超聲波導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙）

超聲波導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙）,超聲波,導(dǎo)航,履帶式,移動(dòng),機(jī)器人,小車(chē),設(shè)計(jì),全套,CAD,圖紙 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 摘 要 2 Abstract 3 1 緒 論 4 1.1 機(jī)器人的研究背景及意義 4 1.11 機(jī)器人的研究背景 4 1.1.2 研究機(jī)器人的意義 4 1.2移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 5 2 總體方案的確定 6 2.1 機(jī)械部分 6 2.1.1電動(dòng)機(jī)的選擇 6 2.1.2 傳動(dòng)裝置的確定 8 2.2 控制部分的確定 9 2.3 傳感器類(lèi)型的確定 11 3 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 13 3.1參數(shù)的確定 13 3.2 減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 3.2.1 齒輪的設(shè)計(jì) 14 3.2.2 軸的設(shè)計(jì) 16 4 控制與傳感裝置的設(shè)計(jì) 28 4.1 控制與運(yùn)動(dòng)思路 28 4.1.1 機(jī)器人控制的總體思路 28 4.1.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的總體思路 28 4.2 單片機(jī)控制系統(tǒng) 29 4.2.1 AT80F51單片機(jī) 29 4.2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 29 4.2.3 穩(wěn)壓芯片 30 4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng) 30 4.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 30 4.3. 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 31 4.4超聲波測(cè)距算法 31 4.4.1 超聲波應(yīng)用的可行性 31 4.4.2 超聲波的產(chǎn)生和接收 32 4.4.3 超聲波的產(chǎn)生 32 4.4.4 超聲波的接收 33 4.4.5 超聲波的傳輸特性 34 4.4.6 超聲波測(cè)距原理 34 4.4.7 計(jì)算超聲波傳播時(shí)間 35 4.4.8 測(cè)渡越時(shí)間測(cè)量法 35 結(jié)論 36 致 謝 37 參考文獻(xiàn) 38 附 錄 39 英文資料 39 中文翻譯 45 摘 要 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容是超聲波導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)的研究設(shè)計(jì)，其核心內(nèi)容是應(yīng)用單片機(jī)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小車(chē)的左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)和停止等動(dòng)作。 論文內(nèi)容包括四個(gè)部分：簡(jiǎn)要介紹了移動(dòng)機(jī)器人研究背景、意義、現(xiàn)狀及發(fā)展前景，超聲波導(dǎo)航履帶式移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)的設(shè)計(jì)原理及方案，機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。論文詳細(xì)地介紹了移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)小車(chē)?yán)寐膸降妆P(pán)作為機(jī)械裝置，采用雙驅(qū)控制，加裝超聲波傳感器、控制電機(jī)，編碼器等裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的速度、位置、運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)的智能控制。 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括： 1.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)器人采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的履帶結(jié)構(gòu)，動(dòng)力源采用直流無(wú)刷電機(jī)，減速和傳動(dòng)裝置采用齒輪傳動(dòng)，利用差速移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，選用增量式光電編碼器進(jìn)行對(duì)機(jī)器人速度的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定位。 2.控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：控制部分采用AT80F51型號(hào)單片機(jī)進(jìn)行接受命令和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分采用L298控制芯片，芯片利用接受到的單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3. 傳感器部分：利用超聲波傳感器，送至上位機(jī)進(jìn)行聲波處理 關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)控制，單片機(jī)控制，超聲波系統(tǒng) Abstract The design of the study content is Ultrasonic navigation of mobile robot car USES the core content of study design, application of single-chip microcomputer control motor is the robot car turn left, right, forward and stop such action. Includes four parts: the paper briefly introduced the mobile robot research background, significance, the present situation and development prospect, visual navigation crawler mobile robot car design principles and schemes of the structure design, mechanical parts, control system design and visual system design. Paper introduced in detail the mobile robot mechanical parts of the structure design. Car chassis design using a mechanical device USES, adopt double drive control, add the Ultrasonic navigation, control motor, electric coder to the device such as position, velocity, the operation condition of real-time measurement, and the measured data transfer process, then by single-chip microcontroller according to test data of intelligent control of electric cars. Main contents include: 1 mechanical structure design: use two rounds independent robots driven by caterpillar structure, brushless dc motor for electric power transmission device, the deceleration and by using differential gears, mobile robot's platform to choose the solid-axes photoelectric encoder and the detection rate of robot, robot localization. 