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2005 年 IEEE 會(huì)議錄 國(guó)際機(jī)器人和自動(dòng)化會(huì)議 西班牙巴塞羅那 2005 年 4 月 用于無(wú)媒介博物館進(jìn)行互動(dòng)的高度可靠的機(jī)器人的設(shè)計(jì) Illah Nourbakhsh 艾米莉 托馬斯修 Mark Lotter 和 Skip Shelly 哈姆納 埃里克波特 布賴恩 Gogoco 有限責(zé)任公司 LotterShelly Dunlavey 和 Ellen Ayoob 桑尼維爾 加州 美國(guó) 賓夕法尼亞州匹茲堡 機(jī)器人研究所 卡耐基梅隆大學(xué) 賓夕法尼亞州匹茲堡 美國(guó) 摘要 在對(duì)公眾開放的技術(shù)博物館 安裝機(jī)器人系統(tǒng) 常常會(huì)給三個(gè)方面帶來(lái)嚴(yán)重問題 首先 機(jī)器人必須是可靠的 既要在日常使用時(shí)少出問題 并允許博物館的工作人員可以 輕松地返回機(jī)器人服務(wù) 第二 不需要工作人員干預(yù) 機(jī)器人能有系統(tǒng)自主權(quán) 全日的運(yùn) 行操作 無(wú)需更換電池 第三 用戶端的互動(dòng)軟件必須是不言自明的 不論是用來(lái)從事教 學(xué)還是進(jìn)行有成效得交流展覽的學(xué)習(xí)目標(biāo) 本文我們描述了這樣的一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 并且共享了早期成果 這個(gè)系統(tǒng)已成功部署于五個(gè)橫跨美國(guó)的博物館 索引詞 可靠性 形態(tài) 人機(jī)器人互動(dòng) 互動(dòng)設(shè)計(jì) 1 導(dǎo)言 在過(guò)去數(shù)年 制造具有長(zhǎng)期使用性 高性能的移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)已取得重大進(jìn)展 與 此同時(shí) 移動(dòng)機(jī)器人與人之間智能互動(dòng)的可能性大大增加 人機(jī)互動(dòng)體驗(yàn)和學(xué)術(shù)努力領(lǐng)域 一樣 正經(jīng)歷一個(gè)顯著增長(zhǎng) 7 8 通過(guò)個(gè)人流動(dòng)站項(xiàng)目 我們特別專注于互動(dòng)應(yīng)用 直 觀體現(xiàn)了用于非正式學(xué)習(xí)環(huán)境下的機(jī)器人技術(shù) 5 我們和其他人的研究結(jié)果顯示教育機(jī)器 人可以觸發(fā)顯著的學(xué)習(xí)成果 是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 STEM 科學(xué) 技術(shù) 工程和數(shù)學(xué) 的 并能使 人獲得解決問題和溝通的相關(guān)的終身技能 這就積極有效地推動(dòng)了這個(gè)議程 1 4 5 9 11 12 13 14 16 17 18 19 個(gè)人羅浮項(xiàng)目的機(jī)器人設(shè)計(jì)工作優(yōu)先引導(dǎo)于 Trikebot 教育機(jī)器人的創(chuàng)造和使用 10 作為 一個(gè)用于密集基礎(chǔ)課程的工具 Trikebot 通過(guò)最大限度地發(fā)揮機(jī)械的透明度 達(dá)到了教育 目標(biāo) 采用開槽的結(jié)構(gòu)技術(shù) 由學(xué)生八周以上的集約利用 使完成構(gòu)造和修復(fù)成為了可能 與 Trikebot 機(jī)器人相比 本項(xiàng)目要求機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)成千上萬(wàn)的機(jī)器人無(wú)故障的同時(shí)相互 作用 機(jī)械透明度將是次要的設(shè)計(jì)美學(xué) 主要使用界面的透明度和魯棒性 被稱為個(gè)人探 測(cè)車 每 我們的由此產(chǎn)生互動(dòng)科學(xué)流動(dòng)站是為了延長(zhǎng)使用無(wú)中介設(shè)置 由新手用戶 無(wú) 需飽受失敗的脆弱性和易感性經(jīng)常出現(xiàn)在設(shè)備的互動(dòng)機(jī)器人 在每有被設(shè)計(jì)成一個(gè)機(jī)器人 的技術(shù)簡(jiǎn)介這使美國(guó)航天局的任務(wù) 作為一個(gè)身臨其境 教育工具所面臨的挑戰(zhàn)體驗(yàn)美國(guó) 宇航局的科學(xué)家 每個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是 證明火星車是做科學(xué)的工具讓參觀者充當(dāng)任務(wù)科學(xué)家 使用每進(jìn)行一個(gè)科學(xué)的運(yùn)作 讓觀眾欣賞到自治中的作用機(jī)器人系統(tǒng) 特別是行星探索流動(dòng)站 該裝置目前的每參觀者巖石上的挑戰(zhàn)尋找生命的跡象在一物理 Marscape 模擬或火星的院子 使用精心設(shè)計(jì)的亭式用戶界面溝通與流動(dòng)站 游客解釋全景圖像和拼字 俯拍圖像識(shí)別科 學(xué)的興趣目標(biāo) 然后監(jiān)視為每接近巖石 掃描 找到目標(biāo)的精確位置 糾正和演習(xí)自主一 位親密方法 然后進(jìn)行一個(gè)生命的跡象代用品的考驗(yàn) 跨越物理研究成果顯著機(jī)器人的設(shè)計(jì) 機(jī)器人軟件 建筑與人機(jī)器人互動(dòng)設(shè)計(jì) 重點(diǎn)扶持 發(fā)展包括權(quán)力的領(lǐng)域管理 地形推理 科學(xué)目標(biāo)的方法 和軟件架構(gòu) 僅在頭兩個(gè)月行動(dòng) 中 Pers 的影響超過(guò) 20 000 自治科學(xué)目標(biāo)的方法 實(shí)現(xiàn)了平均無(wú)故障時(shí)間故障性能超過(guò)一 個(gè)星期的使用 大超過(guò) 30 英里的車旅費(fèi)完成了與閑置時(shí)代在接近 0 的博物館開放時(shí)間探 索館 當(dāng)時(shí)只有九機(jī)器人故障分析這個(gè)時(shí)間跨度 所有這些都是簡(jiǎn)單的伺服電機(jī)故障 很 容易被修理更換一個(gè)愛好伺服 到目前為止 每個(gè)機(jī)器人裝置 工作在五國(guó)家博物館 包括史密森國(guó)家航空航天博物館 NASM 的 和舊金山探索館 我們的研究結(jié)果表明 時(shí)間可靠 在公共場(chǎng)所機(jī)器人約定 在這里 本文介紹了月球車的機(jī)械設(shè)計(jì) 嵌入式電子架構(gòu) 軟件架構(gòu) 人類與機(jī)器人互動(dòng) 設(shè)計(jì) 圖 1 每個(gè)機(jī)箱 二 機(jī)器人設(shè)計(jì) A 機(jī)械摘要 特征描述 對(duì)機(jī)械底盤左右 設(shè)計(jì)由 Gogoco 合作與卡內(nèi)基梅隆大學(xué) 圖 1 的配置模擬 美國(guó)宇航局的兩個(gè)火星探測(cè)車 MER 的機(jī)器人目前正在探索火星 像市場(chǎng)匯率 每有 6 輪式搖臂轉(zhuǎn)向架懸掛支持直線身體 電子盒 以上是一個(gè)電子盒攝像頭短的桅桿頂上 總體 而言 高度每約 36 厘米 長(zhǎng)度為 33 厘米 寬度為 34 厘米 圖 2 大約的重量 充分裝 15 磅 目標(biāo)和建設(shè) 首先最重要的 每一個(gè)移動(dòng)攝像機(jī)平臺(tái) 像市場(chǎng)匯率 每需要能夠穿越地形 而非結(jié)構(gòu)化無(wú)論是導(dǎo)航和科學(xué)研究捕捉圖像 不同的是市場(chǎng)匯率 每被設(shè)計(jì)為相對(duì)廉價(jià)使 許多 Pers 的可用于多種內(nèi)建展覽同時(shí)以低廉的價(jià)格點(diǎn) 與以前的個(gè)人羅孚項(xiàng)目機(jī)器人 Trikebot 9 為此 每設(shè)計(jì)過(guò)程中接受了使用關(guān)機(jī)狀態(tài)下的現(xiàn)成機(jī)電元件時(shí)可行的 例如 股票型鋼筋混凝土愛好伺服系統(tǒng) 電池 齒輪減速機(jī)等 不是每設(shè)計(jì)有類似規(guī)模的市場(chǎng)匯 率的平臺(tái) 我們選擇以減少而每大小 受到場(chǎng)外的現(xiàn)成傳感器 電機(jī)和微處理器的限制 使相對(duì)較小博物館火星碼將仍然取得豐碩相互作用 而每最終規(guī)模為最終取決于所需的電 子盒大小房子的電子線路板 即微處理器板 電機(jī)控制器 電源板 和電池 對(duì)定制部分或大部分激光切割塑料 聚甲醛 或形成金屬板材 最小化機(jī)加工零件的數(shù)量 減少 而部分費(fèi)用鋁板陽(yáng)極氧化的金屬結(jié)構(gòu) 有助于貸款每一個(gè)空間硬件的美感 懸架和傳動(dòng)系統(tǒng) 每卷的六個(gè)車輪采用搖臂轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)類似于由使用的市場(chǎng)匯率 行 有三個(gè)輪子兩邊 四個(gè)角落的車輪是用直流供電齒輪減速機(jī) 并帶領(lǐng)自主標(biāo)準(zhǔn) RC 通過(guò)總 范圍約 180 舵機(jī)愛好度 橡膠輪胎的股票 6 8 厘米直徑的鋼筋混凝土安裝在汽車輪胎 允 許自定義樞紐的馬達(dá)部分被安裝在裝有方向盤按照軸的車輪 圖 4 中心 這兩個(gè)中心輪 全方位 自由旋轉(zhuǎn) 瑞典 90 輪 總的軸距 距離之間的前后輪 中心為 25 厘米 和輪寬 度 之間的中心距左 右車輪踏面 為 26 厘米 圖 2 該搖臂轉(zhuǎn)向架型懸掛均采用旅居車和最近的市場(chǎng)匯率 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的 它允許所 有六個(gè)輪子保持同一個(gè)充分接觸表面凹凸不平未經(jīng)使用彈簧或供電執(zhí)行器 圖 3 出位移 它還平均值所有六個(gè)輪子 最大限度地減小了 Rover 的產(chǎn)生傾斜作為主體的談判暫停顛簸 和石塊 這種穩(wěn)定是主機(jī)箱尤為重要市場(chǎng)匯率和 Pers 的 因?yàn)樗a(chǎn)生了一個(gè)更穩(wěn)定的相機(jī) 平臺(tái) 為了盡量減少功率和控制要求 只有每角車輪的驅(qū)動(dòng) 而不像市場(chǎng)匯率有六輪驅(qū)動(dòng)和督導(dǎo) 這是有害的在每的最終能力穿越艱難的地形 但充分的人造火星地形 有助于院子降低成 本和控制復(fù)雜度 擁有四個(gè)獨(dú)立可控的角落 drivewheels 隨著全方位的車輪使每中心偉大的定向自由 它可以 把到位 翻譯側(cè)身 或驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)角方向無(wú)關(guān) 雖然在技術(shù)上并不完整 因?yàn)閷?duì)每條腿 總是馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的同時(shí) 這幾何使雙方全方位 阿克曼 風(fēng)格的議案 圖 2 每正面和側(cè)面尺寸以厘米為單位 圖 3 該搖臂轉(zhuǎn)向架懸掛有助于穩(wěn)定結(jié)果 并保留所有 作為六個(gè)輪子 每個(gè)地穿越崎嶇 圖 4 一 自定義輪轂使轉(zhuǎn)向軸符合車輪的中心 二 搖臂轉(zhuǎn)向架懸 掛和全輪 三 在每的蓋子波動(dòng)為方便在電池組開放 四 云臺(tái) 使每 頭的重點(diǎn)方向 明確觀察員 紫外線光在羅孚前面是用來(lái)分析巖石的目標(biāo) 更 多圖片可在 http www cs cmu edu personalrover 元 gallery html 電子盒 懸架系統(tǒng)進(jìn)行了電子框 電池和電子產(chǎn)品上 這個(gè)箱子的蓋子是鉸鏈 以方便進(jìn) 入電池 圖 4 電源開關(guān)和一個(gè)紫外熒光燈也安裝到外部的此框 這個(gè)盒子是全封閉保護(hù) 電子從灰塵和損傷 對(duì)于實(shí)力雄厚 底部和兩側(cè)是金屬而結(jié)束 頂蓋使無(wú)線電透明度 使 塑料的 WiFi 在電子板連接操作 蓋子的形狀成為了 翼 上的太陽(yáng)能電池板想起市場(chǎng)匯 率 攝像機(jī)和照相機(jī)的桅桿 紅外照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距器是安裝在車的云臺(tái) 泛從中心軸可以旋 轉(zhuǎn) 180 使 360 要作出全景相機(jī) 傾斜軸機(jī)械范圍為 90 45 的水平度 該鏡頭 軸線相交的軸線 以幫助簡(jiǎn)化泛對(duì)意象的解釋 平移不還的原因翻譯的觀點(diǎn) 根據(jù)先前的結(jié) 果診斷方面的透明度 非常小心被帶到設(shè)計(jì) 因此 它顯示了每的云臺(tái)頭明確方向 注意 圖 4 該議案因?yàn)樗念^盤和傾斜 以搜尋和科學(xué)的障礙有利于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的參觀者了解 關(guān)于注意支付給每級(jí)周圍的環(huán)境 二電子 處理器 圖 5 顯示了每的電路圖電子系統(tǒng) 對(duì)于低級(jí)別的電機(jī)控制和我們用一個(gè)傳感器 讀數(shù)小腦控制板 這 PIC 微處理器為基礎(chǔ)的電路板的設(shè)計(jì)是由機(jī)器人研究所 卡耐基梅隆 大學(xué) 和 Botrics 有限責(zé)任公司 它可以指揮兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)雙和 8 的 R C 風(fēng)格的舵機(jī) 它也可以讀入 8 個(gè)模擬輸入和額外的數(shù)字輸入 在每的主要處理器 斯泰頓板 是一個(gè)由英特爾公司嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)器人申請(qǐng) 這 單板計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的 Linux 經(jīng)營(yíng)上的 400 MHz 的 ARM 處理器的系統(tǒng) 上板存儲(chǔ)器包含 32 MB 的 Flash ROM 和 64 MB 的內(nèi)存 同車的相機(jī) 這板通信通過(guò) USB RS232 串行多小腦 運(yùn)行 115200 波特 并通過(guò)與無(wú)線以太網(wǎng) 802 11 任務(wù)控制接口在 PC 上運(yùn)行 圖 5 每電子示意圖 電力 該探測(cè)器由 4 7 2 伏鎳金屬氫化物電池串聯(lián)在一起 他們的總?cè)萘繛?3 安培伏特 28 8 小時(shí) Botrics 有限責(zé)任公司專門設(shè)計(jì)為每電源板 這板分布從 28 8 伏電池組上的所有 權(quán)力 車載電子設(shè)備 它的總輸出功率 4 日是 5 伏 對(duì)處理器 5 伏 對(duì)舵機(jī) 放大器 和 16 伏 至馬達(dá) 完全充電包權(quán)力探測(cè)器在典型的 10 博物館使用時(shí)間 全天的電池壽命 