基于视觉的移动机器人设计与分析毕业设计说明书

本科毕业设计说明书（论文）基于视觉的移动机器人设计与分析摘 要 移动机器人是机器人的一个重要分支，被广泛的应用于工业、国防及其民用设施上。随着机器人技术和人工智能技术的发展，如何让多个机器人相互协调、配合来共同的研究和实验模型，足球机器人系统是一个多学科交叉的前沿领域，它涉及到机器人学、智能控制技术、通信技术、计算机技术、传感器技术、图像处理和人工智能等方向，正在成为国内外许多大学研究、比赛和交流的公共实验平台。近年来人们对它的研究有了更大的关注。本次设计的研究内容就是基于视觉导航的履带式移动机器人，以足球机器人为研究模型，其核心内容是应用单片机控制直流电机实现机器人的智能控制，采用视觉传感器解决移动机器人的定位问题，实现机器人在给定环境中的“完全自主” 。能使机器人在未知的环境下，通过自身传感器测量周围环境数据，逐渐估计自身位置和运动状况，并把信号反馈到单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车的运动控制。内容包括：1.机械结构设计：机器人采用两轮独立驱动的履带结构，动力源采用直流无刷电机，减速和传动装置采用齿轮传动，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用增量式光电编码器进行对机器人速度的检测，实现机器人的定位。2.控制结构设计：控制部分采用AT89C51型号单片机进行接受命令和产生驱动信号，电机的驱动部分采用L293D控制芯片，芯片利用接受到的单片机发出的信号来控制电机的转速。3. 传感器部分：利用视觉传感器收集图像，送至上位机进行图像处理。关键词： 移动机器人 单片机 运动控制 视觉传感器 图像处理IIAbstractMobile robot is an important branch of robotics and will be widely applied in both military field and civil area. With the development of robotics and artificial intelligence, scientists were often faced with issues on cooperation and coordination among different robots in a workspace. This has led to the developments in multi-robot cooperative systems MRCS. As a research model of MRCS, soccer robot is an interdisciplinary area that involves the knowledge of robotics, intelligence control, wireless communication, computer science, sensor technology, image processing, artificial intelligence, and so on. It has become a public experimental platform for universities all over the world to communicate with each other. It has gained considerable attention in recent years. Originally inferior design simple ness is robotic, adopt the monolithic machine to be the handcart detecting and to control core; Adopt optesthesia sensor to resolve the interior localized intelligence robot problem , realizes a robot acting on selfs own in interior hit the target complicated environment completeness. And can make robotic under the unknown environment, gradually, estimate oneself location and move status by the fact that oneself sensor measures the environment data coupling back the signal arrives at the monolithic machine, makes the monolithic machine can look for trace according to giving stable black the guidance line arbitrarily stable according