智能巡线机器人总体方案设计
完整的机器人系统就是一个移动的测控系统,包括检测部分、控制部分以及相应的驱动部分。这几个部分是彼此相互关联的,检测部分根据机械结构选择合理的检测手段,驱动部分根据任务要求和机械结构设计相应的驱动电路,控制部分则需从机械结构、检测手段、驱动方法综合考虑。
机器人要素分析
智能巡线机器人装备包含以下几个要素:机械机构、动力与驱动单元、执行机构、传感测试单元以及信息处理与控制单元五个部分。
这五个基本组成要素可以与人体的五大要素进行对比,如图 2-1 所示。

机械机构的作用类似于人体的骨骼。包括工作模块以及装备所有功能元素的机械支持结构以及机身、框架、连接等。机械机构要在结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面可靠、小型、轻量、美观等要求。
传感与测试单元的作用相当于人体的五官,对装备本身和外界环境的各种参数及状态进行检测,并将其变换成可识别信号,传输到信息处理单元。它由各种类型的传感器和信号处理电路或测试仪表构成。传感器与测试单元的主要问题在于提高可靠性、灵敏度和精密度。而提高可靠性的关键在于提高抗干扰能力。传感器包括光电传感器(巡线和计数)、超声波传感器(检测是否到达目标和有无障碍物)。
执行机构相当于人体的手和足。它根据控制单元的指令,快速高精度地完成要求的动作。目前常用的执行机构是电磁式、液压式和气动式机构。此外,还有一些新型的执行机构如超声波驱动器、形状记忆合金驱动器等。执行机构需要根据机器人装备的匹配性要求,考虑改善性能,如何提高精度和快速性,减轻重量,实现组件化、标准化和系列化,提高系统整体的可靠性。
动力和驱动单元相当于人体的内脏或肌肉。它在控制单元作用下,提供动力驱动和各种执行机构完成要求的动作和功能。机器人装备一方面要求驱动的高效率和快速反应特性,同时要求对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。智能巡线机器人的动力单元包括步进和直流电机。
信息处理与控制单元相当于人体中的头脑。将来自传感器与测试单元的检测信息和外部输入命令进行集中、存贮、分析、加工,根据信息处理结果和预设的控制算法,发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。一般由计算机、可编程控制器(PLC)和计算机外部设备等组成。机器人系统对控制和信息处理单元的基本要求是:提高信息处理速度,提高可靠性,增强抗干扰能力以及完善系统自我诊断功能,实现信息处理智能化和小型、轻量、标准化等。
机械结构设计
机械部分是机器人运行的载体,设计性能良好的机械结构,将有利于简化机器人控制算法的设计,并且机构在执行过程中可以很好的实现控制精度。在这一章里,将分别论述了车轮配置方式、底盘和尺寸。
智能机器人的车轮驱动配置
机器人的运动方式有轮式、履带式和步行方式。轮式和履带式机器人适合于条件较好的路面,而步行机器人则适合条件较差的路面。为了适应各种路面的情况,可采用轮、腿、履带并用。在本节中主要讨论各种方式的车轮驱动配置类别的特点,并且根据本课题的需要选择恰当的驱动配置方式。
机器人常用车轮驱动配置介绍
-
独轮驱动配置方式 其原理上不仅可以在平地行走,也可以在不平整的地面和倾斜的地面上行走。车体的转弯可以利用伴随陀螺仪加速、减速的反力矩。由于其在稳定性方面的弊病,将独轮机构应用于机器人上面基本没有实用性。
-
两轮驱动配置方式 两轮驱动配置的简图如下图 3-1 所示:

机器人机械尺寸设计
-
设计要求: 底盘是安装轮子和上层机构的重要联机部件,要求其十分牢固,与轮子和上层机构可以紧密配合。
-
结构: 采用两层机构:第一层底盘装万向轮和驱动轮电机等;第二层底盘用于连接上层机构。两层之间用角铝连接,采用了在同一连接处紧固两个螺钉的方法来加强强度。结构如图 3-5 和图 3-6 所示:









