1、中国矿业大学本科生毕业设计姓名学号学院专业设计题目小型轮式机器人的设计与研究指导教师职称教授讲师2012年月摘要本文以小型轮式机器人为研究对象，结合当前轮式机器人技术的发展，提出所需要的功能和需要满足的性能和指标，设计出小型轮式机器人行走机构。小型轮式机器人行走机构可做为探测、侦查、以及防爆等作业的搭载平台。通过对国内外轮式机器人的性能以及结构的研究概况的调查分析，将国内外几种典型的轮式机器人行走机构的研究比较，总结并综合了其各自的优缺点，结合本文所研究的机器人的功能，提出小型四轮和六轮机器人行走机构的虚拟样机模型。四轮机器人采用四轮驱动、独立悬架结构。六轮机器人采用六轮驱动、集中控制和前后轮
2、升降系统的结构组成。对两种轮式机器人行走机构模型在如斜坡、台阶等障碍的非结构环境下进行了越障和转向等运动分析，在此前提下进行轮式机器人行走机构的结构尺寸设计，分别对机器人行走机构在平地和斜坡模式下所需的驱动电机功率进行了计算，并根据结果对四轮机器人选用24V250W直流减速电机，对六轮机器人选用了24V35W直流减速电机。根据电机和轮胎的尺寸对行走机构进行了包括驱动系统、链传动系统以及前后轮升降系统在内的机构设计，并使用建模软件UG完成了对轮式机器人行走机构零部件的三维参数化建模，绘出零件图。在实验场地中，对小型四轮机器人进行了爬坡、爬楼梯、高台地形下的实验，测得数据，验证了四轮和六轮机器人行
3、走机构运动速度、爬坡、爬楼梯的能力，能完成所提出的越障指标及性能。最后，针对论文现有设计，给出了进一步的改善优化建议，并对所设计的轮式机器人行走机构的发展前景进行了展望。关键词行走机构；升降系统；越障；结构设计；建模软件ABSTRACTTHISTHESISISMAINLYABOUTTHESMALLWHEELEDROBOT,COMBININGWITHTHEDEVELOPMENTOFTHECURRENTWHEELEDROBOTTECHNOLOGY,PUTTINGFORWARDTHENEEDEDFUNCTIONANDTHEPERFORMANCEANDTHEINDEXNEEDTOBEMET,ANDDE
4、SIGNINGTHETRAVELINGMECHANISMOFTHESMALLWHEELEDROBOTTHESMALLWHEELEDROBOTCANBETHECARRYINGPLATFORMFORTHEWORKLIKEDETECTING,INVESTIGATION,ANDANTIEXPLOSIONANALYZETHEPERFORMANCEANDSTRUCTUREOFTHEWHEELEDROBOTATHOMEANDABROAD,COMPARETHERESEARCHOFTHETYPICALWHEELEDROBOTSSTRUCTURE,SYNTHESIZETHEIRMERITSANDDEFAULTS,
5、COMBINETHEFUNCTIONOFTHEROBOTWEMAKERESEARCHON,THEVIRTUALPROTOTYPEMODELSOFTHEFOURWHEELEDANDSIXWHEELEDROBOTAREPUTFORWARDTHEFOURWHEELEDROBOTADOPTTHEFOURWHEELDRIVEANDINDEPENDENTSUSPENSIONSYSTEMTHESIXWHEELEDROBOTCOMPRISESOFTHESIXWHEELDRIVE,CENTRALIZEDCONTROLANDTHEADJUSTABLEFRONTANDBACKWHEELTHEANALYSISISMA
6、DEONTHESTRUCTUREOFTHEWHEELROBOTWHENTHEYAREWORKINGUNDERTHEUNSTRUCTUREDENVIRONMENTSUCHASDITCH,FOOTSTEPANDETC,ANALYZINGTHEIRABILITIESOFGOINGOVERTHEOBSTACLESANDTURNONTHEBASISOFTHIS,THETRAVELINGMECHANISMOFTHEWHEELEDROBOTISDESIGNEDTHEMOTORPOWERISCALCULATEDRESPECTIVELYWHENTHEROBOTISWORKINGONTHEFLATGROUNDOR
