小型轮式机器人设计

DIY创意玩具：智能移动小车（轮式机器人）的软硬件设计实现一、项目概述1.1 引言智能移动机器人的诞生给人们的生活带来了不小的变化，尤其是在工业生产中扮演了非常重要的角色。

智能小车，也称轮式机器人，它是一种集环境感知、决策、自动行驶等功能与一体的综合系统，并是一种以汽车电子为背景,涵盖了传感、信息、通信、人工智能及自动化控制等相关技术，是典型的高新技术综合体。

1.2 项目背景/选题动机。

智能移动机器人主要体现的就是对物体（障碍物）的感知能力和识别能力，本方案实现寻迹、避障、调速等功能。

二、需求分析2.1 功能要求智能移动小车，可以遥控小车左右前后行走，具备寻线和避障功能。

2.2 性能要求壁障距离20cm 范围内。

寻线线宽1cm-5cm。

拐弯角度90 度-270 度。

三、方案设计3.1 系统功能实现原理（除图片外需有文字介绍）图1 智能寻线避障小车控制电路资源分配利用开发板，PSoC 技术优势，利用片上的AD 资源，EEPROM，PWM 等片内资源。

（1）寻迹部分：以光电传感技术为基础，结合CY8C单片机的AD资源，采样待寻线路径的背景颜色和路径的颜色的反色光经光电转换后的模拟电压值，通过一定的算法，判断路径的位置，根据路径的位置，确定小车的寻线轨迹。

（2）避障部分：以红外线反射原理为基础，通过CY8C单片机实现一定频率的方波将红外光进行调制，单片机接受调制后的红外光，解码后根据方波数确定在20cm左右的距离内有障碍物，从而确定小车的路径规划。

（3）小车速度的控制：采用CY8C单片机的PWM输出功能，控制电机驱动电路，从而实现调速。

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仅供参阅！。

《新型轮腿式机器人的设计与仿真》篇一一、引言随着科技的进步与智能化需求的增加，机器人技术逐渐发展出新型的设计形态。

其中，轮腿式机器人因其灵活性和适应性强的特点，受到了广泛关注。

本文将详细介绍新型轮腿式机器人的设计思路和仿真结果，旨在为相关研究提供参考。

二、新型轮腿式机器人设计背景及意义传统机器人主要依靠轮式或腿式运动结构，但随着应用场景的不断扩大，单一结构的局限性逐渐凸显。

而轮腿式机器人将轮和腿两种结构有机结合，使机器人具备了在不同地形环境下自由移动的能力。

新型轮腿式机器人的设计具有以下意义：1. 提高机器人的环境适应性；2. 拓宽机器人的应用领域；3. 推动机器人技术的进一步发展。

三、设计思路与原理新型轮腿式机器人设计主要遵循以下思路：1. 结构设计：结合轮式和腿式的优点，设计出具有自适应能力的轮腿结构。

通过分析不同地形条件下的运动需求，确定机器人的整体结构和各部分功能。

2. 动力系统设计：采用高效、低能耗的驱动系统，确保机器人在各种环境下的运动性能。

同时，考虑机器人的负载能力和运动速度，优化动力系统设计。

3. 控制策略：采用先进的控制算法，实现机器人的自主导航、路径规划和避障等功能。

通过仿真验证控制策略的有效性，确保机器人在实际运行中的稳定性和可靠性。

四、具体设计与实现1. 结构设计：新型轮腿式机器人采用模块化设计，包括轮式结构、腿式结构和控制系统等部分。

其中，轮式结构用于平坦地面运动，腿式结构用于复杂地形环境。

通过调整轮腿结构的比例和材料，实现机器人的轻量化和高强度。

2. 动力系统：采用电动驱动系统，包括电机、电池和传动装置等部分。

电机选用高效、低能耗的直流无刷电机，电池选用大容量、长寿命的锂离子电池。

传动装置采用齿轮和皮带等传动方式，确保动力传递的稳定性和可靠性。

3. 控制策略：采用基于传感器和算法的控制策略，实现机器人的自主导航、路径规划和避障等功能。

通过分析环境信息，机器人能够自主判断运动方向和速度，以适应不同地形和环境。

野外全方位轮式机器人设计报告班级：机电1班制作人：李仪学号：*************组员：李仪，赵嘉，朱赛丰，郭荃摘要随着机器人技术的高速发展，机器人已经在我们的生产生活中起了非常重要的作用。

