基于超聲波移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。 本次課題研究的內(nèi)容是基于超聲波移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析。本文的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：</p><p>　　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)的輪式結(jié)

2、構(gòu)，動(dòng)力源采用直流無(wú)刷電機(jī)，減速和傳動(dòng)裝置采用皮帶傳動(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。</p><p>　　2. 傳感器部分：使用超聲波傳感器作為機(jī)器人主傳感器，超聲波傳感器位于機(jī)器人的傳感器層，采用一個(gè)超聲波環(huán)提高機(jī)器人測(cè)距的精度。超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物反射回來(lái)，由超聲波接收器接收超聲波信號(hào)，獲取機(jī)器人的外部信息。</p

3、><p>　　3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：控制部分采用AT89C51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。超聲波接收器接收到信號(hào)后，經(jīng)由單片機(jī)進(jìn)行分析運(yùn)算，得出機(jī)器人與障礙物之間的距離，然后單片機(jī)發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，使得移動(dòng)機(jī)器人可以自主地改變行進(jìn)路線，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的避障算法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：

4、移動(dòng)機(jī)器人，超聲波，單片機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制，避障。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Robot is an automated machine, the difference is that this machine has some similarities with the human or biological intelli

5、gence, such as perception, planning ability, motor ability, and collaboration capabilities, is a highly flexible automated machines. The content of this research project is based on ultrasonic Mobile Robot Design and Ana

6、lysis. This design includes: </p><p>　　1.Mechanical structure design: robots with two independently driven wheel structure, the power source using brushless DC motor, gear reducer and belt drive by using the

7、 differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder for speed detection of robots, robot positioning. </p><p>　　2.Sensor parts: the robot uses ultrasonic sensors as the primar

8、y sensor, ultrasonic sensor in the robot's sensor layer, using an ultrasonic distance measuring ring to improve the accuracy of the robot. Send ultrasonic ultrasonic transmitter and ultrasonic obstacle reflected back

9、 by the ultrasonic receiver receives ultrasonic signals to obtain the robot's external information. </p><p>　　3.Control System: Control part of the model using AT89C51 microcontroller for receiving order

10、s and generate drive signal, the motor drive control part is L298 chip, chip microcontroller using the received signals to control motor speed. Ultrasonic signal received by the receiver, the analysis by microcomputer op

11、eration, obtained the distance between the robot and obstacles, and then signal the microcontroller to change the motor control, making autonomous mobile robot can change the route of the</p><p>　　Keywords:

12、Mobile Robot, ultrasound, MCU, motion control, obstacle avoidance.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>&

13、lt;b>　　前 言1</b></p><p>　　1 移動(dòng)機(jī)器人概述2</p><p>　　1.1 機(jī)器人的研究歷史2</p><p>　　1.2 移動(dòng)機(jī)器人的意義4</p><p>　　1.3 移動(dòng)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀5</p><p>　　2 超聲波移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的確定9&

14、lt;/p><p>　　2.1 超聲波移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案9</p><p>　　2.2 超聲波移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案10</p><p>　　2.3 移動(dòng)機(jī)器人的超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案11</p><p>　　2.4 移動(dòng)機(jī)器人方案總結(jié)12</p><p>　　3 超聲波移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)13<

15、/p><p>　　3.1 電動(dòng)機(jī)的確定13</p><p>　　3.2 減速器的確定13</p><p>　　3.3 機(jī)器人連接方式的確定16</p><p>　　4 超聲波移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程18</p><p>　　4.2 單片機(jī)控

16、制系統(tǒng)20</p><p>　　4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)21</p><p>　　5 超聲波測(cè)距算法23</p><p>　　5.1 超聲波應(yīng)用的可行性23</p><p>　　5.2 超聲波的產(chǎn)生和接收23</p><p>　　5.3 超聲波的傳輸特性25</p><p>　　5.

17、4 超聲波測(cè)距原理26</p><p>　　5.5 計(jì)算超聲波傳播時(shí)間27</p><p>　　5.6 測(cè)渡越時(shí)間測(cè)量法27</p><p>　　5.7 超聲波測(cè)距誤差分析28</p><p><b>　　結(jié) 論30</b></p><p><b>　　致 謝31

18、</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　附錄一33</b></p><p><b>　　附錄二36</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p

19、>　　隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，自主移動(dòng)機(jī)器人以其靈活性和智能性等特點(diǎn)，在人們的生產(chǎn)生活中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。自主移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)各種傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，在復(fù)雜的已知或未知環(huán)境中自主移動(dòng)并完成相應(yīng)的任務(wù)。</p><p>　　當(dāng)前機(jī)器人常用的傳感器包括有超聲波、紅外、視覺(jué)傳感器、激光、味覺(jué)傳感器等等。而在多種傳感器中，紅外測(cè)距距離偏小，視覺(jué)傳感器不能顯示距離，激光和雷達(dá)測(cè)距儀造價(jià)偏高，不利于廣泛的普及應(yīng)

20、用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性。相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1）超聲波的傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，并且指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離；</p><p>　　2）超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體)；</p><p>　　3）超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可

21、用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中；</p><p>　　4）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因此，超聲波方法作為非接觸檢測(cè)和識(shí)別的手段，已越來(lái)越引起人們的重視。在機(jī)器人避障、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工自動(dòng)化裝配及檢測(cè)、自動(dòng)測(cè)距、無(wú)損檢測(cè)、超聲定位、汽車(chē)倒車(chē)、工業(yè)測(cè)井、水庫(kù)液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。</p><

