【正文】 國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)聯(lián)合研制。在國(guó)家“十五”863計(jì)劃中，展開(kāi)了一系列的有關(guān)智能機(jī)器人方面的研究。國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等正在開(kāi)展有關(guān)月球探測(cè)自主機(jī)器人的相關(guān)研究。211A MCTB采用了關(guān)節(jié)輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的越障能力。CASIA1是中科院自動(dòng)化所研制的集多種傳感器、視覺(jué)、語(yǔ)音識(shí)別與會(huì)話功能于一體的智能移動(dòng)機(jī)器人。2003年國(guó)防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無(wú)人駕駛車(chē)采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)[等智能控制算法，在高速公路上達(dá)到了130Km/h的穩(wěn)定時(shí)速，最高時(shí)速170Km/h，而且具備了自主超車(chē)功能，這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位。392視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人方案的確定 此處省略而且無(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。無(wú)刷直流電機(jī)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。方案1：輪式機(jī)構(gòu)方案2：履帶式結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的比較：方案1 輪式結(jié)構(gòu)是一個(gè)馬達(dá)作為動(dòng)力，通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)后輪；另一個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向輪來(lái)決定行駛方向。 缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)彎半徑大、驅(qū)動(dòng)輪易打滑、導(dǎo)向輪方向不易精確控制。優(yōu)點(diǎn)是可以在原地轉(zhuǎn)動(dòng)；在不平的路面上性能穩(wěn)定，牽引力大。最終方案：履帶結(jié)構(gòu)能適應(yīng)更為復(fù)雜的環(huán)境，本次設(shè)計(jì)選用履帶式結(jié)構(gòu)方案1：。優(yōu)缺點(diǎn)的比較：方案1 。方案2 采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其它芯片供電。但是蓄電池的體積過(guò)于龐大，由于我們的車(chē)體在設(shè)計(jì)時(shí)空間有限，在小型電動(dòng)車(chē)上使用極為不方便，因此我們放棄此方案。方案1：帶傳動(dòng)方案2：齒輪傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)的比較：方案1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)。方案2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)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。紅外線傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。方案二：使用超聲波傳感器導(dǎo)航使用超聲波傳感器導(dǎo)航超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。 方案三使用視覺(jué)傳感器導(dǎo)航視覺(jué)傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計(jì)的像素的能力，它主要部件就是照相機(jī)或攝像機(jī)，在捕獲圖像之后，視覺(jué)傳感器將其與內(nèi)存中存儲(chǔ)的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。：基于視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用履帶式結(jié)構(gòu)，使用直流無(wú)刷電機(jī)作為機(jī)器人的動(dòng)力源，利用視覺(jué)傳感器采集圖像，通過(guò)單片機(jī)控制直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)，后退以及轉(zhuǎn)向等功能。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。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)。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。 單片機(jī)又稱單片微控制器,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。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。單片機(jī)有8位，16位，32位等，這里的位指單片機(jī)CPU每次處理能力,8位是指單片機(jī)一次可以計(jì)算8位數(shù)據(jù),16位是指單片機(jī)一次可以計(jì)算16位數(shù)據(jù),依次類推，在此次設(shè)計(jì)中用8位單片機(jī)完全可以完成對(duì)機(jī)器人的控制，另考慮經(jīng)濟(jì)等方面，本次設(shè)計(jì)選擇8位單片機(jī).在歸納了移動(dòng)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)行為的基礎(chǔ)上，我們總結(jié)了機(jī)器人的如下運(yùn)動(dòng)方式::兩個(gè)電機(jī)啟動(dòng)。:兩個(gè)電機(jī)同時(shí)在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)加速。