【正文】 ...................................21 子車(chē)的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)部分及機(jī)械手開(kāi)合部分電路設(shè)計(jì)方案 ...............................................21 子車(chē)變速控制兩種方案的比較 ...........................................................................................22 方案一：改變電樞回路外串電阻值，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)速率 ...............................................22 方案二：晶體管脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng) .........................................................................24 單片機(jī)模擬 PWM 控制信號(hào)設(shè)計(jì) ................................................................................................29 理論方案 ...............................................................................................................................29 單片機(jī)資源的分配 ...............................................................................................................30 母車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)........................................................................................................................31第五章 登月車(chē)機(jī)械部分計(jì)算說(shuō)明書(shū).....................................................................................................32 設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)............................................................................................................................32 子車(chē)的行走部分設(shè)計(jì)計(jì)算............................................................................................................32 基于 PROE 的子車(chē)重量計(jì)算。前蘇聯(lián)發(fā)射的月球探測(cè)器為“月球”系列，美國(guó)為“徘徊者”系列和“探測(cè)者”系列。　 1961 年 5 月，美國(guó)宣布實(shí)施“阿波羅”登月計(jì)劃，這項(xiàng)計(jì)劃歷時(shí) 11 年，耗資 255 億美元。1972 年美國(guó)“阿波羅計(jì)劃”結(jié)束以后，由于探月活動(dòng)耗資巨大，人類(lèi)對(duì)月球的考察幾乎停滯。1998 年 1 月 6 日發(fā)射升空的以繪制月球表面地形圖、分析月球地質(zhì)結(jié)構(gòu)和尋找月球存在冰或水證據(jù)等為目的的“月球勘探者”號(hào)探測(cè)器，于 1999 年７月完成使命。美宇航局希望這一項(xiàng)目能成功找到月球存在水的證據(jù)，以利未來(lái)宇航員登陸月球并建立長(zhǎng)期基地。而“月球基地計(jì)劃”的重點(diǎn)在于人類(lèi)如何完成探索月球的任務(wù)，根據(jù) NASA 月球基地小組的研究，最好的方式是在月球極地附近建立以太陽(yáng)能為能源的基地。第三階段則是在 2022年后建立月球基地?！　∮《葒?guó)家太空宇航研究所宣布，將在 2022 年獨(dú)立發(fā)射小型無(wú)人月球衛(wèi)星，2022 年向月球發(fā)射印度自行研制的第一艘飛船“月球飛船一號(hào)” 。8 月 16 日，中國(guó)衛(wèi)星專(zhuān)家表示，中國(guó)第一顆人造月球衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”的奔月路線已經(jīng)確定。月面巡視探測(cè)器簡(jiǎn)稱(chēng)月球車(chē)，是探月工程探測(cè)器系統(tǒng)的重要組成部分。本設(shè)計(jì)要求對(duì)“登月車(chē)”機(jī)器人模型玩具進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、校核、選型，以實(shí)現(xiàn)玩具廠家指定的功能，并整理成書(shū)面報(bào)告；要求繪制“登月車(chē)”模型玩具的整車(chē)裝配圖或結(jié)構(gòu)圖；要求獨(dú)立繪制車(chē)體部分裝配圖或部分組成部件的元件圖；要求獨(dú)立設(shè)計(jì)“登月車(chē)”模型玩具的電子控制系統(tǒng)，并繪制相應(yīng)的電路圖，編制相應(yīng)的控制程序?！　