利用智能手機(jī)控制的娛樂(lè)機(jī)器人移動(dòng)本體設(shè)計(jì)【采用輪式移動(dòng)平臺(tái)】,采用輪式移動(dòng)平臺(tái),利用智能手機(jī)控制的娛樂(lè)機(jī)器人移動(dòng)本體設(shè)計(jì)【采用輪式移動(dòng)平臺(tái)】,利用,應(yīng)用,智能手機(jī),控制,節(jié)制,娛樂(lè),文娛,機(jī)器人,移動(dòng),挪動(dòng),本體,設(shè)計(jì),采用,采取,采納,輪式,平臺(tái) 設(shè)計(jì)任務(wù)書 課 題 利用智能手機(jī)控制的娛樂(lè)機(jī)器人 移動(dòng)本體設(shè)計(jì) 專 業(yè) 年 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 （簽字） 學(xué) 院 院 長(zhǎng) （簽字） 2013 年 12 月 12 日 課題 來(lái) 源 來(lái)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(huì)己經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代,在日常生活?yuàn)蕵?lè)中,手機(jī)更成為人們不可或缺的一部分，而由手機(jī)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(jī)逐漸普及，成為幾乎人手必備的個(gè)人終端，同時(shí)性能也在不斷地提升。由于智能手機(jī)良好的便攜性和移動(dòng)性以及日益強(qiáng)大的計(jì)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(jìn)行一些探討,并對(duì)其中的智能手機(jī)（主要是android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)）交互式控制做詳細(xì)說(shuō)明,以期對(duì)日常生活?yuàn)蕵?lè)的多樣性以及現(xiàn)代科技化娛樂(lè)方式起到一定的積極作用。 產(chǎn)品具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義，又符合機(jī)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(jī)器人采用輪式移動(dòng)平臺(tái)，兩個(gè)主動(dòng)輪，兩個(gè)萬(wàn)向輪； 2、 尺寸：直徑約20cm，高約15cm 3、 鋰電池供電 4、 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 5、 運(yùn)動(dòng)速度：0.8m/s 6、 手機(jī)安裝架可適應(yīng)不同的手機(jī)，具有2個(gè)自由度，旋轉(zhuǎn)360°，俯仰±45° 7、 手機(jī)與機(jī)器人之間可以采用USB連接，也可以采用藍(lán)牙連接 8、 采用單片機(jī)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 建立機(jī)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(jī)控制電路原理圖1張A1； 設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書不少于1.5萬(wàn)字； 零件數(shù)不少于50個(gè)。 課 題 主 要 內(nèi) 容 及 進(jìn) 度 課題主要內(nèi)容： 收集、研讀國(guó)內(nèi)外關(guān)于收集控制機(jī)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(jì)方案，包括整體結(jié)構(gòu)，機(jī)械傳動(dòng)方案和控制方案； 設(shè)計(jì)詳細(xì)結(jié)構(gòu)，畫出總裝配圖、部件圖并完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算； 挑選部分典型零件設(shè)計(jì)零件工作圖； 完成單片機(jī)控制電路原理圖； 撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。 工作進(jìn)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(jì)方案 2014.01.15-2014.03.05：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、繪制總裝圖 2014.03.05-2014.03.10：主要零部件設(shè)計(jì)計(jì)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(jì) 2014.03.20-2014.03.25：撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書 2014.03.25-2014.06.06：修改及答辯 開(kāi)題報(bào)告 課 題 　利用智能手機(jī)控制的娛樂(lè)機(jī)器人 　　 　移動(dòng)本體設(shè)計(jì) 學(xué) 院（系） 專 業(yè) 年 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 導(dǎo) 師 定稿日期： 2014 年 2 月 23 日 利用智能手機(jī)控制的娛樂(lè)機(jī)器人移動(dòng)本體設(shè)計(jì) 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(huì)己經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代,在日常生活?yuàn)蕵?lè)中,手機(jī)更成為人們不可或缺的一部分，而由手機(jī)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(jī)逐漸普及，成為幾乎人手必備的個(gè)人終端，同時(shí)性能也在不斷地提升。由于智能手機(jī)良好的便攜性和移動(dòng)性以及日益強(qiáng)大的計(jì)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(jìn)行一些探討,并對(duì)其中的智能手機(jī)（主要是android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)）交互式控制做詳細(xì)說(shuō)明,以期對(duì)日常生活?yuàn)蕵?lè)的多樣性以及現(xiàn)代科技化娛樂(lè)方式起到一定的積極作用。 2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)） 2.1國(guó)外情況 傳統(tǒng)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制主要基于 Internet 和 PC 終端，將機(jī)器人接入 Internet，操作者在 PC 上通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)機(jī)器人，不僅可以看到機(jī)器人連接的攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)圖像，而且可以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這種控制方式最初在利用機(jī)器人進(jìn)行遙操作的危險(xiǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，后來(lái)被廣泛應(yīng)用到遠(yuǎn)程制造、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷、遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)和網(wǎng)上娛樂(lè)等新領(lǐng)域。[1] 1994 年，Ken Goldberg 最早提出了基于 Internet 的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制構(gòu)想，即通過(guò) Internet 訪問(wèn)機(jī)器人，并對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。然后他將這一想法應(yīng)用到“水星計(jì)劃”中，操作者使用鍵盤和鼠標(biāo)通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程控制一臺(tái)配備了 CCD 攝像頭的 IBM SCARA 機(jī)器人，在裝有沙子的半圓形空間中進(jìn)行物品挖掘。隨后他們又開(kāi)發(fā)了 Telegarden 機(jī)器人，操作者通過(guò) Internet 反饋的一幅幅圖像遠(yuǎn)程控制機(jī)器人機(jī)械手在花園中進(jìn)行種植和灌溉等操作。[2] 1994 年 9 月，Kenneth Taylor 等人研發(fā)出 Telerobot 機(jī)器人，該機(jī)器人上安裝了攝像頭觀測(cè)周圍環(huán)境，利用六自由度 ASEA IRb-6 型機(jī)械手抓取積木塊。用戶通過(guò) Internet 瀏覽器向機(jī)器人發(fā)送指令，控制機(jī)械手抓取工作臺(tái)上的積木塊移動(dòng)到目標(biāo)位置。機(jī)器人執(zhí)行完一次運(yùn)動(dòng)后，將返回當(dāng)前位置不同角度的圖像。 [3]其他的基于Internet的遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)還有英國(guó)Bradford大學(xué)的Bradford Robotic Telescope 望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，英國(guó) Manchester 大學(xué)的 Forty Two 遠(yuǎn)程機(jī)器人以及德國(guó)的移動(dòng)木塊的 Net-Robot 機(jī)器人等。[4] 基于 Internet 的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)初期只能提供機(jī)器人執(zhí)行完每步命令后的靜止畫面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流式傳輸技術(shù)出現(xiàn)以后，可以更加方便的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖像進(jìn)行反饋。美國(guó) Wilkes 大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)交互繪畫機(jī)器人 PumaPaint 是將 PUMA760 機(jī)械臂連接到 Internet 上，任何用戶可在其網(wǎng)頁(yè)的虛擬畫布上使用畫筆和顏料繪畫，系統(tǒng)通過(guò)不斷的更新圖像給用戶提供視覺(jué)反饋。 