7、ONTHESLOPE,FINALLYTHE24V250WDCGEAREDMOTORISCHOSETODRIVETHEFOURWHEELEDROBOTAND24V35WDCGEAREDMOTORISCHOSETODRIVETHESIXWHEELEDROBOTTHEDRIVESYSTEM,CHAINTRANSMISSIONSYSTEMANDTHEADJUSTABLEFRONTANDBACKWHEELSYSTEMAREDESIGNEDACCORDINGTOTHESIZEOFTHEMOTORANDTIRETHETHREEDIMENSIONALMODELOFTHETRAVELINGMECHANISMPA
8、RTSAREBUILTBYUSINGTHEUG,ANDTHEPARTSDRAWINGAREDRAWNOUTATLAST,FURTHERIMPROVEMENTANDOPTIMIZATIONPROPOSALSARERAISEDACCORDINGTOTHECURRENTDESIGN,ANDTHEDEVELOPMENTOFTHEDESIGNEDTRAVELINGMECHANISMISPROSPECTEDKEYWORDSTRAVELINGMECHANISMLIFTINGSYSTEMOVERTHEOBSTACLESSTRUCTURALDESIGNBUILDINGMODELSOFTWARE目录1绪论111研
9、究背景及意义112国内外小型轮式机器人发展概况2121国外研发概况2122国内现状5123国内外现状总结713小型轮式机器人的发展趋势714论文研究内容与主要结构7141研究内容7142论文章节结构82建模软件概述与控制系统设计921三维建模软件UG概述9211UG软件的特点9212实体建模综述9213创建草图步骤10214实体建模的优点和步骤11215创建工程图11216UGNX6尺寸标注特点1222小型轮式机器人控制系统设计12221基于STC89C52系列单片机的开发板12222基于SI4432无线数据传输模块13223MODBUS通讯协议16224VISUALSTUDIO2008开发环
10、境概述18225VISUALSTUDIO环境下的上位机界面设计1823小结203小型轮式机器人行走机构总体设计2131行走机构总体方案设计21311行走机构的总体设计要求21312指标要求2132轮式机器人的结构分析22321轮式机器人的行驶机构22322轮式机器人的驱动机构22323轮式机器人的车轮2333轮式机器人的结构设计23331轮式移动机构的运动条件23332移动机构选型2434轮式机器人行走机构结构设计25341结构设计原则25342四轮行走机构机构设计25343六轮行走机构机构设计2635小结274小型四轮机器人结构设计及研究2841小型四轮行走机构驱动系统的设计28411驱动系
11、统的计算28412减速电机的选取30413链轮链条的选取3142四轮机器人行走机构的结构设计33421底盘的设计33422轮胎轮毂的选取33423悬挂和传动部分的设计3443实验场地概述3544四轮行走机构越障运动分析36441爬坡运动分析36442高台跨越运动分析36443转向分析3745四轮行走机构场地实验结果分析39451爬坡实验结果分析40452爬楼梯实验结果分析41453高台跨越实验结果分析42454转向效果分析4246小结425小型六轮机器人结构设计及研究4351小型六轮行走机构驱动系统的设计43511驱动系统的计算43512减速电机的选取44513电动推杆的选取4452六轮机器人
12、行走机构的结构设计46521底盘的设计46522轮胎轮毂的选取47523前后轮升降系统的设计4753六轮行走机构越障运动分析48531爬楼梯运动分析48532高台跨越运动分析5054六轮行走机构场地实验结果分析50541爬坡实验结果分析51542爬楼梯实验结果分析52543高台跨越实验结果分析5255小结536结论与展望5461论文总结5462存在的缺陷与进一步的工作计划54参考文献55附录158附录259附录360翻译部分72英文原文72中文译文82致谢91中国矿业大学2012届本科生毕业设计11绪论11研究背景及意义近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水，人为的恐怖祸害如恐怖活动、武力冲突
13、，以及由炭疽热、SARS、禽流感等生化病毒和有毒物质、辐射性物质等带来的恐怖，威胁着人们的安全，引起了人们广泛的关注。虽然人们对各种灾难的警觉和反应能力有所提高，但在处理破坏性灾难事件时还是准备不够充分，很多人依然死于不专业、不及时的救援活动1。将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人，是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。根据灾难发生的时间，灾难救援可以分为灾前救援、灾时救援与灾后救援三个阶段2。灾前救援指的是对已经预先知道的，即将要发生的灾难采取防范与消除灾难、人员疏散和物资转移的工作；灾时救援是针对火灾、水灾、毒气、放射性物质等有