C(jī)器人技術(shù)作為 20 世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一，自 60 年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷 40 年的發(fā)展已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。在現(xiàn)實(shí)生活中有些工作會(huì)對(duì)人體造成傷害，比如噴漆、重物搬運(yùn)等；有些工作要求質(zhì)量很高，人難以長(zhǎng)時(shí)間勝任，比如汽車(chē)焊接、精密裝配等；有些工作人無(wú)法身臨其境，比如火山探險(xiǎn)、深海探密、空間探索等；有些工作不適合人去干，比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調(diào)的重復(fù)性勞作等；這些都是機(jī)器人大顯身手的地方。還有人認(rèn)為機(jī)器人上崗，工人就會(huì)下崗，無(wú)形中把機(jī)器人當(dāng)成了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，他們沒(méi)有想到機(jī)器人會(huì)為人做許多有益的事情，會(huì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，給人類(lèi)創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會(huì)。就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說(shuō)之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想?！　?920 年捷克作家卡雷爾在該劇中，機(jī)器人按照其主人的命令默默地工作，沒(méi)有感覺(jué)和感情，以呆板的方式從事繁重的勞動(dòng)?！　〉菣C(jī)器人不知道如何制造它們自己，認(rèn)為它們自己很快就會(huì)滅絕，所以它們開(kāi)始尋找人類(lèi)的幸存者，但沒(méi)有結(jié)果。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步很可能引發(fā)人類(lèi)不希望出現(xiàn)的問(wèn)題。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)則。另一個(gè)是加藤一郎提出的具有如下 3 個(gè)條件的機(jī)器稱(chēng)為機(jī)器人：　　1，具有腦、手、腳等三要素的個(gè)體；　　2，具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠(yuǎn)方信息）和接觸傳感器；　　3，具有平衡覺(jué)和固有覺(jué)的傳感器?！　C(jī)器人的定義是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性。 ”　　我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器” 。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。 機(jī)器人分類(lèi)關(guān)于機(jī)器人如何分類(lèi)，國(guó)際上沒(méi)有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。數(shù)控型機(jī)器人 不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過(guò)數(shù)值、語(yǔ)言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。智能機(jī)器人 以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。本文中提到的登月車(chē)實(shí)際上就是種類(lèi)繁多的工業(yè)機(jī)器人在太空中的應(yīng)用。目前已經(jīng)出現(xiàn)的行駛機(jī)構(gòu)主要有履帶式、腿式和輪式，其中輪式的效率最高，但適應(yīng)能力最差，而腿式的適應(yīng)能力最強(qiáng)但效率最差。目前，3D 預(yù)測(cè)仿真圖形是解決大時(shí)延遙操作的主要方法，為此需建立登月車(chē)和月球環(huán)境的預(yù)測(cè)仿真圖形顯示系統(tǒng)，在良好人機(jī)界面的條件下進(jìn)行遙操作。 （5）信號(hào)的壓縮、傳輸與恢復(fù) 對(duì)在大時(shí)延、數(shù)據(jù)傳輸帶寬有限條件下的信號(hào)壓縮、傳輸與恢復(fù)技術(shù)的研究。設(shè)計(jì)的登月車(chē)能夠在限定的時(shí)間（十分鐘）內(nèi)完成以下動(dòng)作：1）登月車(chē)攜帶紅旗翻越障礙。 （2）登月車(chē)的驅(qū)動(dòng)可采用各種形式的原動(dòng)機(jī)，不允許使用人力直接驅(qū)動(dòng)，若使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其電源應(yīng)為安全電源。50、 216。（3）木塊尺寸：216。3300。虛擬制造技術(shù)是多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的綜合集成與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)仿真、建模和優(yōu)化技術(shù)是虛擬制造的核心與關(guān)鍵技術(shù)。