【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 證機(jī)器人能夠 承擔(dān) 不同厚度的玻璃的 擦拭工作 。 圖 升降 支架圖 磁鐵升降 機(jī)構(gòu)的 ANSYS 分析 圖 ANSYS參數(shù) 設(shè)置圖 將 磁鐵升降機(jī)構(gòu)的三維文件導(dǎo)入到 ANSYS 中并 對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置 如上圖 所示，該 零件為 3D 打印 件，其材料為玻璃纖維 參數(shù)為 ： 抗拉強(qiáng)度（ Tensile Strength）： 44Mpa；彈性模量（ Elastic Modulus）： 3500 ~ 7800Mpa（取 其為 5000Mpa） ；泊松比 為 ，河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 然后 設(shè)置其受力參數(shù)，四塊磁鐵的吸引力大約為 60N， 即每塊磁鐵對(duì)于升降 機(jī)構(gòu) 的 壓力為 15N，可 得出其壓強(qiáng)為 然后 對(duì)物件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其結(jié)果如圖所示： 圖 ANSYS 網(wǎng)格劃分圖 經(jīng)過(guò) 計(jì)算機(jī)的計(jì)算， 結(jié)果如下： 圖 圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20 由 以上分析 可知 ， 該機(jī)構(gòu) 所受的最大 應(yīng)力 為 ，比該材料 的 許用應(yīng)力 小 很多，因此 從這個(gè) 角度看，該設(shè)計(jì) 滿足應(yīng)力 的限制要求 。 以下 為 該機(jī)構(gòu) 在各個(gè)方向的位 移圖： 圖 X方向位移圖 圖 Y方向位移圖 圖 Z軸方向位移圖 圖 整體位移圖 圖 第三主應(yīng)力圖 圖 整體應(yīng)力圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 21 第四章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī) 控制系統(tǒng) 電路 的設(shè)計(jì) 單片機(jī) 系統(tǒng)元器件的 選型 （ 1） CPU 的 選擇 在 本 課題中 ， 主控 CPU 需要 實(shí)時(shí)監(jiān)控 2X4 的 矩陣鍵盤，且需要 具有 兩路 硬件 PWM調(diào)速 功能 ， 然后還要連接外部紅外模塊以及陀螺儀 MPU6050 模塊 ，還要通過(guò) L298M 芯片 去驅(qū)動(dòng)兩路 直流 減速電機(jī)等等 ， 考慮到這些功能均需要很協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)，所以 本人 選用 1T的 基于 51內(nèi)核 的 8位 單片機(jī) STC12C5A60S2， 如圖 所示 。 圖 單片機(jī) 管腳圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 22 圖 單片機(jī) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 該芯片的 工作電壓為 ，工作頻率范圍： 0～ 35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～420MHz， 片上集成 1280 字節(jié) RAM，有 K 的 Flash 程序存儲(chǔ)器，有兩個(gè) 定時(shí)器 T0、 T1，擁有 獨(dú)立的波特率發(fā)生器， 有 兩路 UART 串口 ，有兩路硬件 PWM 發(fā)生器 ， 該種 封裝擁有40pin 的 I/O 口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，強(qiáng)推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開(kāi)漏每個(gè) I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò) 120mA， 擁有 內(nèi)置 EEPOM，內(nèi)部集成 MAX810專用復(fù)位電路 ，內(nèi)置看門狗 ，具有外部中斷 I/O 口 7路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 。 （ 2） 紅外模塊 紅外模塊 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的無(wú)線控制， 本課題中 采用 HX1838 模塊 ， 該模塊 具有 寬電壓適應(yīng)、高靈敏度、低功耗、優(yōu)良的抗干擾特性，而且該模塊應(yīng)用廣泛， 多用于 家用電器、空調(diào)、玩具等紅外遙控接收。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 23 圖 HX1838芯片引腳圖 （ 3） 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊 圖 L298M芯片引腳 圖 本課題 中采用了 L298M電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊其 運(yùn) 用全新原裝 L298 芯片設(shè)計(jì)，雙 H 橋能夠驅(qū)動(dòng) 2路直流或者 1路步進(jìn)電機(jī)，峰值驅(qū)動(dòng)電流能達(dá) 4A。在 L298M 芯片 底部布置有大面積 的 金屬散熱片，用以快速散失掉驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生的熱量，以免燒壞芯片。 L298M 的 使用方法： 如果 IN1輸入高電平， OUT1 將輸出高電平，如果 IN1 輸入低電平， OUT1 將輸出低電平， 同理 IN IN IN4 的編程 方法 與之 類似。 