探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計

探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計,探測,機器人,系統(tǒng),設(shè)計 探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計 開題報告 班級（學(xué)號）：機0405-18 姓名：王亮 指導(dǎo)老師： 王會香 一、綜述 1.課題研究的目的和意義 出于重要的戰(zhàn)略意義，資源領(lǐng)域已成為各科技強國相互競爭的一個焦點，出于安全性等因素的考慮，對探測機器人的研究設(shè)計也成為了開發(fā)資源的重要硬件之一，探測機器人可以幫助人類完成一些不能完成的任務(wù)，其應(yīng)用范圍很廣，有幾下幾方面： 1）行星探測移動機器人 行星探測移動機器人的研究對于發(fā)展行星科學(xué)、提高國防能力、提高國家的國際地位等方面均有重要意義，因為:①移動機器人是行星科學(xué)研究中著陸探測和取回樣品到實驗室分析的有力工具。②人類在太空中停留數(shù)月之久會嚴(yán)重丟失鈣和磷，這似乎意味著人類不可能在重力為零的狀態(tài)下飛行6一9個月或更長一點時間。但機器人不存在這個問題。因此，行星探測移動機器人的研究是對行星進行長期實地考察的需要。③大大節(jié)省探測成本。以月球探測為例，根據(jù)粗略的估計，一次有人駕駛的飛行所花費的錢要比無人駕駛飛行多50一100倍。因此，光就科學(xué)上的探索來說，用機器人執(zhí)行無人駕駛飛行任務(wù)是合算的。④有利于提高國家國防自動化的水平和國際地位。因此，行星探測移動機器人的研究受到世界各國的高度重視。[6] 2）海洋探測機器人 海洋探測機器人人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)的許多領(lǐng)域，隨著海洋開發(fā)的不斷深入，續(xù)航力大、探測范圍廣、能執(zhí)行多種復(fù)雜任務(wù)的大型機器人需求也越來越大。主要用于海洋石油開發(fā)、海底管道光纜巡查檢修以及其他各種復(fù)雜任務(wù)。為了使機器人能更好的完成指定任務(wù)，水下機器人的運動性能預(yù)報就成為了一個重要的研究課題。[1] 3）油井故障探惻機器人 探測儀器的送進是油田上測井、修井等井下作業(yè)中的一項重要技術(shù)。[3] 4) 履帶式井下探測機器人 中國作為世界產(chǎn)煤大國，也是世界煤礦事故高發(fā)國家，需要非常重視煤礦生產(chǎn)的安全。這種探測機器人可在災(zāi)害發(fā)生前對隱患進行準(zhǔn)確及時的檢測與預(yù)防，災(zāi)后進行施救等重要的危險任務(wù)。[5] 關(guān)于探測機器人應(yīng)用范圍比我們想象的要廣泛的多，在軍事方面，已經(jīng)研究出了反坦克雷探測機器人；還有醫(yī)學(xué)探測機器人等。 2006年，中國政府制定的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》和《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，將發(fā)展航天事業(yè)置于重要地位。根據(jù)上述兩個規(guī)劃綱要，中國政府制定了新的航天事業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確了未來五年及稍長一段時期的發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)。按照這一發(fā)展規(guī)劃，國家將啟動并繼續(xù)實施載人航天、月球探測、高分辨率對地觀測系統(tǒng)、新一代運載火箭等重大航天科技工程，以及一批重點領(lǐng)域的優(yōu)先項目，加強基礎(chǔ)研究，超前部署和發(fā)展航天領(lǐng)域的若干前沿技術(shù)，加快航天科技的進步和創(chuàng)新。要發(fā)展航空事業(yè)，對月球進行探索，那么研究設(shè)計探測機器人是必不可少的過程。 2.課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1）在行星探測機器人的研制方面，美國和俄羅斯處于世界領(lǐng)先地位。從20世紀(jì)60年代開始，美、蘇向月球以及金、火、水、木、土等星球發(fā)射了許多探測器。格林威治時間1997年7月4日17時07分，美國國家航空航天局困ASA)發(fā)射的火星探路者號宇宙飛船成功地在火星表面著陸。探路者登陸器上帶有各種儀器及“索杰納”火星車團。這是上世紀(jì)自動化技術(shù)最高成就之一。[6] 日本對機器人的設(shè)計也處于領(lǐng)先地位。日本京都大學(xué)科研人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型機器人,能在強烈地震發(fā)生后到廢墟中探測被埋人員。還專門進行了實用演示。這種機器人外表象是一條粗大的節(jié)足昆蟲,長1·43 m,由7節(jié)組成,有人的小腿一般粗細,每節(jié)周身都纏滿縱向履帶。它可以在遙控下從瓦礫的夾縫中蜿蜒穿行,裝在頭部的攝像機鏡頭會隨時傳輸觀察到的影像和搜集到的聲音,從而供控制者判斷里面是否有需要救助的存活人員。 未來的空間探測任務(wù)要求機器人系統(tǒng)能夠在預(yù)先未知或非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行變化的任務(wù)，機器人移動平臺應(yīng)具備良好的幾何通過性、越障性、抗傾覆性、行駛平順性、牽引控制特性和能耗特性?