基于視覺的移動機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析（基于視覺導(dǎo)航的履帶式移動機(jī)器人、足球機(jī)器人）,基于,視覺,移動,機(jī)器人,設(shè)計(jì),分析,導(dǎo)航,履帶式,足球 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 系 部： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè) 學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 設(shè)計(jì)(論文)題目： 基于視覺的移動機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析 起 迄 日 期: 設(shè)計(jì)(論文) 地點(diǎn): 指 導(dǎo) 教 師: 教 研 室 負(fù) 責(zé) 人： 發(fā)任務(wù)書日期: 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題的目的和要求： 設(shè)計(jì)目的：通過該設(shè)計(jì)使學(xué)生了解移動機(jī)器人分類，結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動控制方法，通過三維軟件可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作的能力。 設(shè)計(jì)要求：要求學(xué)生獨(dú)立完成任務(wù)，掌握三維軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，熟悉機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程和機(jī)器人傳感器的具體應(yīng)用。 2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題的技術(shù)要求與數(shù)據(jù)（或論文主要內(nèi)容）： 設(shè)計(jì)內(nèi)容： 1、移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析； 2、移動機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 3、移動機(jī)器人傳感器層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4、移動機(jī)器人視覺傳感器的軟件設(shè)計(jì)； 5、視覺算法的研究。 6、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 3．對本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括圖紙、論文、圖表、實(shí)物等〕： 1) 繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)零件圖、裝配圖以及控制原理圖：圖紙量不少于折合成圖幅A0號的圖紙3張，其中手工繪圖量折合圖幅A0號的圖紙不少于1張； 2) 編寫論文一份： a) 計(jì)算正確完整，重點(diǎn)突出，論點(diǎn)明確，文字簡潔通順； b) 論文中所引用的重要計(jì)算公式和數(shù)據(jù)要注明出處； c) 論文字?jǐn)?shù)不少于2萬字，中文摘要300字左右，外文提要不少于1000個印刷符號。翻譯與課題有關(guān)的外文資料2篇，翻譯中文字?jǐn)?shù)不少于5000字； 相關(guān)文獻(xiàn)資料15篇以上。 4．主要參考文獻(xiàn)資料： 1 詹友剛，洪亮.Pro/ENGINEER中文野火版2.0產(chǎn)品設(shè)計(jì)通用教程.北京：清華大 學(xué)出版社，2005 2 祁偉等. 單片機(jī)C51程序設(shè)計(jì)教程與實(shí)驗(yàn) 北京航空航天大學(xué)出版社 2006 3 鄧星鐘等. 機(jī)電傳動控制. 武漢： 華中科技大學(xué)出版社，2000 4 胡宴如. 模擬電子技術(shù). 北京： 高等教育出版社, 2007 4 4. R·西格沃特, I·R·諾巴克什. 李人厚. 自主移動機(jī)器人導(dǎo)論[M] .西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2006: 2-5 5 濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，2001 6 廖常初. PLC編程與應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008 7 錢鈞, 楊汝清, 王晨, 周啟龍, 楊明. 基于路標(biāo)的智能車輛定位[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2007.6: 895-898 8 譚民等.先進(jìn)機(jī)器人控制[M].北京：高等教育出版社.2007-5:380-387 9許俊勇，王景川，陳衛(wèi)東. 基于全景視覺的移動機(jī)器人同步定位與地圖創(chuàng)建研究[J].機(jī)器人, 2008, 30(4): 289-279 10 王昆，何小柏，汪信遠(yuǎn). 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，2008 11 張廣軍. 機(jī)器視覺[M]. 北京：科學(xué)技術(shù)出版社.2005: 99-122 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2010年 3月8日 ~ 3月26日 3月27日 ~ 4月4日 4月5 日 ~ 4月11日 4月12日 ~ 4月18日 4月19日 ~ 4月25日 4月25日 ~ 5月5日 5月6日 ~ 5月19日 查閱相關(guān)移動機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)知識，并翻譯相關(guān)英文資料，熟悉三維設(shè)計(jì)軟件相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，寫出開題報告； 移動機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 移動機(jī)器人傳感器層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 移動機(jī)器人視覺傳感器的軟件設(shè)計(jì)； 視覺算法的研究。 整理設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，撰寫設(shè)計(jì)說明書（注：設(shè)計(jì)說明書的大部分內(nèi)容是穿插在上述內(nèi)容中進(jìn)行的）。 答辯 教研室審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 系部意見： 系主任： 年 月 日 學(xué)生開題報告表 課題名稱 基于視覺的移動機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析 課題來源 B 課題類型 D 導(dǎo) 師 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 一、調(diào)研準(zhǔn)備： 移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)有機(jī)械部分和視覺部分。機(jī)械部分主要是底盤的設(shè)計(jì)，為了設(shè)計(jì)合理的底盤結(jié)構(gòu)，選用合適的減速器及控制電機(jī)，特對所學(xué)的相關(guān)課程進(jìn)行了細(xì)致的復(fù)習(xí)，最終采用履帶式兩輪驅(qū)動底盤、齒輪減速器、直流無刷電機(jī)的方案。視覺部分由視覺傳感器得到圖像，利用上位機(jī)進(jìn)行處理。由于單片機(jī)體積小使用方便、經(jīng)濟(jì)、能耗低并且靈活性比較高，所以本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，來實(shí)現(xiàn)小車的智能化。同時為了更好的完成圖紙的要求，對所學(xué)的三維及二維制圖軟件進(jìn)行了系統(tǒng)的復(fù)習(xí)。 