基于“探索者”平台的履带式全地形智能小车设计实现【含CAD图纸、说明书】
毕 业 设 计(论 文) 设计(论文)题目:基于“探索者”平台的履带式全地形智能小 车设计实现 学生姓名:二级学院:班级:提交日期:I 目录目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 全地形机器人的研究背景11.2 世界各国全地形机器人的发展11.3全地形机器人的发展现状和不足之处31.4本文的研究内容3第二章 全地形移动机器人结构设计42.1“探索者”概述42.2机器人底盘设计4第三章 全地形移动机器人的控制系统设计133.1 控制系统硬件搭建133.2传感器与编程173.3电路的安装与调试23第四章 实验结果24第五章 结论27参考文献28附 录29致谢30 摘要基于“探索者”平台的履带式全地形智能小车设计实现摘 要自改革开放以来,我国的经济快速腾飞,社会不断进步,进入21世纪后,电子信息技术的快速发展,在一定程度上带动了机器人的发展。如今,全球各国学者致力于研究全地形机器人,并且希望将其应用在更多的领域中。由此可见,全地形机器人未来的发展空间十分巨大,它的技术不仅仅在传感器方面,而且体现在结构上。无可否认,在全地形机器人的研究上,西方发达国家的学者已经取得了一定的研究成果。因此,本文也充分吸收并参考借鉴了前人的研究成果,在此基础上,研发设计一种全新的全地形机器人,这款机器人在原来的基础上取得了突破,并且功能更加的强大。这款机器人中采用单片机为核心,各模块相互配合,形成了一个包括人机界面的半闭环系统,从而使小车能完成各项任务,对整个系统进行研究,采用履带式。智能机器人正在替人们完成各种任务,凡不宜有人直接接触的任务,均可由智能机器人代替,可以适应不同环境,不同温度,完成人类无法介入的危险任务。智能小车是移动机器人的一种,是一个集环境感知,规划决策,自动驾驶等多种功能一体的综合体统。如果将以技术引用到现实生活上,可以使我们的未来生活更加智能。经过综合考虑,决定在机器人的结构中选择组合式的底盘,因为它能够保持更加平稳的运动状态,而且承载能力较强。这款全地形机器人的特点在于结构简单,容易操作,而且功能强大。为了验证机器人的功能,进行了测试,并且根据测试结果对该款机器人作进一步的改良。关键词: 全地形机器人;探索者 ;平台;结构建模I42 AbstractDesign and implementation of tracked full terrain smart car based on Explorer platformAbstractSince the reform and opening up, Chinas rapid economic take-off and social progress, after entering the twenty-first Century, the rapid development of electronic information technology, to some extent, led to the development of robots. Today, scholars from all over the world are working on the whole terrain robot, and hope to apply it in more fields. Thus, the future development of the whole terrain robot is enormous, and its technology is not only in the sensor, but also in the structure. Admittedly, the scholars in the western developed countries have made some achievements in the study of the whole terrain robot. Therefore, this paper also fully absorb and reference the research achievements of predecessors, on this basis, a new design of all terrain robot, the