畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目：基于“探索者”平臺(tái)的履帶式全地形智能小
車設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
學(xué)生姓名：
二級(jí)學(xué)院：
班 級(jí)：
提交日期：
I
目錄
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 全地形機(jī)器人的研究背景 1
1.2 世界各國(guó)全地形機(jī)器人的發(fā)展 1
1.3全地形機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和不足之處 3
1.4本文的研究?jī)?nèi)容 3
第二章 全地形移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.1“探索者”概述 4
2.2機(jī)器人底盤設(shè)計(jì) 4
第三章 全地形移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13
3.1 控制系統(tǒng)硬件搭建 13
3.2傳感器與編程 17
3.3電路的安裝與調(diào)試 23
第四章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 24
第五章 結(jié)論 27
參考文獻(xiàn) 28
附 錄 29
致謝 30
摘要
基于“探索者”平臺(tái)的履帶式全地形智能小車設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
摘 要
自改革開放以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速騰飛，社會(huì)不斷進(jìn)步，進(jìn)入21世紀(jì)后，電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，在一定程度上帶動(dòng)了機(jī)器人的發(fā)展。如今，全球各國(guó)學(xué)者致力于研究全地形機(jī)器人，并且希望將其應(yīng)用在更多的領(lǐng)域中。由此可見，全地形機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展空間十分巨大，它的技術(shù)不僅僅在傳感器方面，而且體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上。無(wú)可否認(rèn)，在全地形機(jī)器人的研究上，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的學(xué)者已經(jīng)取得了一定的研究成果。因此，本文也充分吸收并參考借鑒了前人的研究成果，在此基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計(jì)一種全新的全地形機(jī)器人，這款機(jī)器人在原來(lái)的基礎(chǔ)上取得了突破，并且功能更加的強(qiáng)大。這款機(jī)器人中采用單片機(jī)為核心，各模塊相互配合，形成了一個(gè)包括人機(jī)界面的半閉環(huán)系統(tǒng)，從而使小車能完成各項(xiàng)任務(wù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用履帶式。智能機(jī)器人正在替人們完成各種任務(wù)，凡不宜有人直接接觸的任務(wù)，均可由智能機(jī)器人代替，可以適應(yīng)不同環(huán)境，不同溫度，完成人類無(wú)法介入的危險(xiǎn)任務(wù)。智能小車是移動(dòng)機(jī)器人的一種，是一個(gè)集環(huán)境感知，規(guī)劃決策，自動(dòng)駕駛等多種功能一體的綜合體統(tǒng)。如果將以技術(shù)引用到現(xiàn)實(shí)生活上，可以使我們的未來(lái)生活更加智能。經(jīng)過綜合考慮，決定在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中選擇組合式的底盤，因?yàn)樗軌虮３指悠椒€(wěn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且承載能力較強(qiáng)。這款全地形機(jī)器人的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作，而且功能強(qiáng)大。為了驗(yàn)證機(jī)器人的功能，進(jìn)行了測(cè)試，并且根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)該款機(jī)器人作進(jìn)一步的改良。
關(guān)鍵詞： 全地形機(jī)器人；探索者 ；平臺(tái)；結(jié)構(gòu)建模
I
4
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Abstract
Design and implementation of tracked full terrain smart car based on Explorer platform
Abstract
Since the reform and opening up, China's rapid economic take-off and social progress, after entering the twenty-first Century, the rapid development of electronic information technology, to some extent, led to the development of robots. Today, scholars from all over the world are working on the whole terrain robot, and hope to apply it in more fields. Thus, the future development of the whole terrain robot is enormous, and its technology is not only in the sensor, but also in the structure. Admittedly, the scholars in the western developed countries have made some achievements in the study of the whole terrain robot. Therefore, this paper also fully absorb and reference the research achievements of predecessors, on this basis, a new design of all terrain robot, the robot made a breakthrough on the basis of the original, and more powerful. The robot uses MCU as the core, the module with each other, including the formation of a semi closed loop system of human-machine interface, so that the car can accomplish the tasks of the whole system, using the crawler. The intelligent robot is for people to complete a variety of tasks, where people should not have direct contact with the task, can adapt to different environment, different temperature, complete the dangerous tasks beyond human intervention. Is a set of environment perception, planning and decision-making, comprehensive system function of automatic driving and other development. If we introduce technology to real life, we can make our life more intelligent in the future.After comprehensive consideration, the author decided to choose the combination chassis in the robot structure, because it can maintain a more stable state of movement, and the bearing capacity is stronger. The whole terrain robot is characterized by simple structure, easy operation and powerful function. In order to verify the function of the robot, the author carried on the simulation test, and further improved the robot according to the test results.
