【正文】 （ 225） 齒頂圓直徑 da1=de1+2ha1cosδ 1= （ 226） 安裝距 A1 冠頂距 Ak1=de2/2ha1sinaδ 1= （ 228） 輪冠距 =H1=A1Ak1 （ 229） 大端分度圓齒厚 S1=me（π /2+2x1tanα +xt1） （ 230） 端面當(dāng)量齒數(shù) Zv1=z1/cosδ 1= （ 231） 錐齒輪在這個設(shè)計中的作用是連接電機轉(zhuǎn)軸和車 輪轉(zhuǎn)軸，采用的兩個 90 度錐齒輪進行連接，這樣既可以保證兩個轉(zhuǎn)軸之間的傳動，有可以很好的黏合。在正常 救援過程中 ，機器人長時間工作也不會過熱， 所以可以放心使用。電驅(qū)動 電機 由于電能易于獲取，容易傳輸，沒有污垢，易于維修等優(yōu)點而被廣泛采用。 根據(jù)前面的計算結(jié)果和機器人性能要求， 機器人 配置了日本三洋公司生產(chǎn) 的Super_L 直流電機 電機參數(shù)如下： 額定電壓 24V 額定功率 60W 額定轉(zhuǎn)速 3000n/min 減速比 1:5 編碼盤線數(shù) 5121024 電機的選用 電動機是機器人的動力提供部分，電動機選取的正確與否關(guān)系到機器人設(shè)計的成敗。機器人常用的電動機包括步進電動機、直流電動機、伺服電動機等。放電狀態(tài)下， 正極 主要成分為 二氧化鉛 ，長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 負(fù)極 主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為 硫酸鉛 。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。 圖 24 免維護蓄電池 其具體參數(shù)如下： 容量： 24V17Ah(2 單元 12V串聯(lián)，單元容量 12V17Ah),408W 重量： 11kg 放電能力： 1020,170340A 連續(xù)電路 能量密度： 39Wh/kg 循環(huán)壽命：〉 500 次 工作時間： 46 小時 電機驅(qū)動的選擇 直流電機將軸的旋轉(zhuǎn)運動輸入到齒輪箱，然后齒輪箱的輸出軸控制輪子 轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動整個機器人運動。 救援 機器人的調(diào)速是通過直流運動控制器來實現(xiàn)的，此探測機器人配置了瑞士FAULHABER 公司的 MCDC2805，如圖 25 所示： 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 13 圖 25 MCDC2805 MCDC2805 運動控制器是專為直流電機而量身定做的，配合性能優(yōu)異的SANYOSuperL 電機及集成編碼器，即使在轉(zhuǎn)速非常低的情況下，也能到達 度的定位控制精度。 2．速度模式可以方便實現(xiàn)諧波，三角形，梯形及更復(fù)雜 的復(fù)合運動速度圖運行模式。 4．附加控制模式：可以通過步進控制模式同步控制多個電機工作。 7．輸入輸出：為故障輸出端（集成極開路輸出）：可以設(shè)置成旋轉(zhuǎn)方向輸入，數(shù)字輸入或參考輸入口 [23]。 MDCD2805 接線口如表 23 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 14 表 23 MDCD2805的接線表如下： 電源側(cè) 9 針 D 型串口 電機側(cè) 接線端 功能 接線端 功能 接線端 功能 V1 RS232 TXD (RS232 發(fā)送端 ) 2 RS232RXD(RS232 接收端 ) M1 InputNo.5(第三輸入端 ) V2 RS232RXD (RS232 接收端 ) 3 RS232TXD(RS232 發(fā)送端 ) M2 InputNo.4(第三輸入端 ) V3 AnalogGND (模擬地 ) 5 GND(地 ) M3 Channel A (編碼器 A 通道 ) V4 Fault Ouput (故障輸出端 ) M4 Channel B (編碼器 B 通道 ) V5 Analog Input（模擬輸入端） M5 VCC(+5)(系統(tǒng)提供+5V) V6 +24V(點源正極 ) M6 Signal GND (信號地 ) V7 GND(地 ) M7 MOTOR+(接電機正極 ) V8 Input (第三輸入端 ) M8 MOTOR_（接電機負(fù)極） 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 15 各模塊的連接 電源驅(qū)動模塊與底盤運動模塊的連接 如圖所示， 1 為電源及驅(qū)動模塊， 2 為減振機構(gòu)， 3 為連接架， 4 位履帶當(dāng)板。連接架的下端用四顆 M5 螺栓進行固定。具體連接方法如圖 26 所示。