2 control structure design: the control part AT80F51 single-chip model for accept orders and produce, motor driver drive signal control chip, L298 part adopts chip using SCM to receive signals to control motor speed. 3 parts: using visual sensor sensor, send images supreme image processing machine Key words：Mobile robot, motion control, the single-chip microcomputer control, the Ultrasonic system 1 緒 論 1.1 機(jī)器人的研究背景及意義 1.11 機(jī)器人的研究背景 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。機(jī)器人在當(dāng)前生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，因此幾乎每一個(gè)領(lǐng)域都應(yīng)用到了機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，早在 60年代，就已經(jīng)開(kāi)始了關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及以下幾個(gè)方面： 1移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)方式，可以是輪式的或履帶式的。根據(jù)負(fù)載大小、移動(dòng)靈活性要求等方面確定移動(dòng)方式。 2 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和路徑規(guī)劃，對(duì)于后者有更多的方面要考慮如特征提取。 3 移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。各種控制器（如單片機(jī)、PLC、PC機(jī)等）作為控制裝置應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。 因此，移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣。 目前許多高校和科研單位對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航與定位進(jìn)行了深入的研究，并且隨著傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航、避障能力也不斷得到提高，常用的傳感裝置主要應(yīng)用紅外傳感器或超聲波傳感器做為傳感檢測(cè)裝置，本畢業(yè)設(shè)計(jì)中移動(dòng)機(jī)器人就采用了超聲波傳感器做傳感檢測(cè)裝置。 1.1.2 研究機(jī)器人的意義 研究移動(dòng)機(jī)器人的意義是重大的，除了提高生產(chǎn)或工作效率外還有其它方面的意義，例如： 1 機(jī)器人可以把人從有毒的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的環(huán)境中解放出來(lái)。 2 不知疲倦的重復(fù)做乏味的工作，同時(shí)保證工作效率。 3 在人類(lèi)不能進(jìn)入的環(huán)境（太空、深海）做一些人類(lèi)不能做的工作。 由此看來(lái)，大力發(fā)展機(jī)器人技術(shù)是將人從各種惡劣工作條件下解放出來(lái)的一條必由之路。 1.2移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段為可編程示教再現(xiàn)型機(jī)器人，其特征是機(jī)器人能夠按照事先教編制的程序進(jìn)行重復(fù)工作，第二階段是具有一定的感覺(jué)功能和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人，第三階段是智能機(jī)器人，這種機(jī)器人帶有多種傳感器，能夠?qū)⒍喾N傳感器得到的信息進(jìn)行融合，能夠有效的適應(yīng)變化的環(huán)境，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能。 就目前移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展來(lái)看，國(guó)內(nèi)外的主要研究對(duì)象為智能型的移動(dòng)機(jī)器人，這些智能機(jī)器人在移動(dòng)能力、自主性、專(zhuān)業(yè)性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等方面非常先進(jìn)，但這些方面的提高依賴(lài)于其控制系統(tǒng)和傳感檢測(cè)系統(tǒng)性能的提高。 國(guó)外對(duì)智能機(jī)器人的研究主要有著幾個(gè)方面，管道機(jī)器人、水下機(jī)器人、空中機(jī)器人、仿人機(jī)器人等。 管道機(jī)器人是一種可沿細(xì)小管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器即操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。 水下機(jī)器人是以進(jìn)行水下搜救或海底探測(cè)為目的的機(jī)器人，通過(guò)工作人員的遠(yuǎn)程遙控對(duì)其進(jìn)行控制，它想一艘微型的探測(cè)潛艇進(jìn)入水下，利用各種傳感裝置收集所需信息。 空中機(jī)器人大致分為兩類(lèi)，仿昆蟲(chóng)型的飛行器和微型飛行器。它們?cè)谕ㄐ?、氣象、?zāi)害監(jiān)測(cè)、軍事等方面的應(yīng)用的非常廣泛。目前，日本和美國(guó)在空中機(jī)器人的研究技術(shù)上走在前列。 仿人機(jī)器人是一種模擬人智能型移動(dòng)機(jī)器人，它不僅模仿人的生理特征，而且模擬人的思維推理方式，此外，國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)也對(duì)機(jī)器人如何擁有人的情感進(jìn)行了研究。 我國(guó)對(duì)于現(xiàn)代機(jī)器人研究和開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年代，從80年代中期進(jìn)入快速發(fā)展階段，但總體上仍然處于一個(gè)非常落后的水平?，F(xiàn)在國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃、國(guó)家高技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃等都將機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)列為重點(diǎn)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)將會(huì)有一個(gè)非常大的飛躍。 2 總體方案的確定 2.1 機(jī)械部分 2.1.1電動(dòng)機(jī)的選擇 控制電動(dòng)機(jī)是移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力部件，它是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置?？刂齐妱?dòng)機(jī)有著在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)、精確控制的能力，因而能用于移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置。常用的控制電動(dòng)機(jī)有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)將各電動(dòng)機(jī)進(jìn)行介紹和比較。 1、各電動(dòng)機(jī)的介紹 （1） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。