和整體流動(dòng)站耐力代表每一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)由于對(duì)項(xiàng)目工作人員的時(shí)間放在高流量需求 科學(xué)中心和博物館 有根本沒有時(shí)間去更換電池或充電電池等中午設(shè)施 該解決方案要求 低功耗使用處理器 包括 PIC 單片機(jī)和 ARM 基于主處理器在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 PC 平臺(tái)代替 一單一的高電壓電池公共汽車 通過(guò)高效率的喂養(yǎng)開關(guān)電源 設(shè)計(jì)與現(xiàn)有能力為每個(gè)所需 的電壓源 提供下半年的答案 通過(guò)消除耗電 價(jià)格便宜每個(gè)處理器板監(jiān)管機(jī)構(gòu) 我們顯 著誘導(dǎo)簡(jiǎn)單地避免了儲(chǔ)蓄過(guò)剩的轉(zhuǎn)換上板的能量來(lái)加熱 輸出 四車驅(qū)動(dòng)電機(jī)有 332 1 齒輪比 使他們?cè)诳拷D(zhuǎn)恒定速度不論他們是根據(jù)負(fù)荷 月球車每個(gè)驅(qū)動(dòng)器 16 伏汽車給予每 4 最高速度厘米 秒 由于小腦只能車道兩個(gè)獨(dú)立的馬 達(dá) 馬達(dá)在左側(cè)使用一通道上 右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用其他 在每的轉(zhuǎn)向和頭部角度都是驅(qū)動(dòng)愛好舵機(jī) 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向低姿態(tài) 高與銅軸扭矩伺服系 統(tǒng) 泛伺服設(shè)計(jì)為在 R C 作為絞車帆船使用 并有能力超過(guò) 360 度的轉(zhuǎn)彎 紫外線燈泡 和驅(qū)動(dòng)裝置使每一個(gè)測(cè)試模擬生命的跡象 用熒光涂裝目標(biāo)巖這不是普通光下可見的藍(lán)色 光芒下紫外線光 以示生命的模擬跡象 傳感器 流動(dòng)站有一個(gè) USB 攝像頭和紅外測(cè)距儀安裝在云臺(tái)頭 該攝像頭 臨創(chuàng)意攝像頭 同時(shí)用于全景成像和近距離目標(biāo)成像 它有一個(gè)最大幀速率 15 幀 秒 最大分辨率為 640 x480 紅外線三角型測(cè)距儀是用來(lái)尋找距離 夏普模型 2Y0A02 測(cè)距儀讀數(shù)準(zhǔn)確返回點(diǎn) 的距離 20 厘米和 150 厘米 流動(dòng)站使用此掃描測(cè)距儀在其路徑中的障礙物遍歷并確定確切 的距離和軸承目標(biāo)巖石 之間的電源板和連接小腦允許漫游者監(jiān)視電池電壓 三軟件架構(gòu) 小腦 小腦上的軟件設(shè)計(jì)得盡可能簡(jiǎn)單 隨后 原則上只接受單一指揮類型規(guī)定了六個(gè)位 置伺服 電機(jī)速度 以及紫外線燈泡狀態(tài) 它總是返回同一類型的響應(yīng)狀態(tài)字節(jié)包含一個(gè) 沿與紅外線距離和電池電壓 小腦極限的速度移動(dòng)的伺服電機(jī)把小的壓力 為了確保安全 操作的機(jī)器人 如果沒有已收到有效的命令 在過(guò)去 120ms 的 在伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器被關(guān) 閉 斯泰頓 在斯泰頓不僅使決策太時(shí)間重要的是要通過(guò)無(wú)線鏈路傳送 當(dāng)機(jī)器人是指揮一個(gè) 把指定數(shù)目度或驅(qū)動(dòng)器有一定距離 斯泰頓作出決定至于何時(shí)停止機(jī)器人 而駕駛 斯泰 頓移動(dòng)掃描頭采用紅外障礙測(cè)距儀和作出決定停止 如果一個(gè)障礙被檢測(cè)到 雖然石頭掃描 掃流動(dòng)站測(cè)距儀通過(guò) 270 度范圍內(nèi)產(chǎn)生 91 讀數(shù) 為了迅速完成掃描 頭部 能不能停下來(lái)記錄每個(gè)距離 更為復(fù)雜的行動(dòng)是事實(shí)伺服系統(tǒng)不提供任何位置反饋 每 50 毫秒 泛伺服是指揮一個(gè)新的位置 閱讀范圍被送回 通過(guò)實(shí)驗(yàn) 它在掃描時(shí)被確定 伺 服的實(shí)際位置滯后約 100ms 的指令位置 在此應(yīng)用程序 時(shí)間是至關(guān)重要的確保掃描讀數(shù) 盡可能準(zhǔn)確 因此 掃描動(dòng)作的控制機(jī)上斯泰頓 其他的斯泰頓的主要功能是創(chuàng)造一個(gè)抽象到用戶控制的機(jī)器人 該驅(qū)動(dòng)器馬達(dá)都在不同的 速度稍有轉(zhuǎn)機(jī) 伺服電機(jī)都有不同的中心位置及不同范圍的動(dòng)作 例如 改變脈沖寬度從 1 毫秒到 2ms 可能導(dǎo)致一個(gè)伺服移動(dòng) 90 度又到移動(dòng) 95 度 出于這個(gè)原因 每一個(gè)機(jī)器人 有一個(gè)校準(zhǔn)文件時(shí)加載斯泰頓程序開始運(yùn)行 它告訴斯泰頓如何轉(zhuǎn)換一到伺服的立場(chǎng) 即 小腦角理解并存儲(chǔ)了電機(jī)的特點(diǎn) 使該探測(cè)器可以準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng) 盡管固有的電機(jī)速 度 可以改變高達(dá) 25 在斯泰頓保留了所有六個(gè)伺服跟蹤的立場(chǎng)電機(jī) 這使得它只是等待適量伺服電機(jī)的時(shí)間去 角的指揮 此功能簡(jiǎn)化了拍攝照片 以便用戶可以簡(jiǎn)單地命令圖片在特定潘采取和傾斜 在斯泰頓移動(dòng)頭的位置和需要圖片時(shí)頭部到位 請(qǐng)求圖片可以排隊(duì) 這樣一個(gè)圖片之后采 取頭移動(dòng)到下一位置前圖像圖片壓縮并發(fā)送 這些特點(diǎn)是用于創(chuàng)建全景圖像不模糊在盡可 能少的時(shí)間 英特爾公司已經(jīng)授權(quán)斯泰頓技術(shù)弩科技公司所產(chǎn)生的星際之門板取代在隨后的斯泰頓沒有 建立 每明顯的差異 電腦 一個(gè) Java 應(yīng)用程序在 PC 上運(yùn)行 使所有決定與高級(jí)別代表團(tuán)執(zhí)行 所有導(dǎo)航規(guī)劃 發(fā)生在這個(gè)層面上 以及用戶任務(wù)接口 四維持 每個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要易于維護(hù) 該部分最有可能失敗 伺服系統(tǒng)和電機(jī) 可場(chǎng)外的現(xiàn)成 可在不拆卸更換整個(gè)流動(dòng)站 為了協(xié)助博物館工作人員在此維護(hù) 我們創(chuàng)建了一個(gè)手冊(cè) 艾滋病的工作人員在診斷和每修復(fù) 該手冊(cè)涵蓋簡(jiǎn)單的診斷問題 更換破碎部分 通過(guò)更 換零件校準(zhǔn)助手方案 手冊(cè)的副本可于 www cs cmu edu personalrover 元 downloads html 良好的文檔是最有效的耦合透明與診斷上對(duì)部分行為機(jī)器人 讓博物館的工作人員 可隨 著時(shí)間的推移有權(quán)通過(guò)觀察和互動(dòng) 準(zhǔn)確地找出存在和來(lái)源失敗的機(jī)器人硬件或軟件 為 此一系列交互式診斷的獨(dú)立設(shè)計(jì)到每固件 使博物館的工作人員來(lái)測(cè)試每個(gè)自由度和校準(zhǔn) 點(diǎn) 而不需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接到左右 簡(jiǎn)單地用手勢(shì)溝通與流動(dòng)站的測(cè)距儀和照相機(jī) 一 這種診斷的第二個(gè)例子涉及透明度低電量警告 在低電壓的情況下 每命令頭的傾斜角度 以便它期待直線上升 當(dāng)這種行為熟悉 博物館的工作人員發(fā)現(xiàn)他們可以自信地驗(yàn)證一切 都與電池充電只需一眼井機(jī)器人 以確保它不是 仰視 的獨(dú)特從機(jī)器人的姿態(tài)和毫不含 糊的人類 三 交互設(shè)計(jì) 該機(jī)器人系統(tǒng)的最后一個(gè)組成部分中間人博物館的使用是一個(gè)用戶界面 允許用戶新手方 便地控制機(jī)器人 并幫助指導(dǎo)他們通過(guò)所需的互動(dòng) 為了設(shè)計(jì)這樣的界面 我們匯集了設(shè) 計(jì)師 機(jī)器人專家團(tuán)隊(duì) 程序員 該小組接著一個(gè)迭代設(shè)計(jì)過(guò)程 并用幾種方法來(lái)理解的 范圍 目標(biāo)和項(xiàng)目的技術(shù)要求 最初的評(píng)估現(xiàn)有的接口和結(jié)果初步揭示了一些非正式的用 戶測(cè)試領(lǐng)域改善 具體來(lái)說(shuō) 三個(gè)指導(dǎo)性的目標(biāo)交互作用集 確保通過(guò)使用戶方便地旅客吞吐量完成在不到三分鐘的使命 溝通的想法 機(jī)器人工具科學(xué)和探索 演示月球車的半自治 而用戶給流動(dòng)站的高階命令 月球車執(zhí)行任務(wù)期間作出明智的決策 使用情景設(shè)計(jì)中必不可少的工具創(chuàng)建過(guò)程 并根據(jù)用戶的非正式測(cè)試說(shuō)明了良好的和一個(gè) 從用戶的角度來(lái)看車展覽不愉快的經(jīng)歷 通過(guò)快速樣機(jī)的設(shè)計(jì)和連續(xù)循環(huán)非正式用戶測(cè)試 該小組能夠迅速消除問題的概念 并得出以下抽樣方案 界面語(yǔ)言 未來(lái)的觀眾代表了廣泛的科學(xué)和技術(shù)專才 使最小的正式的科學(xué)和技術(shù)術(shù)語(yǔ)被 使用 相反 一個(gè)簡(jiǎn)單的 游戲般的音調(diào)支持的相互作用 互動(dòng)線索 默認(rèn)的屏幕顯示 或 吸引循環(huán) 提供了一個(gè)可視化概述亭使命 預(yù)示可能采 取的步驟的用戶 該亭本身有一個(gè)簡(jiǎn)單的跟蹤球和一個(gè)按鈕的設(shè)置 類似于街機(jī)游戲 訪 問團(tuán)時(shí)開始用戶按下按鈕 一個(gè)非線性相互作用下的任務(wù)展開的分步給用戶 物理方向 為了幫助用戶之間的東方火星院子和信息顯示在屏幕上 一火星太陽(yáng)畫在墻上 的火星碼遠(yuǎn)并可見無(wú)論從亭及在全景在屏幕上查看 圖 6 此外 目標(biāo)巖職位 巖石形態(tài) 和形狀的院子提供反饋和幫助用戶解釋字形提供地圖圖像 動(dòng)畫是用來(lái)幫助澄清不熟悉 360 度環(huán)繞式的優(yōu)勢(shì)全景圖像 實(shí)時(shí)反饋 一個(gè) 任務(wù)生成器 畫面顯示 圖 7 跟蹤用戶實(shí)時(shí)的進(jìn)展 直到他們準(zhǔn)備提 交給流動(dòng)站使命 隨著火星車執(zhí)行任務(wù) 一 rover s 眼視攝像機(jī)讓游客體驗(yàn)從任務(wù)火星車的 看法 在 漫游者任務(wù) 子窗口在右下角在執(zhí)行過(guò)程中仍然可見 提供有關(guān)數(shù)據(jù)流動(dòng)站業(yè) 務(wù) 旅行的距離和角度轉(zhuǎn)向 可視化界面 一致的調(diào)色板是用來(lái)統(tǒng)一畫面 在靜態(tài)和動(dòng)畫元素屏幕的目的是為用戶提供 聯(lián)絡(luò)點(diǎn)根據(jù)不同的需要采取的行動(dòng) 一貫 明確排版提供視覺層次 提高可讀性 2 圖 6 能夠看到院子里 屏幕上同時(shí)艾滋病亭 在面向用戶展示自己 圖 7 使命生成器 的屏幕顯示 平面設(shè)計(jì) LotterShelly 四 羅孚性能 該探測(cè)器已被證明是可靠的 而且 正如看出這個(gè)博物館的工作人員的意見 往往比可靠博物館曾預(yù)計(jì) 不像我們這些展品大部分 人 獲取抨擊不斷 開放關(guān)閉 沒有休息 我認(rèn) 為 他們拿著出奇地好 比我認(rèn)為他們會(huì) 最多的失敗是由于被破壞或伺服電機(jī) 很容易被博物館的工作人員提供服 務(wù) 當(dāng)展品打開后 我們發(fā)現(xiàn)第一個(gè)機(jī)器人的失敗是在傾斜伺服系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電 機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī) 對(duì)于這一切我們所做的修改部分的機(jī)器人 為了減輕驅(qū)動(dòng)電機(jī) 故障 我們減少了電機(jī)占空比為 100 至 80 1 月 12 日 督導(dǎo)伺服速度也 減少了 并開始 1 月 27 日我們修改了電源板 而不是發(fā)送到舵機(jī) 6V 的 5V 電 壓 該原來(lái)傾斜了塑料齒輪舵機(jī) 初揚(yáng) 27 日 我們換成了一個(gè)金屬齒輪的伺 服這些舵機(jī) 這些修改之后 車的可靠性顯著改善 圖 8 圖 8 破碎探測(cè)器組件的數(shù)量前后流動(dòng)站修改 實(shí)施 雖然機(jī)器人已運(yùn)行約 8 倍比修改后的汽車前 電機(jī)故障總數(shù)僅修改后略高 于前失敗的次數(shù)修改 該機(jī)器人已運(yùn)作大約兩倍長(zhǎng)后轉(zhuǎn)向伺服和傾斜伺服修改 之前的修改 傾 斜伺服失敗的次數(shù)已經(jīng)有所減少 轉(zhuǎn)向數(shù)量的失敗伺服系統(tǒng)增加了一倍 正如 所預(yù)期的 然而 1316 修改后的伺服指出 失敗了坐落在一個(gè)單一的網(wǎng)站 國(guó) 家科學(xué)中心 我們認(rèn)為 高比例伺服故障在該位置的部分原因是對(duì)國(guó)家的粗糙 表面科學(xué)中心碼 6 月 1 日開始 一個(gè)新的和更強(qiáng)大的轉(zhuǎn)向伺服將被替換的舊 督導(dǎo)舵機(jī)突破 其他車組件已經(jīng)被證明是相當(dāng)可靠 在大約五個(gè)月之間的 12 月 29 日 和 6 月 1 日 一個(gè)鍋伺服被打破因事故 四紅外照相機(jī)和三線電線被打破了 但容 易修復(fù) 一個(gè)攝像頭打破了 一個(gè)機(jī)器人通訊發(fā)達(dá)的問題 機(jī)器人跑了 8 天之前平均無(wú)故障修改和一個(gè) 19 天的平均無(wú)故障在修改之 后 縱觀總營(yíng)運(yùn)時(shí)間 12 月 29 日之間 和 6 月 1 日 機(jī)器人運(yùn)行在平均 15 天前 的失敗 五 附錄可應(yīng)用性 學(xué)習(xí)研究與發(fā)展中心 LRDC 和對(duì)知識(shí)創(chuàng)新研究所 伊犁 進(jìn)行正規(guī)教 育評(píng)價(jià)每展覽 該分析表明 該展覽是在其目標(biāo)的成功幫助旅客在科學(xué)探索機(jī) 器人的使用和機(jī)器人的自主性的作用 這種詳細(xì)的分析結(jié)果可以被發(fā)現(xiàn) 15 有關(guān)展覽運(yùn)用定量統(tǒng)計(jì)自動(dòng)收集裝置展覽軟件 該機(jī)器人訪客互動(dòng)總數(shù)集 內(nèi)超過(guò) 50 000 首九個(gè)月經(jīng)營(yíng)和持續(xù)增長(zhǎng) 