毕业设计（论文）-送水机器人系统设计

编号： 毕业设计说明书题 目： 送水机器人系统设计 学 院： 机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 高级实验师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2012 年 5 月 25 日全套图纸加3012250582摘 要在人类文明高度发达的今天，随着机器人技术的迅速发展和人们生活水平的提高，越来越多的机器人已经开始逐渐进入人们的家居生活中，这些机器人称为家庭服务机器人，它们可以完成一些简单的家庭工作并监测家居环境，甚至还可以照顾生活上不能自理的病人。本设计主要对家庭服务的送水机器人的机械方案、电路设计、程序编写部分展开研究，使用三维软件对送水机器人的运动底盘和夹持机构进行实体建模、整体装配和结构分析，从而使机器人更适用于家庭环境中。利用数控设备加工零部件，并装配出实际的机器人结构。通过了解目前家用机器人的应用现状，设计了机器人的控制电路，包括机器人移动、驱动伺服电机、夹持机构的驱动电路。提出和完成了以ATmega16为核心处理器的环境信息分析和机器人自动巡线移动的程序设计。系统总体方案还包括饮水机的位置检测和执行机构的动作控制，从而实现自动完成送水任务。关键词：家用机器人；ATmega16；自动巡线AbstractIn todays highly developed human civilization, with the rapid development of robot technology and peoples living standards improve, more and more robots have begun to gradually enter the home life of the people, these robots known as the home service robot, they can complete some simple family, and to monitor the home environment, and can even take care of life can not take care of patients.This design is written on the program of Family Service of water to the robots mechanical, circuit design, program part of the study, the use of 3D solid modeling, the overall assembly and structural analysis software on the water to the robot chassis and the clamping mechanism, so that robot is more suitable for the home environment. Utilization of numerical control equipment processing parts, and assemble the robot structure. By understanding the application status of the household robot design robot control circuit, including the robot to move and drive the servo motor, the drive circuit of the holding mechanism. Proposed and completed the programming of the core processor ATmega16 for environmental analysis and robot automatically patrol the line moving. Overall scheme also includes a position detection and control of the action of the executive body of the drinking fountains and bottled water task in order to achieve auto-complete.Keywords: Domestic Robot; the ATmega16; automatic line inspection目 录 引言11 家用机器人介绍21.1 美国家用机器人21.2 日本家用机器人41.3 国内家用机器人52 机械系统的结构设计72.1 