【文章內(nèi)容簡介】 38 附錄 4 39 1 第 1 章 緒論 課題背景 當今社會的飛速發(fā)展，科技的極大進步，人們的生活方式已經(jīng)有了很大的不同。從前是一有空就會呆在家里與家人共天倫，和左鄰右舍一齊吃下飯，聊下家常。但是現(xiàn)在時代變了，人們的生活方式變得忙碌而又緊張，人們待在家的時間越來越少，特別是工薪一族，他們經(jīng)常是過著早出晚歸的生活 。而當中有很大的一部分人，為了緩解生活的壓力，在自己的家中飼養(yǎng)了寵物。而養(yǎng)寵物當中，有很大一部分人養(yǎng)的就是小貓和小狗。因此問題就出現(xiàn) 了，有很多的家庭因為早出晚歸的問題，寵物放于家中就無法管理。例如早上如果起床匆忙，又或者中午無人在家的時候，寵物就無人管理，無人喂食，這使得寵物可能會餓倒。對于愛寵一族來說是很不忍心看到的。如果早上就準備好了寵物的食物，寵物又可能會因此早上和吃得不平均而出現(xiàn)飽一頓，餓一頓的狀況。 如果專門請人進行寵物的照看，費用也是一筆比較大的開支。更重要的是當無人在家的時候，家中的人無法了解寵物的狀況。會令到一些深愛自己寵物的主人感到相當?shù)負摹? 所以，結(jié)合了當今視頻電話通信技術的便捷性 、安全性與穩(wěn)定性 ，以及電子技術的發(fā)展能力， 就萌生了設計制作一個家庭寵物喂養(yǎng)機器人的想法，以解決愛寵人士的 這 一大難題。 家庭寵物喂養(yǎng)機器人的發(fā)展概況 國內(nèi)研究發(fā)展概況 國內(nèi)關于家庭寵物喂養(yǎng)機器人的研究已經(jīng)有了初步的發(fā)展。 在 2020 年 深圳先進技術研究院 就研究出了一款可以利用互聯(lián)網(wǎng) 進行 遠程 控制和監(jiān)視寵物的機器人。 該寵物護理 機器人內(nèi)設 有 用于通信的 模塊 ,用 來 接收 控制端發(fā)過來的 控制信號 ， 然后進行處理， 用于 驅(qū)動系統(tǒng)及 喂食模塊 的控制 。 驅(qū)動系統(tǒng)用于控制機器人本體 的 移動 ， 喂食模塊用于根據(jù)控制指令打開其納置有寵物食糧的喂食盒。通過互聯(lián)網(wǎng) ， 將本地的電腦與遠程的電腦進行連接 ,由 遠程的電腦 來 控制機器人本體 的運動 以及監(jiān)視寵物 反饋圖像給遠程的計算機 [1]。 國外研究發(fā)展概況 在國外，關于家庭寵物機器人的研究在很早也已經(jīng)有了 。例如在 美國，微軟公司的一名叫做 Jordan Correa 的員工制作了一臺名為“ DarwinBot”的寵物監(jiān)護機器人，這臺機器人利用了 Robotics Developer Studio 和 Kinect 的 技術 ，使得 Jordan Correa 能夠在其工作的地方遠程控制機器人，完成對其寵物狗的監(jiān)視、喂養(yǎng)、交流以及玩耍的目的 [2]。 同時國外也有使用手機短信及互聯(lián)網(wǎng)進行遠程控制的投喂器，人們只需要通過手機按動手機上的一個按鈕就能完成遠程投喂動作。 2 本設計方案的確立 機械部分的設計方案 機械結(jié)構的設計包括有幾部分，分別是行進機構的設計，投喂機構的設計，頭部機構的設計， 手部機構的設計等。 因為是用于家庭的環(huán)境中，所以要求機器人要具有一定的穩(wěn)定性，同時為了能夠翻越家中的門檻，階梯，以及行走于柔軟的地毯環(huán)境中，經(jīng)對比可以知道，普通輪式機構的轉(zhuǎn)向欠佳，難以跨域稍微高一點的障礙物。 而仿生物結(jié)構的足部在有寵物的環(huán)境下會顯 得不可靠，可能會使寵物發(fā)生意外。而履帶結(jié)構能夠很好地適應各種的地形環(huán)境，同時其平穩(wěn)性也比較高，所以初定起行進的方式為履帶驅(qū)動式。 