:改變一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，完成轉(zhuǎn)彎后作直線運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)覆蓋了差動(dòng)輪式移動(dòng)系統(tǒng)的所有基本動(dòng)作，通過(guò)一系列電機(jī)控制的組合就可以靈活地控制機(jī)器人完成它所能夠做到的任何動(dòng)作。機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)一般包括硬件與軟件兩個(gè)部分,前者是系統(tǒng)的基礎(chǔ),后者主要包括實(shí)現(xiàn)圖像處理的基本算法以及一些實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的接口程序. 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件部分由計(jì)算機(jī)、攝像頭、機(jī)器人地盤(pán)組成?；谝曈X(jué)導(dǎo)航的原始輸入圖像是連續(xù)的數(shù)字視頻圖像。其次利用計(jì)算機(jī)計(jì)算并提取出對(duì)機(jī)器人有用的路徑信息。圖21 視覺(jué)系統(tǒng)流程圖在本次設(shè)計(jì)中，采用的是用攝像頭實(shí)時(shí)的采集圖像信息，經(jīng)過(guò)上位機(jī)的內(nèi)部處理，通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)要求。因此，機(jī)器人的移動(dòng)速度定為V=按工作要求和條件，選用直流無(wú)刷電機(jī)，電壓12V.減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速n=100rpm,驅(qū)動(dòng)輪直徑D=100mm,=(31)機(jī)器人的設(shè)計(jì)負(fù)重為30公斤，F(xiàn)=45N, T=，考慮到機(jī)器人會(huì)攜帶上位機(jī)等設(shè)備，所以取T=3N/m， (32) 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比： (33) （式中分別為聯(lián)軸器、滾動(dòng)軸承、圓錐齒輪傳動(dòng)、圓柱齒輪傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)輪的效率。則：電動(dòng)機(jī)所需功率： (34)所以取電動(dòng)機(jī)功率為40W。如果選用轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)，其尺寸和重量小、價(jià)格較低，但會(huì)使傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。因此，應(yīng)綜合考慮電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置的尺寸、重量、價(jià)格，分析比較，選出合適的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為40W根據(jù)設(shè)計(jì)要求電動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速查手冊(cè). 電機(jī)參數(shù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)額定功率W額定轉(zhuǎn)速（r/min）總傳動(dòng)比FBL60K03151RS40150015圖31 電機(jī)外形尺寸 圓錐圓柱減速器的設(shè)計(jì)機(jī)器通常由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、和工作機(jī)等三部分組成。傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)對(duì)整臺(tái)機(jī)器的性能、尺寸、重量和成本有很大的影響，因此應(yīng)當(dāng)合理的以定傳動(dòng)方案。傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比= 15對(duì)于圓錐圓柱齒輪減速器，為使大圓錐齒輪直徑不致過(guò)大，高速級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)比可取，且，此處為減速器總傳動(dòng)比。傳動(dòng)比i=3，有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，10小時(shí)，平穩(wěn)。（2） 機(jī)器人為一般機(jī)器，速度不高，故選用8級(jí)精度。（4） 選小齒輪的齒數(shù)z，則大齒輪齒數(shù)為692．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 公式 (36) （1）確定公式內(nèi)的各數(shù)值1）查的材料彈性影響系數(shù)。3）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 小齒輪：N (37) 大齒輪： (38)4）查的接觸疲勞壽命系數(shù)5)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 =*600MPa=558MPa (39) =*550MPa= (310)6)試選查得 (311)所以 (312)7) 8） （2）計(jì)算1）試算小齒輪的分度圓直徑，帶入[]中的較小值得 2）計(jì)算圓周速度 (313)3）計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)V=，8級(jí)精度，查得，所以 (314) 4)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑： (315 )取直徑為14mm 5）技術(shù)模數(shù) mm (316)公式 (317) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算值1） 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限。（4）選小齒輪齒數(shù)z，大齒輪齒數(shù)z 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) (324) (1)確定公式內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)值 1)試選載荷系數(shù) 2）轉(zhuǎn)矩 (325)3)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (326) 4） 選取齒寬系數(shù) 5）查的材料的彈性影響系數(shù)Z 6）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限。 