每接受一個(gè)電脈沖，在驅(qū)動(dòng)電源的作用下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別于輸入的控制電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在實(shí)踐上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組的通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，所以用微機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)數(shù)字控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)： 1）轉(zhuǎn)速可由脈沖信號(hào)的的頻率控制，輸出角位移和脈沖數(shù)成正比。 2）轉(zhuǎn)向可由通電相序改變 3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不易受各種干擾因素影響。 4）易于直接與微機(jī)的I/O接口。 5）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有自鎖功能，只要維持繞組通電電動(dòng) 機(jī)就可以保持在 固定位置。 采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力部件，通過(guò)控制裝置對(duì)其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，通過(guò)功率放大器或其它裝置將其弱電信號(hào)放大來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 （2）交流電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)采用了全封閉無(wú)刷結(jié)構(gòu)以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，它不需要定期檢查和維修，其定子省去了鑄件客體、結(jié)構(gòu)緊湊、外形小、重量輕（只有同類(lèi)直流電動(dòng)機(jī)重量的75%——90%）。定子鐵心較一般電動(dòng)機(jī)開(kāi)槽都且深，圍繞在定子鐵心上，絕緣可靠，磁場(chǎng)均勻?？蓪?duì)定子鐵芯直接冷卻，散熱效果好，因而傳給機(jī)械部分的熱量小，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。轉(zhuǎn)子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩/慣量比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，運(yùn)行平穩(wěn)。轉(zhuǎn)軸安裝有高精度的脈沖編碼器作檢測(cè)元件。因此交流伺服電動(dòng)機(jī)以其高性能、大容量日益受到廣泛的重視和應(yīng)用。 （3）直流電動(dòng)機(jī) 直流伺服電動(dòng)機(jī)是用直流供電的電動(dòng)機(jī)，當(dāng)它作為機(jī)器人的動(dòng)力部件時(shí)，其功能是將輸入的受控電壓/電流能量，轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)： 1）穩(wěn)定性好 直流伺服電動(dòng)機(jī)具有下垂的機(jī)械性，能在較寬的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。 2）可控性好 直流伺服電動(dòng)機(jī)具有線性的調(diào)節(jié)特性，能使轉(zhuǎn)速正比與控制電壓的大小；轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的極性（或相位）；控制電壓為零時(shí)，轉(zhuǎn)子慣性很小，能立即停止。 3）響應(yīng)迅速 直流伺服電動(dòng)機(jī)具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在控制信號(hào)增加、減小或消失的瞬間，直流伺服電動(dòng)機(jī)能快速啟動(dòng)、快速增速、快速減速和快速停止。 4) 轉(zhuǎn)矩大 直流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用在寬調(diào)速系統(tǒng)和精確位置控制系統(tǒng)中，其輸出功率一般為1——600W，也有達(dá)數(shù)千瓦。電壓有6V、9V、12V、24V、27V、48V、110V、220V等。轉(zhuǎn)速可達(dá)1500——1600r/min. 5）控制功率低、損耗小。 直流伺服電動(dòng)機(jī)用直流供電的電動(dòng)機(jī)，為調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向需要對(duì)其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。 2、比較交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī) (1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能進(jìn)行比較： 1）、低頻特性不同 　步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。 交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。 2）、矩頻特性不同 　步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以?xún)?nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 　　　　 3）、過(guò)載能力不同 　步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。 (2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)有著幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)： 1）步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象, 這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。 2）步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降。 3）步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。 4）步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象。 5）步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速用時(shí)較長(zhǎng)，不易用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。 通過(guò)以上比較，相對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)更適于做超聲波機(jī)器人的動(dòng)力部件，但是，直流伺服電動(dòng)機(jī)具有和交流伺服電動(dòng)機(jī)相似的優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)于本機(jī)器人應(yīng)用較方便，如用交流電動(dòng)機(jī)則需在機(jī)器人只上安置一根電源線，這對(duì)移動(dòng)性機(jī)器人是一個(gè)極大的累贅，不僅限制其移動(dòng)范圍而且對(duì)機(jī)器人的速度和轉(zhuǎn)向有一定影響，所以經(jīng)過(guò)比較， 選用直流電動(dòng)機(jī)作為移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置較為合適。所選用的直流電動(dòng)機(jī)輸出功率為50W，額定電壓24V，轉(zhuǎn)速時(shí)600r/min，額定電流為2.8A。 該電動(dòng)機(jī)可以使用電池作電源，適用于普通傳動(dòng)力及機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，該電動(dòng)機(jī)具有一下特點(diǎn)：　1、改變供電電壓的方法來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以使用較低于技術(shù)指標(biāo)內(nèi)的電壓以獲得較低的轉(zhuǎn)速。