這一代網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人主要以固定的工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械臂操作手作為被控對(duì)象，運(yùn)行于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，通過(guò)直接發(fā)送命令的方式控制，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。隨著研究的深入，第二代網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)以自主式移動(dòng)機(jī)器人作為被控對(duì)象，利用其自主性和移動(dòng)性的特點(diǎn)，可在非結(jié)構(gòu)化、未知的遠(yuǎn)程環(huán)境中運(yùn)行。[5] 1995 年，Carnegie Mellon 大學(xué) Reid Simmons 教授和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出第一個(gè)基于 Internet 的自主移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) Xavier。機(jī)器人上安裝了攝像機(jī)，操作者在網(wǎng)頁(yè)上根據(jù)反饋的圖像發(fā)送控制命令，使之在樓內(nèi)各個(gè)房間中移動(dòng)傳遞文件。 其他的自主移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)還有瑞士的 KhepOnTheWeb，即一 個(gè)小型移動(dòng)機(jī)器人在迷宮中移動(dòng)，操作者可以從機(jī)器人的視角或外部攝像頭的視角監(jiān)視機(jī)器人，并控制它的運(yùn)動(dòng)。 德國(guó) Bonn 大學(xué)開(kāi)發(fā)的博物館導(dǎo)游機(jī)器人，Rhino 和 Minerva，可以使用三個(gè)網(wǎng)頁(yè)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(jī)器人真空吸塵器項(xiàng)目，具有交互式的人機(jī)接口，可以在 PC 上使用瀏覽器通過(guò) Internet 在其他地方遠(yuǎn)程引導(dǎo)家里的吸塵器工作。 美國(guó) Anybots 公司開(kāi)發(fā)的 QB 遠(yuǎn)程臨場(chǎng)機(jī)器人，能夠通過(guò)遠(yuǎn)程操控代替主人出席緊急會(huì)議甚至代為工作。QB 通過(guò)兩個(gè)攝像頭和三個(gè)麥克風(fēng)，將會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)視頻通過(guò)Internet 傳送給遠(yuǎn)程操作者，如圖 1-1 所示。 圖 1-1 Anybots QB 機(jī)器人 圖 1-2 MARON-1 機(jī)器人 圖 1-3 移動(dòng)機(jī)器人 盡管基于 Internet 和 PC 的機(jī)器人遠(yuǎn)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(diǎn)通過(guò)有線方式接入 Internet，限制了遠(yuǎn)程控制的靈活性。隨著移動(dòng)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(dòng)通信和手機(jī)終端的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。 [7] 日本富士通實(shí)驗(yàn)室為特殊病人的醫(yī)療護(hù)理和家庭及辦公室安全保護(hù)等應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的機(jī)器人 MARON-1，可以通過(guò)日本DoCoMo 電信運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線通訊手機(jī)系統(tǒng)來(lái)控制，如圖 1-2 所示。 德國(guó)的 Daniel He?和 Christof R?hrig 利用 Windows Mobile 系統(tǒng)和 Symbian系統(tǒng)的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制，如圖 1-3 所示。該機(jī)器人攜帶一個(gè) PTZ（云臺(tái)全方位移動(dòng)及鏡頭變倍、變焦控制）攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像，可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 馬來(lái)西亞 Saliyah Kahar 等人提出了利用 3G 網(wǎng)絡(luò)建立智能手機(jī)和移動(dòng)機(jī)器人通信的模型。受控機(jī)器人 WiRobot X80 配備了攝像頭、話筒和車輪，可以和周圍環(huán)境進(jìn)行交互。用戶可以從手機(jī)上監(jiān)視移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)信息和視覺(jué)信息。 [8] 2.2國(guó)內(nèi)情況 國(guó)內(nèi)在基于Internet和PC終端以及基于移動(dòng)通訊和手機(jī)終端的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方面都進(jìn)行了研究。 對(duì)于前者，上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于 Web 的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，控制 Adept 604-S 型機(jī)械手，人機(jī)界面基于 HTML 技術(shù)。此后他們又開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于 Java Applet 和服務(wù)器組件技術(shù)的 Web 機(jī)器人遙操作系統(tǒng)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了 Telerobot 遠(yuǎn)程操作機(jī)器人，用戶可以通過(guò) Internet 瀏覽器控制一臺(tái) PUMA562 機(jī)器人，使用三架 CCD 攝像機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行拍攝，并根據(jù)反饋的圖像遠(yuǎn)程操作機(jī)器人完成抓取、搬運(yùn)和堆放操作。 浙江大學(xué)的基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，利用 Java Applet 實(shí)現(xiàn)信息交互，在無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境下利用 JMF 實(shí)現(xiàn)了視頻流的傳輸。重慶郵電大學(xué)以 Pioneer 3-DX 型移動(dòng)機(jī)器人為控制對(duì)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(yuǎn)程控制移動(dòng)機(jī)器人。 [9] 在基于移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)終端的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方面，許松清等人利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的遠(yuǎn)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(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò) 3G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行指揮以及將現(xiàn)場(chǎng)視頻傳送至監(jiān)控中心。吳京秋等人設(shè)計(jì)了一種基于 DSP和 ARM 的無(wú)線遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用 DSP 芯片采集處理 CCD 攝像機(jī)拍攝的視頻，并通過(guò) GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)器人。嚴(yán)武軍基于 3G 網(wǎng)絡(luò)和 Android手機(jī)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)。孫進(jìn)華等人設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式 WEB 的多功能家用機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括運(yùn)動(dòng)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(jī)和 3G 網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)，通過(guò)傳輸連續(xù)的 JPEG圖像實(shí)現(xiàn)視覺(jué)反饋[9]。[10] 3 研究?jī)?nèi)容 3.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的機(jī)械部分通常包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，能讓機(jī)器人能夠按照輸入信號(hào)達(dá)到所需要求，底盤輪齒組合能使其前后，正逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 3.2 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 電機(jī)的類型有很多種，按工作電源種類劃分：可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。 直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。 鑒于該機(jī)器人屬于小型娛樂(lè)類型機(jī)器人，故考慮使用小型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場(chǎng)合也用來(lái)增速，稱為增速器 齒輪減速器是減速電機(jī)和大型減速機(jī)的結(jié)合。無(wú)須聯(lián)軸器和適配器，結(jié)構(gòu)緊湊。