探測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開題報(bào)告.doc

探測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開題報(bào)告一、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(qiáng)國相互競爭的一個(gè)焦點(diǎn)，出于安全性等因素的考慮，對探測機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)也成為了開發(fā)資源的重要硬件之一，探測機(jī)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(dòng)機(jī)器人行星探測移動(dòng)機(jī)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?yàn)?移動(dòng)機(jī)器人是行星科學(xué)研究中著陸探測和取回樣品到實(shí)驗(yàn)室分析的有力工具。人類在太空中停留數(shù)月之久會(huì)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(gè)月或更長一點(diǎn)時(shí)間。但機(jī)器人不存在這個(gè)問題。因此，行星探測移動(dòng)機(jī)器人的研究是對行星進(jìn)行長期實(shí)地考察的需要。大大節(jié)省探測成本。以月球探測為例，根據(jù)粗略的估計(jì)，一次有人駕駛的飛行所花費(fèi)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(jī)器人執(zhí)行無人駕駛飛行任務(wù)是合算的。有利于提高國家國防自動(dòng)化的水平和國際地位。因此，行星探測移動(dòng)機(jī)器人的研究受到世界各國的高度重視。62）海洋探測機(jī)器人海洋探測機(jī)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(jī)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(jī)器人能更好的完成指定任務(wù)，水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)就成為了一個(gè)重要的研究課題。13）油井故障探惻機(jī)器人探測儀器的送進(jìn)是油田上測井、修井等井下作業(yè)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。34)履帶式井下探測機(jī)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(jī)器人可在災(zāi)害發(fā)生前對隱患進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的檢測與預(yù)防，災(zāi)后進(jìn)行施救等重要的危險(xiǎn)任務(wù)。5關(guān)于探測機(jī)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(jī)器人；還有醫(yī)學(xué)探測機(jī)器人等。2006年，中國政府制定的國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)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（20062020年），將發(fā)展航天事業(yè)置于重要地位。根據(jù)上述兩個(gè)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(shí)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(dòng)并繼續(xù)實(shí)施載人航天、月球探測、高分辨率對地觀測系統(tǒng)、新一代運(yùn)載火箭等重大航天科技工程，以及一批重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先項(xiàng)目，加強(qiáng)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(jìn)步和創(chuàng)新。要發(fā)展航空事業(yè)，對月球進(jìn)行探索，那么研究設(shè)計(jì)探測機(jī)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(jī)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(shí)間1997年7月4日17時(shí)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(tuán)。這是上世紀(jì)自動(dòng)化技術(shù)最高成就之一。6日本對機(jī)器人的設(shè)計(jì)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(jī)器人,能在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中探測被埋人員。還專門進(jìn)行了實(shí)用演示。這種機(jī)器人外表象是一條粗大的節(jié)足昆蟲,長143m,由7節(jié)組成,有人的小腿一般粗細(xì),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(jī)鏡頭會(huì)隨時(shí)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(jī)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(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)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(diǎn)，國內(nèi)外提出并試驗(yàn)了多種類型的空間探測機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)。2）探測機(jī)器人移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人是一個(gè)研制方向.(2)由于航天器技術(shù)、尺寸、質(zhì)量和費(fèi)用的限制,微小型行星探測機(jī)器人是目前發(fā)展的主流.(3)由于通信時(shí)延和微重力作用的緣故,中低速移動(dòng)機(jī)器人是研制的主流.(4)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方案相結(jié)合是研制靈活可靠的行星探測機(jī)器人的設(shè)計(jì)方向.63）設(shè)計(jì)探測機(jī)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(dòng)機(jī)器人,但到目前為止,無論國內(nèi)還是國外,同時(shí)具備以下性能的移動(dòng)機(jī)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(tái)階；(2機(jī)器人陷入軟土壤中時(shí),能自動(dòng)脫離軟土壤區(qū),恢復(fù)正常的行駛能力；(3)整機(jī)的可密封性和可壓縮性良好；(4)克服傾翻對機(jī)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(jìn)行擴(kuò)充，而這些又是行星探測等領(lǐng)域移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人是行星探測機(jī)器人移動(dòng)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(jī)器人為目標(biāo)，采用模塊化設(shè)計(jì)，以便根據(jù)要求選擇和定制配置，并在需要的時(shí)候方便更換和添加其他模塊，具有良好的機(jī)動(dòng)性，在越障、跨溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。