移動機器人機械臂的設(shè)計畢業(yè)論文.doc

本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第1頁共45頁1引言1.1移動機器人機械臂的研究意義及目的本文以實際項目小型地面移動機器人的機械臂為研究對象。設(shè)計移動機器人的機械臂的結(jié)構(gòu)。所謂移動機械臂，就是將機械臂安裝在是一個小型多用途移動作業(yè)機器人智能移動平臺，小型多用途移動作業(yè)機器人是一個智能移動平臺，其上可搭載爆炸物處理、偵察、通訊、探測系統(tǒng)或其他特殊作業(yè)系統(tǒng)。移動機械臂用來實現(xiàn)一些動作如抓取，可以在機械臂的末端執(zhí)行器上安裝一定的工具進行作業(yè)，通過移動平臺的移動來擴大機械臂的工作空間，這種結(jié)構(gòu)使移動機械臂擁有更大的操作空間和高度的運動冗余性，并同時具有移動和操作功能，這使它優(yōu)于傳統(tǒng)的機械臂，則具有了更廣闊的應(yīng)用前景1。目前智能移動機器人正向著擬人化、仿生化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛，幾乎滲透到各個領(lǐng)域2。移動機器人技術(shù)的研究屬于多學(xué)科相互交叉，相互滲透的，對它的研究具有很大的理論價值和廣闊的應(yīng)用前景。在工業(yè)機器人問世40多年后的今天，機器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，機器人的功能己不再是只能從事某項簡單的操作，而是可以承擔多種任務(wù)；機器人的工作環(huán)境也不再是固定在工廠和車間現(xiàn)場，而是開始走向海洋、太空和戶外，有些甚至已經(jīng)進入醫(yī)院、家庭和娛樂場所。具有智能特性的自主式移動機器人正在向非制造業(yè)方向擴展，這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護理、服務(wù)、農(nóng)林、辦公自動化和災(zāi)害救護等，如飛行機器人、海難救援機器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機器人、護理機器人等。近年來，對移動機器人的研究受到重視，仿照生物的功能而發(fā)明的各種移動機器人越來越多，小到娛樂機器人玩具、家用服務(wù)機器人，大到工程探險、反恐防爆、軍事偵察機器人等。相應(yīng)地，這些領(lǐng)域?qū)λ鶓?yīng)用的移動機器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機器人的運動速度、靈活性、自主性、作業(yè)能力等方面的要求越來越高。因此，無論是在制造業(yè)還是在非制造業(yè)，具有智能特性的自主式移動機器人成為了國內(nèi)外研究的熱點。歷史上一切高新技術(shù)無不首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，移動機器人機械臂也不例外。隨著二十世紀末的幾場局部戰(zhàn)爭和二十一世紀初期席卷全球的反恐戰(zhàn)爭進程，特種戰(zhàn)爭以及城市戰(zhàn)爭日益成為戰(zhàn)爭一類型的主角，這一轉(zhuǎn)變直接推動了各國地面移動作戰(zhàn)平臺即軍用地面移動機器人的發(fā)展?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭凸現(xiàn)了局部范圍內(nèi)的信息化，而戰(zhàn)場機器本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第2頁共45頁人憑借自身的優(yōu)勢特點，已經(jīng)在本世紀的戰(zhàn)爭，例如伊拉克戰(zhàn)爭中成為耀眼的新星?，F(xiàn)代戰(zhàn)場尤其是城市內(nèi)反恐怖戰(zhàn)爭中單兵的生存能力受到了極大的挑戰(zhàn)，微小型地面移動機器人由于體積小、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機動性好、生存能力強、成本低等特點，并且可以在遠程遙控甚至自主情況下完成部分原本由士兵完成的任務(wù)，可以不論白天還是黑夜都能了解周圍的樓房里及街道上的敵情。除偵察外，微小型機器人搭載微小型武器系統(tǒng)還可完成諸如掃雷、排除爆炸物、控制武器射擊等各項任務(wù)，而且不會有人員傷亡，極大減少了傷亡率。因此特別適用于城市和惡劣環(huán)境下的局部戰(zhàn)爭和信息、戰(zhàn)爭，具有重大意義和軍事效益。二十一世紀的戰(zhàn)場，戰(zhàn)爭的初期極可能是一場無人系統(tǒng)的較量。永不疲倦、無所畏懼的微小型無人移動機器人是最理想的士兵。它們已在戰(zhàn)爭中顯示出的作戰(zhàn)本領(lǐng)，可以證明它們在未來戰(zhàn)場上的重要地位。微小型無人移動機器人的機械臂特別適用于城市和惡劣環(huán)境下(如核、生、化戰(zhàn)場等)的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭，具有重大戰(zhàn)略意義和效益。1.2移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及研究小型地面移動機器人機械臂在未來生活中，包括消防、探測等危險作業(yè)中的應(yīng)用將會越來越廣。包括在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢，也是我國國防科技行業(yè)重點支持的方向之一。通過對小型移動機器人機械臂系統(tǒng)研制，在整體系統(tǒng)的各個方面積累了比較豐富的設(shè)計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進移動機器人機械臂將走向成熟和實用化。未來移動機器人機械臂將有以下主要特點:更優(yōu)的性能質(zhì)量比；更強的環(huán)境適應(yīng)能力；更高的智能性能；具有成熟的機械臂系統(tǒng)；軍品級別的可靠性。1.2.1國外移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀國外在移動機器人機械臂方面的研究起步較早，初期的研究主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高而導(dǎo)致室外移動機器人機械臂的研究未達到預(yù)期的效果，但卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機器人機械臂的途徑積累了經(jīng)驗，同時也推動了其它國家對移動機器人機械臂的研究與開發(fā)。進入90年代，隨著技術(shù)的進步，移動機器人機械臂開始在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M軍。例如2002年IRobot研制的金字塔探測機器人“金字塔漫游者”，身長30厘米，寬12厘米，高度可在11至28厘米之間調(diào)節(jié)。