履带底盘72.1.1同步带驱动原理72.1.2同步带和同步带轮的选择和设计72.1.3主动轮的结构设计82.1.4固定电机的零件设计82.1.5支撑从动轮的零件设计92.1.6从动轮轴的结构设计92.2 轴承滑块升降机构102.2.1设计理念102.2.2升降机构的实现102.3 夹持机构112.3.1夹持手指的设计112.3.2夹持动作的实现113 机械结构的加工和装配工艺113.1 固定电机的零件的加工工艺113.2 从动轮轴的加工工艺133.3夹持手指的加工工艺133.4机器人的装配工艺133.4.1同步带的安装方法133.4.2底盘的装配工艺133.4.3升降机构的装配工艺143.4.4夹持机构的装配工艺153.5 送水机器人的三维模型164 机械系统的力学分析174.1 电机的选择和参数计算174.1.1电机的性能和型号174.1.2电机参数174.2同步带传动的设计计算184.2.1确定传动比184.2.2选择同步带的节距184.2.3计算带轮直径184.2.4选定中心距184.2.5计算带轮包角184.2.6确定同步带长和带宽184.2.7验算线速度184.3 从动轮联接轴的设计计算194.3.1选择轴的材料194.3.2初步确定轴的直径194.3.3轴的强度校核194.4 从动轮支撑轴承的设计计算204.4.1轴承的选用204.4.2轴承的校核计算204.5 螺钉联接的设计计算214.5.1螺钉联接的结构设计214.5.2螺钉的受力分析214.5.3确定螺钉直径225 电路系统的设计235.1 电路系统总体设计图235.2 信号检测235.2.1光电传感器介绍235.2.2光敏二极管原理245.2.3光电传感器的布局245.2.4传感器电路设计255.3 电机驱动电路255.3.1直流电机驱动原理255.3.2电磁继电器电路设计265.4 电源模块275.4.1单片机独立电源设计275.4.2光耦和器电源设计275.4.3直流电机驱动电源设计285.5 单片机最小系统295.5.1 ATmega16单片机介绍295.5.2最小系统板的设计296 控制系统的设计316.1 控制系统程序流程图316.2 行星减速电机驱动控制326.2.1 PWM基本原理326.2.2速度控制的实现326.3 行程开关的应用337 结论34谢 辞35参考文献36附 录37 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第1页 共43页 引言机器人技术是一种是以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。经过半个多世纪的发展，机器人技术在工业生产领域得到了广泛的应用，极大地提升了生产品质并成功解放了劳动力资源。作为高技术领域中重要的前沿技术之一，机器人技术具有前瞻性、先导性的特点，对学术研究、产业升级、培养创新意识、保障国家安全、引领未来经济社会的发展有着十分重要的作用。目前，相关领域的技术突破，从根本上为提升机器人技术的学术研究提供了必要的支持，为机器人的应用范围拓宽了道路，已涵盖国防、航空航天、工业生产、服务、老人康复、教育甚至普通家庭生活，一场新的机器人技术研究高潮和发展契机也已到来。随着当今计算机技术、电气自动化技术（包括新型的传感器技术）、精密机械技术的高速发展，使得建立在这些基础技术上的机器人技术在军事、教育、娱乐、家用等领域得到了高速的发展。科学家确信，机器人会进入人们的日常生活，并彻底改变人们的生活，并将朝着更有趣、更多能的智能化方向发展。家用机器人作为为人类服务的特种机器人，结合了机器人技术与信息技术、辅助技术、护理技术和康复医学等学科,主要从事家庭服务，维护、保养、修理、运输、清洗、监护等工作。在机器人技术日益完善和人们生活水平不断提高的今天，家用机器人走进千家万户服务人类的日子已经到来，特别是对于老年人和残疾人，家用服务机器人显得异常重要。目前家用机器人的种类主要有清洁机器人、娱乐机器人、教育机器人和厨师机器人等。家用人机器人的三大核心技术是移动技术、操纵处理物品的技术和识别信息化技术，对于这些核心技术的研究仍然不够深入，致使家用机器人的发展还有很多技术上的障碍。但是，随着技术的发展和数字产品的价格下降，家用机器人必将成为未来数字家庭的主导。1 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第50页 共46页 1 家用机器人介绍1.1 美国家用机器人美国对于机器人的研究比较注重于实际应用和军事应用，在家用机器人方面也同样处于领先地位。其中最出名的有世界上第一台智能清洁机器人roomba（图1-1），世界上首位“家庭家庭主妇”Valerie（图1-2），世界上第一台可编程家用机器人Luna（图1-3）。Roomba 使用先进的 iAdapt(TM)技术，这是一个由软件和感应器组成的专利系统。iAdapt(TM) 让 Roomba 可以主动对清扫环境进行监测，每秒钟思考次数超过 60 次，并且能够以 40 种不同的动作进行反应，以便彻底清扫房间。