【正文】 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。mm。工作時(shí)，靠鍵與鍵槽側(cè)面的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。 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。 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。），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)。 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。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)。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。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。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部?jī)?nèi)側(cè)。 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。構(gòu) 成晶片的材料可以有許多種。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。本設(shè)計(jì)是單片機(jī)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。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。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。 主要特點(diǎn)： 具有信號(hào)指示。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。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 。 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。 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。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 。 PLC 和單片機(jī)都可以作為機(jī)器人的控制系統(tǒng)。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類(lèi)。 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) 。 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)。 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。一方面，在產(chǎn)業(yè)化上與國(guó)際上有著一定的差距 。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。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。 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。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。 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)”。 關(guān)鍵詞 ：超聲波；差動(dòng)式；步進(jìn)電機(jī)；移動(dòng)機(jī)器人 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） II Abstract As a modern invention, the new intelligent robot indicate the development of the future, it can operate automatically in the pattern set 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。 ：應(yīng)用單片機(jī)接受超聲波傳感器的信號(hào)，做出決策然后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。超聲波己經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各種移動(dòng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)中，進(jìn)行導(dǎo)航與避障。因此這類(lèi)機(jī)器人又被稱(chēng)為自適應(yīng) 機(jī)器人。 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)。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。 這一系列扶植政策，使日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來(lái)，經(jīng)過(guò)短短的十幾年，到 80 年代中期，已一躍而為“機(jī)器人王國(guó)”，其機(jī)器人的產(chǎn)量和安裝的臺(tái)數(shù)在國(guó)際上躍居首位。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制成功的 6000 米水下機(jī)器人，能夠無(wú)纜進(jìn)行作業(yè)，獲得 2020 年國(guó)家十大科技成果之一。 輪式機(jī)器人根據(jù)車(chē)輛的數(shù)量和種類(lèi)可以分為獨(dú)輪、雙輪、三輪、四輪、多輪等。主要分為同步交流電機(jī)和異步交流電機(jī)兩種。 步進(jìn)電機(jī) ； ； 3．有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性； 4．優(yōu)秀的 起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng) 5． 沒(méi)有電刷，可靠性較高，電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命； 6． 電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開(kāi)環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡(jiǎn)單而且控制成本較低； 7． 僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。 錐齒輪具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點(diǎn) ,用于高速重載的場(chǎng)合。 測(cè)速度需要可以無(wú)限累加測(cè)量，目前增量型編碼器在測(cè)速應(yīng)用方面仍處于無(wú)可取代的主流位置。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。的擴(kuò)散角。中間軸危險(xiǎn)截面上的轉(zhuǎn)矩只相當(dāng)于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半。 滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成。 減速箱簡(jiǎn)略圖如圖 33 所示： 圖 33 4 超聲波移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 21 差分驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 采用雙 輪差分驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)如圖 41 所示。每橋的三極管的射級(jí)是連接在一起的，相應(yīng)的外接線端可用來(lái)連接外設(shè)傳感電阻。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。在沒(méi)有細(xì) 分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶(hù)主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。光電敏感 元件可以采用光電二極管、光電晶體管或硅光電池。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。 超聲波傳感器及其測(cè)距原理 超聲波是指頻率高于 20KHz 的機(jī)械波。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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)。 編碼器的應(yīng)用及測(cè)速控制 增量式光學(xué)編碼器（即光電碼盤(pán)）能夠以數(shù)字的形式確定被測(cè)旋轉(zhuǎn)物體相對(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的 瞬時(shí)角位置，若配上相應(yīng)電路還能應(yīng)用于測(cè)量角速度。 （ 4） 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng) ,并伴有嘯叫聲 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。/176。輸入輸出接口是單片機(jī)的重要組成部分。 根據(jù)式 6 可知， M 點(diǎn)的線速度和角速度分別為 ? ?LRMMM wwrYXv ???? 2?? 411 ? ?LRM wwdrw ??? ?? 412 因?yàn)?vM=wMR,可得平臺(tái) M 點(diǎn)處的轉(zhuǎn)彎半徑為 ?????? ???? LR LRMM ww wwdwv 2R 413 由式 413 可以看出：當(dāng) wL=wR 時(shí)，旋轉(zhuǎn)角速度 0??? ，轉(zhuǎn)彎半徑為無(wú)窮大，平臺(tái)做前后方向上的直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng) wL=wR 時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑等于 0，平臺(tái)圍繞 M點(diǎn)做原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。用于較小扭矩的傳 遞。 a—將轉(zhuǎn)矩折合成當(dāng)量彎矩的折算系數(shù)，若扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，； [σ]—軸材料的許多彎曲應(yīng)力， MPa。= 機(jī)器人克服的摩擦力： F 摩 =181。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表， 的優(yōu)點(diǎn)是 能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。大部分用在較大型的 設(shè)備上。 2．增量式編碼器（ Incremental encoder） 增量編碼器是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為一連串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)的旋轉(zhuǎn)式傳感器。 傳動(dòng)方式的選擇 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 11 鏈傳動(dòng) 與 帶傳動(dòng) 相比，無(wú) 彈性滑動(dòng) 和 打滑 現(xiàn)象，平均 傳動(dòng)比 準(zhǔn)確，工作可靠， 效率 高 ；能在高溫、潮濕、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作 僅能用于兩平行軸間的傳動(dòng)；成本高，易磨損，易伸長(zhǎng)，傳動(dòng)平穩(wěn) 性差，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)載荷、 振動(dòng) 、 沖擊 和 噪聲 ，不宜用在急速反向的傳動(dòng)中。 ，調(diào)激磁電壓，適合應(yīng)用在基速以上，弱磁升速。 兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前輪導(dǎo)向 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，方向控制精度更高，運(yùn)動(dòng)更為靈活，但需要對(duì)三輪進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，同步性要求較高，且自轉(zhuǎn)是的本體方向定位精度較低 。 目前我國(guó)機(jī)器人主要朝著仿人仿生方向發(fā)展，已 經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但創(chuàng)新不足仍是主要問(wèn)題。 進(jìn)入 80 年代后，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究得到了政府的重視與支持。 前蘇聯(lián)（主要是在俄羅斯），從理論和實(shí)踐上探討機(jī)器人技術(shù)是從 50 年代后半期開(kāi)始的。 美國(guó)是機(jī)器人的誕生地，早在 1962 年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，比起號(hào)稱(chēng) 機(jī)器人王國(guó) 的日本起步至少要早五六年。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。在這期間，機(jī)器人的成長(zhǎng)經(jīng)歷了三個(gè)階段。而 以超 聲波為導(dǎo)航儀器的移動(dòng)機(jī)器人己經(jīng)成為機(jī)器人發(fā)展方向之一。??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） I 摘 要 智能機(jī)器人 [1]作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是未來(lái)的發(fā)展方向，它能夠在一個(gè)環(huán)境里按照預(yù)定的模式自行運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等用途。在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制中，準(zhǔn)確的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)主要應(yīng)用于地圖匹配、機(jī)器人自定位以及全局規(guī)劃和局部規(guī)劃的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，機(jī)