摘 要

自移动平台可以叫做自主移动机器人平台，如今已经涉及到相当广泛的领域了，就拿呈井喷式发展的物流行业来说，能在仓库间自动巡航的智能平台应用极为广泛，既提高了整个仓储运输系统的效率，更极大地降低了因为人员冗余造成的高昂成本。

本文首先调查了国内外各种移动机器人的研究现状，然后结合设计要求确定了总体的结构及各项目标参数，完成了自移动平台的整车结构设计及零部件的选型，然后用CATIA将整车建模出来，并且在文中说明了自移动平台适用的结构化环境，以及确定了实现自主移动的方法。

关键词：自移动平台；整车结构；CATIA；建模；自主移动

Abstract

The self-mobile platform can be called an autonomous mobile robot platform. Nowadays, it has been applied to a wide range of fields. For the logistics industry that develops into a well blowout, the intelligent platform that can automatically cruise between warehouses is extremely widely used, improving the entire warehouse. The efficiency of the transportation system greatly reduces the high costs due to personnel redundancy.

This article first investigated the research status of various mobile robots at home and abroad, then determined the overall structure and various target parameters based on the design requirements, completed the entire vehicle structural design and component selection of the self-mobile platform, and then the vehicle It is modeled out by CATIA, and in the article, the structured environment applicable to the mobile platform is described, and the method for achieving autonomous mobility is determined.

Key Word: Self-mobile platform; Vehicle structure; Modeling; Autonomous movement

目录

1.绪论 - 1 -

1.1课题背景及研究意义 - 1 -

1.2自移动平台国内外研究现状 - 2 -

1.3本文主要研究内容 - 3 -

2.结构化环境及自移动平台结构形式的选择 - 3 -

2.1结构化环境的选择 - 3 -

2.2轴数及驱动形式 - 4 -

2.3底盘布置形式 - 4 -

3.自移动平台主要参数的选择 - 6 -

3.1自移动平台主要尺寸的确定 - 6 -

3.2自移动平台质量参数的确定 - 6 -

3.3自移动平台性能参数的确定 - 7 -

3.3.1动力学分析 - 7 -

3.3.2动力性能需求 - 8 -

3.4本章小结 - 9 -

4.驱动系统设计 - 9 -

4.1驱动电机的选择 - 9 -

4.1.1电机的特性分析 - 9 -

4.1.2功率的匹配 - 10 -

4.1.3转矩和转速的计算 - 11 -

4.2蓄电池参数设计 - 12 -

5.传动系统设计 - 13 -

5.1主减速器设计 - 13 -

5.2差速器设计 - 15 -

5.3驱动车轮的传动装置与桥壳 - 17 -

6.转向系统与制动系统设计 - 18 -

6.1制动系统 - 18 -

6.2转向系统 - 20 -

7.行驶系统设计 - 21 -

7.1悬架布置 - 21 -

7.2车架设计与整车装配 - 22 -

8.自移动平台的自主移动方案的设计 - 23 -

8.1功能设计 - 23 -

8.2自主移动总流程 - 24 -

9.结论与展望 - 25 -

9.1结论 - 25 -

9.2展望 - 26 -

致谢 - 26 -

参考文献 - 26 -

1.绪论

1.1课题背景及研究意义

现代生产产品的整个过程中，近95%的时间都用在储存、装卸、等待加工和输送，花在加工和制造上仅有不到5%的时间。在美国，人力劳动成本甚至占不到生产成本的10%，且这一比例还在逐年降低，而储存、运输所占的成本开销却占总的生产成本的40%，正因如此，世界各工业强国现在普遍把优化物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取得成功的重要措施^[15]。为了满足现代生产的这种需要，物流行业正向着自动化程度越来越高的方向发展。这种情况下，能应用于仓库货物运输的自主移动平台就应运而生了。