Roomba具有世界上独一无二的三段式清扫技术，它可以同一时间开展三个部位的工作，以获得最佳清洁效果。Roomba 可以提供16种语言的故障排除提示（英语、法语、德语、西班牙语、意大利语、荷兰语、丹麦语、瑞典语、挪威语、芬兰语、波兰语、俄罗斯语、葡萄牙语、日语、韩语和中文）。图1-1 RoombaValerie拥有由硅树脂和塑胶做成的皮肤、微卷的披肩秀发、说话时一张一合的红唇、内置摄像机的顾盼生情的眸子、自然优雅的举动。她体内的加速仪、回转仪、负荷传感器(每条腿上有30个传感器)将协助她行走，双手的自由度数为40，其全身自由度数为111。她能记住每天要做的所有家务事，并且有条不紊地做好它：整理房间、擦洗桌椅、开关灯具、清洗衣物、收集并整理零散物品(但她能搬动的物品不能超过22.6公斤)、洗锅抹灶等。Valerie拥有一个因特网接口，这可使她能够在网上为她的主人购买机票、搜索主人喜欢的有关足球队及各类赛事的信息。这位机器人家庭主妇还能够在危机情况下呼叫警察或火警。更令人难以置信的是，她还能够无需任何人协助地穿衣和脱衣。唯一的遗憾是，目前Valerie还只能用双腿靠着椅子站着。图1-2 Valerie“Luna”由一家名为RoboDynamics的公司研制的。它的设计定位是一款家用机器人，完全可编程，以方便让人们在家庭日常生活中使用它。机器人内部安装了一台电脑，加上一款图形卡。Luna机器人首次做到了其他机器人从未做到过的事情，那就是让一款可编程的通用机器人走进寻常百姓家，允许开发商通过开发并销售相关软件来实现这款家用机器人的持续功能升级。Luna 机器人是世界上第一台个人机器人，她可以帮你遛遛狗、端茶倒水。这台机器人基于标准PC 架构和Linux 操作系统，拥有WiFi、8英寸触摸显示屏、两个摄像头、阵列麦克风（三个）、扬声器和扩展端口，甚至还有应用程序商店。RoboDynamics公司的首席执行官弗雷德尼戈哈尔(Fred Nikgohar)希望这款机器人能拥有像智能手机对移动计算带来的冲击一样，设计精良，开源，并且价格低廉的个人机器人来开启一扇创新之门。 图1-3 Luna1.2 日本家用机器人日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，在仿人机器人领域拥有不可动摇的领先地位。世界上第一台双足行走机器人Wabot一号产生后，日本更是不遗余力地加紧研究仿人机器人，其中最出名的有：ASIMO（图1-4）、QRIO（图1-5）和HRP-4C（图1-6）。“阿西莫”（ASIMO）机器人（2000年10月31日诞生），由日本本田技研工业公司研制。该机器人身高130厘米，体重54公斤，能自如地走动、跳舞、甚至是爬楼梯。一切都可以通过一部手机操控。“阿西莫”的全身各部位具有极高的平衡性和协调性，能够随着音乐翩翩起舞。而推车前进、搬运托盘更是“阿西莫”在利用工具与人协调方面让其他机器人望尘莫及的拿手好戏。此外，“阿西莫”拥有的声音识别、姿势和动作识别、面部功能识别等强大功能让它能够与人类进行很好的信息交流。“阿西莫”最爱跳舞，身段比真人跳的机械舞更柔软，阿西莫能以每小时6公里的速度奔跑，也能把饮料平稳而准确的放在桌上。“阿西莫”还可使用PC连线访问互联网，为您检索诸如气象报告和新闻之类的信息。图1-4 阿西莫机器人QRIO是2002年3月19日诞生的小型双足娱乐型机器人，身高58厘米，体重7公斤。由于安装了多种传感系统、基于记忆和学习的行为控制软件以及灵活的机械行走装置，QRIO可以与人类进行更丰富的交流。QRIO可以通过传感器判断地面类型，并相应地调整步行姿态，可以适应各种路面，凹凸不平的地板、沙滩、台阶、斜坡都畅通无阻。灵活地重心调整让QRIO几乎成了不倒翁，在行走过程中，如果突然遇到阻力（比如你用手去推它），QRIO渐渐停止步伐，甚至后退，以防止摔倒。在Sony的演示录像中，它还能在一块晃动的模拟冲浪板上保持平衡，就像运动员一样。为了提高对路线的辨识能力，QRIO由两个CCD彩色摄像头提供视觉，让它可以立体地观察场景，并判断自身与目标间的距离，确定最优的路线。图1-5 QRIO 机器人2009年7月22日，在日本大阪类人机器人HRP-4C身穿由著名婚纱设计师为其量身定做的婚纱亮相。“HRP-4C”机器人身高接近1.58米，重约43公斤，它的身高和体重同日本普通女性基本不差上下,可以做出喜、怒、哀、乐和惊讶的表情。据了解，机器人“HRP-4C”全身共有30个马达来控制肢体移动,因此它能够缓慢行走。与其它五花八门的机器人相比，她最大的特色就是应用了两项全新研发的拟人技术。一是发声系统，研究者们给她加上了一个相当不错的语音合成功能“VocalListener”，使用电脑终端操作合成歌声，就如同完全复制了一个人的声音。为了使机器人的面部表情更为自然贴切，研究者采用了另一项名为“Vocawatcher”的技术，可以对歌手的演唱会视频进行分析，进而呈现出最为相似最自然的表情。