視覺導(dǎo)航履帶式移動機器人小車的研究設(shè)計【履帶式底盤】

視覺導(dǎo)航履帶式移動機器人小車的研究設(shè)計【履帶式底盤】,履帶式底盤,視覺導(dǎo)航履帶式移動機器人小車的研究設(shè)計【履帶式底盤】,視覺,導(dǎo)航,履帶式,移動,挪動,機器人,小車,研究,鉆研,設(shè)計,底盤 開題報告表 課題名稱 基于視覺的機器人設(shè)計 課題來源 B 課題類型 D 導(dǎo) 師 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機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器。其原理是利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，而后經(jīng)計算機或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進行數(shù)字化處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。 一、調(diào)研準(zhǔn)備： 1）記錄導(dǎo)師布置任務(wù)要求，并認(rèn)真閱讀。 2）搜集與課題相關(guān)的工具書，為設(shè)計作好充分準(zhǔn)備。 3）通過上網(wǎng)查詢相關(guān)科研資料及閱讀相關(guān)文獻，了解課題設(shè)計的原理并制定一套可行的設(shè)計方案。 二、設(shè)計題目：基于視覺的移動機器人設(shè)計與分析 三、設(shè)計目的：通過該設(shè)計了解移動機器人分類，結(jié)構(gòu)以及運動控制方法，通過三維軟件可以以進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，培養(yǎng)獨立工作的能力。 四、設(shè)計要求：要求獨立完成任務(wù)，掌握三維軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的應(yīng)用，熟悉機器人的運動學(xué)方程和機器人傳感器的具體應(yīng)用。 五、設(shè)計思路：根據(jù)題目的要求，確定如下方案： 設(shè)計小車?yán)寐膸降妆P作為機械裝置，采用雙驅(qū)控制，加裝視覺攝像頭、控制電機，編碼器等裝置實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。 智能機器人可采用單片機或PLC作為控制系統(tǒng)，在此我先擇單片機處理。本設(shè)計的研究內(nèi)容是視覺導(dǎo)航三輪式移動機器人的底層控制，其核心內(nèi)容是應(yīng)用單片機控制步進電機實現(xiàn)機器人的左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前進和停止等動作；另外還利用視覺攝像頭檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡功能。整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。 這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。本設(shè)計采用MCS-51系列中的80C51單片機。以80C51為控制核心，利用攝像頭檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡功能。 六、預(yù)期成果：利用機械設(shè)計、機械制圖，還有單片機等相關(guān)的知識設(shè)計一款機器人小車，我有著濃厚的興趣。另外有老師的專業(yè)輔導(dǎo)，同學(xué)們的合作，圖書館的資料支持，我想我會設(shè)計出一款性能很好的機器人小車，并能夠達(dá)到蔽障尋跡控制速度等功能的。 七、進度安排： 3月8日 ~ 3月26日 確定題目、查閱資料，熟悉相關(guān)軟件，寫開題報告 3月27日 ~ 4月4日 機器人底盤結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計 4月5 日 ~ 4月11日 機器人傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計 4月12日 ~ 4月18日 機器人視覺傳感器 的軟件設(shè)計 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，B、工程技術(shù)研究，C、軟件開發(fā)，D、機械設(shè)計，E、實驗研究， F、理論研究，G、其它 摘 要 本設(shè)計的研究內(nèi)容是視覺導(dǎo)航履帶式移動機器人小車的研究設(shè)計，其核心內(nèi)容是 應(yīng)用單片機控制電機實現(xiàn)機器人小車的左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前進和停止等動作。 論文內(nèi)容包括四個部分：簡要介紹了移動機器人研究背景、意義、現(xiàn)狀及發(fā)展前 景，視覺導(dǎo)航履帶式移動機器人小車的設(shè)計原理及方案，機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制 系統(tǒng)設(shè)計和視覺系統(tǒng)設(shè)計。論文詳細(xì)地介紹了移動機器人機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 設(shè)計小車?yán)寐膸降妆P作為機械裝置，采用雙驅(qū)控制，加裝視覺攝像頭、控制 電機，編碼器等裝置實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù) 據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能 控制。 主要設(shè)計內(nèi)容包括： 1.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計：機器人采用兩輪獨立驅(qū)動的履帶結(jié)構(gòu)，動力源采用直流無刷電 機，減速和傳動裝置采用齒輪傳動，利用差速移動平臺實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向，選用增量 式光電編碼器進行對機器人速度的檢測，實現(xiàn)機器人的定位。 2.控制結(jié)構(gòu)設(shè)計：控制部分采用 AT89C51 型號單片機進行接受命令和產(chǎn)生驅(qū)動信 號，電機的驅(qū)動部分采用 L293D 控制芯片，芯片利用接受到的單片機發(fā)出的信號來控 制電機的轉(zhuǎn)速。 3. 