22、p>　　利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無(wú)目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽(tīng)到的超聲波（20kHz以上的機(jī)械波），借助空氣媒質(zhì)的傳播，由被逮捕捉的獵物或障礙物反射回來(lái)的時(shí)間間隔長(zhǎng)短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙物位置的方法，超聲波測(cè)距系統(tǒng)實(shí)際上也正是一種仿生學(xué)的應(yīng)用。</p><p><b>　　移動(dòng)機(jī)器人概述</b></p>

23、;<p><b>　　機(jī)器人的研究歷史</b></p><p>　　早期機(jī)器人【1】的出現(xiàn)是為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化，而機(jī)器人被廣泛的應(yīng)用的也正是工業(yè)發(fā)展迅速的體現(xiàn)。隨著人類(lèi)生活水平的提高，室內(nèi)機(jī)器人也逐漸地進(jìn)入人們的視線，室內(nèi)機(jī)器人以其體積小、靈活、自主移動(dòng)等特點(diǎn)廣泛的被人們接受，這時(shí)服務(wù)機(jī)器人大量的踴躍出現(xiàn)：用于醫(yī)院的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人，用于旅游的導(dǎo)游機(jī)器人，用于商場(chǎng)的導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人，這

24、些機(jī)器人的出現(xiàn)使得人們的生活變得更加豐富多彩。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程</p><p>　　早在1959年，德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠“Unimation公司”。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱(chēng)為“工業(yè)機(jī)器人之父”。 1962年到1963年之間，傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操

25、作性，人們?cè)囍跈C(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，其中包括：</p><p>　　1. 1961年恩斯特采用的觸覺(jué)傳感器，將觸覺(jué)傳感器放置于機(jī)器人的機(jī)械手上，是機(jī)器人具有感知觸覺(jué)的能力。</p><p>　　2. 1962年托莫維奇和博尼在世界上最早的“靈巧手”機(jī)器人上用到了壓力傳感器。</p><p>　　3. 麥卡錫1963年則開(kāi)始在機(jī)器人中加入視覺(jué)傳感系統(tǒng)，

26、并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個(gè)帶有視覺(jué)傳感器，能識(shí)別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。</p><p>　　4. 1965年約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過(guò)聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。</p><p>　　5.20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始，美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)興起

27、研究第二代帶傳感器、“有感覺(jué)”的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程</p><p>　　智能移動(dòng)機(jī)器人【2】更加強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人具有的移動(dòng)能力，從而面臨比固定式機(jī)器人更為復(fù)雜的不確定性環(huán)境，也增加了智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。</p><p>　　1．1968年到1972年間，美國(guó)斯坦福國(guó)際研究所(Stanford Research Inst

28、itute, SRI)研制了移動(dòng)式機(jī)器人Shakey,這是首臺(tái)采用了人工智能學(xué)的移動(dòng)機(jī)器人。Shakey具備一定人工智能，能夠自主進(jìn)行感知、環(huán)境建模、行為規(guī)劃并執(zhí)行任務(wù)(如尋找木箱并將其推到指定目的位置)。它裝備了電視攝像機(jī)、三角法測(cè)距儀、碰撞傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及編碼器，并通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)由二臺(tái)計(jì)算機(jī)控制。當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的體積龐大，但運(yùn)算速度緩慢，導(dǎo)致Shakey往往需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間來(lái)分析環(huán)境并規(guī)劃行動(dòng)路徑。</p><

29、p>　　圖1-1 shakey</p><p>　　2.1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國(guó)Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。</p><p>　　3．1978年 美國(guó)Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。</p>

30、;<p>　　4．1984年 英格伯格再推機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車(chē)，檢查安全”。</p><p>　　5.1998年 丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人(Mind-storms)套件，讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一樣，相對(duì)簡(jiǎn)單又能任意拼裝，使機(jī)器人開(kāi)始走入個(gè)人世界。</p><

31、;p>　　6.1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO)，當(dāng)即銷(xiāo)售一空，從此娛樂(lè)機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。</p><p>　　7.2002年 美國(guó)iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它能避開(kāi)障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，還能在電量不足時(shí)，自動(dòng)駛向充電座。Roomba是目前世界上銷(xiāo)量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。</p><p>

32、　　圖1-2 Roomba</p><p>　　隨著世界智能機(jī)器人腳步的快速前進(jìn)，我國(guó)也加緊對(duì)智能機(jī)器人的研究，投入了大量的人力財(cái)力來(lái)提高國(guó)內(nèi)智能機(jī)器人的發(fā)展，本課題正是在這種國(guó)際大背景下提出的。</p><p><b>　　移動(dòng)機(jī)器人的意義</b></p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)對(duì)一個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)的至關(guān)重要的，它是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)

33、化程度的重要體現(xiàn)，預(yù)示著一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)力水平和綜合國(guó)力的發(fā)展方向。一個(gè)高端的機(jī)器人涉及到的技術(shù)包括：機(jī)械加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等等，因此完全可以說(shuō)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了整個(gè)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展【3】。</p><p>　　如今移動(dòng)機(jī)器人在世界范圍內(nèi)有著良好的應(yīng)用前景，在人類(lèi)生活、軍事應(yīng)用、社會(huì)發(fā)展與科學(xué)研究中都有移動(dòng)機(jī)器人的身影，尤其是隨著人們生活水平

34、的提高，移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)走入了我們的生活，例如：</p><p>　　1）在家里，服務(wù)型的室內(nèi)機(jī)器人可以從事清潔衛(wèi)生、園藝、垃圾處理、家庭護(hù)理與服務(wù)等作業(yè)；</p><p>　　2）在醫(yī)院，移動(dòng)機(jī)器人可以從事手術(shù)、化驗(yàn)、助殘、導(dǎo)盲、運(yùn)輸、康復(fù)及病人護(hù)理等作業(yè)；</p><p>　　3）在商場(chǎng)和旅游中，導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人和表演機(jī)器人能夠使得人類(lèi)生活變得豐富多彩；&l