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 16 由于傳感器箱體底部安裝了電路主板等，所以是封閉的，用計算機架的連接方式就不能實現(xiàn)拆卸方便的原則，所以采用途中所示的方法，兩個模塊分別固定各自的連接快，然后 結(jié)合到一塊兒，然后用一顆 M5 內(nèi)六角圓柱頭螺釘進行緊固，螺釘頭朝外，這樣拆裝就相當(dāng)簡單了，兩個模塊之間共有四組這樣的連接方式，分布在蓋板的四周。其中連接計算機模塊與蓋板的是 8顆 M3內(nèi)六角沉頭螺釘，圖 38中顯示的是其中的兩個，其它 6顆都與這兩個對稱。因此，安裝時務(wù)必裝緊，避免由于震動等造成螺釘?shù)乃?動。從圖中可以看出， 8顆內(nèi)六角沉頭螺釘都固定在了計算機模塊的外部，很明顯，這樣連接即使不拆除計算機模塊，也可以打開蓋板看到傳感器模塊里的情況，為排查故障等提供了方便，還有就是，蓋板要比傳感器的箱體要大，因為，傳感器箱體里放的是幾乎所有機器人所需要的電路板防止大量灰塵進入到里邊影響電路的正常工作。作用是將機器人底層的 RS485總線轉(zhuǎn)換為方便連接計算機的 RS232電平。其中，視覺是最重要的，因為，即使只有視覺的時候，也能根據(jù)看到的進行前行或是改變行為方式，但如果失去了視覺，即使其他的感覺功能都存在，也很難判斷周圍的環(huán)境，很難對行為方式進行判斷。 視覺傳感器 視覺傳感器的選用： 為在設(shè)計過程中，為了保護好攝像設(shè)備的連接線以及防止設(shè)備被環(huán)境腐蝕等 ，已經(jīng)設(shè)計了用舵機控制自由度的攝像云臺，安裝攝像頭的部位可以在控制下朝向任何的方向，所以只需一個 USB 攝像頭即可。 CCD 感光器介紹： CCD，全稱： 電荷 耦合元件。 CCD感光器 是一種 半導(dǎo)體器件 ，能把 光學(xué) 影像轉(zhuǎn)化為 數(shù)字信號 。一塊 CCD上 所 包含的像素數(shù)越多，其提供的 畫面 分辨率也就越高。 CCD 上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號 [25]。其顯著特點是： 輕； ，工作電壓低，抗沖擊與震動，使用性能穩(wěn)定，壽命長； ，噪聲低， 動態(tài)范圍 大； ，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像； 超大規(guī)模集成電路 工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。 3CCD 感光器 :單 CCD 的感光器像素即其感光器件的像素。在選購數(shù)碼攝像機的時候，不能只看像素，還要注意 CCD 的尺寸 大小，譬如說 1/6 寸的 3CCD 可能表現(xiàn)能力并不比 1/4 寸單 CCD 理想，因為 CCD 的大小決定了進光量，也決定了圖像的清晰度 [27]。一般 3CCD 數(shù)碼攝像機的像素，每個 CCD 在 34— 45萬個之間，也就是說，總像素是在 102— 135 萬之間。本論文的視覺傳感器選用 3CCD 感光器。 超聲波傳感器測距原理： 超聲傳感器 對于距離的測量是利 用超聲波反射原理 ，從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。超聲波 在 常溫下 的 空氣中傳播速度 是 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就 能夠 計算出發(fā)射點距障礙物的距離 s。故在超聲波測量中， 傳感器 常使用 40KHz 的超聲波。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，因此具有很 強 的抗干擾性能 [28]。 紅外傳感器的設(shè)計 由于超聲波在傳輸過程中存在著衍射、噪聲等一系列干擾測量精度的因素，使超聲傳感器在測量過程中存在較大的測量盲區(qū)，本畢業(yè)設(shè)計將紅外測距作為超聲測距的補充，可以在很大程度上補充超聲測距的盲區(qū)。完全能夠覆蓋超聲測距的盲區(qū)。紅外傳感器型號為 E18B0，其規(guī)格數(shù)據(jù)為： VCC: 6V36V(典型 12V)。 輸出形式 : NPN 三極管 OC 輸出 。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 19 安裝方式 : 直徑 17mm 殼體螺紋，帶鎖緊螺母 。 電源保護電路 為了便于用擴展，對各擴展卡的每一路電源以及信號都進行可靠的保護，即 使 使用出現(xiàn)把 信號混亂、接反、短路 ，也不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。 一般采用集成的信號放大器芯片，對信號進行放大處理。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電 壓時放大器有較高的增益 ， 在近距離輸入信號強時放大器不會過載 。 圖 35 紅外傳 感器輸入接口電路 探測機器人計算機硬件系統(tǒng) 在 救援 機器人的 設(shè)計 中，機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一直是人們關(guān)注的 焦 點。首先，開放機器人應(yīng)具備以下特征： 1． 