值得注意的是 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示 在任 務(wù)時(shí)間非常接近設(shè)計(jì)目標(biāo)為 3 分鐘 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 1 4 分鐘訂婚時(shí)通常出現(xiàn)在互 動(dòng)科學(xué)展品 3 更重要的是用戶的幾乎所有展品 98 能夠成功地設(shè)計(jì)和發(fā) 送任務(wù)到流動(dòng)站 15 連同這些統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明 關(guān)于工作時(shí)間的分布并非如通 常的情況是在博物館的展品 而是單峰和指數(shù)狹窄 誰(shuí)是由每個(gè)用戶仍然從事 展覽從事通過(guò)完成任務(wù) 然后幫忙 釋放控制到隊(duì)列中下一個(gè)博物館參觀者 關(guān)于進(jìn)行任務(wù)的一半 52 7 結(jié)束成功與月球車定位一塊石頭 在 43 9 的的任務(wù) 月球車并沒有找到目標(biāo)的巖石 該因未能找到目標(biāo)的主要原 因是車到了髖關(guān)節(jié)墻壁或火星車的道路被封鎖由一塊石頭 流動(dòng)站認(rèn)為石頭成 為障礙而不是目標(biāo)時(shí) 仍有 150 多名厘米離開的使命 在這種情況下 用戶給 予選擇重試 只有 1 9 的任務(wù)在超時(shí)這一階段 顯示用戶的高度參與 甚至 他們的任務(wù)時(shí)未能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的巖石 該任務(wù)結(jié)束由于機(jī)器人錯(cuò)誤 如失敗溝通 只有 3 4 的任務(wù) 總之 很明顯無(wú)論從時(shí)間上任務(wù)的值 超時(shí)稀有性和任務(wù)的成功率 游客 的能有效地使每展出的使用 即使在在探索館和中間人案件美國(guó)航天局 埃姆斯 設(shè)施 六 結(jié)論 個(gè)人探測(cè)車曾作為教育機(jī)器人示范應(yīng)用獎(jiǎng)勵(lì)非正規(guī)學(xué)習(xí)空間 該工程演示 該機(jī)器人技術(shù)已在引人注目的價(jià)值博物館的設(shè)置 具體的教育效果可實(shí)現(xiàn)這樣 的設(shè)置和測(cè)量 超過(guò) 40 每的迄今已制作 平均時(shí)間故障間隔超過(guò)全日制二周 用法非機(jī)器人專家 博物館的工作人員和導(dǎo)賞員已被證明將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)能 力嘗鮮當(dāng)頒發(fā)過(guò)的成品換證手續(xù)這是有據(jù)可查的 圖表統(tǒng)計(jì)顯示 幾乎所有的 用戶成功地完成了整個(gè)科研流動(dòng)站的使命 教育評(píng)價(jià)的建議該展覽有效地充當(dāng) 家庭平臺(tái)關(guān)于機(jī)器人的市場(chǎng)匯率的使命和討論 并孩子們遠(yuǎn)離可衡量的展覽在 這些領(lǐng)域的知識(shí) 隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步 這種跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的工程師 交互設(shè)計(jì)師和教育 專家會(huì)不斷發(fā)明和執(zhí)行能力更引人注目的展品 為正式課程和非正式學(xué)習(xí)的場(chǎng) 所 我們希望這個(gè)項(xiàng)目可以作為未來(lái)的團(tuán)隊(duì)不僅動(dòng)機(jī)研究 夢(mèng)想和發(fā)明 而且 還設(shè)計(jì) 硬化 制造和安裝 使數(shù)千名能夠受益于這些教育科技企業(yè) 鳴謝 我們要感謝所有的博物館是在幫誰(shuí)使每給公眾 我們還要感謝以下為他 們的貢獻(xiàn)和支持的人 與 Debra 伯恩斯坦 吉姆巴特勒 丹克蘭西 凱文克勞 利 Maylene 杜埃尼亞斯 埃德資源增值計(jì)劃 雷切爾 Gockley 讓哈普利 馬 蒂盧威 Anuja Parikh 克里斯汀拔 和彼得章 參考文獻(xiàn) 1 Beer R Chiel H Drushel R Using autonomous robots to teach science and engineering Communications of the ACM June 1999 2 Carter R Digital Color and Type Rotovision SA Hove East Sussex UK 2002 3 Crowley K Callanan M Tenenbaum H Allen E 2001 Parents explain more often to boys than to girls during shared scientific thinking Psychological Science 12 3 258 261 4 Druin A and Hendler J Robots for kids exploring new technologies for learning The Morgan Kaufmann Series in Interactive Technologies Morgan Kaufmann 2000 5 Ebert Uphoff I Introducing parallel manipulators through laboratory experiments IEEE Robotics Automation Magazine 10 3 pp 13 19 2003 6 Falcone E Gockley R Porter E and Nourbakhsh I The personal rover project Special Issue on Socially Interactive Robots Robotics and Autonomous Systems 2003 7 Fong T Nourbakhsh I and Dautenhahn K A survey of socially interactive robots Robotics and Autonomous Systems special issue Socially Interactive Robots 42 3 4 pp 143 166 2003 8 Fong T Nourbakhsh I and Dautenhahn K A survey of socially interactive robots Concepts Design and Applications Technical Report CMU RI TR 02 29 Carnegie Mellon University Pittsburgh PA USA December 2002 9 Gerovich O Goldber R P and Donn I D From science projects to the engineering bench IEEE Robotics Automation Magazine 10 3 pp 9 12 2003 10 Hsiu T Richards S Bhave A Perez Bergquist A and Nourbakhsh I Designing a Low cost Expressive Educational Robot In Proceedings of IROS 2003 Las Vegas USA 2003 11 Kitts C Surf turf and above the Earth IEEE Robotics Automation Magazine 10 3 pp 30 36 2003 12 Kumar D Meeden L A robot laboratory for teaching artificial intelligence In Proc of 29th SIGCSE Symposium on Computer Science Education 1998 13 Murphy R Introduction to AI Robotics MIT Press 2000 14 Nourbakhsh I Crowley K Bhave A Hamner E Hsiu T Perez Bergquist A Richards S Wilkonson 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蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 摘 要 本文首先對(duì)玩具遙控車的國(guó)內(nèi)為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹 同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì) 玩具遙控車的整體方案進(jìn)行了分析 包括幾何尺寸 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇和程序的 編制 然后從玩具遙控車性能要求的角度出發(fā) 分別對(duì)玩具遙控車的運(yùn)動(dòng)方式 模型結(jié)構(gòu)和車體成型方式做了比較 最終確定了非完整約束輪驅(qū)四移動(dòng)結(jié)構(gòu)模 型 后輪同軸驅(qū)動(dòng) 前輪轉(zhuǎn)向的玩具遙控車 文章對(duì)玩具遙控車硬件結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的可行性分析及設(shè)計(jì) 并且做了相應(yīng) 的計(jì)算 校核 主要包括 驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)和轉(zhuǎn)向輪電機(jī)的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè) 計(jì) 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核 前后減震系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和車體的一些機(jī) 械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等 并且針對(duì)本設(shè)計(jì)所研究的玩具遙控車 設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)模塊 最后 本文對(duì)所作研究和主要工作進(jìn)行了總結(jié) 并將設(shè)計(jì)的玩具遙控車的 結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 該系統(tǒng)性能穩(wěn)定 可靠 可控制性高 安 全性高 達(dá)到了本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求 關(guān)鍵詞 玩具遙控車 硬件結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)模塊 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 I Abstract Firstly the domestic toy remote control cars for the current development is introduced and according to the design requirements of the overall scheme of remote controlled toy vehicle are analyzed including the selection and compilation of program size the driving chip Then from the perspective of the performance of remote controlled toys do exercise respectively on toy remote control car body model structure and forming method and ultimately determine the four wheel drive driven nonholonomic mobile structure model rear wheel coaxial remote controlled toy vehicle with front wheel steering This paper made a feasibility analysis and detailed design of the remote controlled toy vehicle hardware structure and the corresponding calculation checking mainly includes wheel driving motor and steering wheel motor and its driving circuit design design and check gear before and after the shock absorber system and vehicle steering mechanism design and some mechanical structure design etc And for the remote controlled toy vehicle research of this design the drive module design Finally this paper summarizes the research work and main structure toy remote control cars and will design the joint debugging The experimental results show that the system is stable reliable high controllability high safety meet the design requirements of the design Keywords remote control toy car hardware drive circuit drive module 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 II 目錄 摘 要 I Abstract II 目錄 III 第 1 章 緒論 1 1 1 課題研究的目的與意義 1 1 2 我國(guó)玩具行業(yè)的發(fā)展概況 1 1 3 我國(guó)玩具行業(yè)的消費(fèi)現(xiàn)狀 3 1 4 玩具行業(yè)的發(fā)展前景 4 1 4 1 傳統(tǒng)玩具向電子玩具過(guò)渡 4 1 4 2 提高玩具附加值勢(shì)在必行 4 1 5 方案分析及設(shè)計(jì)要求 4 1 6 本課題主要研究?jī)?nèi)容 5 第 2 章 玩具遙控車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2 1 玩具遙控車運(yùn)動(dòng)方式的選擇 