35、t;/p><p>　　4）在軍事中，爆破，排爆機(jī)器人可以使軍事行動(dòng)較為安全，偵察機(jī)器人可以掌握敵軍信息等【4】。</p><p>　　因此智能移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為未來(lái)社會(huì)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)，誰(shuí)可以掌握室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，誰(shuí)就可以引領(lǐng)世界的潮流。所以我國(guó)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究面臨著很大的挑戰(zhàn)，必須加大對(duì)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用才能走在時(shí)代的前列。</p><p>　　本文研究基

36、于超聲波的移動(dòng)機(jī)器人正是考慮到超聲波測(cè)距移動(dòng)機(jī)器人在未來(lái)社會(huì)的發(fā)展前景。我相信隨著計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的提高、微電子技術(shù)的進(jìn)步以及機(jī)器人對(duì)超聲波信息處理理論與方法的逐漸完善，機(jī)器人的超聲波功能將越來(lái)越強(qiáng)大。</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人在多年的生產(chǎn)使用中，被世界公認(rèn)最具有發(fā)展?jié)摿褪褂脙r(jià)值，在科研界也成為了機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。</p

37、><p>　　國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人最早是在國(guó)外發(fā)展起來(lái)的，所以各項(xiàng)技術(shù)較為純熟，機(jī)器人的水平也相對(duì)較高。早在上個(gè)世紀(jì)八十年代，世界各國(guó)為了大力發(fā)展機(jī)器人技術(shù)，紛紛展開(kāi)了各項(xiàng)計(jì)劃，例如：</p><p>　　1.美國(guó)國(guó)防部DARPA的支助下，由CMU， Standford大學(xué)和MIT等單位開(kāi)展的ALV研究；能源部制定的為期l0年的機(jī)器人和智

38、能系統(tǒng)計(jì)劃，以及后來(lái)的空間機(jī)器人計(jì)劃；</p><p>　　2．日本通產(chǎn)省的極限環(huán)境下作業(yè)機(jī)器人計(jì)劃和人形機(jī)器人計(jì)劃；</p><p>　　3．歐洲尤里卡中心的機(jī)器人計(jì)劃等，都體現(xiàn)了國(guó)外對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的重視。</p><p>　　除此之外，很多世界著名公司不惜重金，都開(kāi)始投入到移動(dòng)機(jī)器人的研究當(dāng)中。進(jìn)入九十年代后，隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人向?qū)嵱没?、系列化、?/p>

39、能化進(jìn)軍，涌現(xiàn)出許許多多智能移動(dòng)機(jī)器人。如CMU的Navlab系列移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)；德國(guó)Vamors—P和Caravel1e系統(tǒng)；日本本田公司的P系列和ASIMO人型機(jī)器人；日本索尼的SDR一3X人型機(jī)器人和AIBO娛樂(lè)型機(jī)器人等代表著移動(dòng)機(jī)器人各個(gè)方面的先進(jìn)研究成果。</p><p>　　如今機(jī)器人的發(fā)展越來(lái)越迅速，世界上涌現(xiàn)了如日本，美國(guó)，德國(guó)等一些機(jī)器人強(qiáng)國(guó)，他們的研究成果標(biāo)志著世界最頂端的技術(shù)。</p

40、><p>　　1）日本的移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 日本智能移動(dòng)機(jī)器人，現(xiàn)階段處于世界領(lǐng)先水平，例如在2002年3月公開(kāi)的HRP-2人型機(jī)器人平臺(tái)，其直立高度約有5英尺，重量接近128磅，有30個(gè)自由度。HRP-2是為和人一同工作而設(shè)計(jì)，它可以和一個(gè)人合抬一塊大木板，透過(guò)感應(yīng)另一端由人施加的力和方向來(lái)掌握平衡；倘若跌倒亦能毫發(fā)無(wú)傷地再站起來(lái)，這是完成日常任務(wù)的一個(gè)基本能力。HRP-2公開(kāi)之后快速進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域，合作開(kāi)發(fā)公司

41、之一的Kawada曾經(jīng)出租這種機(jī)器人，作為實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)平臺(tái)。為鼓勵(lì)更多的機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)發(fā)，AIST同東京大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了仿真和控制軟件－擬人化機(jī)器人開(kāi)放平臺(tái)（Open HRP）。</p><p>　　2007年6月產(chǎn)綜研發(fā)表了新型的“HRP-3 Promet Mk-II”。這部機(jī)器人具備防塵功能，可在濕滑的路面行走，亦可遠(yuǎn)距離控制，或結(jié)合自主與遠(yuǎn)距控制的操作技術(shù)以擴(kuò)大其作業(yè)功能，并且能在戶外嚴(yán)苛環(huán)境中作業(yè)。未來(lái)在基礎(chǔ)

42、技術(shù)的穩(wěn)定性及降低成本等實(shí)用化的方向繼續(xù)開(kāi)發(fā)。</p><p>　　2）美國(guó)移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 美國(guó)在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。美國(guó)麻省理工學(xué)院的工程師設(shè)計(jì)出一款能懸浮在海里的潛水機(jī)器人--“奧德賽４號(hào)”。 “奧德賽４號(hào)”是麻省理工學(xué)院西格蘭實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的小型人工智能潛水裝置“奧德賽”系列中的最新一款。</p><p>　　它能在最深達(dá)6000米的水下活動(dòng)，并能停留在任何水流中，適時(shí)調(diào)整