14、一定发生时间的灾难过程，采取的扑救和补救工作灾后救援指的是地震、爆炸等突发性和短时性灾难，事后的搜寻和营救工作。三个阶段在灾难发生时通常没有明确的界限，但是各个阶段救援工作都面临着两个问题；环境的复杂性和环境的危险性。以城市环境为例，人口城市化和城市人口密集现象加剧，高层建筑、地下工程、大型商贸场所、文化娱乐场所迅猛发展，城市建筑物不断增加，使得城市建筑环境中的搜救作业十分复杂。在一些危险性大的灾难中，如随时会引发爆炸的火灾现场，有易燃、易爆或剧毒气体存在的现场，地震后存在易二次倒塌建筑物的现场，施救人员无法深入进行侦察或施救，人们急于探知灾难现场的内部险情，但又不敢或无法接近或进入灾难现场。
15、此时，救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着越来越重要的作用。灾难救援机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统3。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能、营救行动技术、灾难学等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着灾难救援机器人性能不断地完善，在火灾、水灾、毒气、放射性物质以及地震、爆炸等灾难救援中，起到非常重要的作用。轮式机器人作为多种救援机器人中的一种，包
16、括单轮、双轮、三轮、四轮、五轮、六轮和多轮等多重类型。轮式机器人有着共同的特点，即运动速中国矿业大学2012届本科生毕业设计2度快、灵活性高、自主性强等特点。单轮滚动机器人是一种全新概念的轮式机器人。从外观上看它只有一个轮子,它的运动方式是沿地面滚动前进,后来又开发出的球型机器人也属于单轮滚动机器人9。两轮轮式机器人主要包括自行车机器人和两轮呈左右对称布置的两轮轮式机器人。轮式轮式机器人中最常见的机构就是三轮及四轮轮式机器人。当在平整地面上行走时,这种机器人是最合适的选择。12国内外小型轮式机器人发展概况121国外研发概况早期的典型代表是美国卡内基梅隆大学机器人研究所研制的单轮滚动机器人GYR
17、OVER。GYROVER是一种陀螺稳定的单轮滚动机器人。它的行进方式是基于陀螺运动的基本原理,具有很强的机动性和灵活性,他们开发该机器人的目的是用于空间探索23。英国巴斯大学的RHODRIHARMOUR对单轮滚动机器人做了系统的总结性研究24。他从自然界生物存在的滚动前行方式开始论述,通过分析11种单轮滚动机器人,总结出了7种单轮滚动机器人的设计原理弹性中心构件原理、车辆驱动原理、轮式块原理、半球轮原理、陀螺仪平衡器原理、固定于质心轴上的配重块原理、轮式于质心轴上的配重块原理。由于轮式机构在空间探测机器人系统中的重要地位，国外许多机构都在研究机器人轮式机构。比较著名的研究机构有美国卡内基梅隆大
18、学（CARNEGIEMELLONUNIVERSITY，简称CMU）4、美国喷气推进实验室（JETPROPULSIONLABORATORY，简称JPL）5、芬兰赫尔辛基工业大学（HELSINKIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，简称HUT）和欧洲航天局等。各国的研究人员基于不同的原理和性能侧重点提出并试验了多种类型的轮式机构，根据机器人轮式机构的特点，基本可分为轮式、腿式、轮腿式和履带式等类型。轮式轮式机器人虽然越过壕沟、台阶的能力较低，但具有高速高效的性能，在一般地形中具有相当的优势（运动迅速、平稳）。尽管其比较适合平缓的环境，但可以通过选择合适的悬架系统来使其适应凹凸不平的地形。
19、轮式星球探测机器人因技术成熟而得以广泛应用，其中有些已经成功地用于实际的行星探测，其代表如2003年发射的“勇气号”火星车。此外还有如英国的“地雷探测、标识和处理计划”MINDER、“小猎犬”战斗工程牵引车CET和未来工程坦克FET等。法国的几家公司也研制出不同种类的机器人，有ALSETEX公司的SAEMC800爆炸物探测机器人、DM公司的RM35机器人等。德国经过多年的努力，其智能地面无人作战平台的中国矿业大学2012届本科生毕业设计3研究和应用在世界上处于公认的领先地位。现装备的主要车型有“清道夫”2000扫雷车6、RODE爆炸物处理机器人、MV4系列机器人、GARANT3多用途机器人、“
