視覺導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車的研究設(shè)計(jì)【履帶式底盤】

視覺導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車的研究設(shè)計(jì)【履帶式底盤】,履帶式底盤,視覺導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車的研究設(shè)計(jì)【履帶式底盤】,視覺,導(dǎo)航,履帶式,移動(dòng),挪動(dòng),機(jī)器人,小車,研究,鉆研,設(shè)計(jì),底盤 任 務(wù) 書 1．課題的目的和要求： 設(shè)計(jì)目的：通過(guò)該設(shè)計(jì)使學(xué)生了解移動(dòng)機(jī)器人分類，結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)控制方法，通過(guò)三維軟件可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作的能力。 設(shè)計(jì)要求：要求學(xué)生獨(dú)立完成任務(wù)，掌握三維軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，熟悉機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和機(jī)器人傳感器的具體應(yīng)用。 2．課題的技術(shù)要求與數(shù)據(jù)（或主要內(nèi)容）： 設(shè)計(jì)內(nèi)容： 1、移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析； 2、移動(dòng)機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 3、移動(dòng)機(jī)器人傳感器層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4、移動(dòng)機(jī)器人視覺傳感器的軟件設(shè)計(jì)； 5、視覺算法的研究。 6、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書。 任 務(wù) 書 3．對(duì)本設(shè)計(jì)課題成果的要求〔包括圖紙、、圖表、實(shí)物等〕： 1) 繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)零件圖、裝配圖以及控制原理圖：圖紙量不少于折合成圖幅A0號(hào)的圖紙3張，其中手工繪圖量折合圖幅A0號(hào)的圖紙不少于1張； 2) 編寫論文一份： a) 計(jì)算正確完整，重點(diǎn)突出，論點(diǎn)明確，文字簡(jiǎn)潔通順； b) 論文中所引用的重要計(jì)算公式和數(shù)據(jù)要注明出處； c) 論文字?jǐn)?shù)不少于2萬(wàn)字，中文摘要300字左右，外文提要不少于1000個(gè)印刷符號(hào)。翻譯與課題有關(guān)的外文資料2篇，翻譯中文字?jǐn)?shù)不少于5000字； 相關(guān)文獻(xiàn)資料15篇以上。 4．主要參考文獻(xiàn)資料： 1 詹友剛，洪亮.Pro/ENGINEER中文野火版2.0產(chǎn)品設(shè)計(jì)通用教程.北京：清華大 學(xué)出版社，2005 任 務(wù) 書 5．）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2010年 3月8日 ~ 3月26日 3月27日 ~ 4月4日 4月5 日 ~ 4月11日 4月12日 ~ 4月18日 4月19日 ~ 4月25日 4月25日 ~ 5月1日 5月2日 ~ 5月15日 查閱相關(guān)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，并翻譯相關(guān)英文資料，熟悉三維設(shè)計(jì)軟件相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，寫出開題報(bào)告； 移動(dòng)機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 移動(dòng)機(jī)器人傳感器層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 移動(dòng)機(jī)器人視覺傳感器的軟件設(shè)計(jì)； 視覺算法的研究。 整理設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書（注：設(shè)計(jì)說(shuō)明書的大部分內(nèi)容是穿插在上述內(nèi)容中進(jìn)行的）。 答辯 教研室審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 系部意見： 系主任： 年 月 日 開題報(bào)告表 課題名稱 基于視覺的機(jī)器人設(shè)計(jì) 課題來(lái)源 B 課題類型 D 導(dǎo) 師 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。其原理是利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，而后經(jīng)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字化處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，來(lái)進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。 一、調(diào)研準(zhǔn)備： 1）記錄導(dǎo)師布置任務(wù)要求，并認(rèn)真閱讀。 2）搜集與課題相關(guān)的工具書，為設(shè)計(jì)作好充分準(zhǔn)備。 3）通過(guò)上網(wǎng)查詢相關(guān)科研資料及閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，了解課題設(shè)計(jì)的原理并制定一套可行的設(shè)計(jì)方案。 二、設(shè)計(jì)題目：基于視覺的移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析 三、設(shè)計(jì)目的：通過(guò)該設(shè)計(jì)了解移動(dòng)機(jī)器人分類，結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)控制方法，通過(guò)三維軟件可以以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)獨(dú)立工作的能力。 四、設(shè)計(jì)要求：要求獨(dú)立完成任務(wù)，掌握三維軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，熟悉機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和機(jī)器人傳感器的具體應(yīng)用。 五、設(shè)計(jì)思路：根據(jù)題目的要求，確定如下方案： 設(shè)計(jì)小車?yán)寐膸降妆P作為機(jī)械裝置，采用雙驅(qū)控制，加裝視覺攝像頭、控制電機(jī)，編碼器等裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能控制。 智能機(jī)器人可采用單片機(jī)或PLC作為控制系統(tǒng)，在此我先擇單片機(jī)處理。本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容是視覺導(dǎo)航三輪式移動(dòng)機(jī)器人的底層控制，其核心內(nèi)容是應(yīng)用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)和停止等動(dòng)作；另外還利用視覺攝像頭檢測(cè)道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡功能。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。 這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列中的80C51單片機(jī)。以80C51為控制核心，利用攝像頭檢測(cè)道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車，并可以自動(dòng)記錄時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡功能。 六、預(yù)期成果：利用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖，還有單片機(jī)等相關(guān)的知識(shí)設(shè)計(jì)一款機(jī)器人小車，我有著濃厚的興趣。另外有老師的專業(yè)輔導(dǎo)，同學(xué)們的合作，圖書館的資料支持，我想我會(huì)設(shè)計(jì)出一款性能很好的機(jī)器人小車，并能夠達(dá)到蔽障尋跡控制速度等功能的。 七、進(jìn)度安排： 3月8日 ~ 3月26日 確定題目、查閱資料，熟悉相關(guān)軟件，寫開題報(bào)告 3月27日 ~ 4月4日 機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì) 4月5 日 ~ 4月11日 機(jī)器人傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4月12日 ~ 4月18日 機(jī)器人視覺傳感器 的軟件設(shè)計(jì) 4月19日 ~ 4月25日 視覺算法的研究 4月25日 ~ 5月1日 整理設(shè)計(jì)結(jié)果，撰寫說(shuō)明書 5月2 日 ~ 5月15日 答辯 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 課題類型：A、工程設(shè)計(jì)，B、工程技術(shù)研究，C、軟件開發(fā)，D、機(jī)械設(shè)計(jì)，E、實(shí)驗(yàn)研究， F、理論研究，G、其它 摘 要 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容是視覺導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車的研究設(shè)計(jì)，其核心內(nèi)容是 應(yīng)用單片機(jī)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小車的左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)和停止等動(dòng)作。 