43、自己的位置。同時(shí)，它還能行駛到預(yù)先設(shè)定的任何目的地?！皧W德賽４號(hào)”不僅能簡(jiǎn)單地觀察一個(gè)海底物體，還能像直升機(jī)那樣，在水下負(fù)重工作?，F(xiàn)在，利用這一裝置可以造訪油井、采樣并帶回到陸地上來(lái)。這款潛水機(jī)器人與其他類(lèi)似裝置最大的區(qū)別在于它能在水中垂直下沉。此外，它的速度非?？?，每秒能移動(dòng)約２米。這一研究成果將有助于海洋學(xué)家、石油公司和海洋考古學(xué)家的工作。</p><p>　　圖1-3 奧德賽４號(hào)</p>&

44、lt;p>　　3）德國(guó)移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在06年德國(guó)世界杯上，德國(guó)政府派出了一款名為“偵探奧費(fèi)羅”的反恐機(jī)器人。這款名為“偵探奧費(fèi)羅”的機(jī)器人是一款游動(dòng)的高智能安全機(jī)器人，可以偵測(cè)核、生物或化學(xué)武器的威脅。機(jī)器人上安裝了最新的感應(yīng)器，可以“嗅出”所有現(xiàn)今使用的戰(zhàn)爭(zhēng)毒氣、工業(yè)毒氣和放射性物質(zhì)。這種機(jī)器人的靈活操作度使得人們可以及時(shí)且精確地采取措施。所以，在重大災(zāi)難事件的迅速反應(yīng)和救援等

45、方面，“偵探奧費(fèi)羅”機(jī)器人能為受害者和營(yíng)救人員提供更多的保護(hù)和協(xié)助。</p><p>　　毛蟲(chóng)式的驅(qū)動(dòng)器可以讓機(jī)器人在凹凸不平的表面保持非常靈巧的運(yùn)動(dòng)?！皺C(jī)器偵探”的全部重量是65公斤，最長(zhǎng)可以工作12小時(shí)。適應(yīng)的工作溫度是零下20℃到60℃之間。它們擁有像貓頭鷹一樣的全方位視角，探測(cè)頭可以活動(dòng)360度，整合的LCD和熱紅外攝像機(jī)讓“偵探奧費(fèi)羅”機(jī)器人可以在實(shí)施闖入行動(dòng)之前識(shí)別潛在的違法者。而這種探測(cè)活動(dòng)不會(huì)受到

46、天氣、地面情況或突發(fā)移動(dòng)的影響，范圍可以達(dá)到100米。</p><p>　　圖1-4 偵探奧費(fèi)羅</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　我國(guó)移動(dòng)機(jī)器人是從八五年開(kāi)始這方面研究。同世界主要機(jī)器人大國(guó)相比，盡管我國(guó)在移動(dòng)機(jī)器人的研究起步比較晚，但是發(fā)展卻是很迅速。對(duì)于一些室外移動(dòng)機(jī)器人的某些關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到了或者接

47、近國(guó)際先進(jìn)水平。</p><p>　　國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人主要研究成果如下：</p><p>　　清華大學(xué)的智能移動(dòng)機(jī)器人THMR-III，V型機(jī)器人。</p><p>　　中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所的AGV自主車(chē)和防爆機(jī)器人。</p><p>　　香港城市大學(xué)的自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)及服務(wù)機(jī)器人。</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)的導(dǎo)游機(jī)器

48、人。</p><p>　　中科院自動(dòng)化所的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)防科技大學(xué)的雙足機(jī)器人。</p><p>　　南京理工大學(xué)，北京理工大學(xué)，浙江大學(xué)等多所院校聯(lián)合研究的軍用室外移動(dòng)機(jī)器人。</p><p>　　超聲波移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>　　超聲波移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案</p><p>

49、　　1）動(dòng)力源的選擇：經(jīng)過(guò)初步考慮，對(duì)于智能移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力源本文有以下三種選擇：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、三相交流電機(jī)。</p><p>　?、?采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可以精確控制，所以可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)距離和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，并且力矩在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，因此不適于機(jī)器人等對(duì)速度有一定要求的設(shè)計(jì)。<

50、/p><p>　?、?采用交流電機(jī)，交流電機(jī)分為同步電機(jī)與異步電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)按照定子相數(shù)的不同分為單項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。同步電動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，可以作為發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，和補(bǔ)償機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)主要用來(lái)發(fā)電。作為電動(dòng)機(jī)使用時(shí)可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，在不需要調(diào)速的情況下可以提高運(yùn)行效率。作為補(bǔ)償機(jī)器時(shí)，改變勵(lì)磁電流可以改

51、善電網(wǎng)功率因數(shù)，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。然而交流電機(jī)必須攜帶電源線，這對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)不太方便并且由于機(jī)器人在行駛過(guò)程中需要對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，而交流電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)速度的變換。</p><p>　?、?系統(tǒng)采用直流電機(jī)。直流電機(jī)分為直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)，直流有刷電機(jī)需要用到傳統(tǒng)的機(jī)械換向，不耐用，容易損壞。而直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是以電子換向來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，性能可靠、永無(wú)磨損、故障率低，壽命比有刷電機(jī)提高了約6倍，代表了電機(jī)

52、的發(fā)展方向。而且直流無(wú)刷電機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)象變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。并且直流無(wú)刷電機(jī)屬靜態(tài)電機(jī)，空載電流小，還具有效率高、體積小、環(huán)保節(jié)能等眾多優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　綜上所述，本文選擇方案一直流無(wú)刷電機(jī)作為移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。</p><p>　　2）減速方式的選擇 在智能移動(dòng)機(jī)器人中可以用到的減速方式有