20、犀牛”RHINO履带式遥控车等。图11“勇气号”火星车轮式轮式机器人中最常见的机构就是四轮轮式机器人。当在平整地面上行走时,这种机器人是最合适的选择。并且在其他领域如汽车领域已为其发展提供了成熟的技术。下面从轮式轮式机器人的转向机构来介绍四轮轮式机器人的发展现状。轮式机器人的转向结构主要有如下5种艾克曼转向、滑动转向、全轮转向、轴关节式转向及车体关节式转向7。艾克曼转向是汽车常用的转向机构,使用这种转向方式的汽车中有前轮转向前轮驱动和前轮转向后轮驱动两种运动方式。西班牙塞维利亚大学研制的ROMEO4R机器人便采用了艾克曼转向机构8,该机器人采用后轮驱动,前轮由电机控制实现转向。澳大利亚卧龙岗大
21、学研制的TITAN机器人也采用了艾克曼转向机构,该机器人前面两轮为自由轮,采用艾克曼转向机构,后面两个车轮分别由一个电机驱动,由差速实现转向。滑动转向的两侧车轮独立驱动,通过改变两侧车轮速度来实现不同半径的转向甚至原位转向,所以又称为差速转向。滑动转向的轮式轮式机器人中国矿业大学2012届本科生毕业设计4的结构简单,不需要专门的转向机构并且,滑动转向结构具有高效性和低成本性。美国佛罗里达农工大学研制的ATRVJR机器人及加拿大高等综合理工大学研制的PIONEER3AT机器人都采用了滑动转向原理9。左边两个车轮和右边两个车轮分别用一个电机控制,靠两侧的差速度控制机器人的转向。轮式全方位轮式机器人
22、能够在保持车体姿态不变的前提下沿任意方向轮式,这种特性使得轮式轮式机器人的路径规划、轨迹跟踪等问题变得相对简单,使机器人能够在狭小的工作环境中很好地完成任务。又由于兼具了履带式机器人较强的越野能力和轮式机器人简单高效的特点,四轮全方位转向与驱动机构在机器人轮式平台已获得了越来越广泛的应用。MOBILEROBOTSINC开发的室内外清扫机器人SEEKUR便采用了四轮全方位转向与驱动机构10,其轮式平台采用8个电机分别控制4个轮子的转向和驱动。这种机构具有转向半径小,转向稳定容易等特点。另一种全方位轮式方式是基于全方位轮式轮构建的,目前主要的全方位轮式轮为麦克纳姆轮。麦克纳姆轮主要应用在四轮全方位
23、轮式机器人上。麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利,在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子,故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊,当轮子绕着固定的轮心轴转动时,各个小滚子的包络线为圆柱面,所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑、运动灵活,是很成功的一种全方位轮。由4个这种轮子进行组合,可以使机构实现全方位轮式功能。新西兰梅西大学研制了装有麦克纳姆轮的轮式机器人,他们对这种机器人进行了运动控制实验。针对麦克纳姆轮在轮式机器人应用中存在的一些缺陷,中国哈尔滨工业大学机器人研究所设计了一种新型的全方位轮11。由这种全方位轮组成的全方位轮式机构具有运转灵活、控制方便、效率较高、承载能力较强轮上的各个
24、小滚子一般均处于纯滚动状态,不易磨损滚子轴的受力情况也较好,不易损坏对各轮的转向和转速控制得当,可实现精确定位和轨迹跟踪等特点。此外,近年来还出现了一些新的全方位轮式方式。如伊朗加兹温省的阿萨德大学研制的螺旋运动机器人CLIMAX,CLIMAX机器人有3个固定的车轮,分别由3个电机驱动,可以实现狭小空间的全方位轮式。由于采用轴关节式转向结构的机器人在转向时车轮转动幅度较大,因此这种转向方式一般不常采用。车体关节式转向机器人,具有转弯半径小,转向灵活的特点。但其转向轨迹难以进行准确控制。并且在行驶时容易出现前轮和后轮轨迹不一致,需要用到其它辅助装置来约束后面车体的自由度。中国矿业大学2012届本