to that the predetermined job pattern controls a handcart uses a handcart. Contents Include: 1. Design of mechanical structure: the robot driven by two independent track structures, the power source using brushless DC motor, gear reducer and gear belt transmission by using differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder for speed detection of robots, robot positioning. 2. Design of control structure: control part of the model using AT89C51 microcontroller for receiving orders and generates drive signals，the driving part is L293D motor control chip, chip microcontroller using the received signals to control motor speed. 3. Sensor parts: the robot using vision sensors for collect images, and send the images to upper-computer for image processing. Key words：mobile robot， motion control， single chip， vision sensor ， image processing目 录摘 要IAbstractII1移动机器人11.1移动机器人的研究历史11.2课题的现实意义11.3智能机器人的发展21.3.1智能机器人的定义21.3.2国外机器人的发展31.3.3国内机器人的发展32视觉移动机器人方案的确定52.1设计任务概述52.2视觉移动机器人机械结构设计方案52.2.1动力源的论证与选择52.2.2运动方式的选择62.2.3电源的论证与选择62.2.4传动方式的选择62.2.5传感器的选择72.2.6最终方案：72.3视觉移动机器人控制系统设计方案72.3.1控制系统的选择82.3.2控制器的软件设计83视觉移动机器人方案的确定103.1电动机的确定103.1.1电动机功率的选择103.1.2电动机转速的选择103.2 圆锥圆柱减速器的设计113.2.1传动方案的选择113.2.2传动零件的设计计算123.2.2.1圆锥齿轮传动的设计计算123.2.2.2圆柱齿轮传动的设计计算163.2.2.3数据整理193.2.2.4轴的设计193.2.3减速箱轴承的确定203.2.4联轴器的选择214 视觉移动机器人控制系统设计224.1机器人电子元件的选型224.1.1单片机 PIC16F877224.1.2直流无刷电机245移动机器人的图像处理技术265.1图像的采集265.2图像的预处理265.2.1彩色图像灰度化265.2.2灰度图像的平滑处理275.2.3颜色模型转换29结 论30致 谢31参考文献32附 录33 1移动机器人1.1移动机器人的研究历史机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。移动机器人技术一直是人类长期科学研究的热点。它的历史可以追溯到20世纪六十年代。1962年，美国Unimation公司的第一台机器人Unimate。在美国通用汽车公司(GM)投入使用，标志着第一代机器人的诞生。1968年，美国斯坦福研究所公布了他们研发成功的机器人Shakey，该机器人能够根据人的指令通过视觉传感器发现并抓取积木,标志着第一台智能机器人的诞生，同时也揭开了移动机器人研究的序幕。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受的说法是：机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”机器人能够利用各种传感器采集机器人所在环境的特征，通过各种环境特征可以自动地规划自己的行动路径，实现寻迹、避障等智能行为。早期的机器人主要应用于工业领域，例如利用机器人搬运工件、更换刀具、焊接工件、喷射油漆以及实现零件的装配等工作。但是到了90 年代，随着机械技术、计算机技术、微电子技术、网络技术以及人工智能技术的快速发展，机器人活动领域的不断扩大，机器人的应用从制造业领域向非制造业领域不断发展，原先只是在工业中才使用的自主式机器人也开始进入到人们的日常生活中来，因此在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域都能看到移动机器人的身影，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等都陆续成立了机器人实验室，由此机器人技术得到了长久的发展。