图1-6 HRP-4C机器人1.3 国内家用机器人我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。我国研究家用机器人的机构主要有中科院沈阳自动化所和上海电气中央研究院。中国比较出名的家用服务机器人有：“福娃”机器人（图1-7）和2010年上海世博会展示的家用机器人（图1-8）。由中国科学院自动化研究所研制开发的“智能福娃机器人组”（北京欢迎你：贝贝、晶晶、欢欢、迎迎、妮妮）运用了多项创新、自主的高科技成果，具有人机互动、机器人之间互动、集体歌舞表演、奥运信息发布、手机短信控制等功能，有很强的展示、娱乐和实用功能，是北京奥运的创新，也是奥运史上“智能奥运吉祥物”的首创。奥运会期间，“福娃”机器人将迎送奥运大家庭成员和国内外宾客。据介绍，“福娃”机器人可以承担机场候机楼出港入港、行李提取、问讯服务等多种环境和条件下的引导服务，不仅具有全方位视觉处理判断能力，而且还能够进行双向语音信息的交互传输。图1-7 “福娃”机器人组2010年上海世博会上展示的家用机器人有家用监控机器人、家用护理机器人、家用教育机器人、家用娱乐机器人、家用烹饪机器人和家用送菜机器人等，其功能各有侧重，又相互补充。其主要功能包括：安保巡逻、环境监控、运送食物、药品等物品、辅助餐饮、洗漱和搬运患者等高负载操作、以及吸尘、割草、辅助儿童学习、健康监测、信息提示等。这些家用机器人在上海世博会期间正式在“沪上生态家”展馆亮相，向国内外公众呈现出“机器人让未来生活更美好”的新模式和新概念。 图1-8 上海世博会上的家用机器人2 机械系统的结构设计2.1 履带底盘2.1.1同步带驱动原理同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 传输龙同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达1:10。允许线速度可达50M/S，传递功率从几瓦到几百千瓦。传动效率高，一般可达98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。同步带驱动可以相当于履带驱动，机器人可以围绕底盘中心点旋转，旋转速度快，定位精度高，运动平稳。2.1.2同步带和同步带轮的选择和设计圆弧齿同步带轮是因为其齿形具有圆弧的特点，区别于梯型齿同步带轮和T型同步带轮的方形齿，圆弧齿同步带轮，能够满足大功率的传动，其传动功率比梯型齿和T型齿的大3-5倍。同步带实体和同步带轮分别如图2-1和2-2所示。图2-1 同步带实体图2-2 同步带轮2.1.3主动轮的结构设计由于电机的输出轴可以承受较大的载荷，所以可以采用电机输出轴直接连接到同步带轮上，电机固定和同步带轮的实物安装如图2-3所示。图2-3 电机固定和同步带轮的实物安装2.1.4固定电机的零件设计电机的固定主要固定点在电机输出轴的端面上，此端面有四个环形分布的螺纹孔，可以采用螺纹联接进行固定，为了保护电机和减少电机受到的外力，可以增加一些辅助固定零件。固定电机的零件设计图如图2-4所示。图24 固定电机的零件2.1.5支撑从动轮的零件设计从动轮的主要作用是支撑底盘结构，使底盘保持与地面的接触，提供前进的牵引力。为了减少摩擦力，使用深沟球轴使滑动摩擦变为滚动摩擦。从动轮支撑块的三维模型如图2-5所示。图2-5 从动轮支撑块的三维模型2.1.6从动轮轴的结构设计 根据轴上零件的数量、工作情况及装配方案，画出阶梯结构设计草图。由轴最细部分的直径递推各段轴直径，相邻两段轴直径之差通常可取为510。各段轴的长度由轴上各零件的宽度及装配空间确定。设计的从动轮轴模型如图2-6所示。图2-6 从动轮轴2.2 轴承滑块升降机构2.2.1设计理念传统的升降机构是从水平伸缩机构中演变而来的，包括链条传动机构、齿轮齿条传动机构和滑动摩擦机构，这些升降机构精度要求高、体积笨重，不适合用于小型轻量化的机器人设计。如果使用滚动摩擦则需要很小的驱动力就可以实现机构的运动。由于采用的固定杆为商业上使用的小型方形铝材，只要把轴承固定在移动件上，使轴承在固定杆上滚动，就可以轻松地实现机构的升降。轴承固定块的设计如图2-7所示。图2-7 轴承固定块 2.2.2升降机构的实现为了使移动部件在运动保持平稳流畅，需要轴承在固定杆的四个面保持接触，这样可以避免移动部件的震动。由于需要的驱动力很小，可以利用细绳和滑轮直接拉升移动部件，下降时利用机构自身的重力就可以实现了。2.3 夹持机构2.3.1夹持手指的设计作为工业机器人的重要部分，夹持机构有夹钳式、钩托式和弹簧式的形式，其中夹钳式是最常见的。夹钳式主要由手指、传动机构、驱动装置和支架组成。但是作为家用机器人，人们还是希望机器人可以拥有向人类一样灵活的手指。实际上，类人机械手只有在少数顶端的机器人身上才会出现。大部分机器人还是采用拥有多自由度的机械手。在本设计中采用不完全齿轮传动的夹钳式夹持机构可以实现对水杯的夹取和放置。