25、科生毕业设计5到目前为止,对四轮轮式机器人的相关研究很多,主要涉及到机器人机构、体系结构、运动规划、导航与定位、跟踪控制、运动控制的反馈镇定、交互技术、多传感器系统与信息融合、智能技术等关键技术。同时,该类机器人的研究也为发展多轮及复合式机器人提供了基础。并将对救援机器人的发展产生深远影响。122国内现状国内在轮式机器人的研究起步较晚,大多数研究尚处于某个单项研究阶段,主要的研究工作有清华大学智能轮式机器人于1994年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术基于地图的全局路径规划技术研究准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划；基于传感器信息
26、的局部路径规划技术研究基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制；路径规划的仿真技术研究基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外轮式机器人规划系统的仿真模拟、室内轮式机器人局部路径规划系统的仿真模拟；传感技术、信息融合技术研究差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术；智能轮式机器人的设计和实现智能轮式机器人THMRIII的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统。图12四轮摇杆式机器人中国矿业大学研制的适应复杂地形的四轮煤矿救灾机器人样机亦采用了4轮摇杆式轮式系统。摇杆式
27、轮式机器人有一个共同的特点左右采用摇杆式轮式系统，并且通过差动机构连接左右两摇杆与机器人主车体。差动机构是摇杆式轮式机器人的重要组成部分，将机器人左右摇杆的摆角进行线性平均，并转化为机器人主车体的摆角输出，这样可以保持机器人主车体的相中国矿业大学2012届本科生毕业设计6对平衡，能够有效地减小地形变化对主车体的影响；同时可以使得机器人较为均匀地向各个车轮分配车体重量，并且各车轮能随着地面的起伏被动地自由调整位置，因此，摇杆机器人具有较强的运行平稳性抗颠覆能力和越障能力。如图12采用锥齿轮式差动装置的四轮摇杆式机器人。近年来,国内也对单轮滚动机器人也进行了深入研究。香港中文大学设计了一种单轮滚动
28、机器人。它的驱动部件是一个旋转的飞轮。飞轮的轴承上安装有双链条的操纵器和一个驱动马达。飞轮不仅可以使机器人实现稳定运行,还可以控制机器人运动的方向。哈尔滨工业大学设计了一种球形滚动机器人。在进行结构和控制系统设计时,使转向与直线行走两种运动相互独立,从而避免了非完整约束的存在,简化了动力学模型和控制算法,该机器人转向灵活。沈阳自动化研究所新近研制的具有自主知识产权的新型复合轮式结构的机器人。“灵蜥”智能机器人12是在我国“国家863高科技发展计划”的支持下，由沈阳自动化研究所新近研制的具有自主知识产权的新型复合轮式结构的机器人，目前已推出A型、B型、H型等具有不同的任务针对性的种类，其中“灵蜥
29、H”是2002年研制反恐机器人以来所研制的第三代反恐机器人，在国内处于领先地位，在世界上也属于先进行列，已被军警部门大量装备。这种机器人身涂迷彩，外形像坦克和吊车的结合体。它的头部安装有摄像头，以便操纵人员及时下达控制指令。行走部分采用“轮腿履带”的复合装置，在平地上用四轮快速前进，遇到台阶或斜坡时，按照指令迅速收缩四轮，改换成擅长攀爬越障的履带。“灵蜥”动作机灵，可以前后左右轮式或原地转弯，一只自由度较强的机械手可以抓起5公斤重的爆炸物，并迅速投入“排爆筒”。“灵蜥”可以攀爬35度以下的斜坡和楼梯，可以翻跃04米以下的障碍，可以钻入洞穴取物，作业的最大高度达到22米。此外，它还可以装备爆炸物
30、销毁器、连发霰弹枪及催泪弹等各种武器，痛击恐怖分子。“灵蜥B”型属于遥控轮式式作业机器人，是一种具有抓取、销毁爆炸物等功能的新型机器人产品。它由本体、控制台、电动收缆装置和附件箱四部分组成，体形“矫健”，自重仅180千克；由电池电力驱动，可维持数小时左右；最大直线运动速度为40米分钟；三段履带的设计可以让机器人平稳上下楼梯，跨越045米高的障碍，实现全方位行走，具备较强的地面适应能力。“灵蜥A型”是2004年7月17日在沈阳的东北亚高新技术及产品博览会上首次亮相的较早型号，该款反恐防爆机器人同属国家“863”计划的研究成果，目前也已装备公安、武警部队的反恐一线。中国矿业大学2012届本科生毕业
