探测机器人系统的设计

开题报告

一、综述

1.课题研究的目的和意义

出于重要的战略意义，资源领域已成为各科技强国相互竞争的一个焦点，出于安全性等因素的考虑，对探测机器人的研究设计也成为了开发资源的重要硬件之一，探测机器人可以帮助人类完成一些不能完成的任务，其应用范围很广，有几下几方面：

1）行星探测移动机器人

行星探测移动机器人的研究对于发展行星科学、提高国防能力、提高国家的国际地位等方面均有重要意义，因为:①移动机器人是行星科学研究中着陆探测和取回样品到实验室分析的有力工具。②人类在太空中停留数月之久会严重丢失钙和磷，这似乎意味着人类不可能在重力为零的状态下飞行6一9个月或更长一点时间。但机器人不存在这个问题。因此，行星探测移动机器人的研究是对行星进行长期实地考察的需要。③大大节省探测成本。以月球探测为例，根据粗略的估计，一次有人驾驶的飞行所花费的钱要比无人驾驶飞行多50一100倍。因此，光就科学上的探索来说，用机器人执行无人驾驶飞行任务是合算的。④有利于提高国家国防自动化的水平和国际地位。因此，行星探测移动机器人的研究受到世界各国的高度重视。[6]

2）海洋探测机器人

海洋探测机器人人已经广泛应用于海洋开发的许多领域，随着海洋开发的不断深入，续航力大、探测范围广、能执行多种复杂任务的大型机器人需求也越来越大。主要用于海洋石油开发、海底管道光缆巡查检修以及其他各种复杂任务。为了使机器人能更好的完成指定任务，水下机器人的运动性能预报就成为了一个重要的研究课题。[1]

3）油井故障探恻机器人

探测仪器的送进是油田上测井、修井等井下作业中的一项重要技术。[3]

4) 履带式井下探测机器人

中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。这种探测机器人可在灾害发生前对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后进行施救等重要的危险任务。[5]

关于探测机器人应用范围比我们想象的要广泛的多，在军事方面，已经研究出了反坦克雷探测机器人；还有医学探测机器人等。

2006年，中国政府制定的《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》，将发展航天事业置于重要地位。根据上述两个规划纲要，中国政府制定了新的航天事业发展规划，明确了未来五年及稍长一段时期的发展目标和主要任务。按照这一发展规划，国家将启动并继续实施载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优先项目，加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新。要发展航空事业，对月球进行探索，那么研究设计探测机器人是必不可少的过程。

2.课题的研究现状及发展趋势

1）在行星探测机器人的研制方面，美国和俄罗斯处于世界领先地位。从20世纪60年代开始，美、苏向月球以及金、火、水、木、土等星球发射了许多探测器。格林威治时间1997年7月4日17时07分，美国国家航空航天局困ASA)发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。探路者登陆器上带有各种仪器及“索杰纳”火星车团。这是上世纪自动化技术最高成就之一。[6]

日本对机器人的设计也处于领先地位。日本京都大学科研人员已经开发出一种新型机器人,能在强烈地震发生后到废墟中探测被埋人员。还专门进行了实用演示。这种机器人外表象是一条粗大的节足昆虫,长1·43 m,由7节组成,有人的小腿一般粗细,每节周身都缠满纵向履带。它可以在遥控下从瓦砾的夹缝中蜿蜒穿行,装在头部的摄像机镜头会随时传输观察到的影像和搜集到的声音,从而供控制者判断里面是否有需要救助的存活人员。

未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变化的任务，机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控制特性和能耗特性。基于不同的原理和性能侧重点，国内外提出并试验了多种类型的空间探测机器人移动机构。

2）探测机器人移动系统的发展趋势如下:

(1)轮腿式，履腿式等复合型结构的移动机器人是一个研制方向.

(2)由于航天器技术、尺寸、质量和费用的限制,微小型行星探测机器人是目前发展的主流.

(3)由于通信时延和微重力作用的缘故,中低速移动机器人是研制的主流.

(4)机械结构设计与控制方案相结合是研制灵活可靠的行星探测机器人的设计方向.[6]

3）设计探测机器人所面临的问题

尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人,但到目前为止,无论国内还是国外,同时具备以下性能的移动机器人还没有出现:(1)能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶;(2机器人陷入软土壤中时,能自动脱离软土壤区,恢复正常的行驶能力;(3)整机的可密封性和可压缩性良好;(4)克服倾翻对机器人行驶能力的不良影响;(5)行驶的高速高效性;(6)容积可进行扩充，而这些又是行星探测等领域移动机器人运动系统所应具备的重要性能,因此,研制出新型的、综合性能更好的行星探测机器人是行星探测机器人移动系统研究中有待解决的问题之一[6].