投喂機構的設計，因為設定的寵物類型為小型犬或貓，其主要的糧食為顆粒狀的狗糧或貓糧，體積，外形尺寸較小。所以設計的結(jié)構為料筒裝料，利用底部的送料口開關組合自然落料的方式進行投喂。 頭部機構主要是用于夾持用于監(jiān)視的手機，通過攝像頭進行監(jiān)控寵物的狀態(tài)。 其要求能夠在兩個自由度方向上進行轉(zhuǎn)動，達到水平的旋轉(zhuǎn)與上下 擺動的目的。 所以初步設想利用舵機進行控制，實現(xiàn)目的。 手部機構也是利用舵 機來實現(xiàn)， 達到在兩個自由度上的動作 ,以及夾持的目的 。 控制部分的設計方案 控制部分，根據(jù)項目要求，主要分為 四 個部分，單片機 最小系統(tǒng) 控 制 部分， DTMF 檢測與分析 部分， 信息 掉電保護部分， 以及舵機 、 電機 的 控制部分。 單片機主控部分 是以 51 單片機為核心的單片機控制系統(tǒng)， 其處理的 主要 內(nèi)容包括： （ 1） 處理雙音頻檢測電路發(fā)過來的編碼信號 ，進行識別 與 調(diào)用對應子程序 。 （ 2） 處理電機編碼器發(fā)過來的電信號。 （ 3） 對密碼進行讀出， 寫入， 判斷。 （ 4） 輸出舵機 及電機 控制信號。 （ 5） 輸出報警、指示信號。 （ 6） 通 過無線藍牙串口與上位機 進行 通信。 雙音頻檢測 部分，主要利用的 是 MT8870 這一塊芯片搭建而成。然后將信號利用 HC573進行鎖存進行處理，繼而將信號輸入到單片機主控。 信息掉電保護部分使用的是 24C02 芯片進行掉電儲存。 舵機與電機控制部分中，首先是舵機控制部分，使用的是小型單片機制作的輔助系統(tǒng)，可以將主控部分發(fā)過來的控制信號進行處理，進而通過四個輸出 I/O 輸出到舵機控制線中，進而控制舵機轉(zhuǎn)動角度。 電機控制部分使用的是三極管驅(qū)動繼電器的電路， 再而 控制行進電機的正反轉(zhuǎn)。 3 第 2 章 機械結(jié)構部分設計 行進機構部分設計 驅(qū)動方式設計 因為該機器人用于 家庭場合，所以要求體積不能太大，應盡量地小。同時因為用于喂養(yǎng)寵物，與寵物進行交流，所以也要具有一定的強度，以防止寵物將機器人損壞。同時還要考慮到機器人的靈活性與穩(wěn)定性，最終得出了幾套行進機構設計的構想。 （ 1） 第一種是 類 球狀機架 的 雙半球驅(qū)動方式。 此種結(jié)構優(yōu)點是，外形簡潔，具有相當強的靈活性，特別是在家庭這種具有很多家具和門口障礙的水平環(huán)境中非常適合。同時因為它的整體結(jié)構是類球形，所以當遇到寵物的沖撞時，能夠很好地進行移動，不至于因為動量過大而損 壞。但是它也是有缺點的，因為是球狀的結(jié)構，所以單件少量地制造會比較復雜，手工制作比較困難，同時因為是類球形 ，所以內(nèi)部的驅(qū)動結(jié)構會比較復雜，需要運用到陀螺儀等結(jié)構平衡內(nèi)部的結(jié)構。 （ 2）第二種是最常見的四輪或三輪結(jié)構驅(qū)動方式。因為四輪和三輪結(jié)構相對簡單，被玩具行業(yè)大量地運用。普通的四輪結(jié)構分為兩輪驅(qū)動，四輪驅(qū)動以及四輪單獨驅(qū)動 。兩輪驅(qū)動的結(jié)構最為簡單，但它轉(zhuǎn)彎半徑 比較大，而且通過性與動力性也比較低。四輪驅(qū)動與兩輪驅(qū)動相比其通過性與動力性有很大提高，但機構復雜性有所提高， 加工難度也比較大，以及它轉(zhuǎn)彎半徑與兩驅(qū)沒 有太大區(qū)別。四輪的單獨運動 ，運用的是舵機配合直流電機的結(jié)構，每一個的直流電機都可以在原地進行 180176。