本文设计的机器人实际上就是一种利用视觉传感器自动移动的机器装置，由视觉传感器采集图像，送至上位机分析，实现路径识别，采用单片机控制直流无刷电机实现对小车速度的控制，达到运动要求。1.2课题的现实意义对智能机器人的研究有着广泛的现实意义，概括地说可以有三点：1. 智能机器人技术是一门综合性很强的技术。对移动机器人的设计包括机械结构、传感器、运动学方程、控制系统、路径规划以及各种算法的分析与设计。因此移动机器人的研究涉及到的学科包括：机械加工技术、传感器技术、信息处理技术、通信技术、自动控制技术、电子技术、机器视觉技术、图像处理技术、网络技术以及计算机技术等等，所以移动机器人技术的发展使得各门科学技术都得到了长远的进步与发展，是科学技术不断发展的有力途径和工具。2. 智能机器人有着广泛的应用前景，可以说它几乎渗透到了人类社会所有的领域。可以预见在未来的人类社会里，移动机器人将会出现在我们生活中的每一个角落，成为时代发展的主流。随着人们生活水平的提高，人类对机器人的功能也提出了更高的要求，越来越多的移动机器人已经走入了我们的生活，在家里，服务型的室内机器人可以从事清洁卫生、园艺、垃圾处理、家庭护理与服务等作业；在医院，移动机器人可以从事手术、化验、助残、导盲、运输、康复及病人护理等作业；在商场和旅游中，导购机器人、导游机器人和表演机器人都使得人类生活变得丰富多彩。因此移动机器人已经成为未来社会非常有潜力的产业，谁可以掌握室内移动机器人的关键技术，谁就可以引领世界的潮流。3. 机器人的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要体现。它实现了工业的完全自动化，从机械加工到零件的装配，甚至连工艺的设计都由工业机器人完成。机器人带动了工业技术的革新，社会的发展以及其他领域的革命。当今社会，机器人正代替人发挥着日益重要的作用，不断地改变着人类的生活方式，因此完全可以说机器人技术的发展带动了整个人类社会的发展。综上所述，我国对移动机器人的研究面临着很大的挑战，必须加大对机器人的开发与应用才能走在时代的前列。1.3智能机器人的发展1.3.1智能机器人的定义自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个准确的定义，欧美国家认为机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械”；日本学者认为“机器人就是任何高级的自动机械”；我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会于1979年给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”概括说来，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。1.3.2国外机器人的发展智能机器人的研究可以追溯到20世纪60年代，在1966至1972年间,美国斯坦福研究院的和Charles等人研制的机器人，身高1.5米，是历史上第一个由计算机控制的自主式智能移动机器人。它由远程大型计算机控制，带有视觉传感器和触觉传感器，在室内的复杂环境中可以完成从一个地点移动到另一个地点，以及检测障碍物并移动障碍物到指定地点的任务。它的出现标志着智能机器人研究的正式开始。1970年前苏联月球17号探测器把世界第一个无人驾驶的月球车送去月球，月球车行驶0.5公里，考察了8万平方米的月面。后来的月球车行驶37公里，向地球发回88幅月面全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车(Lunar rover),应用于行星探测的研究。采用了摄像机，激光测距仪以及触觉传感器。机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型区域。1973年到1979年，斯坦福大学人工智能实验室研制了CART移动机器人，CART可以自主地在办公室环境运行。CART每移动1米，就停下来通过摄像机的图片对环境进行分析，规划下一步的运行路径。由于当时计算机性能的限制，CART每一次规划都需要耗时约15分钟。CMU Rover由卡耐基梅隆大学机器人学研究所在1981年开始研制，它具有12个微处理器来处理实时任务，一个大型的远程计算机通过遥控方式来进行复杂规划与环境分析，并通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。由于计算机的运行速度、传感器感知能力的限制，这些移动机器人的实时控制性能不佳。每自主前进一步都需要停下来花费大量的时间进行计算，因此在实际应用中通常采取遥控的方式。进入20世纪90年代，随着计算机技术的飞速发展，机器人的感知、决策能力也获得了长足的进步。到了1994年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开发了Dante II，这是一个8足的移动机器人fill。