圖 電路圖 圖 原理圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 24 PWM 調(diào)速 的 本質(zhì) 便是 通過(guò) 斬波實(shí)現(xiàn) 改變 輸出 有效電壓 的方式來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速率， 如上圖所示 S 表示開(kāi)關(guān)， VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng) S 閉合時(shí)，直流電源電壓 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng) S 斷開(kāi)時(shí)，直流電源與電機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞電流經(jīng) VD 續(xù)流，因此兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖所示，好像是電源電壓在時(shí)間內(nèi)被接上，又在 — 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，所以稱“斬波”。 運(yùn)用 該模塊再 融合進(jìn) STC12 芯片 的硬件 PWM 輸出 ， 用 PWM 調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈 沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)對(duì) 直流 減速電機(jī) 的 無(wú)級(jí)調(diào)速。 （ 4） 陀螺儀 模塊 本課題中 使用的陀螺儀 型號(hào) 為 MPU6050，該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的 IIC 通信協(xié)議，其 供電電源為 3— 5V，內(nèi)部整合了 3 軸陀螺儀、 3 軸加速器最大 的加速度測(cè)量范圍為 177。 16g，陀螺儀測(cè)量范圍最大為177。 2021176。 /秒，本人 利用該模塊 反饋 Z軸 的加速度 值 去 找到模塊與水平方向的夾角，從而在小車一開(kāi)始向上運(yùn)行的過(guò)程中 由 該值判斷小車的姿態(tài)并通過(guò) PWM 硬件調(diào)節(jié) 兩邊電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行差速調(diào)速 ， 令小車靈活 地 不斷地為自己 調(diào)平 ，實(shí)現(xiàn)豎直向上的運(yùn)動(dòng)，同 樣運(yùn)用 X 軸 的加速度器反饋回來(lái)的值去控制小車在后來(lái) 階段水平運(yùn)行 的 過(guò)程 中 的姿態(tài)調(diào)整 ， 真正地實(shí)現(xiàn)小車姿態(tài)的閉環(huán)控制。 單片機(jī) 系統(tǒng)的硬件電路及 I/O 口 分配 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 25 圖 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 上圖 為我所 設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制系統(tǒng)的原理圖， 其關(guān)鍵 引腳表如下所示 OUT4 OUT2 OUT1 OUT3 表 電機(jī)驅(qū)動(dòng)引腳 ROW1 ROW2 COL1 COL2 COL3 COL4 表 矩陣鍵盤引腳 SCL SDA 表 MPU6050引腳 單片機(jī) 系統(tǒng)編程 框圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 26 啟動(dòng) ， 頭部豎直 向 上， V 左側(cè) =V 右側(cè) ， 正轉(zhuǎn) 是否收到頭部前測(cè) 微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào) 驅(qū)動(dòng) 行走單元 直線 運(yùn)動(dòng) 否 是 控制單元 控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元 轉(zhuǎn)動(dòng) ，V 左側(cè) =V 右側(cè) ， 反轉(zhuǎn) 延時(shí)信號(hào) 檢測(cè) 保持轉(zhuǎn)動(dòng) 延時(shí) 未到 延時(shí) 時(shí)間到 控制單元控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元停止 , 然后驅(qū)動(dòng) 行走單元轉(zhuǎn)動(dòng) V 左側(cè) =0, V 右側(cè) 0 , 延時(shí)信號(hào)檢測(cè) 保持轉(zhuǎn)動(dòng) 延時(shí)未到 延時(shí)時(shí)間到 控制單元 控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元 轉(zhuǎn)動(dòng) ， V 左側(cè) =V 右側(cè) ， 正轉(zhuǎn) 是否收到頭部前測(cè)微動(dòng)開(kāi) 關(guān)信號(hào) 控制單元控制驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)行走單元轉(zhuǎn)動(dòng) ，V 左側(cè) =V 右側(cè) ， 反轉(zhuǎn) 是否收到尾部后測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào) 是 陀螺儀檢測(cè) 信號(hào) 否 陀螺儀檢測(cè) 信號(hào) 否 是 步驟100 步驟200 反饋 控制 ， 行走單元 反饋控制，行走單元 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 27 第五章 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 樣機(jī) 研制 與 調(diào)試 電路板的設(shè)計(jì)與調(diào)試 結(jié)合 小車的機(jī)械部分 所 留出來(lái)的空間， 本課題 作者設(shè)計(jì)并加工 的 控制板 如下圖 所示 圖 控制板 實(shí)物圖 PCB 設(shè)計(jì) 圖 PCB設(shè)計(jì)圖 上圖 即為本課題 中 所繪制的 PCB 板子 ， 首先 要用 altium designer 將各個(gè) 元器件河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 28 在 板子 上盡量有序得畫出來(lái)，然后 把已 經(jīng) 擁有所有元器件 的 板子上的元件 再 進(jìn)行 更加合理地排列，然后 點(diǎn)擊 Auto Route/All 開(kāi)始 自動(dòng) 布線 ， 待 布線完畢之后 再 進(jìn)行手工調(diào)整 ， 到此 PCB板 大致繪制完成。 