的轉(zhuǎn)彎，這樣使得機器人本體能夠原地向各個方向移動，但此種結(jié)構相對復雜，而且對與控制部分的要求也很高。而三輪結(jié)構雖然有很好的轉(zhuǎn)彎性能，但是它的穩(wěn)定性比較差，很容易出現(xiàn)傾翻現(xiàn)象。 （ 3） 第三種是履帶結(jié)構，被廣泛用于各種的機器人上。它有很好的爬坡能力 和越障能力 ，能夠爬越比較陡的坡度，同時能夠行駛 在輪式結(jié)構無法行走的家庭地毯上。同時它的底盤可以做得很低，所以此種結(jié)構具有很好的穩(wěn)定性 ，能夠有效地抵抗寵物對其的沖擊，不至 于傾覆。 同時它的結(jié)構也相對地簡單，直接使用兩個直流電機就能夠完成前后左右的運動。 經(jīng)過了多種方案的一 一 對比，最后選擇了 履帶式的結(jié)構，作為機器人本體的一個驅(qū)動行進方式。因為其結(jié)構和控制的方式都比較簡單，加工難度也不大，而且能夠很好地完成指定的動作。 履帶機構設計 在一般的市面上，真正能夠購買到的 小型 履帶 結(jié)構 非常的少，而且要拿到外面加工的話，單件加工的價格會比較地昂貴，加工的工序也會比較的復雜 。 為了能夠方便制作與加工出本機器人的 部件，所以就決定使用結(jié)構 與履帶類似，但結(jié)構 相對簡單，且市面上比較容易購買 到的同步帶 ， 來替代結(jié)構比較復雜的小型履帶結(jié)構。 4 同步帶的種類 主要分為兩 種， 一種是梯形齒的同步帶，另一種是圓弧齒的同步帶。 他們的相同 點是 都為嚙合傳動的方式，能夠減少對張緊機構的依賴性 ，而且他們的傳動效率也比較高，可以達到節(jié)能的目的 。 同時他們運行的噪音比較小，適合于在家居的環(huán)境中使用。 圓弧形的同步帶與梯形齒的同步帶相比，它工作時的應力集中會更加的少 ，更有利與減少帶與輪間的摩擦，提高 其工作的效率。 所以最后選擇了圓弧齒的同步帶作為機器人的履帶。 因為傳動的功率非常小，電機功率只有 ,轉(zhuǎn)速為 150r/min。而查詢機械設計手冊，當速度為 150r/min 時 ,9mm 的帶已經(jīng)可以承受額定功率為 ，而且為了能夠使機器人整體結(jié)構比例合理，帶寬設計要寬些，所以根據(jù)市場規(guī)格，選用了 25mm 帶寬的 5M同步帶，同步帶輪選擇為 28 齒的 5M 同步帶輪，所以額定功率肯定足夠。 同步帶輪工程圖見附錄 1。 機架結(jié)構設計 在選擇了履帶結(jié)構作為機器人本體的行進方式后，就要開始設計制造其結(jié)構。為了使得加工方便，所以在我的設計過程中，盡量地使用到標準件以及型材。 機器人本體機架分為足部和身部。足部就是機器人的履帶輪支撐結(jié)構， 身部結(jié)構就是機器人的機身支架結(jié)構。 履帶輪支撐結(jié)構 在保證機器人的機械強度的情況下， 為了 能夠充分地減輕 其 質(zhì)量，提高效率， 履帶輪的支撐結(jié)構 的材料選擇 使用了 ABS 板材加上鋁合金 型材 。 使用的鋁合金型材一般 是 用在鋁合金門窗上的， 其 恰好可以與選定的同步帶 和同步帶 輪相配合。 其 思路 結(jié)構 如 圖 21 所示 ， 圖 21 履帶輪支架 5 利用 兩塊 ABS 板材 ，通過 沉頭螺釘將其 連接 貼于鋁合金型材的兩側(cè)， 然后再 在 ABS 板上加工出安裝同步帶輪軸軸承的階梯孔， 繼而 將與軸配合好后的軸承安裝到軸承孔中 ， 放入同步帶輪后 ， 就可以將帶輪上的機密螺釘鎖緊 ，便可完成一組履帶輪。這樣的履帶輪一共兩組，左右各一組。 首先是側(cè)板 的設計 ，軸承的厚度為 ， 所以選擇的側(cè)板厚度為 mm6 ， 以方便軸承的安裝。 因為同 步帶 輪安裝的軸間距為 mm220 ， 同步帶輪直徑為 ，軸承 外徑為 mm12? 。