Key words：All terrain robot; Explorer; platform;Structural modeling
II
第一章 緒論
2
第一章 緒論
1.1 全地形機(jī)器人的研究背景
事實(shí)上，學(xué)者們?nèi)匦螜C(jī)器人的研究時(shí)間并沒有很長(zhǎng)。多年前，雖然機(jī)器人已經(jīng)走進(jìn)了我們的視線，但是大家對(duì)于全地形機(jī)器人的認(rèn)識(shí)不足，研究成果有限。近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，全地形機(jī)器人的發(fā)展引起了社會(huì)各界的高度重視。眾所周知，全地形機(jī)器人的特點(diǎn)在于其本身的可移動(dòng)性，根據(jù)這一點(diǎn)，學(xué)者們明確了不同的研究方向和角度，并且經(jīng)過大量的分析和實(shí)例得到了可靠的科研成果。機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，代表了我國(guó)在高新技術(shù)行業(yè)的進(jìn)步。在過去，雖然我國(guó)也有不少的學(xué)者研究機(jī)器人，但是大家更多的是研究機(jī)器人本身的功能，而不是根據(jù)我國(guó)的發(fā)展需要研發(fā)更多新型的機(jī)器人。如今，機(jī)器人已經(jīng)逐漸走進(jìn)了我們的生活，并且應(yīng)用在越來(lái)越多的領(lǐng)域，因此，它的發(fā)展前景十分可觀，但與此同時(shí)，機(jī)器人的發(fā)展也必然會(huì)面臨更多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)與未知的風(fēng)險(xiǎn)。在大家的心目中，機(jī)器人是人工智能化的體現(xiàn)，如今，機(jī)器人常常應(yīng)用在一些不安全的，不方便人們操作的地區(qū)或者領(lǐng)域，這些地區(qū)的自然條件比較惡劣，例如，沙漠，懸崖峭壁，嚴(yán)寒地區(qū)等等?？偠灾?，這些地區(qū)不僅地形復(fù)雜，而且存在眾多的不確定性，如果人工操作，那么風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)更大。因此，以機(jī)器人代替人工探索的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。值得一提的是，正是由于這些領(lǐng)域本身的特殊性，使得機(jī)器人本身的功能可能無(wú)法正常發(fā)揮。彎曲不平的道路，未知的風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)對(duì)機(jī)器人造成損耗，即便是機(jī)器人能夠如常完成任務(wù)，其壽命也會(huì)受到一定的負(fù)面影響。因此，全地形機(jī)器人的出現(xiàn)必然是大勢(shì)所趨，所謂全地形機(jī)器人，其實(shí)是指能夠根據(jù)地形變化而作出調(diào)整，從而更好地完成既定任務(wù)的機(jī)器人。
1.2 世界各國(guó)全地形機(jī)器人的發(fā)展
如今，全地形機(jī)器人在世界各國(guó)十分常見，按照它的功能和結(jié)構(gòu)的差異，我們將全地形機(jī)器人劃分為以下幾種：
1．美國(guó)機(jī)器狗
事實(shí)上，美國(guó)機(jī)器狗是一款功能十分強(qiáng)大的全地形機(jī)器人，其特點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。不管是凹凸不平的地面，還是蜿蜒的峭壁，美國(guó)機(jī)器狗都能夠輕松應(yīng)付。當(dāng)然，這并非意味著機(jī)器狗完美無(wú)缺，它的主要劣勢(shì)在于工作效率較低，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。
2．履帶式移動(dòng)機(jī)器人
這款機(jī)器人的特點(diǎn)在于地復(fù)雜地形的適應(yīng)能力較強(qiáng)，這主要?dú)w因于它本身的結(jié)構(gòu)。地形機(jī)器人底部的履帶，在一定程度上減輕了它與地面之間的接觸壓力。盡管如此，在長(zhǎng)時(shí)間的使用下，這款移動(dòng)機(jī)器人的使用壽命也會(huì)相對(duì)減少。下圖2便是我國(guó)常用的履帶式機(jī)器人。
3．履帶輪式機(jī)器人
履帶式機(jī)器人和履帶輪式機(jī)器人之間的區(qū)別在于輪子的有無(wú)，與履帶式機(jī)器人相比，履帶輪式機(jī)器人的運(yùn)行速度更快，效率更高，而且對(duì)于前方的障礙物具有極強(qiáng)的識(shí)別能力。當(dāng)然了，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，這款機(jī)器人更加的復(fù)雜，所以往往難以控制。常見的履帶輪式移動(dòng)機(jī)器人如下圖1.3所示。
4．輪腿式機(jī)器人
這款機(jī)器人應(yīng)用范圍較廣，在復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)面前，表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)能力。值得一提的是，輪腿式機(jī)器人的運(yùn)行效率比較高，對(duì)于前方的障礙，能夠自動(dòng)識(shí)別并跳過，所以它的結(jié)構(gòu)也相對(duì)比較復(fù)雜，如圖1.4所示。
5．履帶和輪腿結(jié)合的機(jī)器人
這款機(jī)器人綜合了履帶式機(jī)器人和輪腿式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，所以不僅能夠保持高效率的運(yùn)行，而且抗壓能力較強(qiáng)，適用于各種惡劣的地形環(huán)境。與此同時(shí)，它的結(jié)構(gòu)也比履帶式機(jī)器人和輪腿式機(jī)器人更加的復(fù)雜，如下圖所示。
6．仿生移動(dòng)機(jī)器人
仿生移動(dòng)機(jī)器人如下圖所示，從結(jié)構(gòu)上看，這款機(jī)器人的特點(diǎn)就是輕盈，所以它的承重能力并不高，但是，他在跨越障礙方面表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。值得一提的是，這款機(jī)器人的運(yùn)行效率并不高，需要加以完善。
圖1.5履帶式和輪腿組合式機(jī)器人 圖1.6仿生移動(dòng)機(jī)器人
1.3全地形機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和不足之處
綜上所述，全地形機(jī)器人雖然已經(jīng)具備了一定的優(yōu)點(diǎn)，但是其不足之處仍然不可忽視，主要有以下幾點(diǎn)：第一，運(yùn)行效率較低；第二，抗壓能力較差，這主要表現(xiàn)在對(duì)惡劣復(fù)雜地形的掌控能力上；第三，對(duì)所處地形環(huán)境變化不敏感造成無(wú)法測(cè)量，像在黑暗的環(huán)境中操作，準(zhǔn)確性和效率都有所降低。在上圖中，我們展示了全地形機(jī)器人的幾種類型，并且對(duì)不同機(jī)器人的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比。總結(jié)可知，在反恐工作中，選擇履帶和輪腿相結(jié)合的全地形機(jī)器人更加合適。
1.4本文的研究?jī)?nèi)容
本文并不是要研究所有的全地形機(jī)器人，而且選擇一種具備基本功能，而且對(duì)所處環(huán)境識(shí)別能力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)上帶有傳感器的機(jī)器人作為研究對(duì)象。在此基礎(chǔ)上，筆者提出了全地形機(jī)器人的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：第一，機(jī)器人的規(guī)格：；第二，機(jī)器人能夠爬坡的最大角度：；第三，機(jī)器人可上臺(tái)階的高度：。
3
第二章 全地形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第二章 全地形移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1“探索者”概述
從本文的研究思路可知，在全地形機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，探索者是其使用的平臺(tái)。因此，筆者在這里對(duì)探索者進(jìn)行概述。
“探索者”全稱“探索者創(chuàng)新平臺(tái)”，是機(jī)器時(shí)代推出的比較專業(yè)的機(jī)器人設(shè)備原型設(shè)計(jì)工具?？捎糜趧?chuàng)新教學(xué)、工程認(rèn)知、工程實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、工程類競(jìng)賽、新產(chǎn)品原理驗(yàn)證等。
從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，探索者其實(shí)就是一種工具，它的作用非常多，其中包括教學(xué)，設(shè)計(jì)，訓(xùn)練，競(jìng)賽等等。
無(wú)可否認(rèn)，探索者綜合了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，因此，它代表著世界領(lǐng)先的水平。設(shè)計(jì)者的功能眾多，并不僅僅局限于機(jī)械的設(shè)計(jì)，而且能夠?qū)C(jī)器人的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，我們大可不必將機(jī)器人的功能局限在某幾種，而是可以充分地發(fā)揮自己的想象力，將更多的功能加入到機(jī)器人中。
