利用智能手機控制的娛樂機器人移動本體設(shè)計【采用輪式移動平臺】,采用輪式移動平臺,利用智能手機控制的娛樂機器人移動本體設(shè)計【采用輪式移動平臺】,利用,應(yīng)用,智能手機,控制,節(jié)制,娛樂,文娛,機器人,移動,挪動,本體,設(shè)計,采用,采取,采納,輪式,平臺 設(shè)計任務(wù)書 課 題 利用智能手機控制的娛樂機器人 移動本體設(shè)計 專 業(yè) 年 級 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 （簽字） 學(xué) 院 院 長 （簽字） 2013 年 12 月 12 日 課題 來 源 來源于企業(yè) 課 題 的 目 的 、 意 義 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,人類社會己經(jīng)進入信息時代,在日常生活娛樂中,手機更成為人們不可或缺的一部分，而由手機作為控制器媒介。如今具有 Android、iOS、Windows Phone等操作系統(tǒng)的智能手機逐漸普及，成為幾乎人手必備的個人終端，同時性能也在不斷地提升。由于智能手機良好的便攜性和移動性以及日益強大的計算能力， 本課題將就基于多種控制方式的交互式多媒體演示系統(tǒng)和方法進行一些探討,并對其中的智能手機（主要是android操作系統(tǒng)的智能手機）交互式控制做詳細說明,以期對日常生活娛樂的多樣性以及現(xiàn)代科技化娛樂方式起到一定的積極作用。 產(chǎn)品具有一定的社會經(jīng)濟意義，又符合機械學(xué)院的學(xué)生培養(yǎng)情況。 要 求 課題的主要技術(shù)要求： 1、 機器人采用輪式移動平臺，兩個主動輪，兩個萬向輪； 2、 尺寸：直徑約20cm，高約15cm 3、 鋰電池供電 4、 直流電機驅(qū)動 5、 運動速度：0.8m/s 6、 手機安裝架可適應(yīng)不同的手機，具有2個自由度，旋轉(zhuǎn)360°，俯仰±45° 7、 手機與機器人之間可以采用USB連接，也可以采用藍牙連接 8、 采用單片機控制機器人運動 建立機器人三維模型，提交零件圖和裝配圖 課題工作量要求： 完成包括總裝配圖、部件圖、主要零件圖在內(nèi)的圖紙不少于2張A0； 主要零件圖總圖幅不少于一張A1，單片機控制電路原理圖1張A1； 設(shè)計計算說明書不少于1.5萬字； 零件數(shù)不少于50個。 課 題 主 要 內(nèi) 容 及 進 度 課題主要內(nèi)容： 收集、研讀國內(nèi)外關(guān)于收集控制機器人有關(guān)方面的資料,特別是結(jié)構(gòu)和控制的資料 根據(jù)技術(shù)要求擬定設(shè)計方案，包括整體結(jié)構(gòu)，機械傳動方案和控制方案； 設(shè)計詳細結(jié)構(gòu)，畫出總裝配圖、部件圖并完成相應(yīng)的設(shè)計計算； 挑選部分典型零件設(shè)計零件工作圖； 完成單片機控制電路原理圖； 撰寫設(shè)計計算說明書。 工作進度： 2013.11.01-2013.12.01：收集資料，研讀資料 2014.12.01-2014.01.15：擬訂總體設(shè)計方案 2014.01.15-2014.03.05：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、繪制總裝圖 2014.03.05-2014.03.10：主要零部件設(shè)計計算，繪制零件工作圖 2014.03.10-2014.03.15：繪制接線原理圖 2014.03.15-2014.03.20：控制系統(tǒng)設(shè)計 2014.03.20-2014.03.25：撰寫設(shè)計計算說明書 2014.03.25-2014.06.06：修改及答辯 開題報告 課 題 　利用智能手機控制的娛樂機器人 　　 　移動本體設(shè)計 學(xué) 院（系） 專 業(yè) 年 級 學(xué) 號 姓 名 導(dǎo) 師 定稿日期： 2014 年 2 月 23 日 利用智能手機控制的娛樂機器人移動本體設(shè)計 1 選題背景及其意義 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,人類社會己經(jīng)進入信息時代,在日常生活娛樂中,手機更成為人們不可或缺的一部分，而由手機作為控制器媒介。如今具有 Android、iOS、Windows Phone等操作系統(tǒng)的智能手機逐漸普及，成為幾乎人手必備的個人終端，同時性能也在不斷地提升。由于智能手機良好的便攜性和移動性以及日益強大的計算能力， 本文將就基于多種控制方式的交互式多媒體演示系統(tǒng)和方法進行一些探討,并對其中的智能手機（主要是android操作系統(tǒng)的智能手機）交互式控制做詳細說明,以期對日常生活娛樂的多樣性以及現(xiàn)代科技化娛樂方式起到一定的積極作用。 2 文獻綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 2.1國外情況 傳統(tǒng)的機器人遠程控制主要基于 Internet 和 PC 終端，將機器人接入 Internet，操作者在 PC 上通過瀏覽器訪問機器人，不僅可以看到機器人連接的攝像頭拍攝的實時圖像，而且可以控制機器人的運動。這種控制方式最初在利用機器人進行遙操作的危險領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，后來被廣泛應(yīng)用到遠程制造、遠程醫(yī)療診斷、遠程教育培訓(xùn)和網(wǎng)上娛樂等新領(lǐng)域。[1] 1994 年，Ken Goldberg 最早提出了基于 Internet 的機器人遠程控制構(gòu)想，即通過 Internet 訪問機器人，并對其進行遠程操作。然后他將這一想法應(yīng)用到“水星計劃”中，操作者使用鍵盤和鼠標通過瀏覽器遠程控制一臺配備了 CCD 攝像頭的 IBM SCARA 機器人，在裝有沙子的半圓形空間中進行物品挖掘。隨后他們又開發(fā)了 Telegarden 機器人，操作者通過 Internet 反饋的一幅幅圖像遠程控制機器人機械手在花園中進行種植和灌溉等操作。[2] 1994 年 9 月，Kenneth Taylor 等人研發(fā)出 Telerobot 機器人，該機器人上安裝了攝像頭觀測周圍環(huán)境，利用六自由度 ASEA IRb-6 型機械手抓取積木塊。用戶通過 Internet 瀏覽器向機器人發(fā)送指令，控制機械手抓取工作臺上的積木塊移動到目標位置。機器人執(zhí)行完一次運動后，將返回當前位置不同角度的圖像。 [3]其他的基于Internet的遠程機器人控制系統(tǒng)還有英國Bradford大學(xué)的Bradford Robotic Telescope 望遠鏡遠程控制系統(tǒng)，英國 Manchester 大學(xué)的 Forty Two 遠程機器人以及德國的移動木塊的 Net-Robot 機器人等。[4] 基于 Internet 的機器人遙操作系統(tǒng)初期只能提供機器人執(zhí)行完每步命令后的靜止畫面，當網(wǎng)絡(luò)流式傳輸技術(shù)出現(xiàn)以后，可以更加方便的對現(xiàn)場環(huán)境圖像進行反饋。美國 Wilkes 大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)交互繪畫機器人 PumaPaint 是將 PUMA760 機械臂連接到 Internet 上，任何用戶可在其網(wǎng)頁的虛擬畫布上使用畫筆和顏料繪畫，系統(tǒng)通過不斷的更新圖像給用戶提供視覺反饋。 這一代網(wǎng)絡(luò)遙操作機器人主要以固定的工業(yè)機器人和機械臂操作手作為被控對象，運行于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，通過直接發(fā)送命令的方式控制，系統(tǒng)比較簡單。隨著研究的深入，第二代網(wǎng)絡(luò)遙操作機器人系統(tǒng)以自主式移動機器人作為被控對象，利用其自主性和移動性的特點，可在非結(jié)構(gòu)化、未知的遠程環(huán)境中運行。