視覺導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車的研究設(shè)計(jì)（含CAD圖紙）
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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)
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 robot's 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
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
附 錄1 4
附 錄2 4
40
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，捷克斯洛伐克小說家、劇作家恰佩克在他寫的科學(xué)幻想戲劇《羅素姆萬能機(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)絹碓讲粩嗵接懽匀贿^程中，在改造自然過程中，認(rèn)識(shí)自然過程中,來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。
為什么要發(fā)展機(jī)器人?簡(jiǎn)單說，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，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產(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)問題，也就是說機(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《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》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77個(gè)字,甚至可以抽煙,不過離真正干家務(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里的創(chuàng)造,但后來成為學(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。
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)器人和娛樂機(jī)器人的技術(shù)見長(zhǎng),后來更進(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
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。
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)點(diǎn)
缺點(diǎn)
直流電機(jī)
1、無刷直流電機(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。
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)通過單片機(jī)對(duì)直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。而且無刷直流電機(jī)采用方波電流供電，所用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/體積比更高。無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制造成本更低。無刷直流電機(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)器人來說不太方便并且由于機(jī)器人在行駛過程中需要對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，而交流電機(jī)無法實(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
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?，因此傳?dòng)過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
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，反射問題，噪音，交叉問題。
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
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)。
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?；谝曈X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)。
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)過上位機(jī)的內(nèi)部處理，通過單片機(jī)控制電機(jī)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)要求。
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，
=
?
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：
η總=η帶×η2軸承×η齒輪×η聯(lián)軸器×η滾筒
?????? =0.96×0.982×0.97×0.99×0.96
=0.85
(2)電機(jī)所需的工作功率：
P工作=FV/1000η總
=52.5×0.942/1000×0.85
=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=60×1000V/πD
=60×1000×0.942/π×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I’a=3~6。取V帶傳動(dòng)比I’1=2~4，則總傳動(dòng)比理時(shí)范圍為I’a=6~24。故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍為n’d=I’a×
n筒=（6~24）×150=900~3600r/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
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：
2、分配各級(jí)傳動(dòng)比
，
經(jīng)計(jì)算
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×η帶=30×0.96=28.8W=0.0288KW
PIII=PII×η軸承×η齒輪=28.8×0.98×0.96
??????? ??????? ??=27.1W=0.0271KW?
3、?? 計(jì)算各軸扭矩（N·mm）
TI=9.55×106PI/nI=9.55×106×0.03/1500
=191N·mm
TII=9.55×106PII/nII
=9.55×106×0.0288/274
=100.4N·mm
TIII=9.55×106PIII/nIII=9.55×106×0.0271/60
=431.3N·mm
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
1）、由表查得工作情況系數(shù)
2）、由式
2、選擇V帶型號(hào)
查圖選A型V帶。
3.確定帶輪直徑
（1）、參考圖表選取小帶輪直徑
（電機(jī)中心高符合要求）
（2）、驗(yàn)算帶速，由式
（3）、從動(dòng)帶輪直徑
查表取
（4）、傳動(dòng)比 i
（5）、從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速
4.確定中心距a和帶長(zhǎng)
（1）初選中心距
取
（2）、求帶的計(jì)算基礎(chǔ)準(zhǔn)長(zhǎng)度
查圖.取帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 =320mm
(3)、計(jì)算中心距:a
(4)、確定中心距調(diào)整范圍
5.驗(yàn)算小帶輪包角α1
由式
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。
(2)、由表查得△P0=0.03Kw
(3)、由表查得查得包角系數(shù)
(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
取Z=1根
7．計(jì)算單根V帶初拉力F0，由式
8．計(jì)算對(duì)軸的壓力FQ，由式得
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dd1=10mm采用實(shí)心式結(jié)構(gòu)。大帶輪基準(zhǔn)直徑dd2=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)：
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)z
2、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
(1)確定公式內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)值
1)試選載荷系數(shù)
2）
3)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
4)選取齒寬系數(shù)
5）查的材料的彈性影響系數(shù)Z
6）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限。
7) 由圖9-35查表的接觸疲勞壽命系數(shù)
K
8)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取安全系數(shù)
;
(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
2) 圓周速度
3) 計(jì)算齒寬
4)
