【正文】 單、傳動平穩(wěn) ， 且其造價低廉、不需潤 滑、維護容易等特點。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。 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計方案 控制系統(tǒng)的選擇 PLC ( Programmable logic Controller) ]7[ ，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。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。 :兩個電機以相同的速度和轉(zhuǎn)向運動。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。選用轉(zhuǎn) 速低的電動機則情況相反。因此有 31?i ， 52?i ； 傳動裝置的運動和動力參數(shù)如下表： 表 設(shè)計參數(shù) 電動機軸 1 軸 2 軸 3 軸 工作軸 轉(zhuǎn)速（ r/min） 1500 1500 500 100 100 功率 p（ w） 40 轉(zhuǎn)矩 T （ N m? ） 傳動比 i 1 3 5 1 效率 1 傳動零件的設(shè)計計算 圓錐齒輪傳動 ]6[ 的設(shè)計計算 已知輸入功率 Wpp m ?? 聯(lián)? (35) 小齒輪的轉(zhuǎn)速 ?1n min/1500 rnm ? ，大齒輪的轉(zhuǎn)速 m in/500112 rinn ?? 。 2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ?FNK ， ?FNK 3) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=，則， M P aSK FEFNF ][ 111 ?? ?? (318) MPaSK FEFNF 4 4][ 222 ?? ?? 4)載荷系數(shù) K= 5）節(jié)圓錐角 01 r c ta n ?? u? (319) 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 15 ooo ???? 6）當(dāng)量齒數(shù) 24c os 111 ?? ?zZV (320) 218c os 222 ?? ?zZV 7）查取齒形系數(shù) ?FaY ?FaY 8）查取應(yīng)力校正系數(shù) ?SaY ?SaY 9）計算大小齒輪的][ FSaFaYY?，并加以比較 ?][ 1 11FSaFaYY? ?][ 2 22FSaFaYY? 大齒輪的數(shù)值大 4 設(shè)計計算 1 6 4 *13*23*)31*(31 4 7**43 22 ????m 綜合分析考慮，取 m=， 271?z ， 812?z （ 1）幾何尺寸計算 1）計算大端分度圓直徑 mmd 141 ? mmd 412 ? 2）計算節(jié)錐頂距 mmudR 2 ??? (321) 3）節(jié)圓錐角 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 16 ?? ?? 4）大端齒頂圓直徑 o s**214c o s2 111 ????? oa mdd ? (322) o s**241c o s2 222 ????? oa mdd ? 5)、齒寬 ??? Rb R? ? (323) 取 721 ??bb 圓柱齒輪傳動的設(shè)計計算 設(shè)計參數(shù) htirnrnmNTWp24000。 3) 取抗彎疲勞安全系數(shù) ?FS ， 所以 [ F? ] M P aSK FEFN 2 5 0 1 ???? ? (337) [ F? ] M P aSK FEFN 5 3 8 2 ???? ? 4) 計算載荷系數(shù) ?????? ?FavA KKKKK (338) 5) 查的齒形系數(shù) , 21 ?? FaFa YY 6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 7 8 ,5 7 21 ?? SaSa YY 7)計算大 ,小齒輪的 ? ?FSaFaYY? 并加以比較 ? ? 01 31 157 111 ???FSaFa YY ? ? ? 01 5 22 ???F SaFa YY ? 大齒輪的數(shù)值大 (2)設(shè)計計算 ? ? 1 5 4 )(2 3 23 21 1 ??? ???? F SaFad YYzKTm ?? 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) , 并 就近 圓 為標(biāo) 準(zhǔn) 值 mmm ? , 按 接 觸強 度 算得 的 分度 直 徑mmd ? ,由此可得 241?z 1202 ?z 。 — 將轉(zhuǎn)矩折合成當(dāng)量彎矩的折算系數(shù)力 當(dāng)所在計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。 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，起本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 21 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。一般運用于轉(zhuǎn)速 n小于 250r/min,軸的剛度較大，無劇烈沖擊處。 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，不僅可以補償兩軸間的相對位移，而且具有緩沖減振的能力。缺點是徑向尺寸較大；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。 4 視覺移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計 機器人電子元件的選型 單片機 PIC16F877 ]2[ 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。 （ 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。 （ 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。 