論文內(nèi)容包括四個(gè)部分：簡(jiǎn)要介紹了移動(dòng)機(jī)器人研究背景、意義、現(xiàn)狀及發(fā)展前 景，視覺導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車的設(shè)計(jì)原理及方案，機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)。論文詳細(xì)地介紹了移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)小車?yán)寐膸降妆P作為機(jī)械裝置，采用雙驅(qū)控制，加裝視覺攝像頭、控制 電機(jī)，編碼器等裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù) 據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的智能 控制。 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括： 1.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)器人采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的履帶結(jié)構(gòu)，動(dòng)力源采用直流無(wú)刷電 機(jī)，減速和傳動(dòng)裝置采用齒輪傳動(dòng)，利用差速移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，選用增量 式光電編碼器進(jìn)行對(duì)機(jī)器人速度的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位。 2.控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：控制部分采用 AT89C51 型號(hào)單片機(jī)進(jìn)行接受命令和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分采用 L293D 控制芯片，芯片利用接受到的單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)來(lái)控 制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3. 傳感器部分：利用視覺傳感器收集圖像，送至上位機(jī)進(jìn)行圖像處理 關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)控制，單片機(jī)控制，視覺系統(tǒng) I Abstract The design of the study content is visual navigation of mobile robot car USES the core content of study design, application of single-chip microcomputer control motor is the robot car turn left, right, forward and stop such action. Includes four parts: the paper briefly introduced the mobile robot research background, significance, the present situation and development prospect, visual navigation crawler mobile robot car design principles and schemes of the structure design, mechanical parts, control system design and visual system design. Paper introduced in detail the mobile robot mechanical parts of the structure design. Car chassis design using a mechanical device USES, adopt double drive control, add the visual camera, control motor, electric coder to the device such as position, velocity, the operation condition of real-time measurement, and the measured data transfer process, then by single-chip microcontroller according to test data of intelligent control of electric cars. Main contents include: 1 mechanical structure design: use two rounds independent robots driven by caterpillar structure, brushless dc motor for electric power transmission device, the deceleration and by using differential gears, mobile robots platform to choose the solid-axes photoelectric encoder and the detection rate of robot, robot localization. 2 control structure design: the control part AT89C51 single-chip model for accept orders and produce, motor driver drive signal control chip, L293D part adopts chip using SCM to receive signals to control motor speed. 3 parts: using visual sensor sensor, send images supreme image processing machine Key words：Mobile robot, motion control, the single-chip microcomputer control, the visual system II 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT .II 1 緒論 .1 1.1 機(jī)器人的研究背景 .1 1.2 機(jī)器人的研究意義 .1 1.3 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 .2 2 視覺機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的確定 .4 2.1 視覺移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 .4 2.2 視覺移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 .4 2.3 移動(dòng)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 .4 3 機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .4 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇與計(jì)算 .4 3.2 減速器的選擇與計(jì)算 .4 4 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型 .4 4.1 單片機(jī) PIC16F877 .4 4.2 直流無(wú)刷電機(jī) .4 4.3 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 LM7805 .4 5 移動(dòng)機(jī)器人的圖像處理技術(shù) .4 5.1 圖像的采集 .4 5.2 彩色圖像灰度化 .4 5.3 灰度圖像的平滑處理 .4 5.4 顏色模型轉(zhuǎn)換 .4 總 結(jié) .4 致 謝 .4 參考文獻(xiàn) .4 0 1 緒論 1.1 機(jī)器人的研究背景 “機(jī)器人”一詞出自捷克文，意為勞役或苦工。 1920 年，捷克斯洛伐克小說(shuō)家、劇 作家恰佩克在他寫的科學(xué)幻想戲劇羅素姆萬(wàn)能機(jī)器人中第一次使用了機(jī)器人一詞。 此后被歐洲各國(guó)語(yǔ)言所吸收而成為專門名詞。 20 世紀(jì) 50 年代末，美國(guó)在機(jī)械手和操作機(jī)的基礎(chǔ)上，采用伺服機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制等 技術(shù)，研制出有通用性的獨(dú)立的工業(yè)用自動(dòng)操作裝置，并將其稱為工業(yè)機(jī)器人；60 年 代初，美國(guó)研制成功兩種工業(yè)機(jī)器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969 年，美 國(guó)通用汽車公司用 21 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人組成了焊接轎車車身的自動(dòng)生產(chǎn)線。此后，各工業(yè) 發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，同 時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次 世界大戰(zhàn)中各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。比如說(shuō)日本，戰(zhàn)后 以后開始進(jìn)行汽車的工業(yè)，那么這時(shí)候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機(jī)器人來(lái) 進(jìn)行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度，這是從社會(huì)發(fā)展需求本身的一 個(gè)需求。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié) 果，那么人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然 過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中,來(lái)需求能夠解放人的一種奴隸。