资源描述
黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章 绪 论1.1机器人的发展历史1920年，捷克作家K.凯比克在一科幻剧本中首次提出了ROBOT（汉语前译为“劳伯”）这个名词。现在已被人们作为机器人的专用名词。1950年美国作家I.阿西莫夫提出了机器人学（Robotics）这一概念，并提出了所谓的“机器人三原则”，即：（1）机器人不可伤人；（2）机器人必须服从人给与，但不和（1）矛盾的指令；（3）在与（1）、（2）原则不相矛盾的前提下，机器人可维护自身不受伤害。本世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了使用化阶段。1954年美国的G.C.Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可作点位和轨迹控制，这是世界上第一种用于工业生产上的机器人。70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展。1974年Cincinnati Milacron公司开发成功多关节机器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电动驱动、多CPU二级控制；采用VAL专用语言；可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是一种技术先进的工业机器人。现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in / Playback）型机器人。只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，但对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。这种机器人被称作第一代机器人。进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到广泛应用。第三代机器人是目前正在研究的“智能机器人”。它不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主地进行工作16。1.2 机器人的定义和基本组成1.2.1机器人的描述和定义自动机械，就是我们平日所说的“机器人”。要强调的一点是，要步入到机器人的殿堂并不是那么困难，机器人这个领域并不是那么高不可攀。我们可以不去理会其他人对机器人的注解，我们可以按照我们自己的喜好来理解：例如可以理解成“能实现一定的功能的机械设备”，也可以理解成“能在一定程度上代替人工的设备”等等。例如，我们可以认为汽车的雨刷，就是一只最简单的机械臂(其实它具备至少一个自由度)，等等。实际上，许多机器人的功能都不难做到，但因为它是“自动”机械，因为它是“机器人”，因此很少有人会想“我也可以做”。 机器人的外形并不都象人，它可以是任何合适的形状，也可以是任何需要的形状，例如很多移动机器人就被设计成小车的形状，还有些能钻进管道内进行检测的机器人，被设计成圆柱形，还有的潜水机器人被设计成潜艇的形状，等等。 机器人可以是全部自动的，也可以是全部由人来操纵的。例如大家都非常熟悉的避障小车、走迷宫的小车、足球机器人等，都是全自动没有人去干预其动作的。再如特警用来拆除炸弹的小车，虽然是由操纵人员在遥控操作，但也都叫机器人。 由于“机器人”这种叫法太过笼统，且容易让人误解，还有把机器人叫做智能机械的，但很多机器人并不具备任何智能，因此在本文中的机器人也可认为是“自动机械”，表示“具有一定自动能力的机械”。 世界上对自动机械研究和应用水平最高的是位于西太平洋上的一个岛国，他们的拥有量、使用时间、应用范围等记录都是全球最高的，目前国内也有许多设备是从他们那里进口的，普遍是些不够先进而又极为昂贵的，而且还没有足够的技术资料，还被用于关系国计民生的关键项目上，对国家和人民的安全极为不利。因此，大力发展我们自己的自动机械是非常必要的，也是非常迫切的，我们都应该为此来贡献自己的力量。 我国的自动机械起步比较晚，目前的整体水平与世界水平还有相当大的差距，设计能力、应用水平都急待提高，以降低国民劳动力强度，减少国民工作时的危险性，提高生产效率，增强我军的战斗力，并与我国的国际大国地位相衬。由于研究的侧重点不同，对于机器人的定义，国际上目前尚未有明确的统一标准。综合各种定义，可将机器人理解为：机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的环境和作业需要，它具有至少一项或多项拟人功能，另外还可能程度不同地具有某些环境感知能力（如视觉、力觉、触觉、接近觉等），以及语言功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在要求的环境中代替人进行作业。