履帶式行走驅(qū)動裝置課題設(shè)計

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1、黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 第1章 緒 論 1.1機器人的發(fā)展歷史 1920年，捷克作家K.凱比克在一科幻劇本中首次提出了ROBOT（漢語前譯為“勞伯”）這個名詞?，F(xiàn)在已被人們作為機器人的專用名詞。 　　1950年美國作家I.阿西莫夫提出了機器人學(xué)（Robotics）這一概念，并提出了所謂的“機器人三原則”，即： （1）機器人不可傷人； （2）機器人必須服從人給與，但不和（1）矛盾的指令； （3）在與（1）、（2）原則不相矛盾的前提下，機器人可維護(hù)自身不受傷害。 　　本世紀(jì)50、60年代，隨著機構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機器人進(jìn)入了使用化階段。1954年美國的G.C.

2、Devol發(fā)表了“通用機器人”專利；1960年美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型Versatran機器人，可作點位和軌跡控制，這是世界上第一種用于工業(yè)生產(chǎn)上的機器人。 　　70年代，隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，機器人得到了迅速發(fā)展。1974年Cincinnati Milacron公司開發(fā)成功多關(guān)節(jié)機器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA機器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電動驅(qū)動、多CPU二級控制；采用VAL專用語言；可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng)時是一種技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)機器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)大體上是以此為基礎(chǔ)的。 　　這一時期的機器人屬于“示教再現(xiàn)

3、”（Teach-in / Playback）型機器人。只具有記憶、存儲能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，但對周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。這種機器人被稱作第一代機器人。 　　進(jìn)入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機器人—有感覺的機器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的部分有關(guān)信息，進(jìn)行一定的實時處理，引導(dǎo)機器人進(jìn)行作業(yè)。第二代機器人已進(jìn)入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 　　第三代機器人是目前正在研究的“智能機器人”。它不僅具有比第二代機器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要

4、求與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作[16]。 1.2 機器人的定義和基本組成 1.2.1機器人的描述和定義 自動機械，就是我們平日所說的“機器人”。 要強調(diào)的一點是，要步入到機器人的殿堂并不是那么困難，機器人這個領(lǐng)域并不是那么高不可攀。我們可以不去理會其他人對機器人的注解，我們可以按照我們自己的喜好來理解：例如可以理解成“能實現(xiàn)一定的功能的機械設(shè)備”，也可以理解成“能在一定程度上代替人工的設(shè)備”等等。例如，我們可以認(rèn)為汽車的雨刷，就是一只最簡單的機械臂(其實它具備至少一個自由度)，等等。實際上，許多機器人的功能都不難做到，但因為它是“自動”機械，因為它是“機器人”，因此很少有人會想“我也可以做

5、”。 機器人的外形并不都象人，它可以是任何合適的形狀，也可以是任何需要的形狀，例如很多移動機器人就被設(shè)計成小車的形狀，還有些能鉆進(jìn)管道內(nèi)進(jìn)行檢測的機器人，被設(shè)計成圓柱形，還有的潛水機器人被設(shè)計成潛艇的形狀，等等。 機器人可以是全部自動的，也可以是全部由人來操縱的。例如大家都非常熟悉的避障小車、走迷宮的小車、足球機器人等，都是全自動沒有人去干預(yù)其動作的。再如特警用來拆除炸彈的小車，雖然是由操縱人員在遙控操作，但也都叫機器人。 由于“機器人”這種叫法太過籠統(tǒng)，且容易讓人誤解，還有把機器人叫做智能機械的，但很多機器人并不具備任何智能，因此在本文中的機器人也可認(rèn)為是

6、“自動機械”，表示“具有一定自動能力的機械”。 世界上對自動機械研究和應(yīng)用水平最高的是位于西太平洋上的一個島國，他們的擁有量、使用時間、應(yīng)用范圍等記錄都是全球最高的，目前國內(nèi)也有許多設(shè)備是從他們那里進(jìn)口的，普遍是些不夠先進(jìn)而又極為昂貴的，而且還沒有足夠的技術(shù)資料，還被用于關(guān)系國計民生的關(guān)鍵項目上，對國家和人民的安全極為不利。因此，大力發(fā)展我們自己的自動機械是非常必要的，也是非常迫切的，我們都應(yīng)該為此來貢獻(xiàn)自己的力量。 我國的自動機械起步比較晚，目前的整體水平與世界水平還有相當(dāng)大的差距，設(shè)計能力、應(yīng)用水平都急待提高，以降低國民勞動力強度，減少國民工作時的危險性，提高生產(chǎn)效