[5] 1995 年，Carnegie Mellon 大學(xué) Reid Simmons 教授和他的團隊研發(fā)出第一個基于 Internet 的自主移動機器人遠程控制系統(tǒng) Xavier。機器人上安裝了攝像機，操作者在網(wǎng)頁上根據(jù)反饋的圖像發(fā)送控制命令，使之在樓內(nèi)各個房間中移動傳遞文件。 其他的自主移動機器人遠程控制系統(tǒng)還有瑞士的 KhepOnTheWeb，即一 個小型移動機器人在迷宮中移動，操作者可以從機器人的視角或外部攝像頭的視角監(jiān)視機器人，并控制它的運動。 德國 Bonn 大學(xué)開發(fā)的博物館導(dǎo)游機器人，Rhino 和 Minerva，可以使用三個網(wǎng)頁控制它們同游客交流，引導(dǎo)游客觀看博物館的展覽。[6] Natali Ivanova 的機器人真空吸塵器項目，具有交互式的人機接口，可以在 PC 上使用瀏覽器通過 Internet 在其他地方遠程引導(dǎo)家里的吸塵器工作。 美國 Anybots 公司開發(fā)的 QB 遠程臨場機器人，能夠通過遠程操控代替主人出席緊急會議甚至代為工作。QB 通過兩個攝像頭和三個麥克風(fēng)，將會議現(xiàn)場視頻通過Internet 傳送給遠程操作者，如圖 1-1 所示。 圖 1-1 Anybots QB 機器人 圖 1-2 MARON-1 機器人 圖 1-3 移動機器人 盡管基于 Internet 和 PC 的機器人遠程控制技術(shù)具有十分廣泛的應(yīng)用，但由于PC 只能部署在固定地點通過有線方式接入 Internet，限制了遠程控制的靈活性。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提升，出現(xiàn)了基于移動通信和手機終端的機器人遠程控制系統(tǒng)。 [7] 日本富士通實驗室為特殊病人的醫(yī)療護理和家庭及辦公室安全保護等應(yīng)用設(shè)計開發(fā)了一種先進的機器人 MARON-1，可以通過日本DoCoMo 電信運營商的無線通訊手機系統(tǒng)來控制，如圖 1-2 所示。 德國的 Daniel He?和 Christof R?hrig 利用 Windows Mobile 系統(tǒng)和 Symbian系統(tǒng)的智能手機實現(xiàn)了對移動機器人的控制，如圖 1-3 所示。該機器人攜帶一個 PTZ（云臺全方位移動及鏡頭變倍、變焦控制）攝像頭實時采集圖像，可以通過遠程控制實現(xiàn)前進、后退、順時針和逆時針轉(zhuǎn)動。 馬來西亞 Saliyah Kahar 等人提出了利用 3G 網(wǎng)絡(luò)建立智能手機和移動機器人通信的模型。受控機器人 WiRobot X80 配備了攝像頭、話筒和車輪，可以和周圍環(huán)境進行交互。用戶可以從手機上監(jiān)視移動機器人的狀態(tài)信息和視覺信息。 [8] 2.2國內(nèi)情況 國內(nèi)在基于Internet和PC終端以及基于移動通訊和手機終端的機器人遠程控制方面都進行了研究。 對于前者，上海交通大學(xué)開發(fā)了基于 Web 的機器人遙操作系統(tǒng)，控制 Adept 604-S 型機械手，人機界面基于 HTML 技術(shù)。此后他們又開發(fā)了一個基于 Java Applet 和服務(wù)器組件技術(shù)的 Web 機器人遙操作系統(tǒng)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了 Telerobot 遠程操作機器人，用戶可以通過 Internet 瀏覽器控制一臺 PUMA562 機器人，使用三架 CCD 攝像機對現(xiàn)場環(huán)境進行拍攝，并根據(jù)反饋的圖像遠程操作機器人完成抓取、搬運和堆放操作。 浙江大學(xué)的基于網(wǎng)絡(luò)的移動機器人遠程控制系統(tǒng)，利用 Java Applet 實現(xiàn)信息交互，在無線局域網(wǎng)環(huán)境下利用 JMF 實現(xiàn)了視頻流的傳輸。重慶郵電大學(xué)以 Pioneer 3-DX 型移動機器人為控制對象，將全景視頻圖像和局部環(huán)境圖像反饋給操作者從而遠程控制移動機器人。 [9] 在基于移動通訊網(wǎng)絡(luò)和手機終端的機器人遠程控制方面，許松清等人利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像，實現(xiàn)了對移動機器人的遠程監(jiān)控。劉延飛等人提出一種應(yīng)用 3G 通信和 GPS 定位技術(shù)的救援機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過 3G 網(wǎng)絡(luò)對機器人進行指揮以及將現(xiàn)場視頻傳送至監(jiān)控中心。吳京秋等人設(shè)計了一種基于 DSP和 ARM 的無線遠程機器人控制系統(tǒng)，利用 DSP 芯片采集處理 CCD 攝像機拍攝的視頻，并通過 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)控制機器人。嚴武軍基于 3G 網(wǎng)絡(luò)和 Android手機實現(xiàn)了機器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)。孫進華等人設(shè)計了一種基于嵌入式 WEB 的多功能家用機器人控制系統(tǒng)，包括運動模塊、視頻模塊、傳感器模塊和 GSM 模塊，能在位置環(huán)境中自主導(dǎo)航，具有清潔和視頻監(jiān)控的功能。李宗瑋等人利用iPhone 手機和 3G 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一種機器人人機交互系統(tǒng)，通過傳輸連續(xù)的 JPEG圖像實現(xiàn)視覺反饋[9]。[10] 3 研究內(nèi)容 3.1 機構(gòu)設(shè)計 機器人的機械部分通常包括執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動裝置。 執(zhí)行機構(gòu)即機器人本體，能讓機器人能夠按照輸入信號達到所需要求，底盤輪齒組合能使其前后，正逆時針旋轉(zhuǎn)。 3.2 電機及驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 電機的類型有很多種，按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。 直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動機和有刷直流電動機。 鑒于該機器人屬于小型娛樂類型機器人，故考慮使用小型直流步進電動機，即可滿足要求，并采用齒輪軸配合 3.3 減速器的選擇 減速器主要可分為齒輪減速器和蝸桿減速器兩大類： 齒輪減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場合也用來增速，稱為增速器 齒輪減速器是減速電機和大型減速機的結(jié)合。無須聯(lián)軸器和適配器，結(jié)構(gòu)緊湊。負載分布在行星齒輪上，因而承載能力比一般斜齒輪減速機高。滿足小空間高扭矩輸出的需要。 而本課題就將使用齒輪減速器 3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計 選用單片機作為控制芯片，型號為STC89C52RC 單片機，它是一種低功耗、高性能的單片機，擁有8k字節(jié)的程序存儲空間、512k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間、32位I/O口以及內(nèi)帶2k字節(jié)EEPROM存儲空間。 它作為機器人的底層控制系統(tǒng)，需要完成對機器人的控制和對手機信號的接受，能與手機完成良好的通訊。 運動裝置，采用四輪結(jié)構(gòu)，前后兩輪為萬向輪，起支撐作用，左右兩輪用兩個直流電機獨立驅(qū)動，具有轉(zhuǎn)彎靈活，控制簡單等特點。 3.5 軟件設(shè)計 考慮到用單片機作為控制系統(tǒng)，將以單片機編程為機器人編制運動系統(tǒng)，通過對單片機的控制輸入控制機器人的運動 4 研究方案 機器人分為本體部分與控制部分。 