；诓煌脑砗托阅軅?cè)重點，國內(nèi)外提出并試驗了多種類型的空間探測機器人移動機構(gòu)。 2）探測機器人移動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下: (1)輪腿式，履腿式等復(fù)合型結(jié)構(gòu)的移動機器人是一個研制方向. (2)由于航天器技術(shù)、尺寸、質(zhì)量和費用的限制,微小型行星探測機器人是目前發(fā)展的主流. (3)由于通信時延和微重力作用的緣故,中低速移動機器人是研制的主流. (4)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方案相結(jié)合是研制靈活可靠的行星探測機器人的設(shè)計方向.[6] 3）設(shè)計探測機器人所面臨的問題 盡管國內(nèi)外已經(jīng)研制出了輪式、腿式、輪腿式、履帶式和其它特殊形式的移動機器人,但到目前為止,無論國內(nèi)還是國外,同時具備以下性能的移動機器人還沒有出現(xiàn):(1)能跨越大于輪子直徑的壕溝和高于輪子半徑的臺階;(2機器人陷入軟土壤中時,能自動脫離軟土壤區(qū),恢復(fù)正常的行駛能力;(3)整機的可密封性和可壓縮性良好;(4)克服傾翻對機器人行駛能力的不良影響;(5)行駛的高速高效性;(6)容積可進行擴充，而這些又是行星探測等領(lǐng)域移動機器人運動系統(tǒng)所應(yīng)具備的重要性能,因此,研制出新型的、綜合性能更好的行星探測機器人是行星探測機器人移動系統(tǒng)研究中有待解決的問題之一[6]. 二、研究內(nèi)容 本文以研制履帶便攜式抗摔機器人為目標(biāo)，采用模塊化設(shè)計，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時候方便更換和添加其他模塊，具有良好的機動性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。該機器人的最大優(yōu)點是具有良好的越障性能、環(huán)境適應(yīng)性能、防摔抗沖擊性能并具備全地形通過能力。 其研究內(nèi)容具體如下： 1、 研究探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計原則。 依據(jù)運動學(xué)原理，對機器人進行性能指標(biāo)分析，動態(tài)分析，使機器人能夠自適應(yīng)路面，即具有抗傾覆性、爬坡性能、越障性能、跨溝性能等功能。 2、 確定探測機器人的移動方式，并對整個探測機器人的整體進行規(guī)劃設(shè)計。 1）移動方式的確定 2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 3）傳動系統(tǒng)設(shè)計 3、對探測機器人系統(tǒng)的硬件設(shè)計，繪制機械圖。 4、給出移動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。 1）選擇傳感器 2）控制系統(tǒng) 3）驅(qū)動器的選擇 目標(biāo)：掌握探測機器人系統(tǒng)的設(shè)計原則，從實際應(yīng)用環(huán)境出發(fā)確定機器人的移動方式，選用合理的目標(biāo)監(jiān)測手段，來實現(xiàn)探測目的。 三、實現(xiàn)方法及其預(yù)期目標(biāo) 1、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計的探測機器人由四個模塊構(gòu)成，即底盤運動模塊、電源及驅(qū)動模塊、傳感器模塊、控制計算機模塊。大體結(jié)構(gòu)如圖1-1 控制計算機模塊 傳感器模塊 電源驅(qū)動模塊 底盤運動模塊 圖1-1機器人的總體結(jié)構(gòu) 2、 移動機構(gòu)分析 便攜式機器人按移動方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進移動式、 混合移動式、蛇行移動式等，各種移動方式的機動性能對比如表1-1 表1-1 車輪式、輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較： 移動機構(gòu)方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 機構(gòu)復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 機構(gòu)控制難易程度 易 一般 復(fù)雜 很明顯，履帶式移動機構(gòu)的性能居于輪式和腿式移動機構(gòu)之間，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面以及溝壑等，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構(gòu)無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)。 運動原理： 3、 移動控制系統(tǒng)的設(shè)計 一個在實際工作中的機器人，他的運動由驅(qū)動器系統(tǒng)實現(xiàn)，任務(wù)的具體執(zhí)行有終端機具完成。在執(zhí)行任務(wù)的過程中，感覺系統(tǒng)將內(nèi)感受和外感受的信息反饋給控制系統(tǒng)，有控制系統(tǒng)對整個機器人的活動作決策和付諸實施。系統(tǒng)的控制部分的工作方式要適合于執(zhí)行的任務(wù)。采用某一種工作方式，例如，人進行的干預(yù)很少---自由方式；人的干預(yù)很多---手動方式；斷斷續(xù)續(xù)干預(yù)---監(jiān)督管理方式等，都要按任務(wù)的需求而定。 