robot made a breakthrough on the basis of the original, and more powerful. The robot uses MCU as the core, the module with each other, including the formation of a semi closed loop system of human-machine interface, so that the car can accomplish the tasks of the whole system, using the crawler. The intelligent robot is for people to complete a variety of tasks, where people should not have direct contact with the task, can adapt to different environment, different temperature, complete the dangerous tasks beyond human intervention. Is a set of environment perception, planning and decision-making, comprehensive system function of automatic driving and other development. If we introduce technology to real life, we can make our life more intelligent in the future.After comprehensive consideration, the author decided to choose the combination chassis in the robot structure, because it can maintain a more stable state of movement, and the bearing capacity is stronger. The whole terrain robot is characterized by simple structure, easy operation and powerful function. In order to verify the function of the robot, the author carried on the simulation test, and further improved the robot according to the test results.Key words:All terrain robot; Explorer; platform;Structural modelingII 第一章 绪论2第一章 绪论1.1 全地形机器人的研究背景事实上,学者们全地形机器人的研究时间并没有很长。多年前,虽然机器人已经走进了我们的视线,但是大家对于全地形机器人的认识不足,研究成果有限。近年来,随着电子信息技术的不断发展,全地形机器人的发展引起了社会各界的高度重视。众所周知,全地形机器人的特点在于其本身的可移动性,根据这一点,学者们明确了不同的研究方向和角度,并且经过大量的分析和实例得到了可靠的科研成果。机器人技术的快速发展,代表了我国在高新技术行业的进步。在过去,虽然我国也有不少的学者研究机器人,但是大家更多的是研究机器人本身的功能,而不是根据我国的发展需要研发更多新型的机器人。如今,机器人已经逐渐走进了我们的生活,并且应用在越来越多的领域,因此,它的发展前景十分可观,但与此同时,机器人的发展也必然会面临更多严峻的挑战与未知的风险。在大家的心目中,机器人是人工智能化的体现,如今,机器人常常应用在一些不安全的,不方便人们操作的地区或者领域,这些地区的自然条件比较恶劣,例如,沙漠,悬崖峭壁,严寒地区等等。总而言之,这些地区不仅地形复杂,而且存在众多的不确定性,如果人工操作,那么风险将会更大。因此,以机器人代替人工探索的现象时有发生。值得一提的是,正是由于这些领域本身的特殊性,使得机器人本身的功能可能无法正常发挥。