在1994年4月，该机器人通过卫星通讯与Internet相连，通过网络由NASA的研究组、卡耐基梅隆大学以及阿拉斯加火山观测所的科研人员控制Dante进行阿拉斯加火山口观测，并收集了火山口喷出的气体样本。1.3.3国内机器人的发展国内有关移动机器人研究的起步较晚，“八五”期间研制了ATB-1，即军用智能机器人平台，由浙江大学、国防科技大学、清华大学、北京理工大学、南京理工大学联合研制。“九五”期间又研制了军用“智能机器人平台2号，道路自主驾驶的最高速度为74Km/h。在国家“十五”863计划中，展开了一系列的有关智能机器人方面的研究。在危险环境下作业移动机器人、基于复合结构的非结构环境应用的移动机器人、高机动性越障机器人、多足仿生机器人、仿人形机器人等研究项目取得了众多的成果。国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、中科院自动化研究所、沈阳自动化研究所等正在开展有关月球探测自主机器人的相关研究。在863专项支持下，清华大学开发了多功能室外智能移动机器人实验平台、上海交通大学研制了移动机构试验平台以及Frontier-ITM等。211A MCTB采用了关节轮式移动结构，具有较强的越障能力。Frontier-ITM自主移动机器人作为中国大学的参赛队首次参加了Robocop中型组比赛。CASIA-1是中科院自动化所研制的集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。沈阳自动化所研制的自行输送小车已投入生产现场，此外还研制了“多功能排险防暴机器人”和“蛇形机器人”。2003年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了130Km/h的稳定时速，最高时速170Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位。这一系列的成就推动了我国移动机器人技术的发展，缩短了与国外先进水平的差距，而且在某些领域也取得了国际领先的成果，己经成为我国机器人应用的一个突出领域。392视觉移动机器人方案的确定2.1设计任务概述 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩方案3 直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便， 小车内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。而且无刷直流电机采用方波电流供电，所用电机的转矩/体积比更高。无刷直流电机结构更简单、制造成本更低。无刷直流电机产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，选用无刷直流电机更好。最终方案：本次设计使用直流无刷电机。2.2.2运动方式的选择方案1：轮式机构方案2：履带式结构优缺点的比较：方案1 轮式结构是一个马达作为动力，通过变速箱驱动后轮；另一个马达转动导向轮来决定行驶方向。优点是在直道行驶速度较快、 方向和速度相互独立。 缺点为转弯半径大、驱动轮易打滑、导向轮方向不易精确控制。 方案2 履带结构是两个电机分别驱动两条履带。优点是可以在原地转动；在不平的路面上性能稳定，牵引力大。缺点为速度慢、速度和方向不能单独控制摩擦力很大； 能量损耗大，机械结构复杂。最终方案：履带结构能适应更为复杂的环境，本次设计选用履带式结构2.2.3电源的论证与选择方案1：采用7.2V可充电动力电池组。方案2：采用12V蓄电池为直流电机供电。优缺点的比较：方案1 采用7.2V可充电动力电池组。动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。方案2 采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其它芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，由于我们的车体在设计时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。经过比较，本次设计使用方案1。2.2.4传动方式的选择方案1：带传动方案2：齿轮传动优缺点的比较：方案1带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同，有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动，也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的同步带传动带传动具有结构简单、传动平稳，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点。方案2齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。2.2.5传感器的选择方案一：使用红外传感器导航任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。