南昌航空大学科技学院学士学位论文
轮式移动机器人的结构设计
摘要：本文首先对机器人的国内为发展现状做了介绍，同时根据设计要求对机器人
的整体方案进行了分析，包括几何尺寸、控制芯片的选择。然后从机器人性能要求的角度出发，分别对机器人的运动方式、模型结构和车体成型方式做了比较，最终确定了非完整约束轮驱四轮式移动结构模型——后轮同轴驱动，前轮转向的轮型机器人。 本文对移动机器人硬件结构做了详细的可行性分析及设计，并且做了相应的计算、校核，主要包括：驱动轮电机和转向轮电机的选择；齿轮的设计计算和校核；前后减震系统以及转向机构设计和车体的一些机械结构设计等。对轮式移动机器人的运动学特性进行了分析，建立了不考虑滑行、刹车等的轮式移动机器人的运动学模型。 最后，本文对所作研究和主要工作进行了总结，并将设计的轮式机器人的结构进行联合调试。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠，可控制性高，安全性高，达到了本设计的设计要求。
关键字：轮式移动机器人 运动学模型 结构设计
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The structural design of the wheeled mobile robot
Abstract: First in the paper for the domestic present situation of the development of
the robot is presented, and according to the design requirements of the overall plan for robots are analyzed, including geometry size and control chip choice. Then from the Angle of robot performance requirements respectively, the robot mode of motion, model structure and body forming method are compared, final nonholonomic constraint four wheel drive wheeled mobile structure model, rear wheel drive coaxial, front wheel steering wheel robot.
In this paper, the mobile robot hardware structure of a detailed feasibility analysis and design, and make the corresponding calculation, checking, mainly including: the drive wheels motor and motor turning wheels choice; The design of gear calculate and check; Before and after the damping system and steering mechanism design and some of the mechanical structure design of the body. Wheeled mobile robots to the kinematic characteristics, the paper builds don't consider taxi, brake of the robot kinematics model. Finally, this paper study and main work are summarized, and the wheel will design the structure of the robot joint debugging. The experimental results show that the system has stable performance, reliable, but controlling high, high safety, achieve the design design requirements.
Keywords: wheeled mobile robots kinematics model structure design
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目 录
1 前言··························································（2） 2 机构的驱动方案设计········································（5）
2.1 机器人运动方式的选择··········································（5） 2.2 轮式机器人驱动方案设计········································（9） 2.2.1轮式机器人驱动轮组成······································（10） 2.2.2轮式机器人转向轮组成······································（11） 2.2.3电机选择··················································（12） 2.2.4减速机构的设计············································（17） 2.2.5变速箱体、前车体及电池箱··································（18） 2.2.6后减震及前减震机构········································（19） 2.2.7车轮和轮毂················································（20）
3 传动机构、执行机构的设计及受力分析····················（23）
3.1 传动机构的设计················································（23） 3.2 执行机构的设计················································（24） 3.3 机器人受力分析及如何保证加速度最优····························（24）
4 轮式移动机器人的运动学分析······························（26）
4.1 轮式式机器人的运动学建模······································（26） 4.2 阿克曼约束的机器人运动模型····································（29）
5 轮式移动机器人的运动控制系统设计·······················（32）
5.1 控制系统硬件设计··············································（32） 5.2 控制系统软件设计··············································（34） 5.2.2上位机控制系统软件设计····································（34） 5.2.3下位机控制系统软件设计····································（34）
6 结论··························································（36） 参考文献·························································（37） 致谢······························································（38）
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1 前言
移动机器人的研究始于上世纪60年代末期，随着计算机技术、传感器技术以及信息处理技术的发展，移动机器人已被广泛应用于工业、农业、医疗、保安巡逻等行业。机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
国外对于移动机器人的研究起步较早，日本是开发机器人较早的国家，并成为世界上机器人占有量最多的国家，其次是美国和德国。进入90年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军。前苏联曾经在移动机器人技术方面居于世界领先的地位，俄罗斯作为前苏联的继承者，在机器人技术领域依然具有相当雄厚的技术基础，ROVER科技有限公司把在开发空间机器人中获得的经验应用于开发地面机器人系统，如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工作伙伴平台以及ROSA-2移动车等，最近的突出成果是2003年发射的火星漫游机器人一一“勇气”号与“机遇”号。虽然国内有关移动机器人研究的起步较晚，但也取得了不少成绩。2003年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了130 Km/h的稳定时速，最高时速170 Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位[1]。但是我国在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面，同发达国家相比，我国仍存在较大的差距。未来研究热点是将各种智能控制方法应用到移动机器人的控制。
机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个
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工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。
本毕业设计课题主要是为了掌握和了解轮式移动机器人的基本结构和运动控制系统的能力，基本能实现前进、后退、360°范围转动的运动,也可以为机器人的运动和控制提供一个很好的研究平台。本文所讨论机器人系统运动学模型近似于汽车，因此称为轮式机器人，它的组态由机器人在工作环境中的位态确定。
它作为一种小型轮式移动机器人，是一种非线性控制系统。为了能发挥将来加载
作为主要在室内工作的机器人长度不宜超过1000mm高度要控制在机器人平衡稳定运作的范
量减小纵向尺寸，使车体紧凑。内置于其中的电路板和电池的尺寸也要受到限制。设计电路是要尽量选用功能大、集成度高的芯片，而电池要选用体积小并且耐用的型号。因此，本课题控制器设计选用STC89LE52单片机来实现控制电路的架构，并且减少外围逻辑电路，使板面布局紧凑。
车体系统的运动性能是影响系统性能，决定机器人性能达标的重要因素。因此，在软硬件选型时，满足快速性、准确性要求是考虑的第一要素之一。要求机构能够具有更大的灵活性与柔性，能够具有更大的跨越障碍的能力。最好采用减震设计，它有利于保护机器人各组成部件，特别是电器元件。
相对于工业环境来讲，我们设计的机器人所处的环境所受的强磁干扰要小得多，但是要达到系统运作实时、准确，某些干扰就显得较为明显:
首先，机器人体积很小，电机及其驱动系统，处理器系统，无线模块同处于很小的空间，这几部分之间的相互干扰，特别是电机及其驱动系统对处理器的干扰，无线
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