弯曲不平的道路,未知的风险都会对机器人造成损耗,即便是机器人能够如常完成任务,其寿命也会受到一定的负面影响。因此,全地形机器人的出现必然是大势所趋,所谓全地形机器人,其实是指能够根据地形变化而作出调整,从而更好地完成既定任务的机器人。1.2 世界各国全地形机器人的发展如今,全地形机器人在世界各国十分常见,按照它的功能和结构的差异,我们将全地形机器人划分为以下几种:1美国机器狗事实上,美国机器狗是一款功能十分强大的全地形机器人,其特点在于对环境的适应能力较强。不管是凹凸不平的地面,还是蜿蜒的峭壁,美国机器狗都能够轻松应付。当然,这并非意味着机器狗完美无缺,它的主要劣势在于工作效率较低,而且结构相对复杂。2履带式移动机器人这款机器人的特点在于地复杂地形的适应能力较强,这主要归因于它本身的结构。地形机器人底部的履带,在一定程度上减轻了它与地面之间的接触压力。尽管如此,在长时间的使用下,这款移动机器人的使用寿命也会相对减少。下图2便是我国常用的履带式机器人。3履带轮式机器人履带式机器人和履带轮式机器人之间的区别在于轮子的有无,与履带式机器人相比,履带轮式机器人的运行速度更快,效率更高,而且对于前方的障碍物具有极强的识别能力。当然了,从结构上来看,这款机器人更加的复杂,所以往往难以控制。常见的履带轮式移动机器人如下图1.3所示。4轮腿式机器人这款机器人应用范围较广,在复杂的地形结构面前,表现出较强的适应能力。值得一提的是,轮腿式机器人的运行效率比较高,对于前方的障碍,能够自动识别并跳过,所以它的结构也相对比较复杂,如图1.4所示。5履带和轮腿结合的机器人这款机器人综合了履带式机器人和轮腿式机器人的优点,所以不仅能够保持高效率的运行,而且抗压能力较强,适用于各种恶劣的地形环境。与此同时,它的结构也比履带式机器人和轮腿式机器人更加的复杂,如下图所示。6仿生移动机器人仿生移动机器人如下图所示,从结构上看,这款机器人的特点就是轻盈,所以它的承重能力并不高,但是,他在跨越障碍方面表现出了优越的性能。值得一提的是,这款机器人的运行效率并不高,需要加以完善。 图1.5履带式和轮腿组合式机器人 图1.6仿生移动机器人1.3全地形机器人的发展现状和不足之处综上所述,全地形机器人虽然已经具备了一定的优点,但是其不足之处仍然不可忽视,主要有以下几点:第一,运行效率较低;第二,抗压能力较差,这主要表现在对恶劣复杂地形的掌控能力上;第三,对所处地形环境变化不敏感造成无法测量,像在黑暗的环境中操作,准确性和效率都有所降低。在上图中,我们展示了全地形机器人的几种类型,并且对不同机器人的优劣势进行了对比。总结可知,在反恐工作中,选择履带和轮腿相结合的全地形机器人更加合适。1.4本文的研究内容本文并不是要研究所有的全地形机器人,而且选择一种具备基本功能,而且对所处环境识别能力较强,结构上带有传感器的机器人作为研究对象。在此基础上,笔者提出了全地形机器人的设计标准:第一,机器人的规格:;第二,机器人能够爬坡的最大角度:;第三,机器人可上台阶的高度:。3 第二章 全地形机器人结构设计第二章 全地形移动机器人结构设计2.1“探索者”概述从本文的研究思路可知,在全地形机器人的设计中,探索者是其使用的平台。因此,笔者在这里对探索者进行概述。“探索者”全称“探索者创新平台”,是机器时代推出的比较专业的机器人设备原型设计工具。可用于创新教学、工程认知、工程实训、课程设计、毕业设计、工程类竞赛、新产品原理验证等。从本质上来说,探索者其实就是一种工具,它的作用非常多,其中包括教学,设计,训练,竞赛等等。 无可否认,探索者综合了国内外先进的设计思想,因此,它代表着世界领先的水平。设计者的功能众多,并不仅仅局限于机械的设计,而且能够对机器人的功能进行设计。因此,我们大可不必将机器人的功能局限在某几种,而是可以充分地发挥自己的想象力,将更多的功能加入到机器人中。 值得一提的是,在探索者的结构中,除了芯片和传感器以外,还有主控板,电子模块等等。这也是为了满足不同用户的需求,使其能够在各种模式下高效运行。“探索者”平台是由机器时代推出的专业型机器人设备原型设计工具,包含机构件、舵机、传感器以及控制模块,机构零件全部按照国际零件标准设计,结构精密,各个结构零件之间能够通过螺钉任意角度连接,可组装四连杆、曲柄滑块、齿轮传动等各种典型机械传动机构和欠驱动机构。传感器、主控板等控制单元能够让使用者在实现机构运动的设计过程中,更全面地了解单片机 PLC,计算机语言编程等学科知识。