二 設(shè)計(jì)目的、要求、思路、預(yù)期成果 目的：通過該設(shè)計(jì)了解移動機(jī)器人分類，結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動控制方法，通過三維軟件可以以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)獨(dú)立工作的能力。 要求：要求獨(dú)立完成任務(wù)，掌握三維軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，熟悉機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程和機(jī)器人傳感器的具體應(yīng)用。 思路：根據(jù)題目的要求，確定如下方案： 機(jī)械部分設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)器人的工作環(huán)境，移動機(jī)器人采用的是履帶式，履帶比輪式穩(wěn)定性好，載重能力大，防滑性能好，對路面要求低而且不會造成輪陷。把履帶設(shè)計(jì)成倒梯形狀還可以進(jìn)行爬坡。減速裝置采用圓柱齒輪減速器的方案，這種減速器可實(shí)現(xiàn)較大的傳動比且傳動穩(wěn)定。移動機(jī)器人利用視覺攝像頭采集圖像，利用單片機(jī)控制直流無刷電機(jī)，編碼器等裝置實(shí)現(xiàn)對電動車的速度運(yùn)行狀況的實(shí)時測量，并將測量數(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)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動車的智能控制。 這種方案能實(shí)現(xiàn)對電動車的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。 視覺部分設(shè)計(jì) 視覺部分通過視覺傳感器得到地面圖像，并對圖像進(jìn)行視覺處理，使移動機(jī)器人辨別球場與球顏色的不同，并向足球方向移動，完成一個基于視覺的足球機(jī)器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 預(yù)期成果： 移動機(jī)器人使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制，利用視覺傳感器識別球與球場的顏色，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。 三、進(jìn)度安排： 3月8日 ~ 3月26日 查閱移動機(jī)器人技術(shù)相關(guān)資料，熟悉相關(guān)軟件，寫開題報告 3月27日 ~ 4月4日 移動機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì) 4月5 日 ~ 4月18日 移動機(jī)器人視覺傳感器的軟件設(shè)計(jì) 4月19日 ~ 4月25日 視覺算法的研究 4月25日 ~ 5月1日 整理設(shè)計(jì)結(jié)果，撰寫說明書 5月2 日 ~ 5月15日 答辯 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 課題類型：A、工程設(shè)計(jì)，B、工程技術(shù)研究，C、軟件開發(fā)，D、機(jī)械設(shè)計(jì)，E、實(shí)驗(yàn)研究， F、理論研究，G、其它 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 摘 要 移動機(jī)器人是機(jī)器人的一個重要分支，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、國防及其民用設(shè)施上。隨著機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，如何讓多個機(jī)器人相互協(xié)調(diào)、配合來共同的研究和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停闱驒C(jī)器人系統(tǒng)是一個多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，它涉及到機(jī)器人學(xué)、智能控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像處理和人工智能等方向，正在成為國內(nèi)外許多大學(xué)研究、比賽和交流的公共實(shí)驗(yàn)平臺。近年來人們對它的研究有了更大的關(guān)注。 本次設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容就是基于視覺導(dǎo)航的履帶式移動機(jī)器人，以足球機(jī)器人為研究模型，其核心內(nèi)容是應(yīng)用單片機(jī)控制直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能控制，采用視覺傳感器解決移動機(jī)器人的定位問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在給定環(huán)境中的“完全自主” 。能使機(jī)器人在未知的環(huán)境下，通過自身傳感器測量周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，逐漸估計(jì)自身位置和運(yùn)動狀況，并把信號反饋到單片機(jī)，使單片機(jī)按照預(yù)定的工作模式控制小車的運(yùn)動控制。 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)動的履帶結(jié)構(gòu)，動力源采用直流無刷電機(jī)，減速和傳動裝置采用齒輪傳動，利用差速移動平臺實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，選用增量式光電編碼器進(jìn)行對機(jī)器人速度的檢測，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型號單片機(jī)進(jìn)行接受命令和產(chǎn)生驅(qū)動信號，電機(jī)的驅(qū)動部分采用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： 移動機(jī)器人 單片機(jī) 運(yùn)動控制 視覺傳感器 圖像處理 II Abstract Mobile robot is an important branch of robotics and will be widely applied in both military field and civil area. With the development of robotics and artificial intelligence, scientists were often faced with issues on cooperation and coordination among different robots in a workspace. This has led to the developments in multi-robot cooperative systems MRCS. As a research model of MRCS, soccer robot is an interdisciplinary area that involves the knowledge of robotics, intelligence control, wireless communication, computer science, sensor technology, image processing, artificial intelligence, and so on. It has become a public experimental platform for universities all over the world to communicate with each other. It has gained considerable attention in recent years. Originally inferior design simple ness is robotic, adopt the monolithic machine to be the handcart detecting and to control core; Adopt optesthesia