值得一提的是，在探索者的結(jié)構(gòu)中，除了芯片和傳感器以外，還有主控板，電子模塊等等。這也是為了滿足不同用戶的需求，使其能夠在各種模式下高效運(yùn)行?！疤剿髡摺逼脚_(tái)是由機(jī)器時(shí)代推出的專業(yè)型機(jī)器人設(shè)備原型設(shè)計(jì)工具，包含機(jī)構(gòu)件、舵機(jī)、傳感器以及控制模塊，機(jī)構(gòu)零件全部按照國(guó)際零件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)精密，各個(gè)結(jié)構(gòu)零件之間能夠通過螺釘任意角度連接，可組裝四連桿、曲柄滑塊、齒輪傳動(dòng)等各種典型機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳感器、主控板等控制單元能夠讓使用者在實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)過程中，更全面地了解單片機(jī) PLC，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程等學(xué)科知識(shí)。該平臺(tái)開發(fā)環(huán)境軟件采用國(guó)際通用的開源機(jī)器人軟件，提供 C 語(yǔ)言結(jié)構(gòu)的代碼、圖形化雙界面，提供豐富的例程，可執(zhí)行脫離電腦的、快速的示教編程。
2.2機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)
眾所周知，底盤是機(jī)器人中的重要組成部分，是一個(gè)機(jī)器人的根基。因此，我們必須高度重視全地形機(jī)器人的底盤設(shè)計(jì)。需要明確的是，機(jī)器人中其它部件的正常運(yùn)行，都離不開底盤，是底盤賦予了全地形機(jī)器人移動(dòng)的功能。從上述研究可知，目前世界上的全地形機(jī)器人可以分為幾種，以輪式機(jī)器人，履帶式機(jī)器人，輪腿式機(jī)器人為主。履帶式全地形機(jī)器人的特點(diǎn)如下：
1)與地面的接觸壓力不大，所以對(duì)于質(zhì)地較為松軟的泥地更加適用。此外，這款機(jī)器人對(duì)于障礙的處理能力較強(qiáng)；
2)在山路或者陡坡中，履帶式機(jī)器人表現(xiàn)出強(qiáng)大的適應(yīng)能力，而且成本低，效率高；
3)從結(jié)構(gòu)上看，兩側(cè)的履帶都有不少的齒，所以表現(xiàn)出更加優(yōu)越的抓地能力，打滑的情況也不容易發(fā)生；
4) 和其它類型的機(jī)器人相比，履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加的復(fù)雜，并且體積較大，重量使得其慣性較大，所以遇到障礙物時(shí)，難以迅速地停下來(lái)，所以零件損壞的情況也時(shí)有發(fā)生。
在本文的設(shè)計(jì)中，筆者設(shè)計(jì)的是一款雙履帶的全地形機(jī)器人，它的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
圖2.1雙節(jié)節(jié)履帶結(jié)構(gòu)
全地形機(jī)器人的爬梯原理
對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，爬梯是一項(xiàng)基本的工作。雖然地形復(fù)雜多變，但是爬梯幾乎是無(wú)可避免。因此，在本文的研究中，筆者專門對(duì)全地形機(jī)器人的爬梯原理進(jìn)行闡述。
爬梯并不能一蹴而就，而是要循序漸進(jìn)。對(duì)于全地形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，爬梯的步驟可以分為兩步：第一步，機(jī)器人脫離地面，爬上第一個(gè)樓梯；第二步，機(jī)器人從一個(gè)樓梯爬上另一個(gè)樓梯。
對(duì)于全地形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，只要成功地邁出了第一步，后面的過程也就會(huì)更加的順利。
首先：當(dāng)全地形機(jī)器人的履帶真正地接觸到了第一級(jí)樓梯，其發(fā)動(dòng)機(jī)開始驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，最后支撐機(jī)器人脫離地面，爬上樓梯；
圖2.2爬梯過程
其次：當(dāng)機(jī)器人成功地邁出了第一步，就能夠從第一級(jí)樓梯爬上第二級(jí)樓梯，需要引起重視的是，為了確保整個(gè)過程順利進(jìn)行，全地形機(jī)器人必須及時(shí)調(diào)整重心，避免發(fā)生傾側(cè)?？傮w來(lái)說(shuō)，不管是哪一個(gè)不走，都利用了結(jié)構(gòu)力學(xué)原理和幾何學(xué)原理。
下圖是對(duì)全地形機(jī)器人的爬梯分析圖，從圖中可知，H是第一級(jí)臺(tái)階與地面之間的高度，L1代表的是履帶輪在地面和爬上第一級(jí)樓梯時(shí)，兩個(gè)輪子之間的距離。