该平台开发环境软件采用国际通用的开源机器人软件,提供 C 语言结构的代码、图形化双界面,提供丰富的例程,可执行脱离电脑的、快速的示教编程。2.2机器人底盘设计众所周知,底盘是机器人中的重要组成部分,是一个机器人的根基。因此,我们必须高度重视全地形机器人的底盘设计。需要明确的是,机器人中其它部件的正常运行,都离不开底盘,是底盘赋予了全地形机器人移动的功能。从上述研究可知,目前世界上的全地形机器人可以分为几种,以轮式机器人,履带式机器人,轮腿式机器人为主。履带式全地形机器人的特点如下:1)与地面的接触压力不大,所以对于质地较为松软的泥地更加适用。此外,这款机器人对于障碍的处理能力较强;2)在山路或者陡坡中,履带式机器人表现出强大的适应能力,而且成本低,效率高;3)从结构上看,两侧的履带都有不少的齿,所以表现出更加优越的抓地能力,打滑的情况也不容易发生;4) 和其它类型的机器人相比,履带式机器人的结构更加的复杂,并且体积较大,重量使得其惯性较大,所以遇到障碍物时,难以迅速地停下来,所以零件损坏的情况也时有发生。在本文的设计中,笔者设计的是一款双履带的全地形机器人,它的结构图如下图所示: 图2.1双节节履带结构全地形机器人的爬梯原理对于机器人来说,爬梯是一项基本的工作。虽然地形复杂多变,但是爬梯几乎是无可避免。因此,在本文的研究中,笔者专门对全地形机器人的爬梯原理进行阐述。爬梯并不能一蹴而就,而是要循序渐进。对于全地形机器人来说,爬梯的步骤可以分为两步:第一步,机器人脱离地面,爬上第一个楼梯;第二步,机器人从一个楼梯爬上另一个楼梯。对于全地形机器人来说,只要成功地迈出了第一步,后面的过程也就会更加的顺利。首先:当全地形机器人的履带真正地接触到了第一级楼梯,其发动机开始驱动轮子转动,最后支撑机器人脱离地面,爬上楼梯;图2.2爬梯过程其次:当机器人成功地迈出了第一步,就能够从第一级楼梯爬上第二级楼梯,需要引起重视的是,为了确保整个过程顺利进行,全地形机器人必须及时调整重心,避免发生倾侧。总体来说,不管是哪一个不走,都利用了结构力学原理和几何学原理。 下图是对全地形机器人的爬梯分析图,从图中可知,H是第一级台阶与地面之间的高度,L1代表的是履带轮在地面和爬上第一级楼梯时,两个轮子之间的距离。 图2.3爬梯分析从上图中所知,当两个轮子的中心距离为120毫米时,才是最合适的,因此,在本文的设计中,我们将楼梯与地面的距离确定为100毫米。从本质上来说,爬楼梯是全地形机器人的运动过程,其模型如下图所示。从下图可知,只有当全地形机器人真正地完全离开了地面,才称得上是完成了爬楼梯的动作。 图2. 4 爬梯机理分析图从全地形的爬梯机理分析图可知,它的底盘重量是G1,而履带的重量则是G2,对于机器人来说,它与地面接触所产生的力用N1表示。当机器人爬梯时,楼梯对机器人有一定的支撑作用,两者之间的作用力用N2表示。当机器人还没开始爬梯时,它与地面之间产生的摩擦力是F1,当机器人开始爬梯时,它与楼梯之间的摩擦力是F2。 达朗贝尔原理根据达朗贝尔原理,物理受到的所有力与其反作用力刚好抵消。 (2.1)在上述公式中,机器人的重量用M来表示,而在运动过程中所产生的加速度则是a。机器人受到的外力是F,而反作用力则用N来表示,因此,可得下式: (2.2) (2.3) 楼梯与地面之间的高度差是H,对于全地形机器人来说,影响其爬梯是否成功的因素,包括其本身的性质与楼梯的高度等等。从上述的结构图可知,机器人的重心位置已经在一定程度上决定了它能否成功爬梯。因此,在设计过程中,我们要充分考虑其重心的位置和底板的长度等多个参数。通常而言,楼梯的光滑性越差,机器人就会表现出更强的爬梯能力,因此此时的机器人更加容易抓地。如果我们无法改变全地形机器人本身的重量,那么我们可以通过其他方式影响机器人的爬梯性能。主要方法为:改变重心的位置或者在合理的范围内增加轮子的半径。各个参数之间的关系可用下式表达: (2.4)此时的=45从上述公式中可知,机器人的力矩在一定程度上受到履带长度的影响。因此,我们应该寻找一个最佳的长度,从而使全地形机器人能够顺利完成爬梯。下图展示了全地形机器人的爬梯条件,从下图中可知,O是动轮的重心,其位置的改变,随时都会影响机器人的爬梯,在这里,我们用表示其重心的坐标。 图2.5爬梯几何条件图 (2.5) 从上图中可知,底盘长度直接影响了机器人是否能够从第一级楼梯爬上第二级楼梯。下图是全地形机器人的爬梯几何条件图,从图中可知,楼梯的相关参数已经确定,但是机器人的参数可以进行合理的设计,通过调整长度L,达到顺利爬梯的目的。 