1.2.2机器人的基本组成机器人一般由以下部分组成：（1）机械本体机器人的机械本体机构基本上分为两大类：一类是操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，配上各种手爪与末端操作器后可进行各种抓取动作和操作作业，工业机器人主要采用这种结构。另一类为移动型本体结构，主要目的是实现移动功能，主要有轮式、履带式、足腿式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等机构。壁面爬行、水下推动等机构也可归于这一类。（2）驱动伺服单元机器人本体机械结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于闭环控制原理进行的。伺服控制器的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载超减少偏差的方向动作。已被广泛应用的驱动方式有，液压伺服驱动、电机伺服驱动，近年来气动伺服驱动技术也有一定进展。（3）计算机控制系统各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。通常的机器人采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制，有时为了实现智能控制，还需对包括视觉等各种传感器信号进行采集、处理并进行模式识别、问题求解、任务规划、判断决策等，这时空间的示教点将由另一台计算机上级计算机根据传感信号产生，形成三级计算机系统。（4）传感系统为了是机器人正常工作，必须与周围环境保持密切联系，除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外，还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器（称作外部传感器）以及传感信号的采集处理系统（5）输入/输出系统接口为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。工业机器人提供一内部PLC，它可以与外部设备相联，完成与外部设备间的逻辑与时实控制。一般还有一个以上的串行通讯接口，以完成磁盘数据存储、远程控制及离线编程、双机器人协调等工作。一些新型机器人还包括语音合成和识别技术以及多媒体系统，实现人机对话4。1.3国内外机器人的总体现状1.3.1国外机器人的总体现状美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追。1.3.2国内机器人的总体现状我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。国内因为整体科技水平、价格、通用性等因素，造成目前民用领域的自动机械几乎是空白，比如我们经常可以看到工人们挥汗如雨地搬运物件、冒着生命危险清洗高楼外墙，等等。然而，由于我国自动机械的设计技术劣势，以及经济状况的落后，加上整体科技素质不高，造成目前人们找不到能解决问题的机械设备可供采购，或者因为价格昂贵而无法使用，或者不会使用。因此若要提高我国民用领域的自动机械应用水平和规模，最迫切的就是设计生产出够用、便宜、易操作、美观的产品。比如把设备往现场一放，它就能自动把指定的东西搬到需要的地点；把设备玻璃幕墙上一贴，它就会自动把玻璃擦干净平时只需要更换它的清洁剂、清洁刷、对电池充电等操作这样一来，人们才更容易接受它，并且才有热情来使用它，从而才能迅速地提高我国的民用自动机械的应用水平和范围。1.4农业采摘机器人的基本现状1.4.1国外机器人的基本现状农业机器人作为机器人的一种类型，是精准农业、微电乓计算机和自动控制等技术在农业生产中应用的集中体现，是农业生产过程自动化、智能化的重要标志。果实收获是农业生产过程的重要环节，为提高劳动生产率和作业质量，降低劳动强度，改善工作环境，实现收获作业机械化、自动化和智能化，基于果实生物学特性与栽培方式的收获机械人得到了发展。目前，日本、美国、荷兰等国家已研制了多种收获机器人，主要用于收获番茄、黄瓜、草萄、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑橘、甘蓝等蔬菜和水果。本文设计了3.5自由度果实收获机械手，并对其具体机械结构建模及双目视觉定位系统进行了研究。从1983年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发己经历了近20年。日本和欧美等发达国家相继立项研究用于采摘苹果、柑桔、西红柿、葡萄等水果的智能机器人。到1997年底，国外开发的一系列果品蔬菜收摘机器人均研制出了样机26。 图1-1为日本的N Kondo等人研制的黄瓜采摘机器人，采用三菱MITSUBISHIRV E2六自由度工业机器人，利用CCD摄像机，根据黄瓜比其叶茎对红外光的反射率高的原理来识别黄瓜和叶茎。