7、率，增強我軍的戰(zhàn)斗力，并與我國的國際大國地位相襯。 由于研究的側(cè)重點不同，對于機器人的定義，國際上目前尚未有明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。綜合各種定義，可將機器人理解為：機器人是一種在計算機控制下的可編程的自動機器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要，它具有至少一項或多項擬人功能，另外還可能程度不同地具有某些環(huán)境感知能力（如視覺、力覺、觸覺、接近覺等），以及語言功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。 1.2.2機器人的基本組成 機器人一般由以下部分組成： （1）機械本體 　　機器人的機械本體機構(gòu)基本上分為兩大類：一類是操作本體機構(gòu)，它類似人的手臂和手腕，配上各種手爪與末端

8、操作器后可進(jìn)行各種抓取動作和操作作業(yè)，工業(yè)機器人主要采用這種結(jié)構(gòu)。另一類為移動型本體結(jié)構(gòu)，主要目的是實現(xiàn)移動功能，主要有輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動、變形運動等機構(gòu)。壁面爬行、水下推動等機構(gòu)也可歸于這一類。 （2）驅(qū)動伺服單元 　　機器人本體機械結(jié)構(gòu)的動作是依靠關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動，而大多數(shù)機器人是基于閉環(huán)控制原理進(jìn)行的。伺服控制器的作用是使驅(qū)動單元驅(qū)動關(guān)節(jié)并帶動負(fù)載超減少偏差的方向動作。已被廣泛應(yīng)用的驅(qū)動方式有，液壓伺服驅(qū)動、電機伺服驅(qū)動，近年來氣動伺服驅(qū)動技術(shù)也有一定進(jìn)展。 （3）計算機控制系統(tǒng) 　　各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計算機計算后，在各采樣周期給出。主計算機根據(jù)示

9、教點參考坐標(biāo)的空間位置、方位及速度，通過運動學(xué)逆運算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)的指令值?！　⊥ǔ５臋C器人采用主計算機與關(guān)節(jié)驅(qū)動伺服計算機兩級計算機控制，有時為了實現(xiàn)智能控制，還需對包括視覺等各種傳感器信號進(jìn)行采集、處理并進(jìn)行模式識別、問題求解、任務(wù)規(guī)劃、判斷決策等，這時空間的示教點將由另一臺計算機上級計算機根據(jù)傳感信號產(chǎn)生，形成三級計算機系統(tǒng)。 （4）傳感系統(tǒng) 　　為了是機器人正常工作，必須與周圍環(huán)境保持密切聯(lián)系，除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置傳感器（稱作內(nèi)部傳感器）外，還要配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）以及傳感信號的采集處理系統(tǒng) （5）輸入/輸出系統(tǒng)接口 　　為了

10、與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進(jìn)行聯(lián)系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通訊接口和人機通信裝置。工業(yè)機器人提供一內(nèi)部PLC，它可以與外部設(shè)備相聯(lián)，完成與外部設(shè)備間的邏輯與時實控制。一般還有一個以上的串行通訊接口，以完成磁盤數(shù)據(jù)存儲、遠(yuǎn)程控制及離線編程、雙機器人協(xié)調(diào)等工作。一些新型機器人還包括語音合成和識別技術(shù)以及多媒體系統(tǒng)，實現(xiàn)人機對話[4]。 1.3國內(nèi)外機器人的總體現(xiàn)狀 1.3.1國外機器人的總體現(xiàn)狀 美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，比起號稱"機器人王國"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。 日本在汽車、電

11、子行業(yè)大量使用機器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠以價廉的絕對優(yōu)勢進(jìn)軍號稱“汽車王國”的美國市場，并且向機器人誕生國出口日本產(chǎn)的實用型機器人。此時，日本價廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國市場……這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機器人，增大了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追。 1.3.2國內(nèi)機器人的總體現(xiàn)狀 我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教