sensor to resolve the interior localized intelligence robot problem , realizes a robot "acting on self's own in interior hit the target complicated environment completeness". And can make robotic under the unknown environment, gradually, estimate oneself location and move status by the fact that oneself sensor measures the environment data coupling back the signal arrives at the monolithic machine, makes the monolithic machine can look for trace according to giving stable black the guidance line arbitrarily stable according to that the predetermined job pattern controls a handcart uses a handcart. Contents Include: 1. Design of mechanical structure: the robot driven by two independent track structures, the power source using brushless DC motor, gear reducer and gear belt transmission by using differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder for speed detection of robots, robot positioning. 2. Design of control structure: control part of the model using AT89C51 microcontroller for receiving orders and generates drive signals，the driving part is L293D motor control chip, chip microcontroller using the received signals to control motor speed. 3. Sensor parts: the robot using vision sensors for collect images, and send the images to upper-computer for image processing. Key words：mobile robot， motion control， single chip， vision sensor ， image processing 目 錄 摘 要 I Abstract II 1移動機(jī)器人 1 1.1移動機(jī)器人的研究歷史 1 1.2課題的現(xiàn)實(shí)意義 1 1.3智能機(jī)器人的發(fā)展 2 1.3.1智能機(jī)器人的定義 2 1.3.2國外機(jī)器人的發(fā)展 3 1.3.3國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展 3 2視覺移動機(jī)器人方案的確定 5 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)概述 5 2.2視覺移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 5 2.2.1動力源的論證與選擇 5 2.2.2運(yùn)動方式的選擇 6 2.2.3電源的論證與選擇 6 2.2.4傳動方式的選擇 6 2.2.5傳感器的選擇 7 2.2.6最終方案： 7 2.3視覺移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 7 2.3.1控制系統(tǒng)的選擇 8 2.3.2控制器的軟件設(shè)計(jì) 8 3視覺移動機(jī)器人方案的確定 10 3.1電動機(jī)的確定 10 3.1.1電動機(jī)功率的選擇 10 3.1.2電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 10 3.2 圓錐圓柱減速器的設(shè)計(jì) 11 3.2.1傳動方案的選擇 11 3.2.2傳動零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 12 3.2.2.1圓錐齒輪傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算 12 3.2.2.2圓柱齒輪傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算 16 3.2.2.3數(shù)據(jù)整理 19 3.2.2.4軸的設(shè)計(jì) 19 3.2.3減速箱軸承的確定 20 3.2.4聯(lián)軸器的選擇 21 4 視覺移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 4.1機(jī)器人電子元件的選型 22 4.1.1單片機(jī) PIC16F877 22 4.1.2直流無刷電機(jī) 24 5移動機(jī)器人的圖像處理技術(shù) 26 5.1圖像的采集 26 5.2圖像的預(yù)處理 26 5.2.1彩色圖像灰度化 26 5.2.2灰度圖像的平滑處理 27 5.2.3顏色模型轉(zhuǎn)換 29 結(jié) 論 30 致 謝 31 參考文獻(xiàn) 32 附 錄 33 1移動機(jī)器人 1.1移動機(jī)器人的研究歷史 機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。 移動機(jī)器人技術(shù)一直是人類長期科學(xué)研究的熱點(diǎn)。它的歷史可以追溯到20世紀(jì)六十年代。1962年，美國Unimation公司的第一臺機(jī)器人Unimate。在美國通用汽車公司(GM)投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。1968年，美國斯坦福研究所公布了他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey，該機(jī)器人能夠根據(jù)人的指令通過視覺傳感器發(fā)現(xiàn)并抓取積木,標(biāo)志著第一臺智能機(jī)器人的誕生，同時也揭開了移動機(jī)器人研究的序幕?，F(xiàn)在，國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受的說法是：機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“機(jī)器人是一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！睓C(jī)器人能夠利用各種傳感器采集機(jī)器人所在環(huán)境的特征，通過各種環(huán)境特征可以自動地規(guī)劃自己的行動路徑，實(shí)現(xiàn)尋跡、避障等智能行為。 早期的機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，例如利用機(jī)器人搬運(yùn)工件、更換刀具、焊接工件、噴射油漆以及實(shí)現(xiàn)零件的裝配等工作。但是到了90 年代，隨著機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人活動領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人的應(yīng)用從制造業(yè)領(lǐng)域向非制造業(yè)領(lǐng)域不斷發(fā)展，原先只是在工業(yè)中才使用的自主式機(jī)器人也開始進(jìn)入到人們的日常生活中來，因此在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域都能看到移動機(jī)器人的身影，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等都陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，由此機(jī)器人技術(shù)得到了長久的發(fā)展。 