那么這 種奴隸就是代替人們?nèi)ツ軌驈氖聫?fù)雜和繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn) 識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。但另一方面，盡管人們有 各種各樣的好的想法，但是它也歸功于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技 術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了提供了強(qiáng)大的技術(shù)保證。 1.2 機(jī)器人的研究意義 由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)， 70 年代起，常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成 部分。工業(yè)機(jī)器人按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能可分點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。點(diǎn)位型只控 制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸 等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng)，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。 具有觸覺、力覺或簡(jiǎn)單的視覺的工業(yè)機(jī)器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具 有識(shí)別功能或更進(jìn)一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機(jī)器人。它能按 照人給的“宏指令 ”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動(dòng)完成更為復(fù)雜的工作。 1 為什么要發(fā)展機(jī)器人? 簡(jiǎn)單說(shuō)，機(jī)器人有三個(gè)方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個(gè)是 機(jī)器人干人不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的，這樣的環(huán)境中 解放出來(lái)，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，比方說(shuō)在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天 拿著一百多公斤的焊鉗,一天焊幾千個(gè)點(diǎn)，就重復(fù)性的勞動(dòng)，一方面他很累，但是產(chǎn)品 的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的 一個(gè)理由，比方說(shuō)人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以 及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器 人，都是人們不可達(dá)的工作。上述方面的三個(gè)問(wèn)題，也就是說(shuō)機(jī)器人發(fā)展的三個(gè)理由。 1.3 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 1.3.1 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 1920 年捷克斯洛伐克作家卡雷爾恰佩克在他的科幻小說(shuō)羅薩姆的機(jī)器人萬(wàn)能公 司中,根據(jù) Robota(捷克文,原意為勞役、苦工)和 Robotnik(波蘭文,原意為工人),創(chuàng) 造出 機(jī)器人 這個(gè)詞。 1939 年美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人 Elektro。它由電 纜控制,可以行走,會(huì)說(shuō) 77 個(gè)字,甚至可以抽煙,不過(guò)離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人 們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。 1942 年美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫提出機(jī)器人三定律 。雖然這只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng) 造,但后來(lái)成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。 1948 年諾伯特維納出版控制論,闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、 感覺機(jī)能的共同規(guī)律,率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。 1954 年美國(guó)人喬治德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人,并注冊(cè)了專利。 這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作,因此具有通用性和靈活性。 1956 年在達(dá)特茅斯會(huì)議上,馬文明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法: 智能機(jī)器能夠 創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型,如果遇到問(wèn)題,能夠從抽象模型中尋找解決方法。這個(gè)定義 影響到以后 30 年智能機(jī)器人的研究方向。 1959 年德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨后,成 立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠-Unimation 公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研 發(fā)和宣傳,他也被稱為工業(yè)機(jī)器人之父 。 1962 年美國(guó) AMF 公司生產(chǎn)出 VERSTRAN(意思是萬(wàn)能搬運(yùn)),與 Unimation 公司生 產(chǎn)的 Unimate 一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人,并出口到世界各國(guó),掀起了全世界對(duì)機(jī) 器人和機(jī)器人研究的熱潮。 2 1962 年-1963 年傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們?cè)囍跈C(jī)器人上安 裝各種各樣的傳感器,包括 1961 年恩斯特采用的觸覺傳感器,托莫維奇和博尼 1962 年在 世界上最早的靈巧手 上用到了壓力傳感器 ,而麥卡錫 1963 年則開始在機(jī)器人中加入視 覺傳感系統(tǒng),并在 1965 年,幫助 MIT 推出了世界上第一個(gè)帶有視覺傳感器,能識(shí)別并定位 積木的機(jī)器人系統(tǒng)。 1965 年約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出 Beast 機(jī)器人。Beast 已經(jīng)能通過(guò) 聲納系統(tǒng)、光電管等裝置,根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20 世紀(jì) 60 年代中期開始,美國(guó)麻 省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)興起研 究第二代帶傳感器、有感覺 的機(jī)器人,并向人工智能進(jìn)發(fā)。 1968 年美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人 Shakey。它帶有視覺傳感器, 能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過(guò)控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。Shakey 可以 算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人,拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。 1969 年日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺(tái)以雙腳走路的機(jī)器人。加藤 一郎長(zhǎng)期致力于研究仿人機(jī)器人,被譽(yù)為仿人機(jī)器人之父 。日本專家一向以研發(fā)仿人 機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人的技術(shù)見長(zhǎng),后來(lái)更進(jìn)一步,催生出本田公司的 ASIMO 和索尼公司 的 QRIO。 1973 年世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作,就誕生了美國(guó) CincinnatiMilacron 公司的機(jī)器人 T3。 1978 年美國(guó) Unimation 公司推出通用工業(yè)機(jī)器人 PUMA,這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 已經(jīng)完全成熟。PUMA 至今仍然工作在工廠第一線。 1984 年英格伯格再推機(jī)器人 Helpmate,這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、 送郵件。同年,他還預(yù)言:我要讓機(jī)器人擦地板,做飯,出去幫我洗車,檢查安全。 1998 年丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人(Mind-storms)套件,讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一 樣,相對(duì)簡(jiǎn)單又能任意拼裝,使機(jī)器人開始走入個(gè)人世界。 1999 年日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛寶(AIBO),當(dāng)即銷售一空,從此娛樂(lè)機(jī)器人 成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。 