移动机器人更是极大的便利了我们的生活，其中，全方位轮式移动机器人由于其操作的灵活性，并且可以原地360度旋转，其作用在轮式移动机器人中尤为突出，也逐渐成为了科学家研究的重点。

再次，本文以麦克纳姆轮为基础，设计可在野外全方位移动的轮式机器人，同时建立其力学模型，并设计协调控制电路控制器运动。

虽然麦克纳姆轮尚且存在一定的缺陷，但是其设计的巧妙性和灵活性弥补了这一点，让其得到了广泛的应用前景。

关键字：全方位轮；麦克纳姆轮；移动机器人；野外行走目录序言 (1)第1章麦克纳姆轮的原理与结构 (1)1.1 单个辊子的运动原理 (1)1.2 全方位轮协调运动原理 (2)第2章三维模型设计 (4)第3章运动学模型分析 (6)3.1 坐标系建立 (6)3.2 轮体的雅克比矩阵 (7)3.3 复合方程 (9)3.4 运动学逆问题解 (10)3.5 运动学正问题的解 (11)第4章四轮协调的控制测试电路 (12)4.1 控制电路的选择方案 (12)4.2 控制电路的设计 (12)4.2.1 遥控部分设计 (12)4.4.2 电机调速设计 (13)4.4.3 驱动电路设计 (13)4.5 摄像头控制电路设计 (14)4.5.1 三可变摄像头控制原理 (14)4.5.2 三可变镜头控制电路设计 (15)第5章总结与展望 (18)第6章参考文献 (19)序言随着电子通讯与机电控制等技术的告诉发展，人们已经开始不断的尝试将智能机器或机器人并以高效率的工具引入我们工业的各个领域。

许多机、电、计算机一体化的新产品诞生，同时有许多高科技人才在不断探索。

对于新型移动机器人，自从进入80年代以来，人们也广泛进行了研究与探讨。

现在，作为移动机器人而开发的移动机构种类以相当丰富，就地面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、脚腿式、躯干式等多种形式。

1 绪论1.1 引言移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。

在军事、危险操作和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动[1]。

移动机器人按照移动方式可分为轮式、履带式、腿足式等，其中轮式机器人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。

按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。

而轮式移动机构的类型也很多，对于一般的轮式移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。

另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整[2]。

由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器人移动机构的发展趋势。

基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。

本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。

1.2 国内外相关领域的研究现状1.2.1 国外全方位移动机器人的研究现状国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。

这方面日本、美国和德国处于领先地位。

八十年代初期，美国在DARPA的支持下，卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA下属的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也开展了这方面的研究。

项目一、机器人的运动控制一、项目目标：1.熟悉MT-UROBOT 机器人的运动机构2.了解MT-UROBOT 的驱动原理3.理解调速原理4.掌握软件控制方法，学会编写自己控制程序二、项目描述：1.机器人的运动机构两个主动轮，金属铝芯、橡胶外胎。

MT-UROBOT 机器人的主动轮有能够完成向前直走，向后转弯，左转，右转，这些平地上的技术动作；驱动机构由直流电机和减速比约为30：1的齿轮箱构成，齿轮减速箱将直流电机输出的扭矩和转速转化为机器人 可以需要的扭矩和转速。

动力强劲，效率高，噪音小。

从动轮为一万向轮。

从动轮子与两个主动轮构成稳定的三角形结构支撑整个本体。

如图：图1.1在没有未经减速齿轮变速的直流电机可以运行在8000～12000转/分，MT-UROBO 机器人的直流电机的转速为8000转/分。

速度虽然高，但是驱动力很小，所以这里我们采用了减速齿轮箱,来增加转矩。

对于改变速度的传动形式来说，就有一个传动比的概念。

对于齿轮传动，传动比可以用两个齿轮的齿数来定义：21/Z Z I Z1 为主动齿轮的齿数，Z2 为被动齿轮的齿数输出的速度可表达为：IV V 动力源输出＝2．驱动电路直流电机上的电压大小影响它的转速和扭矩差动方式是指将两个有差异的或独立的运动合成为一个运动。

当我们把两个电机的运动合成为一个运动时，这就成图1.2驱动芯片为LMD18200, 有3A 连续工作电流，6A 的最大电流，非常高的转换效率和纹波特性，并且具有过流、过热保护，电路原理图见用户手册图3.29。