所以綜合以上因數(shù)， ABS 板材的尺寸為 3630250 mm?? 。 為了能夠充分地減少 ABS 板材安裝后擺動，在板材上設計的螺釘安裝孔 為 5 個。最后再設計倒角等工藝，便 得到 側(cè)板的 工程圖 見附錄 1。 完成側(cè)板的設計后，就要合理地選定安裝側(cè)板的鋁合金支架， 鋁合金支架使用的是 厚度為 ， 截面 尺寸為 23252 mm? 的鋁合金 型材。 所以在強度合適的情況下，考慮的只是設計安裝側(cè)板及機身支架架的孔位，以及 設計 安裝同步帶輪及同步帶避空的位置。為了 能夠 使整體結(jié)構緊湊輕便，所以鋁合金支架結(jié)構盡量 做短，做到恰好能夠使得 ABS 板材緊固，所以最后其長度選擇為 mm172 。 則綜合以上的因素，得到了鋁合金支架的 見附錄1。 機身支架結(jié)構 機身支架分為前后兩部分， 前部是鋁合金的型材，后部為 ABS 板材。 分為兩部分的主要原因是為了方便裝配，以及留空給電路的安裝。 前部與 后部 的長度，主要取決的是 四個部分的長度，分別是 兩個直流電機 及其減速器的長度，以及 兩個連軸器 的長度，還有就是主動輪軸的長度， 最后 還要 加上 安裝和調(diào)試 的時候要 留空 的位置 。 所以 前部使用的 是整體厚度為 ， 體積為 325100210 mm?? 的鋁合金型材， 其兩側(cè)伸出 長度為 mm32 的安裝翼，用于與 履帶輪支撐結(jié)構的連接 。后部使用的是體積為 3676274 mm?? 的 ABS 板材。其連接方式 也 是通過 沉頭 螺釘 將 履帶輪支撐結(jié)構連接起來。 兩種結(jié)構的工程圖 見附錄 1。 料斗結(jié)構設計 因為喂料系統(tǒng)喂的料是顆粒狀的寵物飼料，他們的體積一般是 312~106 mm?? 圓柱形型顆粒，所以其落料的方式使 用的是自然落料 為主， 抖動 落料為輔 的方式 。料斗分為兩部分，一部分是儲存飼料的長方體形飼料盒，另一部分是落料的震動開合機構。盛放飼料的飼料盒 ， 使用的是 mm2 的 ABS 薄板拼制而成，結(jié)構如圖 22 所示。 由圖可知，整個長方體結(jié)構是由 8 塊薄板拼接而成。 左右側(cè)板及后面板 的 高度為 mm35 ，前面板是一塊五邊形板，底部由三塊三角形的面板拼接而成，中間的一塊是等腰三角形，左右兩底板與 中間圍板以及各 圍板的邊相拼接，最終使得飼料盒 的底部 呈一個前低后高的一個 斜面，使得里面的 飼 料能夠自然移動到前端， 然后通過出口到達震動開合機構落入盛料的 位置 。 頂上有一塊蓋板，在平時可以蓋起來，防止寵物吃掉里面的食物，要補充飼料時，只要打開蓋板倒入即可。 整個 飼料盒 通過螺釘與兩塊對稱的“ L”字形的鋁合金板連接，然后再固定于機器人的前部鋁合金上。 6 圖 22 飼料盒 落料的震動開合機構是一段圓管狀的出料口 ， 結(jié)合飼料盒的前面板大小，以及內(nèi)部的開合機構用的舵機大小，最后選擇了直徑為 mm30? ，厚度為 的 PVC 圓管作為主體。 其整體結(jié)構如圖 23 所示 PVC 管 固定開口盤 旋轉(zhuǎn)開口盤 舵機連接臂 舵機 圖 23 如 圖 28 所示， 將 PVC 管材通過加熱、剪裁的方式做成如圖的結(jié)構，用以固定舵機的位置，做到舵機的軸心與 PVC 管的軸心同軸。 然后旋轉(zhuǎn)開口盤通過螺釘與舵機連接臂連接，再利用螺釘將舵機連接臂與舵機連接起來， 安裝 時要注意旋轉(zhuǎn)開口盤的開口向下。最后就 7 將固定開口盤安裝在旋轉(zhuǎn)開口盤上便可。工作的時候，一開始，旋轉(zhuǎn)開口盤的開口沒有對著固定開口盤，料無法下落。當喂食信號到達時，舵機開始運動，旋轉(zhuǎn)開口盤不 停地繞中心軸進行來回的旋轉(zhuǎn)，此時料受到震動和撥動，就會自然從出 料口中落下， 就完成了整個投喂的動作。 