《一种爬梯机械人的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种爬梯机械人的设计（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、一种爬梯机械人的设计摘要在日常生活和生产中经常要将重物搬上楼梯，传统的方法基本是靠人力搬运完成，有时由于重物太重或人手不足而无法搬运，本课题就是为克服这个难题而设计的。本论文主要对爬楼机器人星型轮的传动机构及控制系统进行详细设计。首先介绍了国内外爬楼机器人研究现状，阐明本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍了本爬楼机器人总体结构。在深入分析爬楼机构及其攀爬对象的基础上，设计了相对优势较明显的轮组结构爬楼机器人。对机器人小车的运动学模型进行分析，论证小车实现任意曲线运动所包含的自转、直线前进、圆弧前进三个基本运动单元的可行性。引入虚拟样机技术，通过Pro/Engineer三维建模并进行模拟运动仿
2、真。文章最后研究设计了在各种环境下，以单片机 C8051F310 为核心的爬楼控制系统。在控制系统中，采用超声波传感器的对称排列，获取了自主上楼梯所必须地两个关键参数和 q；对驱动大功率电机的电路进行分析，设计了更适合大功率，更安全的电机驱动电路，直流马达配合高功率MOSFET型驱动器。 关键词：爬楼机器人；三星轮； MOSFET驱动电路；单片机 C8051F310AbstractAbstractMoving weight from up and down is required in our daily activities and productivities, and it was do
3、ne by hand. While it is too heavy or short handed to finished in some times. This thesis is designed to overcome the obstacles and it gives a detailed designing on transmission device and control system of star-like wheel of stair-climbing robot. Firstly ,it introduced a current situation of stair-c
4、limbing robot at home and abroad, clarified the purposes and meanings, introduced a overall structure of stair-climbing robot. After deeply analysis the stair-climbing frame and the object, designed a wheelsets stair-climbing robot with more advantages than others . Analyzed the kinematics model of
5、the robot car,and demonstrate the available of achieving any curve movement with the rotation, straight forward, and arc forward . Robot can achieve track controlling based on speed matching. With the aid of virtual prototyping technology, through the 3D software of Solid Works, the dynamic analysis
6、 of the stair-climbing robot is carried out in ADAMS. At last, the thesis design the controller system with the core of C8051F310 based on rule environment ，In the control system, with the help of arranged ultrasonic sensors, get the two key parameters and q which import for climbing staircase Analy
7、zed the circuit of high-power motor driving, design a more suitable circuit than IC L298N.Which is dc generator with highly efficient driving MOSFET.Key words：Stair-climbing robot；Threestar wheels；MOSFET driving circuit；Single chip microcomputer C8051F310II目录目录摘要IAbstractII第一章 引言11.1 课题研究的目的和意义11.2
8、移动机器人的发展概况11.3 爬楼梯机器人目前的研究状况41.4 论文研究的主要内容6第二章 爬楼机器人的总体设计82.1 爬楼机器人的设计要求82.2 爬楼机器人的总体方案8第三章 爬楼机器人传动、轮组及转向机构设计113.1爬楼梯机器人小车的执行电机选择113.1.1技术指标113.1.2电机选型113.2爬楼机器人的机构设计133.2.1 机器人小车传动机构设计133.2.2传动部件的设计与校核153.2.3爬楼机器人转向机构设计193.2.4机器人小车结构设计203.3爬楼机器人小车三维实体建模223.3.1 Pro/E软件介绍223.3.2三维实体建模223.4 爬楼机器人小车行驶性
9、能分析233.4.1可跨越最大垂直障碍高度233.4.2最小转弯半径24第四章 爬楼机器人控制系统设计264.1 机器人爬楼梯的控制目标264.2 机器人的体系结构及系统组成264.3控制系统主要硬件的选择284.3.1单片机的选型284.3.2传感器的选择294.4机器人控制系统的程序编制31第五章 总结与展望385.1全文总结385.2展望38致 谢III参考文献IV一种爬梯机械人的设计第一章 引言自盘古开天辟地，人类诞生以来，人们就一直用智慧开辟着完美的生活！进入新的 21世纪，人类除了致力于自身的发展外，还十分关注机器人、外星人和克隆人等问题。机器人正是本论文研究的对象。 “机器人”这