收获时，先把黄瓜抓住，用接触传感器找出柄，然后剪断。 图1-1 图1-2图1-2为韩国Kyungpook大学所研制的苹果采摘机器人，其机械手工作空间可以达到3m,具有4自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行器，内有压力传感器避免损伤苹果。利用CCD摄像机和光电传感器识别果实。日本Kyoto大学研制出一个5自由度液压驱动的机器人用于收获西瓜，它包括机器手、末端执行器、视觉传感器和行走装置，如图I-4。西瓜生长在地面上，因此机器手由5个旋转关节组成，它能保证机械手的工作空间(包含地面)。如图1-3，为日本Okayama大学研制的5自由度葡萄采摘机器人。此机器人应用于葡萄的培训系统。关节由DC伺服电机驱动。 图1-3 图1-41.4.2国内机器人的基本现状从国内农业机器人的发展和应用来看，我国农业机器人的研究处于起步阶段，研究和应用的农业机器人主要有中国农业大学的自动嫁接机器人，填补了我国自动嫁接技术的空白，还有吉林工业大学与吉林农业研究所研制的除草机器人和上海交通大学开发的草毒拣选机器人。我国采摘机器人技术的研究起步更是较晚，目前主要有浙江大学对番茄收获机器人有所研究，还有中国农业大学对草莓收获机械人在图像识别上有所研究。1.5农业采摘机器人的研究意义水果采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节，其季节性强、劳动量大且费用高。与此同时，采摘作业质量的好坏还直接影响到产品的后续加工和储存。如何以低成本获得高品质的产品是水果生产环节中必须重视和考虑的问题。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前国内水果采摘作业基本上都是手工进行。而21世纪，农业劳动力将逐渐向社会其它产业转移，世界各国面临着人口老化问题，劳动力不足将逐渐变为现实，随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样会大大降低产品的市场竞争力。更重要的是温室内环境舒适度较差，收获作业劳动强度大，研究农业机器人，特别是果实收获机器人具有重要意义。从经济方面分析，以番茄采收为例，手工采收3-5人每小时只能收获I吨果实，机械采收6-15人在收割机上工作，每小时可采收20-30吨。手工分级每组要10-20人，如果用电子颜色分级机，每组只需7个人。番茄能够采收的时期分为8种颜色期，果实收获机器人可以按照预定收获标准，根据果实的颜色进行多次采收，保证了同期采摘果实成熟的均匀度，同时提高了采收效率与产品产量和质量，节省劳力，提高工作速度，具有良好的经济效益。目前，国外番茄收获机械手处于研究阶段。普通大番茄机械手收获率为91%，采摘速度为4个/分，樱桃希茄机械手收获率为70%，采摘速度为1220个/分(Naoshi Kondo. 1998 )。机械手是番茄收获机器人的关键执行部件，其工作性能对机器人的收获率和收获速度具有重要的影响，同时为了减少工作过程中机械手对番茄植株和其他未采摘或未成熟果实的损伤，避障问题仍需进一步研究。因此移动式番茄收获机械手机械设计与性能优化研究对实现果实智能化收获具有重要意义。第2章 总体设计2.1 系统设计原则（1）经济效益高，设计、制造成本低廉，使用价值高是设计追寻的目标。在设计中应尽量多的采用标准件，以减少制造成本。同时保证产品的主要性能，尽量加长产品的服役期限，以达到更高的性价比与尽可能低的投入产出比。另外，还应该注意到，本机器人用于果实采摘这样的场合，机械手相比较焊接机器人等工业机器人其运转精度可以适当降低，这样一来就可以降低整机的制造成本。（2）安全可靠，本设计虽然作为果实采摘的机械执行，考虑到设备的执行部分存在有利刃计的剪切刀具，所以在设计中首先要采取相应的措施来把刀具对人的伤害降到最低。保证在刀具；另外，系统本身应尽量少受外界环境影响，而且在受到较大的影响时应具有一定的鲁棒性。（3）操作维护方便，从人与机的关系来看，一件好的产品的操作应该尽量方便。操作方便主要表现在操作简单、直观形象、便于掌握，不要求操作者掌握多么复杂的技术。在维修方面体现在便于查找故障，易于排除故障。（4）适用范围广，产品在设计时应考虑到尽量多的使用场合，本设计不仅可以用用来采摘果实、园艺剪枝，还可以在换装操作手之后进行田间喷施药物等其他操作，以此来扩大产品的适用范围，以增加经济效益。2.2 总体设计方案本设计主要的应用环境为农场、果园、园林景观等，要能尽可能的完成果实采摘、修剪枝条的功能，便要求机械手具有充足的运动范围，较快的运转速度，以及较好的适应性。同时，为了减小驱动系统的负担，在满足上述条件下，应尽量减小整体的尺寸和重量。人们期望的商品都是物美价廉的，因此，还要降低机器人的成本，达到这一目的的有效途径是，在保证功能的条件下，简化结构，采用恰到好处的设计。在能源方面，可以采用燃料燃气或者是电能源。相比燃料燃气，电是一种没有污染、使用方便的能源，而且，采用电力驱动，能极大的减小系统结构的复杂度和重量、尺寸等，因此采用蓄电池能源。