图2.6爬梯几何条件图. (2.6) 综上所述,机器人的设计,只有符合上述几条公式,才能够顺利完成爬梯。在机器人工作的时候,整个机器人系统通过传感器的一系列分析完成上述的爬楼梯,还可以完成爬楼梯转弯之类的工作。如今,全地形机器人广泛应用于各个领域,因此,为了确保其功能的顺利使用,我们必须对其参数进行合理的设计。本文所设计的全地形机器人,属于双履带结构,楼梯的高度固然会对机器人的爬梯造成一定的影响,但是,机器人本身的参数才是影响其能够顺利爬梯的关键。这款机器人的特点在于对地形的适应能力较强,由于其结构属于双履带结构,所以两个驱动轮在运动中发挥着至关重要的作用,控制着机器人的走向,如图 2.7所示。 图2.7整体结构 虽然履带和驱动轮是两个完全不同的部件,但是彼此之间关系密切。为了确保机器人的功能得以实现,在安装过程中,我们必须考虑各个元件的位置,从而更好地控制机器人的运动方向,保证其足够的动力。以下是全地形移动机器人的斜履带结构图。 图2.8斜履带结构 分析机器人中悬臂梁的受力情况图2.9受力分析图悬臂梁的主要作用是控制斜履带的运行,其受力分析图如上图所示。其中以下是悬臂梁的弯矩图。 图2.10弯矩图 从上图中可知: (2.7) 在这里,我们可以将两边斜履带对应的悬臂梁看成是一个整体: (2.8)根据上述公式,得出悬臂梁的强度计算公式:(2.9) 当最大应力时,。经过反复的检验,我们得出结论:该机器人的悬臂梁强度达到了本次设计的要求。值得一提的是,在验算过程中,我们发现,全地形移动机器人的功率达不到我们的预期,因此,为了确保机器人能够完成爬梯,能处理更多场景下会遇到的情况,能够适应更多的地形。2.3设计机器人的履带从结构上看,履带位于全地形机器人的底部,在其行走中发挥着至关重要的作用。在本文的设计中,笔者采用的是双履带结构的全地形机器人,具体结构如下图所示。在履带的两侧,我们可以看到暗扣,这一设计是为了增加机器人本身的抗拉能力,确保机器人本身的稳定性,尽可能地减少误差。在实际工作过程中,履带必须确保正常运行,位置上不能发生偏差。这也是影响履带使用寿命的关键。值得一提的是,履带的伸长能力并不高,因此,即便变形量无可避免,也不会对其造成明显的负面影响。我们唯一要做的,就是确保履带不会发生断裂,能够正常转动,以下是履带的结构和装配图。 图2.11(a)履带 图2.12(b)履带装配图根据测量结果,履带两个轮子之间的圆心距离是130毫米,但是斜履带这一数值稍微少一些,只有120毫米。因此,根据计算,我们知道履带需要30节,但是斜履带只需要24节即可。 图2.13底盘结构图26 第三章 机器人的成型及其控制第三章 全地形移动机器人的控制系统设计在上述研究中,我们得知,在全地形机器人中,履带和底盘发挥着至关重要的作用。因此,在这一章节中,笔者将会展开对机器人整体结构以及操控方式的描述。以下是该系统的基本控制框架图,从图中可知,直流电机将信号传输到传感器中,传感器经过处理后,将其传输至单片机,与此同时,黑色导线也会将部分信息传输至单片机。多个部件的共同配合,使得信息能够准确无误地从发送端传送到接收端。单片机黑色导线直流电机光电循迹传感器图3.1 系统控制框图3.1 控制系统硬件搭建 在全地形机器人的设计中,我们立足于探索者平台,并且充分利用该平台中的部件,例如手柄,主板,舵机等等。3.1.1舵机的选用 机器人圆周舵机,优点:角度可以保持在驱动当中,稳定性好。特点是结构紧凑,易于安装,控制简单,大扭力,成本低。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机,经由电路板上的IC判断转动方向,再驱动无核心马达开始转动,透过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由位置检测器送回讯号,判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻,当舵机转动时电阻值也会随之改变,藉由检测电阻值便可知转动的角度。为了适合不同的工作环境,有防水及防尘设计的舵机;并且因应不同的负载需求,舵机的齿轮有塑胶及金属之区分,金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型,具有齿轮不会因负载过大而崩牙的优点。较高级的舵机会装置滚珠轴承,使得转动时能更轻快精准。