負(fù)載分布在行星齒輪上，因而承載能力比一般斜齒輪減速機(jī)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(jì) 選用單片機(jī)作為控制芯片，型號(hào)為STC89C52RC 單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能的單片機(jī)，擁有8k字節(jié)的程序存儲(chǔ)空間、512k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、32位I/O口以及內(nèi)帶2k字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)空間。 它作為機(jī)器人的底層控制系統(tǒng)，需要完成對(duì)機(jī)器人的控制和對(duì)手機(jī)信號(hào)的接受，能與手機(jī)完成良好的通訊。 運(yùn)動(dòng)裝置，采用四輪結(jié)構(gòu)，前后兩輪為萬(wàn)向輪，起支撐作用，左右兩輪用兩個(gè)直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，具有轉(zhuǎn)彎靈活，控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 3.5 軟件設(shè)計(jì) 考慮到用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，將以單片機(jī)編程為機(jī)器人編制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的控制輸入控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 4 研究方案 機(jī)器人分為本體部分與控制部分。 本體部分作為一個(gè)主框架，能夠有一個(gè)底盤結(jié)構(gòu)作為手機(jī)的支架，該支架設(shè)有一個(gè)手抓（如圖一），能夠抓持不同型號(hào)大小的手機(jī)，支架設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，能使手機(jī)做適當(dāng)調(diào)整讓其能以很好地面對(duì)人臉接受信息（如圖二）。能與運(yùn)動(dòng)部分的的直流步進(jìn)電機(jī)，減速機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪和導(dǎo)向輪相結(jié)合構(gòu)成一個(gè)整體。 圖一 圖二 對(duì)于控制部分，外界輸出的對(duì)象是手機(jī)，手機(jī)端通過(guò)攝像頭接受到外界信號(hào)后，可由USB，藍(lán)牙或者wifi將信號(hào)傳輸給單片機(jī)，再由事先設(shè)計(jì)好的程序讓單片機(jī)處理后使機(jī)器人做出相關(guān)運(yùn)動(dòng)。 電機(jī)選型初步選定步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)槠鋬r(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，調(diào)速方便，體積較小，功率較小。 機(jī)械結(jié)構(gòu)方面采用齒輪傳動(dòng)，因?yàn)辇X輪結(jié)構(gòu)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)比穩(wěn)定。 電氣控制方面，采用MCS-51單片機(jī)控制 ，因?yàn)槠渚哂斜容^大的尋址空間 ，處理功能強(qiáng) ，指令系統(tǒng)相對(duì)完善以及完善的各種中斷源，抗干擾能力加強(qiáng)，工作亦相對(duì)穩(wěn)定 ，開(kāi)發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富。 利用三維設(shè)計(jì)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(jī)模型。檢查該樣機(jī)存在的干涉等問(wèn)題，然后利用該樣機(jī)模型制作裝配動(dòng)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(jì)電路圖，調(diào)試單片機(jī)程序，完成電氣控制部分的設(shè)計(jì) 機(jī)器人 本體 控制部分 底盤 運(yùn)動(dòng)部分 手機(jī)支架 直流步進(jìn)電機(jī) 減速機(jī)構(gòu) 主動(dòng)輪 導(dǎo)向輪 手機(jī) 單片機(jī) 5 進(jìn)度計(jì)劃 2013年12月---- 2014年2月：收集資料，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻(xiàn)，書寫開(kāi)題報(bào)告。 2012年 3月---- 2012年 4月：開(kāi)始總體設(shè)計(jì)，完成機(jī)械部分，傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)。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(zhǔn)備和答辯。 參考文獻(xiàn) [1] 袁劍雄，李晨霞 潘承怡編，《機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)禁忌》，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.06 [2] 張建民主編，《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，高等教育出版社，2000.07 [3] 王淑芳著，《電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)》，科學(xué)教育出版社，2008 [4] 成大先著，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》單行本-機(jī)構(gòu)，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.01 [5] 孔凌嘉著，《簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新》，2008.01 [7] 張毅剛著，《單片機(jī)原理及應(yīng)用》，2003.12 [8] 魏崢著，《三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—SolidWorks實(shí)用教程》，2007.05 [9] 李宗瑋，孫雷. 基于智能手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與 應(yīng)用，2011，47(15)：64-68. [10] 鄧星鐘著，《機(jī)電傳動(dòng)控制》，2000.06 [11] 王知行，鄧宗全著，《機(jī)械原理》，2000.02 [12] 田建創(chuàng). 基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005：55-58. [13] 任昊星，翁海華. 基于 Web 的機(jī)器人遙操作的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，1999， 25(5)： 64-65. [14] 輪式移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)性能研究及樣機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)_上官望義.caj，2009,12,8 [15]史恩秀.輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制及定位方法研究田].西安:西安理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2006. [16] Goldberg K, Gentner S, Sutter C, et al. The mercury project: A feasibility study for internet robots[J]. Robotics & Automation Magazine, IEEE, 2000, 7(1): 35-40 [17]Goldberg K, Santarromana J, Bekey G, et al. The telegarden[C]//Proc. of ACM SIGGRAPH. 1995: 1135-1140 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ): 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日 評(píng)議小組意見(jiàn) 1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實(shí)用價(jià)值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。 4、設(shè)計(jì)或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。 5、學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)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(bào)告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對(duì)論文選題報(bào)告的總體評(píng)價(jià)：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號(hào)“√”） 二級(jí)學(xué)院所確定評(píng)議小組名單 （3-5人） 組長(zhǎng)： 、 組員： 、 、 、 單位蓋章 主管領(lǐng)導(dǎo)簽名： 年 月 日 評(píng)議結(jié)論 評(píng)議小組組長(zhǎng)簽名： 評(píng)議小組組員簽名： 年 月 日 老師要求 主要是機(jī)械方面的設(shè)計(jì),與手機(jī)通訊方面只要有一個(gè)通訊協(xié)議一筆帶過(guò)就行 手機(jī)支架手抓可以像下圖一樣可以抓取較多尺寸的手機(jī) 手機(jī)支架可如下圖一樣前后擺動(dòng),但還得添加橫向旋轉(zhuǎn)增加一個(gè)自由度 摘 要 移動(dòng)機(jī)器人是一種由傳感器、自主控制的移動(dòng)載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，在代替人從事危險(xiǎn)、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(jī)動(dòng)性，靈活性。 本課題是設(shè)計(jì)一款由手機(jī)控制的娛樂(lè)移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)。本文對(duì)各種移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了比較，從而確定了四輪式移動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)與參數(shù)的研究設(shè)計(jì)。