7 2 2 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)方案的選擇 8 2 3 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)輪組成 9 2 3 1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 10 2 3 2 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核 14 2 3 3 變速箱體及后減震 24 2 3 4 驅(qū)動(dòng)車輪及輪轂 24 2 4 玩具遙控車轉(zhuǎn)向輪組成 26 2 4 1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 27 2 4 2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及前減震機(jī)構(gòu) 29 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 III 2 4 3 前車體及電池箱 30 2 4 4 轉(zhuǎn)向輪胎和輪轂 30 2 5 玩具遙控車受力分析及如何保證加速度最優(yōu) 30 2 6 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 32 第 3 章 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 33 3 1 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)組成 34 3 2 轉(zhuǎn)向電機(jī)控制 34 3 2 1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 34 3 2 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 36 3 2 3 程序控制流程及代碼 38 3 3 直流電機(jī)控制 41 3 3 1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 41 3 3 2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 42 3 3 3 直流電機(jī) PWM 調(diào)速 43 3 3 4 閉環(huán)反饋控制模塊 44 3 3 5 程序控制流程及代碼 46 結(jié)論 50 致謝 51 參考文獻(xiàn) 52 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 0 第 1 章 緒論 1 1 課題研究的目的與意義 中國(guó)是玩具大國(guó) 玩具出口在我國(guó)的外貿(mào)出口中占主要地位 中國(guó)的玩具 廠商要在國(guó)際上站穩(wěn)腳跟 就要有所發(fā)展 一定要有新的 高層次的產(chǎn)品 國(guó) 內(nèi)的大型玩具企業(yè)已經(jīng)充分意識(shí)到這一點(diǎn) 正在和科研院所合作 研發(fā)高端兒 童玩具車產(chǎn)品 企業(yè)的參與將為兒童玩具車的發(fā)展起到推動(dòng)作用 隨著人們對(duì)休閑 娛樂需求的增加 以及人們對(duì)玩具功能觀念的改變 玩 具的消費(fèi)群體也正在迅速擴(kuò)大 玩具已不再是兒童的專利 越來(lái)越多高檔 新 穎的玩具開始成為成年人的休閑 娛樂用品 而目前 我國(guó)成人玩具的開發(fā)還 是一個(gè)空白 顯然這個(gè)市場(chǎng)有著巨大的潛力去開發(fā) 從而解決了因玩具出口受 限而轉(zhuǎn)內(nèi)銷的市場(chǎng)銷量瓶頸 有關(guān)數(shù)據(jù)顯示 中國(guó)現(xiàn)有玩具企業(yè) 2 萬(wàn)余家 從 業(yè)人員超過(guò) 400 萬(wàn) 年產(chǎn)值 1000 多億元 產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 70 以上 而 目前高端成年人玩具市場(chǎng)卻是眾多玩具業(yè)廠商不重視的一個(gè)市場(chǎng) 所以對(duì)于內(nèi) 銷市場(chǎng) 國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該加大投入力度 力爭(zhēng)中國(guó)市場(chǎng)成為另外一個(gè)美國(guó)市場(chǎng) 成為中國(guó)玩具業(yè)最堅(jiān)定 最雄厚的一條頂梁柱 通過(guò)本課題 讓學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合大學(xué)所學(xué)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程 培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能去分析和解決一般工程技術(shù)問題的能力 進(jìn) 一步培養(yǎng)學(xué)生分析問題 創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題的能力 1 2 我國(guó)玩具行業(yè)的發(fā)展概況 中國(guó)是全球玩具第一大生產(chǎn)國(guó) 我國(guó)玩具行業(yè)是從上世紀(jì) 80 年代后發(fā)展 起來(lái) 70 以上還是來(lái)料加工和來(lái)樣加工 自主開發(fā)和創(chuàng)新的能力不強(qiáng) 能夠 以自創(chuàng)品牌出口的還為數(shù)不多 要從依附式發(fā)展轉(zhuǎn)向自主式發(fā)展還需要一定的 過(guò)程 中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的玩具質(zhì)量合格率僅為 76 3 還面臨著嚴(yán)峻的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 1 護(hù)和歐盟貿(mào)易壁壘等難題 而且近一年來(lái)國(guó)際石油價(jià)格不斷攀升 使得塑料原 料價(jià)格大幅上揚(yáng) 玩具生產(chǎn)成本增加 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇 東部沿海一些地區(qū)出現(xiàn) 的電力供應(yīng)緊張以及勞動(dòng)力短缺問題 也制約著玩具行業(yè)發(fā)展 現(xiàn)代玩具工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段 二戰(zhàn)后 由于塑料的出現(xiàn) 塑料玩具代替了木制玩具 70 年代 電子玩具的出現(xiàn)已成為玩具的發(fā)展潮流 80 年代末 兩家日本玩具商搶先推出托架玩具 行銷一時(shí) 現(xiàn)在 世界幾家大 型玩具生產(chǎn)商從傳統(tǒng)產(chǎn)品中脫穎而出 轉(zhuǎn)產(chǎn)電子游戲 為應(yīng)對(duì)多媒體的挑戰(zhàn) 搶占市場(chǎng) 這些公司又捷足先登 研發(fā)智能玩具 我國(guó)是世界上最大的玩具制造國(guó)和出口國(guó) 全球 70 的玩具是在我國(guó)境 內(nèi)制造的 我國(guó)現(xiàn)有玩具企業(yè) 2 萬(wàn)余家 從業(yè)人員超過(guò) 400 萬(wàn) 年產(chǎn)值 1000 多億元 產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 70 以上 其中 廣州的產(chǎn)值達(dá) 300 億元 2005 年全國(guó)玩具出口額達(dá) 150 多億美元 廣東 江蘇 浙江 上海 山東和福建這 五省一市歷來(lái)是中國(guó)玩具最重要的生產(chǎn)和出口基地 占中國(guó)玩具年銷售額的 95 以上 其中廣東占中國(guó)玩具年銷售額 50 以上 其主要生產(chǎn)基地在深圳 東莞以及澄海地區(qū) 澄海玩具禮品生產(chǎn)單位超 3000 家 從業(yè)人員 10 多萬(wàn)人 2005 年產(chǎn)值 120 億元 并以年均 30 的速度遞增 全區(qū) 250 多家企業(yè)在 126 個(gè)國(guó)家和地區(qū) 建立營(yíng)銷渠道或固定銷售網(wǎng)點(diǎn) 產(chǎn)品外銷達(dá) 70 以上 占全國(guó)玩具出口量的 9 左 右 有了這些基礎(chǔ) 澄海區(qū)正積極申報(bào)建設(shè) 國(guó)家澄海玩具特色產(chǎn)業(yè)基地 玩具制造業(yè)在我國(guó)屬于開放程度較高的行業(yè) 目前 三資企業(yè)仍占據(jù)行 業(yè)的主導(dǎo)地位 取得全行業(yè)產(chǎn)品銷售收入的 65 8 和利潤(rùn)總額的 62 7 民營(yíng) 企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益則是行業(yè)內(nèi)最好的 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的玩具約有 3 萬(wàn)多個(gè)品種 大部分適合 4 歲 8 歲兒童 適合嬰 幼兒的玩具不多 適合成年人的玩具更少 殘障兒童玩具市場(chǎng)有待開發(fā) 玩具用塑料原料主要有 ABS PP PE PVC POM EVA 樹脂 PA 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 2 不飽和聚酯 熱塑性彈性體等 在我國(guó)的用量較大 而且增長(zhǎng)潛力巨大 統(tǒng)計(jì) 數(shù)字表明 僅 2003 年全國(guó)各類塑料玩具用樹脂量達(dá)到近 180 萬(wàn)噸 銷售額已 突破 140 億元 預(yù)計(jì)還將以每年 40 的速度繼續(xù)遞增 這也預(yù)示著作為制造塑 料玩具的基礎(chǔ)原料也將在玩具業(yè)的推動(dòng)下進(jìn)入一個(gè)快速增長(zhǎng)的黃金時(shí)代 1 3 我國(guó)玩具行業(yè)的消費(fèi)現(xiàn)狀 我國(guó)玩具消費(fèi)正以每年 30 40 的速度增長(zhǎng) 到 2010 年我國(guó)玩具消費(fèi)總 額將超過(guò) 1000 億元 中國(guó)社會(huì)調(diào)查事務(wù)所日前進(jìn)行的一項(xiàng)中國(guó)玩具產(chǎn)業(yè)調(diào)查 的結(jié)果顯示 中國(guó)玩具市場(chǎng)蘊(yùn)藏著巨大商機(jī) 中國(guó) 14 歲以下人口為 3 億多 其中的城市人口為 8000 萬(wàn)人 構(gòu)成了龐大的玩具消費(fèi)群體 城市兒童每年人 均玩具消費(fèi)額為 35 元 城市成年人 12 元 大中城市的消費(fèi)者普遍可接受的玩 具價(jià)格在 100 元以下 一些售價(jià)在 1000 元以上的高檔玩具同樣有市場(chǎng) 在中 國(guó)玩具市場(chǎng) 毛絨玩具和兒童車最為暢銷 模型玩具 遙控玩具和塑膠玩具的 銷量持續(xù)看好 有 34 的城市消費(fèi)者選購(gòu)電子玩具 31 選擇智能型玩具 23 選 擇高檔毛絨 布制玩具 農(nóng)村消費(fèi)者以傳統(tǒng)的玩具類型為主 48 的農(nóng)村消費(fèi) 者愿意購(gòu)買電動(dòng)玩具 28 愿意購(gòu)買拼裝玩具 24 愿意購(gòu)買中 低檔毛絨 布制玩具 以下玩具將成為市場(chǎng)新寵 模型玩具 專利授權(quán)玩具 電影玩具 卡通玩具 等 玩偶 高科技玩具 益智玩具 互聯(lián)網(wǎng)兼容玩具 以及適合成年人休閑 娛樂的成人玩具 成年男士比較喜愛電腦智力型玩具 成年女士喜歡高檔精美 的裝飾性玩具 如布娃娃 毛絨娃娃 木制玩具和小動(dòng)物玩具等 中年人多會(huì) 選購(gòu)消遣性 輕度運(yùn)動(dòng)型玩具 老年人較喜歡各種觀賞型玩具 如 小動(dòng)物玩 具 玩偶等 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 3 1 4 玩具行業(yè)的發(fā)展前景 1 4 1 傳統(tǒng)玩具向電子玩具過(guò)渡 玩具智能化成為玩具行業(yè)的發(fā)展新趨勢(shì) 高科技智能化玩具不僅滿足了兒 童的好奇心 加強(qiáng)了孩子和玩具的互動(dòng) 同時(shí)也激發(fā)了孩子的求知欲 玩具企 業(yè)將計(jì)算機(jī) 電子 通訊等領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù) 嫁接 到玩具產(chǎn)品中 突破了 傳統(tǒng)玩具的局限性 賦予玩具 聽 說(shuō) 功能 與人進(jìn)行互動(dòng) 智能化玩具 的形式多樣 內(nèi)容豐富 寓知于樂 可以與孩子們進(jìn)行 情感 交流 進(jìn)而培 養(yǎng)孩子良好的習(xí)慣 并在愉悅中學(xué)習(xí) 體會(huì)生活 真正達(dá)到寓教于樂的目的 而且玩具已經(jīng)不在僅是兒童的專利 據(jù)中國(guó)玩具協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì) 約 64 的成 人消費(fèi)者表示有興趣購(gòu)買適合自己的玩具 估計(jì)成人休閑益智玩具市場(chǎng)每年約 值 500 億元人民幣 傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)日趨下滑 益智類 成人類玩具的出口已 不斷呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì) 1 4 2 提高玩具附加值勢(shì)在必行 近年來(lái) 國(guó)際油價(jià)持續(xù)攀高 與石油相關(guān)的原材料價(jià)格亦隨之上揚(yáng) 塑料 價(jià)格較年前上漲 30 40 而一件玩具中 塑料成本大概占據(jù)總成本的 60 70 這大大增加了塑料玩具的生產(chǎn)成本 這就要求生產(chǎn)企業(yè)必須跨越原料價(jià)格高漲 貿(mào)易壁壘和 3C 認(rèn)證等重重障 礙 有人認(rèn)為 國(guó)內(nèi)玩具企業(yè)面臨著如此多的困難 制約其發(fā)展的主要因素可 以歸結(jié)為質(zhì)量不高和技術(shù)含量低 據(jù)此 我們不難找到解決難題的路徑 研發(fā) 符合安全和環(huán)保要求的產(chǎn)品 利用科技創(chuàng)新 提高產(chǎn)品附加值 并向高檔化邁 進(jìn) 1 5 方案分析及設(shè)計(jì)要求 本文所討論玩具遙控車系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型近似于汽車 因此稱為玩具遙控車 它的組態(tài)由玩具遙控車在工作環(huán)境中的位態(tài)確定 它作為一種小型玩具遙控車 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 4 是一種非線性控制系統(tǒng) 為了能發(fā)揮將來(lái)加載到這種玩具遙控車上的功能 