12、再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。 國內(nèi)因為整體科技水平、價格、通用性等因素，造成目前民用領(lǐng)域的自動機械幾乎是空白，比如我們經(jīng)常可以看到工人們揮汗如雨地搬運物件、冒著生命危險清洗高樓外墻，等等。然而，由于我國自動機械的設(shè)計技術(shù)

13、劣勢，以及經(jīng)濟狀況的落后，加上整體科技素質(zhì)不高，造成目前人們找不到能解決問題的機械設(shè)備可供采購，或者因為價格昂貴而無法使用，或者不會使用。因此若要提高我國民用領(lǐng)域的自動機械應(yīng)用水平和規(guī)模，最迫切的就是設(shè)計生產(chǎn)出夠用、便宜、易操作、美觀的產(chǎn)品。比如把設(shè)備往現(xiàn)場一放，它就能自動把指定的東西搬到需要的地點；把設(shè)備玻璃幕墻上一貼，它就會自動把玻璃擦干凈——平時只需要更換它的清潔劑、清潔刷、對電池充電等操作——這樣一來，人們才更容易接受它，并且才有熱情來使用它，從而才能迅速地提高我國的民用自動機械的應(yīng)用水平和范圍。 1.4農(nóng)業(yè)采摘機器人的基本現(xiàn)狀 1.4.1國外機器人的基本現(xiàn)狀 農(nóng)業(yè)機器人作為機器

14、人的一種類型，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、微電乓計算機和自動控制等技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的集中體現(xiàn)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程自動化、智能化的重要標(biāo)志。果實收獲是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，為提高勞動生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量，降低勞動強度，改善工作環(huán)境，實現(xiàn)收獲作業(yè)機械化、自動化和智能化，基于果實生物學(xué)特性與栽培方式的收獲機械人得到了發(fā)展。目前，日本、美國、荷蘭等國家已研制了多種收獲機器人，主要用于收獲番茄、黃瓜、草萄、葡萄、西瓜、甜瓜、蘋果、柑橘、甘藍(lán)等蔬菜和水果。本文設(shè)計了3.5自由度果實收獲機械手，并對其具體機械結(jié)構(gòu)建模及雙目視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 從1983年第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來，采摘機器人的研究和開發(fā)己經(jīng)

15、歷了近20年。日本和歐美等發(fā)達(dá)國家相繼立項研究用于采摘蘋果、柑桔、西紅柿、葡萄等水果的智能機器人。到1997年底，國外開發(fā)的一系列果品蔬菜收摘機器人均研制出了樣機[26]。 圖1-1為日本的N " Kondo等人研制的黃瓜采摘機器人，采用三菱MITSUBISHIRV E2六自由度工業(yè)機器人，利用CCD攝像機，根據(jù)黃瓜比其葉莖對紅外光的反射率高的原理來識別黃瓜和葉莖。收獲時，先把黃瓜抓住，用接觸傳感器找出柄，然后剪斷。 圖1-1 圖1-2 圖1-2為韓國Kyungpook大學(xué)所研制的蘋果采摘機器人，其機械手

16、工作空間可以達(dá)到3m,具有4自由度，包括3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)。采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，內(nèi)有壓力傳感器避免損傷蘋果。利用CCD攝像機和光電傳感器識別果實。日本Kyoto大學(xué)研制出一個5自由度液壓驅(qū)動的機器人用于收獲西瓜，它包括機器手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和行走裝置，如圖I-4。西瓜生長在地面上，因此機器手由5個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，它能保證機械手的工作空間(包含地面)。 如圖1-3，為日本Okayama大學(xué)研制的5自由度葡萄采摘機器人。此機器人應(yīng)用于葡萄的培訓(xùn)系統(tǒng)。關(guān)節(jié)由DC伺服電機驅(qū)動。 圖1-3 圖

17、1-4 1.4.2國內(nèi)機器人的基本現(xiàn)狀 從國內(nèi)農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展和應(yīng)用來看，我國農(nóng)業(yè)機器人的研究處于起步階段，研究和應(yīng)用的農(nóng)業(yè)機器人主要有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的自動嫁接機器人，填補了我國自動嫁接技術(shù)的空白，還有吉林工業(yè)大學(xué)與吉林農(nóng)業(yè)研究所研制的除草機器人和上海交通大學(xué)開發(fā)的草毒揀選機器人。我國采摘機器人技術(shù)的研究起步更是較晚，目前主要有浙江大學(xué)對番茄收獲機器人有所研究，還有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對草莓收獲機械人在圖像識別上有所研究。 1.5農(nóng)業(yè)采摘機器人的研究意義 水果采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)，其季節(jié)性強、勞動量大且費用高。與此同時，采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞還直接影響到產(chǎn)品的后續(xù)加