MCLR（ 1 引腳）：人工復(fù)位輸入端。 直流無刷電機 無刷直流電機 ]3[ 由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。有時候把前一種叫直流無刷電機，后一種叫交流 伺服電機 ，確切地講是交流伺服電動機的一種。系統(tǒng)通過圖像傳感器獲取圖像并傳入計算機，由計算機完成圖像處理任務(wù)。 CMOS 傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但 CCD 傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到 1218V；因此， CCD 傳感器除了在電源管理電路設(shè)計上的難度更高之外 (需外加 power IC)，高驅(qū)動電壓更使其功耗遠高于CMOS 傳感器的水平。增加了視覺系統(tǒng)的機器人，其自主和自適應(yīng)能力可以大大提高。 無刷直流電機（ BLDCM）是在有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷 力矩電機 。 VSS（ 12， 31 引腳）：接地端。 引腳的基本功能： 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 24 OSC1（ 13 引腳）：時鐘振蕩器輸入端，也是晶振連接端。 （ 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。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)。 C，傳遞的公稱轉(zhuǎn)矩為 16～ 25000Nm。 （ 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。齒輪的齒廓曲線為漸開線，嚙合角為 20176。 （ 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。 減速箱軸承的確定 將運轉(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械元件，叫滾動軸承（ rolling bearing） ]6[ 。 — 軸計算載面上的轉(zhuǎn)矩， N （ 4）選小齒輪齒數(shù) z 241? ，大齒輪齒數(shù) z 1202? 按齒面接觸強度設(shè)計 ? ?3211 )(12HEHdtt ZZiiTKd ?? ??? (324) (1)確定公式內(nèi)的各項參數(shù)值 1)試選載荷系數(shù) ?tK 2）轉(zhuǎn)矩 mmNnPT .7 119 55 0 221 ?? (325) 3)計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 911 )103 0 08(5 0 06060 ???????? hLnN (326) 892 ????N 4） 選取齒寬系數(shù) 1?d? 5）查的材料的彈性影響系數(shù) Z MPaE ? 6）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 MPaFE 6001 ?? ，大齒輪的彎曲疲勞強度極限 MPaFE 5502 ?? 。 2）按齒面的硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限 MPaH 6001lim ?? ，大齒輪的接觸疲勞強度極限 MPaH 5502lim ?? 。 傳動方案的選擇 本次機器人設(shè)計中，采用的減速器結(jié)構(gòu)如下圖所示： 1電動機 2聯(lián)軸器 3減速器 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 12 圖 32 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。 電動機轉(zhuǎn)速的選擇 同一類型、功率相同的電動機有多種轉(zhuǎn)速。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。 :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。 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 。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。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。 經(jīng)過比較，本次設(shè)計使用方案 1。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。無刷直流電機結(jié)構(gòu)更簡單、制造成本更低。 FrontierITM 自主移動機器人作為中國大學(xué)的參賽隊首次參加了 Robocop 中型組比賽。在 1994年 4 月，該機器人通過衛(wèi)星通訊與 Inter 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 進行阿拉斯加火山口觀測，并收集了火山口噴出的氣體樣本。 1973 年到 1979 年，斯坦福大學(xué)人工智能實驗室研制了 CART 移動機器人，CART 可以自主地在辦公室環(huán)境運行。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 3 智能機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 等人研制的機器人，身高 米，是歷史上第一個由計算機控制的自主式智能移動機器人。 3. 機器人的發(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)。 本文設(shè)計的機器人實際上就是一種利用視覺傳感器自動移動的機器裝置， 由視覺傳感器采集圖像，送至上位機分析， 實現(xiàn)路徑識別， 采用單片機控制直流無刷電機實現(xiàn) 對小車速度的控制， 達到運動要求。在美國通用汽車公司 (GM)投入使用，標(biāo)志著第一代機器人的誕生。 關(guān)鍵詞： 移動機器人 單片機 運動控制 視覺傳感器