步进电机可以满足设计要求。转向电机主要是使车轮实现零半径回转，克服地面摩擦力，要求的转速不高，因此主要计算电机静力矩。在这里我们假设每个车轮与地面的接触按照理想状态即相切线接触，那么平均每个车轮的摩擦力为由于车轮是零半径回转，所以克服的摩擦力矩为式中单个车轮的宽度设计车轮与地面接触总宽度为，即所以克服的力矩为.。实际上车轮不是与地面呈线接触，保证定余量，选择电机型号为，静力矩为.。下面是所选电机的外形尺寸。图片来自移动机器人车体结构设计设计移动机器人车体是应遵循以下几个原则总体结构应容易拆卸，便于平时的试验调试和修理。在设计的移动平台应能够给机器人暂时没有安装的传感器功能元件电池等元件预留安装位置，以备将来功能改进和扩展。车体是实现全方位移动机构的部分，也是安装其他元件的主体。它同样是保证机器人具有良好的环境适应能力的关键。本文设计的车体采用的是合金铝框架式结构，如图.所示共分二层第层是车体内腔，空间较大可以安装电池集线器装配电路板等，同时可以在以后的具体设计中改变内部格局，以达到最佳的使用效果第二层安装车轮旋转机构。本结构的空间分层设计使得机器人机构紧凑，易于维护，而且提高了机器人控制系统的抗干扰能力。图.车体结构示意图.本章小结机器人是种高度集成的机电体化产品。它不是机械装置和电子装置的简单组合，而是机械电子计算机等技术的有机融合。本文虽只设计机械本体部分，但设计过程要完全考虑各部分的因素。而移动机器人的移动机构，它是移动机器人系统能否完成指定任务的基础。本文设计了可避免对电机轴形成弯矩的车轮旋转结构，通过优化车轮的直径与电机的匹配，使其车轮能够在.调速设计了车轮旋转机构，可使车轮实现零半径转向。第三章机械材料选择和零件的校核.机械材料选用原则机械零件材料的选择是机械设计的个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用的材料由黑色金属有色金属非金属材料和各种复杂的复合材料等。选择材料主要应考虑以下三方面的问题。.使用要求使用要求般包括零件的受载情况和工作状况对零件尺寸和质量的限制零件的重要程度等。若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到些限制，应选用强度较高的材料。静应力下工作的零件，应分布均匀的拉伸压缩剪切，应选用组织均匀，屈服极限较高的材料应力分布不均匀的湾区扭转宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料，如调质钢渗碳钢氮化钢。零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同，改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料在高温下工作的零件应选用耐热材料在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。.工艺要求材料的工艺要求有三个方面内容毛坯制造大型零件且批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要考虑材料的延展性热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。机械加工大批批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品质量，应考虑零件材料的易切削性能切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等，应选用切削性能好的材料，如易削断加工表面光洁刀具磨损小的材料。.经济性要求经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选用价格高的材料。这对大批量制造的零件尤为重要。当零件的质量不大而加工量很大，加工费用在零件总成本中要占很大的比例，这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能和加工费用。要充分考虑材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应该设法提高利用率。采用局部品质原则。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺，使各局部的要求分别得到满足。尽量用性能相近的廉价材料代替价格相对昂贵的稀有材料。另外选择材料时应尽量考虑当地当时的材料供应情况，应尽能的减小同部机器上使用的零件材料品种和规格不同。.零件材料选择与强度校核从材料选用原则的使用要求加工要求和经济要求出发，选择机械本体个零部件的材料。