傳感器部分：利用視覺傳感器收集圖像，送至上位機進行圖像處理 關(guān)鍵詞：移動機器人，運動控制，單片機控制，視覺系統(tǒng) I Abstract The design of the study content is visual navigation of mobile robot car USES the core content of study design, application of single-chip microcomputer control motor is the robot car turn left, right, forward and stop such action. Includes four parts: the paper briefly introduced the mobile robot research background, significance, the present situation and development prospect, visual navigation crawler mobile robot car design principles and schemes of the structure design, mechanical parts, control system design and visual system design. Paper introduced in detail the mobile robot mechanical parts of the structure design. Car chassis design using a mechanical device USES, adopt double drive control, add the visual camera, control motor, electric coder to the device such as position, velocity, the operation condition of real-time measurement, and the measured data transfer process, then by single-chip microcontroller according to test data of intelligent control of electric cars. Main contents include: 1 mechanical structure design: use two rounds independent robots driven by caterpillar structure, brushless dc motor for electric power transmission device, the deceleration and by using differential gears, mobile robots platform to choose the solid-axes photoelectric encoder and the detection rate of robot, robot localization. 2 control structure design: the control part AT89C51 single-chip model for accept orders and produce, motor driver drive signal control chip, L293D part adopts chip using SCM to receive signals to control motor speed. 3 parts: using visual sensor sensor, send images supreme image processing machine Key words：Mobile robot, motion control, the single-chip microcomputer control, the visual system II 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT .II 1 緒論 .1 1.1 機器人的研究背景 .1 1.2 機器人的研究意義 .1 1.3 機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 .2 2 視覺機器人設(shè)計方案的確定 .4 2.1 視覺移動機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 .4 2.2 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計方案 .4 2.3 移動機器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計方案 .4 3 機器人機械部分的設(shè)計與計算 .4 3.1 電動機的選擇與計算 .4 3.2 減速器的選擇與計算 .4 4 機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與選型 .4 4.1 單片機 PIC16F877 .4 4.2 直流無刷電機 .4 4.3 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 LM7805 .4 5 移動機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 .4 0 1 緒論 1.1 機器人的研究背景 “機器人”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器人中第一次使用了機器人一詞。 此后被歐洲各國語言所吸收而成為專門名詞。 20 世紀(jì) 50 年代末，美國在機械手和操作機的基礎(chǔ)上，采用伺服機構(gòu)和自動控制等 技術(shù)，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人；60 年 代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969 年，美 國通用汽車公司用 21 臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè) 發(fā)達(dá)國家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機器人。 機器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，同 時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個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)中各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。比如說日本，戰(zhàn)后 以后開始進行汽車的工業(yè)，那么這時候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機器人來 進行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低人的勞動強度，這是從社會發(fā)展需求本身的一 個需求。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發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然 過程中，在改造自然過程中，認(rèn)識自然過程中,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，實現(xiàn)人們對不可達(dá)世界的認(rèn) 識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。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)，計算機技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技 術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了提供了強大的技術(shù)保證。 1.2 機器人的研究意義 由于工業(yè)機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)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控 制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準(zhǔn)確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸 等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。 