電路板的 調(diào)試 為 防止 剛剛焊接 完成 的板子運(yùn)行起來(lái) 發(fā)生電路危險(xiǎn)，還需要進(jìn)行 一系列 的 硬件 測(cè)試 ： （ 1） 測(cè)試條件 圖 電源 模塊 PCB圖 將 K1 的兩個(gè)焊盤短。 （ 2） 電源測(cè)試 A) 首先測(cè)量 J1的兩個(gè)焊盤有沒(méi)有短路，用二極管檔或者電阻檔測(cè)量。若短路，停止一 切測(cè)試，檢查原因。 B) 將 12V 電源的負(fù)極焊接在 J1 的 GND 焊盤上，正極懸空。 C) 將萬(wàn)用表?yè)艿街绷?20A檔，并將表筆插入對(duì)應(yīng)位置。 D) 將萬(wàn)用表的紅色表筆接在電源的正極上，黑色表筆快速（大約 ）連接在電路板 J1 的 +12V 焊盤上。觀察萬(wàn)用表的電流，若電流大于 500mA，請(qǐng)停止一切測(cè)試，檢查問(wèn)題。若電流小于 500mA，繼續(xù)測(cè)試。 E) 若 C)中的電流正常（小于 500mA），將萬(wàn)用表?yè)艿街绷麟妷?20V 檔，先測(cè)試U1 的輸入即 U1pin1 腳的電壓是否是 12V，然后測(cè)試 5V 測(cè)試點(diǎn)的電壓是否為 5V，若為5V 則繼續(xù)測(cè)試；否則檢查 U1 是否為 L7805CV 并且查看 L7805CV 的 datasheet 看其引腳定義是否和 PCB上的一致。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 29 F) 測(cè)試 U9pin2 腳的電壓是否為 ，若為 則繼續(xù)下面的測(cè)試；否則檢查U9 是否為 并且查看其 datasheet，看其引腳定義是否和 PCB 上的一致。 圖 電源 模塊 PCB細(xì)化 圖 1 圖 模塊 PCB細(xì)化 圖 2 （ 3） 單片機(jī)最小系統(tǒng)測(cè)試 A) 測(cè)試 U2pin40 腳的電壓是否為 5V。 B) 測(cè)試 U2pin9 腳的電壓是為為 5V。 C) 通過(guò) USB轉(zhuǎn) TTL 模塊給單片機(jī)下載程序，看是否能正常下載。 D) 觀察 C)中下載的程序是否正常工作（這個(gè)程序一般為 LED 閃爍測(cè)試）。 （ 4） 紅外接收傳感器測(cè)試 A) 測(cè)量 U8pin3 是否為 5V。 B) 移植紅外遙控測(cè)試程序，檢測(cè)紅外接收頭是否工作正常。 圖 紅外線 PCB圖 （ 5） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試 A) 測(cè)量 U4pin6 腳是否為 12V。 B) 測(cè)量 U4pin U4pin1 U4pin14 三個(gè)引腳的電壓是否為 5V。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 30 C) 將兩個(gè)電機(jī)接上，并 編寫程序測(cè)試該驅(qū)動(dòng)是否正常工作。 （ 6） MPU6050 測(cè)試 A) 測(cè)量 U5pin13 腳的電壓是否為 。 B) 測(cè)量 U10pin U10pin8 的電壓是否為 。 C) 測(cè)量 U10pin15 的電壓是否為 5V。 D) 編寫程序讀取 MPU6000 的數(shù)據(jù)，然后觀察數(shù)據(jù)是否正常。 圖 MPU6000 PCB圖 （ 7） 其他測(cè)試 A) 將 8路微動(dòng)開(kāi)關(guān)焊接到對(duì)應(yīng)位置上。 B) 測(cè)量 U3pin U6pin U7pin5 腳是否為 5V。 C) 移 植按鍵測(cè)試程序，觀察這 8個(gè)開(kāi)關(guān)是否可實(shí)現(xiàn)共用一個(gè)中斷。 圖 微動(dòng) 開(kāi)關(guān) PCB圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 31 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 樣機(jī)的制作 通過(guò) 以上一系列的工作， 擦玻璃 機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作已經(jīng) 宣告 完畢， 由于 零件要求重量 輕 且需 有一定的強(qiáng)度 ，故 3D打印成了 最 合適 的加工方式 ， 其中電機(jī)座和磁鐵升降架 所用 的材料為玻璃纖維，而其 它 件均采用光敏樹(shù)脂的材料 打成 ， 再經(jīng)過(guò) 實(shí)體裝配后，實(shí)物圖如 下 圖所示 ： 圖 實(shí)體樣機(jī) 展示圖 家用擦玻璃清潔機(jī)器人 樣機(jī)的測(cè)試 圖 機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài) 1 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 32 圖 2 圖 機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài) 3 以上幾圖 為機(jī)器人的上機(jī)運(yùn)行情況， 機(jī)器人 行走較為 平穩(wěn) ， 且 各個(gè)環(huán)節(jié)均運(yùn)行正常 ， 陀螺儀確實(shí) 起到了 實(shí)時(shí)調(diào)速的作用，保證了小車始終保持水平