本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人實(shí)際上就是一種利用視覺傳感器自動移動的機(jī)器裝置，由視覺傳感器采集圖像，送至上位機(jī)分析，實(shí)現(xiàn)路徑識別，采用單片機(jī)控制直流無刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)對小車速度的控制，達(dá)到運(yùn)動要求。 1.2課題的現(xiàn)實(shí)意義 對智能機(jī)器人的研究有著廣泛的現(xiàn)實(shí)意義，概括地說可以有三點(diǎn)： 1. 智能機(jī)器人技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的技術(shù)。對移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、運(yùn)動學(xué)方程、控制系統(tǒng)、路徑規(guī)劃以及各種算法的分析與設(shè)計(jì)。因此移動機(jī)器人的研究涉及到的學(xué)科包括：機(jī)械加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等等，所以移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使得各門科學(xué)技術(shù)都得到了長遠(yuǎn)的進(jìn)步與發(fā)展，是科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的有力途徑和工具。 2. 智能機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用前景，可以說它幾乎滲透到了人類社會所有的領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見在未來的人類社會里，移動機(jī)器人將會出現(xiàn)在我們生活中的每一個角落，成為時代發(fā)展的主流。隨著人們生活水平的提高，人類對機(jī)器人的功能也提出了更高的要求，越來越多的移動機(jī)器人已經(jīng)走入了我們的生活，在家里，服務(wù)型的室內(nèi)機(jī)器人可以從事清潔衛(wèi)生、園藝、垃圾處理、家庭護(hù)理與服務(wù)等作業(yè)；在醫(yī)院，移動機(jī)器人可以從事手術(shù)、化驗(yàn)、助殘、導(dǎo)盲、運(yùn)輸、康復(fù)及病人護(hù)理等作業(yè)；在商場和旅游中，導(dǎo)購機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人和表演機(jī)器人都使得人類生活變得豐富多彩。因此移動機(jī)器人已經(jīng)成為未來社會非常有潛力的產(chǎn)業(yè)，誰可以掌握室內(nèi)移動機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，誰就可以引領(lǐng)世界的潮流。 3. 機(jī)器人的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要體現(xiàn)。它實(shí)現(xiàn)了工業(yè)的完全自動化，從機(jī)械加工到零件的裝配，甚至連工藝的設(shè)計(jì)都由工業(yè)機(jī)器人完成。機(jī)器人帶動了工業(yè)技術(shù)的革新，社會的發(fā)展以及其他領(lǐng)域的革命。當(dāng)今社會，機(jī)器人正代替人發(fā)揮著日益重要的作用，不斷地改變著人類的生活方式，因此完全可以說機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶動了整個人類社會的發(fā)展。綜上所述，我國對移動機(jī)器人的研究面臨著很大的挑戰(zhàn)，必須加大對機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用才能走在時代的前列。 1.3智能機(jī)器人的發(fā)展 1.3.1智能機(jī)器人的定義 自機(jī)器人問世以來，人們就很難對機(jī)器人下一個準(zhǔn)確的定義，歐美國家認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)該是“由計(jì)算機(jī)控制的通過編程具有可以變更的多功能的自動機(jī)械”；日本學(xué)者認(rèn)為“機(jī)器人就是任何高級的自動機(jī)械”；我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。”目前國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)漸趨一致，聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會于1979年給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。”概括說來，機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。 1.3.2國外機(jī)器人的發(fā)展 智能機(jī)器人的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代，在1966至1972年間,美國斯坦福研究院的和Charles等人研制的機(jī)器人，身高1.5米，是歷史上第一個由計(jì)算機(jī)控制的自主式智能移動機(jī)器人。它由遠(yuǎn)程大型計(jì)算機(jī)控制，帶有視覺傳感器和觸覺傳感器，在室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境中可以完成從一個地點(diǎn)移動到另一個地點(diǎn)，以及檢測障礙物并移動障礙物到指定地點(diǎn)的任務(wù)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著智能機(jī)器人研究的正式開始。 1970年前蘇聯(lián)月球17號探測器把世界第一個無人駕駛的月球車送去月球，月球車行駛0.5公里，考察了8萬平方米的月面。后來的月球車行駛37公里，向地球發(fā)回88幅月面全景圖。在同一時代，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室也研制了月球車(Lunar rover),應(yīng)用于行星探測的研究。采用了攝像機(jī)，激光測距儀以及觸覺傳感器。機(jī)器人能夠把環(huán)境區(qū)分為可通行、不可通行以及未知等類型區(qū)域。 1973年到1979年，斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室研制了CART移動機(jī)器人，CART可以自主地在辦公室環(huán)境運(yùn)行。CART每移動1米，就停下來通過攝像機(jī)的圖片對環(huán)境進(jìn)行分析，規(guī)劃下一步的運(yùn)行路徑。由于當(dāng)時計(jì)算機(jī)性能的限制，CART每一次規(guī)劃都需要耗時約15分鐘。CMU Rover由卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)研究所在1981年開始研制，它具有12個微處理器來處理實(shí)時任務(wù)，一個大型的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過遙控方式來進(jìn)行復(fù)雜規(guī)劃與環(huán)境分析，并通過聲納傳感器與視覺傳感器來探測環(huán)境中的障礙。 由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度、傳感器感知能力的限制，這些移動機(jī)器人的實(shí)時控制性能不佳。每自主前進(jìn)一步都需要停下來花費(fèi)大量的時間進(jìn)行計(jì)算，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常采取遙控的方式。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的感知、決策能力也獲得了長足的進(jìn)步。到了1994年，卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)研究所開發(fā)了Dante II，這是一個8足的移動機(jī)器人fill。