具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具 有識別功能或更進一步增加自適應(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，并自動完成更為復(fù)雜的工作。 1 為什么要發(fā)展機器人? 簡單說，機器人有三個方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個是 機器人干人不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險的，這樣的環(huán)境中 解放出來，同時機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,一天焊幾千個點，就重復(fù)性的勞動，一方面他很累，但是產(chǎn)品 的質(zhì)量仍然很低；另一方面機器人干人干不了的活，這也是非常重要的機器人發(fā)展的 一個理由，比方說人們對太空的認(rèn)識，人上不去的時候，叫機器人上天，上月球，以 及到海洋，進入到人體的小機器人，以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進行搬遷的機器 人，都是人們不可達(dá)的工作。上述方面的三個問題，也就是說機器人發(fā)展的三個理由。 1.3 機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景 1.3.1 機器人的研究現(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 機器人 這個詞。 1939 年美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人 Elektro。它由電 纜控制,可以行走,會說 77 個字,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 們對家用機器人的憧憬變得更加具體。 1942 年美國科幻巨匠阿西莫夫提出機器人三定律 。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,闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、 感覺機能的共同規(guī)律,率先提出以計算機為核心的自動化工廠。 1954 年美國人喬治德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人,并注冊了專利。 這種機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)特茅斯會議上,馬文明斯基提出了他對智能機器的看法: 智能機器能夠 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。這個定義 影響到以后 30 年智能機器人的研究方向。 1959 年德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后,成 立了世界上第一家機器人制造工廠-Unimation 公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研 發(fā)和宣傳,他也被稱為工業(yè)機器人之父 。 1962 年美國 AMF 公司生產(chǎn)出 VERSTRAN(意思是萬能搬運),與 Unimation 公司生 產(chǎn)的 Unimate 一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人,并出口到世界各國,掀起了全世界對機 器人和機器人研究的熱潮。 2 1962 年-1963 年傳感器的應(yīng)用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安 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帶有視覺傳感器,能識別并定位 積木的機器人系統(tǒng)。 1965 年約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制出 Beast 機器人。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,美國麻 省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研 究第二代帶傳感器、有感覺 的機器人,并向人工智能進發(fā)。 1968 年美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人 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,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey 可以 算是世界第一臺智能機器人,拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。 1969 年日本早稻田大學(xué)加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤 一郎長期致力于研究仿人機器人,被譽為仿人機器人之父 。日本專家一向以研發(fā)仿人 機器人和娛樂機器人的技術(shù)見長,后來更進一步,催生出本田公司的 ASIMO 和索尼公司 的 QRIO。 1973 年世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作,就誕生了美國 CincinnatiMilacron 公司的機器人 T3。 1978 年美國 Unimation 公司推出通用工業(yè)機器人 PUMA,這標(biāo)志著工業(yè)機器人技術(shù) 已經(jīng)完全成熟。PUMA 至今仍然工作在工廠第一線。 1984 年英格伯格再推機器人 Helpmate,這種機器人能在醫(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器人(Mind-storms)套件,讓機器人制造變得跟搭積木一 樣,相對簡單又能任意拼裝,使機器人開始走入個人世界。 1999 年日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO),當(dāng)即銷售一空,從此娛樂機器人 成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。 2002 年丹麥 iRobot 公司推出了吸塵器機器人 Roomba,它能避開障礙,自動設(shè)計行進 路線,還能在電量不足時,自動駛向充電座。Roomba 是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化 的家用機器人。 2006 年 6 月,微軟公司推出 MicrosoftRoboticsStudio,機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的 趨勢越來越明顯,比爾蓋茨預(yù)言,家用機器人很快將席卷全球。 1.3.2 機器人的發(fā)展前景 3 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能 化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下 10 個方面： 1工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提 高負(fù)載/自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 2機器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語 言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于 PC 機網(wǎng) 絡(luò)式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線 編程的實用化將成為研究重點。