本文對(duì)四輪式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了探討，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了分析，并推到計(jì)算出其動(dòng)力學(xué)模型。本文采用基于單片機(jī)的直流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了單片機(jī)各個(gè)端口和各個(gè)執(zhí)行機(jī)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(dòng)機(jī)器人；單片機(jī)；運(yùn)動(dòng)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?jī)?nèi)容和意義 4 1.2 移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4 1.2.1 移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 6 1.2.2 國(guó)內(nèi)關(guān)于遠(yuǎn)程終端控制移動(dòng)機(jī)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(dòng)移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 10 2.1 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇 10 2.2 輪式移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)能力分析 12 2.3 輪式移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的組成 14 2.4 輪式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪的組成 15 2.5 電機(jī)的選擇 15 2.6 直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)參數(shù)的確定 17 2.7 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)） 19 2.7.1 電機(jī)參數(shù)的確定 20 2.7.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 21 2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算 22 2.7.4 蝸輪軸的設(shè)計(jì) 24 2.7.5 初選滾動(dòng)軸承 25 2.7.6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 2.8 移動(dòng)機(jī)器人的電源供應(yīng) 27 2.9 車輪及輪轂 28 3 移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 29 3.1 移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 30 3.2 兩種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法分析 31 3.3 結(jié)論 32 4 移動(dòng)機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 33 4.1輪子 33 4.2 平臺(tái)體 34 4.3 小結(jié) 34 5 自主運(yùn)動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng) 38 5.2.2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 38 5.2.3 運(yùn)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)控制 39 5.2.4 移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(xiàn) 43 第一章 緒論 1.1 本課題的研究?jī)?nèi)容和意義 移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域，移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。早在六十年代就已經(jīng)開(kāi)始了移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的研究。關(guān)于移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及到許多方面。首先要考慮到移動(dòng)方式，輪式，履帶式，腿式的。其次考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使移動(dòng)機(jī)器人達(dá)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(dòng)移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知?jiǎng)討B(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(duì)移動(dòng)移動(dòng)機(jī)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(lái)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(xiǎn)與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對(duì)它的研究在世界各地受到普遍關(guān)注。移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為輪式，履帶式，腿式，其中輪式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單活動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)直接影響移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)特性又可將移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。在平面上移動(dòng)的物體可以實(shí)現(xiàn)前后，左右和自傳三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)稱為全方位移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，其不僅可以再任意方向上移動(dòng)，并且保持本姿態(tài)不變，實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)的功能也可以改變機(jī)體方位[1-5]。這種特性使得輪式移動(dòng)的路徑規(guī)劃，軌跡跟蹤等問(wèn)題變得相對(duì)簡(jiǎn)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(huì)己經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代,在日常生活?yuàn)蕵?lè)中,手機(jī)更成為人們不可或缺的一部分，而由手機(jī)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(jī)逐漸普及，成為幾乎人手必備的個(gè)人終端，同時(shí)性能也在不斷地提升。由于智能手機(jī)良好的便攜性和移動(dòng)性以及日益強(qiáng)大的計(jì)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(jìn)行一些探討,并對(duì)其中的智能手機(jī)（主要是android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)）交互式控制做詳細(xì)說(shuō)明,以期對(duì)日常生活?yuàn)蕵?lè)的多樣性以及現(xiàn)代科技化娛樂(lè)方式起到一定的積極作用。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、理論力學(xué)、大學(xué)物理，機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用的能力；強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的實(shí)用性、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單便捷性。同時(shí)也培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，為今后機(jī)械設(shè)計(jì)和適應(yīng)工作崗位打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 1.2.移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)60年代末期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)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(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)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(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。 國(guó)外對(duì)于移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較早，日本是開(kāi)發(fā)移動(dòng)機(jī)器人較早的國(guó)家，并成為世界上移動(dòng)機(jī)器人占有量最多的國(guó)家，其次是美國(guó)和德國(guó)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動(dòng)移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開(kāi)發(fā)空間移動(dòng)機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動(dòng)車、爬行移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人、球形移動(dòng)機(jī)器人、工作伙伴平臺(tái)以及ROSA-2移動(dòng)車等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游移動(dòng)機(jī)器人一一“勇氣”號(hào)與“機(jī)遇”號(hào)[6-7]。