在1994年4月，該機(jī)器人通過衛(wèi)星通訊與Internet相連，通過網(wǎng)絡(luò)由NASA的研究組、卡耐基梅隆大學(xué)以及阿拉斯加火山觀測所的科研人員控制Dante進(jìn)行阿拉斯加火山口觀測，并收集了火山口噴出的氣體樣本。 1.3.3國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展 國內(nèi)有關(guān)移動機(jī)器人研究的起步較晚，“八五”期間研制了ATB-1，即軍用智能機(jī)器人平臺，由浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工 大學(xué)、南京理工大學(xué)聯(lián)合研制?！熬盼濉逼陂g又研制了軍用“智能機(jī)器人平臺2號，道路自主駕駛的最高速度為74Km/h。 在國家“十五”863計(jì)劃中，展開了一系列的有關(guān)智能機(jī)器人方面的研究。在危險環(huán)境下作業(yè)移動機(jī)器人、基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境應(yīng)用的移動機(jī)器人、高機(jī)動性越障機(jī)器人、多足仿生機(jī)器人、仿人形機(jī)器人等研究項(xiàng)目取得了眾多的成果。國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、中科院自動化研究所、沈陽自動化研究所等正在開展有關(guān)月球探測自主機(jī)器人的相關(guān)研究。在863專項(xiàng)支持下，清華大學(xué)開發(fā)了多功能室外智能移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺、上海交通大學(xué)研制了移動機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺以及Frontier-ITM等。211A MCTB采用了關(guān)節(jié)輪式移動結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的越障能力。Frontier-ITM自主移動機(jī)器人作為中國大學(xué)的參賽隊(duì)首次參加了Robocop中型組比賽。CASIA-1是中科院自動化所研制的集多種傳感器、視覺、語音識別與會話功能于一體的智能移動機(jī)器人。沈陽自動化所研制的自行輸送小車已投入生產(chǎn)現(xiàn)場，此外還研制了“多功能排險防暴機(jī)器人”和“蛇形機(jī)器人”。 2003年國防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)[等智能控制算法，在高速公路上達(dá)到了130Km/h的穩(wěn)定時速，最高時速170Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位。 這一系列的成就推動了我國移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，縮短了與國外先進(jìn)水平的差距，而且在某些領(lǐng)域也取得了國際領(lǐng)先的成果，己經(jīng)成為我國機(jī)器人應(yīng)用的一個突出領(lǐng)域。 38 2視覺移動機(jī)器人方案的確定 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)概述 移動機(jī)器人利用視覺攝像頭采集圖像，并對圖像進(jìn)行視覺處理，使移動機(jī)器人辨別球場與球顏色的不同，并向足球方向移動，完成一個基于視覺的足球機(jī)器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 利用單片機(jī)控制直流無刷電機(jī)，編碼器等裝置實(shí)現(xiàn)對電動車的速度運(yùn)行狀況的實(shí)時測量，并將測量數(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)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動車的智能控制。 2.2視覺移動機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 2.2.1動力源的論證與選擇 方案1：步進(jìn)電機(jī) 方案2：交流電機(jī) 方案3：直流電機(jī) 優(yōu)缺點(diǎn)比較： 方案1 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(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)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距腳。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單。但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(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、功率驅(qū)動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。 缺點(diǎn)是效率較低，發(fā)熱大，有時會“失步”。 方案2 交流電機(jī)分為同步電機(jī)與異步電機(jī)。異步電動機(jī)按照定子相數(shù)的不同分為單項(xiàng)異步電動機(jī)、兩相異步電動機(jī)和三相異步電動機(jī)。三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，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。同步電動機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，可以作為發(fā)電機(jī)，電動機(jī)，和補(bǔ)償機(jī)。同步電動機(jī)主要用來發(fā)電。作為電動機(jī)使用時可以調(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，改變勵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 直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便， 小車內(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單，選用無刷直流電機(jī)更好。 最終方案：本次設(shè)計(jì)使用直流無刷電機(jī)。 2.2.2運(yùn)動方式的選擇 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)是一個馬達(dá)作為動力，通過變速箱驅(qū)動后輪；另一個馬達(dá)轉(zhuǎn)動導(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)是兩個電機(jī)分別驅(qū)動兩條履帶。優(yōu)點(diǎn)是可以在原地轉(zhuǎn)動；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) 2.2.3電源的論證與選擇 方案1：采用7.2V可充電動力電池組。 方案2：采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電。 優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 方案1 采用7.2V可充電動力電池組。動力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。 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)和其它芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，由于我們的車體在設(shè)計(jì)時空間有限，在小型電動車上使用極為不方便，因此我們放棄此方案。 經(jīng)過比較，本次設(shè)計(jì)使用方案1。 2.2.4傳動方式的選擇 方案1：帶傳動 方案2：齒輪傳動 優(yōu)缺點(diǎn)的比較： 方案1帶傳動是利用張緊在帶輪上的柔性帶進(jìn)行運(yùn)動或動力傳遞的一種機(jī)械傳動。