2、電機(jī)可以正、反轉(zhuǎn)，一般紅色線接正極，黑色線接負(fù)極。如果需反方向旋轉(zhuǎn)，只需將紅色線接負(fù)極，黑色線接正極即可。 2.1.2 傳動(dòng)裝置的確定 在機(jī)械傳動(dòng)裝置中，常見(jiàn)的有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)，各種傳動(dòng)的特點(diǎn)如下： 1、齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)包括直齒傳動(dòng)、斜齒傳動(dòng)和錐齒傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)具有以下以下特點(diǎn)： (1)效率高。在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，一齒輪的傳動(dòng)效率為最高。如一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的效率可達(dá)99%。這對(duì)大功率傳動(dòng)十分重要，因?yàn)榧词剐手惶岣?%，也有很大的經(jīng)濟(jì)意義； (2)工作可靠、壽命長(zhǎng)。設(shè)計(jì)制造正確合理、使用維護(hù)良好的齒輪傳動(dòng)，工作十分可靠，壽命可長(zhǎng)達(dá)一、二十年，這也是其他機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬大； (3)傳動(dòng)比穩(wěn)定。傳動(dòng)比穩(wěn)定往往是對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。齒輪傳動(dòng)獲得廣泛的應(yīng)用，也就是由于具有了這一特點(diǎn)； (4)機(jī)構(gòu)緊湊。在同樣的使用下，齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較?。? 齒輪傳動(dòng)主要用于中心距較小的兩平行軸或交叉軸間的傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，其瞬時(shí)傳動(dòng)比和平均傳動(dòng)比在傳動(dòng)中都保持不變，特別適于尺寸有限制的減速裝置中。 2、鏈傳動(dòng) 鏈傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng)，它由鏈條和鏈輪組成。通過(guò)鏈輪輪齒與鏈條的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。鏈傳動(dòng)按用途的不同可以分為傳動(dòng)鏈、輸送鏈和起重鏈。傳動(dòng)鏈可以分為滾子鏈、齒形鏈等。 鏈傳動(dòng)缺點(diǎn)是不適于急速方向，頻繁啟動(dòng)，急速加速或減速的傳動(dòng)中，主要應(yīng)用于中心距較大的兩平行軸間的傳動(dòng)，由于小車(chē)本身尺寸應(yīng)較小，所以不應(yīng)用鏈做為傳動(dòng)裝置，此外較小的鏈條亦不易于傳動(dòng)。 3、帶傳動(dòng) 帶傳動(dòng)也是一種撓性傳動(dòng)，帶基本組成零件為帶輪和傳動(dòng)帶。傳動(dòng)帶按工作原理不同又可分為摩擦型帶傳動(dòng)和嚙合型帶傳動(dòng)。摩擦型帶傳動(dòng)按截面又可分為平帶傳動(dòng)，圓帶傳動(dòng)，V帶傳動(dòng)和多楔帶傳動(dòng)。其中以V帶傳動(dòng)應(yīng)用最廣泛。摩擦型帶傳動(dòng)具有下列優(yōu)點(diǎn)： 嚙合型帶傳動(dòng)一般也稱(chēng)為同步帶傳動(dòng)。它通過(guò)傳動(dòng)帶內(nèi)表面上等距分布的橫向齒和帶輪上的相應(yīng)齒槽的嚙合開(kāi)傳遞運(yùn)動(dòng)。與摩擦型帶傳動(dòng)比較，同步帶的帶輪和傳動(dòng)帶之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，能夠保證嚴(yán)格傳動(dòng)比。但相對(duì)于摩擦型帶其對(duì)中心距及其尺寸的穩(wěn)定性要求較高。 帶傳動(dòng)亦是主要用于中心距較大的兩平行軸間的傳動(dòng)，若中心距較小，帶單位時(shí)間內(nèi)的回轉(zhuǎn)次數(shù)就會(huì)增大，加速其疲勞破壞，同時(shí)轉(zhuǎn)角增大不宜于傳動(dòng)，此外中心距較小不能傳遞大的傳動(dòng)比，這對(duì)減速裝置沒(méi)有大的實(shí)際意義。 綜上所訴，齒輪傳動(dòng)更適于小型移動(dòng)機(jī)器人的傳動(dòng)裝置，由于小車(chē)底盤(pán)的尺寸限制，齒輪更適于做移動(dòng)機(jī)器人的減速傳動(dòng)裝置。 2.2 控制部分的確定 目前，各種機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要是用單片機(jī)或PLC做主要的控制器，也有一些智能化程度很高的機(jī)器人是用性能較高的PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。根據(jù)機(jī)器人任務(wù)的不同合理的選擇控制系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省設(shè)計(jì)制造成本而且節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)避免浪費(fèi)控制裝置的性能。 基于超聲波的移動(dòng)機(jī)器人鑒于其功能的單一性和簡(jiǎn)單性，其控制部分不需要用性能相對(duì)較高的微處理器，單片機(jī)或PLC就可以完全滿足其控制需要，因此就其控制系統(tǒng)的選擇有兩個(gè)方案： 方案一： 使用單片機(jī)做控制器 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件，單片機(jī)也被稱(chēng)為微控制器（Microcontroler）。單片機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合不同類(lèi)型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)各種控制功能，并且使控制更數(shù)字化、智能化、微型化。 它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，有較強(qiáng)的抗干擾能力。單片機(jī)的程序是可以修改，通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡，特別是自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人。 使用單片機(jī)作為基于超聲波機(jī)器人的控制系統(tǒng)是一種可行的方案，通過(guò)單片機(jī)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)該移動(dòng)機(jī)器人的速度和行進(jìn)方向的控制，同時(shí)處理超聲波傳感器反饋的信息。 方案二：使用PLC做控制器 PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型控制裝置。 PLC有以下特點(diǎn)： 1可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 2功能完善，適用性強(qiáng) 3體積小，重量輕，能耗低 4系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造　　 PLC作為控制裝置可實(shí)現(xiàn)的功能有: 1 開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，從而實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制。 2模擬量控制。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量， PLC都配有的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊用于模擬量控制，使可編程控制器實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Ditigal）之間的A/D和D/A轉(zhuǎn)換。 3 運(yùn)動(dòng)控制。PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在一般使用專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。 4 過(guò)程控制。