本體部分作為一個主框架，能夠有一個底盤結(jié)構(gòu)作為手機的支架，該支架設(shè)有一個手抓（如圖一），能夠抓持不同型號大小的手機，支架設(shè)有一個轉(zhuǎn)動副，能使手機做適當調(diào)整讓其能以很好地面對人臉接受信息（如圖二）。能與運動部分的的直流步進電機，減速機構(gòu)主動輪和導(dǎo)向輪相結(jié)合構(gòu)成一個整體。 圖一 圖二 對于控制部分，外界輸出的對象是手機，手機端通過攝像頭接受到外界信號后，可由USB，藍牙或者wifi將信號傳輸給單片機，再由事先設(shè)計好的程序讓單片機處理后使機器人做出相關(guān)運動。 電機選型初步選定步進電機，因為其價格低廉，結(jié)構(gòu)原理簡單，調(diào)速方便，體積較小，功率較小。 機械結(jié)構(gòu)方面采用齒輪傳動，因為齒輪結(jié)構(gòu)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，維護方便，壽命長，傳動比穩(wěn)定。 電氣控制方面，采用MCS-51單片機控制 ，因為其具有比較大的尋址空間 ，處理功能強 ，指令系統(tǒng)相對完善以及完善的各種中斷源，抗干擾能力加強，工作亦相對穩(wěn)定 ，開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富。 利用三維設(shè)計軟件solidworks等，繪制全套三維零件圖以及三維裝配圖，生成虛擬樣機模型。檢查該樣機存在的干涉等問題，然后利用該樣機模型制作裝配動畫。最后利用AUTOCAD軟件繪制全套零件二維工作圖以及二維總裝配圖。 利用電路仿真軟件設(shè)計電路圖，調(diào)試單片機程序，完成電氣控制部分的設(shè)計 機器人 本體 控制部分 底盤 運動部分 手機支架 直流步進電機 減速機構(gòu) 主動輪 導(dǎo)向輪 手機 單片機 5 進度計劃 2013年12月---- 2014年2月：收集資料，確定設(shè)計系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻，書寫開題報告。 2012年 3月---- 2012年 4月：開始總體設(shè)計，完成機械部分，傳動部分設(shè)計。完成總裝配圖，A0圖紙1張，完成部分零件圖A1圖紙3張等。 2014 年 4 月---- 2014年5月：撰寫畢業(yè)論文。 2014 年 5 月---- 2014年6月：畢業(yè)答辯準備和答辯。 參考文獻 [1] 袁劍雄，李晨霞 潘承怡編，《機械結(jié)構(gòu)設(shè)計禁忌》，機械工業(yè)出版社，2008.06 [2] 張建民主編，《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》，高等教育出版社，2000.07 [3] 王淑芳著，《電機驅(qū)動技術(shù)》，科學(xué)教育出版社，2008 [4] 成大先著，《機械設(shè)計手冊》單行本-機構(gòu)，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.01 [5] 孔凌嘉著，《簡明機械設(shè)計手冊》，北京理工大學(xué)出版社，2008.02 [6] 傅蔡安，吳永祥，謝家瀛著，《連桿機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新》，2008.01 [7] 張毅剛著，《單片機原理及應(yīng)用》，2003.12 [8] 魏崢著，《三維計算機輔助設(shè)計—SolidWorks實用教程》，2007.05 [9] 李宗瑋，孫雷. 基于智能手機的網(wǎng)絡(luò)機器人人機交互系統(tǒng)[J]. 計算機工程與 應(yīng)用，2011，47(15)：64-68. 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The telegarden[C]//Proc. of ACM SIGGRAPH. 1995: 1135-1140 指導(dǎo)教師評語: 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日 評議小組意見 1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實用價值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當；□偏小。 4、設(shè)計或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。 5、學(xué)生對文獻資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。 6、學(xué)生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學(xué)生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對論文選題報告的總體評價：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號“√”） 二級學(xué)院所確定評議小組名單 （3-5人） 組長： 、 組員： 、 、 、 單位蓋章 主管領(lǐng)導(dǎo)簽名： 年 月 日 評議結(jié)論 評議小組組長簽名： 評議小組組員簽名： 年 月 日 老師要求 主要是機械方面的設(shè)計,與手機通訊方面只要有一個通訊協(xié)議一筆帶過就行 手機支架手抓可以像下圖一樣可以抓取較多尺寸的手機 手機支架可如下圖一樣前后擺動,但還得添加橫向旋轉(zhuǎn)增加一個自由度 摘 要 移動機器人是一種由傳感器、自主控制的移動載體組成的機器人系統(tǒng)。移動移動機器人具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下)作業(yè)環(huán)境方面，具有有更大的機動性，靈活性。 本課題是設(shè)計一款由手機控制的娛樂移動機器人設(shè)計。本文對各種移動移動機器人進行了比較，從而確定了四輪式移動機器人總體結(jié)構(gòu)與參數(shù)的研究設(shè)計。本文對四輪式移動移動機器人的運動學(xué)進行了探討，建立了運動學(xué)模型。在建立運動學(xué)模型的基礎(chǔ)上對移動機器人的基本運動方式進行了分析，并推到計算出其動力學(xué)模型。本文采用基于單片機的直流伺服運動控制系統(tǒng)，設(shè)計了單片機各個端口和各個執(zhí)行機構(gòu)的電路圖，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。 關(guān)鍵詞：移動機器人；單片機；運動控制 Abstract Smart car is a robot system consists of sensors, autonomous control of mobile carrier. Mobile Smart car has a mobile function, instead of engaging in dangerous conditions (such as radiation, toxic, etc.) operating environment and the people that fall (such as space, underwater) operating environment, with greater mobility, flexible. This topic is designed to design a smart car entertainment from your phone to control. In this paper, a variety of mobile smart car were compared to determine the research design intelligent four-wheel car overall structure and parameters. In this paper, the