滚珠轴承有一颗及二颗的区别,当然是二颗的比较好。目前新推出的FET 舵机,主要是采用 FET(Field Effect Transistor)场效电晶体。FET具有内阻低的优点,因此电流损耗比一般电晶体少。 舵机是一个微型的伺服控制系统工作原理是控制电路接收信号源的控制脉冲,并驱动电机转动;齿轮组将电机的速度成大倍数缩小,并将电机的输出扭矩放大响应倍数,然后输出;电位器和齿轮组的末级一起转动,测量舵机轴转动角度;电路板检测并根据电位器判断舵机转动角度,然后控制舵机转动到目标角度或保持在目标角度。3.1.2 ARM主控板在本系统中,为了确保一切能够高效稳定地运行,笔者在设计中使用了ARM7。根据需要,将频道调至A。但是对于手动控制的频道,仍然是调制B,因此,在这个系统中,编程手柄的数量是两个。 1. 输入端口1,连接传感器 2. 输入端口2,连接传感器 3. 输入端口3,连接传感器 4. 输入端口4,连接传感器 5.红外线端口,顾名思义,其主要作用是用于发射和接收红外线。 6.选择按键,通过这一按键,可以操控主板。 7.当系统处于工作状态时,程序烧录口的按钮位于位置1上。 8.下载端口,用于数据和程序的下载。 9.舵机端口,主要作用是连接舵机。 10. 数据输出端:主要作用是使数据传输至显示屏上。11. 电源:控制系统的供电12. 复位:等同于撤销之前的指令,让系统恢复原始的状态13. 开关14. 指示灯:系统处于运行状态时,指示灯为绿色,系统发生异常时,指示灯为红色。系统主板由多个按钮组成,在本文的设计中,舵机的数量是八个。为了确保系统的正常运行,必须确保各个按钮能够正常使用,并且连接到相应的端口处。图3.1.2 主板3.1.3系统手柄以下是系统手柄的结构示意图。 图3.1.3手柄1. 红外端口:主要用于发射红外线;2. 与舵机1.2相连的数据输出端口,其主要作用是操控摇杆1;3. 与舵机3.4相连的数据输出端口,其主要作用是操控摇杆2;4. 与舵机5.6相连的数据输出端口,其主要作用是操控摇杆3;5. 与舵机7.8相连的数据输出端口,其主要作用是操控摇杆4;6. 加载按钮:辅助系统完成数据清理工作;7. 通道选择按钮,通过这一按钮,可以操控手柄,根据用户的需求选择频率8. 保存按钮,让系统记住当前的操作9. 上方的按钮用于记录数据1,下方的按钮用于展示数据1,但前提是系统本身必须储存了一定的数据10.上方的按钮用于记录数据2,下方的按钮用于展示数据2,但前提是系统本身必须储存了一定的数据11. 上方的按钮用于记录数据3,下方的按钮用于展示数据3,但前提是系统本身必须储存了一定的数据12. 上方的按钮用于记录数据4,下方的按钮用于展示数据4,但前提是系统本身必须储存了一定的数据13. 下载端口:用于数据的下载和更新14. 电源开关15. 微调按钮:当系统发生差错时,可通过该按钮及时处理系统的异常状况,恢复系统的稳定运行;16. 指示灯:当指示灯显示为红色时,则表明系统正处于正常运行的状态,当指示灯显示为蓝色时,则表明系统已经发出指令。使用说明以下是系统手柄和探索者的结构图。图3.1.4 手柄 手柄的校准作用一旦舵机的使用时间过长或者由于一些特殊情况,其位置也会潜移默化地发生变化,那么我们怎么知道舵机的位置改变了呢?如果我们松开摇杆,系统仍然正常运作,那么这就表明舵机的位置继续调整。事实上,舵机的位置调整在系统运行过程中十分常见。值得肯定的是,如果舵机的位置没有发生改变,那么微调就显得没有意义。但是,只要我们发现舵机的方向或者角度不合适,就需要马上对其进行调整,值得一提的是一般需要微调的是圆周舵机,而标准舵机不需要微调。但是可以通过微调来调整标准舵机的角度,掌握这些小技巧可以更熟练的使用舵机和搭建机器人。如下图所示:例:微调1号端口舵机。按下adjust按钮,同时推动摇杆。舵机会越转越慢,舵机停转时松手。如果越转越快,就把摇杆推到另一个方向。 图3.1.5手柄校准完成了系统的设计以后,我们需要对其功能进行测试,发现不足之处,并且及时进行调整。3.2传感器与编程3.2.1传感器的选择与安装本次小车采用黑标传感器共用到四个黑标传感器装在小车底部,中间的两个传感器尽量靠的近一点,可以使小车走的更加直,另外两个黑标传感器装在两边履带的外侧,保证在走的太偏的时候能够触发它使小车能够产生较大的差速,从而能调回来。具体位置如下图所示:图3.2.1 黑标传感器3.2.2编程对于智能小车的程序编写,可以用汇编语言进行编程,但缺点是灵活度不够,调试也非常的繁琐。