夹持手指如图2-8所示。图2-8 夹持手指2.3.2夹持动作的实现在夹持机构松开的过程中需要保持一定的时间的，夹取杯子时需要保证一定的距离，也就是要求夹持机构能够保持自我平衡状态，使用蜗轮蜗杆减速机可以使机构具有自锁功能，并且能保证一定的精度。装配夹持机构时，两个夹持手指的不完全齿轮的中心距等于齿轮分度圆的直径。根据饮水机的使用特性，把水龙头的开关向上抬起或者向下挤压都可以使水顺利流出，经过试验发现向上抬起开关比较适合，所以当机器人的夹持机构处于饮水机出水口下方的同时，利用其他机构把开关向上抬起，经过一段时间，水杯里注入了所需要的水。因此，机器人取水的机械机构就集中在夹持机构中。3 机械结构的加工和装配工艺3.1 固定电机的零件的加工工艺使用小型数控铣床加工的零件有固定电机的零件、支撑从动轮的零件、轴承滑块，对这些零件的通孔的定位，也采取数控铣床加工定位孔，主要是保证孔的位置精度，之后可以用普通的小型钻床加工通孔，精度基本可以达到要求。固定电机的零件的加工工艺步骤如下：（1）零件毛坯为90mm45mm8mm的铝块，去毛刺，平行度和直线度都达到加工要求。（2）选择小型数控铣床，利用平口虎钳定位夹紧毛坯，调整好虎钳的水平度，误差范围在0.025mm。先用直径12mm的两刃平底铣刀粗加工铣轮廓，后在用直径4mm的四刃平底铣刀精加工。最后，用直径4mm的铣刀定位好上表面的4个孔。（3）选择小型钻床，用高度尺画出尺寸，打定位孔，保证通孔的位置精度。小型数控铣床加工固定电机的零件的程序如下： G90G54G0X0Y7Z50； （G90绝对坐标编程，G54工件坐标点，直径12mm刀具快速定位）M3S1200； （主轴正转，转速1200r/min）Z-4； （G0快速下深4mm）G41G1X-13Y0D1F100； （建立左刀补，D1=6.2mm,单边留有0.2mm的余量给精加工）Y-52；X13；Y2； （铣宽度26mm的槽）G40G1X0Y7； （取消刀补）G0Z-9； （快速下刀深5mm）G41G1X-13Y0D1F100； （建立左刀补，D1=6.2mm）Y-52；X13；Y2； （铣宽度26mm的槽）G40G1X0Y7； （取消刀补）G0Z10； （快速提刀）X0Y-73； （快速定位下刀点）Z2；G1Z-5F100； （铣深5mm）G41G1X17.75Y-73D1F150； （建立左刀补，D1=6.2mm）G3X17.75Y-73I-17.75J0； （铣圆直径35.5mm）G40G1X0Y-73； （取消刀补）G1Z-9F100； （铣深4mm）G41G1X10.5Y-73D1F150； （建立左刀补，D1=6.2mm）G3X10.5Y-73I-10.5J0； （铣圆直径21mm）G40G1X0Y-73； （取消刀补）G0Z50； （快速提刀）M5； （主轴停转）M30 （主程序结束）%3.2 从动轮轴的加工工艺从动轮轴为回转体，采用的加工设备为小型普通车床，加工时要留出精加工余量，精加工时的进给量为0.1mm比较合适。加工工艺步骤如下：（1）选择直径12mm的毛坯铝材棒料。（2）车直径为10mm的阶梯轴，精度要求为-0.03mm到-0.07mm,长度为43mm，并加工半径为1mm的倒角。（3）重新装夹零件，车直径为10mm的阶梯轴，精度要求为-0.03mm到-0.07mm,长度为7mm，并加工半径为1mm的倒角。（4）在距离长度为43mm的阶梯轴的端点的5.5mm处，用高度尺画线，并沿直径方向打定位孔。（5）用小型钻床加工出直径为4.5mm的通孔。（6）用丝锥攻出M5的内螺纹孔。3.3夹持手指的加工工艺夹持手指即夹持机构的末端，直接接触水杯，有模数大小不同的半齿轮，采用普通加工方法不能满足尺寸和精度要求，所以采用数控电火花线切割设备进行加工。电火花线切割的基本原理是利用移动的细金属导线（钼丝、铜丝或钨丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形。加工时先确定穿丝孔、起切点，然后根据零件的外形来确定走丝路线，利用零件的轮廓自动编写程序。夹紧零件之后可以进行加工，由于电火花线切割的切削余量很小，所以加工过程需要的时间很长。但是精度比较高，零件加工完成后可以直接使用。利用电火花线切割加工出零件的轮廓后，还需要打一个直径5mm和两个直径3mm的通孔。右夹子还需要在厚度的一面打一个直径3.5mm深度3mm的孔，然后用丝锥攻出一个M4 的螺纹孔，起固定电机轴的作用。3.4机器人的装配工艺3.4.1同步带的安装方法 对于固定中心距的传动，应先拆下带轮，把带子装到带轮上后再把带轮装到轴上固定。向带轮上装同步带时，切记不要用力过猛，或用螺丝刀硬撬同步带，以防止同步带中的抗拉层产生外观觉察不到的折断现象。支撑带轮的机架，必须有足够的刚度，否则带轮在运转时就会造成两轴线的不平行。3.4.2底盘的装配工艺装配底盘时先把电机固定在铝块上，再把固定电机的两块铝块固定在方铝上，然后安装从动轮的支承轴和轴承，最后把主动轮和从动轮固定在轴上，这样就把整个底盘的框架装配好了。