kinematics wheel mobile smart car is discussed, the establishment of a kinematic model. On the basis of the establishment of the kinematic model of the basic movement pattern of the smart car is analyzed, and pushed to calculate the dynamic model. In this paper, based on single-chip DC servo motion control system, designed circuit diagram microcontroller various ports and various implementing agencies to provide reliable reference and basis for further research. Keywords: Smart Car; SCM; Motion Control 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 1 緒論 4 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 4 1.2 移動移動機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4 1.2.1 移動移動機器人的發(fā)展趨勢 6 1.2.2 國內(nèi)關(guān)于遠程終端控制移動機器人的研究現(xiàn)狀 8 1.3 本文研究的主要內(nèi)容 9 2 移動移動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 10 2.1 移動機器人運動方式的選擇 10 2.2 輪式移動機器人移動能力分析 12 2.3 輪式移動機器人驅(qū)動輪的組成 14 2.4 輪式移動機器人轉(zhuǎn)向輪的組成 15 2.5 電機的選擇 15 2.6 直流伺服電機的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)參數(shù)的確定 17 2.7 減速機構(gòu)的設(shè)計（蝸輪蝸桿減速機構(gòu)） 19 2.7.1 電機參數(shù)的確定 20 2.7.2 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 21 2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計計算 22 2.7.4 蝸輪軸的設(shè)計 24 2.7.5 初選滾動軸承 25 2.7.6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 26 2.8 移動機器人的電源供應(yīng) 27 2.9 車輪及輪轂 28 3 移動移動機器人的運動學(xué)模型 29 3.1 移動機器人的運動學(xué)分析 30 3.2 兩種運動規(guī)劃方法分析 31 3.3 結(jié)論 32 4 移動機器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型 33 4.1輪子 33 4.2 平臺體 34 4.3 小結(jié) 34 5 自主運動控制 35 5.1 控制系統(tǒng)的選用 35 5.2可行性分析 35 5.2.1 單片機控制系統(tǒng) 38 5.2.2 系統(tǒng)電源設(shè)計 38 5.2.3 運動小車運動控制 39 5.2.4 移動機器人驅(qū)動電路 39 5.2.5 狀態(tài)顯示電路控制 40 6 結(jié)論與展望 41 致 謝 42 參考文獻 43 第一章 緒論 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 移動機器人的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域，移動移動機器人是移動機器人學(xué)中的一個重要分支。早在六十年代就已經(jīng)開始了移動移動機器人的研究。關(guān)于移動移動機器人的研究涉及到許多方面。首先要考慮到移動方式，輪式，履帶式，腿式的。其次考慮驅(qū)動器的控制，以使移動機器人達到期望的行為。第三必須考慮到導(dǎo)航或者路徑規(guī)劃，路徑有更多的方面考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此移動移動機器人是一個集環(huán)境感知動態(tài)決策與規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多種功能與一體的綜合系統(tǒng)。對移動移動機器人的研究提出了許多新的挑戰(zhàn)或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家技術(shù)人的興趣，更由于他在軍事偵察排雷防止污染等危險與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對它的研究在世界各地受到普遍關(guān)注。移動移動機器人按照移動方式可分為輪式，履帶式，腿式，其中輪式具有結(jié)構(gòu)簡單活動靈活等優(yōu)點。移動移動機器人的機構(gòu)直接影響移動機器人運動的穩(wěn)定性和控制器的復(fù)雜程度。目前廣泛使用的輪式按照移動特性又可將移動移動機器人分為非全方位和全方位兩種。在平面上移動的物體可以實現(xiàn)前后，左右和自傳三個自由度的運動稱為全方位移動移動機器人，其不僅可以再任意方向上移動，并且保持本姿態(tài)不變，實現(xiàn)全方位的移動的功能也可以改變機體方位[1-5]。這種特性使得輪式移動的路徑規(guī)劃，軌跡跟蹤等問題變得相對簡單，并且它能夠在狹小的空間完成任務(wù)。 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,人類社會己經(jīng)進入信息時代,在日常生活娛樂中,手機更成為人們不可或缺的一部分，而由手機作為控制器媒介。如今具有 Android、iOS、Windows Phone等操作系統(tǒng)的智能手機逐漸普及，成為幾乎人手必備的個人終端，同時性能也在不斷地提升。由于智能手機良好的便攜性和移動性以及日益強大的計算能力， 本文將就基于多種控制方式的交互式多媒體演示系統(tǒng)和方法進行一些探討,并對其中的智能手機（主要是android操作系統(tǒng)的智能手機）交互式控制做詳細說明,以期對日常生活娛樂的多樣性以及現(xiàn)代科技化娛樂方式起到一定的積極作用。通過本次畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用機械設(shè)計、機械原理、理論力學(xué)、大學(xué)物理，機械制造裝備設(shè)計、傳感器應(yīng)用的能力；強調(diào)設(shè)計的實用性、結(jié)構(gòu)的簡單便捷性。同時也培養(yǎng)了我們獨立思考分析問題解決問題的能力，為今后機械設(shè)計和適應(yīng)工作崗位打下了堅實的基礎(chǔ)。 1.2.移動移動機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 移動移動機器人的研究始于上世紀60年代末期，隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，移動移動機器人已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保安巡邏等行業(yè)。移動機器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。 國外對于移動移動機器人的研究起步較早，日本是開發(fā)移動機器人較早的國家，并成為世界上移動機器人占有量最多的國家，其次是美國和德國。