31、设计7123国内外现状总结总体来说在轮式机器人领域国内外都取得了大量的成果，所设计的轮式机器人都能够在不可预测的环境中保持正常的运动，能够适应复杂多变的各种未知环境、能够处理各种突发情况并具有较强的避障能力从而能够顺利的完成任务。13小型轮式机器人的发展趋势轮式机器人系统的发展趋势如下轮式机器人的结构不再是简单的轮式结构，取而代之的是具有很强的非结构化环境适应能力的轮、腿、履带式的复合结构和可变现的轮式结构。由于现在机器人技术、尺寸、质量和费用的限制，微小型和小型轮式机器人是目前发展的主流的热点。因此，目前对设计出能在非结构环境下运动的轮式机器人提出了更高的要求，设计的轮式机器人应该具有体积小
32、、质量轻、结构紧凑、对地形适应能力强等特点。14论文研究内容与主要结构141研究内容机器人应用领域不断扩大，机器人完成的操作变得更加复杂。传统的轮式机器人构型己不能满足许多特殊作业要求。为了适应特殊的作业要求，需要设计新型的机器人结构，以实现准确、快速的预期运动。轮式机器人技术具有延伸性和一定的通用性，可以应用到其它领域。如军用扫雷、排险机器人、勘探机器人、环保机器人和救援机器人等。轮式机器人是机器人技术和智能控制技术相结合和产物，因此轮式机器人的研究和实现对推动机器人机构学、智能机器人技术和智能控制技术的提高具有举足轻重的意义。本课题研究目的主要是建立轮式机器人，要求上位机通过无线控制的机器
33、人在非结构化环境中完成复杂的任务，能够跨越台阶、壕沟等障碍，具有爬坡能力，在直行路面能以较快的速度行走。配合一些摄像头、温湿度传感器、有毒气体检测仪等，通过无线传输的方式将复杂环境中的图像，温湿度以及有毒气体含量等数据传输到上位机中，实现无线控制和信息传输。本文在前人的研究基础上，参考了国内外研制的各种地面轮式机器人，在分析其机械结构和运动性能后，提出可变形的六轮机器人行走机构。中国矿业大学2012届本科生毕业设计8本文设计的机器人行走机构，采用四轮驱动，独立悬挂，由差速实现转向。在机构可靠性，运动特性及造价方面具有明显的优势。由于要越过台阶，选择了较大直径的越野轮胎，越野轮胎表面的胎纹粗糙，
34、有助于增加抓地力。轮胎的直径决定了机器人的最小轴距和最短长度，机器人尺寸影响通过非结构化的环境的能力，自重决定着驱动电机的功率，能耗和续航能力。为了减小机器人的尺寸，设计出了六轮的轮式机器人，轮胎直径较小。前轮和后轮通过电动推杆可以将前后轮灵活升降，帮助机器人越过高的台阶。将轮式、腿式及其曲柄结构结合在一起更加增强了轮式机器人的越障能力。142论文章节结构论文主要包括以下几个方面的内容第一章综述国内外轮式机器人的发展现状，总结并展望目前救援机器人的发展趋势。第二章对轮式机器人设计时使用的三维建模软件UG和控制系统的介绍。第三章对机器人行走机构进行系统总体设计，主要包括提出本文所设计的机器人行走
35、就的设计要求和指标，对几种轮式轮式机构进行分析总结、分析轮式轮式机器人的运动条件并提出本文机器人行走机构的四轮和六轮的方案模型。第四章根据提出的设计要求与指标对四轮机器人行走机构的驱动进行计算分析和减速电机的选取，在遵循结构设计原则的基础上，考虑到加工的成本和周期，选取的四轮机器人的零部件均为标准件，对行走机构进行越障运动分析和场地实验分析。包括高台跨越，爬坡等实验。第五章根据提出的设计要求与指标对六轮机器人行走机构的驱动进行计算分析和减速电机的选取，在遵循结构设计原则的基础上，考虑到加工的成本和周期，选取的六轮机器人的零部件均为标准件，对行走机构进行越障运动分析和场地实验分析。编写上位机软件
36、，使用无线通信模块和单片机，对六轮机器人无线遥控。第六章结论与展望中国矿业大学2012届本科生毕业设计92建模软件概述与控制系统设计21三维建模软件UG概述UG软件作为美国UGS公司的旗舰产品，是当今最流行CAD/CAE/CAM一体化软件，为用户提供了最先进的集成技术和一流实践经验的解决方案，能够把任何产品的构思付诸实际。UGNX6是UG系列软件的最新版本，2008年7月发布。其不仅具有UG以前版本的强大功能，而且用户界面更加灵活。并由多个应用模块组成，使用这些模块，可以实现工程设计、绘图、装配、辅助制造和分析一体化。随着版本的不断更新和功能的不断补充，使其向专业化和智能化不断迈进，例如电器布
37、线、航空钣金、车辆设计等16。211UG软件的特点UGNX6采用复合建模技术，融合了实体建模、曲面建模和参数化建模等多方面的技术，摒弃了传统建模设计意图传递与参数化建模严重依赖草图，以及生成和编辑方法单一的缺陷。用户可根据自身需要和习惯选择适合自身的建模方法。UGNX6系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程。该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型