2002 年丹麥 iRobot 公司推出了吸塵器機(jī)器人 Roomba,它能避開障礙,自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn) 路線,還能在電量不足時(shí),自動(dòng)駛向充電座。Roomba 是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化 的家用機(jī)器人。 2006 年 6 月,微軟公司推出 MicrosoftRoboticsStudio,機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的 趨勢(shì)越來(lái)越明顯,比爾蓋茨預(yù)言,家用機(jī)器人很快將席卷全球。 1.3.2 機(jī)器人的發(fā)展前景 3 目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能 化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下 10 個(gè)方面： 1工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提 高負(fù)載/自重比，同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 2機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ) 言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC 機(jī)網(wǎng) 絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線 編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。3多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性， 多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算 法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問(wèn)題 就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。 4機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 5機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的 協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先 顯示進(jìn)行遙控等。 6虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī) 器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。 7多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。 主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模 和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 8微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的 領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì) 引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的 影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方法、傳感技 術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 9軟機(jī)器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂(lè)場(chǎng)合。傳統(tǒng)機(jī) 器人設(shè)計(jì)未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù) 要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的， 機(jī)器人對(duì)人是友好的。 10仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行 一些基礎(chǔ)研究。 4 2 視覺機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的確定 2.1 視覺移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 2.1.1 動(dòng)力源的論證與選擇 表 2-1 不同類型電動(dòng)機(jī)的比較 優(yōu)缺 點(diǎn)比較： 方案 1 直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便， 小車 機(jī)內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 直流電機(jī) 1、無(wú)刷直流電機(jī)采用方波 電流供電，所用電機(jī)的轉(zhuǎn) 矩/體積比更高。 2、無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn) 單、制造成本更低。 3、產(chǎn)生方波電壓和電流的 變頻器比產(chǎn)生正弦波電壓 和電流的變頻器簡(jiǎn)單，選 用無(wú)刷直流電機(jī)更好。 1.在全磁場(chǎng)狀態(tài)，調(diào)電樞電壓，適合 應(yīng)用在 0基速以下范圍內(nèi)調(diào)速。不能 達(dá)到電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。 2.在電樞全電壓狀態(tài)，調(diào)激磁電壓， 適合應(yīng)用在基速以上，弱磁升速。 不 能得到電機(jī)的較低轉(zhuǎn)速。 3.在全磁場(chǎng)狀態(tài)，調(diào)電樞電壓，電樞 全電壓之后，弱磁升速。適合應(yīng)用在 調(diào)速范圍大的情況。這是直流電機(jī)最 完善的調(diào)速方式，但設(shè)備復(fù)雜，造價(jià) 高。 交流電機(jī) 1.可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)響 應(yīng)好； 2.效率高、調(diào)速范圍廣、 響應(yīng)頻率高。 帶動(dòng)慣性負(fù)載能力差，一般需用齒輪 減速裝置； 交流伺服電動(dòng)機(jī)的多用于中小型數(shù)控 機(jī)床。 步進(jìn)電機(jī) 1.轉(zhuǎn)速可以在很寬的范圍 內(nèi)調(diào)節(jié)； 2.可以控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn) 或反轉(zhuǎn)； 3.沒(méi)有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，使用、維修方便，制 造成本低。 效率較低，發(fā)熱大，有時(shí)會(huì)“失步” 。 步進(jìn)電機(jī)適用于中、小型機(jī)床和速度 精度要求不高的地方。 5 機(jī)對(duì)直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。而且無(wú)刷直流電機(jī)采用方波電流供電， 所用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/體積比更高。無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制造成本更低。無(wú)刷直流電 機(jī)產(chǎn)生方波電壓和電流的變頻器比產(chǎn)生正弦波電壓和電流的變頻器簡(jiǎn)單，選用無(wú)刷直 流電機(jī)更好。 方案 2 交流電機(jī)分為同步電機(jī)與異步電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)按照定子相數(shù)的不同分為 單項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn) 行可靠，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。同步電動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行方式有 三種，可以作為發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，和補(bǔ)償機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)主要用來(lái)發(fā)電。作為電動(dòng)機(jī) 使用時(shí)可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，在不需要調(diào)速的情況下可以提高運(yùn)行效率。作為補(bǔ)償機(jī)器 時(shí)，改變勵(lì)磁電流可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。然而交流電機(jī)必須攜帶電 源線，這對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)不太方便并且由于機(jī)器人在行駛過(guò)程中需要對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整， 而交流電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)速度的變換。 方案 3 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載 的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載 變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距腳。這一線性關(guān)系的存 在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制 領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流 電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使 用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知 識(shí)。 缺點(diǎn)是效率較低，發(fā)熱大，有時(shí)會(huì)“失步” 。 