另外考虑到机械手臂的执行部分必须依靠汽缸工作，所以应配备有气瓶。机械本体是一个机械回转手臂，回转机械手的设计应尽可能紧凑。为了增强其稳定性，采用滚珠花键作为回转臂的支撑兼驱动结构。驱动机械臂回转的动力执行元件是一对直齿圆柱齿轮。其中较大的齿轮只具有沿轴向一个平动自由度，在该自由度方向上随机械臂上下运动并始终保持与小齿轮的啮合，其沿轴回转的自由度被如图 的结构所限制，所以相对于滚珠花键始终保持上下运动而不可以转动。通过回转臂上小齿轮的转动，整个机械臂被驱动围绕滚珠花键轴回转，从而实现一个回转自由度和一个上下平动自由度。回转结构如图2-1。图2-1 回转结构在控制方面，采用价格相对便宜但功能强大的单片机来完成。单片机系统具有体积小、重量轻、功能强大等特点，只要合理的设计起外围电路，便能很好的完成本系统的控制工作。为了实时采集路况信息，拟采用超声波传感器。其中商品导购的数据库部分由微机来承担，不事先编好的数据库存到微机里，就可以达到导购的目的。总之，整个机械手臂的结构包括垂直升降自由度与回转自由度驱动部分、沿臂长伸缩自由度驱动部分和剪切机构组成，总体结构如图2-2：图2-2小车总体结构2.3 功能及技术参数设计 参考其他移动式服务机器人产品，结合本设计特点，拟定以下设计参数，以便设计参考。参数如下： 机械臂本体长度900mm，机械臂本体宽度150mm，机械臂本体高度1000mm，重量100kg（满货物） 机械臂速度：10m/min（超市等有人环境）；20m/min（空旷环境） 蓄电池容量尽量大。 使用寿命：5年，一天8小时中有60%的时间在运行。2.4 系统的模块化及关键问题根据系统的总体设计，可以把整个系统划分为垂直升降自由度与回转自由度驱动部分、沿臂长伸缩自由度驱动部分和剪切机构部分，各个部分需要解决的问题分别为：垂直升降自由度与回转自由度驱动部分（以下称为部件1）：如何使机械臂结构活动灵活，并且结构紧凑。沿臂长伸缩自由度驱动部分（以下称为部件2）：在尽可能紧凑轻便的原则下使机械臂具有沿臂长方尽可能远地伸缩其执行部分（剪切机构），为剪切机构部分能够顺利工作提供工作条件。剪切机构部分（以下称为部件3）：能够为机械手顺利摘取果实或者剪切枝条提够足够的剪断力，并且其剪刀的张合角度可以通过调整螺母与汽缸滑座进行调整，以便于机械手的安装调试和在后续的工作中更加适应各种工况。其中，垂直升降自由度与回转自由度驱动部分是本设计成败的关键，如何在尽可能紧凑的原则下设计出同时具有两个自由度的运转机构是摆在面前的一个关键问题。2.5 本章小结本章对于本设计便携式果实采摘机器人的工作原理和适用范围进行简要介绍，并根据起特点来确定本设计的总体设计方案，又通过各种工作要求，对各个部件对比分析来确定机构的设计和选择。第3章 机械系统的设计 3.1电动机的选择3.1.1选用步进电机的原因步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。同时用单片机控制步进电机比较方便，因此本设计选用步进电机作动力源。3.1.2步进电机的工作原理（1）反应式步进电机电机转子均匀分布着很多小齿（1，2，3，4，5），电机定子有三个励磁绕阻（A，B，C），A与齿1相对齐，B与齿2错开1/3，C与齿3错开2/3，A与齿5相对齐.。将定子和转子展开如图3.1：图3.1 步进电机定子转子结构如A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐；如B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移2/3；如C相通电，A、B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐；如A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3。 这样经过A、B、C、A分别通电，齿4移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A、B、C、A.通电，电机就向右旋转；如按A、C、B、A通电，电机就向左转。由此可见：电机的位置和速度由导电脉冲数和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑，往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。但经过理论分析及大量的实验证明：细分数如果超过10，电机带负载后，就会产生跳步和失步现（2）感应式步进电机（永磁式）感应式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用12。3.1.3步进电机的计算选择在这里只针对驱动机械臂垂直移动的步进电机（以下称为垂直驱动电机）（见图纸GCJ.1）进行计算选择，其余步进电机选择同理。