38、、虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。另外，它所提供的二次开发语言UG/OPENGRIP、UG/OPENAPI简单易学，实现功能多，便于用户开发专用CAD系统。212实体建模综述UGNX6提供了特征建模模块、特征操作模块和特征编辑模块，具有强大的实体建模功能，并且在原有版本基础上进行了一定的改进，提高了用户设计意图表达的能力。使造型操作更简便、更直观、更实用。在建模和编辑的过程中能够获得更大的、更自由的创作空间，而且花费
39、的精力和时间相比之下更少了。中国矿业大学2012届本科生毕业设计10使用UGNX6对轮式机器人进行设计和辅助制造，基本可以分为以下步骤新建文件创建草图UG实体建模创建工程图机械加工。在UGNX6工程设计前，需要新建一个文件，其操作步骤如下图21所述。213创建草图步骤当需要参数化地控制曲线、或通过建立标准几个特征无法满足设计需要时，通常需创建草图。草图创建过程因人而异，下面介绍其一般的操作步骤。1设置工作图层，即草图所在的图层。如果在进入草图工作界面前未进行工作图层设置，则一旦进行草图工作界面，一般很难进行工作图层的设置。可在退出草图界面后，通过“移动到图层”功能将草图对象移到指定的图层。2）
40、检查或修改草图参数预设置。3）进入草图界面。执行“插入”|“草图”|命令，进入草图工作界面。在“草图生成器”工具栏的“草图名”文本框中，系统会自动命名该草图名。用户也可以便于管理将系统自动命名编辑修改为其他名称。图21新建文件对话框4）设置草图附着平面。利用草图对话框，指定草图附着平面。指定草图平面后，一般情况下，系统将自动转正到草图的附着平面，用户也可以根据需要重新定义草图的视图方向。中国矿业大学2012届本科生毕业设计115）创建草图对象。6）添加约束条件，包括尺寸约束和几何约束。7）单击“完成草图”按钮，退出草图环境。214实体建模的优点和步骤1）UG实体建模，通过拉伸、旋转、扫描等建模
41、方法，并辅之以布尔运算，使用户既可以进行参数化建模，又可以方便地使用非参数方法生成三维模型。另外还可以对部分参数化或非参数化模型再进行二次编辑，以方便生成复杂机械零件的实体模型，具体有以下优点2）UG实体建模充分继承了传统意义上的线、面、体造型特点及长处，能够方便迅速地创建二维和三维线实体模型。而且还可以通过其它特征操作和特征编辑模块对实体进行各种操作和编辑。将复杂的实体造型大大简化。3）UG实体建模能够保持原有的关联性，可以引用到二维工程图、装配、加工、机构分析和有限元分析中。4）UG实体建模提供了概念设计和细节设计，提高创新设计能力。5）UG实体建模具备对象显示和面向对象交互技术，不仅显示
42、效果明晰而且可以改进设计进度。6）UG实体建模采用主模型设计方法，驱动后续应用，如工程制图、加工等，实现并行工程。主模型修改后，其它应用自动更新，避免重复。7）UG实体建模可以进行测量和简单物理特性分析。215创建工程图通常，创建工程图前，用户需要完成三维模型的设计。在三维模型的基础上就可以应用工程图模块创建二维工程图了，其一般的操作步骤如下所述。1）创建图纸。执行“开始”|“制图”命令，将显示“工作表”对话框。利用该对话框为图纸页指定各种图纸参数，包括图纸大小、缩放比例、测量单位和投影角度。2）参数预设置。执行“首选项”|“制图”命令，进入“制图首选项”对话框，对制图相关参数进行预设置。3）
43、导入模型视图。4）在工程视图中添加视图。5）添加尺寸标注、公差标注、文字标注等。6）存盘，打印输出。中国矿业大学2012届本科生毕业设计12216UGNX6尺寸标注特点尺寸标注用于标识对象的尺寸大小。由于UG工程图模块和三维实体造型模块是完全关联的，因此，在工程图中进行标注尺寸就是直接引用三维模型真实的尺寸，具有实际的含义，因此无法像二维软件中的尺寸可以进行改动，如果要改动零件中的某个尺寸参数需要在三维实体中修改。如果三维被模型修改，工程图中的相应尺寸会自动更新，从而保证了工程图与模型的一致性。22小型轮式机器人控制系统设计控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备
