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θ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MOSFETⅡ型驱动器。
关键词：爬楼机器人；三星轮； MOSFET驱动电路；单片机 C8051F310
Abstract
Abstract
Moving weight from up and down is required in our daily activities and productivities, and it was done 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-climbing 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 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 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 θ and q which import for climbing staircase Analyzed the circuit of high-power motor driving, design a more suitable circuit than IC L298N.Which is dc generator with highly efficient driving MOSFETⅡ.
Key words：Stair-climbing robot；Three–star wheels；MOSFET driving circuit；Single chip microcomputer C8051F310
II
目录
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[摘要] ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I Abstract ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ II 第一章 引言 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.1 课题研究的目的和意义 ------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.2 移动机器人的发展概况 ------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.3 爬楼梯机器人目前的研究状况 --------------------------------------------------------------------------------- 4 1.4 论文研究的主要内容 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 6 第二章 爬楼机器人的总体设计 ---------------------------------------------------------------------------------------- 8 2.1 爬楼机器人的设计要求 ------------------------------------------------------------------------------------------ 8 2.2 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 --------------------------------------------------------------- 11 3.1爬楼梯机器人小车的执行电机选择 ------------------------------------------------------------------------- 11 3.1.1技术指标 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 3.1.2电机选型 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 3.2爬楼机器人的机构设计 ----------------------------------------------------------------------------------------- 13 3.2.1 机器人小车传动机构设计 ------------------------------------------------------------------------------- 13 3.2.2传动部件的设计与校核 ----------------------------------------------------------------------------------- 15 3.2.3爬楼机器人转向机构设计 -------------------------------------------------------------------------------- 19 3.2.4机器人小车结构设计 --------------------------------------------------------------------------------------- 20 3.3爬楼机器人小车三维实体建模 ------------------------------------------------------------------------------- 22 3.3.1 Pro/E软件介绍 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 22 3.3.2三维实体建模 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 22 3.4 爬楼机器人小车行驶性能分析 ------------------------------------------------------------------------------- 23 3.4.1可跨越最大垂直障碍高度 -------------------------------------------------------------------------------- 23 3.4.2最小转弯半径 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 24 第四章 爬楼机器人控制系统设计 ----------------------------------------------------------------------------------- 26 4.1 机器人爬楼梯的控制目标 ------------------------------------------------------------------------------------- 26 4.2 机器人的体系结构及系统组成 ------------------------------------------------------------------------------- 26 4.3控制系统主要硬件的选择 -------------------------------------------------------------------------------------- 28
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4.3.1单片机的选型 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 28 4.3.2传感器的选择 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 29 4.4机器人控制系统的程序编制 ----------------------------------------------------------------------------------- 31 第五章 总结与展望 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 38 5.1全文总结 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38 5.2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2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。
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