圖2.3爬梯分析
從上圖中所知，當(dāng)兩個(gè)輪子的中心距離為120毫米時(shí)，才是最合適的，因此，在本文的設(shè)計(jì)中，我們將樓梯與地面的距離確定為100毫米。
從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，爬樓梯是全地形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程，其模型如下圖所示。
從下圖可知，只有當(dāng)全地形機(jī)器人真正地完全離開了地面，才稱得上是完成了爬樓梯的動(dòng)作。
圖2. 4 爬梯機(jī)理分析圖
從全地形的爬梯機(jī)理分析圖可知，它的底盤重量是G1，而履帶的重量則是G2，對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，它與地面接觸所產(chǎn)生的力用N1表示。當(dāng)機(jī)器人爬梯時(shí)，樓梯對(duì)機(jī)器人有一定的支撐作用，兩者之間的作用力用N2表示。當(dāng)機(jī)器人還沒開始爬梯時(shí)，它與地面之間產(chǎn)生的摩擦力是F1，當(dāng)機(jī)器人開始爬梯時(shí)，它與樓梯之間的摩擦力是F2。
達(dá)朗貝爾原理
根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，物理受到的所有力與其反作用力剛好抵消。
(2.1)
在上述公式中，機(jī)器人的重量用M來(lái)表示，而在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的加速度則是a。機(jī)器人受到的外力是F，而反作用力則用N來(lái)表示，因此，可得下式：
(2.2)
(2.3)
樓梯與地面之間的高度差是H，對(duì)于全地形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，影響其爬梯是否成功的因素，包括其本身的性質(zhì)與樓梯的高度等等。從上述的結(jié)構(gòu)圖可知，機(jī)器人的重心位置已經(jīng)在一定程度上決定了它能否成功爬梯。因此，在設(shè)計(jì)過程中，我們要充分考慮其重心的位置和底板的長(zhǎng)度等多個(gè)參數(shù)。通常而言，樓梯的光滑性越差，機(jī)器人就會(huì)表現(xiàn)出更強(qiáng)的爬梯能力，因此此時(shí)的機(jī)器人更加容易抓地。
如果我們無(wú)法改變?nèi)匦螜C(jī)器人本身的重量，那么我們可以通過其他方式影響機(jī)器人的爬梯性能。主要方法為：改變重心的位置或者在合理的范圍內(nèi)增加輪子的半徑。各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系可用下式表達(dá)：
(2.4)
此時(shí)的=45°
從上述公式中可知，機(jī)器人的力矩在一定程度上受到履帶長(zhǎng)度的影響。因此，我們應(yīng)該尋找一個(gè)最佳的長(zhǎng)度，從而使全地形機(jī)器人能夠順利完成爬梯。
下圖展示了全地形機(jī)器人的爬梯條件，從下圖中可知，O是動(dòng)輪的重心，其位置的改變，隨時(shí)都會(huì)影響機(jī)器人的爬梯，在這里，我們用表示其重心的坐標(biāo)。
圖2.5爬梯幾何條件圖
(2.5)
從上圖中可知，底盤長(zhǎng)度直接影響了機(jī)器人是否能夠從第一級(jí)樓梯爬上第二級(jí)樓梯。
下圖是全地形機(jī)器人的爬梯幾何條件圖，從圖中可知，樓梯的相關(guān)參數(shù)已經(jīng)確定，但是機(jī)器人的參數(shù)可以進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，通過調(diào)整長(zhǎng)度L，達(dá)到順利爬梯的目的。
圖2.6爬梯幾何條件圖
. (2.6)
綜上所述，機(jī)器人的設(shè)計(jì)，只有符合上述幾條公式，才能夠順利完成爬梯。
在機(jī)器人工作的時(shí)候，整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)通過傳感器的一系列分析完成上述的爬樓梯，還可以完成爬樓梯轉(zhuǎn)彎之類的工作。
如今，全地形機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此，為了確保其功能的順利使用，我們必須對(duì)其參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的全地形機(jī)器人，屬于雙履帶結(jié)構(gòu)，樓梯的高度固然會(huì)對(duì)機(jī)器人的爬梯造成一定的影響，但是，機(jī)器人本身的參數(shù)才是影響其能夠順利爬梯的關(guān)鍵。