53、皮帶減速和齒輪減速。</p><p>　?、?采用皮帶減速。皮帶輪減速的優(yōu)點(diǎn)有：皮帶輪傳動(dòng)能緩和載荷沖擊；皮帶輪傳動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、低振動(dòng)；皮帶輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便；缺點(diǎn)為皮帶輪傳動(dòng)對(duì)于皮帶輪的制造和安裝精度不象嚙合傳動(dòng)嚴(yán)格；傳動(dòng)比低；皮帶輪傳動(dòng)的兩軸中心距調(diào)節(jié)范圍較大，結(jié)構(gòu)不緊湊。</p><p>　?、诓捎谬X輪減速。利用齒輪進(jìn)行減速的優(yōu)點(diǎn)有：傳動(dòng)精確；傳動(dòng)效率高傳動(dòng)比大；輸出轉(zhuǎn)

54、速恒定，無(wú)波動(dòng)；缺點(diǎn)則為容易磨損；安裝精度要求比較高。</p><p>　　經(jīng)以上考慮本文選擇齒輪傳動(dòng)作為機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。</p><p>　　3） 移動(dòng)方式的選擇 現(xiàn)在常用的機(jī)器人移動(dòng)方式有輪式移動(dòng)和履帶式移動(dòng)，兩種移動(dòng)方式分別用于不同的場(chǎng)合，輪式用于平地較多，履帶多用于崎嶇不平的路面。輪式移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)速度較快，可以做半徑很小的轉(zhuǎn)向，控制起來(lái)比較方便，精度較高；履帶式移動(dòng)機(jī)

55、器人的與輪式移動(dòng)機(jī)器人相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)向半徑小，不易控制。</p><p>　　本課題所研究的是室內(nèi)機(jī)器人，機(jī)器人不需要到崎嶇的路面上進(jìn)行移動(dòng)。因此，選擇輪式結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人的移動(dòng)方式。 </p><p>　　移動(dòng)式平臺(tái)分為差分移動(dòng)平臺(tái)和導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)論輪式平臺(tái)，由于本次設(shè)計(jì)方案盤(pán)選用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此選擇差分移動(dòng)平臺(tái)作為移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)方式，即利用兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)速的不同進(jìn)行轉(zhuǎn)向。</p&

56、gt;<p>　　綜上所述，選用直流無(wú)刷電機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源，皮帶減速作為機(jī)器人的減速方式，輪式移動(dòng)作為機(jī)器人的移動(dòng)方式，采用差分移動(dòng)平臺(tái)作為機(jī)器人轉(zhuǎn)向平臺(tái)。</p><p>　　超聲波移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案</p><p>　　1）控制器模塊的選擇 機(jī)器人常用的控制模塊有PLC ，單片機(jī)。其中單片機(jī)包括有8位、16位、32位。</p><p>

57、;　　①本文假設(shè)采用可編程邏輯器PLC作為控制器。PLC可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮本文放棄了此方案。</p><p>　?、谌缓蠹僭O(shè)采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)作為主

58、控制器。AT89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)供給高性價(jià)比的解決方案。且此系列的單

59、片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。</p><p>　　綜上所述，本文選擇Atmel公司的AT89C51單片機(jī)作為智能機(jī)器人的主控制器。</p><p>　　2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇與論證 機(jī)器人常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊有電路控制和芯片控制。</p><p>　　第一種方案，采用分立組件組成的平衡式驅(qū)動(dòng)電路，這種電路可以由單片機(jī)直接對(duì)其進(jìn)行操作，但由于

60、分立組件占用的空間比較大，還要配上兩個(gè)繼電器，考慮到機(jī)器人的空間問(wèn)題，此方案不夠理想,本文決定放棄此方案。</p><p>　　第二種方案，采用芯片控制電機(jī)，因?yàn)闄C(jī)器人電機(jī)內(nèi)部裝有皮帶減速箱，考慮不需調(diào)速功能，采用市面易購(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298控制減速電機(jī)，該芯片是利用TTL電平進(jìn)行控制，通過(guò)改變芯片控制端的輸入電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作，亦能滿足直流減速電機(jī)的要求，用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有的操作

61、方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　綜合以上分析與論證本文選擇方案二的驅(qū)動(dòng)芯片L298作為整個(gè)智能小車(chē)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　3）電源模塊的選擇 由于本系統(tǒng)需要電池供電，此次設(shè)計(jì)考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。</p><p>　　方案1：采用8節(jié)1.5V干電池供電，電壓達(dá)到12V，經(jīng)穩(wěn)壓后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給

62、單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)很大的不便，因此，放棄了這種方案。</p><p>　　方案2：采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機(jī)供電，經(jīng)過(guò)電壓變換后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復(fù)利用，因此，這種方案比較可行。但鋰電池的價(jià)格過(guò)于昂貴，使用鋰電池會(huì)大大超出設(shè)計(jì)的預(yù)算，因

63、此，放棄了這種方案。</p><p>　　方案3：采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過(guò)于龐大，在小型電動(dòng)車(chē)上使用極為不方便，但由于所設(shè)計(jì)的車(chē)體設(shè)計(jì)時(shí)留出了足夠的空間，并且蓄電池的價(jià)格比較低。因此我們選擇了此方案。</p><p>　　綜上考慮，本設(shè)計(jì)選擇了方案3利用蓄電池作