自移动平台可以叫做自主移动机器人平台，是一种综合了多种学科的智能机械，包括：机械学，计算机技术，电子传感器，控制技术等，根据运动方式的不同可细分为海、陆、空三种，陆地式机器人平台又可以细分为轮式、履带式、腿式，轮式自主移动机器人平台又因为承载能力优异、驱动和控制系统研究较为透彻等原因更受科研人员的热捧。然而与欧美、日本等发达国家相比，我国关于轮式自主移动机器人平台的研究密度相对较低，面临拓展的领域不够宽、研究成果较少等问题。就拿目前非常热门的轮式自移动机器人平台——AGV（Automated Guided Vehicle）小车来说，作为自主性极高的移动机器人平台及物料运输设备，它能实现物料装卸和搬运全过程自动化，是融合了电子技术和机械技术的典型机电一体化产品^[5]，已经广泛地运用在汽车制造、烟草业仓库运输等领域，能极大地提高了企业的生产效率。但我国在仓储物流领域对AGV的应用比欧美等国还落后很多，体现在科研起步晚、技术含量不高等方面。而且，由于一台用于仓库运输的自动引导小车价格昂贵，让国内许多企业对其望而却步，更重要的一点是，企业因生产条件和环境的不同，对应用于仓库货物运输的自动引导小车的功能需求也大相径庭，这也是造成部分中小型企业自动引导小车保有量和物流运输效率低的一个重要原因。

但在技术方面，不需要因此妄自菲薄，要知道，在一批新技术如传感器技术、计算机技术等新技术的推动下，移动机器人平台开始向工业制造领域以外的其他领域如农用、建筑、救灾等领域迅速发展，国内各个高校研究机构也抓住这波浪潮，开始布局自主移动机器人平台在农用、园林等方面的应用^[7-9]，加速推动了农用、植保机械的智能化程度，逐渐在缩小我国的轮式自主移动平台在部分领域与发达国家的差距。但如何将这些正在迎头发展的技术应用于制造一种可以适应简单结构化的仓库环境，以此满足急需发展的中小企业的物流，是一个亟待解决的问题。

为了解决上述问题，并且进一步增加我国在轮式自主移动平台的研究成果及应用范围，本课题将设计一款能在简单的结构化仓库环境中实现自主移动的轮式机器人平台，并对其实现自主移动的策略进行研究，为我国轮式自主移动机器人平台的发展做出一点贡献。

1.2自移动平台国内外研究现状

（1）国外研究现状

上世纪60到70年代，美国斯坦福国际研究所成功研制了轮式机器人Shakey，这台移动机器人也是第一次采用了人工智能，在装备了碰撞传感器、三角法测距仪、电视摄像机、驱动电机及编码器的前提下，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务^[6]。澳大利亚的Eze Corp公司研发了一种概念底盘，装配该底盘结构的车辆能够通过四轮独立转向和独立驱动，完成原地回转、斜行及四轮转向等动作^[8]。丹麦农业科学研究所的Thomas和Hans成功研制出了一款采用四个相同车轮结构的移动平台，能够独立实现四轮转向及驱动，极大提高了移动平台的灵活性，通过从方位调节中解耦出位置调节进而实现车子转弯时的平行位移。日本北海道大学已经成功研制出了能够实现自动驾驶的拖拉机，从车库到耕作地点全部不需要人为操作，拖拉机的行走路线可与田埂平行，同时也能实现自动转圈耕作^[7]。

世界上第一台AGV是美国Barrett Electronics公司于20世纪50年代开发成功的，是一种能够自动跟踪带电导线的无人驾驶车辆以用于仓库内货物运输^[15]。1961年，美国的Webb公司也研制成功了用于仓库作业的AGV。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轿车装配工厂与Schiinder-Digitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGV，并由多台该种AGV组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具^[15]。

（2）国内研究现状

由于上世纪受到经济条件的限制，我国对自移动机器人平台的研究相对于发达国家而言起步较晚。在“八五”期间，首先由清华大学、浙江大学、国防科技大学等高校进行了相关的移动机器人研宄。我们国家在“十五”期间的863计划中推出了一系列的发展计划。目前，我国在自移动机器人平台上也已经取得了非常不错的研究成果。

2003年，清华大学成功研制THMR-V（Tsinghua Mobile Robot-V）型无人驾驶汽车，所适用的环境是清晰车道线的结构化道路，能完成巡线行驶，最高车速超过100km/h。