這款機(jī)器人的特點(diǎn)在于對(duì)地形的適應(yīng)能力較強(qiáng)，由于其結(jié)構(gòu)屬于雙履帶結(jié)構(gòu)，所以兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪在運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，控制著機(jī)器人的走向，如圖 2.7所示。
圖2.7整體結(jié)構(gòu)
雖然履帶和驅(qū)動(dòng)輪是兩個(gè)完全不同的部件，但是彼此之間關(guān)系密切。為了確保機(jī)器人的功能得以實(shí)現(xiàn)，在安裝過程中，我們必須考慮各個(gè)元件的位置，從而更好地控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，保證其足夠的動(dòng)力。以下是全地形移動(dòng)機(jī)器人的斜履帶結(jié)構(gòu)圖。
圖2.8斜履帶結(jié)構(gòu)
分析機(jī)器人中懸臂梁的受力情況
圖2.9受力分析圖
懸臂梁的主要作用是控制斜履帶的運(yùn)行，其受力分析圖如上圖所示。
其中
以下是懸臂梁的彎矩圖。
圖2.10彎矩圖
從上圖中可知：
（2.7）
在這里，我們可以將兩邊斜履帶對(duì)應(yīng)的懸臂梁看成是一個(gè)整體：
（2.8）
根據(jù)上述公式，得出懸臂梁的強(qiáng)度計(jì)算公式：
（2.9）
當(dāng)最大應(yīng)力時(shí)，。
經(jīng)過反復(fù)的檢驗(yàn)，我們得出結(jié)論：該機(jī)器人的懸臂梁強(qiáng)度達(dá)到了本次設(shè)計(jì)的要求。
值得一提的是，在驗(yàn)算過程中，我們發(fā)現(xiàn)，全地形移動(dòng)機(jī)器人的功率達(dá)不到我們的預(yù)期，因此，為了確保機(jī)器人能夠完成爬梯，能處理更多場(chǎng)景下會(huì)遇到的情況，能夠適應(yīng)更多的地形。
2.3設(shè)計(jì)機(jī)器人的履帶
從結(jié)構(gòu)上看，履帶位于全地形機(jī)器人的底部，在其行走中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在本文的設(shè)計(jì)中，筆者采用的是雙履帶結(jié)構(gòu)的全地形機(jī)器人，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。在履帶的兩側(cè)，我們可以看到暗扣，這一設(shè)計(jì)是為了增加機(jī)器人本身的抗拉能力，確保機(jī)器人本身的穩(wěn)定性，盡可能地減少誤差。在實(shí)際工作過程中，履帶必須確保正常運(yùn)行，位置上不能發(fā)生偏差。這也是影響履帶使用壽命的關(guān)鍵。值得一提的是，履帶的伸長(zhǎng)能力并不高，因此，即便變形量無(wú)可避免，也不會(huì)對(duì)其造成明顯的負(fù)面影響。我們唯一要做的，就是確保履帶不會(huì)發(fā)生斷裂，能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)，以下是履帶的結(jié)構(gòu)和裝配圖。
圖2.11（a）履帶 圖2.12（b）履帶裝配圖
根據(jù)測(cè)量結(jié)果，履帶兩個(gè)輪子之間的圓心距離是130毫米，但是斜履帶這一數(shù)值稍微少一些，只有120毫米。因此，根據(jù)計(jì)算，我們知道履帶需要30節(jié)，但是斜履帶只需要24節(jié)即可。
圖2.13底盤結(jié)構(gòu)圖
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第三章 機(jī)器人的成型及其控制
第三章 全地形移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在上述研究中，我們得知，在全地形機(jī)器人中，履帶和底盤發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，在這一章節(jié)中，筆者將會(huì)展開對(duì)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)以及操控方式的描述。
以下是該系統(tǒng)的基本控制框架圖，從圖中可知，直流電機(jī)將信號(hào)傳輸?shù)絺鞲衅髦?，傳感器?jīng)過處理后，將其傳輸至單片機(jī)，與此同時(shí)，黑色導(dǎo)線也會(huì)將部分信息傳輸至單片機(jī)。多個(gè)部件的共同配合，使得信息能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地從發(fā)送端傳送到接收端。
單片機(jī)
黑色導(dǎo)線
直流電機(jī)
光電循跡傳感器
圖3.1 系統(tǒng)控制框圖
3.1 控制系統(tǒng)硬件搭建
在全地形機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，我們立足于探索者平臺(tái)，并且充分利用該平臺(tái)中的部件，例如手柄，主板，舵機(jī)等等。
3.1.1舵機(jī)的選用