在控制機器人執(zhí)行任務(wù)過程中涉及三方面： 信息---機器人自身及環(huán)境的信息。他們來自感覺系統(tǒng)即感知的機器人自身狀態(tài)。 決定---產(chǎn)生執(zhí)行任務(wù)的行動方式，任務(wù)的程序設(shè)計。 行動---控制信號的產(chǎn)生和實施。 如圖1-2 所示 人 決定 行動（控制） 信息（感覺） 環(huán)境 操作部分 控制部分 圖1-2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 依據(jù)上述要求所需，考慮一下幾個方面： 1） 選擇傳感器 首先，機器人的傳感器就像人體上的感覺器官，它可以探測到周圍的環(huán)境，然后經(jīng)過綜合性的測量、計算，對他的行為進行選擇判斷。其中，視覺是最重要的，因為，即使只有視覺的時候，也能根據(jù)看到的進行前行或是改變行為方式，但如果失去了視覺，即使其他的感覺功能都存在，也很難判斷周圍的環(huán)境，很難對行為方式進行判斷。所以首先應(yīng)選擇視覺傳感器。 其次，視覺傳感器也有他的局限性，實現(xiàn)視覺的功能是需要光的，如果在晚間執(zhí)行任務(wù)時就很難實現(xiàn)其功能，為更好的使機器人完成認(rèn)為，再加一個超聲波傳感器。 2） 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是指機器人的信息處理裝置，在本設(shè)計項目中，選擇數(shù)字電子計算機。這是一個依據(jù)事先和事后的信息而產(chǎn)生對機器人的控制命令的系統(tǒng)。信息主要來自人---機對話和感覺系統(tǒng)。機器人執(zhí)行任務(wù)前。在計算機重要貯存好一個運動模型，一個環(huán)境模型，一些與執(zhí)行任務(wù)有關(guān)的數(shù)據(jù)及一定數(shù)量的執(zhí)行任務(wù)的策略和算法，在執(zhí)行任務(wù)過程中，計算機接受來自傳感器的機器人目前狀態(tài)的信息和涉及到目前包括工作對象在內(nèi)的環(huán)境狀況的信息。依據(jù)上述的所有數(shù)字模型，原始數(shù)據(jù)，感受的信息，利用控制策略和算法，以及過去執(zhí)行任務(wù)的經(jīng)驗等，計算機產(chǎn)生一個對機器人的控制命令。 3）驅(qū)動裝置的選擇 按照能源的不同 ，可分為液動，氣動，電動三大類。電驅(qū)動器由于電能易于獲取，容易傳輸，沒有污垢，易于維修等優(yōu)點而被廣泛采用。在機器人使用的電驅(qū)動器中，步進電機與數(shù)字電子計算機的結(jié)合上，表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。所以驅(qū)動裝置選擇步進電機。 4軟件組成　 　 硬件只是計算機控制系統(tǒng)的軀體；而軟件則是計算機控制系統(tǒng)的大腦和靈魂，是人的思維與系統(tǒng)硬件之間的橋梁。軟件的優(yōu)劣關(guān)系到計算機控制系統(tǒng)正常運行、硬件功能的發(fā)揮以及控制性能的優(yōu)劣等。用以具體實施有關(guān)功能的算法是以軟件包的形式貯存在機器人的計算機系統(tǒng)中。為了控制機器人執(zhí)行任務(wù)，在操作員與機器人之間進行信息交換是必須的，這樣做旨在使機器人按操作員的意圖進行工作，完成任務(wù)。本設(shè)計采用VC語言. 四、對進度的具體安排 1. 第1-3周 實習(xí)調(diào)研基本結(jié)束； 2. 第4周 撰寫并提交調(diào)研報告和開題報告； 3. 第5-6周 制定探測移動機器人的設(shè)計原則； 4．第7周 確立機器人的移動方式； 5. 第8-12周 設(shè)計機器人系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)； 6. 第13-14周 設(shè)計控制方案及監(jiān)測手段； 7．第15-16周 撰寫并提交畢業(yè)論文；審閱、評審并修改畢業(yè)論文； 8．第17周 完成畢業(yè)答辯 五、參考文獻 1、劉曉峰：海洋探測機器人操縱性及仿真研究 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2007.1 2、尚建忠 羅自榮 張新訪 范大鵬：基于構(gòu)型組合的空間探測機器人移動機構(gòu)設(shè)計* 3、邵守君：基于虛擬樣機的石抽井故障探惻機器人研究 2007.3 4、賀鑫元 馬書根 李斌 王越超：可重構(gòu)星球探測機器人的機構(gòu)設(shè)計 機械工程報2005、12 5、柴匯：履帶式井下探測機器人底層控制系統(tǒng)研究與設(shè)計 2007、5 6、劉方湖 陳建平 馬培蓀 曹志奎：行星探測機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2002、5 7、陳芳允：月球探測機器人移動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 井岡山學(xué)院學(xué)報 2006、8 8、吳芳美：機器人控制基礎(chǔ) 中國鐵道出版社 9、孫樹棟：工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ) 北京工業(yè)大學(xué)出版社 2006、12 10、為海底探測提供數(shù)據(jù)日本加強深海探測 督導(dǎo)老師： 年 月 日 領(lǐng)導(dǎo)小組審查意見： 年 月 日 審查人簽字： 年 月 日