在各种摩擦系数中，静摩擦系数最大，根据文献12查得钢与钢的滚动摩擦系数为0.001，静摩擦系数为0.1-0.12。在实际中，使用滚珠花键可以使驱动元件之间的摩擦为滚动摩擦，滚动摩擦系数比静摩擦系数小得多，从而使驱动的动力要求降低，同时对电池的要求也会降低，这样一来系统的性能就会得到提高。初设机械臂的可北抬升的部分的最大重量为12kg，该部分包括部件1中的两个滚珠花键套筒、整个部件2与整个部件3，电机沿力臂方向的力为，滚珠丝杠的传动效率为=0.98。所有这些运动部件均由垂直驱动电机驱动运转，而该电机又是通过对滚珠丝杠的直接驱动来完成上述过程的。已知滚珠丝杠的导程为5mm，螺纹公称直径16mm，所以，当从静止启动时，电机所承受的最大力距由： （3-1）得： （3-2）滚珠丝杠螺纹公称直径d=16mm，所以必需的电机转矩M为： （3-3） 所以当由静止启动时，步进电机根据设计预想所需要的最大转距即为 为了使整机结构紧凑，重量做到最小，并考虑到实际工作载荷很小，在步进电机与滚珠丝杠的连接上不用齿轮减速只采用圆柱螺纹销紧固的方法，以此避免齿轮与联轴器使用，从而到达减重的目的。根据查文献18，选用57BYG006型步进电机，其主要电气特性如下：电机型号： 57BYG006 类型： 四项混合式线电流： 0.34A 驱动电压：24.14V最大静转矩： 4.4 线电阻： 71线电感： 90mH 重量： 0.42kg最大空载启动转速：360rad/min 步距角： 1.8实物尺寸见图3.2：图3.2 57BYG350B/A型步进电机安装尺寸103.2 齿轮的设计与校核3.2.1设计任务确定一种能满足功能要求和设计约束的较好设计方案，包括：一组基本参数： 等。主要几何尺寸：等。3.2.2选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力(1) 选择齿轮材料、热处理方式按使用条件，属低速、低载、重要性和可靠性一般的齿轮传动。可选用软齿轮，也可以选用硬齿面齿轮。现在选用软齿面齿轮，并具体选用：小齿轮：40Cr，调制处理，硬度为260286HBS；大齿轮：45号钢，调制处理，硬度为230255HBS。(2) 确定许用应力确定极限应力和齿面硬度：小齿轮按260HBS，大齿轮按190HBS。查机械设计手册24得 。计算应力循环次数N，确定寿命系数寿命取最大时，循环次数N很大，查机械设计手册得； 。计算许用应力查机械设计手册得 ， （3-9） （3-10） （3-11） （3-12）3.2.3确定齿轮的基本参数和主要尺寸(1)选择齿轮类型根据齿轮传动的工作条件（低速、低载等），可选用直齿圆柱齿轮传动，也可选用斜齿圆柱齿轮传动。现选用直齿圆柱齿轮传动。(2)选择齿轮精度等级按估计的圆周速度，查表初步选用8级精度。(3)初选参数初选：(4) 初步计算齿轮的主要尺寸计算时，还需首先确定系数：。因电动机驱动，工作机载荷平稳，取；因齿轮速度不高，取；因轴的刚性较小，取，则。查机械设计手册得；取。可初步计算出齿轮的分度圆直径、m等主要参数和几何尺寸：=30（3-13）取标准模数m=1,则 =90 mm （3-14） （3-15）取 ，。(5) 验算齿轮弯曲强度条件。由齿数 查机械设计手册得 取计算弯曲应力： （3-16）同理： 。通过以上的验证，齿轮传动合格。3.3本章小结本章主要内容为动力传动方案的具体计算与选择，通过原始数据进行计算确定电机的型号和齿轮的各主要参数。第4章 控制系统设计4.1 总体设计本机器人的避障原理是：利用超声波测距的原理，通过向前进方向发射超声波脉冲，并接收相应的返回声波脉冲，对障碍物进行判断;通过以单片机为核心的控制器实现对超声发射和接收的选通控制，并在处理返回脉冲信号的基础上加以判断，选定相应的控制策略;通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动轮，从而实现避障功能。因此，从原理上整个机器人的控制系统可以分为5部分：传感器部分、主控制器部分、驱动部分、人机接口部分及与上位机（PC）的串行通讯部分，其中，人机接口部分包括键盘输入和显示各部分的功能分别如下：传感器部分：本部分的主要担负障碍物的检测检测，为机器人的行走提供实时可靠的路况信息，由超声波传感器组成。主控制器部分：本部分有单片机及其外围电路构成，是整个控制系统的中心，所有的信息将在这里被加以辨识、处理，并根据处理的结果，反馈给其它部分，进行相应的操作。驱动部分：负责步进电机的驱动。人机接口部分：顾名思义，本部分是人与控制系统“沟通”的桥梁。其中，键盘用于输入系统所需的参数等；显示部分主要用于显示系统参数、提示等；语音部分主要用于提示行人。串行通讯部分：主要用于系统与PC机的通讯，采用RS232串行通讯协议。4.2超声波传感器测距的基本原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器10。