該環(huán)境由以下幾個(gè)部分組成：主控制界面、參數(shù)化CAD／CAM 系統(tǒng)、虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境、虛擬裝配環(huán)境、虛擬加工環(huán)境，機(jī)床建模環(huán)境和數(shù)據(jù)集成管理模塊。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，用戶可通過(guò)主控制界面選擇進(jìn)入相應(yīng)虛擬環(huán)境來(lái)檢驗(yàn)零件設(shè)計(jì)或制造設(shè)想。CAD／CAM 技術(shù)已逐漸步入了成熟和商品化，在構(gòu)建該虛擬設(shè)計(jì)與制造環(huán)境時(shí)，認(rèn)為可以充分利用現(xiàn)有成熟的CAD／CAM 軟件，使環(huán)境的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)側(cè)重于虛擬環(huán)境的建設(shè)上。該虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境將參數(shù)化CAD／CAM 系統(tǒng)的優(yōu)越的設(shè)計(jì)能力與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的更自然的三維交互手段相結(jié)合，更加方便設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行。虛擬加工環(huán)境給設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)測(cè)試NC代碼的手段。機(jī)床建模環(huán)境用于創(chuàng)建虛擬機(jī)床，用戶利用這些工具可以模仿真實(shí)機(jī)床的相應(yīng)功能來(lái)建立相應(yīng)的虛擬加工機(jī)床。使用這種方式可以很有效地對(duì)程序進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展，便于系統(tǒng)調(diào)試。虛擬加工機(jī)床是真實(shí)設(shè)備功能特性及形狀特征的信息在虛擬環(huán)境中的映射。系統(tǒng)構(gòu)造的裝配適用于描述由Pro／Engineer創(chuàng)建的裝配模型，該類(lèi)中包含了零件裝配所需的相關(guān)信息，如零件列表、裝配順序以及裝配零件之間的約束等。運(yùn)動(dòng)控制模型反映了設(shè)備的各種控制功能，它根據(jù)外部輸人的控制信息，進(jìn)行處理、判斷，并輸出相應(yīng)的控制信息，驅(qū)動(dòng)相關(guān)幾何模型位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備行為的虛擬化。操作人員可以通過(guò)直接三維操作直觀地選擇零部件并進(jìn)行拆卸規(guī)劃，通過(guò)實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)機(jī)制自動(dòng)保證拆卸過(guò)程的有效性。用戶可以利用模塊直接訪問(wèn)和修改Pro／E創(chuàng)建的零件數(shù)據(jù)，利用Pro／Develop不僅可以獲得零件的幾何信息，同時(shí)還提供了訪問(wèn)模型裝配信息的能力，從而為虛擬設(shè)計(jì)和裝配環(huán)境提供所需的零件模型和裝配信息。該工具包由C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用了面向?qū)ο蟮姆椒?。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境如圖3所示。例如復(fù)雜曲面的產(chǎn)品造型，多采用 Pro/Engineer軟件的使用來(lái)完成虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，使設(shè)計(jì)人員真正參與到虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)中來(lái)，有利于設(shè)計(jì)人員的積極性與創(chuàng)造性的發(fā)揮。因此，登月車(chē)玩具模型的設(shè)計(jì)思路，決定采用 Pro/Engineer 來(lái)對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械部分進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，對(duì)性能和各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面的檢驗(yàn)，對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行 1：1 三維造型后，進(jìn)行模擬裝配，從而能夠在設(shè)計(jì)階段有效的保證設(shè)計(jì)的可靠性。橋梁車(chē)的主要功能是 1）在一般的情況下，橋梁車(chē)裝載著登陸車(chē)實(shí)現(xiàn)共同的移動(dòng)，如圖33 所示； 2）在遇到障礙時(shí)，橋梁車(chē)?yán)米陨碚归_(kāi)的坡面協(xié)助登陸車(chē)翻越障礙物（PVC 管） ，如圖 24 所示。在登陸車(chē)完成一系列的后續(xù)工作之后，登陸車(chē)再借助這相連的兩坡面返回至橋梁車(chē)的車(chē)身，隨后由曲柄連桿組合機(jī)構(gòu)收回展開(kāi)的坡面，最后由橋梁車(chē)裝載著登陸車(chē)一起返回終點(diǎn)。