機(jī)器人圓周舵機(jī)，優(yōu)點(diǎn)：角度可以保持在驅(qū)動(dòng)當(dāng)中，穩(wěn)定性好。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝，控制簡(jiǎn)單，大扭力，成本低。
舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無(wú)核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回訊號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測(cè)器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電阻值也會(huì)隨之改變，藉由檢測(cè)電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。
為了適合不同的工作環(huán)境，有防水及防塵設(shè)計(jì)的舵機(jī)；并且因應(yīng)不同的負(fù)載需求，舵機(jī)的齒輪有塑膠及金屬之區(qū)分，金屬齒輪的舵機(jī)一般皆為大扭力及高速型，具有齒輪不會(huì)因負(fù)載過大而崩牙的優(yōu)點(diǎn)。較高級(jí)的舵機(jī)會(huì)裝置滾珠軸承，使得轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能更輕快精準(zhǔn)。滾珠軸承有一顆及二顆的區(qū)別，當(dāng)然是二顆的比較好。目前新推出的?FET 舵機(jī)，主要是采用 FET(Field Effect Transistor)場(chǎng)效電晶體。FET?具有內(nèi)阻低的優(yōu)點(diǎn)，因此電流損耗比一般電晶體少。
舵機(jī)是一個(gè)微型的伺服控制系統(tǒng)工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。
3.1.2 ARM主控板
在本系統(tǒng)中，為了確保一切能夠高效穩(wěn)定地運(yùn)行，筆者在設(shè)計(jì)中使用了ARM7。根據(jù)需要，將頻道調(diào)至A。但是對(duì)于手動(dòng)控制的頻道，仍然是調(diào)制B，因此，在這個(gè)系統(tǒng)中，編程手柄的數(shù)量是兩個(gè)。
1. 輸入端口1，連接傳感器
2. 輸入端口2，連接傳感器
3. 輸入端口3，連接傳感器
4. 輸入端口4，連接傳感器
5.紅外線端口，顧名思義，其主要作用是用于發(fā)射和接收紅外線。
6.選擇按鍵，通過這一按鍵，可以操控主板。
7.當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，程序燒錄口的按鈕位于位置1上。
8.下載端口，用于數(shù)據(jù)和程序的下載。
9.舵機(jī)端口，主要作用是連接舵機(jī)。
10. 數(shù)據(jù)輸出端：主要作用是使數(shù)據(jù)傳輸至顯示屏上。
11. 電源：控制系統(tǒng)的供電
12. 復(fù)位：等同于撤銷之前的指令，讓系統(tǒng)恢復(fù)原始的狀態(tài)
13. 開關(guān)
14. 指示燈：系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，指示燈為綠色，系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，指示燈為紅色。
系統(tǒng)主板由多個(gè)按鈕組成，在本文的設(shè)計(jì)中，舵機(jī)的數(shù)量是八個(gè)。為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須確保各個(gè)按鈕能夠正常使用，并且連接到相應(yīng)的端口處。
圖3.1.2 主板
3.1.3系統(tǒng)手柄
以下是系統(tǒng)手柄的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3.1.3手柄
1. 紅外端口：主要用于發(fā)射紅外線；
2. 與舵機(jī)1.2相連的數(shù)據(jù)輸出端口，其主要作用是操控?fù)u桿1；
3. 與舵機(jī)3.4相連的數(shù)據(jù)輸出端口，其主要作用是操控?fù)u桿2；
4. 與舵機(jī)5.6相連的數(shù)據(jù)輸出端口，其主要作用是操控?fù)u桿3；
5. 與舵機(jī)7.8相連的數(shù)據(jù)輸出端口，其主要作用是操控?fù)u桿4；
6. 加載按鈕：輔助系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)清理工作；
7. 通道選擇按鈕，通過這一按鈕，可以操控手柄，根據(jù)用戶的需求選擇頻率
8. 保存按鈕，讓系統(tǒng)記住當(dāng)前的操作
9. 上方的按鈕用于記錄數(shù)據(jù)1，下方的按鈕用于展示數(shù)據(jù)1，但前提是系統(tǒng)本身必須儲(chǔ)存了一定的數(shù)據(jù)