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图4.1，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了 图 4.1 超声波传感器结构图超声波是一种具有一定频率范围的声波，它具有在一种媒质中以恒定速度传播的特性，而在不同的媒质界面处会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据检测到的发射波与反射波之间的时间间隔，来确定距离的长短，从而达到测量距离的作用。这就是超声波测距的原理。具体的计算公式如下： (m) （4-1）其中，S为障碍物与吸尘器之间的距离。 v为超声波在空气中的传输速率 t为发射波与发射波的时间差由于v要受到气温的影响，为了得到精确的结果，必须加以补偿。对速度的补偿公式如下： (m/s) （4-2）其中，T表示空气的绝对温度22。4.3 基于MSC51单片机的主控系统设计4.3.1 8051单片机简介单片机是把CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在同一块芯片上，构成的一个完整的微型计算机。MCS-51系列是INTEL公司1980年推出的8位高档单片机，它是MCS-48的增强型产品，它的出现直接与HMOS工艺有关，并提高了芯片的集成度，增加了多种片内硬件功能，并扩展了功能单元的种类和数量。由于其出色的功能，现在已经普遍的应用在工业界中。MCS-51的主要功能如下18：为一般控制用的8位单片机；芯片内部有时钟振荡器（传统最高工作频率可达12MHZ）；内部只读存储器（ROM）为4K字节；内部随机存储器（RAM）为128字节；外部只读存储器可扩展到64K字节；外部随机存储器可扩展到64K字节；32条双向I/O口线，且每条都可以单独做I/O控制；5个中断向量源； 2组独立的16为定时/计数器；1个全双工串行通讯端口；8751及8752单片机具有数据保密功能；单片机提供逻辑运算指令14。4.3.2 8051基本控制电路及复位电路设计8051的程序代码可以使用内部4k字节的空间来执行，也可以使用外接程序ROM来执行。图4-2为8051单片机的基本工作电路，8051的EA脚连接5V电源，表示由片内ROM来提供程序代码，如果接地，则表示由外部ROM来提供程序。此电路可以使用的单片机有89C51及8751，而程序的测试方法可以使用ICE或是直接烧录单片机。几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位，在下电时能防止EEPROM中的数据被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗定时器（有些单片机无看门狗定时器）外，还需外加个看门狗电路；除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是很随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。MAXIM公司推出的MAX813L刚好能满足这些要求。图中MAX813L的第(1)脚与第(8)脚相连。第(7)脚接单片机的复位脚（AT89C51的第(9)脚）；第(6)脚与单片机制P16相连。在软件设计中，P16不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则P16无脉冲输出。于是1.6s后在MAX813L的第(8)脚输出低电平，该低电平加到第(1)脚，使MAX813L产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于限值4.65V时，MAX813L也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低进单片机产生错误的动作14。 电源故障输入PFI通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当PFI低于1.25V时，电源故障输出脚第5脚PFO变低，可引起AT89C51中断进行电源故障处理，或将重要数据保存下来。把分压接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障告警。图 4.2 单片机基本电路及复位电路4.3.3控制系统的内存扩充设计本设计除了现有的功能之外，还有很大的扩充余地，比如在超市中应用时，可以为顾客提供实时导航的功能，导航信息通过液晶进行图形显示，或者向顾客进行友好的语音提示。当然，这样做便意味着需要更多的内存空间及更多的I/O。图4-3是具有内存及I/O功能扩充的控制电路。图4.3 8051外接程序ROM控制电路使用此电路由以下一些优点：单片机可以使用便宜的8031，89C51及8751都很贵；程序代码可以扩充至64K字节；程序代码由外接的EPROM提供，可以使用便宜的ROM模拟器做程序测试；可扩充外部数据内存；可扩充外部I/O控制接口，如8255、LCD、A/D及D/A接口。