進入90年代，隨著技術(shù)的進步，移動移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動移動機器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在移動機器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開發(fā)空間移動機器人中獲得的經(jīng)驗應(yīng)用于開發(fā)地面移動機器人系統(tǒng)，如極坐標平面移動車、爬行移動移動機器人、球形移動機器人、工作伙伴平臺以及ROSA-2移動車等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游移動機器人一一“勇氣”號與“機遇”號[6-7]。雖然國內(nèi)有關(guān)移動移動機器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績。2003年國防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機器學(xué)習(xí)等智能控制算法，在高速公路上達到了130Km/h的穩(wěn)定時速，最高時速170Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指標均處于世界領(lǐng)先的地位。但是我國在移動機器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大的差距。未來研究熱點是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動移動機器人的控制。 1.2.1.移動移動機器人的發(fā)展趨勢 隨著移動機器人的發(fā)展越來越快，移動機器人技術(shù)和當今發(fā)展最為迅猛的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了對移動機器人控制的遠程控制。傳統(tǒng)的移動機器人遠程控制主要基于 Internet 和 PC 終端，將移動機器人接入 Internet，操作者在 PC 上通過瀏覽器訪問移動機器人，不僅可以看到移動機器人連接的攝像頭拍攝的實時圖像，而且可以控制移動機器人的運動。這種控制方式最初在利用移動機器人進行遙操作的危險領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，后來被廣泛應(yīng)用到遠程制造、遠程醫(yī)療診斷、遠程教育培訓(xùn)和網(wǎng)上娛樂等新領(lǐng)域[8-12]。 1994 年，Ken Goldberg 最早提出了基于 Internet 的移動機器人遠程控制構(gòu)想，即通過 Internet 訪問移動機器人，并對其進行遠程操作。然后他將這一想法應(yīng)用到“水星計劃”中，操作者使用鍵盤和鼠標通過瀏覽器遠程控制一臺配備了 CCD 攝像頭的 IBM SCARA 移動機器人，在裝有沙子的半圓形空間中進行物品挖掘。隨后他們又開發(fā)了 Telegarden 移動機器人，操作者通過 Internet 反饋的一幅幅圖像遠程控制移動機器人機械手在花園中進行種植和灌溉等操作。[2] 1994 年 9 月，Kenneth Taylor 等人研發(fā)出 Telerobot 移動機器人，該移動機器人上安裝了攝像頭觀測周圍環(huán)境，利用六自由度 ASEA IRb-6 型機械手抓取積木塊。用戶通過 Internet 瀏覽器向移動機器人發(fā)送指令，控制機械手抓取工作臺上的積木塊移動到目標位置。移動機器人執(zhí)行完一次運動后，將返回當前位置不同角度的圖像。 [3]其他的基于Internet的遠程移動機器人控制系統(tǒng)還有英國Bradford大學(xué)的Bradford Robotic Telescope 望遠鏡遠程控制系統(tǒng)，英國 Manchester 大學(xué)的 Forty Two 遠程移動機器人以及德國的移動木塊的 Net-Robot 移動機器人等。[4] 基于 Internet 的移動機器人遙操作系統(tǒng)初期只能提供移動機器人執(zhí)行完每步命令后的靜止畫面，當網(wǎng)絡(luò)流式傳輸技術(shù)出現(xiàn)以后，可以更加方便的對現(xiàn)場環(huán)境圖像進行反饋。美國 Wilkes 大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)交互繪畫移動機器人 PumaPaint 是將 PUMA760 機械臂連接到 Internet 上，任何用戶可在其網(wǎng)頁的虛擬畫布上使用畫筆和顏料繪畫，系統(tǒng)通過不斷的更新圖像給用戶提供視覺反饋。 這一代網(wǎng)絡(luò)遙操作移動機器人主要以固定的工業(yè)移動機器人和機械臂操作手作為被控對象，運行于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，通過直接發(fā)送命令的方式控制，系統(tǒng)比較簡單。隨著研究的深入，第二代網(wǎng)絡(luò)遙操作移動機器人系統(tǒng)以自主式移動移動機器人作為被控對象，利用其自主性和移動性的特點，可在非結(jié)構(gòu)化、未知的遠程環(huán)境中運行。[5] 1995 年，Carnegie Mellon 大學(xué) Reid Simmons 教授和他的團隊研發(fā)出第一個基于 Internet 的自主移動移動機器人遠程控制系統(tǒng) Xavier。移動機器人上安裝了攝像機，操作者在網(wǎng)頁上根據(jù)反饋的圖像發(fā)送控制命令，使之在樓內(nèi)各個房間中移動傳遞文件。 其他的自主移動移動機器人遠程控制系統(tǒng)還有瑞士的 KhepOnTheWeb，即一 個小型移動移動機器人在迷宮中移動，操作者可以從移動機器人的視角或外部攝像頭的視角監(jiān)視移動機器人，并控制它的運動。 德國 Bonn 大學(xué)開發(fā)的博物館導(dǎo)游移動機器人，Rhino 和 Minerva，可以使用三個網(wǎng)頁控制它們同游客交流，引導(dǎo)游客觀看博物館的展覽[13-16]。 Natali Ivanova 的移動機器人真空吸塵器項目，具有交互式的人機接口，可以在 PC 上使用瀏覽器通過 Internet 在其他地方遠程引導(dǎo)家里的吸塵器工作。 美國 Anybots 公司開發(fā)的 QB 遠程臨場移動機器人，能夠通過遠程操控代替主人出席緊急會議甚至代為工作。QB 通過兩個攝像頭和三個麥克風(fēng)，將會議現(xiàn)場視頻通過Internet 傳送給遠程操作者，如圖 1-1 所示。 圖 1-1 Anybots QB 移動機器人 圖 1-2 MARON-1 移動機器人 圖 1-3 移動移動機器人 盡管基于 Internet 和 PC 的移動機器人遠程控制技術(shù)具有十分廣泛的應(yīng)用，但由于PC 只能部署在固定地點通過有線方式接入 Internet，限制了遠程控制的靈活性。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提升，出現(xiàn)了基于移動通信和手機終端的移動機器人遠程控制系統(tǒng)。 [7] 日本富士通實驗室為特殊病人的醫(yī)療護理和家庭及辦公室安全保護等應(yīng)用設(shè)計開發(fā)了一種先進的移動機器人 MARON-1，可以通過日本DoCoMo 電信運營商的無線通訊手機系統(tǒng)來控制，如圖 1-2 所示。 德國的 Daniel He?和 Christof R?hrig 利用 Windows Mobile 系統(tǒng)和 Symbian系統(tǒng)的智能手機實現(xiàn)了對移動移動機器人的控制，如圖 1-3 所示。該移動機器人攜帶一個 PTZ（云臺全方位移動及鏡頭變倍、變焦控制）攝像頭實時采集圖像，可以通過遠程控制實現(xiàn)前進、后退、順時針和逆時針轉(zhuǎn)動。 馬來西亞 Saliyah Kahar 等人提出了利用 3G 網(wǎng)絡(luò)建立智能手機和移動移動機器人通信的模型。受控移動機器人 WiRobot X80 配備了攝像頭、話筒和車輪，可以和周圍環(huán)境進行交互。用戶可以從手機上監(jiān)視移動移動機器人的狀態(tài)信息和視覺信息。 1.2.2.