因 而對(duì)小車性能作了要求 作為主要用于娛樂的玩具遙控車長(zhǎng)度不宜超過(guò) 1000mm 高度要控制在玩 具遙控車平衡穩(wěn)定運(yùn)作的范圍內(nèi) 因此 車體在保證穩(wěn)定的情況下做的盡量小 各部件排列方式應(yīng)盡量減小縱向尺寸 使車體緊湊 內(nèi)置于其中的電路板和電 池的尺寸也要受到限制 設(shè)計(jì)電路是要盡量選用功能大 集成度高的芯片 而 電池要選用體積小并且耐用的型號(hào) 因此 本課題控制器設(shè)計(jì)選用 SPCE061A 系列單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電路的架構(gòu) 并且減少外圍邏輯電路 使板面布局緊湊 車體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是影響系統(tǒng)性能 決定玩具遙控車性能達(dá)標(biāo)的重要因素 因此 在軟硬件選型時(shí) 滿足快速性 準(zhǔn)確性要求是考慮的第一要素之一 要 求機(jī)構(gòu)能夠具有更大的靈活性與柔性 能夠具有更大的跨越障礙的能力 最好 采用減震設(shè)計(jì) 它有利于保護(hù)玩具遙控車各組成部件 特別是電器元件 我們?cè)O(shè)計(jì)的玩具遙控車所處的環(huán)境所受的強(qiáng)磁干擾要小得多 但是要達(dá)到 系統(tǒng)運(yùn)作實(shí)時(shí) 準(zhǔn)確 某些干擾就顯得較為明顯 首先 玩具遙控車體積很小 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 處理器系統(tǒng) 無(wú)線模塊同處于很小的空間 這幾部分之間 的相互干擾 特別是電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)處理器的干擾 無(wú)線模塊對(duì)處理器的 干擾以及無(wú)線通訊所特有的噪聲干擾都不容忽視 本課題中 分別采用了硬件 抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì) 其次 玩具遙控車工作環(huán)境周圍的電器將對(duì)其 產(chǎn)生影響 1 6 本課題主要研究?jī)?nèi)容 課題主要完成玩具遙控車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇及程 序的編制 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括玩具遙控車構(gòu)成方案選擇 玩具遙控車本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 5 2 針對(duì)設(shè)計(jì)要求結(jié)合所選用的電機(jī) 設(shè)計(jì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊 并討論系統(tǒng)設(shè) 計(jì)的可靠性問題 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 6 第 2 章 玩具遙控車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 玩具遙控車運(yùn)動(dòng)方式的選擇 玩具遙控車運(yùn)動(dòng)方式歸納起來(lái)基本有三種 輪子方式 履帶方式和腿足方 式 為了得到我們?cè)O(shè)計(jì)需要最合適的方式 我們對(duì)以上三種方式做了簡(jiǎn)單的比 較如下表 2 1 2 文 獻(xiàn) 表 2 1 運(yùn)動(dòng)方式的比較 考慮因素 驅(qū)動(dòng)方式 適應(yīng)的環(huán)境 驅(qū)動(dòng)方面的考慮 機(jī)構(gòu)方面的考慮 輪子方式 適于室內(nèi) 硬路 面等平整地面 特別不適合松軟 或崎嶇地面 驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單多樣 力矩相對(duì)較小主要有 兩輪驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向加隨 動(dòng)輪 兩輪差動(dòng)加輔 助輪 驅(qū)動(dòng)輪加轉(zhuǎn)向 輪 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單 相互約束條件少 穩(wěn)定性較好 輪子 安裝需要一定精度 要求 履帶方式 適應(yīng)環(huán)境最廣泛 特別是崎嶇不平 地和濕洼地形 驅(qū)動(dòng)方式單一 力矩 較大 使用兩側(cè)輪差 動(dòng) 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向 不需要輔助輪 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較輪子復(fù) 雜 需要履帶的張 緊設(shè)計(jì) 支撐面積 大 穩(wěn)定性好 腿足方式 適應(yīng)范圍較廣 適應(yīng)地形受其步 態(tài)影響 不適合 崎嶇山路 驅(qū)動(dòng)復(fù)雜 對(duì)平衡和 穩(wěn)定要求極高 自由 度越多 驅(qū)動(dòng)控制部 分越多 有較多的 運(yùn)動(dòng)部 件和關(guān)節(jié) 要求較 高的加工和裝配等 級(jí) 對(duì)材料性能要 求較高 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 7 通過(guò)對(duì)以上方式的比較 我們選用輪子方式做為玩具遙控車運(yùn)動(dòng)方式 它 符合我們的設(shè)計(jì)要求 適應(yīng)室內(nèi)活動(dòng)環(huán)境 需要?jiǎng)恿^小 能量消耗少 結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠 2 2 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)方案的選擇 玩具遙控車的機(jī)械結(jié)構(gòu) 如圖 2 1 圖 2 2 圖 2 3 5 文 獻(xiàn) 圖 2 1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 圖 2 2 前輪驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu) 圖 2 3 后輪驅(qū)動(dòng) 前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu) 如圖 2 1 采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)輪分別由兩套直流伺服系統(tǒng)驅(qū) 動(dòng) 提供需要的轉(zhuǎn)速或者力矩 前輪為萬(wàn)向輪 可任意移動(dòng) 這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn) 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 8 簡(jiǎn)單輕便 控制性好 運(yùn)動(dòng)靈活轉(zhuǎn)彎半徑小 缺點(diǎn) 承載能力低 對(duì)地面環(huán)境 的要求高 圖 2 2 中的玩具遙控車 稱為前輪驅(qū)動(dòng)玩具遙控車 后輪為輔助輪 方向 不變 前輪為驅(qū)動(dòng)輪兼轉(zhuǎn)向輪 兩輪驅(qū)動(dòng)速度相同 轉(zhuǎn)向速度一致 這種結(jié)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 穩(wěn)定性好 缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 控制難度高 我們根據(jù)設(shè)計(jì)需要和實(shí)現(xiàn)的難易程度選擇了圖 2 3 中的玩具遙控車 我們 稱之為后輪驅(qū)動(dòng)玩具遙控車 它是一種典型的非完整約束的玩具遙控車模型 后輪為驅(qū)動(dòng)論方向不變 提供前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力 兩輪驅(qū)動(dòng)速度相同 前輪為轉(zhuǎn)向輪 稱為舵輪 通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同步控制兩輪轉(zhuǎn)向 使玩具遙控車按照要求的方向移 動(dòng) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)又主要分三個(gè)輪 四個(gè)輪 三輪支撐理論上是穩(wěn)定的 然而 這 種裝置很容易在施加到單獨(dú)輪的左右兩側(cè)力 F 作用下翻倒 因此對(duì)負(fù)載有一定 限制 我們?yōu)樘岣叻€(wěn)定性和承載能力 決定選用四輪機(jī)構(gòu) 后輪為兩驅(qū)動(dòng)輪 兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪為前輪 這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù) 可 適應(yīng)復(fù)雜的地形 承載能力強(qiáng) 但是軌跡規(guī)劃及控制相對(duì)復(fù)雜 2 3 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)輪組成 后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖 2 4 所示 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 9 1 變速箱底座 2 變速箱蓋 3 軸承 4 齒輪 5 齒輪 6 齒輪 7 電動(dòng)機(jī) 8 中間軸 9 輪轂 10 輪胎 圖 2 4 驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)示意圖 根據(jù)上面所確定的方案 玩具遙控車后輪驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī) 減速裝置 車輪及輪轂組成 2 3 1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 目前在玩具遙控車的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī) 對(duì)它們的特性 工作原理與控制方式有分類介紹 下面總結(jié)如表 2 2 所示 一般玩具遙控車用電機(jī)的基本性能要求 1 啟動(dòng) 停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行 具有良好的響應(yīng)特性 2 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同 且運(yùn)行特性穩(wěn)定 3 良好的抗干擾能力 對(duì)輸出來(lái)說(shuō) 體積小 重量輕 4 維修容易 不用保養(yǎng) 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 10 驅(qū)動(dòng)輪為兩后輪 要求控制性好且精度高 能耗要低 輸出轉(zhuǎn)矩大 有一 定過(guò)載能力 而且穩(wěn)定性好 通過(guò)比較以上電機(jī)的特性 工作原理 控制方式 以及玩具遙控車的移動(dòng)性能要求 自身重量 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素 所以我們 決定選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性 簡(jiǎn)單的控制性能 較高的效率 優(yōu) 異的動(dòng)態(tài)特性 一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位 雖然近年不斷受 表 2 2 不同電機(jī)的特性 工作原理與控制方式 電機(jī)類型 主要特點(diǎn) 構(gòu)造與工作原理 控制方式 直流電機(jī) 接通直流電即可 工作 控制簡(jiǎn)單 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 轉(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)矩容易控 制 效率高 需 要定時(shí)維護(hù)和更 換電刷 使用壽 命短 噪聲大 由永磁體定子 線圈轉(zhuǎn)子 電刷 和換向器構(gòu)成 通過(guò)電刷和換向 器使電流方向隨 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度 而變化 實(shí)現(xiàn)連 續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)控制采用電 壓控制方式 兩 者成正比 轉(zhuǎn)矩 控制采用電流控 制方式 兩者也 成正比 交流電機(jī) 沒有電刷和換向 器 無(wú)須維修 驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜 價(jià)格高 按結(jié)構(gòu)分為同步 和異步 無(wú)刷直 流電機(jī)結(jié)構(gòu)與同 步電機(jī)相同 特 性與支流電機(jī)相 同 分為電壓控制和 頻率控制兩種方 式 異步電機(jī)常 采用電壓控制 到其他電動(dòng)機(jī) 如交流變頻電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等 的挑戰(zhàn) 但直流電動(dòng)機(jī)仍然 是許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇 在生產(chǎn) 生活中有著廣泛的應(yīng)用 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 11 所需電機(jī)的功率計(jì)算 玩具遙控車小車的受力簡(jiǎn)圖如圖 2 5 所示 玩具遙控車所需的牽引力 WfaF 式中 玩具遙控車移動(dòng)需要的牽引力aF sinmg 式中 自身重力而產(chǎn)生的阻力W cosFf 式中 玩具遙控車移動(dòng)所受摩擦力F 圖 2 5 玩具遙控車小車的受力簡(jiǎn)圖 則有 cossinmgFa 式中 摩擦系數(shù) 式中 最大爬坡角度 據(jù)課題要求 可以按 0 計(jì)算 則玩具遙控車在水平面上運(yùn)動(dòng)的功率為 WVFPa 61 58 90315 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 12 傳動(dòng)裝置的總效率 2BG 按照 中表 2 1 1 確定的個(gè)部分效率有 齒輪傳動(dòng)效率 14 文 獻(xiàn) 滑動(dòng)軸承效率 97 0 G 97 0B 代入得到 89 0 2 所需直流電機(jī)的最小功率 WPw 697 01 通過(guò)以上的比較和計(jì)算 