64、為機(jī)器人的電源模塊。</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人的超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 </p><p>　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)作為智能移動(dòng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)在當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展領(lǐng)域當(dāng)中有著良好的前景和發(fā)展趨勢(shì)，超聲波以其易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制等眾多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多的被用于非接觸性測(cè)量當(dāng)中。在國(guó)際范圍內(nèi)，常用的超聲波定位系統(tǒng)有：基于天花板超聲波網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人全局定位，基于超聲波塔的移動(dòng)機(jī)器人全局定

65、位，基于車(chē)載超聲波發(fā)射和接受器的定位【5】。</p><p>　　第一種定位方案：基于天花板超聲波網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人全局定位。 該定位方式是機(jī)器人上有倆個(gè)超聲波發(fā)射器，利用在天花板上若干超聲波接受器在機(jī)器人移動(dòng)的過(guò)程中不斷地調(diào)整機(jī)器人前進(jìn)軌跡，該定位方式位置精確但需要做的準(zhǔn)備工作量太大，比較浪費(fèi)，因此放棄此方案。</p><p>　　第二種定位方案：基于超聲波塔的移動(dòng)機(jī)器人全局定位。該定位方

66、式是由兩個(gè)超聲波發(fā)射器和一個(gè)紅外燈構(gòu)成，在移動(dòng)機(jī)器人的頂部固定安裝兩個(gè)全向超生波接收器和紅外接收器。在墻壁上安裝超聲波燈塔，并使超聲波燈塔的高度與機(jī)器人超聲波接收器的高度相同。機(jī)器人前進(jìn)時(shí)利用紅外即計(jì)時(shí)超聲波測(cè)距從而得出機(jī)器人的位置。該方案同樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求精度較高，成本大，因此放棄。</p><p>　　第三種定位方案：基于車(chē)載超聲波發(fā)射和接受器的定位。該方案超聲波發(fā)射器和接受裝置皆置于機(jī)器人上在機(jī)器人前進(jìn)的時(shí)

67、候不斷通過(guò)超聲波的發(fā)射和接受進(jìn)行避障方便快捷節(jié)省成本。</p><p>　　通過(guò)以上論證本文決定選用車(chē)載超聲波作為機(jī)器人的定位系統(tǒng) 。</p><p><b>　　移動(dòng)機(jī)器人方案總結(jié)</b></p><p>　　綜上所述，移動(dòng)機(jī)器人的總體方案為：選用直流無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，利用齒輪進(jìn)行傳動(dòng)減速，機(jī)器人采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用差分驅(qū)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)

68、器人的轉(zhuǎn)向。控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為控制機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用蓄電池對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電。超聲波系統(tǒng)采用車(chē)載超聲波發(fā)射器進(jìn)行定位避障。</p><p>　　超聲波移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　電動(dòng)機(jī)的確定</b></p><p>　　從機(jī)器人是實(shí)際運(yùn)動(dòng)出發(fā)考慮，機(jī)器人的速度不能太快，否則會(huì)造成控

69、制部分來(lái)不及處理和發(fā)送信號(hào)，電機(jī)不能及時(shí)做出反應(yīng)，機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)避障功能，碰撞到障礙物而損壞的情況。因此，機(jī)器人的移動(dòng)速度定為V=0.6M/S。機(jī)器人因?yàn)樾枰?fù)重因此最大載重量為20KG。</p><p>　　所以機(jī)器人電機(jī)克服摩擦力的功率：</p><p>　　P = F·V （3-1）</p&

70、gt;<p>　　=0.4*20*9.8*0.6</p><p><b>　　=47.04W</b></p><p>　　因?yàn)闄C(jī)器人是兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，所以每個(gè)電機(jī)克服摩擦的功率是23.52W，另外考慮到啟動(dòng)加速、上下坡和其他自然因素，因此每個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的功率定位30W。進(jìn)過(guò)理論和實(shí)踐證實(shí)30W的直流無(wú)算電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)總載重為20KG的機(jī)器人。</p&

71、gt;<p>　　進(jìn)過(guò)篩選由北京精密電機(jī)控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為BL3543的直流無(wú)刷電機(jī)最符合設(shè)計(jì)要求</p><p><b>　　減速器的確定</b></p><p>　　基于機(jī)器人底盤(pán)考慮，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的半徑R=100mm。</p><p>　　機(jī)器人移動(dòng)的速度為0.5M/S，</p><p>　　

72、由此可以得出，機(jī)器人在前進(jìn)的過(guò)程中輪子的角速度</p><p>　　ω=V/R=300rad/min （3-2）</p><p><b>　　ω=2πn</b></p><p><b>　　所以nR/min</b></p><p>　　因?yàn)殡姍C(jī)的輸出空載轉(zhuǎn)速最

73、高時(shí)200R/min，實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)速為150R/min，所以減速比i=3符合漸開(kāi)線圓柱齒輪的傳速比要求。</p><p>　　因此齒輪小輪的轉(zhuǎn)速 =150R/min （3-3）</p><p>　　根據(jù)傳動(dòng)比可得大輪轉(zhuǎn)速 = （3-4）</p>

74、<p><b>　　=</b></p><p><b>　　=50r/min</b></p><p><b>　　與上述計(jì)算基本吻合</b></p><p>　　齒輪的赤廓角查設(shè)計(jì)手冊(cè)取一般值</p><p>　　齒頂高系數(shù)經(jīng)查設(shè)計(jì)手冊(cè)取標(biāo)準(zhǔn)值=1</p>