雖然國(guó)內(nèi)有關(guān)移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績(jī)。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功能，這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位。但是我國(guó)在移動(dòng)機(jī)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(jì)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(dá)國(guó)家相比，我國(guó)仍存在較大的差距。未來(lái)研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的控制。 1.2.1.移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 隨著移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展越來(lái)越快，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和當(dāng)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(duì)移動(dòng)機(jī)器人控制的遠(yuǎn)程控制。傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制主要基于 Internet 和 PC 終端，將移動(dòng)機(jī)器人接入 Internet，操作者在 PC 上通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)移動(dòng)機(jī)器人，不僅可以看到移動(dòng)機(jī)器人連接的攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)圖像，而且可以控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這種控制方式最初在利用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行遙操作的危險(xiǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，后來(lái)被廣泛應(yīng)用到遠(yuǎn)程制造、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷、遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)和網(wǎng)上娛樂(lè)等新領(lǐng)域[8-12]。 1994 年，Ken Goldberg 最早提出了基于 Internet 的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制構(gòu)想，即通過(guò) Internet 訪問(wèn)移動(dòng)機(jī)器人，并對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。然后他將這一想法應(yīng)用到“水星計(jì)劃”中，操作者使用鍵盤和鼠標(biāo)通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程控制一臺(tái)配備了 CCD 攝像頭的 IBM SCARA 移動(dòng)機(jī)器人，在裝有沙子的半圓形空間中進(jìn)行物品挖掘。隨后他們又開(kāi)發(fā)了 Telegarden 移動(dòng)機(jī)器人，操作者通過(guò) Internet 反饋的一幅幅圖像遠(yuǎn)程控制移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械手在花園中進(jìn)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(dòng)機(jī)器人，該移動(dòng)機(jī)器人上安裝了攝像頭觀測(cè)周圍環(huán)境，利用六自由度 ASEA IRb-6 型機(jī)械手抓取積木塊。用戶通過(guò) Internet 瀏覽器向移動(dòng)機(jī)器人發(fā)送指令，控制機(jī)械手抓取工作臺(tái)上的積木塊移動(dòng)到目標(biāo)位置。移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行完一次運(yùn)動(dòng)后，將返回當(dāng)前位置不同角度的圖像。 [3]其他的基于Internet的遠(yuǎn)程移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)還有英國(guó)Bradford大學(xué)的Bradford Robotic Telescope 望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，英國(guó) Manchester 大學(xué)的 Forty Two 遠(yuǎn)程移動(dòng)機(jī)器人以及德國(guó)的移動(dòng)木塊的 Net-Robot 移動(dòng)機(jī)器人等。[4] 基于 Internet 的移動(dòng)機(jī)器人遙操作系統(tǒng)初期只能提供移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行完每步命令后的靜止畫面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流式傳輸技術(shù)出現(xiàn)以后，可以更加方便的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖像進(jìn)行反饋。美國(guó) Wilkes 大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)交互繪畫移動(dòng)機(jī)器人 PumaPaint 是將 PUMA760 機(jī)械臂連接到 Internet 上，任何用戶可在其網(wǎng)頁(yè)的虛擬畫布上使用畫筆和顏料繪畫，系統(tǒng)通過(guò)不斷的更新圖像給用戶提供視覺(jué)反饋。 這一代網(wǎng)絡(luò)遙操作移動(dòng)機(jī)器人主要以固定的工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)械臂操作手作為被控對(duì)象，運(yùn)行于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，通過(guò)直接發(fā)送命令的方式控制，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。隨著研究的深入，第二代網(wǎng)絡(luò)遙操作移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)以自主式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人作為被控對(duì)象，利用其自主性和移動(dòng)性的特點(diǎn)，可在非結(jié)構(gòu)化、未知的遠(yuǎn)程環(huán)境中運(yùn)行。[5] 1995 年，Carnegie Mellon 大學(xué) Reid Simmons 教授和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出第一個(gè)基于 Internet 的自主移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) Xavier。移動(dòng)機(jī)器人上安裝了攝像機(jī)，操作者在網(wǎng)頁(yè)上根據(jù)反饋的圖像發(fā)送控制命令，使之在樓內(nèi)各個(gè)房間中移動(dòng)傳遞文件。 其他的自主移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)還有瑞士的 KhepOnTheWeb，即一 個(gè)小型移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人在迷宮中移動(dòng)，操作者可以從移動(dòng)機(jī)器人的視角或外部攝像頭的視角監(jiān)視移動(dòng)機(jī)器人，并控制它的運(yùn)動(dòng)。 德國(guó) Bonn 大學(xué)開(kāi)發(fā)的博物館導(dǎo)游移動(dòng)機(jī)器人，Rhino 和 Minerva，可以使用三個(gè)網(wǎng)頁(yè)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(dòng)機(jī)器人真空吸塵器項(xiàng)目，具有交互式的人機(jī)接口，可以在 PC 上使用瀏覽器通過(guò) Internet 在其他地方遠(yuǎn)程引導(dǎo)家里的吸塵器工作。 美國(guó) Anybots 公司開(kāi)發(fā)的 QB 遠(yuǎn)程臨場(chǎng)移動(dòng)機(jī)器人，能夠通過(guò)遠(yuǎn)程操控代替主人出席緊急會(huì)議甚至代為工作。QB 通過(guò)兩個(gè)攝像頭和三個(gè)麥克風(fēng)，將會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)視頻通過(guò)Internet 傳送給遠(yuǎn)程操作者，如圖 1-1 所示。 圖 1-1 Anybots QB 移動(dòng)機(jī)器人 圖 1-2 MARON-1 移動(dòng)機(jī)器人 圖 1-3 移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 盡管基于 Internet 和 PC 的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)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(diǎn)通過(guò)有線方式接入 Internet，限制了遠(yuǎn)程控制的靈活性。隨著移動(dòng)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(dòng)通信和手機(jī)終端的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。 [7] 日本富士通實(shí)驗(yàn)室為特殊病人的醫(yī)療護(hù)理和家庭及辦公室安全保護(hù)等應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的移動(dòng)機(jī)器人 MARON-1，可以通過(guò)日本DoCoMo 電信運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線通訊手機(jī)系統(tǒng)來(lái)控制，如圖 1-2 所示。 