我們決定選用廣東德昌微電機(jī)公司生產(chǎn)的 SRC 555 3250 型直流電動(dòng)機(jī)其外觀如圖 2 6 所示 尺寸如圖 2 7 所示 技術(shù)參 數(shù)如表 2 3 所示 圖 2 6 電動(dòng)機(jī)其外觀如圖 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 13 圖 2 7 直流電機(jī)尺寸圖 表 2 3 直流電機(jī)技術(shù)參數(shù)表 空載 最大效率下 制動(dòng) 轉(zhuǎn)速 電流 轉(zhuǎn)速 電流 力矩 功率 力矩 功率型號(hào) 額定電壓 r min A r min A g cm W g cm W SRC 555 3250 12v CONSTAN T 6100 0 24 5300 1 49 229 12 4 1650 9 20 2 3 2 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核 直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較高 一般不能直接接到車輪軸上 需要減速機(jī)構(gòu)來(lái)降 速 同時(shí)也提高了轉(zhuǎn)距 減速裝置的形式多種多樣 選擇一種合適的減速裝置 對(duì)玩具遙控車的性能有著相當(dāng)重要的作用 2 3 2 1 減速形式的選擇 驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)形式有多種 主要分為 鏈條傳動(dòng) 皮帶傳動(dòng) 蝸桿傳動(dòng) 和齒輪傳動(dòng)等 1 鏈條傳動(dòng) 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 14 優(yōu)點(diǎn)是 工況相同時(shí) 傳動(dòng)尺寸緊湊 沒有滑動(dòng) 不需要很大的張緊力 作用在軸上的載荷小 效率高 能在惡劣的環(huán)境中使用 缺點(diǎn) 瞬時(shí)速度不均勻 高速運(yùn)轉(zhuǎn)是傳動(dòng)不平穩(wěn) 不易在載荷變化大和急 促反向的傳動(dòng)中使用 工作噪音大 2 皮帶傳動(dòng) 優(yōu)點(diǎn)是 能緩和沖擊 運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)噪音 制造和安裝精度要求低 過(guò)載時(shí) 能打滑 防止其他零件的損壞 缺點(diǎn) 有彈性滑動(dòng)和打滑 效率低不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比 軸上載荷大 壽命低 3 蝸桿傳動(dòng) 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)緊湊 工作平穩(wěn) 無(wú)噪聲 沖擊震動(dòng)小 能得到很大的單級(jí)傳 動(dòng)比 缺點(diǎn)是 傳動(dòng)比相同下效率比齒輪低 需要用貴重的減磨材料制造 4 齒輪傳動(dòng) 工作可靠 使用壽命長(zhǎng) 易于維護(hù) 瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù) 傳動(dòng)效率高 結(jié) 構(gòu)緊湊 功率和速度使用范圍很廣 缺點(diǎn)是 制造復(fù)雜成本高 不宜用于軸間 距的傳動(dòng) 比較以上傳動(dòng)形式 結(jié)合本設(shè)計(jì)中玩具遙控車的要求 輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效 率高噪音小等條件 我們采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng) 減速比為 15 電機(jī)軸直接作為輸 入軸安裝主動(dòng)齒輪 不是用聯(lián)軸器 既提高了精度又減輕了重量 輪轂和齒輪 3 安裝在同一根軸上 他們轉(zhuǎn)速相同 齒輪類型為漸開線直齒齒輪 聯(lián)軸器相 聯(lián) 齒輪與車輪裝在同一個(gè)軸上 它們的轉(zhuǎn)速相同 齒輪參數(shù)如下 第一級(jí)減速 m 3 mm mm 31 i10z3 d302 z92d 第二級(jí)減速 m 3 mm mm 53 51 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 15 2 3 2 2 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算與校核 設(shè)計(jì)中第一級(jí)齒輪傳動(dòng)的齒輪強(qiáng)度計(jì)算與校核 如下 1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 1 初步計(jì)算 轉(zhuǎn)矩 T8 651024 5 905 96161 nPmN 8 齒數(shù) d 接觸疲勞極限 liH 由 表 12 13 取 2 文 獻(xiàn) 6 0 d 由 表 1 73文 獻(xiàn) 6 0 d MPaH251lim li 初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力 H 259 0 1lim1 H2li2 MPa5 1 H92 值dA 由 取 3 文 獻(xiàn) 0d 初步計(jì)算小齒輪直徑 1 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 16 muTAdHd 18 235 19608323211 取 251m 初步齒寬 b 256 01 d 5 2 校核計(jì)算 圓周速度 93 610652106 ndsm93 精度等級(jí) 由 表 12 6 2 文 獻(xiàn) 選 6 級(jí)精度 齒數(shù) z 和模數(shù) m 初取齒數(shù) 10 3012 iz31zd 由 表 12 3 取 這里往大或往小取均可 視驗(yàn)算結(jié)果而定 2 文 獻(xiàn) m 則 1031 dz12 im 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 17 10 z32 使用系數(shù) AK 由 表 12 9 文 獻(xiàn) 5 1 A 動(dòng)載系數(shù) v 由 表 12 9 2 文 獻(xiàn) 1 vK 齒間載荷分配系數(shù) HK 由 表 12 10 先求 9 文 獻(xiàn) NdTFt 264 5821 mbKtA 3 0 mNbFKtA 103 79854 1 2 62 3cos12 812 z9 035 4 Z 由此得 21 12 ZKH5 130Z2 H 齒向載荷分布系數(shù) HK 由 表 12 11 文 獻(xiàn) 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 18 103 1507 6109 22321 bcdbKH 3 H 載荷系數(shù) K85 13 2 15 HvAK 彈性系數(shù) EZ 由 表 12 12 2 文 獻(xiàn) MPaE4 56 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) HZ 由 圖 12 16 文 獻(xiàn) 5 2 HZ 接觸最小安全系數(shù) minHS 由 表 12 14 文 獻(xiàn) 05 1min HS 總工作時(shí)間 ht602 3 ht60 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) LN 由 表 12 15 估計(jì) 則指數(shù) 2 文 獻(xiàn) 9710 LN78 m 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 19 6 78 78 78 178 maxax1103 7 302502060 ni hiihminihivLtTttN 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確 6612 107 23 iNL610 7 2L 接觸壽命系數(shù) NZ 由 圖 12 18 文 獻(xiàn) 5 1 NZ2 許用接觸應(yīng)力 H 05 12min1l1 NHSZ in2l2 MPaH1 3 2 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 20 23 15103 428 1 054 6 ubdKTZHE 計(jì)算結(jié)果表明 接觸疲勞強(qiáng)度教為合適 齒輪尺寸無(wú)需調(diào)整 否則 尺寸 調(diào)整后還應(yīng)在進(jìn)行驗(yàn)算 MPaPaHH1 323 2 2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 重合度系數(shù) Y74 052 1 07 25 0 4 齒間載荷分配系數(shù) FK 由 表 12 10 2 文 獻(xiàn) 35 174 0 Y35 1 FK 齒向載荷分布系數(shù) FK48 325 0 hb 由 圖 12 14 文 獻(xiàn) 6 1 FK 載荷系數(shù) 89 3615 2 1 FvA 齒形系數(shù) aY 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 21 由 圖 12 21 2 文 獻(xiàn) 75 1 FaY432 應(yīng)力修正系數(shù) SaY 由 圖 12 22 文 獻(xiàn) 38 1 SaY42 彎曲疲勞極限 limF 由 圖 12 23c 文 獻(xiàn) MPaF81lim 2li 彎曲最小安全系數(shù) minFS 由 表 12 14 文 獻(xiàn) 25 1min FS 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) LN 由 表 12 15 估計(jì) 則指數(shù) 文 獻(xiàn) 106103 LN94 m 7 94 94 91 4191 4maxax110 3 30250206606 ni hiihminihivL tTtt 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 22 原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確 7712 103 3 iNL710 23L 彎曲壽命系數(shù) NY 由 圖 12 24 文 獻(xiàn) 5 21 NY 尺寸系數(shù) X 由 圖 12 25 2 文 獻(xiàn) 0 1 XY 許用彎曲應(yīng)力 F 1625 8min1l1 XNFSY in2l2 F MPaF16 2 驗(yàn)算 05 274 3815 2310489 2111 YmbdKTSaFF 9 0 122 SaFFY 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 23 傳動(dòng)無(wú)嚴(yán)重過(guò)載 故不做靜強(qiáng)度校核 1105 2FFMPa 2 第二級(jí)嚙合齒輪 的計(jì)算校核也采用以上步驟 通過(guò)計(jì)算知 強(qiáng)度均3z4 符合要求 2 3 3 變速箱體及后減震 變速箱體要求在保證足夠剛度的條件下 應(yīng)盡量減輕車架的重量 以提高 有效承載重量 其次 變速箱體應(yīng)保證其它元件安裝上以后 能達(dá)到平衡 對(duì) 稱和同軸 材料為 ABS 厚度為 6mm 軸承盒集成在箱體上 降低了制造難 度 為保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動(dòng)的損傷 和提高躍障能力 在變速箱與前車體間 加一減震彈簧 它不但能緩沖震動(dòng) 而且當(dāng)玩具遙控車遇到低于 100mm 的幛 礙物 或者高低不平的路面時(shí)不至于被架空 2 3 4 驅(qū)動(dòng)車輪及輪轂 本設(shè)計(jì)中可選用玩具遙控車的運(yùn)動(dòng)方式為輪子方式 輪子方式可以提供多 種排列方式 從而滿足不同情況需要 而且轉(zhuǎn)向容易 可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確控 制 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 所以我們考慮到所設(shè)計(jì)玩具遙控車的工作環(huán)境和控制要求 我們選用了四輪方式 選擇車輪需要考慮多種因素 有玩具遙控車的尺寸 重量 地形狀況 電 機(jī)功率等 車重加負(fù)載重量為 2kg 4 5kg 所以用質(zhì)地堅(jiān)硬且易于加工的聚苯乙 烯作輪轂 采用不充氣的中空橡膠輪胎 其優(yōu)點(diǎn)在于不僅重量小而且橡膠與地 面的附著系數(shù)大 保證了足夠的驅(qū)動(dòng)能力 其中輪胎直徑 d 300mm 則車輪轉(zhuǎn)一圈移動(dòng)的為 mdS942 031 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 24 車輪最大轉(zhuǎn)速為 電機(jī)轉(zhuǎn)速 傳動(dòng)比 min3 5101ri 則玩具遙控車的最大線速度為 smS5 i8 2 942 01 玩具遙控車小車的受力簡(jiǎn)圖如圖 2 13 玩具遙控車所需的牽引力 WfaF 式中 玩具遙控車移動(dòng)需要的牽引力aF sinmg 式中 自身重力而產(chǎn)生的阻力W cosFf 式中 玩具遙控車移動(dòng)所受摩擦力F 則有 ssinmga 式中 摩擦系數(shù) 式中 最大爬坡角度 則玩具遙控車在水平面上的功率為 wVFPa 47 25 89315 0 其最大加速度為 2 1 smma 其中 的計(jì)算在 2 3 1 中作了介紹 aF 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 25 圖 2 8 玩具遙控車小車的受力簡(jiǎn)圖 2 4 玩具遙控車轉(zhuǎn)向輪組成 轉(zhuǎn)向輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用 不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩 在小車轉(zhuǎn)向時(shí)它可以以一定 角度轉(zhuǎn)動(dòng) 主要機(jī)械組成結(jié)構(gòu)如圖 2 9 1 前減震彈簧 2 轉(zhuǎn)向連桿 3 拉桿 4 拉緊彈簧 5 撥叉 6 電機(jī) 7 前車體蓋 8 轉(zhuǎn)向節(jié) 9 前輪軸 10 前輪轂 11 輪胎 12 電池盒蓋 13 后減震彈簧 14 連接軸 15 變速箱 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 26 圖 2 9 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)圖 玩具遙控車前輪裝置由以下幾部分構(gòu)成 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 蓄電池和充電部 分 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和前減震機(jī)構(gòu) 