根據(jù)傳動原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動的摩擦型帶傳動，也有靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動的同步帶傳動帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)，且其造價低廉、不需潤滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)。 方案2齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運(yùn)動的機(jī)械傳動。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點(diǎn)。 2.2.5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)行測量的傳感器，紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，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，不宜于移動機(jī)器人的自主移動。 方案二：使用超聲波傳感器導(dǎo)航 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。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、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)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(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。 方案三使用視覺傳感器導(dǎo)航 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。 2.2.6最終方案： 基于視覺的移動機(jī)器人實(shí)用履帶式結(jié)構(gòu)，采用7.2V可充電動力電池組，使用直流無刷電機(jī)作為機(jī)器人的動力源，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。 2.3視覺移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2.3.1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器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，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)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計(jì)時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、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： 1.PLC大部分用在較大型的設(shè)備上。因?yàn)槠鋬r格較高，一般都是附加值較高的自動控制系統(tǒng)才會考慮。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。 2.單片機(jī)控制 單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計(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). 2.3.2控制器的軟件設(shè)計(jì) 在歸納了移動機(jī)器人各種運(yùn)動行為的基礎(chǔ)上，我們總結(jié)了機(jī)器人的如下運(yùn)動方式: 1.啟動:兩個電機(jī)啟動。 2停止:兩個電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。 3.加速:兩個電機(jī)同時在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上增加一個數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)加速。 4.減速:兩個電機(jī)同時在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上減小一個數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)減速。 5.轉(zhuǎn)彎:改變一個電機(jī)的轉(zhuǎn)向，完成轉(zhuǎn)彎后作直線運(yùn)動。 6.直線運(yùn)動:兩個電機(jī)以相同的速度和轉(zhuǎn)向運(yùn)動。 這些運(yùn)動覆蓋了差動輪式移動系統(tǒng)的所有基本動作，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作。當(dāng)移動機(jī)器人需要做出某種動作時，車載機(jī)只須將期望動作翻譯為一個電機(jī)指令序列，發(fā)布給運(yùn)動控制器，運(yùn)動控制器就可以按部就班地控制機(jī)器人予以完成。 2.4移動機(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，圖像預(yù)處理模塊首先對原始的輸入圖像進(jìn)行縮小、邊緣檢測、等預(yù)處理。其次利用計(jì)算機(jī)計(jì)算并提取出對機(jī)器人有用的路徑信息。最后，運(yùn)動控制模塊根據(jù)識別的路徑信息，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。 圖2-1 視覺系統(tǒng)流程圖 在本次設(shè)計(jì)中，采用的是用攝像頭實(shí)時的采集圖像信息，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)動要求。 3視覺移動機(jī)器人方案的確定 3.1電動機(jī)的確定 從機(jī)器人是實(shí)際運(yùn)動出發(fā)考慮，機(jī)器人的速度不能太快，否則會造成控制部分來不及處理和發(fā)送信號，電機(jī)不能及時做出反應(yīng)，機(jī)器人在行進(jìn)的過程中不能實(shí)現(xiàn)避障功能，碰撞到障礙物而損壞的情況。因此，機(jī)器人的移動速度定為V=0.5M/S. 按工作要求和條件，選用直流無刷電機(jī)，電壓12V. 3.1.1電動機(jī)功率的選擇 減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速n=100rpm,驅(qū)動輪直徑D=100mm, =0.523m/s (3-1) 機(jī)器人的設(shè)計(jì)負(fù)重為30公斤，動摩擦因數(shù)為0.3，F(xiàn)=45N, T=2.25N/m，考慮到機(jī)器人會攜帶上位機(jī)等設(shè)備，所以取T=3N/m， (3-2) 傳動裝置的總傳動比： (3-3) （式中分別為聯(lián)軸器、滾動軸承、圓錐齒輪傳動、圓柱齒輪傳動和驅(qū)動輪的效率。）取，，其中齒輪精度為8級。則： 電動機(jī)所需功率： (3-4) 所以取電動機(jī)功率為40W。 3.1.2電動機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 同一類型、功率相同的電動機(jī)有多種轉(zhuǎn)速。如果選用轉(zhuǎn)速高的電動機(jī)，其尺寸和重量小、價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。選用轉(zhuǎn)速低的電動機(jī)則情況相反。因此，應(yīng)綜合考慮電動機(jī)及傳動裝置的尺寸、重量、價格，分析比較，選出合適的電動機(jī)轉(zhuǎn)速。 一般選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min或1000r/min的電動機(jī)。 本次設(shè)計(jì)選用的電動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為40W 根據(jù)設(shè)計(jì)要求電動機(jī)所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速查手冊. 