电源芯片LM2577T —ADJ ，采用电池升压稳压电路，有效地提高了电机在电池电压变化过程中的效率和稳定性，电路图见用户手册图3.28。

再驱动板上有一个驱动电流反馈接口，把它接到扩展板上的AD 端口就可读出此刻驱动器上的电流。

3. 直流电机调速原理直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人的运动。

轮式移动机器人结构设计随着技术的不断发展，移动机器人在工业自动化、物流配送、医疗卫生、公共安全等领域发挥着越来越重要的作用。

其中，轮式移动机器人是一种较为普遍的机器人类型，因其具有结构简单、操作方便、移动灵活等特点，被广泛应用于各个领域。

本文将介绍轮式移动机器人的结构设计，以期能对相关领域的工程师和研究人员有所帮助。

1. 轮式移动机器人结构设计的原则在设计轮式移动机器人的结构时，需要遵循以下原则：1.1. 结构要简单轮式移动机器人的结构应该尽可能简单，这有助于降低制造成本、提高系统可靠性、减少维护成本和保养费用等。

1.2. 重心要低由于重心低能够增加机器人的稳定性，降低机器人倾覆的风险，因此轮式移动机器人的重心应该尽可能的低。

1.3. 轮子应该大在设计轮子时，通常情况下选择大一些的轮子，这有助于在不平路面上移动更加平稳，减少机器人的震动和颠簸。

2. 轮式移动机器人的主要结构轮式移动机器人的主要结构包括底盘、驱动系统、控制系统、传感器和电源系统等。

下面将分别对这些结构进行简要说明。

2.1. 底盘底盘是轮式移动机器人最基本的结构，负责承载机器人的整个系统。

底盘通常由一块铝合金等轻质材料制成，具有足够的强度和刚度，在机器人运动时保持平稳。

2.2. 驱动系统轮式移动机器人的驱动系统包括电机、减速器、驱动轮、万向轮等部件，为机器人提供动力和支持。

一般情况下，轮式移动机器人采用直流电机，其特点是电机转速范围广、速度控制方便，并且价格相对较低，非常适合用于轮式移动机器人驱动系统。

2.3. 控制系统轮式移动机器人的控制系统是整个机器人的核心，负责控制机器人的运动和操作。

控制系统通常由单片机、SBC（Single Board Computer）和嵌入式系统等设备组成，其主要功能是收集、处理传感器采集到的信息，并根据用户预先设定的指令控制机器人的运动。

2.4. 传感器轮式移动机器人的传感器是收集机器人周围信息的主要设备，包括红外线传感器、超声波传感器、激光雷达等。

Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 99【关键词】机器人 H 桥驱动电路 MOS 管1 电路总体设计1.1 电路总体设计本电路包括电源电路、H 桥电路、MOS 管Q2控制电路、MOS 管Q3控制电路、MOS 管Q7控制电路、MOS 管Q8控制电路。

如图1所示。

1.2 电路基本原理小型轮式机器人直流电机H 桥驱动电路的设计文/宋泽清直流电机由MOS 管Q2、Q3、Q7、Q8驱动。

MOS 管Q2、Q3、Q7、Q8分别由对应的控制电路控制，各控制电路通过对H 桥电路四个MOS 管的控制实现对直流电机的控制。

2 电路设计2.1 电源电路电源电路由12V 电池插座J4、电源开关S1、防反接二极管D9、电解电容C2、瓷片电容C3、开关稳压电源芯片U4、电感L1、二极管D10、电解电容C4、瓷片电容C1、电阻R45及电源指示发光二极管D11组成。

如图2所示。

当开关S1按下时12V 电池电源由插座J4引入，供给H 桥及H 桥MOS 管控制电路，+12V 的电源经过开关稳压芯片U4稳压后为H 桥MOS 管控制电路提供5V 电源。

当开关S1再次按下时，断开系统电源。

2.2 H桥电路设计H 桥电路由MOS 管Q2、Q3、Q7、Q8及通过接线端子J1接入的直流电机组成。

如图2所示。

当MOS 管Q2和Q8导通时，电流从12V 电源正极流过MOS 管Q2、直流电机、MOS 管Q8，然后入地，从而使直流电机正转。

当MOS 管Q3和Q7导通时，电流从12V 电源正极流过MOS 管Q3、直流电机、MOS 管Q7，然后入地，从而使直流电机反转。

当MOS 管Q2和Q3导通或MOS 管Q7和Q8导通时，直流电机接入闭合回路，从而使直流电机制动。

中的每一个基因，随机从[1,2M -1]之间选择一个数字作为初始化分配结果。

课程设计说明书课程名称专业班级学号姓名指导教师年月日摘要轮式移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向。

