【正文】 移動(dòng)機(jī)器人傳感器設(shè)計(jì)方案 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 14 行處理，要有一段緩沖時(shí)間，而紅外測(cè)距傳感器很難滿(mǎn)足。測(cè)距傳感器主要有紅外測(cè)距傳感器、激光測(cè)距傳感器、超聲波傳感器等 紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的特點(diǎn)： 單片機(jī)又稱(chēng)單片微控制器 ,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到 一個(gè)芯片上。 PLC的特點(diǎn)： 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) ； 硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) ； 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 ； 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造 ； 體積小，重量輕，能耗低 。大部分用在較大型的 設(shè)備上。 PLC 和單片機(jī)雖然都是控制器，廣泛的應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，但是它們依然具有不同，他們的區(qū)別為： 控制，普遍的應(yīng)用，廠礦車(chē)間，各種中大型生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)控制。 PLC實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同， 由CPU、儲(chǔ)存器、電源構(gòu)成。 PLC ( Programmable logic Controller)，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。如圖 21 所示： 圖 21 光電編碼器 機(jī)器人的控制系統(tǒng)是智能機(jī)器人的關(guān)鍵，相當(dāng)于人類(lèi)的大腦，而現(xiàn)在比較流行的控 制器主要有 PLC 和單片機(jī)。 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。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會(huì)輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。 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。 編碼器的選擇 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 12 這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。 編碼器常用的有絕對(duì)式和增量式兩種。 增量式編碼器 是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。 直齒輪雖然有重多缺點(diǎn)，但由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不大，所以噪音、震動(dòng)都不明顯，而且直齒輪在價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)非常明顯，本文最終決定使用直齒輪進(jìn)行傳動(dòng)！ 編碼器 [7]（ encoder）是將信號(hào)（如 比特流 ）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。 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。 圓柱直齒輪用于平行軸傳動(dòng)，齒輪嚙合與退出時(shí)沿著齒寬同時(shí)進(jìn)行， 高速 容易產(chǎn)生沖擊，振動(dòng)和噪音。經(jīng)過(guò) 經(jīng)過(guò)比較，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及電機(jī)的減速等需要有較為嚴(yán)格的減速比例，雖然帶傳動(dòng)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，本文決定選擇齒輪傳動(dòng)。 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。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的 機(jī)械傳動(dòng) 。根據(jù)傳動(dòng)原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動(dòng)的摩擦型帶傳動(dòng)，也有靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動(dòng)的 同步帶 傳動(dòng)。 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 10 通過(guò)幾種電機(jī)的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)雖然直流電機(jī)雖然有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)器人控制系統(tǒng)的判斷較為精確，與此同時(shí)我們從經(jīng)濟(jì)條件及其的具體應(yīng)用環(huán)境方面考慮得知， 在此次設(shè)計(jì)中機(jī)器人動(dòng)力部分選擇步進(jìn)電機(jī)最為合適。 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)。 交流電機(jī) 、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好； 、調(diào)速范圍廣、響應(yīng)頻率高。 ，調(diào)電樞電壓，電樞全電壓之后，弱磁升速。 ，調(diào)激磁電壓，適合應(yīng)用在基速以上，弱磁升速。 產(chǎn)生方波電壓和電流的變頻器比產(chǎn)生正弦波電壓和電流的變頻器簡(jiǎn)單，選用無(wú)刷直流電機(jī)更好。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（ PM） ，反應(yīng)式（ VR）和混合式（ HB） 動(dòng)力源的選擇 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 9 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 直流電機(jī) 無(wú)刷直流電機(jī)采用方波電流供電，所用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 /體積比更高。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè) 定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，其種類(lèi)主要有無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，永磁式直流電動(dòng)機(jī)，電磁式直流電動(dòng)機(jī)。