機器人身帶5件法寶:超聲波傳感器、地面探測雷達系統(tǒng)、力度測量儀、高分辨率光纖鏡頭和導(dǎo)電傳感器，具備世界上最小的地面探測雷達系統(tǒng)，可以穿透厚超過90厘米的混凝本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第3頁共45頁土。美國在2003年發(fā)射的兩輛火星探測車“勇氣”號和“機遇”號分別于2004年1月3號和24號在火星的不同區(qū)域安全著陸，并完成了90個火星日的科研工作。拿“勇氣”號探測車來說，就是一個具有手臂的移動機器人。他的大腦是一臺高速計算機，車體靠自身具有的六個輪子在火星地面運動，視覺系統(tǒng)采用一對全景照相機來拍攝火星表面和天空的全景視圖，也用于形成著陸點附近的地形圖、搜索感興趣的巖石和土壤，來完成尋找火星遠古時期存在液態(tài)水的證據(jù)的工作。另外分別于車體前端和后端安裝了兩組相同的避危攝像機，由一組立體影像的黑白攝影機所構(gòu)成的，所拍攝的影像除了用于障礙物偵測之外還用于探測車的路徑規(guī)劃上。最先進的要數(shù)探測車上的機械手臂，手臂末端裝備了各種工具，有顯微鏡成像儀、三種質(zhì)譜儀和兩種分光計，一套巖石研磨和樣本采集土具以及三個磁鐵陣列，所有設(shè)備主要是用來尋找火星上是否曾經(jīng)有液態(tài)水的證據(jù)。西班牙羅斯羅卡公司研制的“羅德”輪式機器人。該機器人可用于清理雷場和處理炸藥等危險物品。該車長1.4m,寬0.67m、高0.8m、重350kg、(6X6)驅(qū)動、動力裝置為1臺電動機，車上供電蓄電池可使用2h，車速(前進或后退)可在0至6.5km/h之間連續(xù)變化。車上裝有活動操作臂，有6個自由度，固定在機器人車的旋轉(zhuǎn)塔上。機械臂不伸長時可吊重80kg，伸直時最長為1.5m，此時可吊重16kg。操作臂頂端裝有夾爪，夾緊力可達30kg，能把物體提升至2.75m高。該車采用100m(或250m)長的電纜或無線電裝置進行遙控。機械手完成整個操作過程必須借助1臺黑白或彩色電視顯示器，顯示車上3個攝像機獲得的監(jiān)視駕駛、機械臂控制和夾爪操作的圖像。車上裝有兩個鹵氣探照燈，可在夜間或能見度很低的地區(qū)使用。除室外移動機器人外，世界各國在遙控移動機器人、高完整性機器人、生態(tài)機器人學(xué)(生物機器人學(xué))、多機器人系統(tǒng)、環(huán)境與移動機器人系統(tǒng)的集成等方面都作了大量的研究。1.2.2國內(nèi)移動機器人發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)對移動機器人機械臂的研究起步雖然較晚，但經(jīng)過近幾十年的發(fā)展也取得了很大進步，但大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段。國內(nèi)的移動機器人機械臂研究主要經(jīng)歷了算法的研究和仿真、國外機器人平臺的引進和自主開發(fā)三個階段。下面是國內(nèi)的主要研究成果?！熬盼濉逼陂g由浙江大學(xué)、南京理工大學(xué)、國防科大、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)聯(lián)合研制了ALVLABII型陸地移動機器人，并成功完成了全部實驗測試，正常行駛速度為30.6km/h，同時支持臨場感遙控駕駛及戰(zhàn)場偵察等功能。清華V型智能車THMR-V是清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室在中科院院士張錢教本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第4頁共45頁授主持下研制的新一代智能移動機器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于1994年通過鑒定。車體采用道奇7座廂式車改裝，裝備有彩色攝像機和激光測距儀組成的道路與障礙物檢測系統(tǒng)；由差分GPS、磁羅盤和光電碼盤組成的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)等。兩套計算機系統(tǒng)分別進行視覺處理，完成信息、融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。4臺IPC工控機分別完成激光測距信J息、處理、定位信息、處理、通訊管理、駕駛控制等功能。設(shè)計行駛于高速公路車速為80krn/h，一般道路為20km/h。目前已能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，進行道路跟蹤和避障礙自主行駛。清華大學(xué)智能車涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)，基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)，路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)，傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)和智能移動機器人的設(shè)計和實現(xiàn)。DY-I型導(dǎo)游服務(wù)機器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)公司推出的新一代智能導(dǎo)游機器人，該機器人由伺服驅(qū)動系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語言識別及語言合成系統(tǒng)組成。導(dǎo)游機器人由蓄電池供電，可連續(xù)運行4h，在一定環(huán)境下可自主行走，并可進行避障，并通過語啟一系統(tǒng)可以進行人機交互。此外還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計自動化及制造研究中心的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機器人、中科院沈陽自動化所研發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的激光導(dǎo)引AGV和用于公安防暴的“靈晰一B”型移動機器人、中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計制造的全方位移動機器人導(dǎo)航系統(tǒng)等。本文主要論述是移動機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計。1.2.3移動機器人的研究熱點綜合國內(nèi)外對于移動機器人的研究情況，當代移動機器人的研究主要集中于以下幾個方面。(1)機械臂結(jié)構(gòu)。機械臂機械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，是根據(jù)實際需要進行的。在機械臂機構(gòu)方面，結(jié)合機器人在各個領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當前，對足式步行機器人、履帶式和特種機器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機器人由于其控制簡單、