10、人名词对许多人来说，并不陌生。从古代的神话传说，到现代的科学幻想小说，戏剧，电影和电视，都有许多关于机器人的精彩描绘。而且越来越多的机器人出现在我们的生活生产中，更多科学工作者和业余爱好者也投入到机器人研究的行列当中来 。机器人应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域。在“机器人王国”日本，一直拥有全世界 60%左右的机器人，工业机器人应用于最多的工业部部门依次为家用电器制造、汽车制造、塑料成型、通用机械制造和金属加工等工业，而且正应用于更多的新领域中。据统计，目前全世界服役机器人约100万台；机器人学也维持较好的发展势头，充满希望的进入这崭新的世纪。1.1 课题研究的目的和意义 本文讨论的移动
11、机器人是具有越障功能，能够灵巧翻越楼梯的一种光机电一体化的智能装置。用作搬运的自主移动机器人，要求能随工作任务和环境的改变，智能地重规划行驶路径，并要求能快速适应工作环境。要达到这种水平，当前还有很多问题需要深入的研究，而其中的机器人楼梯环境顺利翻爬问题是较为重要的一个研究课题。 越障机器人的研究，对扩展机器人的作业空间，在人不能到达或不便到达的环境中进行作业，具有重要的意义。越障机器人还可用于工业中的一些险难作业，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境.减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。楼梯是人造环境中的最常见的障碍，也是
12、最难跨越的障碍之一，爬楼梯机器人的研究是解决当前全自主机器人在非结构环境下正常工作的重要环节之一。爬楼梯机器人可应用于危险环境探查、侦察、救灾、导盲、助残、搬运、清扫、维修、安装等作业，其实际意义重大。 1.2 移动机器人的发展概况 机器人一词最早使用是在 1920 年捷克作家卡雷尔查培克的剧本罗萨姆的万能机器人中，剧中机器人(Robot)这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。 机器人一词虽出现得较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是机器人技术研究者的梦想，代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来，就有不少科学家和
13、杰出工匠制造出了具有人类特点或具有模拟动物特征的机器人雏形。 西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的具备有机器人概念的文字资料。春秋后期，我国著名的木匠鲁班在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下”，体现了我国劳动人民的聪明才智。 1954 年，美国人乔治德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于 1961年发表了该机器人专利。1962 年，美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate 在美国通用汽车公司（GM）投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从此，机器人开始成为人类生活中的现实。
14、要给机器人下个合适的和为人们普遍同意的定义是困难的。就目前各种定义的共同之处来说，即认为机器人（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作；（2）具有智力或感觉与识别能力；（3）是人造的机器或机械电子装置。“智能机器人”是一种集数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、能源、计算机硬件、软件、人工智能等众多领域的科学与技术知识于一身的综合技术平台。机器人技术的迅速发展，已对许多国家的工业生产、太空和海洋探索、以及整个国民经济和人民生活产生了重大影响，而且这种影响必将进一步扩大 。目前在工业上运行的 90%以上的机器人，都不具有智能。随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提
15、出更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。这些智能机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动；有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验；有的具有自主控制和决策能力这些智能机器人，不仅应用各种反馈传感器，而且还运用人工智能中各种学习、推理和决策技术。智能机器人还应用许多最新的智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法和遗传编程、仿生技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等4。21 世纪的机器人智能水平，将提高到更高的水平，令人赞叹。 自从20世纪60年代初，第一台工业机器人发明以来，机器人的发展已有半个多世纪，机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有的领域。机器人大致经过三代的演变：第一代是可编程的示教再现型机器人；第二代是具有一定感觉功能和自适应能力的离线编程机器人；第三代机器人是智能机器人。机器人正在向智能化的趋势发展，智能化的机器系统将从事目前传统机器系统和人工难以胜任的恶劣环境下的一些操作。 移动机器人是机器人学中的一个重要分支，是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在非结构环境下，动态决策与规划、行为控制与执行等多项功能于一体的高智能化机器系统。它与机器人学、计算机视觉、多传感器信息融合、智能控制以及多智能体（Multi-Agent）、机械学等学科密切