75、<p><b>　　頂隙系數(shù)=0.25</b></p><p>　　齒輪模數(shù)m在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)允許的條件下，應(yīng)選擇較小的模數(shù)，</p><p>　　查表選擇模數(shù)為1.75</p><p>　　小輪齒數(shù)在中心距一定時(shí)，應(yīng)選擇用較多的齒數(shù)，可以提高重合度，使傳動(dòng)平穩(wěn)，減少噪聲，模數(shù)的減少，還可以減少齒輪重量和切削量，提高抗膠合性能，經(jīng)查閱

76、設(shè)計(jì)手冊(cè)取一般值20。</p><p>　　因此大輪齒數(shù) (3-5)</p><p><b>　　=20*3</b></p><p><b>　　=60</b></p><p>　　所以齒數(shù)比

77、 =3</p><p>　　輪分度圓直徑 (3-6)</p><p><b>　　=20*1.75</b></p><p><b>　　=35mm</b></p><p>　　大輪分度圓直徑

78、 (3-7) </p><p><b>　　=60*1.75</b></p><p><b>　　=105mm</b></p><p>　　齒輪寬度查設(shè)計(jì)手冊(cè)齒寬系數(shù)0.6mm</p><p>　　所以，小齒輪齒寬54mm，

79、大齒輪齒寬27mm。</p><p>　　齒輪軸為圓截面軸，對(duì)于圓截面軸，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：</p><p><b>　?。?-8） </b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)公式： </b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>

80、;　　其中扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力， P 為軸傳遞的功率， n為軸的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　當(dāng)截面開(kāi)有鍵槽的時(shí)候應(yīng)增大軸徑 5 — 7%。</p><p>　　可以用第三強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的當(dāng)量應(yīng)力，其強(qiáng)度大小為：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)公式 </b&

81、gt;</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　經(jīng)計(jì)算，小齒輪的最小徑選擇為10mm大齒輪軸的最小直徑為16mm</p><p>　　設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題【6】：</p><p>　　1）要合理選擇危險(xiǎn)剖面。由于軸的各剖面的當(dāng)量彎矩和直徑不同，因此軸的危險(xiǎn)剖面在當(dāng)量彎矩較大或軸的直徑較

82、小處，一般選取一個(gè)或二個(gè)危險(xiǎn)剖面核算；</p><p>　　2）若驗(yàn)算軸的強(qiáng)度不夠，則可用增大軸的直徑、改用強(qiáng)度較高的材料或改變熱處理方法等措施來(lái)提高軸的強(qiáng)度；若比小很多時(shí)，是否要減小軸的直徑，應(yīng)該綜合考慮其它因素而定。</p><p>　　機(jī)器人連接方式的確定</p><p>　　圖3-1 機(jī)器人連接方式</p><p>　　機(jī)器人的下位

83、子機(jī)構(gòu)的連接方式如圖3-1所示，電機(jī)輸出軸和減速箱的輸入軸之間由聯(lián)軸器相連，經(jīng)過(guò)減速箱齒輪減速后，由減速箱輸出軸輸出，與驅(qū)動(dòng)輪軸以聯(lián)軸器相連，驅(qū)動(dòng)輪與軸之間由法蘭連接固定。</p><p><b>　　圖3-2 聯(lián)軸器</b></p><p>　　聯(lián)軸器采用普通凸緣聯(lián)軸器【7】，其特點(diǎn)主要有：</p><p>　　一、是把原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)械的軸聯(lián)

84、接起來(lái)并傳遞扭矩；</p><p>　　二、是可以適當(dāng)補(bǔ)償兩根軸因制造、安裝等因素造成的徑向軸向和角向誤差；</p><p>　　三、安全聯(lián)軸器當(dāng)發(fā)生過(guò)載時(shí)，聯(lián)軸器打滑或銷(xiāo)子斷開(kāi)以保護(hù)工作機(jī)械；</p><p>　　四、彈性聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。</p><p>　　經(jīng)設(shè)計(jì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)顯示如下圖：</p>

85、<p>　　3-3 機(jī)器人裝配圖1</p><p>　　3-4 機(jī)器人裝配圖2</p><p>　　超聲波移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程</b></p><p>　　本文研究的雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人是由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)和兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪組成的 。移動(dòng)平臺(tái)上有兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)

86、輪，該種機(jī)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可從0到無(wú)限大，任意設(shè)定。當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑為0時(shí)，由于能繞本體中心旋轉(zhuǎn)，所以有利于在狹窄場(chǎng)所改變方向。因此針對(duì)雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出機(jī)器人的控制方法，通過(guò)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，可以實(shí)現(xiàn)控制移動(dòng)機(jī)器人沿給定的軌跡運(yùn)動(dòng)【8】。</p><p>　　研究的雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人的幾何模型如圖4.l所示。</p><p><b>　　主要參數(shù)如

87、下：</b></p><p>　　F一移動(dòng)平臺(tái)上的關(guān)鍵點(diǎn)；G一移動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)心；b一兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的距離；r一驅(qū)動(dòng)輪的半徑；l一點(diǎn)G與點(diǎn)F之間的距離；φ 一平臺(tái)的轉(zhuǎn)角；θ 一左驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角；θ一右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角。</p><p>　　圖4-1 雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人幾何模型</p><p>　　移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心的速度為 v，它垂直于平臺(tái)的輪軸，因此它在兩個(gè)坐標(biāo)軸上

88、的分量分別為：</p><p>　　和 (4-1)</p><p>　　消去 得如下關(guān)系式：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　點(diǎn)F與點(diǎn)G有如下位置關(guān)系：</p><p><b>　　(4-3)<

89、;/b></p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　對(duì)(3)和(4)求導(dǎo)可得如下速度關(guān)系：</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　F點(diǎn)的速度關(guān)系