表3.1 電機(jī)參數(shù) 電動機(jī)型號 額定功率W 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 總傳動比 FBL-60K03151RS 40 1500 15 圖3-1 電機(jī)外形尺寸 3.2 圓錐圓柱減速器的設(shè)計(jì) 機(jī)器通常由原動機(jī)、傳動裝置、和工作機(jī)等三部分組成。傳動裝置位于原動機(jī)和工作機(jī)之間，用來傳遞運(yùn)動和動力，并可以改變轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的大小或運(yùn)動形式，以適應(yīng)工作機(jī)功能的要求。傳動裝置的設(shè)計(jì)對整臺機(jī)器的性能、尺寸、重量和成本有很大的影響，因此應(yīng)當(dāng)合理的以定傳動方案。 3.2.1傳動方案的選擇 本次機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用的減速器結(jié)構(gòu)如下圖所示： 1---電動機(jī) 2----聯(lián)軸器 3-----減速器 圖3-2 傳動方案示意圖 減速器為展開式圓錐——圓柱齒輪的二級傳動，軸承選用深溝球軸承，聯(lián)軸器選用凸緣聯(lián)軸器。 傳動裝置總傳動比= 15 對于圓錐-圓柱齒輪減速器，為使大圓錐齒輪直徑不致過大，高速級圓錐齒輪傳動比可取，且，此處為減速器總傳動比。因此有，； 傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)如下表： 表1.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 電動機(jī)軸 1軸 2軸 3軸 工作軸 轉(zhuǎn)速（r/min） 1500 1500 500 100 100 功率p（w） 40 38.8 37.3 35.8 35.4 轉(zhuǎn)矩T（N） 0.254 0.247 0.711 3.415 3.389 傳動比i 1 3 5 1 效率 1 0.965 0.965 0.975 3.2.2傳動零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.2.1圓錐齒輪傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知輸入功率 (3-5) 小齒輪的轉(zhuǎn)速 ，大齒輪的轉(zhuǎn)速;傳動 比i=3，有電動機(jī)驅(qū)動，工作壽命為2.4×10小時，平穩(wěn)。 1．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) （1） 按傳動方案，選用直齒圓錐齒輪傳動，齒形制JB110-60,齒形角，齒頂高系數(shù)好h=1，頂隙系數(shù)c，不變位。 （2） 機(jī)器人為一般機(jī)器，速度不高，故選用8級精度。 （3） 材料選擇，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） 選小齒輪的齒數(shù)z，則大齒輪齒數(shù)為69 2．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 公式 (3-6) （1）確定公式內(nèi)的各數(shù)值 1）查的材料彈性影響系數(shù)。 2）按齒面的硬度查的小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限。 3）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 小齒輪：N (3-7) 大齒輪： (3-8) 4）查的接觸疲勞壽命系數(shù) 5)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 =0.93*600MPa=558MPa (3-9) =0.97*550MPa=533.5MPa (3-10) 6)試選查得 (3-11) 所以 (3-12) 7) 8） （2）計(jì)算 1）試算小齒輪的分度圓直徑，帶入[]中的較小值得 2）計(jì)算圓周速度 (3-13) 3）計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)V=1.07m/s，8級精度，查得， 所以 (3-14) 4)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑： (3-15 ) 取直徑為14mm 5）技術(shù)模數(shù) mm (3-16) 3.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 公式 (3-17) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值 1） 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。 2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ， 3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，則， (3-18) 4)載荷系數(shù) K=2.31 5）節(jié)圓錐角 (3-19) 6）當(dāng)量齒數(shù) (3-20) 7）查取齒形系數(shù) 8）查取應(yīng)力校正系數(shù) 9）計(jì)算大小齒輪的，并加以比較 0.01454 0.01648 大齒輪的數(shù)值大 4 設(shè)計(jì)計(jì)算 綜合分析考慮，取m=0.5mm，， （1）幾何尺寸計(jì)算 1）計(jì)算大端分度圓直徑 2）計(jì)算節(jié)錐頂距 (3-21) 3）節(jié)圓錐角 4）大端齒頂圓直徑 (3-22) 5)、齒寬 (3-23) 取 3.2.2.2圓柱齒輪傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)參數(shù) 1、選定齒輪類型、精度等級、材料和齒數(shù) （1）二級變速裝置選用直齒圓柱齒輪 （2）機(jī)器速度不高、選用8級精度 （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) (3-24) (1)確定公式內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)值 1)試選載荷系數(shù) 2）轉(zhuǎn)矩 (3-25) 3)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (3-26) 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) (3-27) （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 (3-28) 3) 計(jì)算齒寬 (3-29) 4) (3-30) (3-31) (3-32) 5) 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)v=0.32m/s,8級精度,由圖9-31得動載荷系數(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 (3-33) 6) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑, (3-34) 7) 計(jì)算模數(shù)m (3-35) 3.按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì) (3-36) (1) 確定公式內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值 1) 查圖得大小齒輪的疲勞極限： 2) 查得抗彎疲勞壽命系數(shù): ; 3) 取抗彎疲勞安全系數(shù)， 所以 [] (3-37) [] 4) 計(jì)算載荷系數(shù) (3-38) 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,由此可得 。 4. 幾何尺寸計(jì)算 1)計(jì)算分度圓直徑 (3-39) 2)計(jì)算中心距 (3-40) 3)計(jì)算齒輪寬度 (3-41) 圓整,取 3.2.2.3數(shù)據(jù)整理 齒輪類型： 1． 直齒圓錐齒輪（齒形角，齒頂高系數(shù)好h=1，頂隙系數(shù)c，不變位）精度8級，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。 大端分度圓直徑： 節(jié)錐頂距 節(jié)圓錐角 大端齒頂圓直徑 齒數(shù) ， 模數(shù) m=0.5 2.