最終方案：本次設(shè)計(jì)使用直流無(wú)刷電機(jī) 2.1.2 運(yùn)動(dòng)方式的選擇 方案 1：輪式機(jī)構(gòu) 方案 2：履帶式結(jié)構(gòu) 優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 方案 1 輪式結(jié)構(gòu)是一個(gè)馬達(dá)作為動(dòng)力，通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)后輪；另一個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo) 向輪來(lái)決定行駛方向。優(yōu)點(diǎn)是在直道行駛速度較快、 方向和速度相互獨(dú)立。 缺點(diǎn)為 轉(zhuǎn)彎半徑大、驅(qū)動(dòng)輪易打滑、導(dǎo)向輪方向不易精確控制。 方案 2 履帶結(jié)構(gòu)是兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩條履帶。優(yōu)點(diǎn)是可以在原地轉(zhuǎn)動(dòng)；在不平 的路面上性能穩(wěn)定，牽引力大。缺點(diǎn)為速度慢、速度和方向不能單獨(dú)控制摩擦力很大； 能量損耗大，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 最終方案：履帶結(jié)構(gòu)能適應(yīng)更為復(fù)雜的環(huán)境，本次設(shè)計(jì)選用履帶式結(jié)構(gòu) 2.1.3 電源的論證與選擇 6 由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。 方案 1： 采用 10 節(jié) 1.5V 干電池供電，電壓達(dá)到 15V，經(jīng) 7812 穩(wěn)壓后給支流電機(jī) 供電，然后將 12V 電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電 量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。 方案 2：采用 12V 蓄電池為直流電機(jī)供電，將 12V 電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系 統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然 蓄電池的體積過(guò)于龐大，在小型電動(dòng)車上使用極為不方便，但由于我們的車體設(shè)計(jì)時(shí) 留出了足夠的空間，并且蓄電池的價(jià)格比較低。因此我們選擇了此方案。 綜上考慮，我們選擇了方案 2 2.1.4 傳動(dòng)方式的選擇 方案 1：帶傳動(dòng) 方案 2：齒輪傳動(dòng) 優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 方案 1 帶傳動(dòng)是利用張緊在帶輪上的柔性帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力傳遞的一種機(jī)械傳動(dòng)。 根據(jù)傳動(dòng)原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動(dòng)的摩擦型帶傳動(dòng)，也有靠帶與帶 輪上的齒相互嚙合傳動(dòng)的同步帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)，且其造價(jià)低廉、 不需潤(rùn)滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)。 方案 2 齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒 輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳 動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 表 2-2 帶傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)的比較 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 帶傳動(dòng) 1.因?yàn)閹в袕椥裕虼藗鲃?dòng)過(guò)程 中可以起到緩沖和吸震的作用， 是傳動(dòng)平穩(wěn)； 2.當(dāng)傳動(dòng)過(guò)載時(shí)，帶會(huì)產(chǎn)生打滑， 能防止工件的損壞，從而保護(hù)原 動(dòng)機(jī)； 帶是靠摩擦進(jìn)行傳動(dòng)的，而帶傳動(dòng) 產(chǎn)生的打滑使傳動(dòng)比不確定，同時(shí) 代的尺寸較大，傳動(dòng)效率低 7 齒輪傳動(dòng) 1.齒輪傳動(dòng)的效率高，可達(dá)到 96%-99%； 2.結(jié)構(gòu)緊湊，比帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng) 所需空間?。?3.傳動(dòng)比穩(wěn)定 制造及安裝精度較高，不宜用于傳 動(dòng)比過(guò)大的場(chǎng)合； 2.1.5 傳感器的選擇 方案一：使用紅外傳感器導(dǎo)航 任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。紅 外線傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與 被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。但是紅外傳 感器在測(cè)距和探障過(guò)程中易受可見光的影響，特別在一些光線較強(qiáng)以及環(huán)境溫度基本 一樣的條件下，其性能下降迅速，此外，使用紅外傳感器還需預(yù)先設(shè)定好軌跡，不宜 于移動(dòng)機(jī)器人的自主移動(dòng)。 方案二：使用超聲波傳感器導(dǎo)航 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高 于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng) 短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、 固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲 波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效 應(yīng)。超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳 感器都有一些缺點(diǎn)，比如，反射問(wèn)題，噪音，交叉問(wèn)題。 方案三 視覺傳感器 視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計(jì)的像素的能力，它主要部件就 是照相機(jī)或攝像機(jī)，在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中存儲(chǔ)的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行 比較，以做出分析。視覺傳感器通常因其精確性、易用性、豐富功能及合理成本而成 為最佳選擇。 2.1.6 最終方案： 基于視覺的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用履帶式結(jié)構(gòu)，用采用 7.2V 可充電動(dòng)力電池組，使用直 流無(wú)刷電機(jī)作為機(jī)器人的動(dòng)力源，利用視覺傳感器采集圖像，通過(guò)單片機(jī)控制直流電 機(jī)可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)，后退以及轉(zhuǎn)向等功能。 2.2 視覺移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 8 2.2.1 控制系統(tǒng)的選擇 PLC ( Programmable logic Controller)，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操 作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其 內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令， 并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用 于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，由 CPU、儲(chǔ)存器、電源構(gòu) 成。 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能 力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí) 器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 PLC 和單片機(jī)雖然都是控制器，廣泛的應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，但是它們依然具有不同， 他們的區(qū)別為： PLC 大部分用在較大型的設(shè)備上。因?yàn)槠鋬r(jià)格較高，一般都是附加值較高的自動(dòng)控 制系統(tǒng)才會(huì)考慮。PLC 的特點(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；硬件配套齊全，功能完善， 適用性強(qiáng)；易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小， 維護(hù)方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低。 單片機(jī)控制 單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是 把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單 片機(jī)只缺少了 I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量 輕、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件，同時(shí)單片機(jī)的成本比 PLC 略微低廉，綜合 考慮本次設(shè)計(jì)選擇單片機(jī)控制。 