由于底盘设计的特殊性，直接把同步带套在主动轮上，然后旋转主动轮，同步带就自动安装好了。底盘的三维装配图如图3-1所示。图3-1 底盘的三维装配图3.4.3升降机构的装配工艺升降机构的装配主要是保证轴承滑块能很轻松地上下滑动，减少驱动电机的扭矩，可以通过调节螺母的松紧程度来调节轴承与固定杆之间的压力的大小，从而使摩擦力的大小适合，夹持机构又不至于有产生大的晃动。（1）把两根竖着的固定杆固定在底盘上，可以使用螺栓连接或者用胶水黏住。（2）把轴承滑块装配好，使其和固定杆配合，调节螺母的松紧程度。 （3）把最高的横杆安装在固定杆上，并安装滑轮、伺服驱动电机和绕线轮。（4）安装尼龙绳，一端固定在轴承滑块的中央，另一端固定在绕线轮上。（5）在固定杆上安装限位螺栓，使轴承滑块静止在一定的高度，即夹持机构的初始高度。升降机构的装配图如图3-2和3-3所示。 图3-2 轴承滑块的三维装配图 图3-3 升降机构3.4.4夹持机构的装配工艺夹持机构的装配比较简单，主要是要保证夹持手指的装配精度，夹子的张开和夹紧阻力不能太大，间隙也要控制在合理的范围内。（1）把夹持手指安装到支撑板上。（2）把涡轮蜗杆电机固定到支撑板上，从侧面安装固定电机轴的紧固螺栓。（3）把支撑块和顶起挡板安装到机械手臂上。（4）把手臂安装到轴承滑块上。夹持机构的整体装配图如图3-4所示。图3-4 夹持机构的整体装配图3.5 送水机器人的三维模型送水机器人的三维模型如图3-5所示。 图3-5 送水机器人4 机械系统的力学分析4.1 电机的选择和参数计算4.1.1电机的性能和型号伺服行星减速机拥有高性价比、应用广泛、经济实用、寿命长等优点，在伺服控制的应用上，发挥了良好的伺服刚性效应，准确的定位控制，在运转平台上具备了中低背隙、高效率、高输入转速、高输入扭矩、运转平顺、低噪音等特性，使用终身免更换的润滑油及无论安装在何处都可以免维修操作的全封闭式设计，并且具有IP65的保护程度，因此工作环境差时亦可使用。行星减速电机其扭矩计算公式为：扭矩=9550电机功率电机输入转速速度比使用系数。选择的电机型号为P36H+SYK36行星减速电机，电机尺寸如图4-1所示。图4-1 电机尺寸4.1.2电机参数转速：0-170rpm；输出力矩：连续：1.5-30Nm，瞬时：2-40Nm；24V电压时电流：空载：0.1A，最大：6.07A重量：325g额定功率 （4-1）4.2同步带传动的设计计算4.2.1确定传动比 （4-2）、分别为大小带轮的齿数4.2.2选择同步带的节距为了确定同步带的强度，选择了型号为5M的特殊同步带，厚度加厚，表面有突起的橡胶毛刺，增强表面的摩擦力。4.2.3计算带轮直径 （4-3）4.2.4选定中心距选定中心距C=480mm。4.2.5计算带轮包角 （4-4）4.2.6确定同步带长和带宽根据实际要求，选择带长L=1275mm，带宽W=30mm。4.2.7验算线速度 （4-5）可以满足送水机器人的运行速度要求。4.3 从动轮联接轴的设计计算4.3.1选择轴的材料 机器人的重量要求轻便，通常选择铝材作为零件材料。铝材由铝和其它合金元素制造的制品。通常是先加工成铸造品、锻造品以及箔、板、带、管、棒、型材等后，再经冷弯、锯切、钻孔、拼装、上色等工序而制成。主要金属元素是铝，在加上一些合金元素，提高铝材的性能，工艺性能好，刚度强度也能满足要求。4.3.2初步确定轴的直径最大直径D为12mm,最小直径d为10mm 。4.3.3轴的强度校核 首先对轴上传动零件进行受力分析，画出轴弯矩图和扭矩图，判断危险截面，然后对轴的危险截面进行强度校核。当校核不合格时，还要改变危险截面尺寸，进而修改轴的结构，直至校核合格为止。因此，轴的设计过程是反复、交叉进行的。扭转强度条件为 （4-6）弯扭合成强度条件为 （4-7）因为扭转切应力为脉动循环变应力，所以取。当量直径 （4-8）扭转刚度校核 （4-9）T轴所受的扭矩G铝材的剪切弹性模量轴截面的极惯性矩经过设计校核和实践验证，证明所设计的联接轴在使用中可以符合设计要求。4.4 从动轮支撑轴承的设计计算4.4.1轴承的选用 选用的轴承是深沟球轴承60000-2Z型_61900-Z，质量m=0.01Kg,轴承径向基本额定动载荷为，径向基本额定静载荷为，径向疲劳极限载荷为，极限转速。4.4.2轴承的校核计算(1) 求比值 （4-10）深沟球轴承的最大e值为0.44，所以(2) 求相对轴向载荷 （4-11）介于0.040.07之间，对应的e值为0.240.27，Y值1.81.6(3) 用线性插值法求Y值 （4-12）(4) 计算当量动载荷 （4-13）其中取，X=0.56。 (5 )验算61900轴承的寿命 （4-14）经过验算，所选用的轴承完全满足设计要求。4.5 螺钉联接的设计计算4.5.1螺钉联接的结构设计底盘的螺钉联接图如图4-2所示，螺钉组主要承受横向载荷，故按受横向载荷的螺钉组连接的设计进行计算。