該機(jī)器人的最大優(yōu)點(diǎn)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(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，對機(jī)器人進(jìn)行性能指標(biāo)分析，動(dòng)態(tài)分析，使機(jī)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(jī)器人的移動(dòng)方式，并對整個(gè)探測機(jī)器人的整體進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。1）移動(dòng)方式的確定2）總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、對探測機(jī)器人系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，繪制機(jī)械圖。4、給出移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。1）選擇傳感器2）控制系統(tǒng)3）驅(qū)動(dòng)器的選擇目標(biāo)：掌握探測機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，從實(shí)際應(yīng)用環(huán)境出發(fā)確定機(jī)器人的移動(dòng)方式，選用合理的目標(biāo)監(jiān)測手段，來實(shí)現(xiàn)探測目的。三、實(shí)現(xiàn)方法及其預(yù)期目標(biāo)1、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的探測機(jī)器人由四個(gè)模塊構(gòu)成，即底盤運(yùn)動(dòng)模塊、電源及驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、控制計(jì)算機(jī)模塊。大體結(jié)構(gòu)如圖1-1圖1-1機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)2、移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析便攜式機(jī)器人按移動(dòng)方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進(jìn)移動(dòng)式、混合移動(dòng)式、蛇行移動(dòng)式等，各種移動(dòng)方式的機(jī)動(dòng)性能對比如表1-1表1-1車輪式、輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較：移動(dòng)機(jī)構(gòu)方式輪式履帶式腿式移動(dòng)速度快較快慢越障能力差一般好機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度簡單一般復(fù)雜能耗量小較小大機(jī)構(gòu)控制難易程度易一般復(fù)雜很明顯，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能居于輪式和腿式移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)原理：3、移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一個(gè)在實(shí)際工作中的機(jī)器人，他的運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，任務(wù)的具體執(zhí)行有終端機(jī)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(gè)機(jī)器人的活動(dòng)作決策和付諸實(shí)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(jìn)行的干預(yù)很少-自由方式；人的干預(yù)很多-手動(dòng)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(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過程中涉及三方面：信息-機(jī)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(jī)器人自身狀態(tài)。決定-產(chǎn)生執(zhí)行任務(wù)的行動(dòng)方式，任務(wù)的程序設(shè)計(jì)。行動(dòng)-控制信號的產(chǎn)生和實(shí)施。如圖1-2所示控制計(jì)算機(jī)模塊傳感器模塊電源驅(qū)動(dòng)模塊底盤運(yùn)動(dòng)模塊圖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(gè)方面：1）選擇傳感器首先，機(jī)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(jì)算，對他的行為進(jìn)行選擇判斷。其中，視覺是最重要的，因?yàn)?，即使只有視覺的時(shí)候，也能根據(jù)看到的進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)視覺的功能是需要光的，如果在晚間執(zhí)行任務(wù)時(shí)就很難實(shí)現(xiàn)其功能，為更好的使機(jī)器人完成認(rèn)為，再加一個(gè)超聲波傳感器。2）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是指機(jī)器人的信息處理裝置，在本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，選擇數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。這是一個(gè)依據(jù)事先和事后的信息而產(chǎn)生對機(jī)器人的控制命令的系統(tǒng)。信息主要來自人-機(jī)對話和感覺系統(tǒng)。機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)前。在計(jì)算機(jī)重要貯存好一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型，一個(gè)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(jì)算機(jī)接受來自傳感器的機(jī)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(yàn)等，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)對機(jī)器人的控制命令。3）驅(qū)動(dòng)裝置的選擇按照能源的不同，可分為液動(dòng)，氣動(dòng)，電動(dòng)三大類。電驅(qū)動(dòng)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(diǎn)而被廣泛采用。在機(jī)器人使用的電驅(qū)動(dòng)器中，步進(jìn)電機(jī)與數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的結(jié)合上，表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。所以驅(qū)動(dòng)裝置選擇步進(jìn)電機(jī)。4軟件組成硬件只是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軀體；而軟件則是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行、硬件功能的發(fā)揮以及控