18、工和儲存。如何以低成本獲得高品質(zhì)的產(chǎn)品是水果生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必須重視和考慮的問題。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動化程度仍然很低。目前國內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行。而21世紀(jì)，農(nóng)業(yè)勞動力將逐漸向社會其它產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，世界各國面臨著人口老化問題，勞動力不足將逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高，這樣會大大降低產(chǎn)品的市場競爭力。更重要的是溫室內(nèi)環(huán)境舒適度較差，收獲作業(yè)勞動強度大，研究農(nóng)業(yè)機器人，特別是果實收獲機器人具有重要意義。 從經(jīng)濟方面分析，以番茄采收為例，手工采收3-5人每小時只能收獲I噸果實，機械采收6-15人在收割機上工作，每小時可采收20--30噸。手工

19、分級每組要10-20人，如果用電子顏色分級機，每組只需7個人。番茄能夠采收的時期分為8種顏色期，果實收獲機器人可以按照預(yù)定收獲標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)果實的顏色進(jìn)行多次采收，保證了同期采摘果實成熟的均勻度，同時提高了采收效率與產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，節(jié)省勞力，提高工作速度，具有良好的經(jīng)濟效益。 目前，國外番茄收獲機械手處于研究階段。普通大番茄機械手收獲率為91%，采摘速度為4個/分，櫻桃希茄機械手收獲率為70%，采摘速度為12^20個/分(Naoshi Kondo. 1998 )。機械手是番茄收獲機器人的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其工作性能對機器人的收獲率和收獲速度具有重要的影響，同時為了減少工作過程中機械手對番茄植株和其他

20、未采摘或未成熟果實的損傷，避障問題仍需進(jìn)一步研究。因此移動式番茄收獲機械手機械設(shè)計與性能優(yōu)化研究對實現(xiàn)果實智能化收獲具有重要意義。 第2章 總體設(shè)計 2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則 （1）經(jīng)濟效益高，設(shè)計、制造成本低廉，使用價值高是設(shè)計追尋的目標(biāo)。在設(shè)計中 應(yīng)盡量多的采用標(biāo)準(zhǔn)件，以減少制造成本。同時保證產(chǎn)品的主要性能，盡量加長產(chǎn)品的服役期限，以達(dá)到更高的性價比與盡可能低的投入產(chǎn)出比。另外，還應(yīng)該注意到，本機器人用于果實采摘這樣的場合，機械手相比較焊接機器人等工業(yè)機器人其運轉(zhuǎn)精度可以適當(dāng)降低，這樣一來就可以降低整機的制造成本。 （2）安全

21、可靠，本設(shè)計雖然作為果實采摘的機械執(zhí)行，考慮到設(shè)備的執(zhí)行部分存在有利刃計的剪切刀具，所以在設(shè)計中首先要采取相應(yīng)的措施來把刀具對人的傷害降到最低。保證在刀具；另外，系統(tǒng)本身應(yīng)盡量少受外界環(huán)境影響，而且在受到較大的影響時應(yīng)具有一定的魯棒性。 （3）操作維護(hù)方便，從人與機的關(guān)系來看，一件好的產(chǎn)品的操作應(yīng)該盡量方便。操 作方便主要表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握，不要求操作者掌握多么復(fù)雜的技術(shù)。在維修方面體現(xiàn)在便于查找故障，易于排除故障。 （4）適用范圍廣，產(chǎn)品在設(shè)計時應(yīng)考慮到盡量多的使用場合，本設(shè)計不僅可以用用來采摘果實、園藝剪枝，還可以在換裝操作手之后進(jìn)行田間噴施藥物等其他操作，以此來擴大