5) 計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.32m/s,8級(jí)精度,由圖9-31得動(dòng)載荷系數(shù)
直齒輪,假設(shè),由表9-8查得
由表9-7查得使用系數(shù) ,由表9-9查得,由表9-32
查得 ,故載荷系數(shù)
6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑,
7) 計(jì)算模數(shù)m
三、按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)
(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：
2) 由圖9-38查得抗彎疲勞壽命系數(shù): ;
3) 取抗彎疲勞安全系數(shù)，
所以: []
[]
4) 計(jì)算載荷系數(shù)
5) 查的齒形系數(shù)
6) 查取應(yīng)力校正系數(shù)
7)計(jì)算大,小齒輪的并加以比較
大齒輪的數(shù)值大
(2)設(shè)計(jì)計(jì)算
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)度算得的分度直徑,由
四、幾何尺寸計(jì)算
1)計(jì)算分度圓直徑
,
2)計(jì)算中心距
3)計(jì)算齒輪寬度
圓整,取
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，以防止在工作過程中產(chǎn)生過大的彈性變形[10]。
軸的設(shè)計(jì)，從節(jié)省材料、減少質(zhì)量的角度來說，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說，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。
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 170～217 HBS,抗拉強(qiáng)度
(1)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
1)確定軸的各段直徑：
①初估軸的最小直徑:
(3-1)
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
② 軸段有定位軸肩
取
③ 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，
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
④ 此軸段為軸環(huán)，
由結(jié)構(gòu)考慮取
⑤ 此段安裝圓螺母，取
⑥ 此段裝有軸承，取
⑦ 此段裝有錘盤，由結(jié)構(gòu)選取
2)確定軸的各段長(zhǎng)度：
① 此段裝有帶輪，考慮實(shí)際情況取
② 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結(jié)構(gòu)選
③ 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度5mm，防塵環(huán)寬度1mm，取
④ 此段為軸環(huán)長(zhǎng)度取
⑤ 此段裝圓螺母和止動(dòng)墊圈，取
⑥ 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長(zhǎng)度
⑦ 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。
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
①選擇軸的材料
選用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，σb=1000MPa，σs=800MPa。
②初步估算軸外伸端直徑
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算：d
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[τ]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n=274r/min,則d=5.43mm
（2)確定軸的各段直徑：
①初估軸的最小直徑:
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
② 軸段有定位軸肩
取
③ 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)180200：軸承內(nèi)徑10mm，外徑30mm。
所以此軸段
④ 此軸段為軸環(huán)，
由結(jié)構(gòu)考慮取
⑤ 此段安裝圓螺母，取
⑥ 此段裝有軸承，取
⑦ 此段裝有小齒輪，
（3)確定軸的各段長(zhǎng)度：
① 此段裝有帶輪，考慮實(shí)際情況取
② 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結(jié)構(gòu)選
③ 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度9mm，防塵環(huán)寬度1mm，取
④ 此段為軸環(huán)長(zhǎng)度取
⑤ 此段裝圓螺母和止動(dòng)墊圈，取
⑥ 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長(zhǎng)度
⑦ 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
①選擇軸的材料：選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，σb=610MPa，σs=360MPa。
②初步估算軸外伸端直徑
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算：d （3-2）
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[τ]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。
③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：
①初估軸的最小直徑:
(3-3)
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
② 軸段有定位軸肩
取
③ 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
④ 此軸段為軸環(huán)，
由結(jié)構(gòu)考慮取
⑤ 此段安裝圓螺母，取
⑥ 此段裝有軸承，取
⑦ 此段裝有大齒輪，由結(jié)構(gòu)選取
2)確定軸的各段長(zhǎng)度：
① 此段裝有帶輪，考慮實(shí)際情況取
② 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結(jié)構(gòu)選
③ 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度13mm，防塵環(huán)寬度1mm，取
④ 此段為軸環(huán)長(zhǎng)度取
⑤ 此段裝圓螺母和止動(dòng)墊圈，取
⑥ 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長(zhǎng)度
⑦ 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，若變形量超過允許的限度，將會(huì)影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。
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）
=0，×102+×22-54×156=0 （3-5）
由（3-4）（3-5）得=1181.6N，=302.7N，M=-153423.6N·mm。
在H面上：=0， += （3-6）
=0,×54-×69=0 （3-7）
由（3-6）（3-7）得=53.7N，=191.1N，M=2899.8N·mm。
總彎矩M==153400 N·mm
當(dāng)量應(yīng)力為：=== （3-8）
式中σca－軸的計(jì)算應(yīng)力，單位MPa；M－所受的彎矩，N·mm；T－所受的扭矩，N·mm；W－軸的抗彎截面系數(shù)，mm3。
當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取α＝0.3。因此，最大截面處的當(dāng)量應(yīng)力σ1=24MPa<[σ-1]，符合條件。
3.2.5鍵聯(lián)接的選擇及校核計(jì)算
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?4×4?GB1096-79
l=L1-b=18-4=14mm
T2=100.4N·m?? h=4mm
根據(jù)公式得
σp=4T2/dhl=4×100.4/4×4×14
=1.8Mpa<[σR](110Mpa)
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256×8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）捕捉/比較/脈寬調(diào)制CCP1和CCP2模塊：PIC16F877片內(nèi)包含兩個(gè)幾乎完全相同的CCP模塊，與TMR1和TMR2配合可以實(shí)現(xiàn)輸入捕捉、輸出比較和賣出調(diào)制輸出功能。輸入捕捉功能可以用于測(cè)量信號(hào)周期、頻率、脈沖等；輸出比較功能可以用于生產(chǎn)寬度不同的正負(fù)方波脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)可控硅、續(xù)電器等；脈寬調(diào)制輸出功能用來產(chǎn)生周期和脈沖可調(diào)的周期性方波信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)可控硅、步進(jìn)電機(jī)等。
（12）通用同步/異步發(fā)生器USART模塊：用于實(shí)現(xiàn)二線式串行通信，可以定義為兩種工作方式，即全雙工異步方式和半雙工同步方式。
（13）主同步串行端口
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