图4-2 底盘的螺钉联接螺钉的型号为H型GB/T8182000 M4x40,螺距P=0.7mm,性能等级为4.8,抗拉强度极限，屈服极限。4.5.2螺钉的受力分析螺钉组所受的横向总载荷为 （4-15）每个螺钉所受的横向工作剪切力为 （4-16）预紧力为 （4-17）为接合面的摩擦系数，为接合面数，为防滑系数，=1.11.3，取=1.2。4.5.3确定螺钉直径许用切用力为 （4-18） （4-19）由于选用的螺钉直径为4mm，所以满足设计要求。5 电路系统的设计5.1 电路系统总体设计图电路系统总体设计图如图5-1所示。中央处理器Atmega16最小系统PWM信号输出输入捕捉信号检测直流电机驱动电磁铁开关电路电源稳压电路红外传感器检测电路5V稳压电源12V稳压电源单片机独立稳压电源外部中断检测图5-1 电路系统总体设计图5.2 信号检测5.2.1光电传感器介绍光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。其核心部件是光电器件，它是将光能转换为电能的一种传感器件。光电器件的理论基础是光电效应，即金属、半导体等材料在光照下释放出电子的现象。14 5.2.2光敏二极管原理光敏二极管的外型与一般二极管一样，它装在带有透明窗口的外壳中，其PN结可以直接受到光的照射，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联。当无光照时，PN结反向截止，回路中电流很小，此电流称为暗电流；当有光照时，产生光电效应，形成电荷，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子定向运动，形成较大的电流，称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是得到随光照强度变化而变化的电信号。145.2.3光电传感器的布局反射式光电传感器最常见的布局是一字型布局。一字型布局中传感器的间隔有均匀分布和非均匀分布两种方式，均匀分布不利于弯道信息的精确采集，通常采取的是非均匀分布。由于机器人运动速度比较慢，环境稳定，光电传感器可以采集到准确的地面信息，使机器人有足够的时间做出调整，实现自动巡线功能。光电传感器的布局如图5-2所示。图5-2 光电传感器的布局机器人的运动场地为喷有绿色油漆的木地板，地面上贴有宽度为3厘米的白色引导线，线与线之间的距离为50厘米，形成边长为50厘米的方格轨迹图阵。机器人履带底盘拥有对称式的机械结构，在底盘的前后中轴线上各安装一块光电信号采集电路板，机器人运动时白色引导线在机器人的中心轴线下，正中间的光电传感器正对着白色引导线，可以达到理想的巡线结果。5.2.4传感器电路设计轨迹检测的原理是：不同颜色的物体的反光度不同，而反射式光电传感器的输出电流和地面的反射率之间有对应关系，通过电流电压变换（即让此光电流流过一个电阻，就会在电阻两端产生压降）后就可以采集信息了。轨迹检测电路要利用比较器将模拟信号转化为数字信号并送入单片机进行处理。当小车偏离引导线时使一边的光传感器截至或者导通，使其输出高电平或者低电平，单片机检测到这个变化就会使另一边的电机减速，使小车重新回到引导线上。这种控制方法会使小车在寻迹过程中产生左右摆动，由于履带底盘的机构特性使其机械振动能维持在一定范围内，在低速情况下机器人做出的调整动作基本不会造成大的震动。传感器电路原理图如图5-3所示：图5-3 单对红外传感器电路图当小车在白色地面行驶时，装在底盘下的高亮发光二极管发出光信号，经白色引导线反射后，被光敏二极管接收，一旦接收管接收到信号，那么图中接收管将导通，比较器输出为高电平；否则，比较器则输出低电平，从而实现了通过可见光检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明小车行驶在白色地面上。5.3 电机驱动电路5.3.1直流电机驱动原理直流电机主要由磁极、电枢和换向器组成。磁极是用来在电机中产生磁场的，电枢是电机中产生感应电动势的部分。换向器是直流电机的构造特征，在换向器的表面用弹簧压着固定的电枢，使转动的电枢绕组得以同外电路联接起来。驱动直流电机时，将直流电源接在两电刷之间而使电流通入电枢线圈，电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩即驱动转矩，它使电枢转动。驱动直流电机，只需要控制电源电压和电流方向就可以控制电机的转速和方向。蜗轮蜗杆减速机也可以使用这种驱动方法。5.3.2电磁继电器电路设计电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。根据直流电机的驱动特性和电磁继电器的开关特性，使用两个单独的电磁继电器可以驱动夹持机构的涡轮蜗杆电机，并且可以控制方向。由于涡轮蜗杆电机的额定电压是12V，所以选择额定电压为12V的继电器。继电器电路图如图5-4所示。