德國(guó)的 Daniel He?和 Christof R?hrig 利用 Windows Mobile 系統(tǒng)和 Symbian系統(tǒng)的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的控制，如圖 1-3 所示。該移動(dòng)機(jī)器人攜帶一個(gè) PTZ（云臺(tái)全方位移動(dòng)及鏡頭變倍、變焦控制）攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像，可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 馬來(lái)西亞 Saliyah Kahar 等人提出了利用 3G 網(wǎng)絡(luò)建立智能手機(jī)和移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人通信的模型。受控移動(dòng)機(jī)器人 WiRobot X80 配備了攝像頭、話筒和車輪，可以和周圍環(huán)境進(jìn)行交互。用戶可以從手機(jī)上監(jiān)視移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的狀態(tài)信息和視覺(jué)信息。 1.2.2.國(guó)內(nèi)關(guān)于遠(yuǎn)程終端控制移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)在基于Internet和PC終端以及基于移動(dòng)通訊和手機(jī)終端的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方面都進(jìn)行了研究。 對(duì)于前者，上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于 Web 的移動(dòng)機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，控制 Adept 604-S 型機(jī)械手，人機(jī)界面基于 HTML 技術(shù)。此后他們又開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于 Java Applet 和服務(wù)器組件技術(shù)的 Web 移動(dòng)機(jī)器人遙操作系統(tǒng)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了 Telerobot 遠(yuǎn)程操作移動(dòng)機(jī)器人，用戶可以通過(guò) Internet 瀏覽器控制一臺(tái) PUMA562 移動(dòng)機(jī)器人，使用三架 CCD 攝像機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行拍攝，并根據(jù)反饋的圖像遠(yuǎn)程操作移動(dòng)機(jī)器人完成抓取、搬運(yùn)和堆放操作[17-18]。 浙江大學(xué)的基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，利用 Java Applet 實(shí)現(xiàn)信息交互，在無(wú)線局域網(wǎng)環(huán)境下利用 JMF 實(shí)現(xiàn)了視頻流的傳輸。重慶郵電大學(xué)以 Pioneer 3-DX 型移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人為控制對(duì)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(yuǎn)程控制移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人。 在基于移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)終端的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方面，許松清等人利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò) 3G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行指揮以及將現(xiàn)場(chǎng)視頻傳送至監(jiān)控中心。吳京秋等人設(shè)計(jì)了一種基于 DSP和 ARM 的無(wú)線遠(yuǎn)程移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用 DSP 芯片采集處理 CCD 攝像機(jī)拍攝的視頻，并通過(guò) GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制移動(dòng)機(jī)器人。嚴(yán)武軍基于 3G 網(wǎng)絡(luò)和 Android手機(jī)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)。孫進(jìn)華等人設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式 WEB 的多功能家用移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括運(yùn)動(dòng)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(jī)和 3G 網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)了一種移動(dòng)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)，通過(guò)傳輸連續(xù)的 JPEG圖像實(shí)現(xiàn)視覺(jué)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(jì)一款用手機(jī)控制的移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，主要設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)（電機(jī)、輪子、軸、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等）、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 本文首先從整體上設(shè)計(jì)好移動(dòng)機(jī)器人的大體構(gòu)架，然后選擇合適的移動(dòng)機(jī)構(gòu)如輪子、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等，然后從整體上確定移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。 第二章 移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 2.1 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇 到目前為止，地面移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)。 (1)履帶式 圖2.1 四段履帶移動(dòng)機(jī)器人 圖2.2 六段履帶移動(dòng)機(jī)器人 (2)腿式 圖2.3 三腿移動(dòng)機(jī)器人 圖2.4 四腿移動(dòng)機(jī)器人 (3)輪式 圖2.6 單輪滾動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 圖2.7 兩輪移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 圖2.8 三輪移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 圖2.9四輪移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 圖2.10 六輪移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 圖2.11 八輪移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 圖2.13 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人 綜上各移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)如下表2-1所示： 表2-1 各移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn) 行駛結(jié)構(gòu) 車輪式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 步行式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 履帶式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人 特點(diǎn) 一般適用于平底運(yùn)行，切操作簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)速度和方向容易控制。按照輪子個(gè)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(duì)環(huán)境有良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，尤其是多足式對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)。但它也存在動(dòng)作不連貫，速度較慢，控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難等不足。 履帶式移動(dòng)機(jī)器人可以跨越障礙，攀爬低度不高的臺(tái)階，行動(dòng)速度快，承載能力強(qiáng)，適用于在凹凸不平的地面上行走，但不易轉(zhuǎn)向。 在設(shè)計(jì)移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人時(shí)也應(yīng)遵循以下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則: 1)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的試驗(yàn)、調(diào)試、和修理。 2)應(yīng)給移動(dòng)機(jī)器人暫時(shí)未能裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來(lái)功能改進(jìn)與擴(kuò)展。 3)運(yùn)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(jì)合理哪里裝配方便，哪里會(huì)產(chǎn)生干涉。