前車體和電池箱及輪胎和輪轂五部分 如上 圖 2 15 所示 2 4 1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 轉(zhuǎn)向輪的電機(jī)通過(guò)對(duì)表 2 1 不同電機(jī)的特性 工作原理與控制方式的分析 比較 為了滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)精度高 控制性能強(qiáng) 并且控制簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)的 特點(diǎn) 我們決定選用電機(jī)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移 或線位移 的機(jī)電元件 對(duì)這種電 機(jī)施加一個(gè)電脈沖后 其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度 稱為一步 脈沖數(shù)增加 角位 移 或線位移 就隨之增加 脈沖頻率高 則電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就高 反之就低 分配 脈沖的相序改變后 電機(jī)的轉(zhuǎn)向則隨之而變 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和通常勻速旋轉(zhuǎn) 的電動(dòng)機(jī)有一定的差別 它是步進(jìn)形式的運(yùn)動(dòng) 故也稱其為步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 電機(jī)的主要指標(biāo)有 相數(shù) 產(chǎn)生不同對(duì)極 N S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù) 常用 m 表示 拍數(shù) 完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示 或指電 機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù) 以四相電機(jī)為例 有四相四拍運(yùn)行方式即 AB BC CD DA AB 八拍運(yùn)行方式即 A AB B BC C CD D DA A 步距角 對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào) 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用 表示 360 度 轉(zhuǎn)子齒數(shù) J 運(yùn)行拍數(shù) 以常規(guī)二 四相 轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機(jī)為例 四拍運(yùn) 行時(shí)步距角為 360 50 4 1 8 俗稱整步 八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 360 50 8 0 9 俗稱半步 定位轉(zhuǎn)矩 電機(jī)在不通電狀態(tài)下 電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩 由磁場(chǎng)齒形的 諧波以及機(jī)械誤差造成的 靜轉(zhuǎn)矩 電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下 電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí) 電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 27 定力矩 此力矩是衡量電機(jī)體積 幾何尺寸 的標(biāo)準(zhǔn) 與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等 無(wú)關(guān) 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比 與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān) 但過(guò)分 采用減小氣隙 增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的 這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā) 熱及機(jī)械噪音 步距角精度 電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差 用百分比表 示 誤差 步距角 100 不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同 四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 5 之內(nèi) 八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在 15 以內(nèi) 失步 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù) 不等于理論上的步數(shù) 稱之為失步 失調(diào)角 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角 由失 調(diào)角產(chǎn)生的誤差 采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的 最大空載起動(dòng)頻率 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式 電壓及額定電流下 在不加負(fù) 載的情況下 能夠直接起動(dòng)的最大頻率 最大空載的運(yùn)行頻率 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式 電壓及額定電流下 電機(jī)不 帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率 運(yùn)行矩頻特性 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線 稱為運(yùn)行矩頻特性 這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的 也是電機(jī)選擇的根本 依據(jù) 電機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 歸納起來(lái)主要有 1 步距值不受各種干擾因素的影響 簡(jiǎn)而言之 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取 決于脈沖信號(hào)的頻率 而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量取決于總的脈沖個(gè)數(shù) 2 位移與輸入脈沖信號(hào)相對(duì)應(yīng) 步距誤差不長(zhǎng)期積累 因此可以組成結(jié) 構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng) 也可以在要求更高精 度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng) 3 可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制 整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單廉價(jià) 4 無(wú)刷 電動(dòng)機(jī)本體部件少 可靠性高 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 28 5 控制性能好 起動(dòng) 停車 反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變 都在脈沖內(nèi) 完成 在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí) 任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟步 6 停止時(shí)有自鎖能力 7 步距角選擇范圍大 可在幾角分至 大范圍內(nèi)選擇 在小范圍情況 180 下 通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)距穩(wěn)定的運(yùn)行 通過(guò)比較各種指標(biāo)和參數(shù)后 我們決定選用常州豐源公司生產(chǎn)的 35BYHJ03 減速 電機(jī) 自帶 25 1 的減速器 參數(shù)如表 2 6 所示 表 2 6 電機(jī)參數(shù) 步距 角 相 數(shù) 電壓 U V 電流 I mA 電阻 R 減速 比 空載運(yùn) 行頻率 F pps 空載啟 動(dòng)頻率 F pps 起動(dòng) 轉(zhuǎn)距 T g cm 鎖定 轉(zhuǎn)距 T g c m 7 5 25 4 12 255 47 1 25 550 680 750 1400 2 4 2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及前減震機(jī)構(gòu) 在本課題中我們?yōu)榱说玫椒€(wěn)定和承載能力強(qiáng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 我們采用了兩前 置轉(zhuǎn)向輪 轉(zhuǎn)向輪不作為驅(qū)動(dòng)輪 只提供支撐和轉(zhuǎn)向作用 結(jié)構(gòu)形式模仿普通 機(jī)動(dòng)車的一些結(jié)構(gòu) 電機(jī)變速箱輸出軸連接撥叉 撥叉撥動(dòng)左右轉(zhuǎn)向節(jié)連桿來(lái) 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向 為了消除傳動(dòng)間隙和電機(jī)反轉(zhuǎn)死區(qū) 我們?cè)跈C(jī)構(gòu)中加裝了兩個(gè)拉緊 桿和一條拉緊彈簧 很大程度上消除了誤差 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖 2 10 為保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動(dòng)的損傷 提高玩具遙控車在不平地面上的行走能 力 在每個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)軸上加裝減震彈簧 它不但能緩沖震動(dòng) 而且防止在特殊情 況下玩具遙控車被架空 它與后減震配合工作效果更加明顯 工作原理與后減 震類似 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 29 圖 2 10 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖 2 4 3 前車體及電池箱 前車體是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)零件的載體 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 要求精度也高 實(shí)物模型圖 如圖 特別是轉(zhuǎn)向節(jié)安放孔和電機(jī)支撐座等 要求同軸度和垂直度高 因此為 了提高裝配精度 車體蓋和車體配合的螺栓孔采用了卯榫式設(shè)計(jì) 其結(jié)構(gòu)見圖 紙裝配圖 1 保證了裝配的精度 為簡(jiǎn)化制造工序 提高車體的緊湊程度和牢固程度 將電池盒設(shè)計(jì)到前車 體后部 并且盡量降低電池盒與地面間距 以降低玩具遙控車的重心高度 為了保證運(yùn)行時(shí)電池在和內(nèi)的牢靠程度和降低噪聲 電池盒蓋內(nèi)側(cè)附貼一 薄層海綿 結(jié)構(gòu)見圖紙裝配圖 1 控制電路容易受到電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路的影響 因此我們將控制電路板與驅(qū) 動(dòng)板并列排列 2 4 4 轉(zhuǎn)向輪胎和輪轂 前輪輪胎采用和后輪相同的結(jié)構(gòu)和材料 輪轂的軸孔與軸相對(duì)滑動(dòng) 所以 要求較后輪精度高機(jī) 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 30 2 5 玩具遙控車受力分析及如何保證加速度最優(yōu) 本設(shè)計(jì)中玩具遙控車采用四輪支撐 即兩后輪 驅(qū)動(dòng)輪 和兩前輪 轉(zhuǎn)向 輪 為了增加車輪和地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù) 每個(gè)車輪的輪胎材料均為橡膠 滑動(dòng)軸承和輪轂采用了具有自潤(rùn)滑能力的塑料 摩擦力很小 可以忽略不計(jì) 采用這些結(jié)構(gòu) 使小車具有一很好的運(yùn)動(dòng)性能 玩具遙控車小車受力如圖 2 11 所示 有如下關(guān)系 滑動(dòng)摩擦力 grNF 支撐反力 Gg am 水平方向受力 Fr 以上關(guān)系可推出加速度 mNga 從上式可以看出 由于小車質(zhì)量 m 一定 若想增加加速度只有增加摩擦 系數(shù) 和減少支撐力 N 由于玩具遙控車活動(dòng)場(chǎng)所在室內(nèi)需要頻繁的更換速 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 31 圖 2 11 小車受力圖 度 只有加速度大一些時(shí) 才能滿足足球玩具遙控車快速性 實(shí)時(shí)性要求 在摩擦系數(shù)一定時(shí) 只有盡量減少支撐力 N 加速度才能達(dá)到最大 這 直接關(guān)系到小車重心的位置 小車的電池和后加負(fù)載是小車中比重較大者 在 放置是應(yīng)該盡量靠近后輪 這樣支撐力 N 就會(huì)減小 加速度在啟動(dòng)時(shí)就能保持 盡量大 通過(guò)計(jì)算玩具遙控車通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)加速度為 3 92m s 左右 2 6 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)質(zhì)量的高低主要表現(xiàn)在技術(shù)性能 可靠性 適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性四個(gè) 方面 其中技術(shù)性和可靠性是最重要的方面 但在系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)工作中 往 往特別強(qiáng)調(diào)其技術(shù)性能指標(biāo)而忽視了它的可靠性 而由于可靠性設(shè)計(jì)的不周密 在偶然囚素或意外事件的作用下 系統(tǒng)便不能正常工作 從而可能造成災(zāi)難性 的后果 