主要分為同步交流電機(jī)和異步交流電機(jī)兩種。如需要完整說(shuō)明書(shū)和設(shè)計(jì) 圖紙等 .請(qǐng)聯(lián)系 扣扣： 九七 一 九二 零八零零 另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載！ 該論文已經(jīng)通過(guò)答辯 機(jī)器人的動(dòng)力源主要有交流電機(jī)，直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。 綜合以上的分析與比較，本文最終選擇兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的三輪機(jī)構(gòu)作為移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 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 。 前輪驅(qū)動(dòng)前輪導(dǎo)向 控制靈活，能耗低，但是由于導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器均集中在前輪部分，復(fù)合運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且車(chē)體本身的運(yùn)動(dòng)并不十分靈活。 三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)有：兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，前輪驅(qū)動(dòng)前輪導(dǎo)向，后輪差速器驅(qū)動(dòng)前輪導(dǎo)向，兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前輪導(dǎo)向，三輪全驅(qū)動(dòng)全導(dǎo)向等機(jī)構(gòu)。 多輪：盡管多輪機(jī)構(gòu)在輪子布局和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在較大的靈活性，但由于驅(qū)動(dòng)控制原理同三輪結(jié)構(gòu)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，結(jié)構(gòu)太復(fù)雜。 三輪：三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，是輪式機(jī)器人的基本移動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，在機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而且在實(shí)現(xiàn)方式上也呈現(xiàn)多樣化。 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。 輪式機(jī)器人控制簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)單位距離所消耗的能量最小，通常比履帶式移動(dòng)速度快，反應(yīng)靈敏，因此在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 7 2 超聲波移動(dòng)機(jī)器人方案的確定 從性能上來(lái)比較履帶的爬坡性能，越野性能，通行性能（對(duì)地壓強(qiáng)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于輪式車(chē)輛，戰(zhàn)場(chǎng)中作為重型裝甲戰(zhàn)斗車(chē)輛基本必須用履帶，不然會(huì)因?yàn)檫^(guò)重，對(duì)地壓強(qiáng)過(guò)大而幾乎沒(méi)有野外通行能力，但履帶車(chē)輛移動(dòng)速度慢，機(jī)動(dòng)性能差，履帶容易受損。 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。主要面向發(fā)展具有感知、思維和動(dòng)作能力的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，研究機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)理論方法、關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)和機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)。 近二十年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室在 機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ) 理論與方法研究方面與國(guó)際先進(jìn)水平同步發(fā)展，并在機(jī)器人技術(shù)前沿探索和示范應(yīng)用等方面取得一批有重要影響的科研成果，充分顯示出實(shí)驗(yàn)室具有解決國(guó)家重大科技問(wèn)題的能力。另一方面，我國(guó)機(jī)器人研究多是借鑒外國(guó)先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的多，自身技術(shù)創(chuàng)新較少。 經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，我國(guó)機(jī)器人的研究在一些方面已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，但還存在著一些問(wèn)題。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。 90 年代初期，我 國(guó)的工業(yè)機(jī)器人也在實(shí)踐中邁進(jìn)了一大步。國(guó)家 “863”計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施后，跟隨世界機(jī)器人的發(fā)展潮流，智能機(jī)器人主題成為主要研究方向，國(guó)內(nèi)也建立了一批優(yōu)秀的機(jī)器人研究基地，如北航機(jī)器人研究所、哈工大機(jī)器人研究所、上海交大機(jī)器人研究所等。 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。 1977 年，沈陽(yáng)自動(dòng)化所將智能和 機(jī)器人技術(shù)確定為學(xué)科發(fā)展方向。先后經(jīng)歷了上世紀(jì) 70 年代的萌芽期， 80年代的開(kāi)發(fā)期和 90 年代的適用化期。日本由于制造、使用機(jī)器人，增大了國(guó)力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國(guó)家不得不采取措施，奮起直追。從而使日本生產(chǎn)的汽車(chē)能夠以?xún)r(jià)廉的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍號(hào)稱(chēng)“汽車(chē)王國(guó)”的美國(guó)市場(chǎng)，并且向機(jī)器人誕生國(guó)出口日本產(chǎn)的實(shí)用型機(jī)器人。 