通過(guò)對(duì)以上方式的比較，我們選用輪子方式做為移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式，它符合我們的設(shè)計(jì)要求：適應(yīng)室內(nèi)活動(dòng)環(huán)境，需要?jiǎng)恿^小，能量消耗少，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠。 2.2 輪式移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)能力分析 輪式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)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(dòng)方式劃分有鉸軸轉(zhuǎn)向式，差速轉(zhuǎn)向式等。本設(shè)計(jì)按照傳統(tǒng)的車輪配置方式劃分來(lái)討論。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題主要是為了掌握和了解輪式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的能力，基本能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、360°范圍轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng),也可以為移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制提供一個(gè)很好的研究平臺(tái)。 生活中我們見(jiàn)到最多的家用小車的車輪布局在輪式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人中最先得到了應(yīng)用，就像我們平時(shí)推小車一樣，當(dāng)我們給小車左邊的力大于右邊的力時(shí)小車右轉(zhuǎn)，同理右邊的力大時(shí)，小車左轉(zhuǎn)。所以我選擇了跟家用小車一樣的移動(dòng)方式即差速度輪式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人。四個(gè)車輪布置在我設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人矩形機(jī)身四角，后兩輪差速驅(qū)動(dòng)，前兩輪是轉(zhuǎn)向輪。當(dāng)然通過(guò)查閱資料這種機(jī)構(gòu)有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是四輪構(gòu)型移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)，前輪是隨動(dòng)結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)需要和實(shí)現(xiàn)的難易程度選擇了圖2.14中的驅(qū)動(dòng)方案移動(dòng)機(jī)器人，稱之為后輪驅(qū)動(dòng)輪型移動(dòng)機(jī)器人，它是一種典型的非完整約束的輪式移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人模型。后輪為驅(qū)動(dòng)輪，方向不變，提供前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，兩輪驅(qū)動(dòng)速度不相同；前輪為轉(zhuǎn)向輪，稱為隨動(dòng)輪，使移動(dòng)機(jī)器人按照要求的方向移動(dòng)。 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)又主要分三個(gè)輪、四個(gè)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(dú)輪的左右兩側(cè)力F作用下翻倒，因此對(duì)負(fù)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(jī)構(gòu)，后輪為兩驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪為前輪。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)，但是軌跡規(guī)劃及控制相對(duì)復(fù)雜。 圖2.15 輪式移動(dòng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)三維模型圖 2.3 輪式移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的組成 (1)后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖如圖2.16 圖2.16 后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型 后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2.17所示： 圖2.17 驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)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(jī)　 7減震墊 根據(jù)上面所確定的方案，輪式移動(dòng)機(jī)器人前輪驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減速裝置和車輪及輪轂組成。 2.4 輪式移動(dòng)機(jī)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(dòng)力矩，在小車轉(zhuǎn)向時(shí)它可以以一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)。主要機(jī)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(dòng)機(jī)器人前輪驅(qū)動(dòng)裝置由以下幾部分構(gòu)成：輪胎，輪轂，兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪和深溝球軸承幾個(gè)部分組成。 2.5 電機(jī)的選擇 目前在移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，對(duì)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(jī)的特性、工作原理與控制方式 電機(jī)的類型 特點(diǎn) 構(gòu)造與工作原理 控制方式 步進(jìn)電機(jī) 直接用數(shù)字信號(hào)控制，與計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單，沒(méi)有電刷，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過(guò)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?；旌鲜侥墚a(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 永磁式是單向勵(lì)磁，精度高，但易失步，反應(yīng)式；是雙向勵(lì)磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過(guò)沖小，但效率低；混 合式是單-雙向勵(lì)磁,分辨率高,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 續(xù)表2-2 電機(jī)的類型 特點(diǎn) 構(gòu)造與工作原理 控制方式 直流伺服電機(jī) 接通直流電即可工作，控制簡(jiǎn)單；啟動(dòng)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(shí)維護(hù)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(guò)電刷和換 向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī) 沒(méi)有電刷和換向器，無(wú)需維護(hù)；驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)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(guò)電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異 步電機(jī)常采用電壓控制。 一般移動(dòng)機(jī)器人用電機(jī)的基本性能要求: 1)啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性；　 2)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同,且運(yùn)行特性穩(wěn)定；　 3)良好的抗干擾能力，對(duì)輸出來(lái)說(shuō),體積小、重量輕；　 4)維修容易，不用保養(yǎng)。 輪式移動(dòng)機(jī)器人采用雙輪雙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)于小功率電機(jī)，直流伺服電機(jī)具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及高精度伺服系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)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(guò)載能力，而且穩(wěn)定性好。通過(guò)比較以上電機(jī)的特性、工作原理、控制方式以及移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)性能要求、自身重量、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素，所以決定選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 直流電動(dòng)機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動(dòng)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(dòng)機(jī)(如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等)的挑戰(zhàn)，但直流電動(dòng)機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。 