過(guò)程控制室指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。 5 數(shù)據(jù)處理?，F(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。 使用PLC做超聲波機(jī)器人的控制系統(tǒng)也是一個(gè)可行的方案，和單片機(jī)一樣通過(guò)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)該移動(dòng)機(jī)器人的速度和行進(jìn)方向的控制，同時(shí)處理超聲波傳感器反饋的信息。 以上兩個(gè)方案都是可行的，但相比較之下單片機(jī)和PLC之間還有一些區(qū)別： 1、應(yīng)用場(chǎng)合，PLC主要應(yīng)用在工業(yè)干擾性強(qiáng)、可靠性要求高的環(huán)境，單片機(jī)商業(yè)和一般工業(yè)的環(huán)境。 2、PLC工作電壓一般較高，可以控制較高的電壓而不易受干擾，單片機(jī)工作電壓一般較低，控制較高電壓時(shí)得加可靠的驅(qū)動(dòng)器件。 總的說(shuō)來(lái)，PLC可靠性較高，但價(jià)格昂貴；單片機(jī)相對(duì)較低。在一定場(chǎng)合，單片機(jī)可以代替PLC。 基于超聲波移動(dòng)機(jī)器人的控制較簡(jiǎn)單，使用單片機(jī)足以滿足其控制要求，并且PLC價(jià)格較高，控制較單片機(jī)復(fù)雜，所以其不宜用于基于超聲波移動(dòng)機(jī)器人的控制裝置。單品機(jī)除具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)外，它還易于與超聲波傳感器結(jié)合實(shí)現(xiàn)控制，工作電壓低，抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，綜上所訴，單片機(jī)更適于做該移動(dòng)機(jī)器人的控制裝置。 目前較常用的單片機(jī)是51結(jié)構(gòu)的AT80F51，而且使用 AT80F51能夠滿足移動(dòng)機(jī)器人的控制要求。 2.3 傳感器類(lèi)型的確定 移動(dòng)機(jī)器人是一種在復(fù)雜的環(huán)境下工作的具有自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力的機(jī)器人。在移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)研究中，導(dǎo)航技術(shù)可以說(shuō)是其核心技術(shù)，也是其實(shí)現(xiàn)真正的智能化和完全的自主移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航研究的目標(biāo)就是在沒(méi)有人干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作。機(jī)器人通過(guò)裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步動(dòng)作。 移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式很多，有慣性導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航，衛(wèi)星導(dǎo)航等。這些導(dǎo)航方式分別適用于各種不同的環(huán)境，包括室內(nèi)和室外環(huán)境，結(jié)構(gòu)化環(huán)境與非結(jié)構(gòu)化環(huán)境. 本畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航的方式對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，常用的傳感器導(dǎo)航有超聲波傳感器和紅外傳感器兩種，利用這些傳感器亦可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航，因此本畢業(yè)設(shè)計(jì)有兩種較為合適的方案： 方案一：使用紅外傳感器導(dǎo)航 任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。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)。但是紅外傳感器在測(cè)距和探障過(guò)程中易受可見(jiàn)光的影響，特別在一些光線較強(qiáng)以及環(huán)境溫度基本一樣的條件下，其性能下降迅速，此外，使用紅外傳感器還需預(yù)先設(shè)定好軌跡，不宜于移動(dòng)機(jī)器人的自主移動(dòng)。 方案二：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。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。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。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人導(dǎo)航等方面。 超聲波傳感器應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人中主要起探測(cè)和測(cè)距的作用,相對(duì)于紅外傳感器其工作性能穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境要求低，適應(yīng)性強(qiáng)，抗干擾能力好，非常適于做移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航裝置，所以我選超聲波傳感器作為機(jī)器人的傳感裝置。 超聲波測(cè)距有兩種方式即反射法和強(qiáng)度法。強(qiáng)度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來(lái)測(cè)量被測(cè)物的距離，被測(cè)物越遠(yuǎn)其反射信號(hào)越弱，根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱就可以知道被測(cè)物的遠(yuǎn)近，但在使用這種方法時(shí)由于換能器之間的直接耦合信號(hào)很難消除，在放大器增益較高時(shí)這一直接耦合信號(hào)就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效。反射時(shí)間法是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間T利用公式 其中，S為被測(cè)距離、V為空氣中聲速、T為回波時(shí)間（），可以計(jì)算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度的影響，因此這種方法非常適合較遠(yuǎn)距離的測(cè)距，如果對(duì)聲速進(jìn)行溫度修訂，其精度還可進(jìn)一步提高。所以使用發(fā)射時(shí)間法更適于作為移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)距方法。 3 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3.1參數(shù)的確定 齒輪傳動(dòng)時(shí)本設(shè)計(jì)中要采用的傳動(dòng)方式，但需要進(jìn)行多少級(jí)的減速傳動(dòng)則需根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、車(chē)輪的直徑和機(jī)器人的移動(dòng)速度確定。 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)度已知為n=600r/min，機(jī)器人行進(jìn)最大速度為v=0.3m/s,車(chē)輪直徑為d=100mm，則可求得總的傳動(dòng)比。 電動(dòng)機(jī)的角速度為 w=2n/60 =62.8 車(chē)輪的角速度為 w d =2v/d=6 總的傳動(dòng)比為 i=w/ w d=10.5 由此可知需二級(jí)傳動(dòng)，有因?yàn)楦咚偌?jí)傳動(dòng)比應(yīng)是低速級(jí)的1.2倍，所以高速級(jí)的傳動(dòng)比為3.55，低速級(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)為2.96。 減速箱各軸用深溝球做支撐支撐，輸入軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸用形面進(jìn)行連接，齒輪與軸之間用A型普通平鍵進(jìn)行連接，鍵的材料為鑄鐵，電動(dòng)機(jī)功率為P=0.05KW，深溝球的傳動(dòng)效率為=0.99，齒輪間的傳動(dòng)效率為=0.96。