3多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應(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)的實用化。 4機器人的結(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機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機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)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先 顯示進行遙控等。 6虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機 器人的虛擬遙操作和人機交互。 7多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。 主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，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行研究。 8微型和微小機器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個新的 領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會 引起機器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的 影響，微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、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軟機器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機 器人設(shè)計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)在機器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的， 機器人對人是友好的。 10仿人和仿生技術(shù)：這是機器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行 一些基礎(chǔ)研究。 4 2 視覺機器人設(shè)計方案的確定 2.1 視覺移動機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 2.1.1 動力源的論證與選擇 表 2-1 不同類型電動機的比較 優(yōu)缺 點比較： 方案 1 直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便， 小車 機內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實現(xiàn)通過單片 優(yōu)點 缺點 直流電機 1、無刷直流電機采用方波 電流供電，所用電機的轉(zhuǎn) 矩/體積比更高。 2、無刷直流電機結(jié)構(gòu)更簡 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 和電流的變頻器簡單，選 用無刷直流電機更好。 1.在全磁場狀態(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 能得到電機的較低轉(zhuǎn)速。 3.在全磁場狀態(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。這是直流電機最 完善的調(diào)速方式，但設(shè)備復(fù)雜，造價 高。 交流電機 1.可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、 體積小、重量輕、動態(tài)響 應(yīng)好； 2.效率高、調(diào)速范圍廣、 響應(yīng)頻率高。 帶動慣性負(fù)載能力差，一般需用齒輪 減速裝置； 交流伺服電動機的多用于中小型數(shù)控 機床。 步進電機 1.轉(zhuǎn)速可以在很寬的范圍 內(nèi)調(diào)節(jié)； 2.可以控制電動機的正轉(zhuǎn) 或反轉(zhuǎn)； 3.沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡 單，使用、維修方便，制 造成本低。 效率較低，發(fā)熱大，有時會“失步” 。 步進電機適用于中、小型機床和速度 精度要求不高的地方。 5 機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。而且無刷直流電機采用方波電流供電， 所用電機的轉(zhuǎn)矩/體積比更高。無刷直流電機結(jié)構(gòu)更簡單、制造成本更低。無刷直流電 機產(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 流電機更好。 方案 2 交流電機分為同步電機與異步電機。異步電動機按照定子相數(shù)的不同分為 單項異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。三相異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，運 行可靠，成本低廉等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。同步電動機的主要運行方式有 三種，可以作為發(fā)電機，電動機，和補償機。同步電動機主要用來發(fā)電。作為電動機 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行效率。作為補償機器 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。然而交流電機必須攜帶電 源線，這對于機器人來說不太方便并且由于機器人在行駛過程中需要對速度進行調(diào)整， 而交流電機無法實現(xiàn)速度的變換。 方案 3 步進電機是將電脈沖信號轉(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，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距腳。這一線性關(guān)系的存 在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制 領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。但步進電機并不能象普通的直流電機，交流 電機在常規(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。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知 識。 缺點是效率較低，發(fā)熱大，有時會“失步” 。 最終方案：本次設(shè)計使用直流無刷電機 2.1.2 運動方式的選擇 方案 1：輪式機構(gòu) 方案 2：履帶式結(jié)構(gòu) 優(yōu)缺點的比較： 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)點是在直道行駛速度較快、 方向和速度相互獨立。 缺點為 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)是兩個電機分別驅(qū)動兩條履帶。