國內(nèi)關(guān)于遠程終端控制移動機器人的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)在基于Internet和PC終端以及基于移動通訊和手機終端的移動機器人遠程控制方面都進行了研究。 對于前者，上海交通大學(xué)開發(fā)了基于 Web 的移動機器人遙操作系統(tǒng)，控制 Adept 604-S 型機械手，人機界面基于 HTML 技術(shù)。此后他們又開發(fā)了一個基于 Java Applet 和服務(wù)器組件技術(shù)的 Web 移動機器人遙操作系統(tǒng)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了 Telerobot 遠程操作移動機器人，用戶可以通過 Internet 瀏覽器控制一臺 PUMA562 移動機器人，使用三架 CCD 攝像機對現(xiàn)場環(huán)境進行拍攝，并根據(jù)反饋的圖像遠程操作移動機器人完成抓取、搬運和堆放操作[17-18]。 浙江大學(xué)的基于網(wǎng)絡(luò)的移動移動機器人遠程控制系統(tǒng)，利用 Java Applet 實現(xiàn)信息交互，在無線局域網(wǎng)環(huán)境下利用 JMF 實現(xiàn)了視頻流的傳輸。重慶郵電大學(xué)以 Pioneer 3-DX 型移動移動機器人為控制對象，將全景視頻圖像和局部環(huán)境圖像反饋給操作者從而遠程控制移動移動機器人。 在基于移動通訊網(wǎng)絡(luò)和手機終端的移動機器人遠程控制方面，許松清等人利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像，實現(xiàn)了對移動移動機器人的遠程監(jiān)控。劉延飛等人提出一種應(yīng)用 3G 通信和 GPS 定位技術(shù)的救援移動機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過 3G 網(wǎng)絡(luò)對移動機器人進行指揮以及將現(xiàn)場視頻傳送至監(jiān)控中心。吳京秋等人設(shè)計了一種基于 DSP和 ARM 的無線遠程移動機器人控制系統(tǒng)，利用 DSP 芯片采集處理 CCD 攝像機拍攝的視頻，并通過 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)控制移動機器人。嚴武軍基于 3G 網(wǎng)絡(luò)和 Android手機實現(xiàn)了移動機器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)。孫進華等人設(shè)計了一種基于嵌入式 WEB 的多功能家用移動機器人控制系統(tǒng)，包括運動模塊、視頻模塊、傳感器模塊和 GSM 模塊，能在位置環(huán)境中自主導(dǎo)航，具有清潔和視頻監(jiān)控的功能。李宗瑋等人利用iPhone 手機和 3G 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一種移動機器人人機交互系統(tǒng)，通過傳輸連續(xù)的 JPEG圖像實現(xiàn)視覺反饋。 1.3本文研究的主要內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容為設(shè)計一款用手機控制的移動移動機器人，主要設(shè)計移動機器人的整體設(shè)計、移動機構(gòu)（電機、輪子、軸、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等）、控制系統(tǒng)的設(shè)計。 本文首先從整體上設(shè)計好移動機器人的大體構(gòu)架，然后選擇合適的移動機構(gòu)如輪子、驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等，然后從整體上確定移動機器人的控制系統(tǒng)。 第二章 移動移動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 2.1 移動機器人運動方式的選擇 到目前為止，地面移動移動機器人的行駛機構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機構(gòu)各有其特點。 (1)履帶式 圖2.1 四段履帶移動機器人 圖2.2 六段履帶移動機器人 (2)腿式 圖2.3 三腿移動機器人 圖2.4 四腿移動機器人 (3)輪式 圖2.6 單輪滾動移動機器人 圖2.7 兩輪移動移動機器人 圖2.8 三輪移動移動機器人 圖2.9四輪移動移動機器人 圖2.10 六輪移動移動機器人 圖2.11 八輪移動移動機器人 圖2.13 輪腿式移動機器人 綜上各移動移動機器人特點如下表2-1所示： 表2-1 各移動移動機器人特點 行駛結(jié)構(gòu) 車輪式移動移動機器人 步行式移動移動機器人 履帶式移動移動機器人 特點 一般適用于平底運行，切操作簡單，運動穩(wěn)定，運動速度和方向容易控制。按照輪子個數(shù)又可以分兩輪式、三輪式、四輪式、六輪和八輪式。 具有跨越越障能力，對環(huán)境有良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點，尤其是多足式對環(huán)境的適應(yīng)能力更強。但它也存在動作不連貫，速度較慢，控制復(fù)雜，實現(xiàn)相對困難等不足。 履帶式移動機器人可以跨越障礙，攀爬低度不高的臺階，行動速度快，承載能力強，適用于在凹凸不平的地面上行走，但不易轉(zhuǎn)向。 在設(shè)計移動移動機器人時也應(yīng)遵循以下機構(gòu)設(shè)計原則: 1)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理。 2)應(yīng)給移動機器人暫時未能裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進與擴展。 3)運用三維軟件畫出零件圖，然后再裝配成裝配圖，可以清晰明了的看出哪里設(shè)計合理哪里裝配方便，哪里會產(chǎn)生干涉。通過對以上方式的比較，我們選用輪子方式做為移動機器人運動方式，它符合我們的設(shè)計要求：適應(yīng)室內(nèi)活動環(huán)境，需要動力較小，能量消耗少，結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單可靠。 2.2 輪式移動機器人移動能力分析 輪式移動移動機器人的分類方法主要有：按具有的自由度劃分，有三自由度類型，二自由度類型等。按驅(qū)動方式劃分有鉸軸轉(zhuǎn)向式，差速轉(zhuǎn)向式等。本設(shè)計按照傳統(tǒng)的車輪配置方式劃分來討論。 本畢業(yè)設(shè)計課題主要是為了掌握和了解輪式移動移動機器人的基本結(jié)構(gòu)和運動控制系統(tǒng)的能力，基本能實現(xiàn)前進、后退、360°范圍轉(zhuǎn)動的運動,也可以為移動機器人的運動和控制提供一個很好的研究平臺。 生活中我們見到最多的家用小車的車輪布局在輪式移動移動機器人中最先得到了應(yīng)用，就像我們平時推小車一樣，當我們給小車左邊的力大于右邊的力時小車右轉(zhuǎn)，同理右邊的力大時，小車左轉(zhuǎn)。所以我選擇了跟家用小車一樣的移動方式即差速度輪式移動移動機器人。四個車輪布置在我設(shè)計的移動機器人矩形機身四角，后兩輪差速驅(qū)動，前兩輪是轉(zhuǎn)向輪。當然通過查閱資料這種機構(gòu)有兩個缺點，一是四輪構(gòu)型移動移動機器人運動能力受到限制，轉(zhuǎn)向之前必須有一定的前行行程。二是這種輪子布局需要有保持穩(wěn)定可靠驅(qū)動的能力，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。 圖2.14 后輪差速驅(qū)動，前輪是隨動結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計需要和實現(xiàn)的難易程度選擇了圖2.14中的驅(qū)動方案移動機器人，稱之為后輪驅(qū)動輪型移動機器人，它是一種典型的非完整約束的輪式移動移動機器人模型。