通過(guò)以上的比較決定選用直流伺服電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)。 2.6 直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)參數(shù)的確定 直流伺服電動(dòng)機(jī)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵元件，它應(yīng)該能提供足夠的功率，使負(fù)載按照所需的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。因此，伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率，應(yīng)能滿足負(fù)載的運(yùn)動(dòng)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(dòng)的角度，要對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓、額定電流進(jìn)行選擇。 直流伺服電機(jī)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(shì)，為電磁轉(zhuǎn)矩，為電樞電阻，為電勢(shì)系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 忽略鐵耗和摩擦損耗，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)， (J為轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，為電動(dòng)機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)則傳遞函數(shù)可以寫成： G(S)= (2.7) 直流伺服電機(jī)的除了銅耗之外，還有風(fēng)損、機(jī)械損耗、鐵耗，其中風(fēng)損和機(jī)械損耗與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即和反電勢(shì)E的平方成正比，這樣可以設(shè)置一等效的電阻R。來(lái)代替這兩項(xiàng)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(jī)械損耗一樣包含在等效電阻中。 分析直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的等效電路如圖4—17所示。轉(zhuǎn)子動(dòng)能(J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為角速度)用等效電路中的靜電能來(lái)代替，則等效電容，空載損耗(包括風(fēng)損、機(jī)械損耗、鐵耗等)在電路中用等效電阻上的損耗來(lái)代替。 圖2.19 分析動(dòng)態(tài)特性的等效電路 假設(shè)初始時(shí)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(yùn)算電路圖如圖所示： 圖2.20 拉氏變換后的運(yùn)算電路 其傳遞函數(shù)為： (2.8) 如果施加的電壓時(shí)一個(gè)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(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)候的電流，這個(gè)值比較容易測(cè)量；()是待定參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)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(jī)的啟動(dòng)電流曲線，可以在電機(jī)輸A回路中串一個(gè)阻值很小的采樣電阻，用存儲(chǔ)示波器記錄電機(jī)啟動(dòng)的瞬間采樣電阻兩端的電壓值，即可獲得啟動(dòng)電流曲線。當(dāng)電樞回路中串采樣電阻以后。對(duì)直流伺服電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)和機(jī)械時(shí)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(jì)算的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)，則實(shí)際的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)為： (2.11) (2.12) 2.7 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)） 直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機(jī)構(gòu)來(lái)降速，所以設(shè)計(jì)了蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了校核與驗(yàn)證。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的性能有著相當(dāng)重要的作用。 結(jié)合本設(shè)計(jì)中移動(dòng)機(jī)器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效率高的條件電機(jī)軸直接作為輸入軸安裝用聯(lián)軸器，聯(lián)軸器有過(guò)載保護(hù)，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(kāi)線直齒齒輪，聯(lián)軸器相聯(lián)齒輪與車輪裝在同一個(gè)軸上，它們的轉(zhuǎn)速相同。 移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)與車輪軸需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。蝸桿傳動(dòng)是用來(lái)傳遞空間交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。最常用的是軸交角∑=90°的減速傳動(dòng)。蝸桿傳動(dòng)能得到很大的單級(jí)傳動(dòng)比，在傳遞動(dòng)力時(shí)，傳動(dòng)比一般為5~80，常用15~50；在分度機(jī)構(gòu)中傳動(dòng)比可達(dá)300，若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá)1000。蝸輪蝸桿傳動(dòng)工作平穩(wěn)無(wú)噪音，蝸桿反行程能自鎖，所以決定選用普通圓柱蝸桿傳動(dòng)。其實(shí)物圖跟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下： 圖2.21 實(shí)物圖 圖2.22 結(jié)構(gòu)示意圖 2.7.1 電機(jī)參數(shù)的確定 考慮到移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的時(shí)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(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)指導(dǎo)，先假設(shè)輪式移動(dòng)機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)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(jī)各傳動(dòng)部件的傳動(dòng)效率及總效率： 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》書中表1- 7得各傳動(dòng)部件的效率分別為： ； ； ； 工作機(jī)的總效率為： 2）電機(jī)的所需要的功率： 3）傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比的確定： 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》書中表13 – 2得各級(jí)齒輪傳動(dòng)比如下： 理論總傳動(dòng)比： 4）電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)速： 根據(jù)上面所算得的原動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速范圍，可由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》書中表12 – 1可選擇合適的電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)選擇的電動(dòng)機(jī)的型號(hào)及參數(shù)如下表2-3： 表2-3 電動(dòng)機(jī)型號(hào)及參數(shù) 型號(hào) 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(jì)算傳動(dòng)比=720/33.44=21.53，單機(jī)蝸桿傳動(dòng)，傳動(dòng)比都集中在蝸桿上，不需分配傳動(dòng)比。 2.7.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) (1)蝸桿蝸輪的轉(zhuǎn)速 蝸桿轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)動(dòng)力參數(shù)表格如下表2-4所示： 表2-4 運(yùn)動(dòng)力參數(shù) 參數(shù) 電動(dòng)機(jī) 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(dòng)比 21.53 效率 0.99 0.75 0.96 2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)選舉蝸桿的傳動(dòng)類型材料：采用漸開(kāi)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(qiáng)度設(shè)計(jì) 傳動(dòng)中心距計(jì)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(dòng)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(gè)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(dòng)中心距a的比值為d1/a=0.3。可查的Zp=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(jì)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(shí)d1/a=63/180=0.35，對(duì)應(yīng)Zp′=2.9，因?yàn)閆p′

收藏