優(yōu)點是可以在原地轉(zhuǎn)動；在不平 的路面上性能穩(wěn)定，牽引力大。缺點為速度慢、速度和方向不能單獨控制摩擦力很大； 能量損耗大，機械結(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)計選用履帶式結(jié)構(gòu) 2.1.3 電源的論證與選擇 6 由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。 方案 1： 采用 10 節(jié) 1.5V 干電池供電，電壓達(dá)到 15V，經(jīng) 7812 穩(wěn)壓后給支流電機 供電，然后將 12V 電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(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 蓄電池為直流電機供電，將 12V 電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系 統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然 蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于我們的車體設(shè)計時 留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低。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 傳動方式的選擇 方案 1：帶傳動 方案 2：齒輪傳動 優(yōu)缺點的比較： 方案 1 帶傳動是利用張緊在帶輪上的柔性帶進行運動或動力傳遞的一種機械傳動。 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、維護容易等特點。 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動的機械傳動。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。 表 2-2 帶傳動與齒輪傳動的比較 優(yōu)點 缺點 帶傳動 1.因為帶有彈性，因此傳動過程 中可以起到緩沖和吸震的作用， 是傳動平穩(wěn)； 2.當(dāng)傳動過載時，帶會產(chǎn)生打滑， 能防止工件的損壞，從而保護原 動機； 帶是靠摩擦進行傳動的，而帶傳動 產(chǎn)生的打滑使傳動比不確定，同時 代的尺寸較大，傳動效率低 7 齒輪傳動 1.齒輪傳動的效率高，可達(dá)到 96%-99%； 2.結(jié)構(gòu)緊湊，比帶傳動和鏈傳動 所需空間?。?3.傳動比穩(wěn)定 制造及安裝精度較高，不宜用于傳 動比過大的場合； 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。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 于移動機器人的自主移動。 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。超聲波是一種振動頻率高 于聲波的機械波，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。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，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)以千計的像素的能力，它主要部件就 是照相機或攝像機，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： 基于視覺的移動機器人實用履帶式結(jié)構(gòu)，用采用 7.2V 可充電動力電池組，使用直 流無刷電機作為機器人的動力源，利用視覺傳感器采集圖像，通過單片機控制直流電 機可以實現(xiàn)小車的前進，后退以及轉(zhuǎn)向等功能。 2.2 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計方案 8 2.2.1 控制系統(tǒng)的選擇 PLC ( Programmable logic Controller)，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操 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)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(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械或生產(chǎn)過程。PLC 實質(zhì)是一種專用 于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，由 CPU、儲存器、電源構(gòu) 成。 單片機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算機系統(tǒng)。 PLC 和單片機雖然都是控制器，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。因為其價格較高，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：可靠性高，抗干擾能力強；硬件配套齊全，功能完善， 適用性強；易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎；系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小， 維護方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低。 單片機控制 單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是 把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機，和計算機相比，單 片機只缺少了 I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。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，同時單片機的成本比 PLC 略微低廉，綜合 考慮本次設(shè)計選擇單片機控制。 單片機有 8 位，16 位，32 位等，這里的位指單片機 CPU 每次處理能力,8 位是指單 片機一次可以計算 8 位數(shù)據(jù),16 位是指單片機一次可以計算 16 位數(shù)據(jù),依次類推，在此 次設(shè)計中用 8 位單片機完全可以完成對機器人的控制，另考慮經(jīng)濟等方面，本次設(shè)計 選擇 8 位單片機. 2.2.2 控制器的軟件設(shè)計 在歸納了移動機器人各種運動行為的基礎(chǔ)上，我們總結(jié)了機器人的如下運動方式: 1.啟動:兩個電機啟動。 2 停止:兩個電機停止轉(zhuǎn)動。 3.加速:兩個電機同時在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上增加一個數(shù)量級，實現(xiàn)加速。 4.減速:兩個電機同時在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上減小一個數(shù)量級，實現(xiàn)減速。 5.轉(zhuǎn)彎:改變一個電機的轉(zhuǎn)向，完成轉(zhuǎn)彎后作直線運動。 9 6.直線運動:兩個電機以相同的速度和轉(zhuǎn)向運動。 這些運動覆蓋了差動輪式移動系統(tǒng)的所有基本動作，通過一系列電機控制的組合 就可以靈活地控制機器人完成它所能夠做到的任何動作。