3) 取抗彎疲勞安全系數(shù)， 所以 [] (337) [] 4) 計(jì)算載荷系數(shù) (338) 5) 查的齒形系數(shù) 6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) 7)計(jì)算大,小齒輪的并加以比較 大齒輪的數(shù)值大(2)設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m略大于由齒根彎疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù),由于齒輪模數(shù)m的大小取決于抗彎強(qiáng)度所決定的承載能力,而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力,僅與齒輪直徑有關(guān),并就近圓為標(biāo)準(zhǔn)值,按接觸強(qiáng)度算得的分度直徑,由此可得 。大端分度圓直徑： 節(jié)錐頂距 節(jié)圓錐角 大端齒頂圓直徑 齒數(shù) ， 模數(shù) m= 精度8級(jí)，小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS,大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS,兩者材料硬度相差40HBS。按彎扭合成強(qiáng)度條件初步計(jì)算軸的各段直徑，軸計(jì)算載面的直徑為 (342) 式中　 —軸計(jì)算載面上的彎矩，N —軸計(jì)算載面上的轉(zhuǎn)矩，N —將轉(zhuǎn)矩折合成當(dāng)量彎矩的折算系數(shù)力　 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。為此，可取減速器輸入軸軸端直徑：　　　　　　　　　　　　　　mm (343) 式中　　—減速器輸入軸軸端直徑，mm；　　　　 —電動(dòng)機(jī)軸直徑，mm。 式中　　—減速器從動(dòng)軸危險(xiǎn)截面直徑，mm；　　　　a—該級(jí)傳動(dòng)的中心距，mm。根據(jù)表153，取A,于是得 取。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。球軸承適于承受輕載荷，滾子軸承適于承受重載荷及沖擊載荷。根據(jù)機(jī)器人的要求及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的原則，本次設(shè)計(jì)選擇深溝球軸承和角接觸球軸承 無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器 這類聯(lián)軸器因具有撓性，故可補(bǔ)償兩軸的相對(duì)位移。常用的有以下幾種： （1）凸緣聯(lián)軸器 采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接 ，并靠鉸制孔(對(duì)應(yīng)鉸制孔螺栓) 螺栓來(lái)對(duì)中,依靠螺栓的抗剪切能力傳遞扭矩。凸牙可在凹槽中滑動(dòng)，可以補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的相對(duì)位移。 （3）滑塊聯(lián)軸器 滑塊聯(lián)軸器是由兩個(gè)帶凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)方形滑塊組成，滑塊材料通常為夾布鉸木制成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、適用于小功率、高轉(zhuǎn)速而無(wú)劇烈沖擊處。依靠?jī)?nèi)外齒相嚙合傳遞扭矩。 這類聯(lián)軸器能傳遞很大的轉(zhuǎn)矩，并允許有較大的偏移量，安裝精度要求不高，常用于重型機(jī)械中。彈性元件所能儲(chǔ)蓄的能量越多，則聯(lián)軸器的緩沖能力愈強(qiáng)；彈性元件的彈性滯后性能與彈性變形時(shí)零件間的摩擦功愈大、則聯(lián)軸器的減振能力愈好。常見(jiàn)的有以下幾類：（1）彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器 這種聯(lián)軸器的構(gòu)造與凸緣聯(lián)軸器相似，只是用套有彈性套的柱銷(xiāo)代替了聯(lián)接螺栓。半聯(lián)軸器與軸的配合孔可做成圓柱形或圓錐形。這種聯(lián)軸器富有彈性，具有良好的消振能力，能有效地降低動(dòng)載荷和補(bǔ)償較大的軸向位移，而且絕緣性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)噪聲。為了便于裝配，有時(shí)將輪胎開(kāi)出徑向切口，但這時(shí)承載能力要顯著降低。彈性件可根據(jù)使用要求選用不同硬度的聚氨酯橡膠、鑄型尼龍等材料制造。C，短時(shí)工作溫度可達(dá)100176。在本次設(shè)計(jì)中，考慮到滿足使用要求，從經(jīng)濟(jì)性上考慮，決定選用凸緣聯(lián)軸器。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。RAM可以隨機(jī)地被CPU讀寫(xiě)，斷電后存儲(chǔ)的內(nèi)容消失；ROM種的信息只能讀不能寫(xiě)。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。PIC16F877芯片上集成有：（1）端口RA模塊：是一個(gè)只有6條引腳的輸入/輸出可編程的端口。（3）端口RC模塊：是一個(gè)具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。（5）端口RE模塊：是一個(gè)具有3條引腳的輸入/輸出可編程的端口。（7）定時(shí)器TMR1模塊：是一個(gè)16位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器使用，并且可以與捕捉/比較/脈寬調(diào)制CCP模塊配合實(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。（9）EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：是2568的電可擦寫(xiě)的存儲(chǔ)器，儲(chǔ)存的內(nèi)容掉電也不會(huì)丟失。（11