由此可得各軸的一些參數(shù)。 1.各軸轉(zhuǎn)速： 輸入軸： 中間軸： 低速軸： 2．各軸輸入功率： 輸入軸： 中間軸： 輸出軸： 3．各軸輸入轉(zhuǎn)矩： 輸入軸： 中間軸： 輸出軸： 3.2 減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.2.1 齒輪的設(shè)計(jì) 一、高速級(jí)齒輪設(shè)計(jì) 1、選定齒輪的類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) （1）由設(shè)計(jì)要求可知，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 （2）減速箱的精度等級(jí)為6至8級(jí)，故可選用齒輪的精度等級(jí)為7級(jí) （3）小齒輪材料為40（調(diào)質(zhì)），硬度280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者硬度差為40 HBS。 （4）選校齒輪齒數(shù)=15，大齒輪齒數(shù)= i1=75.15，取=75. 2、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 （1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1） 試選載荷系數(shù)Kt=1.3. 2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，即小齒輪輸出的功率 3）查表選取齒寬系數(shù)=1。 4）查表得材料的彈性影響系數(shù) =189.8。 5）查表的小齒輪的疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550。 6）查表取接觸疲勞壽命系數(shù);. 7) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，則由計(jì)算公式得 （2）計(jì)算 1） 試算小齒輪分度圓直徑，帶入較小的值。 取小齒輪分度圓直徑為=15mm 2）計(jì)算圓周速度V1。 V1=/60*1000=0.19m/s 計(jì)算齒寬 ==15mm 計(jì)算模數(shù) 3）大齒輪的齒寬 =10mm 4） 大齒輪的分度圓直徑 =75mm 5) 中心距a a=（+）/2=45mm 二、低速級(jí)齒輪設(shè)計(jì) 1、選定齒輪的類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) (1）由設(shè)計(jì)要求可知，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 (2）減速箱的精度等級(jí)為6至8級(jí)，故可選用齒輪的精度等級(jí)為7級(jí) (3）小齒輪材料為40（調(diào)質(zhì)），硬度280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者硬度差為40 HBS。 (4）選校齒輪齒數(shù)=16，大齒輪齒數(shù)= =66.88，取=67。 2、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式3-2進(jìn)行試算 (1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1)試選載荷系數(shù)Kt=1.3. 2)計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，即小齒輪輸出的功率 。 3）查表選取齒寬系數(shù)=1。 4）查表得材料的彈性影響系數(shù)=189.8。 5）查表的小齒輪的疲勞強(qiáng)度極限； 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550。 6）查表取接觸疲勞壽命系數(shù);. 7) 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，則由計(jì)算公式得 (2)計(jì)算 1）試算小齒輪分度圓直徑，帶入 較小的值 取小齒輪分度圓直徑為=18mm 2）計(jì)算圓周速度V3。 V3=/60*1000=0.05m/s 計(jì)算齒寬。 ==18mm 計(jì)算模數(shù) 3） 大齒輪的齒寬 =13mm 4） 大齒輪的分度圓直徑 =65mm 5) 中心距a a=（+）/2=41.5mm 3.2.2 軸的設(shè)計(jì) 一、輸入軸的設(shè)計(jì) (1） 材料：選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理。查課本第230頁(yè)表14-2取 C=100。 (2） 各軸段直徑的確定： ①計(jì)算最小軸段直徑。因?yàn)檩S主要承受轉(zhuǎn)矩作用，所以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，：根據(jù)計(jì)算公式得： (3-2) ②直徑的確定。 與電動(dòng)機(jī)主軸相連，其大小為8mm。 與密封墊圈接觸，，其大小為9mm。 段裝配軸承且，其大小為10mm。 段是定位軸肩，取。 為齒輪軸， 分度圓直徑為15mm。 為定位軸段，其大小為12mm。 段裝配軸承所以。 (3） 軸段長(zhǎng)度的確定 L1段長(zhǎng)度為10mm。 L2段長(zhǎng)度為10.5mm。 L3段長(zhǎng)度為8mm。 L4段長(zhǎng)度為42.5mm。 L5段長(zhǎng)度為15mm。 L6段長(zhǎng)度為10mm。 L7段長(zhǎng)度為9mm。 (4）校核該軸： 作用在齒輪上的圓周力為： 徑向力為 求垂直面的支反力： 求垂直彎矩，并繪制垂直彎矩圖： 求水平面的支承力：由得 N N 求并繪制水平面彎矩圖： 求F在支點(diǎn)產(chǎn)生的反力： 求并繪制F力產(chǎn)生的彎矩圖： F在a處產(chǎn)生的彎矩： 求合成彎矩圖： 考慮最不利的情況，把與直接相加。 求危險(xiǎn)截面當(dāng)量彎矩： 從圖可見(jiàn)，m-m處截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量彎矩為：（取折合系數(shù)） (3-3) 計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑： 因?yàn)椴牧线x擇調(diào)質(zhì)，查表得，查表得許用彎曲應(yīng)力，則： 因?yàn)椋栽撦S是安全的。彎矩及軸的受力分析圖如下： 圖 3-1 輸入軸彎矩及軸的受力圖 二、中間軸的設(shè)計(jì)： (1） 材料：選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理。查課本第230頁(yè)表14-2取。 (2） 各軸端的直徑的確定： 1) 計(jì)算最小軸段直徑。因?yàn)檩S主要承受轉(zhuǎn)矩作用，所以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，：根據(jù)計(jì)算公式得： ② 直徑的確定。 段要裝配軸承，所以查資料取，選用6000軸承。 為定位軸段，其大小為12mm。 段為齒輪軸，其分度圓直徑為18mm。 段主要是定位齒輪，所以取。 裝配大齒輪，取。 段要裝配軸承，所以查手冊(cè)第9頁(yè)表1-16取，查手冊(cè)選用6000軸承。 (3) 軸段長(zhǎng)度的確定： L1段長(zhǎng)度為8.5mm。 L2段長(zhǎng)度為25mm。 L3段長(zhǎng)度為15mm。 L4段長(zhǎng)度為13.5mm。 L5段長(zhǎng)度為9mm（比齒輪寬度小1mm）。 L6段長(zhǎng)度為21mm。 （4） 校核該軸： 作用在2、3齒輪上的圓周力： N 徑向力： 求垂直面的支反力 計(jì)算垂直彎矩： 求水平面的支承力： 計(jì)算、繪制水平面彎矩圖： 求合成彎矩圖，按最不利情況考慮： 求危險(xiǎn)截面當(dāng)量彎矩： 從圖可見(jiàn)，m-m,n-n處截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量彎矩為：（取折合系數(shù)） 計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑： n-n截面: m-m截面: 由于，所以該軸是安全的。彎矩及軸的受力分析圖如下： 圖 3-2 中間軸彎矩及軸的受力圖 三、 輸出軸的設(shè)計(jì)： (1）材料：選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理。查課本第230頁(yè)表14-2取。 (2）確定各軸段直徑 1) 計(jì)算最小軸段直徑。