當(dāng)移動機器人需要做出某種 動作時，車載機只須將期望動作翻譯為一個電機指令序列，發(fā)布給運動控制器，運動 控制器就可以按部就班地控制機器人予以完成。 2.3 移動機器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計方案 機器人的視覺系統(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 括實現(xiàn)圖像處理的基本算法以及一些實現(xiàn)人機交互的接口程序. 基于計算機視覺的移 動機器人導(dǎo)航實驗系統(tǒng)的硬件部分由計算機、攝像頭、機器人地盤組成。軟件分為兩 部分，即圖像處理和機器人運動控制?；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行縮小、邊緣檢測、 等預(yù)處理。其次利用計算機計算并提取出對機器人有用的路徑信息。最后，運動控制 模塊根據(jù)識別的路徑信息，調(diào)用直行或轉(zhuǎn)彎功能模塊使機器人做相應(yīng)的移動。 獲取圖像 特征抽出和 分割 計算距離和 角度 驅(qū)動機器人 步進電機的轉(zhuǎn) 向和速度 輸出脈沖 攝像頭位置 和伺服系統(tǒng) 圖像處理單元 運動控制模塊 圖 2-1 機器人的控制原理 在本次設(shè)計中，采用的是用攝像頭實時的采集圖像信息，經(jīng)過上位機的內(nèi)部處理， 通過單片機控制電機來實現(xiàn)運動要求。 10 3 機器人機械部分的設(shè)計與計算 3.1 電動機的選擇與計算 已知驅(qū)動輪直徑 D=120mm, V=0.942m/s 按工作要求和條件，選用直流無刷電機，電壓 12V. 電動機功率的選擇： 機器人的設(shè)計負(fù)重為 35 公斤，動摩擦因數(shù)為 0.3， F=35*10*0.3/2=52.5N, T=Fr=52.5*0.05=2.625N/m，考慮到機器人會攜帶上位機 等設(shè)備，所以取 T=3N/m， =WP WKTnw1.479501*3 1、電動機類型的選擇： Y 系列三相異步電動機 2、電動機功率選擇： （1）傳動裝置的總功率： 總 = 帶 2 軸承 齒輪 聯(lián)軸器 滾筒 =0.960.9820.970.990.96 =0.85 (2)電機所需的工作功率： P 工作 =FV/1000 總 =52.50.942/10000.85 11 =0.058KW =58W 3、確定電動機轉(zhuǎn)速： 計算滾筒工作轉(zhuǎn)速： n 筒 =601000V/D =6010000.942/120 =150r/min 按手冊推薦的傳動比合理范圍，取圓柱齒輪傳動一級減速器傳動比范圍 Ia=36。取 V 帶傳動比 I1=24，則總傳動比理時范圍為 Ia=624。故電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍為 n d=Ia n 筒 =（ 624） 150=9003600r/min 符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速有 1000、1500 和 3000r/min。 根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速，由有關(guān)手冊查出有三種適用的電動機型號：因此有三種傳支比 方案。綜合考慮電動機和傳動裝置尺寸、重量、價格和帶傳動、減速器的傳動比，可 見第 2 方案比較適合，則選 n=1500r/min 。 4、確定電動機型號 根據(jù)以上選用的電動機類型，所需的額定功率及同步轉(zhuǎn)速， 根據(jù)設(shè)計要求電動機所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速查手冊. 表 3-1 電動機主要參數(shù) 電動機型號 額定功率 額定轉(zhuǎn)速 r/min 總傳動比 FBL-60K03151RS 30W 1500 25 3.2 減速器的選擇與計算 12 圖 3-1 電動機簡圖 3.2.1 計算總傳動比及分配各級的傳動比 1、總傳動比： 215iniwm 2、分配各級傳動比 ，i21. 經(jīng)計算 56.42i 48.51 3.2.2 運動參數(shù)及動力參數(shù)計算 1、計算各軸轉(zhuǎn)速（r/min） nI=n 電機=1500r/min nII=nI/i 帶 =1500/5.48=274(r/min) nIII=nII/i 齒輪 =274/4.56=60(r/min) 2、 計算各軸的功率（KW） PI=P 工作 =30W=0.03KW PII=PI 帶 =300.96=28.8W=0.0288KW PIII=PII 軸承 齒輪 =28.80.980.96 =27.1W=0.0271KW 3、 計算各軸扭矩（Nmm） 13 TI=9.55106PI/nI=9.551060.03/1500 =191Nmm TII=9.55106PII/nII =9.551060.0288/274 =100.4Nmm TIII=9.55106PIII/nIII=9.551060.0271/60 =431.3Nmm 3.2.3 傳動零件的設(shè)計計算 一、V 帶設(shè)計 外傳動帶選為 普通 V 帶傳動 1、確定計算功率 ca 1） 、由表查得工作情況系數(shù) 1.KA 2） 、由式 wPAca30.1 2、選擇 V 帶型號 查圖選 A 型 V 帶。 3.確定帶輪直徑 da12 （1） 、參考圖表選取小帶輪直徑 ma10 （電機中心高符合要求） H1 （2） 、驗算帶速，由式 sdnVa 111 43.0627406 （3） 、從動帶輪直徑 a2 mia8.514.1 查表取 mda52 （4） 、傳動比 i 5.102ai （5） 、從動輪轉(zhuǎn)速 in1128.2675.Rni 14 4.確定中心距 a 和帶長 Ld （1）初選中心距 aa210217.0 取39m0 （2） 、求帶的計算基礎(chǔ)準(zhǔn)長度 0L mmadda5.302)1045()1(*)2120 查圖.取帶的基準(zhǔn)長度 =320mmdL (3)、計算中心距:a mad 109)25.301(200 (4)、確定中心距調(diào)整范圍 Ld 6.8).9(3.max 210432015015in 5.驗算小帶輪包角 1 由式 120536018012ad 6.確定 V 帶根數(shù) Z (1)、由表查得 =90 n1=1450r/min 及 n1=1600r/min 時，單根 V 帶的額定功1ad 率分呷為 1.07Kw 和 1.15Kw，用線性插值法求 n1=1600r/min 時的額定功率 P0 值。 wKwP270.)1450(45607.(0 (2)、由表查得P0=0.03Kw (3)、由表查得查得包角系數(shù) 96.k (4)、由表查得長度系數(shù) KL=1.03 (5)、計算 V 帶根數(shù) Z，由式 15 59.003.196)3.27( 0KPLcaZ 取 Z=1 根 7計算單根 V 帶初拉力 F0，由式 NqZvKPFac26)15.2(50 8計算對軸的壓力 FQ，由式得 ZQ 9.38)25sin612(sin20 9確定帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸，給制帶輪工作圖 小帶輪基準(zhǔn)直徑d d1=10mm采用實心式結(jié)構(gòu)。大帶輪基準(zhǔn)直徑d d2=55mm，采用孔 板式結(jié)構(gòu)，基準(zhǔn)圖見零件工作圖。 二、齒輪傳動的設(shè)計計算 設(shè)計參數(shù)： htirn mNTWp240;56.i/n;7.410;8232壽 命 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) z241120 2、按齒面接觸強度設(shè)計 3211 )(HEdtt ZiTK (1)確定公式內(nèi)的各項參數(shù)值 16 1)試選載荷系數(shù) 3.1tK 2） mNnPT.809521 3)計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 91 1072.)30(6hLN 892 14.507. 