后輪為驅(qū)動輪，方向不變，提供前進驅(qū)動力，兩輪驅(qū)動速度不相同；前輪為轉(zhuǎn)向輪，稱為隨動輪，使移動機器人按照要求的方向移動。 輪式移動機構(gòu)又主要分三個輪、四個輪、三輪支撐理論上是穩(wěn)定的，然而這種裝置很容易在施加到單獨輪的左右兩側(cè)力F作用下翻倒，因此對負載有一定限制。為提高穩(wěn)定性和承載能力，決定選用四輪機構(gòu)，后輪為兩驅(qū)動輪，兩個轉(zhuǎn)向輪為前輪。這種結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)運動規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù)，可適應(yīng)復(fù)雜的地形，承載能力強，但是軌跡規(guī)劃及控制相對復(fù)雜。 圖2.15 輪式移動機器人整體結(jié)構(gòu)三維模型圖 2.3 輪式移動機器人驅(qū)動輪的組成 (1)后輪驅(qū)動裝置機械結(jié)構(gòu)模型圖如圖2.16 圖2.16 后輪驅(qū)動裝置機械結(jié)構(gòu)模型 后輪驅(qū)動裝置機械傳動結(jié)構(gòu)如圖2.17所示： 圖2.17 驅(qū)動輪機械傳動示意圖 1輪胎　 2輪轂　 3聯(lián)軸器 4蝸輪　 5蝸桿　 6直流電機　 7減震墊 根據(jù)上面所確定的方案，輪式移動機器人前輪驅(qū)動裝置由驅(qū)動電機，減速裝置和車輪及輪轂組成。 2.4 輪式移動機器人轉(zhuǎn)向輪的組成 轉(zhuǎn)向輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用，不產(chǎn)生驅(qū)動力矩，在小車轉(zhuǎn)向時它可以以一定角度轉(zhuǎn)動。主要機械組成結(jié)構(gòu)如圖2.18所示： 圖2.18 轉(zhuǎn)向裝置模型圖 輪式移動機器人前輪驅(qū)動裝置由以下幾部分構(gòu)成：輪胎，輪轂，兩個轉(zhuǎn)向輪和深溝球軸承幾個部分組成。 2.5 電機的選擇 目前在移動機器人的運動控制中較為常用的電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機，對它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結(jié)如表2-2所示： 表2-2 不同電機的特性、工作原理與控制方式 電機的類型 特點 構(gòu)造與工作原理 控制方式 步進電機 直接用數(shù)字信號控制，與計算機接口簡單，沒有電刷，維護方便，壽命長。缺點是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過載能力弱 按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以分為:永磁式，反 應(yīng)式和混合式。混合式能產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動。 永磁式是單向勵磁，精度高，但易失步，反應(yīng)式；是雙向勵磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低；混 合式是單-雙向勵磁,分辨率高,運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 續(xù)表2-2 電機的類型 特點 構(gòu)造與工作原理 控制方式 直流伺服電機 接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時維護和更換電刷，使用壽命短、噪聲大。 由永磁體定子、線圈 轉(zhuǎn)子、電刷和換向器 構(gòu)成。通過電刷和換 向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而變化，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。 轉(zhuǎn)動控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式, 兩者也成正比。 交流伺服電機 沒有電刷和換向器，無需維護；驅(qū)動電路復(fù)雜，價格高。 按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電電刷和換向器構(gòu)成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而變化，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。 分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異 步電機常采用電壓控制。 一般移動機器人用電機的基本性能要求: 1)啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行，具有良好的響應(yīng)特性；　 2)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時的特性相同,且運行特性穩(wěn)定；　 3)良好的抗干擾能力，對輸出來說,體積小、重量輕；　 4)維修容易，不用保養(yǎng)。 輪式移動機器人采用雙輪雙電機的驅(qū)動方式，對于小功率電機，直流伺服電機具有良好的啟動和調(diào)速性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)移動機器人、計算機外圍設(shè)備以及高精度伺服系統(tǒng)中。設(shè)計的驅(qū)動輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機的特性、工作原理、控制方式以及移動移動機器人的移動性能要求、自身重量、傳動機構(gòu)特點等因素，所以決定選用直流電機作為驅(qū)動電機。 直流電動機以其良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動態(tài)特性，一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動機(如交流變頻電動機、步進電動機等)的挑戰(zhàn)，但直流電動機仍然是許多調(diào)速控制電動機的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。 通過以上的比較決定選用直流伺服電機直流電動機。 2.6 直流伺服電機的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)參數(shù)的確定 直流伺服電動機是將電信號轉(zhuǎn)變成機械運動的關(guān)鍵元件，它應(yīng)該能提供足夠的功率，使負載按照所需的規(guī)律運動。因此，伺服電機輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率，應(yīng)能滿足負載的運動要求，控制特性應(yīng)保證所需的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩變化范圍。另外，從驅(qū)動的角度，要對電機的驅(qū)動電壓、額定電流進行選擇。 直流伺服電機的基本方程式為： (2.1) (2.2) (2.3) 其中，己為電樞電流，為電樞電勢，為電磁轉(zhuǎn)矩，為電樞電阻，為電勢系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 忽略鐵耗和摩擦損耗，負載轉(zhuǎn)矩為零時， (J為轉(zhuǎn)動慣量)，則有 (2.4) 如果轉(zhuǎn)速的初始條件，則上式拉氏變換后得到 (2.5) 得到的傳遞函數(shù)為 G(S)= (2.6) 令是直流伺服電機的機械時間常數(shù)，為電動機的電氣時間常數(shù)則傳遞函數(shù)可以寫成： G(S)= (2.7) 直流伺服電機的除了銅耗之外，還有風(fēng)損、機械損耗、鐵耗，其中風(fēng)損和機械損耗與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即和反電勢E的平方成正比，這樣可以設(shè)置一等效的電阻R。