我采用效率最高的switch语句进行编程,这样可以大大加强智能小车的行走效果。系统控制流程图如图3.6所示。开始系统初始化机器人开始爬坡左侧黑标传感器是否返回信号左侧抬起,机器人左侧微微翘起右侧黑标传感器是否返回信号右侧抬起,机器人右侧微微翘起否否是是图3.2.2 系统控制流程图主要程序如下:while(1)s=0;i=0; for(i=0;i4;i+)s=s|(Input(i+1,1)i);switch (s)case(0x01): Servo(3,90);Servo(4,90);Servo(5,97);Servo(6,97);Delay(50);break;case(0x02):Servo(3,75);Servo(4,75);Servo(5,80);Servo(6,80);Delay(50);break;case(0x04):Servo(3,100);Servo(4,100);Servo(5,110);Servo(6,110);Delay(50);break;case(0x05):Servo(3,90);Servo(4,90);Servo(5,97);Servo(6,97);Delay(50);break;case(0x08):Servo(3,70);Servo(4,70);Servo(5,80);Servo(6,80);Delay(50);break;case(0x10):Servo(3,75);Servo(4,75);Servo(5,80);Servo(6,80);Delay(50);break;default:Servo(3,26);Servo(4,26);Servo(5,180);Servo(6,180);Delay(50);break;return(1);3.3电路的安装与调试3.3.1电路的安装将两边圆周舵机的线连接到主控板2.3.4.5端口上,内侧黑标传感器接在input 1和2接口,外侧黑标传感器接在input 3和4接口。3.3.2电路的调试将写好程序的小车放在地上,按照不同的情况对小车进行速度的测试,首先是当黑标全部触发和全部不触发的时候使两边的速度差不多保持一致,使小车大体上可以走直线,还有当左边黑标传感器触发时,右边的速度变慢同时左边的履带反转,以便于调整成直线,同样,当右边黑标传感器触发时,左边的速度变慢同时右边的履带反转。还有当左边外侧黑标传感器触发时,右边的速度应该快于左边,且速度差要大于触发黑标时的速度差,因为它要求的转弯角度更大。当左边的两个黑标同时触发到的时候,与左边内侧黑标触发到的情况一样。右边外侧黑标触发到的时候情况类似。 第四章 实验结果第四章 实验结果在搭好全地形移动机器人后,我们需要展开一系列的实验,其目的是为了验证全地形机器人具备爬梯,转弯等多种基本功能。通过功能的验证,表明全地形移动机器人的水平已经接近了我们的预期水平,并且较为稳定,高效。这个实验使机器人通过弯道,坡道,凹凸地面,楼梯来测试整体性能。场地障碍物如图所示。图4.1障碍物示意图 转弯测试,转弯测试分为左右两个方向,采用硬纸板形成弯道,在转弯的时候传感器能够很好的工作,无论左右方向的转弯在快要触碰到的时候传感器都能够完成工作,让小车完成转弯。不足的地方是在转弯过程中会因为传导问题影响速度和转弯的流畅性。图4.2转弯过程爬坡测试:根据调查结果显示,当前我国学校大部分的楼梯高度都不超过20厘米,并且由于铺设了瓷砖,所以较为光滑。因此,对于履带全地形机器人而言,完成爬梯动作并不容易。结果表明,虽然“楼梯”已经比较粗糙,但是由于控制不稳,导致履带全地形机器人在爬楼过程中出现滞后的现象,后来微调整了一下试验场地增加了摩擦力完成了实验。图4.3爬坡过程爬凹凸地面测试:测试地点为凹凸的道具。实验结果表明,当全地形机器人遇到了凹凸不平的地面,运动明显出现停滞,并且需要加大一些动力,才能够顺利跨过障碍物,这一点仍然有待完善。图4.4凹凸地面爬楼梯实验:爬楼梯实验是测试小车爬坡能力的最好体现,该坡道斜度约为30度,倾斜幅度并不算很大。结果表明,全地形机器人很快就完成了坡道测试,唯一美中不足的是,在测试的过程中,手柄控制不稳导致全地形机器人出现滞后的现象。在开始过程中有明显的停滞和后退,证明动力欠缺,在爬上第一个楼梯后调节能力很明显对之后的上升下降都有比较好的能力,实验结果表明在爬楼梯过程中有所欠缺动力,但是行进效果比较良好。