單片機(jī)有 8 位，16 位，32 位等，這里的位指單片機(jī) CPU 每次處理能力,8 位是指單 片機(jī)一次可以計(jì)算 8 位數(shù)據(jù),16 位是指單片機(jī)一次可以計(jì)算 16 位數(shù)據(jù),依次類推，在此 次設(shè)計(jì)中用 8 位單片機(jī)完全可以完成對(duì)機(jī)器人的控制，另考慮經(jīng)濟(jì)等方面，本次設(shè)計(jì) 選擇 8 位單片機(jī). 2.2.2 控制器的軟件設(shè)計(jì) 在歸納了移動(dòng)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)行為的基礎(chǔ)上，我們總結(jié)了機(jī)器人的如下運(yùn)動(dòng)方式: 1.啟動(dòng):兩個(gè)電機(jī)啟動(dòng)。 2 停止:兩個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 3.加速:兩個(gè)電機(jī)同時(shí)在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)加速。 4.減速:兩個(gè)電機(jī)同時(shí)在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)減速。 5.轉(zhuǎn)彎:改變一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，完成轉(zhuǎn)彎后作直線運(yùn)動(dòng)。 9 6.直線運(yùn)動(dòng):兩個(gè)電機(jī)以相同的速度和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。 這些運(yùn)動(dòng)覆蓋了差動(dòng)輪式移動(dòng)系統(tǒng)的所有基本動(dòng)作，通過(guò)一系列電機(jī)控制的組合 就可以靈活地控制機(jī)器人完成它所能夠做到的任何動(dòng)作。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人需要做出某種 動(dòng)作時(shí)，車載機(jī)只須將期望動(dòng)作翻譯為一個(gè)電機(jī)指令序列，發(fā)布給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng) 控制器就可以按部就班地控制機(jī)器人予以完成。 2.3 移動(dòng)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 機(jī)器人的視覺系統(tǒng)一般包括硬件與軟件兩個(gè)部分,前者是系統(tǒng)的基礎(chǔ),后者主要包 括實(shí)現(xiàn)圖像處理的基本算法以及一些實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的接口程序. 基于計(jì)算機(jī)視覺的移 動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件部分由計(jì)算機(jī)、攝像頭、機(jī)器人地盤組成。軟件分為兩 部分，即圖像處理和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。基于視覺導(dǎo)航的原始輸入圖像是連續(xù)的數(shù)字視 頻圖像。系統(tǒng)工作時(shí)，圖像預(yù)處理模塊首先對(duì)原始的輸入圖像進(jìn)行縮小、邊緣檢測(cè)、 等預(yù)處理。其次利用計(jì)算機(jī)計(jì)算并提取出對(duì)機(jī)器人有用的路徑信息。最后，運(yùn)動(dòng)控制 模塊根據(jù)識(shí)別的路徑信息，調(diào)用直行或轉(zhuǎn)彎功能模塊使機(jī)器人做相應(yīng)的移動(dòng)。 獲取圖像 特征抽出和 分割 計(jì)算距離和 角度 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn) 向和速度 輸出脈沖 攝像頭位置 和伺服系統(tǒng) 圖像處理單元 運(yùn)動(dòng)控制模塊 圖 2-1 機(jī)器人的控制原理 在本次設(shè)計(jì)中，采用的是用攝像頭實(shí)時(shí)的采集圖像信息，經(jīng)過(guò)上位機(jī)的內(nèi)部處理， 通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)要求。 10 3 機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇與計(jì)算 已知驅(qū)動(dòng)輪直徑 D=120mm, V=0.942m/s 按工作要求和條件，選用直流無(wú)刷電機(jī)，電壓 12V. 電動(dòng)機(jī)功率的選擇： 機(jī)器人的設(shè)計(jì)負(fù)重為 35 公斤，動(dòng)摩擦因數(shù)為 0.3， F=35*10*0.3/2=52.5N, T=Fr=52.5*0.05=2.625N/m，考慮到機(jī)器人會(huì)攜帶上位機(jī) 等設(shè)備，所以取 T=3N/m， =WP WKTnw1.479501*3 1、電動(dòng)機(jī)類型的選擇： Y 系列三相異步電動(dòng)機(jī) 2、電動(dòng)機(jī)功率選擇： （1）傳動(dòng)裝置的總功率： 總 = 帶 2 軸承 齒輪 聯(lián)軸器 滾筒 =0.960.9820.970.990.96 =0.85 (2)電機(jī)所需的工作功率： P 工作 =FV/1000 總 =52.50.942/10000.85 11 =0.058KW =58W 3、確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速： 計(jì)算滾筒工作轉(zhuǎn)速： n 筒 =601000V/D =6010000.942/120 =150r/min 按手冊(cè)推薦的傳動(dòng)比合理范圍，取圓柱齒輪傳動(dòng)一級(jí)減速器傳動(dòng)比范圍 Ia=36。取 V 帶傳動(dòng)比 I1=24，則總傳動(dòng)比理時(shí)范圍為 Ia=624。故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍為 n d=Ia n 筒 =（ 624） 150=9003600r/min 符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速有 1000、1500 和 3000r/min。 根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速，由有關(guān)手冊(cè)查出有三種適用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)：因此有三種傳支比 方案。綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置尺寸、重量、價(jià)格和帶傳動(dòng)、減速器的傳動(dòng)比，可 見第 2 方案比較適合，則選 n=1500r/min 。 4、確定電動(dòng)機(jī)型號(hào) 根據(jù)以上選用的電動(dòng)機(jī)類型，所需的額定功率及同步轉(zhuǎn)速， 根據(jù)設(shè)計(jì)要求電動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速查手冊(cè). 表 3-1 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù) 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 額定功率 額定轉(zhuǎn)速 r/min 總傳動(dòng)比 FBL-60K03151RS 30W 1500 25 3.2 減速器的選擇與計(jì)算 12 圖 3-1 電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖 3.2.1 計(jì)算總傳動(dòng)比及分配各級(jí)的傳動(dòng)比 1、總傳動(dòng)比： 215iniwm 2、分配各級(jí)傳動(dòng)比 ，i21. 經(jīng)計(jì)算 56.42i 48.51 3.2.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 1、計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速（r/min） nI=n 電機(jī)=1500r/min nII=nI/i 帶 =1500/5.48=274(r/min) nIII=nII/i 齒輪 =274/4.56=60(r/min) 2、 計(jì)算各軸的功率（KW） PI=P 工作 =30W=0.03KW PII=PI 帶 =300.96=28.8W=0.0288KW PIII=PII 軸承 齒輪 =28.80.980.96 =27.1W=0.0271KW 3、 計(jì)算各軸扭矩（Nmm） 13 TI=9.55106PI/nI=9.551060.03/1500 =191Nmm TII=9.55106PII/nII =9.551060.0288/274 =100.4Nmm TIII=9.55106PIII/nIII=9.551060.0271/60 =431.3Nmm 3.2.3 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 一、V 帶設(shè)計(jì) 外傳動(dòng)帶選為 普通 V 帶傳動(dòng) 1、確定計(jì)算功率 ca 1） 、由表查得工作情況系數(shù) 1.KA 2） 、由式 wPAca30.1 2、選擇 V 帶型號(hào) 查圖選 A 型 V 帶。 3.確定帶輪直徑 da12 （1） 、參考圖表選取小帶輪直徑 ma10 （電機(jī)中心高符合要求） H1 （2） 、驗(yàn)算帶速，由式 sdnVa 111 43.0627406 （3） 、從動(dòng)帶輪直徑 a2 mia8.514.1 查表取 mda52 （4） 、傳動(dòng)比 i 5.102ai （5） 、從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 in1128.2675.Rni 14 4.確定中心距 a 和帶長(zhǎng) Ld （1）初選中心距 aa210217.0 取39m0 （2） 、求帶的計(jì)算基礎(chǔ)準(zhǔn)長(zhǎng)度 0L mmadda5.302)1045()1(*)2120 查圖.取帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 =320mmdL (3)、計(jì)算中心距:a mad 109)25.301(200 (4)、確定中心距調(diào)整范圍 Ld 6.8).9(3.max 210432015015in 5.驗(yàn)算小帶輪包角 1 由式 120536018012ad 6.