【正文】 in advance but not with human management. So, it can be applied in the field of scientific exploration and so on. In recent years, ultrasound has bee the main way in the field of the robot navigations. Ultrasonic just like the robot39。 超聲波導(dǎo)航定位通常是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，超聲波在介質(zhì)中遇到障礙物而返回到接受裝置。 1959 年，美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，取名“尤尼 梅遜”，意為“萬(wàn)能自動(dòng)”。第一代機(jī)器人是 簡(jiǎn)單的示教再現(xiàn)型機(jī)器人，這類(lèi)機(jī)器人需要使用者事先教給它們動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)路徑，再不斷地重復(fù)這些動(dòng)作。它不但有第二代機(jī)器人的感覺(jué)功能和簡(jiǎn)單的自適應(yīng)能力，而且能充分識(shí)別工作對(duì)象和工作環(huán)境，并能根據(jù)人給的指令和它自身的判斷結(jié)果自動(dòng)確定與之相適應(yīng)的動(dòng)作。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類(lèi)的各 種先進(jìn)機(jī)器人，包括：家務(wù)型機(jī)器人、操作型機(jī)器人、程控型機(jī)器人、示教再現(xiàn)型機(jī)器人、數(shù)控型機(jī)器人、感覺(jué)控制機(jī)器人、適應(yīng)控制型機(jī)器人、學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人、智能機(jī)器人等。 學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人：能 “體會(huì) ”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所 “學(xué) ”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。這主要?dú)w功于法國(guó)政府一開(kāi)始就比較重視機(jī)器人技術(shù)，特別是把重點(diǎn)放在開(kāi)展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。經(jīng)過(guò) 20 年的努力，前蘇聯(lián)的機(jī)器人在數(shù)量、質(zhì)量水乎上均處于世界前列地位。此時(shí)，日本價(jià)廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國(guó)市場(chǎng)??這使“山姆大叔”后悔不已。 移動(dòng)機(jī)器人國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 6 “七五 ”期間，國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，研制出噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人等五類(lèi)機(jī)型。一方面，在產(chǎn)業(yè)化上與國(guó)際上有著一定的差距 ?？傮w上看，我國(guó)機(jī)器人研究仍然任重而道遠(yuǎn)。 四輪 ：四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于三輪機(jī)構(gòu)，但同三輪機(jī)構(gòu)相比，四輪機(jī)構(gòu)的確定在于其回轉(zhuǎn)半徑較大，轉(zhuǎn)向不靈活。 三輪全驅(qū)動(dòng)全導(dǎo)向 具有很高的運(yùn)動(dòng)靈活性，但是該機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，完成每個(gè)動(dòng)作都需對(duì) 6 個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行合理控制，且對(duì)于方向和驅(qū)動(dòng)的伺服控制精度有較高的要求，控制難度較大。 步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。不能得到電機(jī)的較低轉(zhuǎn)速。 傳動(dòng)方式主要對(duì)比齒輪傳動(dòng) [6]和帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)來(lái)確定： 帶傳動(dòng)是利用張緊在帶輪上的柔性帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力傳遞的一種 機(jī)械傳動(dòng) 。因此，鏈傳動(dòng)多用在不宜采用帶傳動(dòng)與 齒輪傳動(dòng) ，而兩軸平行，且距離較遠(yuǎn)，功率較大，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確的場(chǎng)合。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類(lèi)。增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無(wú)限累加和測(cè)量。 PLC 和單片機(jī)都可以作為機(jī)器人的控制系統(tǒng)。因?yàn)槠鋬r(jià)格較高，一般都是附加值較高的自動(dòng)控制系統(tǒng)才會(huì)考慮。它相當(dāng)于移動(dòng)機(jī)器人的感覺(jué)器官，把 探知的信息傳遞給其他裝置 。 缺點(diǎn)是需要注意人體安全，且制做的難度較大，成本較高，而且光學(xué)系統(tǒng)需要保持干凈，否則將影響測(cè)量。 超聲波環(huán)避免了機(jī)器人經(jīng)常轉(zhuǎn)身，節(jié)省了時(shí)間，提高了機(jī)器人的靈活性。mg=*40*= 通過(guò)網(wǎng)上查找 ,電機(jī)的效率大約為 80％ ,所以機(jī)器人電機(jī)克服摩擦力的功率 P實(shí)際=F 減速 箱 [8]輸出扭矩為 : T = 9550W/n i η = 9550 12 92% = N*M 其中： W 是指步進(jìn)電機(jī)功率； n 是指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速； i 是傳動(dòng)比； η是步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械效率 通過(guò)查找資料 ,確定減速箱第一級(jí)模數(shù) m1=,傳動(dòng)比 i1=3,小齒輪 [9]齒數(shù) 25,參數(shù)名稱(chēng) 參數(shù)數(shù)值 輸出功率 35W 額定電壓 24V 額定電流 轉(zhuǎn)速 720n/m 轉(zhuǎn)矩 *M 減 速器的確定 減速箱齒輪的確定 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 17 大齒輪齒數(shù) 75。 