來代替這兩項損耗，鐵耗中的磁滯損耗和渦流損耗大致和磁通的二次方成正比，因而可以像 風(fēng)耗和機械損耗一樣包含在等效電阻中。 分析直流伺服電動機動態(tài)特性的等效電路如圖4—17所示。轉(zhuǎn)子動能(J為轉(zhuǎn)動慣量，為角速度)用等效電路中的靜電能來代替，則等效電容，空載損耗(包括風(fēng)損、機械損耗、鐵耗等)在電路中用等效電阻上的損耗來代替。 圖2.19 分析動態(tài)特性的等效電路 假設(shè)初始時候電容兩端的電壓為零，電感中的電流為零，則可以得到拉氏變換后的運算電路圖如圖所示： 圖2.20 拉氏變換后的運算電路 其傳遞函數(shù)為： (2.8) 如果施加的電壓時一個階越函數(shù)，,則： (2.9) 由拉氏變換后令,可得到： (2.10) 上式中，是直流伺服電機穩(wěn)態(tài)時候的電流，這個值比較容易測量；()是待定參數(shù)，利用計算機依據(jù)最小二乘法擬和曲線的辦法，可以確定參數(shù)()。 電流相應(yīng)曲線一般采用直流伺服電機的啟動電流曲線，可以在電機輸A回路中串一個阻值很小的采樣電阻，用存儲示波器記錄電機啟動的瞬間采樣電阻兩端的電壓值，即可獲得啟動電流曲線。當電樞回路中串采樣電阻以后。對直流伺服電機的電氣時間常數(shù)和機械時間常數(shù)是有影晌的，應(yīng)該消除采樣電阻的影響。假定t，靠為計算的動態(tài)時間常數(shù)，則實際的動態(tài)時間常數(shù)為： (2.11) (2.12) 2.7 減速機構(gòu)的設(shè)計（蝸輪蝸桿減速機構(gòu)） 直流電機輸出轉(zhuǎn)速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機構(gòu)來降速，所以設(shè)計了蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，并對其參數(shù)進行了校核與驗證。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對移動機器人的性能有著相當重要的作用。 結(jié)合本設(shè)計中移動機器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動效率高的條件電機軸直接作為輸入軸安裝用聯(lián)軸器，聯(lián)軸器有過載保護，提高了精度又減輕了重量。輪轂和齒輪安裝在同一根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，聯(lián)軸器相聯(lián)齒輪與車輪裝在同一個軸上，它們的轉(zhuǎn)速相同。 移動移動機器人的驅(qū)動裝置電機與車輪軸需要傳動機構(gòu)。蝸桿傳動是用來傳遞空間交錯軸之間的運動和動力的。最常用的是軸交角∑=90°的減速傳動。蝸桿傳動能得到很大的單級傳動比，在傳遞動力時，傳動比一般為5~80，常用15~50；在分度機構(gòu)中傳動比可達300，若只傳遞運動，傳動比可達1000。蝸輪蝸桿傳動工作平穩(wěn)無噪音，蝸桿反行程能自鎖，所以決定選用普通圓柱蝸桿傳動。其實物圖跟結(jié)構(gòu)簡圖如下： 圖2.21 實物圖 圖2.22 結(jié)構(gòu)示意圖 2.7.1 電機參數(shù)的確定 考慮到移動機器人運動的時候的穩(wěn)定，并且需要越障，克服各種地面的摩擦因素，還要有爬坡等因素，通過查閱機械設(shè)計手冊指導(dǎo)，先假設(shè)輪式移動機器人平穩(wěn)運行時候的速度大約為0.7m/s，最大速度為1.5m/s。需要的最大拉力F為800N，地面與輪胎之間的損耗，則,則。 1）工作機各傳動部件的傳動效率及總效率： 查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》書中表1- 7得各傳動部件的效率分別為： ； ； ； 工作機的總效率為： 2）電機的所需要的功率： 3）傳動裝置的傳動比的確定： 查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》書中表13 – 2得各級齒輪傳動比如下： 理論總傳動比： 4）電機機的轉(zhuǎn)速： 根據(jù)上面所算得的原動機的功率與轉(zhuǎn)速范圍，可由《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》書中表12 – 1可選擇合適的電動機。本設(shè)計選擇的電動機的型號及參數(shù)如下表2-3： 表2-3 電動機型號及參數(shù) 型號 額定功率 滿載轉(zhuǎn)速 最大轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量 軸的直徑 Y160M1-8 4kw 720r/min 2.3 38 kg 24mm 計算傳動比=720/33.44=21.53，單機蝸桿傳動，傳動比都集中在蝸桿上，不需分配傳動比。 2.7.2 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) (1)蝸桿蝸輪的轉(zhuǎn)速 蝸桿轉(zhuǎn)速和電動機的額定轉(zhuǎn)速相同渦輪轉(zhuǎn)速n=33.44r/min,車輪的轉(zhuǎn)速和蝸輪的轉(zhuǎn)速相同。 (2)功率 電機軸輸出功率 Pd=2.54kw 蝸桿的輸入功率 2.54×0.99=2.5146 蝸桿的輸出功率 2.5146×0.99=2.49 蝸輪的輸入功率 2.49×0.75=1.86 蝸輪的輸出功率 1.86×0.99=1.85 車輪的輸入功率 1.85×0.99=1.83 車輪的輸出功率 1.83×0.96=1.76 (3)轉(zhuǎn)矩 所以： Td=33.69 N·M T1=33.35N·M T2=703.74 N·M T3=668.83 N·M 運動動力參數(shù)表格如下表2-4所示： 表2-4 運動力參數(shù) 參數(shù) 電動機 蝸桿 蝸輪 車輪 轉(zhuǎn)速 720 720 33.44 33.44 輸入功率 2.51 1.86 1.83 輸出功率 2.54 2.49 1.85 1.76 輸出轉(zhuǎn)矩 33.69 33.35 703.74 668．83 傳動比 21.53 效率 0.99 0.75 0.96 2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計計算 (1)選舉蝸桿的傳動類型材料：采用漸開線蝸桿（ZI蝸桿） 蝸桿：45鋼 表面淬火至45-55HRC 蝸輪邊緣選擇： ZCuSn10Pb1 金屬模鑄造輪芯：HT200 (2)按齒面接觸強度設(shè)計 傳動中心距計算公式如下： 1）作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩T2=703.74N·M 2）已知條件：載荷較穩(wěn)定，故取齒向載荷分布系數(shù)Kβ=1，使用系數(shù)KA=1.15，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不太大，可選取動載荷系數(shù)KV=1.05，則K=KAKβKV=1.21 3）確定彈性影響系數(shù)ZE 因選用鑄錫磷青銅蝸桿個剛蝸桿相配，故ZE=160Mpa1/2 4）確定接觸系數(shù)Zp 先假設(shè)蝸桿分度圓d1和傳動中心距a的比值為d1/a=0.3?？刹榈腪p=3.1 5）確定許用接觸應(yīng)力 根據(jù)蝸輪材料為ZcuSn10Pb1，可查表得蝸桿的許用應(yīng)力=268Mpa，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60×2×720×16×8×300/21.53=1.54×108 壽命系數(shù) KHN=(107/1.54×108)1/8=0.71 則[σ]H=KHN·[σ]=0.71×268=190.28Mpa 6）計算中心距 mm 取中心距a=180mm因i=21取m=6.3，蝸桿分度圓直徑d1=63mm，這時d1/a=63/180=0.35，對應(yīng)Zp′=2.9，因為Zp′

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