44、内任何感兴趣或可变化的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。由被控制对象和控制装置所构成，能对被控制对象的工作状态进行遥控或自控的系统。轮式机器人的控制采用遥控的系统，对轮式机器人的前进、后退、左转、右转以及六轮机器人的升降系统的升降控制。其中控制系统中涉及到硬件和软件以下将分别介绍。221基于STC89C52系列单片机的开发板由于本论文中的轮式机器人还处于设计和开发阶段，不需要处理大量的数据，只是执行上位机传过来的指令，数据量较小，特此选择了入门级的STC89C51系列的单片机。网上很多的开发板都是比较成熟的产品，特此选择了
45、一款尺寸比较小，功能齐全的开发板开发板具有以下硬件资源1单片机32个IO口全部引出端口扩展便于和其它扩展板的连接28位LED显示、4位数码管3串口通信可做与PC之间数据的通信4一路继电器控制、一路蜂鸣器实验5一路DS1820数字温度传感器实验6AT24C02外部EEPROM存储芯片7DS1302时钟芯片8一路8位串行模数AD转换芯片9字符液晶LCD1602接口、图形点阵液晶12864接口、图形点阵液晶诺基亚LCD5110接口1044矩阵键盘、2个独立的按键、2个中断按键中国矿业大学2012届本科生毕业设计13STC89C52单片机功能特性描述STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控
46、制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用STC公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能8K字节FLASH，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，
47、允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。4路外部中断，下降沿中断或低电平触发中断。ISP（在系统可编程）IAP（在应用可编程），无需专用编辑器、仿真器，可通过串口（P30、P31）直接下载程序。222基于SI4432无线数据传输模块无线射频模块选用SI4432作为无线收发芯片，它是一个CMOS射频高度集成电路，包含所有ISM频段应用所需的发射和接收功能。频率范围为240930MHZ；输出功率为20DBM；接收灵敏度达到116DBM。还包括比如天线分计算法、唤醒定时功能、低压检测、温度传感器等内置功能。芯片内部含有一个高性能的ADC在接收路径和数字解调器当中做解调、滤波和数据包处理22。
48、这些功能使得它成本低，灵活性高，切换时间快，传输速率快。无线数传模块选用的是RFTR1TTL，无线模块超薄超小，接收灵敏度高。模块提供了多频段多信道以及网络ID来降低传输过程中的干扰以提高传输性能。可通过PC软件或在线修改设置串口以及RF的相关参数。小体积、远距离传输、宽范围的工作电压乃至丰富便捷的编程设置使之得到非常广泛的应用。模块主要技术参数如下表21表21RFTR1TTL无线收发模块技术参数项目指标值传输距离1200M（12K）工作频段选择433/470/868/915MHZ（可定制）信道数量40个可选数据传输率多种可选中国矿业大学2012届本科生毕业设计14调制模式GFSK接口方式TT
49、L灵敏度116DBM最大输出功率100MW工作电压36V工作温度范围2070无线数传模块到货之后，首先对套件进行焊接、组装。焊接时烙铁接地，进行静电防护。焊接结束后，将USB转接头上SET位的跳线帽插上，用于拉低模块SET位，此时模块处于设置状态，对模块初始化设置。上位机可以对模块的波特率，传输速率，数据位等参数设置，也可以对模块参数初始化，操作界面如下图22图22数传模块设置上位机界面图1）NETPARAMETERS（网络参数）NETID（网络号）相当于给多个模块分组，只有相同NETID的模块才能相互通信。NODEID（节点号）相当于给模块取名。2）SERIALPARAMETERS（串口参数）BAUDRATE（串口波特率）此项为模块与串口设备端连接的波特率，必须与设备相同。默认为9600。PARITY（校验）ODD奇校验，EVEN偶校验,NONE无校验，默认为NONE。DATABIT（数据位）可设置为7，8，9，默认为8位。中国矿业大学2012届本科生毕业设计15STOP（停止位）可设置为1，2，默认为1位。3）RFPARAMETERS（无线参数）BAND（中心频率）此项由模块硬件电路决定，不能随意修改。CHANNEL（信道）有40个信道可以设置，每个信道间隔1M，相同信道的模块才能通信。FREQUENCY（频率）选中不同的信道会显示此时对应的频率是