當(dāng)所在計(jì)算載面軸段開(kāi)有鍵槽時(shí)，由上式算得的直 徑應(yīng)增大 3%～ 5%（開(kāi)一個(gè)鍵槽）或 7%～ 10%（開(kāi)兩個(gè)鍵槽），然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑 . 通過(guò)如果減速器輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)軸相聯(lián)接，則外伸段軸徑與電動(dòng) ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 18 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(shuō)，減速器輸入軸軸端直徑和電動(dòng)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)。當(dāng)滾動(dòng)軸承受純軸向載荷時(shí)，一般選用推力軸承；當(dāng)滾動(dòng)軸承受純徑向載荷時(shí)，一般選用深溝球軸承或短圓柱滾子軸承；當(dāng)滾動(dòng)軸承受純徑向載荷的同時(shí)，還有不大的軸向載荷時(shí)，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(shí)，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(shí)尤為適宜 。如：薄璧結(jié)構(gòu)、空心軸等尺寸受限制的場(chǎng)合 C）導(dǎo)向平鍵：具備平鍵聯(lián)接的特點(diǎn)，鍵固定在軸上， 但所聯(lián)接的軸與輪 轂?zāi)墚a(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，用于動(dòng)聯(lián)接。則根據(jù)圖 41 可得 XP=XM+lcos（ θ＋ β） 41 Yp=YM+lsin（ θ＋ β） 對(duì)上面兩個(gè)方程的左右兩端分別對(duì)時(shí)間 t 求導(dǎo)得 ? ?? ???? ??? ??? ?? c o sl s inlXX MP ??? ???MP YY 42 對(duì)于圖 41 所示的移動(dòng)平臺(tái)模型，可將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪簡(jiǎn)化為居于軸連線中點(diǎn) M處的單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，則該虛擬單輪系統(tǒng)所受非完整約束為 0co ss in ?? ?? MM YX ?? 43 結(jié)合式 42 和 43 可得 0co sco ss in ??? ???? ??? lYX PP 44 即 PX? ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 22 [sinθ,cosθ,lcosβ] PY? = 0 45 ?? 該式即為利用參考點(diǎn) P的坐標(biāo)和航向角 θ作為廣義坐標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述下的系統(tǒng)所受的非完整運(yùn)動(dòng)約束方程。轉(zhuǎn)彎半徑可以從 0 到無(wú)窮大變化，這是雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的一個(gè)顯著特點(diǎn) . 電子元件的選型 開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 LM7824 是三端固定穩(wěn)壓器。 主要特點(diǎn)： 具有信號(hào)指示。程序、數(shù)據(jù)以及外部的所有信息都是通過(guò)單片機(jī)的 I/O 端口讀入單片機(jī)的。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如 86BYG250A 型電機(jī)給出的值為 176。、三相的為176。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。其基本原理作用如下： (1)控制換相順序 通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。本設(shè)計(jì)是單片機(jī)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。這種編碼器由光源、碼盤(pán)和光電敏感 元件組成。在 M M2 電機(jī)上裝有能夠檢測(cè)其轉(zhuǎn)速的兩路光電編碼器 ，當(dāng)機(jī)器人起動(dòng)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 光電編碼器即將電 機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，兩路光電編碼器的信號(hào)分別送給倍頻器和鑒向器，進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的檢測(cè)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向信號(hào)輸送給單片機(jī)， CPU 經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)挠?jì)算得到兩電機(jī)在固定時(shí)間段內(nèi)的平均速度。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng) 強(qiáng) ，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。構(gòu) 成晶片的材料可以有許多種。 （ 3）靈敏度。 如超聲波傳感器，一個(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。為了以超聲波作為檢測(cè)手段， 必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部?jī)?nèi)側(cè)。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。完成這種功 能的??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 29 裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲換能器，或者超聲探頭 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。在開(kāi)縫圓盤(pán)的兩側(cè)分別安裝光源和光敏元件，通常不但要求光源具有較高的可 靠性，而且要求光源的光譜要和光電敏感元件相適應(yīng)，光源的工作溫度范圍要寬。步進(jìn)電機(jī)只是根據(jù)輸入脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)和停止，適合于位置控制，把運(yùn)動(dòng)所??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 27 必需的脈沖數(shù)，以動(dòng)作所需要的速度輸入給電機(jī)，就能夠正確的控制位置而運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。 