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题目：可变结构型移动机器人单元设计姓名：

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选题类型：设计型

选题来源：自选项目

一、选题目的和意义

本课题主要给出一种可拆分和重组成不同结构的移动机器人单元的雏形。这种移动机器人的基本几何构型为立方体，长宽高的尺寸控制在70mm 以内。每个组成单元具有相同的机械结构和控制器，机器人单元之间可以实现功能的完全互换性，在重组成一体时任意某个机器人单元的装配位置和职能不是绝对固定的，当机器人单元之间的装配位置互换后可以通过更改个人计算机发出的指令信号来实现功能依然完整、整体移动依然顺利。

这种移动机器人执行机构动力源的控制由每个机器人单元内部的控制器实现，而计算机经过运算发出信号来控制指定机器人单元的控制器，由此来实现整个移动机器人的协调动作。

人机交互方面，将计算机软件面板作为人机交互界面。通过计算机软件面板上的按钮控制若干个移动机器人单元的动作，也可以编写简单的时序指令实现若干个移动机器人单元的持续动作。当多个机器人单元组成一个机器人后，通过计算机软件面板的按钮也可以控制整体移动。

单个机器人单元的移动为三轮或者四轮的小车形式，具体驱动轮和转向轮的结构形式在以后的结构设计进行中再确定。此外，每个机器人单元自身还具有一个自由度的摆动构架和一个具有独立动力源的输出轴，该输出轴用来实现机器人单元之间的连接和传动。

机器人单元组合后可以实现一些简单的仿生运动，例如蛇形、四足的爬行。

传统的移动机器人只具有固定的刚性结构，无法适应不同的环境，而本课题所要设计的移动机器人可以根据具体要求组合成不同构型来适

应不同的环境，例如在一些狭缝中可以拆分成离散的单元移动，或者组合成蛇形移动，而在一些路况较差的环境中，可以组合成四足的结构进行移动。

二、参考文献和资料

三、主要内容和设计

1．工作原理

控制部分，移动机器人单元的各个执行机构的动作都可以通过计算机发出的指令来实现控制。当鼠标按下计算机软件面板上的控制按钮时，编写的软件将按钮的动作转化为信号，然后由接在计算机上的无线信号发射器发出，而后由机器人单元上的传感器接收这些信号，传输给控制器，控制器再进行信号的分析，输出给各个电机，通过这个过程来实现人工的遥控。当移动机器人单元组合成一个统一的整体时，计算机软件还要经过一个计算过程，将简单的按钮指令转化为不同机器人单元的每个电机的驱动信号。

机械部分，机器人单元机械构架的摆动通过舵机驱动，舵机的转动轴和外壳分别固定在构架的两个部分上，于是构架可以实现一定角度的摆动。而输出轴的驱动同样采用舵机，输出轴与其他机器人单元的接合面连接后，可以带动单元进行相对转动。

2、组成

机械构架、执行机构、控制器、传感器、基于计算机软件的指令发布平台。

(1)机械构架是移动机器人单元的基本外形构架，也为内部控制器、传感器、执行机构提供固定支承。该机械构架自身由两部分构成，这两部分可以进行可控制的相对摆动，由舵机驱动。并且在构架的几个外表面上设计有用来连接其他单元输出轴的结构。

(2)执行机构包括机器人单元进行独立移动的驱动轮和转向轮、起单元间连接和传动作用的输出轴。

(3)控制器用于接收来自计算机的指令信号、输出控制执行机构动力源的信号，以及向计算机反馈机器人单元各电机的状态。

(4)传感器，用于接收来自计算机的指令信号。

(5)基于计算机软件的指令发布平台，用于发布控制机器人单元运动的指令信号。当机器人单元组合成统一运动体时，进行各个单元分动作指令编排的运算，并发布指令，指挥整体的协调移动。

3．基本理论和建模方法

由于机器人单元之间要具有完全的互换性，所以在控制方面所有机器人单元是同级的，因而机器人单元也采用一样的控制器，这样如果将复杂的数据交给单元上的控制器来处理时就需采用高性能的控制器，每个机器人单元的成本就会提升，会影响机器人的整体经济性。所以将复杂的信息处理交给计算机软件来进行，处理完成后通过无线信号发射器交送给每个单元的控制器，再由控制器将驱动信号分配给各个电机。由此减轻控制器

的工作负担，同时保证系统的响应性能。

机器人单元组合成一个整体后，要实现一些仿生移动，必须具有足够的自由度。要实现最简单的四足移动，每个单元之间至少能进行相对旋转，并且部分单元要连接2个以上的其他单元。考虑到机器人单元的经济性和体积，机器人单元仅设置一个驱动输出轴，而设置多个连接面。而要实现最简单的蛇形，单元之间仅仅相对旋转是不够，除非利用单元之间的组合来实现摆动，那样即使为了实现最基本的3节蛇形移动，也需要大量机器人单元，所以每个机器人单元增加一个摆动的自由度。于是每个机器人单元自身具有一个摆动的自由度，与其他单元连接后可以形成一个主动旋转的自由度，同时连接面可以连接其他单元的输出轴，以此形成结构的扩展和动力的传递。

建模方面，采用SolidWorks进行单个机器人单元的结构设计和运动仿真，基本确定单元的结构形式后，用Adams模拟单元的组合进行运动分析，以组合系统的平稳性、传动、能耗等为考虑因素，进行单元结构模型的调整，不断提高机构的合理性。当软件仿真的效果基本符合要求后，制作实体框架，观察实际的配合和传动效果，将遇到的问题进行分析后重新在软件上进行模型结构的调整，再进行运动仿真，不断重复这个过程，以此设计出一个可能的最佳结构。

四、设计思路和方案

1、搜集设计所需的资料，自学相关的专业知识和设计软件。并根据掌握的更多资料和知识，进行设计方案的局部调整和改进。

2、用solidworks建立机器人单元结构的基本雏形，并预留控制器、传感器的安置空间。

3、根据设计模型，制作仅具有移动功能的遥控机器人，并开始设计计算机软件控制面板的雏形。

4、在最初的实体模型基础上增加机器人单元的摆动结构，并实现遥控。

5、设计机器人单元动力输出轴与其他单元实现连接和传动的结构，并在实体模型上进行制作实验。并考虑其连接的自动化，在结构上预留机器人单元间自动连接的功能扩展空间。

6、进行机器人单个单元的整体性能调试，改进机械结构、控制程序、机器人控制软件。

7、单个机器人单元成型后，用Adams进行多个单元组合移动的运动仿真，研究组合后系统移动的稳定性和传动性能，并根据发现的问题，在计算机上进行设计调整，然后在实体模型上进行结构的改进，再用Adams进行仿真，反复这个过程，直到整体结构合理。

8、制作第二个机器人单元，完成后进行单元间的组合试验，并增加机器人控制软件的控制功能，测试组合运动的实际效果。根据问题按照上一阶段的思路进行结构的局部调整。

9、制作更多的机器人单元，完成后进行组合，用以实验简单的仿生移动。在Adams上模拟组合移动，分析各个执行机构的运动参数，根据分析结果在控制软件上编写组合移动的指令序列，并发送给每个单元进行测试，再根据实际测试遇到的问题，重新在Adams上进行调整和仿真，再修改指令序列，并发送、测试直到仿生移动的成功实现。

四、总体安排和进度

本论文将利用13周的时间完成。具体安排如下：

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日期：年月日

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