图4.5爬楼梯实验本次测试一共包括四项,分别是转弯测试,爬坡道测试,爬凹凸地面测试,爬楼梯测试。测试结果表明,在前两个测试中,过程进行得比较的顺利,但是,在爬凹凸和楼梯测试中,测试并没有那么的顺利,主要是由于发动机的功率不足。因此,针对这一点,我们今后在系统的设计中应该进行改良。 第五章 结论第五章 结论本文研究的是全地形机器人的结构设计,并且借助了探索者的平台。由于本文选择的是双履带结构的全地形移动机器人,而底板和履带都是其核心的组成部分,因此,笔者对这两部分进行了分开的研究。在底板的设计中,笔者主要关注的是斜履带的设计,通过大量重复的实验,反复对其进行改良,并最终确定了悬臂梁结构。从结构上看,悬臂梁比较简单,操作方便。但是,它也同样存在不足之处,例如:功率不足,在爬楼梯的过程中,需要借助外界的力量。在全地形机器人的功能分析中,笔者利用了数学建模方法,并且对结果进行了仿真测试。在这个过程中,由于零件自身的因素,导致建模过程面临严峻的考验。在本次论文中,我不仅运动了机械学的知识,而且也运用了力学的知识。这让我体会到,只有将理论的知识应用到实际操作中,才能够真正体现知识本身的价值。在本文的撰写过程中,我了解了的内容,明白了这款软件的使用。我相信,这不仅帮助我顺利地完成了毕业论文,而且对于我今后的工作和生活都有一定的推动作用。我相信,在未来的发展中,全地形机器人将会应用在越来越多的领域,取得更大的进步。任何一个从无到有的过程都是艰辛的,在这个过程中必须要懂得学习,互相学习,不断地进行尝试最终才能获得成功。第一次模拟这种机器人,作为新手,我对机器人从不知道到了解、从了解到熟悉、从熟悉到精通。期间的收获是无法用言语表达的。在坚持不懈的努力下,一步步的完成了机器人的任务分析、机械结构设计、机构搭建、程序编辑。纵使过程充满了艰辛与挑战,但从中收获到的东西却是值得我们一直去努力的去怀念的。全地形机器人主要可用于以下方面:1. 在恶劣的环境下,借助传感器,搜救生命,在地形不好不方便人进入的地方都可以用到,大大减少了等待时间,能提供很准确的情况。2. 应用在外太空以及更多的未知领域,用于生命的探测。 3. 可用于反恐演练,防暴事件等等,以机器人代替真人,从而在一定程度上规避风险,减少人员伤亡发生的几率。 29 参考文献参考文献1探索者机构大全2探索者使用指南 3探索者训练手册(电子与程序篇)4探索者训练手册(机械篇)5赵松年,张奇鹏. 机电一体化机械系统设计M .6王海波.机电一体化设计基础M,北京:化学工业出版社,20127王全景,张庆余.48小时精通CREO PARAMETRIC 3.0中文版零组件设计技巧M.北京:电子工业出版社,2013.8李磊.载人月球车结构设计与仿真分析D.南京航空航天大学,20129高海波,邓宗全,等. 行星轮式月球车移动系统的关键技术J.机械工程学报,2005,(12) : 6-7.10宋小康全地形移动机器人建模与控制研究综述机器人,200750550611徐贺,谭大伟,张振宇崎岖地面上移动机器人构型发展综述中国科技 论文在线,20091-412朱磊磊轮式移动机器人研究综述机床与液压,200924224313胡明,邓宗全,高海波,陶建国基于ADAMS的六轮月球车动力学和建14模与仿真哈尔滨工业大学学报,20071415陈承钢基于Sugeno型模糊推理算法的冗余度机器人避障规划研究浙江工业大学硕士学位论文1,2010646516刘银春DSP56F807在小型无人机舵机控制器中的应用湖南工程学院学 报(自然科学版),20071-417胡仁刘喜 马征飞. Solidworks2012机械设计从入门到精通.机械工业出版社,2012.418宏 刘宇 姜力.空间机器人机器遥操作,哈尔滨工业大学出版社,2012.9 附录附 录 整体装配图应要求画在solidworks中,并配画有二维的车身装配图,方便整体和分三视图查看。 致谢致谢此次设计能够顺利完成,我的导师郭语老师功不可没。郭老师在此次技术指导中一直很耐心,将自己所知道的都同学生分享,不懂的地方郭老师也去认真的查询资料,对知识的更新不断追求,细心耐心的为我解答所遇到的全部问题,使得我的印象极为深刻,使得在设计期间我获取到许多新知识。郭老师的这种治学品格在生活中也值得我认真学习,严于律己,不骄不躁,耐心虚心的态度更将是我们学生学习的榜样。衷心感谢在此次实验中郭老师所做的一切。30
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