步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)： （ 1） 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。 。），這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為 ?電機(jī)固有步距角 ?，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。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(wú)累積誤差等特點(diǎn)。 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(gè)主要部分。它具有兩抑制輸入來(lái)使器件不受輸入信號(hào)影響。 平臺(tái)方向的改變只能通過(guò)兩個(gè)輪子之間的速度差值實(shí)現(xiàn)，而平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡則由一系列繞瞬時(shí)圓心旋轉(zhuǎn)的小段圓弧組成。 箱體 x 方向大概尺寸 170mm， y 方向大概尺寸 70mm，箱體壁厚為 8mm。工作時(shí)，靠鍵與鍵槽側(cè)面的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。 齒輪箱軸承的確定 將運(yùn)轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機(jī)械元件，叫滾動(dòng)軸承 [11]（ rolling bearing）。mm。所以總傳動(dòng)比 i 總 為： i 總 =720n/m： 60n/m=12 本文采用兩級(jí)圓柱齒輪減速器進(jìn)行減速，綜合考慮，本文決定用分流式（結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于齒輪相對(duì)于軸承對(duì)稱(chēng)布置，與展開(kāi)式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。 圖 22 多 超聲波循環(huán)發(fā)射時(shí)序圖 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 15 3 超聲波移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 從機(jī)器人是實(shí)際運(yùn)動(dòng)出發(fā)考慮，機(jī)器人的速度不能太快，否則會(huì)造成控制部分來(lái)不及處理和發(fā)送信號(hào)，電機(jī)不能及時(shí)做出反應(yīng)，從而使機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程中無(wú)法做出相應(yīng)的動(dòng)作。超聲波傳感器具有一定的擴(kuò)散特性，發(fā)射的超聲能量主要集中在主波瓣上，沿著主波軸兩側(cè)呈波浪型衰減，左右約 30176。所以紅外測(cè)距傳感器不適合應(yīng)用在本文中。相當(dāng)于一個(gè)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。 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(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和 超聲波移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 13 中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)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(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。 1． 絕對(duì)式編碼器（ Absolute encoder） 絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì) 數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。 圓柱斜齒輪除可用于平行中傳動(dòng)，還可用于交叉軸傳動(dòng)（螺旋齒輪機(jī)構(gòu)）其特點(diǎn)：重合系數(shù)大，傳動(dòng)平穩(wěn)，齒輪強(qiáng)度高，適于重負(fù)載，相比直齒而言：斜齒有軸向力 ，價(jià)格太貴 。按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。 ，一般需用齒輪減速裝置； 小型數(shù)控機(jī)床。 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制造成本更低。其中 交流電機(jī)：輸 出或輸入為交流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱(chēng)為交流電機(jī)，是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。 三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu) 特點(diǎn) 兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)靈活，機(jī)構(gòu)組成簡(jiǎn)單；當(dāng)兩輪轉(zhuǎn)速大小相等方向相反時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本 體的零半徑回轉(zhuǎn)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)中心位于連接兩輪驅(qū)動(dòng)軸的直線上。本文選擇輪式機(jī)器人。 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室定位于為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、國(guó)家安全和重大科學(xué)工程提供所需要的機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)，研究機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)理論與方法、發(fā)展可行技術(shù)和平臺(tái)樣機(jī)系統(tǒng)，培養(yǎng)和匯聚從事機(jī)器人學(xué)研究的高水平人才，推動(dòng)我國(guó)先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割等各種用途的工業(yè)機(jī)器人相繼出爐，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地。 1972 年，在中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所里，被譽(yù)為 “中國(guó)機(jī)器人之父 ”的蔣新松在諸多爭(zhēng)議聲中開(kāi)始了機(jī)器人研究。日本政府一方面在經(jīng)濟(jì)上采取了積極的扶植政策，鼓勵(lì)發(fā)展和推廣應(yīng)用機(jī)器人，另一方面，國(guó)家出資對(duì)小企