但是红外传感器在测距和探障过程中易受可见光的影响，特别在一些光线较强以及环境温度基本一样的条件下，其性能下降迅速，此外，使用红外传感器还需预先设定好轨迹，不宜于移动机器人的自主移动。方案二：使用超声波传感器导航使用超声波传感器导航超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。 方案三使用视觉传感器导航视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素的能力，它主要部件就是照相机或摄像机，在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。视觉传感器通常因其精确性、易用性、丰富功能及合理成本而成为最佳选择。2.2.6最终方案：基于视觉的移动机器人实用履带式结构，采用7.2V可充电动力电池组，使用直流无刷电机作为机器人的动力源，利用视觉传感器采集图像，通过单片机控制直流电机可以实现小车的前进，后退以及转向等功能。2.3视觉移动机器人控制系统设计方案2.3.1控制系统的选择PLC ( Programmable logic Controller)，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，由CPU、储存器、电源构成。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。PLC和单片机虽然都是控制器，广泛的应用在控制系统中，但是它们依然具有不同，他们的区别为：1.PLC大部分用在较大型的设备上。因为其价格较高，一般都是附加值较高的自动控制系统才会考虑。PLC的特点：可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低。2.单片机控制 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、为学习、应用和开发提供了便利条件，同时单片机的成本比PLC略微低廉，综合考虑本次设计选择单片机控制。单片机有8位，16位，32位等，这里的位指单片机CPU每次处理能力,8位是指单片机一次可以计算8位数据,16位是指单片机一次可以计算16位数据,依次类推，在此次设计中用8位单片机完全可以完成对机器人的控制，另考虑经济等方面，本次设计选择8位单片机.2.3.2控制器的软件设计在归纳了移动机器人各种运动行为的基础上，我们总结了机器人的如下运动方式:1.启动:两个电机启动。2停止:两个电机停止转动。3.加速:两个电机同时在现有速度基础上增加一个数量级，实现加速。4.减速:两个电机同时在现有速度基础上减小一个数量级，实现减速。5.转弯:改变一个电机的转向，完成转弯后作直线运动。6.直线运动:两个电机以相同的速度和转向运动。这些运动覆盖了差动轮式移动系统的所有基本动作，通过一系列电机控制的组合就可以灵活地控制机器人完成它所能够做到的任何动作。当移动机器人需要做出某种动作时，车载机只须将期望动作翻译为一个电机指令序列，发布给运动控制器，运动控制器就可以按部就班地控制机器人予以完成。2.4移动机器人的视觉系统设计方案机器人的视觉系统一般包括硬件与软件两个部分,前者是系统的基础,后者主要包括实现图像处理的基本算法以及一些实现人机交互的接口程序. 基于计算机视觉的移动机器人导航实验系统的硬件部分由计算机、摄像头、机器人地盘组成。软件分为两部分，即图像处理和机器人运动控制。基于视觉导航的原始输入图像是连续的数字视频图像。系统工作时，图像预处理模块首先对原始的输入图像进行缩小、边缘检测、等预处理。其次利用计算机计算并提取出对机器人有用的路径信息。最后，运动控制模块根据识别的路径信息，调用直行或转弯功能模块使机器人做相应的移动。图2-1 视觉系统流程图在本次设计中，采用的是用摄像头实时的采集图像信息，经过上位机的内部处理，通过单片机控制电机来实现运动要求。3视觉移动机器人方案的确定3.1电动机的确定从机器人是实际运动出发考虑，机器人的速度不能太快，否则会造成控制部分来不及处理和发送信号，电机不能及时做出反应，机器人在行进的过程中不能实现避障功能，碰撞到障碍物而损坏的情况。因此，机器人的移动速度定为V=0.5M/S. 按工作要求和条件，选用直流无刷电机，电压12V.3.1.1电动机功率的选择减速器输出轴的转速n=100rpm,驱动轮直径D=100mm,=0.523m/s (3-1)机器人的设计负重为30公斤，动摩擦因数为0.3，F=45N, T=2.25N/m，考虑到机器人会携带上位机等设备，所以取T=3N/m， (3-2) 传动装置的总传动比： (3-3) （式中分别为联轴器、滚动轴承、圆锥齿轮传动、圆柱齿轮传动和驱动轮的效率。）取，其中齿轮精度为8级。则：电动机所需功率： (3-4)所以取电动机功率为40W。3.1.2电动机转速的选择同一类型、功率相同的电动机有多种转速。如果选用转速高的电动机，其尺寸和重量小、价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。选用转速低的电动机则情况相反。