因?yàn)檩S主要承受轉(zhuǎn)矩作用，所以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算,根據(jù)計(jì)算公式得： 2) 直徑的確定。 段軸承配合，其大小為10mm。 段裝配齒輪，其大小為15mm。 段為定位軸肩，其大小為17mm。 段為定位軸段，其大小為12mm。 段與軸承配合，其大小為10mm。 段與法蘭相接，其大小為9mm。 3） 各軸的長(zhǎng)度。 L1段與軸承配合，因軸承寬為8mm且需裝配軸套，所以長(zhǎng)度應(yīng)為35mm。 L2段應(yīng)相對(duì)于齒輪小，長(zhǎng)度為12.5mm。 L3段其定位作用，長(zhǎng)度可定為5mm。 L4段長(zhǎng)度為31mm。 L5段長(zhǎng)度為7.5mm。 L6段長(zhǎng)度為17mm。 （3） 校核該軸： 求作用力、力矩和和力矩、危險(xiǎn)截面的當(dāng)量彎矩。 作用在齒輪上的圓周力： 徑向力: 求垂直面的支反力： 計(jì)算垂直彎矩： .m 求水平面的支承力： 計(jì)算、繪制水平面彎矩圖： 求F在支點(diǎn)產(chǎn)生的反力： 求F力產(chǎn)生的彎矩圖： F在a處產(chǎn)生的彎矩： 求合成彎矩圖： 考慮最不利的情況，把與直接相加。 求危險(xiǎn)截面當(dāng)量彎矩： 從圖可見(jiàn)，m-m處截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量彎矩為：（取折合系數(shù)） 計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑： 因?yàn)椴牧线x擇調(diào)質(zhì)，查課本225頁(yè)表14-1得，查課本231頁(yè)表14-3得許用彎曲應(yīng)力，則： 考慮到鍵槽的影響，取 因?yàn)椋栽撦S是安全的。 （4）彎矩及軸的受力分析圖如下： 圖 3-3 輸出軸彎矩及軸的受力圖 四、 軸承的校核： （1） 輸入軸上支撐軸承壽命的校核： 軸承壽命可由式 進(jìn)行校核，由于軸承主要承受徑向載荷的作用，所以，查資料取取按最不利考慮，則有： 則因此所該軸承符合要求。 (2）中間軸上支撐軸承壽命的校核： 軸承壽命可由式進(jìn)行校核，由于軸承主要承受徑向載荷的作用，所以，查課本259頁(yè)表16-9，10資料取取 則，軸承使用壽命在年范圍內(nèi)，因此所該軸承符合要求。 (3） 輸出軸上支撐軸承壽命的校核： 軸承壽命可由式進(jìn)行校核，由于軸承主要承受徑向載荷的作用，所以，查課本259頁(yè)表16-9，10取取按最不利考慮，則有： 則 , （3-8） 該軸承壽命為64.8年,所以軸上的軸承是適合要求的。 五、鍵的校核： (1) 中間軸上輸入齒輪與軸間的鍵校核 根據(jù)軸徑尺寸（12mm），該鍵的尺寸為44，鍵長(zhǎng)L為5mm，普通平鍵的失效形式為工作面被壓潰，所以通常按工作面的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 假定載荷在鍵的工作面上的壓力均勻分布，普通平鍵的強(qiáng)度條件為，為鍵的許用擠壓應(yīng)力，（鍵的許用擠壓應(yīng)力在三者中最?。? =240 （3-9） 所以，該鍵滿足強(qiáng)度條件。 (2) 輸出軸上齒輪與軸間的鍵校核 根據(jù)軸徑的尺寸（15mm），該鍵的尺寸為55，鍵長(zhǎng)為6mm，普通平鍵的失效形式為工作面被壓潰，所以通常按工作面的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 假定載荷在鍵的工作面上的壓力均勻分布，普通平鍵的強(qiáng)度條件為，為鍵的許用擠壓應(yīng)力，（鍵的許用擠壓應(yīng)力在三者中最小） =240 所以，該鍵滿足強(qiáng)度條件。 4 控制與傳感裝置的設(shè)計(jì) 4.1 控制與運(yùn)動(dòng)思路 4.1.1 機(jī)器人控制的總體思路 控制裝置使用了AT80F51單片機(jī)做控制器，通過(guò)控制永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來(lái)確定移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)速度和方向，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力部件有著許多優(yōu)點(diǎn)，例如在快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率高、耐受環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在全面分析了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、運(yùn)行方式以及外部特性的基礎(chǔ)上，提出了利用轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)間接測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)穩(wěn)速控制的策略。 在本文中對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的硬件電路和軟件程序問(wèn)題進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用性能相對(duì)較高的AT80F51單片機(jī)作為微處理器，用模擬控制技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，使電機(jī)在一定范圍內(nèi)能夠進(jìn)行精確調(diào)速和速度穩(wěn)定控制。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了控制器小型化，提高了控制器可靠性，減小了體積與重量。 直流電機(jī)調(diào)速基本原理是比較簡(jiǎn)單的（相對(duì)于交流電機(jī)），只要改變電機(jī)的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。 改變電壓的方法很多，最常見(jiàn)的一定是PWM脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。 電機(jī)調(diào)速一般分為三個(gè)級(jí)，控制級(jí)，驅(qū)動(dòng)級(jí)和反饋級(jí)。 單片機(jī)屬于前端的控制級(jí)，只需要能夠產(chǎn)生可調(diào)的PWM波形就可以（很多單片機(jī)都有專(zhuān)用PWM輸出功能，有定時(shí)器就能做到）。 驅(qū)動(dòng)級(jí)，在控制級(jí)后。因?yàn)閱纹瑱C(jī)弱電不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)這樣的強(qiáng)電，所以需要用功率開(kāi)關(guān)器件（如MOSFET等）來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)?；舅悸肪褪峭ㄟ^(guò)弱點(diǎn)控制強(qiáng)電。 通常，驅(qū)動(dòng)級(jí)和控制級(jí)還需要電氣隔離（光耦器件）保證安全。 反饋級(jí)是為了實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速的。一般是電流反饋，也有用轉(zhuǎn)速反饋的，也有電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制的。 PWM輸出的占空比具體是多少由單片機(jī)通過(guò)反饋的信息綜合運(yùn)算得到（是負(fù)反饋控制）。 4.1.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的總體思路 本文研究的于視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用履帶式結(jié)構(gòu)，用采用7.2V可充電動(dòng)力電池組，使用直流電機(jī)作為機(jī)器人的動(dòng)力源。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其越障能力取決于前導(dǎo)輪的高度。如果要求機(jī)器人攀爬較高障礙物，則要提高前導(dǎo)輪距地面高度。從而整個(gè)結(jié)構(gòu)高度增大，不利于穿越涵洞等類(lèi)似障礙物。利用超聲波傳感器獲取障礙物信息，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。 4.2 單片機(jī)控制系統(tǒng) 4.2.1 AT80F51單片機(jī) AT80F51單片機(jī)最小系統(tǒng)是超聲波測(cè)距儀的核心部分。