頭部結(jié)構設計 頭部的設計比較簡單， 主要用到的是舵機結(jié)構。舵機的特點是，它的輸出扭力很大，在電源為 的時候，可以達到 cmkg? 。所以它能夠輕易地托起一臺手機，將其轉(zhuǎn)換各種角度。同時舵機還有的特點是它具有很高的精準度，能夠在指令程序的控制下轉(zhuǎn)?? 180~0 中的任意角度。機器人頭部 整體結(jié)構如圖 24 所示， 主要使用的是兩個稍大點的舵機 一個 舵機 控制平臺的水平面上的轉(zhuǎn)動， 另一個控制平臺的豎直方向上的一個轉(zhuǎn)動。手機的平臺上還安裝了一個夾子用于夾持手機。 因此 在兩個舵機的相互作用下，它的活動范圍就會近似一個半球 ， 能讓手機平臺在 機器人上 靈活地觀測到周圍的事物，讓人們 知道如何下達下條 指令，完成指定的動作。 圖 24 頭部結(jié)構 手部結(jié)構設計 8 手部結(jié)構使用的也是舵機結(jié)構，用于夾持物件，例如小球類，可以通過此 與寵物進行交流玩耍。 整個手部結(jié)構由三個大的舵機以及一個小的 舵機組成。三個大的舵機分別控制X、 Y、 Z 三個關節(jié)的轉(zhuǎn) 動，小的舵機用于前部夾持作用?？刂?Z 軸的舵機軸心與水平面垂直 ， 用于 控制手部 大臂 在水平面上的轉(zhuǎn)動。 控制 X 軸的舵機軸與 Z 軸垂直，用于控制手部中臂的旋轉(zhuǎn)。控制 Y 軸的舵機軸同時與 X 軸和 Z 軸垂直，用于控制小臂的旋轉(zhuǎn)， 即 控制夾持部分的旋轉(zhuǎn) 。 夾持部分 使用 9g 的小舵機 完成動作 ，使用的是齒輪 加上沿伸棒的機 構 。整體結(jié)構如圖 25 所示 圖 25 手部結(jié)構 9 第 3 章 電路部分設計 3. 1 電源部分電路設計 整個電路部分需要電源的部分有單片機 、 雙音頻檢測 芯片、儲存芯片、直流 馬達 、 以及舵機等。因為電機選用的是 12V 的 直流電機， 所 以電源選擇了 3 塊 18650 電池作為直流電源，每一塊的電池可以提供 的電源，三塊電池串聯(lián)起來后就能提供 的電源。除了直流電機驅(qū)動系統(tǒng)使用的是 12V 的電源外，其他的系統(tǒng)使用的都是 5V 的電源。為了使電路盡量簡單，所以 5V 的電源通過使用 LM7805 穩(wěn)壓芯片得到。 為了做到控制系統(tǒng)與動力系統(tǒng)的電源隔離，所以設計最小系統(tǒng)與 串行 PROME2 存儲器件 供電共用一塊，舵機控制系統(tǒng)使用兩塊，雙音頻控制系統(tǒng)及舵機控制系統(tǒng)共用一塊，傳感器模塊與擴展系統(tǒng)共用一塊。 所以 一共需要 5 塊 LM7805 穩(wěn)壓芯片。 因為 LM7805 穩(wěn)壓芯片的輸入最大耐壓值為35V，最大輸出電流為 ，所以可以滿足該系統(tǒng)的供電要求。其基本電路如圖 31 所示 圖 31 5V 穩(wěn)壓電路 由圖可知，當輸入 12V 直流電壓后，經(jīng)過 C1 的濾波進入到 LM7805 的輸入端 Vin，經(jīng)過一系列的降壓、穩(wěn)壓后，從輸出端 Vout 輸出 5V 電壓， C2 起到的是緩沖濾波的作用。 3. 2 51 單片機 主控 系統(tǒng)部分電路設計 51 單片機 主控 系統(tǒng) 是根據(jù) 51 單片機最小系統(tǒng)擴展得到的 [3]。 根據(jù)編程 及 I/O 容量， 初步 選擇了由宏晶公司生產(chǎn)的 STC89C52 單片機，因為 STC 系列的單片機在程序燒寫上具有ISP 燒寫功能，使得程序的燒寫變得非常的 簡潔 方便。由已學的知識 及資料 [4]得到單片機主控系統(tǒng)如圖 32 所示