2本电路设计的目的是希望尽量利用8051的寻址空间而是控制程序可以写的很大，并考虑使用高级的C语言来编写程序，所以应考虑外部程序代码与内存空间分开来设计8051I/O扩充是以内存应对（Memory Map）方式来控制，也就是把外部I/O地址作为内存的一部分来读取数据或写入数据。外部数据内存线路图请参考图4-4，SRAM的选择使用6116（2K8）或6264（8K8）或62256（32K8），可以使用跳线来设定，如表4.1：表4.1 外部数据存储器的设定SRAM编号容量跳线设定61162KJP4，5ON62648KJP4，6ON6225664KJP3，6ON在解码方面为求简化，采用部分解码来控制，由A15来控制CS（芯片选择）信号。当A15是“0”，则选取外部数据内存SRAM中的地址。 程序EPROM的设计考虑4种状态，脚位都为28PIN，首先看看4种EPROM的异同点，如表4.2：表4.2 EPROM比较EPROM型号容量地址线引脚27引脚127648K8A0-A12PGMVpp2712816K8A0-A13空接Vpp2725632K8A0-A14A14Vpp2751264K8A0-A15A14A15图4.4 内存电路原理图其中，PGM引脚为烧录EPROM时接低电位，平时正常操作接高电为，Vpp引脚为提供烧录的高压脉冲，平时也应接高电位，因此可以使用2只短路插座来做各种EPROM的使用调整。如表4-3：表4.3 EPROM的设定EPROM型号容量跳线设定27648K8JP1，2 OFF2712816K8JP1，2 OFF2725632K8JP1 ON2751264K8JP1，2 ONON表示接点短路，否则由提升电阻而拉至高电位。而EPROM的OE（输出使能）引脚则由PSEN信号来控制，CE（芯片使能）引脚直接接地即可。4.3.4 RS232通信接口设计8051本身提供一个全双工的传输接口，是由TXD(11引脚)来传送串行数据，而由RXD(10引脚)来接收数据的，其工作逻辑电位都为TTL电位（5V、0V），如果要与PC做串行数据传输或连接控制用必须经过RS232信号（+12V、-12V）电平的转换。目前市面上已有现成的TTL到RS232的电平转换芯片，IC编号为ICL232或MAX232，只要外加四只电容器，便能完成接口电路的电位转换工作了。图4-5是设计在电路板上的RS232通信接口电路，通过MAX232转换出来的RS232串行信号再连至J10 D9 PIN插座与外部PC连接，便可建立RS232通信接口。图4.5 RS232通信接口电路图4.3.5 I/O及键盘电路的扩展由于在8051的基本电路中扩展了外部程序ROM，P0及P2端口必需作为系统总线信号使用，为了有更多的I/O口，以连接更多的外部电路，所以扩充一块可编程的I/O控制芯片8255。8255是一块可编程多功能I/O接口控制芯片，不但能提供一般输入输出端口，还可以规划为交互式控制。图4-6是其接线图，8255的控制信号有RD、WR、A0、A1、RESET及CS。前5个信号分别连接至8051系统相对应的控制信号上，A0、A1选取8255的4个内部控制寄存器，即端口A、B、C及控制字。而CS信号控制整块芯片的工作，其解码地址为8000H-8003H。当CS=0时，数据线D0-D7与8051 数据总线接通；当CS=1时，数据线则呈现高阻状态与系统总线隔离开来。8255的A、B、C三个端口分别做步进电机驱动、键盘接口等用途。在控制电路中，通常需要以按键来输入数据或控制程序流程，如果按键数目不多时，可以使用一个按键对应一条输入位线，但当按键较多时，通常以矩阵扫描的方法来做按键检测，在图4-16中，使用8255的端口C8条I/O线做16个按键的键盘扫描，由PC0-PC3送出扫描信号，而由PC4-PC7读取按键数据返回代码。图4.6 8255、键盘及中断扩展图在控制电路中，8255的C端口8条I/O线做16个按键的扫描，由PC.0-PC.3送出扫描信号，而由PC.4-PC.7读取按键返回代码。编程时，以程序扫描的方式来检测哪一按键按下，一次扫描一行4个按键，扫描的顺序如下：（1）送出扫描信号1110以扫描C1行，读取按键数据，判断改行是否有按键按下，若有按键按下，则连结被按下的键返回状态为0。（2） 送出扫描信号1101以扫描C1行，读取按键数据，判断改行是否有按键按下。（3） 送出扫描信号1011以扫描C1行，读取按键数据，判断改行是否有按键按下。（4） 送出扫描信号0111以扫描C1行，读取按键数据，判断改行是否有按键按下。（5） 返回1继续扫描14。以上步骤连续重复，如有键按下，就将该按键解码出来，程序见附件。4.4 超声波测距模块的设计19如图4-7所示的电路图。图中显示了其中一对传感器的接线图，传感器的发射端接到8255 PB3端口，接收端接到INT1，由8255PB口不断输出40kHz的超声波发送脉冲信号，超声波发送脉冲如图4-8所示。