图5-4 继电器电路图5.4 电源模块5.4.1单片机独立电源设计单片机输出的是数字信号，需要与模拟信号隔离，采用单独电源可以避免模拟信号对数字信号的干扰，实践证明如果单片机与电机驱动电路等模拟信号电路共用一个电源，单片机不能正常工作，使用单独电源可以完全解决这个问题。由于单片机的功率较小，额定工作电压为5V，对电路纹波抗干扰能力弱，所以采用集成电源稳压模块7805，额定输出电压为5V。7805电路图如图5-5所示。图5-5 7805电路图5.4.2光耦和器电源设计光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。本设计中采用的光耦为普通的双向可控硅光耦，额定电压为5V，由于光耦的数量比较多，需要的功率比较大，电路纹波大，所以采用高性能的集成电源稳压模块LM2576。LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576电路图如图5-6所示。图5-6 LM2576电路图5.4.3直流电机驱动电源设计驱动直流电机的电源电压为12V，并且需要比较大的功率，用一般的稳压模块已经不能满足要求。这里采用的是一种可以输出最大电流为5A的开关电源模块。所用的芯片为MB3759和场效应管K2018。开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出电压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制的方法，对开关电路进行控制。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向。开关电源PWM控制集成芯片采用型号为MB3759(FUJITSU公司)，采用固定频率的PWM控制方式，其MB3759芯片内部电路主要由高频振荡器、PWM比较器、基准电压源、误差电压放大器、驱动电路和封锁电路等组成。场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（108109）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。开关电源模块电路如图5-7所示。图5-7 开关电源模块电路5.5 单片机最小系统5.5.1 ATmega16单片机介绍ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。11 5.5.2最小系统板的设计本设计中ATmega16最小系统资源分配为：3路PWM、控制2个电磁继电器驱动蜗轮蜗杆电机、2个外部中断、1个输入捕捉和6个普通I/O口，还包括晶体振荡电路、手动复位电路和UESRT下载接口，电路图5-8如图所示。图5-8 Atmega16最小系统板电路6 控制系统的设计6.1 控制系统程序流程图开始程序初始化机器人移动偏离白线？检测到饮水机？机器人静止5秒钟机器人后退偏离白线？回到启动处？夹持机构上升30cm夹持机构下降检测到桌面？停止下降，张开夹子机器人后退调整方向调整方向机器人静止结束YNNNYYYYNN图6-1 控制系统程序流程图6.2 行星减速电机驱动控制6.2.1 PWM基本原理脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。其示意如图6-2所示。图6-2 PWM波形PWM输出的平均电压为： (5-1)其中，T为PWM周期，T1为高电平时间，T2为低电平时间， 叫做占空比。对于PWM来说占空比是一个重要参数。在电机控制的应用中，通过改变PWM的占空比，即高电平的导通时间，可以调节电机的速度。本文利用Atmega16定时器的快速PWM模式来输出PWM信号。使用PWM模式时，先设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期、接通时间和PWM输出的方向，然后启动定时器并使能PWM控制器。6.2.2速度控制的实现机器人速度控制根据有无反馈装置和反馈装置的位置，主要分为开环、半闭环和闭环控制三种方式。开环系统的主要优点是结构简单、价格便宜、容易维修，缺点是精度低、容易受环境变化的干扰影响。闭环系统输出的信号全部反馈回输入端，其优点是精度高、动态性能好、抗干扰能力强等。采用闭环电机调速系统可以很精确地控制机器人的运行速度和运行路程，从而提高机器人智能程度。由于送水机器人的驱动电机为带反馈装置的行星齿轮减速电机，配合使用专门的电机驱动模块，可以实现对电机的精确控制。采用的电机驱动模块为全数字多种控制接口直流伺服驱动器MLDS3810，它是西安铭朗电子科技有限公司在原MLDS3805的基础上研发的新款直流伺服驱动器，连续电流扩展到10A，峰值电流达20A，是一款多接口、高性能的数字式直流伺服驱动器，同时具备模拟信号、脉冲信号、 PWM 以及 RS232 控制接口，可以在计算机上进行