22、產(chǎn)品的適用范圍，以增加經(jīng)濟效益。 2.2 總體設(shè)計方案 本設(shè)計主要的應(yīng)用環(huán)境為農(nóng)場、果園、園林景觀等，要能盡可能的完成果實采摘、修剪枝條的功能，便要求機械手具有充足的運動范圍，較快的運轉(zhuǎn)速度，以及較好的適應(yīng)性。同時，為了減小驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，在滿足上述條件下，應(yīng)盡量減小整體的尺寸和重量。人們期望的商品都是物美價廉的，因此，還要降低機器人的成本，達(dá)到這一目的的有效途徑是，在保證功能的條件下，簡化結(jié)構(gòu)，采用恰到好處的設(shè)計。 在能源方面，可以采用燃料燃?xì)饣蛘呤请娔茉?。相比燃料燃?xì)?，電是一種沒有污染、使用方便的能源，而且，采用電力驅(qū)動，能極大的減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和重量、尺寸等，因此采用蓄電池能源

23、。另外考慮到機械手臂的執(zhí)行部分必須依靠汽缸工作，所以應(yīng)配備有氣瓶。 機械本體是一個機械回轉(zhuǎn)手臂，回轉(zhuǎn)機械手的設(shè)計應(yīng)盡可能緊湊。為了增強其穩(wěn)定性，采用滾珠花鍵作為回轉(zhuǎn)臂的支撐兼驅(qū)動結(jié)構(gòu)。驅(qū)動機械臂回轉(zhuǎn)的動力執(zhí)行元件是一對直齒圓柱齒輪。其中較大的齒輪只具有沿軸向一個平動自由度，在該自由度方向上隨機械臂上下運動并始終保持與小齒輪的嚙合，其沿軸回轉(zhuǎn)的自由度被如圖 的結(jié)構(gòu)所限制，所以相對于滾珠花鍵始終保持上下運動而不可以轉(zhuǎn)動。通過回轉(zhuǎn)臂上小齒輪的轉(zhuǎn)動，整個機械臂被驅(qū)動圍繞滾珠花鍵軸回轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)一個回轉(zhuǎn)自由度和一個上下平動自由度?；剞D(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如圖2-1。 圖2-1 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 在控制方面，采用

24、價格相對便宜但功能強大的單片機來完成。單片機系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功能強大等特點，只要合理的設(shè)計起外圍電路，便能很好的完成本系統(tǒng)的控制工作。為了實時采集路況信息，擬采用超聲波傳感器。其中商品導(dǎo)購的數(shù)據(jù)庫部分由微機來承擔(dān)，不事先編好的數(shù)據(jù)庫存到微機里，就可以達(dá)到導(dǎo)購的目的。 總之，整個機械手臂的結(jié)構(gòu)包括垂直升降自由度與回轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動部分、沿臂長伸縮自由度驅(qū)動部分和剪切機構(gòu)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2-2： 圖2-2小車總體結(jié)構(gòu) 2.3 功能及技術(shù)參數(shù)設(shè)計 參考其他移動式服務(wù)機器人產(chǎn)品，結(jié)合本設(shè)計特點，擬定以下設(shè)計參數(shù)，以便設(shè)計參考。參數(shù)如下： 機械臂本體長度<900m

25、m，機械臂本體寬度<150mm，機械臂本體高度<1000mm，重量<100kg（滿貨物） 機械臂速度：10m/min（超市等有人環(huán)境）；20m/min（空曠環(huán)境） 蓄電池容量盡量大。 使用壽命：5年，一天8小時中有60%的時間在運行。 2.4 系統(tǒng)的模塊化及關(guān)鍵問題 根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計，可以把整個系統(tǒng)劃分為垂直升降自由度與回轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動部分、沿臂長伸縮自由度驅(qū)動部分和剪切機構(gòu)部分，各個部分需要解決的問題分別為： 垂直升降自由度與回轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動部分（以下稱為部件1）：如何使機械臂結(jié)構(gòu)活動靈活，并且結(jié)構(gòu)緊湊。 沿臂長伸縮自由度驅(qū)動部分（以下稱為部件2）：在盡可