確定 V 帶根數(shù) Z (1)、由表查得 =90 n1=1450r/min 及 n1=1600r/min 時(shí)，單根 V 帶的額定功1ad 率分呷為 1.07Kw 和 1.15Kw，用線性插值法求 n1=1600r/min 時(shí)的額定功率 P0 值。 wKwP270.)1450(45607.(0 (2)、由表查得P0=0.03Kw (3)、由表查得查得包角系數(shù) 96.k (4)、由表查得長(zhǎng)度系數(shù) KL=1.03 (5)、計(jì)算 V 帶根數(shù) Z，由式 15 59.003.196)3.27( 0KPLcaZ 取 Z=1 根 7計(jì)算單根 V 帶初拉力 F0，由式 NqZvKPFac26)15.2(50 8計(jì)算對(duì)軸的壓力 FQ，由式得 ZQ 9.38)25sin612(sin20 9確定帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸，給制帶輪工作圖 小帶輪基準(zhǔn)直徑d d1=10mm采用實(shí)心式結(jié)構(gòu)。大帶輪基準(zhǔn)直徑d d2=55mm，采用孔 板式結(jié)構(gòu)，基準(zhǔn)圖見零件工作圖。 二、齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)參數(shù)： htirn mNTWp240;56.i/n;7.410;8232壽 命 1、選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料和齒數(shù) （1）二級(jí)變速裝置選用直齒圓柱齒輪 （2）機(jī)器速度不高、選用 8 級(jí)精度 （3）選材：小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 280HBS,大齒 輪材料 為 45 鋼（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 240HBS,兩者材料硬度相差 40HBS。 （4）選小齒輪齒數(shù) z ，大齒輪齒數(shù) z241120 2、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 3211 )(HEdtt ZiTK (1)確定公式內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)值 16 1)試選載荷系數(shù) 3.1tK 2） mNnPT.809521 3)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 91 1072.)30(6hLN 892 14.507. 4)選取齒寬系數(shù) d 5）查的材料的彈性影響系數(shù) Z MPaE.9 6）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的彎曲疲F601 勞強(qiáng)度極限 。MPaFE02 7) 由圖 9-35 查表的接觸疲勞壽命系數(shù) K 9.0,97.021HNHN 8)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取安全系數(shù) 0.1HS ; 211 /58mZNLimb22lim2 /5.4mNZSNHbh (2) 計(jì)算齒輪參數(shù) 1) 求小齒輪分度圓直徑 ,代入 中較小的值td1H mdt 32.1)5.489(.6803.123 21 2) 圓周速度 sndvt /.0011 3) 計(jì)算齒寬 bt 32.1 4) mzdtt 53.01 ht.2. 9.84.3/b 5) 計(jì)算載荷系數(shù) 17 根據(jù) v=0.32m/s,8 級(jí)精度,由圖 9-31 得動(dòng)載荷系數(shù) 1.vK 直齒輪,假設(shè) ,由表 9-8 查得mNbFKtA/10/2FaH 由表 9-7 查得使用系數(shù) ,由表 9-9 查得 ,由表 9-32A 6. 查得 ,故載荷系數(shù)2.1F .11.HVK 6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑, mKdtt 36.1/31 7) 計(jì)算模數(shù) m z5.0/1 三、按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì) 321)(FSadYzKT (1) 確定公式內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值 1) 查圖 9-39 得大小齒輪的疲勞極限： MPaPaFEFE380,5021 2) 由圖 9-38 查得抗彎疲勞壽命系數(shù): ;93.0,.21FNFNK 3) 取抗彎疲勞安全系數(shù) ， 4.1FS 所以: F PaKEN.32.5091 MSF4.822 4) 計(jì)算載荷系數(shù) 61.2.1FavAK 5) 查的齒形系數(shù) 9,FaaY 6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 785.5.21SS 7)計(jì)算大,小齒輪的 并加以比較F aY 0138.4.3257691FSa 01546.2578192FSaY 大齒輪的數(shù)值大 18 (2)設(shè)計(jì)計(jì)算 4.0156.24176.)(2331 FSadYzKTm 對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù) m 略大于由齒根彎疲勞 強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù),由于齒輪模數(shù) m 的大小取決于抗彎強(qiáng)度所決定的承載 能力,而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力,僅與齒輪直徑有關(guān),可取 由抗彎強(qiáng)度算得的模數(shù) 1.40,并就近圓為標(biāo)準(zhǔn)值 ,按接觸強(qiáng)度5.0 算得的分度直徑 ,由d0.12 45.1mz 124512iz 四、幾何尺寸計(jì)算 1)計(jì)算分度圓直徑 , zd125.041 mzd605.122 2)計(jì)算中心距 ma36/)(/)(21 3)計(jì)算齒輪寬度 db11 圓整,取 bm5,2 3.2.4 軸的設(shè)計(jì) 軸的設(shè)計(jì)包括軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算兩方面的內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù) 軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理的確定軸的結(jié)構(gòu)形式和 尺寸。軸的結(jié)構(gòu)形式的影響因素很多，必須針對(duì)不同情況進(jìn)行具體的分析。但是軸的 結(jié)構(gòu)都應(yīng)該滿足：軸和安裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸上的零件應(yīng)該便于 裝拆和調(diào)整；軸應(yīng)該具有良好的制造工藝性。在一般情況下，軸的工作能力取決于它 的強(qiáng)度，此時(shí)只需對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，以防止斷裂或塑性變形。對(duì)于剛度要求較高的 軸和受力較大的細(xì)長(zhǎng)軸，還應(yīng)該進(jìn)行剛度計(jì)算，以防止在工作過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的彈性 變形 10。 軸的設(shè)計(jì)，從節(jié)省材料、減少質(zhì)量的角度來(lái)說(shuō)，各橫截面強(qiáng)度相等是最好，最理 想的；從加工工藝的角度來(lái)說(shuō)，軸的形狀卻是越簡(jiǎn)單越好，簡(jiǎn)單的軸制造時(shí)省工，熱 處理不易變形，并有可能減少應(yīng)力集中。在決定軸的外形時(shí)，在保證裝配精度的前提 下，既要考慮節(jié)省材料，又要考慮便于加工和裝配。因此實(shí)際的軸大多做成階梯型的。 19 一、主軸的設(shè)計(jì) 已知輸入功率P=0.03kw，主軸轉(zhuǎn)速n=1500r/min，皮帶輪的圓周力Ft=26N，皮帶作 用在主軸上的徑向力Fr=38.9N，工作載荷較平穩(wěn)。 主軸的材料選用45鋼，正火處理，查表19-5 12硬度 170217 HBS,抗拉強(qiáng)度apMP58 (1)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 1)確定軸的各段直徑： 初估軸的最小直徑 :mind (3-1)nPAd08.3152.33 查表取 A=115 考慮軸上開鍵槽，對(duì)軸強(qiáng)度有削弱計(jì)算值放大4%5%，得 ，取d23.d.31 軸段 有定位軸肩21mh)5.76()4.(5.12 )07.( 取 md2 其上安裝有滾動(dòng)軸承，考慮實(shí)際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，選3 取深溝球軸承， 表3-2軸承選擇列表 選擇軸承代號(hào)2000088：軸承內(nèi)徑8mm，外徑16mm。 所以此軸段 md83 20 此軸段為軸環(huán)，4d mhd )2.814.().07.(2834 由結(jié)構(gòu)考慮取 m16.84 此段安裝圓螺母 ， 取5 05. 此段裝有軸承，取6dd6 此段裝有錘盤，由結(jié)構(gòu)選取7 m1.87 2)確定軸的各段長(zhǎng)度： 此段裝有帶輪 ，考慮實(shí)際情況1l mdl )725.(3)5.()2.1( 取 m6 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結(jié)構(gòu)選2l l.62 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度 5mm，防塵環(huán)寬度 1mm，取3 3 此段為軸環(huán)長(zhǎng)度取4l ml24 此段裝圓螺母和止動(dòng)墊圈，取5 l5.3 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長(zhǎng)度6l 86 此段安裝錘盤，根據(jù)錘盤長(zhǎng)度選取 ，其中包括 2mm 的退刀槽。7 ml7 主軸的結(jié)構(gòu)圖如下圖4-1所示： 圖 3-2 主軸結(jié)構(gòu)示意圖 二、傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)： 輸入功率 P=0.0288kw=28w，軸的轉(zhuǎn)速 n2=274r/min，工作載荷比較平穩(wěn)。 （1）估算軸頸 選擇軸的材料 選用 40Cr，調(diào)質(zhì)處理， b=1000MPa， s=800MPa。 