自上世纪九十年代以来，人们广泛开展了对机器人移动功能的研制和开发，为适应各种工作环境的不同要求而开发出各种移动机构。

其中全方位轮可以实现高精确定位、原地调整姿态和二维平面上任意连续轨迹的运动，具有一般的轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要愈义。

本文主要是介绍了技术较为成熟的麦克纳姆全方位轮的运动原理结构，分析了由四个麦克纳姆轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理。

并将其运用到轮腿复合式的机器人身上，使机器人移动能力更强。

设计的主要方面包括（1）移动方式的选择；（2）机器人结构的设计；（3）机器人移动原理的分析；（4）对移动机器人控制系统的简单设计。

关键词: 轮式移动机器人，轮腿复合式，四足目录摘要 (1)1 移动机器人技术发展概况 (1)1.1 机器人研究意义及应用领域 (1)1.1.1 机器人的研究意义 (1)1.1.2 机器人的应用领域 (2)1.2 移动机器人的发展概况 (2)1.2.1 移动机器人的国内发展概况 (2)1.2.2 移动机器人的国外发展概况 (3)2 轮式移动机器人的结构设计 (5)2.1轮式移动机器人系统结构 (5)2.1.1移动方式的选择 (6)2.1.2机器人移动原理构想 (6)2.1.3机器人轮子的选择 (7)2.1.4机器人腿部结构的设计 (8)2.2轮式移动机器人主要结构 (9)3 轮式移动机器人的控制系统 (9)3.1 控制系统硬件选型与配置 (10)3.1.1 驱动电机的选型 (10)3.1.2 伺服电机的选型 (11)3.1.3 轮毂电机的选型 (11)3.2 轮式移动机器人控制系统框架 (14)4 结论和总结 (17)5 致谢 (19)参考文献 (20)1 移动机器人技术发展概况1.1 机器人研究意义及应用领域随着科学技术的发展，人类的研究活动领域已由陆地扩展到海底和空间。

《新型轮腿式机器人的设计与仿真》篇一一、引言随着科技的飞速发展，机器人技术已成为现代社会的重要研究方向。

其中，轮腿式机器人因其独特的移动能力和适应性，在各种复杂环境中具有广泛的应用前景。

本文将介绍一种新型轮腿式机器人的设计与仿真过程，分析其结构特点、运动原理以及性能表现。

二、机器人结构设计与原理（一）设计思路新型轮腿式机器人设计的主要思路在于结合轮式和腿式运动的优点，使其能够在平坦地面和复杂地形中自由移动。

机器人结构包括轮式和腿式两个部分，两者之间通过一种新型的耦合机构实现灵活切换。

（二）结构特点1. 轮式部分：采用高强度材料制成的轮子，具有较好的承载能力和运动速度。

2. 腿式部分：采用多关节设计，使其能够在不平坦地形中稳定行走。

3. 耦合机构：实现轮式与腿式之间的灵活切换，使机器人能够在不同地形中自由移动。

（三）运动原理新型轮腿式机器人通过电机驱动轮子和腿部关节，实现前进、后退、转弯、爬坡等动作。

在平坦地面上，机器人主要采用轮式运动；在复杂地形中，机器人切换为腿式运动。

三、仿真分析（一）仿真环境与工具采用专业的机器人仿真软件进行仿真分析，模拟机器人在不同地形中的运动情况。

仿真环境包括平坦地面、复杂地形等。

（二）仿真结果与分析1. 运动性能：机器人在平坦地面上具有较高的运动速度和稳定性；在复杂地形中，机器人能够灵活切换轮式与腿式运动，表现出良好的适应性和稳定性。

2. 承载能力：机器人具有较好的承载能力，能够携带一定重量的物品在各种地形中移动。

3. 能耗情况：机器人在运动过程中的能耗较低，具有较好的节能性能。

四、实验验证与性能评估（一）实验验证为了验证新型轮腿式机器人的实际性能，我们进行了实地实验。

实验结果表明，机器人在各种地形中均能表现出良好的运动性能和稳定性。

（二）性能评估根据实验结果和仿真分析，对新型轮腿式机器人的性能进行评估。

评估指标包括运动性能、承载能力、能耗情况等。

经过综合评估，该机器人具有较高的性能表现和良好的应用前景。

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)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。