二、研究内容

本文以研制履带便携式抗摔机器人为目标，采用模块化设计，以便根据要求选择和定制配置，并在需要的时候方便更换和添加其他模块，具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗冲击性能并具备全地形通过能力。

其研究内容具体如下：

1、 研究探测机器人系统的设计原则。

依据运动学原理，对机器人进行性能指标分析，动态分析，使机器人能够自适应路面，即具有抗倾覆性、爬坡性能、越障性能、跨沟性能等功能。

2、 确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。

1）移动方式的确定

2）总体结构设计

3）传动系统设计

3、对探测机器人系统的硬件设计，绘制机械图。

4、给出移动控制系统的设计方案。

1）选择传感器

2）控制系统

3）驱动器的选择

目标：掌握探测机器人系统的设计原则，从实际应用环境出发确定机器人的移动方式，选用合理的目标监测手段，来实现探测目的。

三、实现方法及其预期目标

1、总体结构设计

本设计的探测机器人由四个模块构成，即底盘运动模块、电源及驱动模块、传感器模块、控制计算机模块。大体结构如图1-1

图1-1机器人的总体结构

2、 移动机构分析

便携式机器人按移动方式分主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、

混合移动式、蛇行移动式等，各种移动方式的机动性能对比如表1-1

表1-1 车轮式、轮、履、腿式移动机构性能比较：

很明显，履带式移动机构的性能居于轮式和腿式移动机构之间，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面以及沟壑等，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统。

运动原理：

3、 移动控制系统的设计

一个在实际工作中的机器人，他的运动由驱动器系统实现，任务的具体执行有终端机具完成。在执行任务的过程中，感觉系统将内感受和外感受的信息反馈给控制系统，有控制系统对整个机器人的活动作决策和付诸实施。系统的控制部分的工作方式要适合于执行的任务。采用某一种工作方式，例如，人进行的干预很少---自由方式；人的干预很多---手动方式；断断续续干预---监督管理方式等，都要按任务的需求而定。

在控制机器人执行任务过程中涉及三方面：

信息---机器人自身及环境的信息。他们来自感觉系统即感知的机器人自身状态。

决定---产生执行任务的行动方式，任务的程序设计。

行动---控制信号的产生和实施。

如图1-2 所示

图1-2 控制系统结构图

依据上述要求所需，考虑一下几个方面：

1） 选择传感器

首先，机器人的传感器就像人体上的感觉器官，它可以探测到周围的环境，然后经过综合性的测量、计算，对他的行为进行选择判断。其中，视觉是最重要的，因为，即使只有视觉的时候，也能根据看到的进行前行或是改变行为方式，但如果失去了视觉，即使其他的感觉功能都存在，也很难判断周围的环境，很难对行为方式进行判断。所以首先应选择视觉传感器。

其次，视觉传感器也有他的局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在晚间执行任务时就很难实现其功能，为更好的使机器人完成认为，再加一个超声波传感器。

2） 控制系统

控制系统是指机器人的信息处理装置，在本设计项目中，选择数字电子计算机。这是一个依据事先和事后的信息而产生对机器人的控制命令的系统。信息主要来自人---机对话和感觉系统。机器人执行任务前。在计算机重要贮存好一个运动模型，一个环境模型，一些与执行任务有关的数据及一定数量的执行任务的策略和算法，在执行任务过程中，计算机接受来自传感器的机器人目前状态的信息和涉及到目前包括工作对象在内的环境状况的信息。依据上述的所有数字模型，原始数据，感受的信息，利用控制策略和算法，以及过去执行任务的经验等，计算机产生一个对机器人的控制命令。

3）驱动装置的选择

按照能源的不同 ，可分为液动，气动，电动三大类。电驱动器由于电能易于获取，容易传输，没有污垢，易于维修等优点而被广泛采用。在机器人使用的电驱动器中，步进电机与数字电子计算机的结合上，表现出很好的发展前景。所以驱动装置选择步进电机。

4软件组成

硬件只是计算机控制系统的躯体；而软件则是计算机控制系统的大脑和灵魂，是人的思维与系统硬件之间的桥梁。软件的优劣关系到计算机控制系统正常运行、硬件功能的发挥以及控制性能的优劣等。用以具体实施有关功能的算法是以软件包的形式贮存在机器人的计算机系统中。为了控制机器人执行任务，在操作员与机器人之间进行信息交换是必须的，这样做旨在使机器人按操作员的意图进行工作，完成任务。本设计采用VC语言.              四、对进度的具体安排

1. 第1-3周    实习调研基本结束；

2. 第4周      撰写并提交调研报告和开题报告；

3. 第5-6周    制定探测移动机器人的设计原则；

4．第7周      确立机器人的移动方式；

5. 第8-12周    设计机器人系统的机械结构；

6. 第13-14周   设计控制方案及监测手段；

7．第15-16周  撰写并提交毕业论文；审阅、评审并修改毕业论文；

8．第17周     完成毕业答辩

五、参考文献

1、刘晓峰：海洋探测机器人操纵性及仿真研究 哈尔滨工业大学 2007.1

2、尚建忠 罗自荣 张新访 范大鹏：基于构型组合的空间探测机器人移动机构设计*

3、邵守君：基于虚拟样机的石抽井故障探恻机器人研究 2007.3

4、贺鑫元 马书根 李斌 王越超：可重构星球探测机器人的机构设计 机械工程报2005、12

5、柴汇：履带式井下探测机器人底层控制系统研究与设计 2007、5

6、刘方湖 陈建平 马培荪 曹志奎：行星探测机器人的研究现状和发展趋势 2002、5

7、陈芳允：月球探测机器人移动系统的研究现状和发展趋势 井冈山学院学报 2006、8

8、吴芳美：机器人控制基础 中国铁道出版社

9、孙树栋：工业机器人技术基础 北京工业大学出版社 2006、12

10、为海底探测提供数据日本加强深海探测