它是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 （1）AT80F51的主要性能包括： 1)與MCS-51 兼容 ;2)4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器; 3)壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán);4)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年;5)全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz;6)三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定7)128*8位內(nèi)部RAM;(8)32可編程I/O線;9)兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;10)5個(gè)中斷源 ;11)可編程串行通道;12)低功耗的閑置和掉電模式 ;13)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。 （2）AT80F51內(nèi)部分工： AT80F51內(nèi)部有256個(gè)字節(jié)的RAM，地址范圍是00H-FFH，但實(shí)際提供給用戶(hù)使用的只有128個(gè)字節(jié)（00H-7FH），另128個(gè)字節(jié)(80H-FFH)是特殊寄存器區(qū)。除ROM和RAM外，芯片內(nèi)部還有三個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。在本系統(tǒng)中定時(shí)器T0用來(lái)計(jì)時(shí)，定時(shí)器Ｔ１用來(lái)做波特率發(fā)生器。 4.2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 復(fù)位電路目的：在需要的時(shí)候，單片機(jī)復(fù)位，保證正常的工作循環(huán)。 復(fù)位電路有各種各樣，但是工作環(huán)境惡劣，復(fù)位電路要求嚴(yán)格，本系統(tǒng)中采用MAX5045芯片專(zhuān)做復(fù)位芯片。 MAX5045最主要特點(diǎn)有： 1) 512字節(jié)串行EEPROM； 2) 集成了可編程看門(mén)狗定時(shí)器（可設(shè)定看門(mén)狗超時(shí)時(shí)間，典型時(shí)間200ｍｓ，600ｍｓ，1.4ｓ或禁止）； 3) 上電復(fù)位及低電壓檢測(cè)，即在上電和VCC低于檢測(cè)門(mén)限時(shí)，輸出復(fù)位信號(hào)。X5045輸出復(fù)位高電平有效，X5043輸出復(fù)位低電平有效，確保直至VCC=1V復(fù)位信號(hào)仍有效 ； 4) 編程的復(fù)位門(mén)限。需加高電壓（15-18V加在WP引腳）及一個(gè)專(zhuān)門(mén)時(shí)序； 5) SP1接口方式，最高可達(dá) 1MHZ串行時(shí)鐘頻率； 6) 低功耗CMOS電路（備用電流10PA、工作電流3MA）； 7) 功耗低，通信速度快（最高3.3HZ，X5045/3為1MHZ）已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。 圖4-1 X5045引腳圖 4.2.3 穩(wěn)壓芯片 穩(wěn)壓電路選用7812芯片，采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至24V后給直流電機(jī)供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5V。2576的輸出電流最大可至3A，完全滿足系統(tǒng)要求。 4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng) 4.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路，所有的開(kāi)量都做成n型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤(rùn)滑”作用，消除正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。 L298通過(guò)內(nèi)部邏輯生成使能信號(hào)。H-橋電路的輸入量可以用來(lái)設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L298將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)。每1個(gè)電機(jī)需要3個(gè)控制信號(hào)EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號(hào)，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)，IN1、IN2分別為1，0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。選擇一路I/O口，經(jīng)反向器74HC14分別接IN1和IN2引腳，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 4.3. 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 我們采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖4-2所示： 圖4-2 L298內(nèi)部邏輯圖 L298N的5、7、10、12四個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)等功能。 4.4超聲波測(cè)距算法 4.4.1 超聲波應(yīng)用的可行性 超聲波是指頻率超過(guò)20kHz的聲波。其相關(guān)的特性： （1）聲速特性：超聲波可以在固體、液體和氣體中以不同的速度進(jìn)行傳播，其速度受介質(zhì)溫度、壓力等因素的影響，但在相同外部環(huán)境下，超聲波在同一介質(zhì)中的傳播速度是一常數(shù)。 （2）反射特性： 超聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，由于兩種介質(zhì)密度不同，因而在兩種介質(zhì)分界面，其方向傳播會(huì)發(fā)生改變：其中一部分折射入另一種介質(zhì)，另一部分被反射回來(lái)。當(dāng)超聲波以氣體傳播到固體或液體時(shí)，由于兩種介質(zhì)密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射，利用這一特性通過(guò)接收裝置可進(jìn)行超聲波探測(cè)和測(cè)距。 （3）衰減特性：超聲波在傳播過(guò)程中，由于受介質(zhì)和介質(zhì)中雜質(zhì)的阻礙或吸收，其強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生衰減，而超聲波接收裝置對(duì)所接受的聲波強(qiáng)度都有一定要求。 4.4.2 超聲波的產(chǎn)生和接收 超聲波是指頻率超過(guò)20kHz的聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)單。 以超聲波為檢測(cè)手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱(chēng)為超聲波傳感器。習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器(或稱(chēng)壓電式超聲波探頭)和磁滯式超聲波傳感器。本設(shè)計(jì)中采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器(或稱(chēng)發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱(chēng)接收探頭)兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以此作為超聲波的接收器。 4.4.3 超聲波的產(chǎn)生 超聲波屬于機(jī)械波，由于物體機(jī)械振蕩產(chǎn)生的。目前產(chǎn)生和接收的超聲波的器件通常采用壓電晶體作為換能器。壓電晶體具有兩種可逆的能量轉(zhuǎn)變效應(yīng)即在交變電場(chǎng)的作用下導(dǎo)致厚度的交替改變從而產(chǎn)生聲震動(dòng)，即由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?，稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)；相反，有聲波的壓力變化使壓電晶體兩端的電極隨聲波的壓縮與弛張發(fā)生正負(fù)電位交替變化，稱(chēng)為