4)選取齒寬系數(shù) d 5）查的材料的彈性影響系數(shù) Z MPaE.9 6）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ，大齒輪的彎曲疲F601 勞強度極限 。MPaFE02 7) 由圖 9-35 查表的接觸疲勞壽命系數(shù) K 9.0,97.021HNHN 8)計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取安全系數(shù) 0.1HS ; 211 /58mZNLimb22lim2 /5.4mNZSNHbh (2) 計算齒輪參數(shù) 1) 求小齒輪分度圓直徑 ,代入 中較小的值td1H mdt 32.1)5.489(.6803.123 21 2) 圓周速度 sndvt /.0011 3) 計算齒寬 bt 32.1 4) mzdtt 53.01 ht.2. 9.84.3/b 5) 計算載荷系數(shù) 17 根據(jù) v=0.32m/s,8 級精度,由圖 9-31 得動載荷系數(shù) 1.vK 直齒輪,假設(shè) ,由表 9-8 查得mNbFKtA/10/2FaH 由表 9-7 查得使用系數(shù) ,由表 9-9 查得 ,由表 9-32A 6. 查得 ,故載荷系數(shù)2.1F .11.HVK 6) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑, mKdtt 36.1/31 7) 計算模數(shù) m z5.0/1 三、按齒根抗彎強度設(shè)計 321)(FSadYzKT (1) 確定公式內(nèi)的各項參數(shù)數(shù)值 1) 查圖 9-39 得大小齒輪的疲勞極限： MPaPaFEFE380,5021 2) 由圖 9-38 查得抗彎疲勞壽命系數(shù): ;93.0,.21FNFNK 3) 取抗彎疲勞安全系數(shù) ， 4.1FS 所以: F PaKEN.32.5091 MSF4.822 4) 計算載荷系數(shù) 61.2.1FavAK 5) 查的齒形系數(shù) 9,FaaY 6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 785.5.21SS 7)計算大,小齒輪的 并加以比較F aY 0138.4.3257691FSa 01546.2578192FSaY 大齒輪的數(shù)值大 18 (2)設(shè)計計算 4.0156.24176.)(2331 FSadYzKTm 對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 略大于由齒根彎疲勞 強度計算的模數(shù),由于齒輪模數(shù) m 的大小取決于抗彎強度所決定的承載 能力,而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力,僅與齒輪直徑有關(guān),可取 由抗彎強度算得的模數(shù) 1.40,并就近圓為標(biāo)準(zhǔn)值 ,按接觸強度5.0 算得的分度直徑 ,由d0.12 45.1mz 124512iz 四、幾何尺寸計算 1)計算分度圓直徑 , zd125.041 mzd605.122 2)計算中心距 ma36/)(/)(21 3)計算齒輪寬度 db11 圓整,取 bm5,2 3.2.4 軸的設(shè)計 軸的設(shè)計包括軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算兩方面的內(nèi)容。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(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，必須針對不同情況進行具體的分析。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 的強度，此時只需對軸進行強度校核，以防止斷裂或塑性變形。對于剛度要求較高的 軸和受力較大的細(xì)長軸，還應(yīng)該進行剛度計算，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，從節(jié)省材料、減少質(zhì)量的角度來說，各橫截面強度相等是最好，最理 想的；從加工工藝的角度來說，軸的形狀卻是越簡單越好，簡單的軸制造時省工，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，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。因此實際的軸大多做成階梯型的。 19 一、主軸的設(shè)計 已知輸入功率P=0.03kw，主軸轉(zhuǎn)速n=1500r/min，皮帶輪的圓周力Ft=26N，皮帶作 用在主軸上的徑向力Fr=38.9N，工作載荷較平穩(wěn)。 主軸的材料選用45鋼，正火處理，查表19-5 12硬度 170217 HBS,抗拉強度apMP58 (1)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 1)確定軸的各段直徑： 初估軸的最小直徑 :mind (3-1)nPAd08.3152.33 查表取 A=115 考慮軸上開鍵槽，對軸強度有削弱計算值放大4%5%，得 ，取d23.d.31 軸段 有定位軸肩21mh)5.76()4.(5.12 )07.( 取 md2 其上安裝有滾動軸承，考慮實際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，選3 取深溝球軸承， 表3-2軸承選擇列表 選擇軸承代號2000088：軸承內(nèi)徑8mm，外徑16mm。 所以此軸段 md83 20 此軸段為軸環(huán)，4d mhd )2.814.().07.(2834 由結(jié)構(gòu)考慮取 m16.84 此段安裝圓螺母 ， 取5 05. 此段裝有軸承，取6dd6 此段裝有錘盤，由結(jié)構(gòu)選取7 m1.87 2)確定軸的各段長度： 此段裝有帶輪 ，考慮實際情況1l mdl )725.(3)5.()2.1( 取 m6 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結(jié)構(gòu)選2l l.62 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度 5mm，防塵環(huán)寬度 1mm，取3 3 此段為軸環(huán)長度取4l ml24 此段裝圓螺母和止動墊圈，取5 l5.3 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長度6l 86 此段安裝錘盤，根據(jù)錘盤長度選取 ，其中包括 2mm 的退刀槽。7 ml7 主軸的結(jié)構(gòu)圖如下圖4-1所示： 圖 3-2 主軸結(jié)構(gòu)示意圖 二、傳動軸的設(shè)計： 輸入功率 P=0.0288kw=28w，軸的轉(zhuǎn)速 n2=274r/min，工作載荷比較平穩(wěn)。 （1）估算軸頸 選擇軸的材料 選用 40Cr，調(diào)質(zhì)處理， b=1000MPa， s=800MPa。 初步估算軸外伸端直徑 按扭轉(zhuǎn)強度計算：d 30npA 式中：d計算截面處軸的直徑，mm；n軸的轉(zhuǎn)速，r/min；p軸傳遞的額定功率， kw；A 0按定的系數(shù)。 由參考文獻（機械設(shè)計課本） 14查得 A0=115，額定功率 p=0.0288kw，軸的轉(zhuǎn)速 21 n=274r/min,則 d =5.43mm30npA （2)確定軸的各段直徑： 初估軸的最小直徑 :min mPAd43.52708.1533 查表取 A=115 考慮軸上開鍵槽，對軸強度有削弱計算值放大4%5%，得 ，取md.5d61 軸段 有定位軸肩2d21mh)08.