基于电磁屏蔽的机器人驱动轮设计及优化研究

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1、第1章绪论1．1课题来源以及研究的目的和意义1．1．1课题来源本课题来源于国家自然科学基金项目：轮式机器人在崎岖地面的低能耗通过性控制的方法研究(项目编号：60775060)和博士点基金“机器人感知轮的机理和基于多场耦合的构型优化研究(项目编号：20102304110006)。主要：研究内容包括建立新型智能移动机器人硬件平台和体系结构，归纳轮子构形与参数、轮内驱动(in．wheelpropulsion)结构，内置测控部件等轮内密闭或半封闭空间的温度、电磁影响、应力位移等多物理场耦合后的热特性、电磁兼容性能和应力与结构等细观变化规律，实现在机器人通过能力和地

2、面力学约束前提下的感知轮的紧致型多目标优化。该研究将为探索1—20kg范围的小型机器人的机、电、热、电磁和感知的一体化设计制造，探索一种有效的量化设计方法。1．1．2研究目的与意义近些年，小型移动机器人的研究越来越受到关注，特别是能够适应崎岖地面的轮式小型机器人正逐渐成为研究的焦点[1-2]。小型移动机器人作为一个科学研究的平台，其上面搭载各种各样的科学仪器设备和电子通信设备，能够及人类所不能及，能够在十分恶劣的、复杂的工作环境下代替人类完成工作。驱动轮作为小型轮式移动机器人走行的关键部位，相对于整个系统(移动机器人)构成了一个相对独立的分级系统，另外由于

3、驱动轮采用了内部驱动方式，所以其内部空间十分狭小，电子器件众多，信号通信复杂，电子设备与电子设备之间必然要产生电磁干扰，从而影响小型移动机器人驱动轮的正常工作。驱动轮的电磁屏蔽作为抑制电子设备之间电磁干扰的重要手段，在驱动轮的设计之初就应该得到广泛的重视，以保证驱动轮的电磁兼容性。驱动轮的屏蔽效能作为评价驱动轮电磁兼容性的重要性能指标。研究驱动轮的屏蔽效能，能保证小型移动机器人驱动轮的内部各个电子元器件能够正常工作，能保证移动机器人驱动轮免受外界的电磁干扰，使驱动轮成为一个结构合理、脾I—t"厶匕BE／优越、具有多任1哈尔滨工程大学硕士学位论文务适应性的重

4、要部分。1．2国内外电磁屏蔽研究概述1．2．1电磁屏蔽技术的发展由于电子设备的大量应用，电磁学理论得到了长足的发展和完善，随之而来产生了许多电磁污染源。种类繁多的电磁污染源有的会给正常工作的电子设备带来较大的干扰，甚至使之失灵；有的则会危害人们的身体健康。因此对如何对抗电磁干污染源的研究变{!《叶‘分重要。对电磁干扰问题的研究开始于1888年。此时，科学家赫兹证实电磁波的客观存在，他利片f无线天线成功的将电磁波发射到自由空间，并且成功的收回。然而对抗电磁干扰技术包括的内容很多，抑制和排除只是其中的一个方面。同时很多时候所要排除的干扰恰恰夷：要利用的有用信号

5、。况且有些干扰是无法完全被抑制和消除的。在这种情况下，在20世纪40年代被首次提出。针对电磁干扰的问题，电磁兼容理论提出要深入研究分析干扰源的来源和作用机理，根据电磁干扰的实时特性给出抑制和消除的办法，将电磁干扰的影响降至最低。23世纪70年代，对电磁兼容技术的研究取得了一定的研究成果，并开始作为一门重要的学科技术，定期举行国际性的学术会议进行研究讨论。23世纪80年代，德国、美国等一些发达国家开始研究利用的新的电磁屏蔽材料和更为先进的工艺技术，来实现电磁兼容。为了测试电磁干扰的强度，高精度的电磁干扰测试豸；统也被研制出来，并从军用推向了民用。到了20世纪

6、90年代，科研工作者对电磁兼容问题的研究已经由对现有系统的测试转向了‘对未来系统的预测。中国对电磁兼容问题的研究直N20世纪80年代才刚刚开始启动，并于中国加入世贸组织后}成为研究的热点。随着电磁兼容问题研究的深入，中国业已取得的一定的研究成果并制定数十个有关电磁兼容设计的国家标准和军用标准。哇．磁兼容问题，也可以被称为电磁干扰问题，需要同时具备三个基本条件【4]：(1)干扰源：电子电路和电子设备产生电磁干扰，称为电磁干扰源；(2)敏感源：其他的电子电路电子设备易受电磁干扰源的影响；(3)耦合途径：电磁干扰源产生的电磁干扰以能量形式传递给敏感设备的路径。2

7、第1章绪论；；；ii；；；；；；ii；；iiiii；iiiii；i；；ii；；；；孟ii；；苒i；i；；ii；；iii；；；iiii；；；；iiii；；；iiii；；；以上三个基本条件称为电磁兼容的三要素，如图1．1所示，只要将干扰源、敏感源和耦合途径三者中的任意一者，进行消除和排除，就可以很好的解决电磁干扰问题。电磁屏蔽理论就是通过屏蔽三要素中的耦合途径来解决电子设备的电磁兼容问题的。图1．1电磁兼容三要素复杂系统的电磁兼容性设计分级可以分为六个级别[51：(1)电元器件级；(2)电路板级；(3)电子设备母板级；(4)电子设备单元级；(5)电子设备分级系

8、统级；(6)电子设备系统级。其构成一个金字塔型，如图1．2所示。图