在登陸車(chē)車(chē)廂內(nèi)另布置一個(gè)控制機(jī)械手上下翻轉(zhuǎn)的電機(jī)，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)以登陸車(chē)翻轉(zhuǎn)軸為支點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的上下翻轉(zhuǎn)，如圖 37?？紤]到這一缺點(diǎn)，我想到不用電機(jī)實(shí)現(xiàn)木塊翻面動(dòng)作，而由機(jī)械手的特殊結(jié)構(gòu)借助木塊本身的重力完成的。夾持塊抓住木塊后，登陸車(chē)上的翻轉(zhuǎn)提升/下降電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手向上抬。 圖 39 行走機(jī)構(gòu)如圖 39 是登月車(chē)子車(chē)的行走機(jī)構(gòu)，由于用的是減速電機(jī)，所以不再裝減速齒輪箱了，進(jìn)而減輕了車(chē)子的重量，改善了車(chē)子內(nèi)部機(jī)構(gòu)。后輪的固定是個(gè)問(wèn)題，較簡(jiǎn)單的辦法是直接將輪子裝在減速電機(jī)的輸出軸上，但這樣不容易實(shí)現(xiàn)輪子的軸向定位，雖然可以用個(gè)螺釘固定，但安裝不方便。后輪軸末端銑成上下平面，用來(lái)起到和鍵槽配合同樣的作用，能夠傳送較大的扭矩。在一般的履帶傳動(dòng)的機(jī)械中如坦克在前后輪之間會(huì)有輔助輪，而在這里卻沒(méi)有，這是為什么呢？因?yàn)榻?jīng)過(guò)實(shí)際的多次實(shí)驗(yàn)得出，在此設(shè)計(jì)中，前后輪之間的距離很短，不會(huì)產(chǎn)生履帶松弛現(xiàn)象，輔助輪在這沒(méi)有實(shí)際的意思，若加上輔助輪只會(huì)增加機(jī)構(gòu)的復(fù)雜和總體的重量，減弱了登月車(chē)的靈活性。 母車(chē)行走機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)母車(chē)采用四輪驅(qū)動(dòng)，不再采用履帶帶動(dòng)。]第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 子車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)子車(chē)控制系統(tǒng)采用 80C51 為核心的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)控制，采用 12V/5V 直流電源供電，手柄線控方式操作。左電機(jī)正轉(zhuǎn)，右電機(jī)反轉(zhuǎn)，子車(chē)向右轉(zhuǎn)。 子車(chē)的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)部分及機(jī)械手開(kāi)合部分電路設(shè)計(jì)方案子車(chē)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，只需要控制機(jī)械臂電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)既可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的上下運(yùn)動(dòng)。倘若要實(shí)現(xiàn)子車(chē)加速，減速，則需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)．由文獻(xiàn)[19，311]可知直流永磁電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程為： （41）2URadnTKet????可知，改變串入電樞回路的電阻 Rad 或者電樞供電電壓 U，都可以得到不同的人為機(jī)械特性。(如圖 41)但缺點(diǎn)是：，而且由于電阻在不同的溫度下有不同的電阻率，會(huì)影響變速的效果。 （如圖 42） ，并可以進(jìn)行啟動(dòng)控制和速度調(diào)節(jié)。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率 [20]。PWM 控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生了十分深遠(yuǎn)影響 PWM 電路，是 PWM 控制技術(shù)應(yīng)用較早也成熟較早的一類(lèi)電路，應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就構(gòu)成廣泛應(yīng)用的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) [21]。直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本主電路如圖 43 所示。設(shè)矩形波的周期為 T，正向脈沖寬度為 t1，并設(shè) 為占空比。UssssM 圖 43在電樞電感 La 中產(chǎn)生的自感電勢(shì) 的作用下，電樞電流 ia 沿回路 2（經(jīng)過(guò) V2 和diaLtV3）繼續(xù)從 B 流向 A，電動(dòng)機(jī)仍然工作在電動(dòng)狀態(tài)。假若在 t＝t3 時(shí)，反向電流（－ia）衰減到 0，那么在 t3t=t4 期間，在電源電壓 Us 作用下，VT1 和 VT4 就可以導(dǎo)通，電樞電流又沿著回路（經(jīng)過(guò) VT1 和VT4）從 B 流向 A,電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，如圖（ d）所示。，