()24.(61 h).07.( 取 m92 其上安裝有滾動軸承，考慮實際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，3d 選取深溝球軸承 選擇軸承代號180200：軸承內(nèi)徑10mm，外徑30mm。 所以此軸段 md103 此軸段為軸環(huán)，4 mhd )2.104.().07.(21034 由結(jié)構(gòu)考慮取 8.4 此段安裝圓螺母，取5dm.5 此段裝有軸承，取6 d106 此段裝有小齒輪， 7 27 （3)確定軸的各段長度： 此段裝有帶輪 ，考慮實際情況取1l mdl )129(6)25.1().(ml 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結(jié)構(gòu)選2l l5.02 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度 9mm，防塵環(huán)寬度 1mm，取3 13 此段為軸環(huán)長度取4l ml34 此段裝圓螺母和止動墊圈，取5 l65 22 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長度6l ml96 此段安裝小齒輪，根據(jù)小齒輪寬度選取 ，其中包括 2mm 的退刀7 l17 槽。 傳動軸的結(jié)構(gòu)圖如下圖 4-1 所示 圖 3-3 齒輪軸 三、從動軸的設(shè)計： 輸入功率 P=0.0271kw,軸的轉(zhuǎn)速 n3=60r/min，工作載荷比較平穩(wěn)。 （1）估算軸頸 選擇軸的材料：選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， b=610MPa， s=360MPa。 初步估算軸外伸端直徑 按扭轉(zhuǎn)強度計算：d （3-2）30npA 式中：d計算截面處軸的直徑，mm； n軸的轉(zhuǎn)速，r/min； p軸傳遞的額定功率，kw； A0按定的系數(shù)。 由參考文獻 14查得 A0=115，額定功率 p=1.05kw，軸的轉(zhuǎn)速 n=360r/min,則 d =8.82mm。30n 當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸頸以考慮鍵槽對軸強度的削弱 取 dmin=40mm 作為軸外伸端直徑，其他部分根據(jù)畫圖設(shè)計情況及軸承的選擇情況 進行設(shè)計。 （2）從動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1)確定軸的各段直徑： 初估軸的最小直徑 :mind 23 (3-3)mnPAd82.6071.533 查表取 A=115 考慮軸上開鍵槽，對軸強度有削弱計算值放大4%5%，得 ，取md2.9d1 軸段 有定位軸肩21mh)148.2()4.(012 ).7.( 取 d32 其上安裝有滾動軸承，考慮實際工作情況，軸承需承受一定沖擊載荷，選 取深溝球軸承， 選擇軸承代號180302：軸承內(nèi)徑15mm，外徑42mm。 所以此軸段 md153 此軸段為軸環(huán)，4 mhd )2.154.().07.(21534 由結(jié)構(gòu)考慮取 8.4 此段安裝圓螺母 ， 取5dm.5 此段裝有軸承，取6 d16 此段裝有大齒輪，由結(jié)構(gòu)選取7 14.57 2)確定軸的各段長度： 此段裝有帶輪 ，考慮實際情況取1l mdl )20()2.()5.1(ml8 其上裝有氈圈，軸承端蓋，氈圈寬度 2mm，考慮結(jié)構(gòu)選2l l162 此段安裝軸承、防塵環(huán)，軸承寬度 13mm，防塵環(huán)寬度 1mm，取3 43 此段為軸環(huán)長度取4l ml54 此段裝圓螺母和止動墊圈，取5 l15 此段裝有軸承跟防塵環(huán)，取長度6l 36 此段安裝大齒輪，根據(jù)大齒輪寬度選取 ，其中包括 2mm 的退刀7 ml47 槽。 （3）驗算軸的彎扭組合強度 軸在載荷作用下，將會產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形，若變形量超過允許的限度，將會影 24 響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C器的工作性能。 齒輪切向力 F =244.8N，徑向力 F =91.8N，軸向力 F =61N， =591.6N。t r a3r 圖 3-4 從動軸受力圖 圖 3-5 從動軸的力及彎矩圖 在 V 面上： =0， + = + ； （3-4）xFxr123rF =0， 102+ 22-54156=0 （3-5）AMx2 由（3-4） （3-5）得 =1181.6N， =302.7N，M =-153423.6Nmm。xr1rv 在 H 面上： =0， + = （3-6）yyr12t =0, 54- 69=0 （3-7）crF12 由（3-6） （3-7）得 =53.7N， =191.1N，M =2899.8Nmm。yryrF2H 總彎矩 M= =153400 Nmm2vHM 當(dāng)量應(yīng)力為： = = = （3-8）caWT 22)(3221.0)(dT 式中 ca軸的計算應(yīng)力，單位 MPa；M所受的彎矩，Nmm；T所受的扭矩， Nmm；W軸的抗彎截面系數(shù)，mm 3。 當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取 0.3。因此，最大截面處的當(dāng)量應(yīng)力 1=24MPa -1，符合條件。 3.2.5 鍵聯(lián)接的選擇及校核計算 25 輸出軸與大齒輪聯(lián)接用平鍵聯(lián)接 軸徑 d1=10mm,L1=18mm 查手冊得，選用 C 型平鍵，得： 鍵型號為： C 44 GB1096-79 l=L1-b=18-4=14mm T2=100.4Nm h=4mm 根據(jù)公式得 p=4T2/dhl=4100.4/4414 =1.8Mpa R(110Mpa) 26 4 機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與選型 4.1 單片機 PIC16F877 單片機是將中央處理器（CPU） 、隨機存儲器（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的核心，它包括運算器、控制器和寄存器 3 個主要部分。存 儲器按工作方式可分為、隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ ROM） 。RAM 可以隨機地被 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的 I/O 端口讀入 單片機的。單片機計算的所有結(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）定時器 TMR0 模塊：是一個 8 位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用。 （7）定時器 TMR1 模塊：是一個 16 位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用， 并且可以與捕捉/比較/脈寬調(diào)制 CCP 模塊配合實現(xiàn)捕捉和比較功能。 （8）定時器 TMR2 模塊：是一個 8 位寬的可編程的定時器，也可作為計數(shù)器使用， 并且可以與捕捉/比較/脈寬調(diào)制 CCP 模塊配合實現(xiàn)捕捉和比較功能。 （9）EEPROM 數(shù)據(jù)存儲模塊：是 2568 的電可擦寫的存儲器，儲存的內(nèi)容掉電也 不會丟失。 （10）A/D 轉(zhuǎn)換器模塊：具有 8 個輸入通道和 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內(nèi)部處理的數(shù)字量。 （11