直齒圓柱齒輪 精度8級，小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS,大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS,兩者材料硬度相差40HBS。 分度圓直徑 d 中心距 a=36mm 齒寬 b 齒數(shù) 小齒輪24，大齒輪120 模數(shù) m=0.5mm 3.2.2.4軸的設(shè)計(jì) 軸是減速器的主要零件之一，軸的結(jié)構(gòu)決定軸上零件的位置和有關(guān)尺寸。按彎扭合成強(qiáng)度條件初步計(jì)算軸的各段直徑，軸計(jì)算載面的直徑為 (3-42) 式中　 —軸計(jì)算載面上的彎矩，N·mm; —軸計(jì)算載面上的轉(zhuǎn)矩，N·mm; —將轉(zhuǎn)矩折合成當(dāng)量彎矩的折算系數(shù)力 　 當(dāng)所在計(jì)算載面軸段開有鍵槽時，由上式算得的直徑應(yīng)增大3%～5%（開一個鍵槽）或7%～10%（開兩個鍵槽），然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。 通過如果減速器輸入軸通過聯(lián)軸器與電動機(jī)軸相聯(lián)接，則外伸段軸徑與電動機(jī)軸徑不得相差很大，否則難以選擇合適的聯(lián)軸器，也就是說，減速器輸入軸軸端直徑和電動機(jī)軸直徑必須在所選取聯(lián)軸器轂孔最大與最小直徑允許范圍內(nèi)。為此，可取減速器輸入軸軸端直徑： 　　　　　　　　　　　　　　mm (3-43) 式中　　—減速器輸入軸軸端直徑，mm； 　　　　 —電動機(jī)軸直徑，mm。 減速器傳動中心距為已知，可取減速器從動軸危險截面直徑 ??? 式中　　—減速器從動軸危險截面直徑，mm； 　　　　a—該級傳動的中心距，mm。 確定軸的最小直徑 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15-3，取A,于是得 3.11mm 4.35mm 7.35mm 取，，。 3.2.3減速箱軸承的確定 將運(yùn)轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機(jī)械元件，叫滾動軸承（rolling bearing）。 滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。 　　內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動體是借助于保持架均勻的將滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動體均勻分布，防止?jié)L動體脫落，引導(dǎo)滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用。 球軸承適于承受輕載荷，滾子軸承適于承受重載荷及沖擊載荷。當(dāng)滾動軸承受純軸向載荷時，一般選用推力軸承；當(dāng)滾動軸承受純徑向載荷時，一般選用深溝球軸承或短圓柱滾子軸承；當(dāng)滾動軸承受純徑向載荷的同時，還有不大的軸向載荷時，可選用深溝球軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承及調(diào)心球或調(diào)心滾子軸承；當(dāng)軸向載荷較大時，可選用接觸角較大的角接觸球軸承及圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推力軸承組合在一起，這在極高軸向載荷或特別要求有較大軸向剛性時尤為適宜。 根據(jù)機(jī)器人的要求及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的原則，本次設(shè)計(jì)選擇深溝球軸承和角接觸球軸承 3.2.4聯(lián)軸器的選擇 無彈性元件的撓性聯(lián)軸器 這類聯(lián)軸器因具有撓性，故可補(bǔ)償兩軸的相對位移。但因無彈性元件，故不能緩沖減振。常用的有以下幾種： （1）凸緣聯(lián)軸器 采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接 ，并靠鉸制孔(對應(yīng)鉸制孔螺栓) 螺栓來對中,依靠螺栓的抗剪切能力傳遞扭矩。 （2）十字滑塊聯(lián)軸器 十字滑塊聯(lián)軸器屬于撓性聯(lián)軸器；由兩個端面上開有凹型槽的半聯(lián)軸器和兩面帶有凸牙的中間盤組成。凸牙可在凹槽中滑動，可以補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時兩軸間的相對位移。一般運(yùn)用于轉(zhuǎn)速n小于250r/min,軸的剛度較大，無劇烈沖擊處。 （3）滑塊聯(lián)軸器 滑塊聯(lián)軸器是由兩個帶凹槽的半聯(lián)軸器和一個方形滑塊組成，滑塊材料通常為夾布鉸木制成。由于中間滑塊的質(zhì)量較小，具有彈性，可應(yīng)用于較高的轉(zhuǎn)速。結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、適用于小功率、高轉(zhuǎn)速而無劇烈沖擊處。 （4）齒式聯(lián)軸器 齒形聯(lián)軸器由兩個帶有內(nèi)齒及凸緣的外套和兩個帶有外齒的內(nèi)套筒組成。依靠內(nèi)外齒相嚙合傳遞扭矩。齒輪的齒廓曲線為漸開線，嚙合角為20°。 這類聯(lián)軸器能傳遞很大的轉(zhuǎn)矩，并允許有較大的偏移量，安裝精度要求不高，常用于重型機(jī)械中。 有彈性元件的撓性聯(lián)軸器 這類聯(lián)軸器因裝有彈性元件，不僅可以補(bǔ)償兩軸間的相對位移，而且具有緩沖減振的能力。彈性元件所能儲蓄的能量越多，則聯(lián)軸器的緩沖能力愈強(qiáng)；彈性元件的彈性滯后性能與彈性變形時零件間的摩擦功愈大、則聯(lián)軸器的減振能力愈好。這類聯(lián)軸器目前應(yīng)用很廣，品種亦愈來愈多。常見的有以下幾類： （1）彈性套柱銷聯(lián)軸器 這種聯(lián)軸器的構(gòu)造與凸緣聯(lián)軸器相似，只是用套有彈性套的柱銷代替了聯(lián)接螺栓。因?yàn)橥ㄟ^蛹狀常用耐油橡膠，以提高其彈性。半聯(lián)軸器與軸的配合孔可做成圓柱形或圓錐形。 （2）輪胎聯(lián)軸器 輪胎聯(lián)軸器用橡膠或橡膠織物制成輪胎狀的彈性元件，兩端用壓板及螺釘分別壓在兩個半聯(lián)軸器上。這種聯(lián)軸器富有彈性，具有良好的消振能力，能有效地降低動載荷和補(bǔ)償較大的軸向位移，而且絕緣性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)時無噪聲。缺點(diǎn)是徑向尺寸較大；當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大時，會因過大扭轉(zhuǎn)變形而產(chǎn)生附加軸向載荷。為了便于裝配，有時將輪胎開出徑向切口，但這時承載能力要顯著降低。 （3）梅花形彈性聯(lián)軸器 這種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)形式及工作原理與星形彈性聯(lián)軸器相似，但半聯(lián)軸器與軸配合的孔可做成圓柱形或圓錐形，并以梅花形彈性件取代星形彈性件。彈性件可根據(jù)使用要求選用不同硬度的聚氨酯橡膠、鑄型尼龍等材料制造。工作溫度范圍為-35～+80°C，短時工作溫度可達(dá)100°C，傳遞的公稱轉(zhuǎn)矩為16～25000Nm。 在本次設(shè)計(jì)中，考慮到滿足使用要求，從經(jīng)濟(jì)性上考慮，決定選用凸緣聯(lián)軸器。 4 視覺移動機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1機(jī)器人電子元件的選型 4.1.1單片機(jī) PIC16F877 單片機(jī)是將中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、定時器芯片和一些輸入輸出接口電路集成的一個芯片上的微控制器。 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個主要部分。存儲器按工作方式可分為、隨機(jī)存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。RAM可以隨機(jī)地被CPU讀寫，斷電后存儲的內(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：是一個具有3條引腳的輸入/輸出可編程的端口。 （6）定時