系統(tǒng)的可靠性保證有賴十完善的可靠性設(shè)計(jì) 嚴(yán)格的部件制作 規(guī)范 的設(shè)備安裝調(diào)試 正確的操作使用和經(jīng)常性的維護(hù) 本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了可靠性這一指標(biāo) 主要體現(xiàn)在以下兒個(gè) 方面 1 屏蔽技術(shù) 本系統(tǒng)中 直流電機(jī) 驅(qū)動(dòng)部件 甚至是微控制器使用的振蕩器 都是電 磁干擾的噪聲源 當(dāng)距離較近時(shí) 電磁波會(huì)通過(guò)分布電容和電感藕合到信號(hào)回 路而形成電磁干擾 當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí) 電磁波則以輻射形式構(gòu)成干擾 針對(duì)上幾 述情況 主要要通選用高導(dǎo)磁材料做成屏蔽體 使電磁波經(jīng)屏蔽體壁的低磁阻 磁路快速衰減 以降低干擾 2 地線的處理 理解產(chǎn)生地線噪聲的機(jī)制對(duì)于減小地線干擾至關(guān)重要 所有地線都有阻抗 和所有電路一樣 電流必須流回其源點(diǎn) 電流通過(guò)地線卜的有效陰 抗將產(chǎn)生 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 32 一個(gè)電壓降 這些電壓降就是地線干擾的原因 正確接地是控制系統(tǒng)抑制干擾 所必須注意的重要問題 在設(shè)計(jì)中若能把接地和屏蔽正確的結(jié)合 可很好地消 除外界丁擾的影響 接地設(shè)計(jì)的基本目的是消除各電路電流流經(jīng)公共地線時(shí)所 產(chǎn)生的噪聲電壓 以及免受電磁場(chǎng)和地位差的影響 即使其不能形成地環(huán)路 3 抑制自感電動(dòng)勢(shì)干擾 在本系統(tǒng)中 使用了電動(dòng)機(jī)這種具有較大電感量的器件 當(dāng)電感回路的電 流被切斷時(shí) 會(huì)產(chǎn)生很大的反電勢(shì)而形成噪聲干擾 這種噪聲不但能產(chǎn)生電磁 場(chǎng)干擾其它回路 甚至還有可能擊穿電路中的晶體管之類的器件 對(duì)此在線圈 兩端并聯(lián)了二極管來(lái)抑制反向自感電勢(shì)的干擾 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 33 第 3 章 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 3 1 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)組成 玩具遙控車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的控制 其中包括 各驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及程序的編制 3 2 轉(zhuǎn)向電機(jī)控制 轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)控制主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 停止 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 以滿足玩具遙 控車能夠?qū)崿F(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎 3 2 1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)芯片我們選擇 SGS 公司的 L298 L298 功率集成電路采用 SGS 公司特有的 Multiwatt 塑料封裝 15 個(gè)引腳 可用螺釘固定在散熱器上 L298 內(nèi)含的功率輸出器件設(shè)計(jì)制作在一塊石英基片上 由于制作工藝的同一 性 因而具有分立元件組合電路不可比擬的性能參數(shù)一致性 工作穩(wěn)定 L298 是雙 H 橋高電壓大電流功率集成電路 它接受標(biāo)準(zhǔn) TIL 邏輯信號(hào) 可以用來(lái) 驅(qū)動(dòng)繼電器 線圈 直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載 兩個(gè) H 橋能夠使 其接受或不接受輸入信號(hào) 它的每個(gè) H 橋的下側(cè)臂晶體管發(fā)射極連在一起 相 應(yīng)外接電流檢測(cè)電阻 L298 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 1 所示 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 34 圖 3 1 L298 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 L298 各引腳特性如下 CURRENT SENSING A 和 CURRENT SENSING B 引腳 1 和引腳 15 用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻 LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS 引腳 9 接邏輯控制部分的電源 常用 5V SUPPLY VOLTAGE VS 引腳 4 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 INPUT1 INPUT2 INPUT3 INPUT4 引腳 5 7 10 12 輸入 標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) 用來(lái)控制 H 橋的開與關(guān) ENABLE A 和 ENABLE B 引腳 6 和引腳 11 為使能控制端 當(dāng)為 低電平時(shí) L298 不工作 OUTPUT1 OUTPUT2 OUTPUT3 和 OUTPUT4 引腳 2 3 13 14 為輸出 控制電機(jī) GND 引腳 8 則為接地腳 L298 的封裝及各管腳如圖 3 2 所示 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 35 圖 3 2 L298 的封裝圖 3 2 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中將電機(jī)采用 L297 L298 實(shí)現(xiàn)環(huán)行分配器與功率放大器的功能 L297 是電機(jī)控制集成芯片 包括環(huán)形分配器 采用模擬 數(shù)字電路兼容的 I L 工藝 20 腳 DIP 塑料封裝 常以 5V 供電 全部信號(hào)線是 TTL CMOS 兼2 容 L297 四相驅(qū)動(dòng)信號(hào) 應(yīng)用于微處理機(jī)控制兩相雙極性和四相單極性電機(jī) 電動(dòng)機(jī)可由半階梯 正常和斬波驅(qū)動(dòng)模式驅(qū)動(dòng) 同時(shí)設(shè)于晶片內(nèi)的 PWM 斬波 線路容許以開關(guān)形式控制線路的電流 此器件只需要時(shí)鐘 方向和模式輸入信 號(hào) 相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的 因此可減輕微處理機(jī)和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān) 單片機(jī) L297 L298 構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器電路 單片機(jī)發(fā)出時(shí)鐘信號(hào) 正反轉(zhuǎn) 信號(hào) 工作模擬信號(hào) 復(fù)位信號(hào) 使能輸入信號(hào)及控制信號(hào) 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 36 圖 3 3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 L297 的引腳 17 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向 取 1 和取 0 時(shí)的轉(zhuǎn)向CW 相反 18 為步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入端 在每一個(gè)脈沖的下降沿 電機(jī)CLOK 產(chǎn)生一步步進(jìn) 19 為半步或基本步矩模式設(shè)置 為 1 時(shí)是半FULHA 步模式 為 0 時(shí)是基本步距 取低電平 當(dāng)脈沖分配器工作于奇L 數(shù)狀態(tài) 則為兩相激勵(lì)方式 當(dāng)工作于偶數(shù)狀態(tài) 則為單相激勵(lì)方式 11 斬波控制 當(dāng)為 0 時(shí)控制 5 和 8 當(dāng)為 1 時(shí)CONTRL1INT2I 控制 10 使能輸入 當(dāng)為 0 時(shí) ABDE NTAB 和 4 6 7 和 9 都為 0 20 是異步復(fù)位信號(hào) 其作用是將RES 環(huán)行脈沖分配器復(fù)位 當(dāng)輸入為 0 時(shí) 脈沖分配器回到初狀態(tài) HOME 此時(shí) 狀態(tài)輸出信號(hào) HOME 為 1 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 37 L298 引腳 SENSE A 和 SENSE B 1 和 15 用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻 VSS 9 接邏輯控制部分的電源 常用 5V VS 4 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源 IN1 IN2 IN3 IN4 5 7 10 12 輸入標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) 既從 L297 的輸出口 4 6 7 9 輸出的信號(hào) 用來(lái)控制 H 橋的開與關(guān) EnA 和 EnB 6 和 11 為使能控制端 當(dāng)為低電平時(shí) L298 不工作 OUT1 OUT2 OUT3 和 OUT4 2 3 13 和 14 為輸出 控制電機(jī) GND 8 則為接地腳 用 L297 輸出信號(hào)可控制 L298 雙 H 橋驅(qū)動(dòng)集成電路 構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 最高電壓為 46V 每相電流達(dá) 2 5A 單片機(jī)與 L297 L298 集成電路構(gòu)成的單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器 具有需要的元件 少 可靠性高 占空間少 裝配成本低等優(yōu)點(diǎn) 并且通過(guò)軟件開發(fā) 可以簡(jiǎn)化 和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān) 設(shè)計(jì)電路如圖 3 3 3 2 3 程序控制流程及代碼 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 停止 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 以滿足玩具遙 控車能夠?qū)崿F(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎 在此應(yīng)用 80c51 單片機(jī) 需要改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí) 由外部開關(guān) S1 S2 控制單片機(jī)中斷主程序的執(zhí) 行 實(shí)時(shí)控制電機(jī)按命令的要求運(yùn)動(dòng) 命令執(zhí)行結(jié)束后 重新返回主程序繼續(xù) 執(zhí)行 S1 用于控制電機(jī)正轉(zhuǎn) S2 用于控制電機(jī)反轉(zhuǎn) 由設(shè)計(jì)過(guò)程知 采用定時(shí)器 T0 工作于方式 1 TMOD 值為 01H 時(shí)間常數(shù) 為 TH0 0FBH TL0 1EH 程序控制流程如圖 3 4 程序代碼如下 入口程序 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 38 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP INQP 開 始 初始化 定時(shí)器 T0 初始化 啟動(dòng)定時(shí)器 T0 開中斷 自動(dòng)控制子程序 圖 3 4 電機(jī)控制流程 主程序 MAIN MOV TMOD 01H MOV TH0 0FBH MOV TL0 1EH SETB TR0 SETB ET0 SETB EA AJMP 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 39 AJMP INQP T0 中斷程序 INQP MOV TH0 0FBH MOV TL0 1EH CJNE P3 0FAH X1 CPL P1 0 SETB P1 1 X1 CJNE P3 0F6H X2 CPL P1 0 SETB P1 1 X2 CJNE P3 0F5H X3 CPL P1 0 CLR P1 1 X3 CJNE P3 0F9H X4 CPL P1 0 CLR P1 1 X4 CJNE P3 0FEH X5 CPL P1 0 SETB P1 1 X5 CJNE P3 0FDH X7 CPL P1 0 CLR P1 1 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 40 X6 RETI 3 3 直流電機(jī)控制 直流電動(dòng)機(jī)是玩具遙控車的動(dòng)力來(lái)源 直流電動(dòng)機(jī)控制主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟 動(dòng) 停止 加速 減速 以滿足玩具遙控車能夠?qū)崿F(xiàn)以不同的速度前進(jìn) 在此 應(yīng)用 SPCE061A 單片機(jī) 3 3 1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片仍然選 L298 其芯片引腳功能在 3 2 1 中已經(jīng)做過(guò)介紹 在此不在贅述 只對(duì)其控制直流電機(jī)做說(shuō)明 L298 控制直流電機(jī)原理圖 3 5 如 下 由以上的 L298 控制直流電機(jī)的原理圖知道 當(dāng)使能端接高電平時(shí) 又一 下三種情況 1 C 端接高電平 D 端接低電平 電機(jī)前進(jìn) 即正轉(zhuǎn) 2 C 端接低電平 D 端接高電平 電機(jī)反向 即反轉(zhuǎn) 3 C 端和 D 端電平一樣時(shí) 電機(jī)快速制動(dòng) 當(dāng)使能端接低電平時(shí) 電機(jī)緩慢的停止轉(zhuǎn)動(dòng)