2004年，名为“喀吗哆”的月球机器人样机，由解放军装备指挥技术学院科研部研制成功。它的底盘是圆形，采用的是四轮三扇的柔性设计，在月球地面上遇到障碍物，它可以原地旋转避免碰撞，也可以实现自主跨越，该月球机器人拟完成的任务，包括在月球上运送、安放科学仪器，安放炸弹实现月岩爆破，采集回收矿物质标本，寻找水或冰存在的证据等等^[17]。

1975年北京起重运输机械研究所设计完成了我国第一台自动导引小车，使用的双向无线电通信。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了6台AGV用于装配线上，是将自动导引小车应用到汽车工业中较成功的案例。清华大学独自研制的“自由路径自动导向AGV”属于固定路径导引的类型，在路径跟踪研究方面具有较高的水平^[15]。

1.3本文主要研究内容

本文主要围绕自移动平台的结构设计及零部件的选型进行研究，主要需要解决以下几个方面的问题：

（1）自移动平台的底盘结构设计。首先设计驱动系统，根据实际需要，确定了电力驱动的基本形式，然后按照设计的目标参数要求，对电动机和蓄电池进行了选型，之后确定了减速器及差速器的参数；再设计悬架，本次设计前后悬架均采用纵置钢板弹簧悬架；对于转向系统，本次设计选择使用步进电机控制齿轮齿条转向器进行转向。车架结构设计。车架主体是用40×40的合金钢焊接而成，结合实际的目标参数，最终确定车架的长和宽，再根据实际电池的大小及数量确定电池箱的大小。根据各子系统设计的零件尺寸选型实际的零件，并用CATIA依次建立了驱动桥、悬架、转向系、车架等部件的三维模型，并且将其按照不干涉的原则进行了整车装配。

（2）自移动平台适用环境的设计以及功能的确定。

2.结构化环境及自移动平台结构形式的选择

2.1结构化环境的选择

本文设计的自移动平台初步目标是针对存储仓库等结构化环境下能完成自适应巡航，结构化环境是本文设计的自移动平台的限定条件，如下图2-1所示。自移动平台移动的轨迹是图2.1中指出的循迹导轨线，装在自移动平台车架上的传感器能检测到是否在设定好的轨迹上移动，若不是则将相应的信号传至单片机，单片机再将相应的转向命令传至电机控制器，由电机控制器控制步进电机的运动，从而保证自移动平台始终在轨迹上移动。

其中，自移动平台启动后要求能做到自主循迹、停车避障、起始终点位置自动停车等操作，当检测到障碍物或行人时，自移动平台还要能立即自动停车并亮起警报灯。

图2.1结构化环境

自移动平台虽然可以按照要求在结构化环境中完成自动行驶，但从结构上来说自移动平台还是属于电动汽车类别，所以在进行驱动及布置形式等方面的选择时还是要参考传统汽车的要求执行。

2.2轴数及驱动形式

自移动平台的轴数的选择还是应该根据其用途、使用条件和适用的环境、满载情况下的总质量等方面综合考虑。众所周知，四轮驱动的汽车通过能力要强于两轮驱动的汽车，但相对应的，其底盘结构也会越复杂，整备质量和成本也随之增加。4×2驱动形式的底盘结构相对简单，制造成本相对低。

在综合考虑到用途、适用环境、结构和成本的问题下，本设计选用4×2的驱动形式。

2.3底盘布置形式

自移动平台底盘的布置形式是指电动机、驱动桥、转向桥和车架的相互装配关系，除了各总成和零部件的有关参数对其使用性能起至关重要的作用外，布置形式也有很大的影响。根据其采用不同的电力驱动系统来进行区分，可以根据电力驱动系统的不同分为以下6种类型，详情可见图2.2^[1]。

（1）如图2.2（a）所示，驱动系统由电动机、离合器、变速器和差速器组成。该种驱动系统是根据传统的汽车发展而来，用电动机代替发动机。在电动机性能不足，尤其是输出扭矩不足时，常常采用这种布置形式。

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