初步估算軸外伸端直徑 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算：d 30npA 式中：d計(jì)算截面處軸的直徑，mm；n軸的轉(zhuǎn)速，r/min；p軸傳遞的額定功率， kw；A 0按定的系數(shù)。 由參考文獻(xiàn)（機(jī)械設(shè)計(jì)課本） 14查得 A0=115，額定功率 p=0.0288kw，軸的轉(zhuǎn)速 21 n=274r/min,則 d =5.43mm30npA （2)確定軸的各段直徑： 初估軸的最小直徑 :min mPAd43.52708.1533 查表取 A=115 考慮軸上開鍵槽，對(duì)軸強(qiáng)度有削弱計(jì)算值放大4%5%，得 ，取md.5d61 軸段 有定位軸肩2d21mh)08.()24.(61 h).07.( 取 m92 其上安裝有滾動(dòng)軸承，考慮實(shí)際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，3d 選取深溝球軸承 選擇軸承代號(hào)180200：軸承內(nèi)徑10mm，外徑30mm。 所以此軸段 md103 此軸段為軸環(huán)，4 mhd )2.104.().07.(21034 由結(jié)構(gòu)考慮取 8.4 此段安裝圓螺母，取5dm.5 此段裝有軸承，取6 d106 此段裝有小齒輪， 7 27 （3)確定軸的各段長(zhǎng)度： 此段裝有帶輪 ，考慮實(shí)際情況取1l mdl )129(6)25.1().(ml 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結(jié)構(gòu)選2l l5.02 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度 9mm，防塵環(huán)寬度 1mm，取3 13 此段為軸環(huán)長(zhǎng)度取4l ml34 此段裝圓螺母和止動(dòng)墊圈，取5 l65 22 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長(zhǎng)度6l ml96 此段安裝小齒輪，根據(jù)小齒輪寬度選取 ，其中包括 2mm 的退刀7 l17 槽。 傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)圖如下圖 4-1 所示 圖 3-3 齒輪軸 三、從動(dòng)軸的設(shè)計(jì)： 輸入功率 P=0.0271kw,軸的轉(zhuǎn)速 n3=60r/min，工作載荷比較平穩(wěn)。 （1）估算軸頸 選擇軸的材料：選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， b=610MPa， s=360MPa。 初步估算軸外伸端直徑 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算：d （3-2）30npA 式中：d計(jì)算截面處軸的直徑，mm； n軸的轉(zhuǎn)速，r/min； p軸傳遞的額定功率，kw； A0按定的系數(shù)。 由參考文獻(xiàn) 14查得 A0=115，額定功率 p=1.05kw，軸的轉(zhuǎn)速 n=360r/min,則 d =8.82mm。30n 當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸頸以考慮鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的削弱 取 dmin=40mm 作為軸外伸端直徑，其他部分根據(jù)畫圖設(shè)計(jì)情況及軸承的選擇情況 進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （2）從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1)確定軸的各段直徑： 初估軸的最小直徑 :mind 23 (3-3)mnPAd82.6071.533 查表取 A=115 考慮軸上開鍵槽，對(duì)軸強(qiáng)度有削弱計(jì)算值放大4%5%，得 ，取md2.9d1 軸段 有定位軸肩21mh)148.2()4.(012 ).7.( 取 d32 其上安裝有滾動(dòng)軸承，考慮實(shí)際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，選 取深溝球軸承， 選擇軸承代號(hào)180302：軸承內(nèi)徑15mm，外徑42mm。 所以此軸段 md153 此軸段為軸環(huán)，4 mhd )2.154.().07.(21534 由結(jié)構(gòu)考慮取 8.4 此段安裝圓螺母 ， 取5dm.5 此段裝有軸承，取6 d16 此段裝有大齒輪，由結(jié)構(gòu)選取7 14.57 2)確定軸的各段長(zhǎng)度： 此段裝有帶輪 ，考慮實(shí)際情況取1l mdl )20()2.()5.1(ml8 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結(jié)構(gòu)選2l l162 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度 13mm，防塵環(huán)寬度 1mm，取3 43 此段為軸環(huán)長(zhǎng)度取4l ml54 此段裝圓螺母和止動(dòng)墊圈，取5 l15 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長(zhǎng)度6l 36 此段安裝大齒輪，根據(jù)大齒輪寬度選取 ，其中包括 2mm 的退刀7 ml47 槽。 （3）驗(yàn)算軸的彎扭組合強(qiáng)度 軸在載荷作用下，將會(huì)產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形，若變形量超過(guò)允許的限度，將會(huì)影 24 響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器的工作性能。 齒輪切向力 F =244.8N，徑向力 F =91.8N，軸向力 F =61N， =591.6N。t r a3r 圖 3-4 從動(dòng)軸受力圖 圖 3-5 從動(dòng)軸的力及彎矩圖 在 V 面上： =0， + = + ； （3-4）xFxr123rF =0， 102+ 22-54156=0 （3-5）AMx2 由（3-4） （3-5）得 =1181.6N， =302.7N，M =-153423.6Nmm。xr1rv 在 H 面上： =0， + = （3-6）yyr12t =0, 54- 69=0 （3-7）crF12 由（3-6） （3-7）得 =53.7N， =191.1N，M =2899.8Nmm。yryrF2H 總彎矩 M= =153400 Nmm2vHM 當(dāng)量應(yīng)力為： = = = （3-8）caWT 22)(3221.0)(dT 式中 ca軸的計(jì)算應(yīng)力，單位 MPa；M所受的彎矩，Nmm；T所受的扭矩， Nmm；W軸的抗彎截面系數(shù)，mm 3。 當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取 0.3。因此，最大截面處的當(dāng)量應(yīng)力 1=24MPa -1，符合條件。 3.2.5 鍵聯(lián)接的選擇及校核計(jì)算 25 輸出軸與大齒輪聯(lián)接用平鍵聯(lián)接 軸徑 d1=10mm,L1=18mm 查手冊(cè)得，選用 C 型平鍵，得： 鍵型號(hào)為： C 44 GB1096-79 l=L1-b=18-4=14mm T2=100.4Nm h=4mm 根據(jù)公式得 p=4T2/dhl=4100.4/4414 =1.8Mpa R(110Mpa) 26 4 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型 4.1 單片機(jī) PIC16F877 單片機(jī)是將中央處理器（CPU） 、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM） 、只讀存儲(chǔ)器（ROM） 、定時(shí)器 芯片和一些輸入輸出接口電路集成的一個(gè)芯片上的微控制器。 中央處理器是單片機(jī)的核心，它包括運(yùn)算器、控制器和寄存器 3 個(gè)主要部分。存 儲(chǔ)器按工作方式可分為、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ ROM） 。RAM 可以隨機(jī)地被 CPU 讀寫，斷電后存儲(chǔ)的內(nèi)容消失；ROM 種的信息只能讀不能寫。輸入輸出接口是單片 機(jī)的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)以及外部的所有信息都是通過(guò)單片機(jī)的 I/O 端口讀入 單片機(jī)的。單片機(jī)計(jì)算的所有結(jié)果也都通過(guò) I/O 輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí) 行機(jī)構(gòu)。 PIC16F877 芯片上集成有： （1）端口 RA 模塊：是一個(gè)只有 6 條引腳的輸入/輸出可編程的端口。 （2）端口 RB 模塊：是一個(gè)具有 8 條引腳的輸入/輸出可編程的端口。 （3）端口 RC 模塊：是一個(gè)具有 8 條引腳的輸入/輸出可編程的端口。 （4）端口 RD 模塊：是一個(gè)具有 8 條引腳的輸入/輸出可編程的端口。 （5）端口 RE 模塊：是一個(gè)具有 3 條引腳的輸入/輸出可編程的端口。 （6）定時(shí)器 TMR0 模塊：是一個(gè) 8 位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器使用。 （7）定時(shí)器 TMR1 模塊：是一個(gè) 16 位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器使用， 并且可以與捕捉/比較/脈寬調(diào)制 CCP 模塊配合實(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。 （8）定時(shí)器 TMR2 模塊：是一個(gè) 8 位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器使用， 并且可以與捕捉/比較/脈寬調(diào)制 CCP 模塊配合實(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。 （9）EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：是 2568 的電可擦寫的存儲(chǔ)器，儲(chǔ)存的內(nèi)容掉電也 不會(huì)丟失。 （10）A/D 轉(zhuǎn)換器模塊：具有 8 個(gè)輸入通道和 10 位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來(lái)將 外部的各種模擬物理量變換為便于單片機(jī)內(nèi)部處理的數(shù)字量。 （11