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。 正是由于日 本當(dāng)時(shí)勞動(dòng)力顯著不足，機(jī)器人在企業(yè)里受到了“救世主”般的歡迎。國(guó)家有目的地把提高科學(xué)技術(shù)進(jìn)步當(dāng)作推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的手段，來(lái)安排機(jī)器人的研究制造；有關(guān)機(jī)器人的研究生產(chǎn)、應(yīng)用、推廣和提高工作，都由政府安排，有計(jì)劃、按步驟地進(jìn)行。 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。 80 年代，德國(guó)看到了機(jī)器人等先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985 年以后要向高級(jí)的、帶感覺(jué)的智能型機(jī)器人轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。到了 70 年代中后期，政府采用行政手段為機(jī)器人的推廣開(kāi)辟道路；在 改善勞動(dòng)條件計(jì)劃 中規(guī)定，對(duì)于一些有危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來(lái)代替普通人的勞動(dòng)。 法國(guó)機(jī)器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過(guò)政府大力支持的研究計(jì)劃，建立起一個(gè)完整的科學(xué)技術(shù)體系。 法國(guó)不僅在機(jī)器人擁有量上居于世界前列，而且在機(jī)器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進(jìn)水平。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。 80 年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟，第一代機(jī)器人的技術(shù)性能越來(lái)越滿(mǎn)足不了實(shí)際需要，美國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)帶有視覺(jué)、力覺(jué)的第二代機(jī)器人，并很快占領(lǐng)了美國(guó) 60％的機(jī)器人市場(chǎng)。綜觀它的發(fā)展史，雖然道路是曲折的，不平坦的，但是 美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)一直走在世界前列。 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。 所以說(shuō)，對(duì)于超聲波機(jī)器人或者智能機(jī)器人的研究是十分有意義的。目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類(lèi)：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造 環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國(guó)的分類(lèi)是一致的。 智能機(jī)器人：以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。 適應(yīng)控制型機(jī)器人：能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。 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)。 程控型機(jī)器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。 家務(wù)型機(jī)器人：能幫助人們打理生活，做簡(jiǎn)單的家務(wù)活。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。 移動(dòng)機(jī)器人 [5]的研究歷史 ??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 3 機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， 從工業(yè)走向農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)；從產(chǎn)業(yè)走進(jìn)醫(yī)院、家庭；從陸地潛入水下、飛往空間??機(jī)器人已經(jīng)和人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)、生活密不可分。其中環(huán)境感知是指機(jī)器人所使用的各種傳感器，它相當(dāng)于機(jī)器人的感覺(jué)器官，目前機(jī)器人應(yīng)用比較多的傳感器有：超聲波傳感器 、紅外傳感器、視覺(jué)傳感器、激光測(cè)距傳感器、味覺(jué)傳感器等等。這類(lèi)機(jī)器人目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究探索階段。第三代機(jī)器人是高級(jí)智能機(jī)器人。因此這類(lèi)機(jī)器人又被稱(chēng)為自適應(yīng) 機(jī)器人。第二代機(jī)器人是低級(jí)智能機(jī)器人，或稱(chēng)感覺(jué)機(jī)器人。目前在汽車(chē)工業(yè)和電子工業(yè)自動(dòng)線上大量使用的就是這類(lèi)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。于是，這臺(tái)世界上第一個(gè)真正意義上的機(jī)器人，就應(yīng)用在了汽車(chē)制造生產(chǎn)中。它的發(fā)明人專(zhuān)門(mén)研究運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制信號(hào)的關(guān)系，可以編制程序讓機(jī)器記住并模仿、重復(fù)進(jìn)行某種動(dòng)作。尤尼梅遜的樣子像一個(gè)坦克炮塔，炮塔上伸出一條大機(jī)械臂，大機(jī)械臂上又接著一條小機(jī)械臂，小機(jī)械臂再安裝著一個(gè)操作器。開(kāi)始出現(xiàn)了現(xiàn)在普遍意義上的機(jī)器人。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。實(shí)時(shí)性好。通過(guò)接受自身發(fā)射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出和回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離，就能得到障礙物到機(jī)器人的距離。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。 Moves the robot??本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 1 目 錄 摘 要 ............................................................................................................I Abstract ................