硬件基于標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，能夠與各種外圍設(shè)備和傳感器接口； 2． 機器人系統(tǒng)的性能和功能可以根據(jù)使用需求很方便地增減。本設(shè)計采用筆 記本電腦架構(gòu)，集成 Windows 操作系統(tǒng)和 VC 開發(fā)環(huán)境。 3． 具有成熟的標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，能夠與各種外圍設(shè)備和傳感器接口； 4． 通用的機器人系統(tǒng)，開放性好； 5． 良好的通訊功能； PC 很容易與其他設(shè)備實現(xiàn)通訊，因此很容易擴展其他硬件設(shè)備； 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 22 基于操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境的機器人系統(tǒng) 優(yōu) 點是： 1． 友好的人機界面； 2． 豐富的軟件資源； 3． 完備的軟件開發(fā)環(huán)境； 4． 廣泛的用戶基礎(chǔ)； 電子羅盤的選用 電子羅 盤，又稱數(shù)字羅盤，在現(xiàn)代技術(shù)條件中電子羅盤作為導(dǎo)航儀器或姿態(tài)傳感器已被廣泛應(yīng)用。 本設(shè)計選用三軸捷聯(lián)磁阻式數(shù)字磁羅盤，這種羅盤具有抗搖動和抗振性、航向精度較高、對干擾場有電子補償、可以集成到控制回路中進行數(shù)據(jù)鏈接等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、機器人、航海、車輛自主導(dǎo)航等領(lǐng)域。 2． 高速高精度 A/D 轉(zhuǎn)換。 4． 內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾角。 6． 具有指向零點修正功能。電子羅盤的原理是測量地球磁場，如果在使用的環(huán)境中有除了有地球以外的磁場且這些磁場無法有效的屏蔽時，那么電子羅盤的使用就有很大的問題，這時只能考慮使用陀螺來測定航向了 [36]。利用 無線電波 傳輸信息的通信方式即稱 作 無線電通信，它能傳輸聲音、文字、 數(shù)據(jù) 和圖像等。所以本文選用無線通訊。此特定的 USB 通常不要隨意改變，否則需要重新安裝驅(qū)動。 電機調(diào)速系統(tǒng)控制原理 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 23 電動機調(diào)速系統(tǒng)控制流程圖如圖 36 所示： 圖 36 電動機調(diào)速系統(tǒng)控制流程圖 調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理是以 AT89S51 單片機為控制核心，包括測速電路， PWM 波形發(fā)生器和 PWM 功放電路。這是一個依據(jù)事先和事后的信息而產(chǎn)生對機器人的控制命令的系統(tǒng)。機器人執(zhí)行任務(wù)前。依據(jù)上述的所有數(shù)字模型，原始數(shù)據(jù)，感受的信息，利用控制策略和算法，以及過去執(zhí)行任務(wù)的經(jīng)驗等，計算機產(chǎn)生一個對機器人的控制命令。作為計算機系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，計算機控制技術(shù)包括范 圍十分廣泛，從機器人智能、任務(wù)描述到運動控制和伺服控制等。隨著信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展及機器人應(yīng)用范圍的擴大，移動機器人控制技術(shù)整朝著智能化方向發(fā)展，出現(xiàn)離線編程、任務(wù)級語言、多傳感器信息融合、智能行為控制等新技術(shù)。移動機器人在運動過程中主要 通過調(diào)節(jié)機器人的運動速度和運動方向，使機器人按預(yù)設(shè)功能運動。在執(zhí)行任務(wù)的過程中，感覺系統(tǒng)將內(nèi)感受和外感受的信息反饋給控制系統(tǒng)，有控制系統(tǒng)對整個機器人的活動作決策和付諸實施。采用某一種工作方式，例如，人進行的干預(yù)很少 自由方式；人的干預(yù)很多 手動方式；斷斷續(xù)續(xù)干預(yù) 監(jiān)督管理方式等，都要按任務(wù)的需求而定。他們來自感覺系統(tǒng)即感知的機器人自身狀態(tài)。 行動 控制信號的產(chǎn)生和實施。所以，應(yīng)隨時觀察機器人執(zhí)行任務(wù)的情況，在出現(xiàn)機器人出現(xiàn)差錯時及時進行更改，使其順利完成 任務(wù) 。實驗中，無線收發(fā)模塊采用基于單片機的 無線收發(fā)數(shù)傳模塊 ，其特點是 微小型、低功耗、高速率。 工作最高速率可達 20k bit/s，也可在較低速率如 4800bps、 9600bps 下工作，無需設(shè)置模塊通信速