10.上方的按鈕用于記錄數(shù)據(jù)2，下方的按鈕用于展示數(shù)據(jù)2，但前提是系統(tǒng)本身必須儲(chǔ)存了一定的數(shù)據(jù)
11. 上方的按鈕用于記錄數(shù)據(jù)3，下方的按鈕用于展示數(shù)據(jù)3，但前提是系統(tǒng)本身必須儲(chǔ)存了一定的數(shù)據(jù)
12. 上方的按鈕用于記錄數(shù)據(jù)4，下方的按鈕用于展示數(shù)據(jù)4，但前提是系統(tǒng)本身必須儲(chǔ)存了一定的數(shù)據(jù)
13. 下載端口：用于數(shù)據(jù)的下載和更新
14. 電源開關(guān)
15. 微調(diào)按鈕：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生差錯(cuò)時(shí)，可通過該按鈕及時(shí)處理系統(tǒng)的異常狀況，恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；
16. 指示燈：當(dāng)指示燈顯示為紅色時(shí)，則表明系統(tǒng)正處于正常運(yùn)行的狀態(tài)，當(dāng)指示燈顯示為藍(lán)色時(shí)，則表明系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)出指令。
使用說(shuō)明
以下是系統(tǒng)手柄和探索者的結(jié)構(gòu)圖。
圖3.1.4 手柄
手柄的校準(zhǔn)作用
一旦舵機(jī)的使用時(shí)間過長(zhǎng)或者由于一些特殊情況，其位置也會(huì)潛移默化地發(fā)生變化，那么我們?cè)趺粗蓝鏅C(jī)的位置改變了呢？如果我們松開搖桿，系統(tǒng)仍然正常運(yùn)作，那么這就表明舵機(jī)的位置繼續(xù)調(diào)整。
事實(shí)上，舵機(jī)的位置調(diào)整在系統(tǒng)運(yùn)行過程中十分常見。值得肯定的是，如果舵機(jī)的位置沒有發(fā)生改變，那么微調(diào)就顯得沒有意義。但是，只要我們發(fā)現(xiàn)舵機(jī)的方向或者角度不合適，就需要馬上對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，值得一提的是一般需要微調(diào)的是圓周舵機(jī)，而標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)不需要微調(diào)。但是可以通過微調(diào)來(lái)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的角度，掌握這些小技巧可以更熟練的使用舵機(jī)和搭建機(jī)器人。
如下圖所示：
例：微調(diào)1號(hào)端口舵機(jī)。按下adjust按鈕，同時(shí)推動(dòng)搖桿。舵機(jī)會(huì)越轉(zhuǎn)越慢，舵機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)松手。如果越轉(zhuǎn)越快，就把搖桿推到另一個(gè)方向。
圖3.1.5手柄校準(zhǔn)
完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以后，我們需要對(duì)其功能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不足之處，并且及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
3.2傳感器與編程
3.2.1傳感器的選擇與安裝
本次小車采用黑標(biāo)傳感器共用到四個(gè)黑標(biāo)傳感器裝在小車底部，中間的兩個(gè)傳感器盡量靠的近一點(diǎn)，可以使小車走的更加直，另外兩個(gè)黑標(biāo)傳感器裝在兩邊履帶的外側(cè)，保證在走的太偏的時(shí)候能夠觸發(fā)它使小車能夠產(chǎn)生較大的差速，從而能調(diào)回來(lái)。具體位置如下
圖所示：
圖3.2.1 黑標(biāo)傳感器
3.2.2編程
對(duì)于智能小車的程序編寫，可以用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，但缺點(diǎn)是靈活度不夠，調(diào)試也非常的繁瑣。我采用效率最高的switch語(yǔ)句進(jìn)行編程，這樣可以大大加強(qiáng)智能小車的行走效果。系統(tǒng)控制流程圖如圖3.6所示。
開始
系統(tǒng)初始化
機(jī)器人開始爬坡
左側(cè)黑標(biāo)傳感器是否返回信號(hào)
左側(cè)抬起，機(jī)器人左側(cè)微微翹起
右側(cè)黑標(biāo)傳感器是否返回信號(hào)
右側(cè)抬起，機(jī)器人右側(cè)微微翹起
否
否
是
是
圖3.2.2 系統(tǒng)控制流程圖
主要程序如下：
while(1)
{
s=0;i=0;
for(i=0;i<4;i++)
{
s=s|(Input(i+1,1)<
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