多功能乐高移动机器人的设计

论文摘要

移动机器人以其智能性和对复杂环境的适应性在民用工业与国防军事等领域中具有广泛的应用。本文以丹麦乐高公司推出的头脑风暴NXT2.0开发套件为基础,设计了一款具有路径搜索、取物等功能的移动机器人。本文首先通过对设计任务的层次分解确定机器人的行为,从总体上规划设计目标；随后从机构和软件两个方面介绍机器人的开发细节。论文主要包括以下几个方面的工作：(1)系统层次分解设计。通过需求分析,操作性和技术性限制分析,系统模块设计和系统总体设计等步骤对机器人的设计任务进行分解,明确了系统设计边界。(2)移动机器人的底盘和机械臂的机构设计。运用实验分析了乐高套件提供的电机等执行器的特性,利用几何模型与拉格朗日表达等理论工具对机构进行建模,从力学与运动学的角度论证了执行器选型的合理性与可行性。(3)移动机器人传感器的选型与安装。分析了传感器的硬件并通过实验的结果对移动机器人所采用的超声、光电、颜色传感器的测量特性进行了分析,讨论了传感器在工作环境中的安装。(4)移动机器人软件系统的设计。在软件结构上采用了基于行为的编程模型,通过对机器人各个行为模块提供的统一的接口规范对程序进行编制。同时,介绍了机器人的边界识别,目标搜索模块以及PC上的蓝牙监控模块的实现。(5)场地与边界的识别算法。本文提出了一种对光电传感器采集值进行阈值迭代的先验算法识别场地边界与起始区。给出了算法的流程并通过实验结果证明了算法的有效性。最后,对本文所设计的机器人在技术上的优点和不足进行了分析,并给出了改进意见。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 引言
• 1.1 机器人研究的意义
• 1.2 移动机器人的研究现状
• 1.3 论文的主要内容和安排
• 2 机器人的系统总体设计
• 2.1 机器人的任务层次分解设计
• 2.2 需求分析
• 2.3 技术性以及操作性约束
• 2.4 系统的模块设计
• 2.5 系统的总体设计
• 2.6 本章小结
• 3 机器人机构设计
• 3.1 机器人的总体机构设计
• 3.2 底盘设计
• 3.2.1 底盘的设计思路
• 3.2.2 电机动力学分析
• 3.3 铲式机械臂的设计
• 3.3.1 铲式机械臂的设计要求
• 3.3.2 铲式机械臂的几何模型
• 3.3.3 钳子的力学特性分析
• 3.4 超声传感器的设计与安装
• 3.4.1 超声测距的原理
• 3.4.2 超声传感器的性质
• 3.4.3 超声传感器的安装
• 3.5 光电传感器的设计与安装
• 3.5.1 光电传感器的结构
• 3.5.2 光电传感器的安装
• 3.6 颜色传感器的设计与安装
• 3.6.1 颜色传感器的结构
• 3.6.2 颜色传感器的安装
• 3.7 本章小结
• 4 机器人的软件设计
• 4.1 软件开发的任务和开发工具
• 4.2 行为编程模型（Behavior Programming）
• 4.3 程序控制流程
• 4.3.1 系统初始化自检
• 4.3.2 离开初始区
• 4.3.3 搜寻小球
• 4.3.4 定位小球
• 4.3.5 获取小球
• 4.3.6 回收小球
• 4.3.7 蓝牙控制模块
• 4.3.8 离开黑色区域
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献