因此，应综合考虑电动机及传动装置的尺寸、重量、价格，分析比较，选出合适的电动机转速。一般选用同步转速为1500r/min或1000r/min的电动机。本次设计选用的电动机转速为1500r/min，额定功率为40W根据设计要求电动机所需转矩和转速查手册. 表3.1 电机参数电动机型号额定功率W额定转速（r/min）总传动比FBL-60K03151RS40150015图3-1 电机外形尺寸3.2 圆锥圆柱减速器的设计机器通常由原动机、传动装置、和工作机等三部分组成。传动装置位于原动机和工作机之间，用来传递运动和动力，并可以改变转速、转矩的大小或运动形式，以适应工作机功能的要求。传动装置的设计对整台机器的性能、尺寸、重量和成本有很大的影响，因此应当合理的以定传动方案。3.2.1传动方案的选择本次机器人设计中，采用的减速器结构如下图所示：1-电动机 2-联轴器 3-减速器图3-2 传动方案示意图减速器为展开式圆锥圆柱齿轮的二级传动，轴承选用深沟球轴承，联轴器选用凸缘联轴器。传动装置总传动比= 15对于圆锥-圆柱齿轮减速器，为使大圆锥齿轮直径不致过大，高速级圆锥齿轮传动比可取，且，此处为减速器总传动比。因此有，；传动装置的运动和动力参数如下表：表1.1 设计参数电动机轴1轴2轴3轴工作轴转速（r/min）15001500500100100功率p（w）4038.837.335.835.4转矩T（N）0.2540.2470.7113.4153.389传动比i13 51效率10.9650.9650.9753.2.2传动零件的设计计算3.2.2.1圆锥齿轮传动的设计计算已知输入功率 (3-5)小齿轮的转速 ，大齿轮的转速;传动比i=3，有电动机驱动，工作寿命为2.410小时，平稳。1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1） 按传动方案，选用直齿圆锥齿轮传动，齿形制JB110-60,齿形角，齿顶高系数好h=1，顶隙系数c，不变位。（2） 机器人为一般机器，速度不高，故选用8级精度。（3） 材料选择，小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS,两者材料硬度相差40HBS。（4） 选小齿轮的齿数z，则大齿轮齿数为692按齿面接触疲劳强度设计 公式 (3-6) （1）确定公式内的各数值1）查的材料弹性影响系数。2）按齿面的硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限。3）计算应力循环次数 小齿轮：N (3-7) 大齿轮： (3-8)4）查的接触疲劳寿命系数5)计算接触疲劳许用应力 =0.93*600MPa=558MPa (3-9) =0.97*550MPa=533.5MPa (3-10)6)试选查得 (3-11)所以 (3-12)7) 8） （2）计算1）试算小齿轮的分度圆直径，带入中的较小值得 2）计算圆周速度 (3-13)3）计算载荷系数根据V=1.07m/s，8级精度，查得，所以 (3-14) 4)按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径： (3-15 )取直径为14mm 5）技术模数 mm (3-16)3.按齿根弯曲疲劳强度设计公式 (3-17) 确定公式内的各计算值1） 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限。2） 查得弯曲疲劳寿命系数，3) 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则， (3-18)4)载荷系数 K=2.315）节圆锥角 (3-19)6）当量齿数 (3-20)7）查取齿形系数 8）查取应力校正系数 9）计算大小齿轮的，并加以比较0.014540.01648大齿轮的数值大4 设计计算 综合分析考虑，取m=0.5mm，（1）几何尺寸计算 1）计算大端分度圆直径 2）计算节锥顶距 (3-21) 3）节圆锥角 4）大端齿顶圆直径 (3-22) 5)、齿宽 (3-23) 取3.2.2.2圆柱齿轮传动的设计计算设计参数 1、选定齿轮类型、精度等级、材料和齿数（1）二级变速装置选用直齿圆柱齿轮 （2）机器速度不高、选用8级精度（3）选材：小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS,两者材料硬度相差40HBS。（4）选小齿轮齿数z，大齿轮齿数z 2、按齿面接触强度设计 (3-24) (1)确定公式内的各项参数值 1)试选载荷系数2）转矩 (3-25)3)计算应力循环次数 (3-26) 4） 选取齿宽系数 5）查的材料的弹性影响系数Z 6）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限。