脉冲宽度约为125s200s，即在一个调制脉冲内包58个40kHz的方波。脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。若在有效测距范围内有被测物的话，则在后一路超声波束发出之前应当接收到前一路发同的反射波，否则认为前一路无被测物。因此按有效测距范围可以估算出最短的脉冲间隔发送时间。例如：最大测距范围为5m时，脉冲间隔时间t=2s/v=25/34030ms，实际应取t30ms。系统中共设置了4个超声波传感器，装在机器人的前部，型号为HM-UR/1，其测试角度可达50，检测距离为1.5m到15m。当检测到障碍物时，会立即引起中断，执行中断处理。机械臂自动转向其他方位。图4.7 超声波测距电路图图4.8 超声波发射脉冲及一个通道工作时序图4.5 步进电机控制板的设计步进电机是工业过程控制及仪表控制的主要控制元件之一。它有以下特点：可以直接接受数字信号，不需进行D/A转换；具有快速启、停能力；精度高，步距角可由每步90至0.36；步进电机由于高精度而不用传感器，故定位准确。在设计中，使用2个3相步进电机，分别驱动机器人的左右两个轮子。由于步进电机属于电感设备，为了防止电磁干扰，在系统与电机之间采用三极管型光-电隔离。图4.9是一个步进电机的接线图。步进电机的A、B、C三个绕组经光电耦合后分别接于8255的PA0、PA1、PA2口（另一个接于PA3、PA4、PA5口）。图4.9 三相步进电机接线图 设计中步进电机用来驱动小车，因而控制程序较为简单。根据小车参数，步距角为3，其转速为20r/min，可求出该电机每分钟转过的角度为：设定步进电机按三拍工作，每秒需要的拍数为：拍因而每两拍之间需要延时： 4.6 电源模块的设计 电机需要36V电压，因而直接接到蓄电池上，而控制系统需要+5V电压，需要经过降压。使用DC-DC型电源模块LUCENT/12V把电压降到12V，再经过三端稳压器7805稳压之后，可以得到稳定的5V直流电压。电路图如图4.10所示。图4.1 控制系统电源图4.7 本章小结本章主要内容是对机械结构的控制系统进行设计，通过机器人所需要做的动作与运动范围，选用单片机及各种电路的设计。结 论本设计对果实采摘机器人机械本体的机构进行了设计计算，主要在机械结构方面的设计取得了比较多的收获。由于同类型的机器人研究文献中对机械结构设计部分的研讨比较少，且只有机器人主体外型图可供参考而无详细工程图，在对此类文献进行的研读时发现许多回转机械臂的实现方式多通过整臂相对基架的回转来实现，对学校实验室内的机械臂进行观察也发现其机械臂为整臂回转形式，但对于农用便携式机械设备来说，如果采用这种类型的结构，必将加大整个机械臂的转动惯量，无疑会增打机器的驱动功率，这样一来机器的重量也会增加，不利于便携式设计思想的实现。所以本机摈弃以往机械臂的经典形式，采用与机架相固定连接的滚珠花键作为机械臂的回转中心，最大程度减少回转部分的质量及转动惯量，用实际结构实现了便携式设计的理念。为了使整机更加紧凑，便携性更加突出，在整机设计上使用了Solid Edge三维设计，这使得结构尺寸更容易控制，整个机械臂的重量精确控制在6kg以内。在设计中积累了不少设计经验，设计水平得到了提高。这个设计之中，主要涉及到了齿轮类零件的设计计算、以及步进电机、传动系统等的设计计算，还涉及到了单片机外围电路的扩展以及控制程序的设计与编写。但是由于我个人能力和时间有限，致使设计之中还有许多缺陷。这些缺陷包括：（1） 机械臂的局部结构有待于进一步改进，如驱动回转步进电机的安装位置等；（2） 整车的外部造型有待于改进；（3） 控制部分有待于进一步改进和完善；参考文献1马翔，朱世强，吴海彬. 智能吸尘器的开发及设计.电子技术应用，2000，8：6-82Williams R N. A Painless guide to CRC error detection algorithmsZ,19933袁曾任，高明.在动态环境中移动机器人导航和避障的一种新方法J.机器人，2000.22(2):81-88.4蒋新松.未来机器人技术发展方向的探讨J.机器人，1996，18(5):285-291.5张培铭，江和等.展望21世纪电器发展方向人工智能电器.电工技术杂志，1999，7（4）：32-356李衍达，汤跃忠.智能控制和智能自动化.微计算机信息，1995（5）：27-317朱志成.试论机电一体化的发展方向.武汉大学学报，1998（3）：15-188胡跃明，丁维中，吴忻生.吸尘机器人的研究现状与展望.计算机测量与控制，2002，10（10）：631-6349李建法，李立新，李勇等. 超声波测距的电路设计与单片机编程.安阳师范学院学报，2003（7）：47-4810严宏花，宋进，陈敏贤. 超声波测距在智能机器人中的开发与应用. 机电一体化，2001，5：31-3411程曙霞，葛新石等. 风动风机及其设计理论. 流体机械，1999，22（4）：23-2712徐灏主编.机械设计手册（1-5）.
展开阅读全文