轮式移动机器人结构设计摘要在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人履带式和特种机器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的硕士论文轮式机器人控制问题的研究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，都有力地显示出移动机器人正在以其具有使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之。.体系结构.机器人的智能系统具有以下特点信息密集，多层次的信息与知识表示方式，与环境交互丰富多样，信息与知识分布存储等。所以，它是个高智能多系统的复杂系统工程，不是单元技术的简单连接，系统的总功能是各种分系统在多层次的协调和分工中集成，因此，机器人的总体集成技术是个核心问题，其主要内容是机器人的体系结构研究。体系结构的研究，主要针对有意识行为和反射行为而展开的，如何将两者相统，是目前的个研究热点。早期的移动机器人研究都是在室内进行的，其体系结构，般只能在“积木世界”中运行。德国为在自动化工厂中运行的自动导引车设计了种分层体系结构。德国还开发了种具有很高水平的移动机器人系统，其体系结构基本上采用模型的思想。美国的人工智能实验室提出了包容体系结构思想，并建立了系列新型的移动机器人。包容体系结构采用所谓“感知动作”•结构，也称基于行为的结构。些实验表明，包容体系结构在处理动态环境中不确定性和模仿动物的低级反射行为方面具有很多优点。最近，又提出了基于行为控制思想的新型体系结构。目前，这种基于行为控制的体系结构还处于理论探讨阶段，很多工作有待深入。.移动机器人路径规划技术.移动机器人的路径规划就是给定机器人及其工作环境信息，按照种优化指标，寻求有界输入使系统在规定的时间内从起始点转移到目标点。机器人路径规划的研究始于世纪年代，目前对这问题的研究仍十分活跃，许多学者做了大量的工作。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境动态己知环境和动态不确定环境，按机器人获取环境信息的方式不同可分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。运动规划是移动机器人的个重要问题，对于自由运动的机器人，即机器人的运动不受约束，运动规划问题可以通过在自由位形空间内计算条路径加以解决，这样的条路径与工作空间内的条可行的自由路径相对应。但是移动机器人运动受到非完整性约束，并不是任意路径都定是可行的。在复杂动态的环境中，还要考虑运动中的避障问题，因此，移动机器人的运动规划是个比较复杂的问题。尚有许多的问题有待研究。.导航与定位.在移动机器人的应用中，精确的位置知识是个基本问题。有关位置的测量，可分为两大类相对和绝对位置测量。使用的方法可分为种里程计惯性导航磁罗盘主动灯塔，全球定位系统，路标导航和地图模型匹配。.课题研究意义研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域军事海洋探测航天医疗农业林业也都开始使用机器人。本课题选用轮式作为机器人平台设计研究，两轮式机器人在国内外还处于刚刚起步阶段，其前景广阔，适用性较广，在教学科研野外作业民用运输方面有着广泛的应用前景，在反恐及其它尖端领域具有重大的应用价值。已经初步做出了简单的实验模型，解决了轮式机器人的传动机构难题。该轮式机器人运动响应迅速，具有高机动的零半径转向能力，并且在运动过程中不存在失稳状态。摄像头的密封式结构可以将内部器件密封保护起来，免受外界环境的影响，非常适合在潮湿多尘土多辐射或有毒的环境中执行任务。它具有广阔的应用前景，例如，通过搭载视觉传感器或气体传感器等设备，它可以在缺少人干预的环境中进行战场侦察室内或库房的巡逻及行星探测等任务，也可以通过搭载声光电等设备作为种新颖的具有移动性和交互性的儿童玩具。.论文主要完成工作课题主要完成轮型机器人，驱动电机选择，驱动芯片的选择及程序的编制，驱动电路设计。.机械结构部分包括机器人构成方案选择机器人本体机构设计和驱动电机的选择.针对设计要求结合所选用的电机，设计电机的驱动模块，并讨论系统设计的可靠性问题第二章轮型机器人结构设计.引言机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。带有机械臂的全方位移动机器人可以实现在平面内任意角度的移动，能够以定姿态到达预定位置。根据这总体思想，进行本机器人移动机构的本体设计。.机械设计的基本要求机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系相互影响。.对机器整机设计的基本要求对机器使用功能方面的要求实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便工作安全可靠体积小重量轻效率高外形美观噪声低等往往也是机械设计时所要求的。对机器经济性的要求机器的经济性体现在设计制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。.对零件设计的基本要