7) 由图9-35查表的接触疲劳寿命系数K 8)计算接触疲劳许用应力 取安全系数 (3-27)（2）计算齿轮参数1) 求小齿轮分度圆直径,代入中较小的值 2) 圆周速度 (3-28) 3) 计算齿宽 (3-29)4) (3-30) (3-31) (3-32) 5) 计算载荷系数 根据v=0.32m/s,8级精度,由图9-31得动载荷系数 直齿轮,假设,由表9-8查得由表9-7查得使用系数 ,由表9-9查得,由表9-32查得 (3-33)6) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径, (3-34) 7) 计算模数m (3-35)3.按齿根抗弯强度设计 (3-36) (1) 确定公式内的各项参数数值 1) 查图得大小齿轮的疲劳极限：2) 查得抗弯疲劳寿命系数: ;3) 取抗弯疲劳安全系数， 所以 (3-37) 4) 计算载荷系数 (3-38) 5) 查的齿形系数 6) 查取应力校正系数 7)计算大,小齿轮的并加以比较 大齿轮的数值大(2)设计计算对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m略大于由齿根弯疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数m的大小取决于抗弯强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径有关,可取由抗弯强度算得的模数1.40,并就近圆为标准值,按接触强度算得的分度直径,由此可得 。4. 几何尺寸计算 1)计算分度圆直径 (3-39) 2)计算中心距 (3-40) 3)计算齿轮宽度 (3-41) 圆整,取3.2.2.3数据整理齿轮类型：1 直齿圆锥齿轮（齿形角，齿顶高系数好h=1，顶隙系数c，不变位）精度8级，小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS,两者材料硬度相差40HBS。大端分度圆直径： 节锥顶距 节圆锥角 大端齿顶圆直径 齿数 ， 模数 m=0.5 2.直齿圆柱齿轮 精度8级，小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮材料45钢（调质），硬度为240HBS,两者材料硬度相差40HBS。 分度圆直径 d 中心距 a=36mm 齿宽 b 齿数 小齿轮24，大齿轮120 模数 m=0.5mm3.2.2.4轴的设计轴是减速器的主要零件之一，轴的结构决定轴上零件的位置和有关尺寸。按弯扭合成强度条件初步计算轴的各段直径，轴计算载面的直径为 (3-42) 式中 轴计算载面上的弯矩，Nmm; 轴计算载面上的转矩，Nmm; 将转矩折合成当量弯矩的折算系数力 当所在计算载面轴段开有键槽时，由上式算得的直径应增大3%5%（开一个键槽）或7%10%（开两个键槽），然后圆整为标准直径。通过如果减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联接，则外伸段轴径与电动机轴径不得相差很大，否则难以选择合适的联轴器，也就是说，减速器输入轴轴端直径和电动机轴直径必须在所选取联轴器毂孔最大与最小直径允许范围内。为此，可取减速器输入轴轴端直径：mm (3-43) 式中减速器输入轴轴端直径，mm； 电动机轴直径，mm。减速器传动中心距为已知，可取减速器从动轴危险截面直径 式中减速器从动轴危险截面直径，mm；a该级传动的中心距，mm。确定轴的最小直径 选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3，取A,于是得3.11mm 4.35mm 7.35mm取，。 3.2.3减速箱轴承的确定将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件，叫滚动轴承（rolling bearing）。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。球轴承适于承受轻载荷，滚子轴承适于承受重载荷及冲击载荷。当滚动轴承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承；当滚动轴承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承或短圆柱滚子轴承；当滚动轴承受纯径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承及调心球或调心滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承及圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起，这在极高轴向载荷或特别要求有较大轴向刚性时尤为适宜。根据机器人的要求及经济实惠的原则，本次设计选择深沟球轴承和角接触球轴承3.2.4联轴器的选择 无弹性元件的挠性联轴器 这类联轴器因具有挠性，故可补偿两轴的相对位移。但因无弹性元件，故不能缓冲减振。常用的有以下几种： （1）凸缘联轴器 采用铰制孔用螺栓联接 ，并靠铰制孔(对应铰制孔螺栓) 螺栓来对中,依靠螺栓的抗剪切能力传递扭矩。 （2）十字滑块联轴器 十字滑块联轴器属于挠性联轴器；由两个端面上开有凹型槽的半联轴器和两面带有凸牙的中间盘组成。