90、可以表示為：</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　平臺(tái)質(zhì)心的速度與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：</p><p>　　和 (4-8)</p><p>　　可以得到矩陣表達(dá)式：</p><p><b>　　(4-9)&l

91、t;/b></p><p>　　因?yàn)?</p><p>　　其中 </p><p>　　所以 （4-10）</p><p>　　J定義為雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人

92、的矩陣(4-10)，反映雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵點(diǎn)的速度與驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，同時(shí)也反映雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵點(diǎn)的作用力與驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系。</p><p><b>　　單片機(jī)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　AT89C51單片機(jī)</p><p>　　AT89C51單片機(jī)【9】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

93、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

94、。</p><p>　?。?）AT80C51的主要性能包括：</p><p>　　1)與MCS-51 兼容 ;</p><p>　　2)4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器; </p><p>　　3)壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán);</p><p>　　4)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年;</p><p>　　5)全靜態(tài)

95、工作：0Hz-24Hz;</p><p>　　6)三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定</p><p>　　7)128*8位內(nèi)部RAM;</p><p>　　8)32可編程I/O線;</p><p>　　9)兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;</p><p>　　10)5個(gè)中斷源 ;</p><p>　　11)可編程串行

96、通道;</p><p>　　12)低功耗的閑置和掉電模式 ;</p><p>　　13)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 </p><p>　?。?）AT89C51內(nèi)部分工：</p><p>　　AT89C51內(nèi)部有256個(gè)字節(jié)的RAM，地址范圍是00H-FFH，但實(shí)際提供給用戶使用的只有128個(gè)字節(jié)（00H-7FH），另128個(gè)字節(jié)(80H-FFH)是

97、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。</p><p><b>　　復(fù)位電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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)【10】。</p><p>　　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

98、嚴(yán)格，本系統(tǒng)中采用MAX5045芯片專(zhuān)做復(fù)位芯片。</p><p><b>　　如圖4-2所示：</b></p><p>　　X5045最主要特點(diǎn)有：</p><p>　　1) 512字節(jié)串行EEPROM；</p><p>　　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

99、或禁止）；</p><p>　　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)位電平低有效，確保直至VCC=1V復(fù)位信號(hào)仍有效 ；</p><p>　　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</p><p>　　5) SP1接口方式，最高可達(dá) 1MHZ串行時(shí)

100、鐘頻率；</p><p>　　6) 低功耗CMOS電路（備用電流10PA、工作電流3MA）；</p><p>　　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。</p><p>　　圖4-2 X5045引腳圖</p><p><b>　　穩(wěn)壓芯片</b></p>&l

101、t;p>　　穩(wěn)壓電路選用7812芯片，采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電，然后采用一片7809將電壓穩(wěn)定至9V，最后經(jīng)7805將電壓穩(wěn)至5V，給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電，但7809和7805壓降過(guò)大，使7809和7805消耗的功率過(guò)大，導(dǎo)致7809和7805發(fā)熱量過(guò)大，于是放棄這種方案。</p><p>　　采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5V。

102、2576的輸出電流最大可至3A，完全滿足系統(tǒng)要求。</p><p><b>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)</b></p><p>　　L298采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路【11】，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。

103、</p><p>　　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E

104、N12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)。</p><p><b>　　超聲波測(cè)距算法</b></p><p><b>　　超聲波應(yīng)用的可行性</b></p><p>　　超聲波技術(shù)的聲學(xué)特性早已為人們所認(rèn)識(shí)。但是把超聲波技術(shù)運(yùn)用

105、到工業(yè)測(cè)量中，則是近二十年年來(lái)的事情，隨著微電腦及電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超聲波信號(hào)發(fā)射、捕捉及處理手段的日益完善才得以實(shí)現(xiàn)的。目前，超聲波測(cè)距儀和超聲波流量計(jì)已被廣泛使用。</p><p>　　超聲波是指頻率超過(guò)20kHz的聲波。為了充分認(rèn)識(shí)超聲儀表，有必要了解其相關(guān)的特性【12】：</p><p>　　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

106、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)。這是所有超聲儀表進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)。</p><p>　　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，超聲波物位計(jì)充分利用了這一特性。當(dāng)超聲波以固體傳播

107、到液體（或反過(guò)來(lái)）時(shí)，聲波因?yàn)閭鞑サ慕橘|(zhì)密度相近而幾乎全部折射，超聲波流量計(jì)則利用了這一特性。</p><p>　　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。不論是超聲波流量計(jì)還是超聲波物位計(jì)，對(duì)所接受的聲波強(qiáng)度都有一定要求，所以都要對(duì)各種衰減進(jìn)行抑制。</p><p><b>　　超聲波的產(chǎn)生和接收</b></p&

108、gt;<p>　　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。本實(shí)驗(yàn)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

109、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【13】。 </p><p>　　人能聽(tīng)到的聲音頻率為：20Hz~20kHz，即為可聽(tīng)聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱(chēng)為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱(chēng)為超聲波。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

110、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。本次設(shè)計(jì)選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的。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)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。</p><p><b>　　超聲波的產(chǎn)生</b

111、></p><p>　　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你的能量轉(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)為正壓電效應(yīng)。如圖5.1所示.在逆壓電效應(yīng)中，壓電晶體稱(chēng)為超聲發(fā)生器，在正壓電效

112、應(yīng)中，壓電晶體稱(chēng)為回聲發(fā)生器。</p><p><b>　　圖5-1 壓電效應(yīng)</b></p><p>　　1）壓電式超聲波發(fā)生器原理</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5.2所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將