凸牙可在凹槽中滑动，可以补偿安装及运转时两轴间的相对位移。一般运用于转速n小于250r/min,轴的刚度较大，无剧烈冲击处。 （3）滑块联轴器 滑块联轴器是由两个带凹槽的半联轴器和一个方形滑块组成，滑块材料通常为夹布铰木制成。由于中间滑块的质量较小，具有弹性，可应用于较高的转速。结构简单、紧凑、适用于小功率、高转速而无剧烈冲击处。 （4）齿式联轴器 齿形联轴器由两个带有内齿及凸缘的外套和两个带有外齿的内套筒组成。依靠内外齿相啮合传递扭矩。齿轮的齿廓曲线为渐开线，啮合角为20。 这类联轴器能传递很大的转矩，并允许有较大的偏移量，安装精度要求不高，常用于重型机械中。有弹性元件的挠性联轴器这类联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振的能力。弹性元件所能储蓄的能量越多，则联轴器的缓冲能力愈强；弹性元件的弹性滞后性能与弹性变形时零件间的摩擦功愈大、则联轴器的减振能力愈好。这类联轴器目前应用很广，品种亦愈来愈多。常见的有以下几类：（1）弹性套柱销联轴器 这种联轴器的构造与凸缘联轴器相似，只是用套有弹性套的柱销代替了联接螺栓。因为通过蛹状常用耐油橡胶，以提高其弹性。半联轴器与轴的配合孔可做成圆柱形或圆锥形。（2）轮胎联轴器 轮胎联轴器用橡胶或橡胶织物制成轮胎状的弹性元件，两端用压板及螺钉分别压在两个半联轴器上。这种联轴器富有弹性，具有良好的消振能力，能有效地降低动载荷和补偿较大的轴向位移，而且绝缘性能好，运转时无噪声。缺点是径向尺寸较大；当转矩较大时，会因过大扭转变形而产生附加轴向载荷。为了便于装配，有时将轮胎开出径向切口，但这时承载能力要显著降低。（3）梅花形弹性联轴器 这种联轴器结构形式及工作原理与星形弹性联轴器相似，但半联轴器与轴配合的孔可做成圆柱形或圆锥形，并以梅花形弹性件取代星形弹性件。弹性件可根据使用要求选用不同硬度的聚氨酯橡胶、铸型尼龙等材料制造。工作温度范围为-35+80C，短时工作温度可达100C，传递的公称转矩为1625000Nm。在本次设计中，考虑到满足使用要求，从经济性上考虑，决定选用凸缘联轴器。4 视觉移动机器人控制系统设计4.1机器人电子元件的选型4.1.1单片机 PIC16F877单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器芯片和一些输入输出接口电路集成的一个芯片上的微控制器。中央处理器是单片机的核心，它包括运算器、控制器和寄存器3个主要部分。存储器按工作方式可分为、随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM可以随机地被CPU读写，断电后存储的内容消失；ROM种的信息只能读不能写。输入输出接口是单片机的重要组成部分。程序、数据以及外部的所有信息都是通过单片机的I/O端口读入单片机的。单片机计算的所有结果也都通过I/O输出到显示部分或者控制外部其他执行机构。PIC16F877芯片上集成有：（1）端口RA模块：是一个只有6条引脚的输入/输出可编程的端口。（2）端口RB模块：是一个具有8条引脚的输入/输出可编程的端口。（3）端口RC模块：是一个具有8条引脚的输入/输出可编程的端口。（4）端口RD模块：是一个具有8条引脚的输入/输出可编程的端口。（5）端口RE模块：是一个具有3条引脚的输入/输出可编程的端口。（6）定时器TMR0模块：是一个8位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用。（7）定时器TMR1模块：是一个16位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用，并且可以与捕捉/比较/脉宽调制CCP模块配合实现捕捉和比较功能。（8）定时器TMR2模块：是一个8位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用，并且可以与捕捉/比较/脉宽调制CCP模块配合实现捕捉和比较功能。（9）EEPROM数据存储模块：是2568的电可擦写的存储器，储存的内容掉电也不会丢失。（10）A/D转换器模块：具有8个输入通道和10位分辨率的模数转换器，用来将外部的各种模拟物理量变换为便于单片机内部处理的数字量。（11）捕捉/比较/脉宽调制CCP1和CCP2模块：PIC16F877片内包含两个几乎完全相同的CCP模块，与TMR1和TMR2配合可以实现输入捕捉、输出比较和卖出调制输出功能。输入捕捉功能可以用于测量信号周期、频率、脉冲等；输出比较功能可以用于生产宽度不同的正负方波脉冲信号，以驱动可控硅、续电器等；脉宽调制输出功能用来产生周期和脉冲可调的周期性方波信号，以驱动可驱动可控硅、步进电机等。（12）通用同步/异步发生器USART模块：用于实现二线式串行通信，可以定义为两种工作方式，即全双工异步方式和半双工同步方式。（13）主同步串行端口MSSP模块：具有SPI和IC两种工作模式，用来与具有SPI和IC串行端口的外接器件或者其他单片机进行通信。（14）并行从动端口PSP模块：可以用来与其他具有开放总线的单片机、数字信号处理器或微处理器的并行数据连接，进行高速的数据传输和交换。引脚的基本功能