26、能緊湊輕便的原則下使機械臂具有沿臂長方盡可能遠(yuǎn)地伸縮其執(zhí)行部分（剪切機構(gòu)），為剪切機構(gòu)部分能夠順利工作提供工作條件。 剪切機構(gòu)部分（以下稱為部件3）：能夠為機械手順利摘取果實或者剪切枝條提夠足夠的剪斷力，并且其剪刀的張合角度可以通過調(diào)整螺母與汽缸滑座進(jìn)行調(diào)整，以便于機械手的安裝調(diào)試和在后續(xù)的工作中更加適應(yīng)各種工況。 其中，垂直升降自由度與回轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動部分是本設(shè)計成敗的關(guān)鍵，如何在盡可能緊湊的原則下設(shè)計出同時具有兩個自由度的運轉(zhuǎn)機構(gòu)是擺在面前的一個關(guān)鍵問題。 2.5 本章小結(jié) 本章對于本設(shè)計便攜式果實采摘機器人的工作原理和適用范圍進(jìn)行簡要介紹，并根據(jù)起特點來確定本設(shè)計的總體設(shè)計方案，又

27、通過各種工作要求，對各個部件對比分析來確定機構(gòu)的設(shè)計和選擇。 第3章 機械系統(tǒng)的設(shè)計 3.1電動機的選擇 3.1.1選用步進(jìn)電機的原因 步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。同時用單片機控制步進(jìn)電機比較方便，因此本設(shè)計選用步進(jìn)電機作

28、動力源。 3.1.2步進(jìn)電機的工作原理 （1）反應(yīng)式步進(jìn)電機 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒（1，2，3，4，5），電機定子有三個勵磁繞阻（A，B，C），A與齒1相對齊，B與齒2錯開1/3τ，C與齒3錯開2/3τ，A與齒5相對齊...。將定子和轉(zhuǎn)子展開如圖3.1： ????????????????????????????? ?圖3.1 步進(jìn)電機定子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 如A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊；如B相通電，A、C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3τ，此時齒3與C偏移為1/3τ，齒4與A偏移2/3τ；如C相通電，A、B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時

29、轉(zhuǎn)子又向右移過1/3τ，此時齒4與A偏移為1/3τ對齊；如A相通電，B、C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3τ。 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電，齒4移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A、B、C、A...通電，電機就向右旋轉(zhuǎn)；如按A、C、B、A……通電，電機就向左轉(zhuǎn)。由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電脈沖數(shù)和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。 ??? 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮，往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3τ改變?yōu)?/6τ。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3τ變?yōu)?/12τ，1/24τ，

30、這就是電機細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。但經(jīng)過理論分析及大量的實驗證明：細(xì)分?jǐn)?shù)如果超過10，電機帶負(fù)載后，就會產(chǎn)生跳步和失步現(xiàn) （2）感應(yīng)式步進(jìn)電機（永磁式） 感應(yīng)式步進(jìn)電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)式步進(jìn)電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機則不能如此。 ??

31、?? 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用[12]。 3.1.3步進(jìn)電機的計算選擇 在這里只針對驅(qū)動機械臂垂直移動的步進(jìn)電機（以下稱為垂直驅(qū)動電機）（見圖紙GCJ.1）進(jìn)行計算選擇，其余步進(jìn)電機選擇同理。 在各種摩擦系數(shù)中，靜摩擦系數(shù)最大，根據(jù)文獻(xiàn)[12]查得鋼與鋼的滾動摩擦系數(shù)為0.001，靜摩擦系數(shù)為0.1-0.12。在實際中，使用滾珠花鍵可以使驅(qū)動元件之間的摩擦為滾動摩擦，滾動摩擦系數(shù)比靜

32、摩擦系數(shù)小得多，從而使驅(qū)動的動力要求降低，同時對電池的要求也會降低，這樣一來系統(tǒng)的性能就會得到提高。初設(shè)機械臂的可北抬升的部分的最大重量為12kg，該部分包括部件1中的兩個滾珠花鍵套筒、整個部件2與整個部件3，電機沿力臂方向的力為，滾珠絲杠的傳動效率為η=0.98。所有這些運動部件均由垂直驅(qū)動電機驅(qū)動運轉(zhuǎn)，而該電機又是通過對滾珠絲杠的直接驅(qū)動來完成上述過程的。已知滾珠絲杠的導(dǎo)程為5mm，螺紋公稱直徑16mm，所以，當(dāng)從靜止啟動時，電機所承受的最大力距由： （3-1） 得：

33、 （3-2） 滾珠絲杠螺紋公稱直徑d=16mm，所以必需的電機轉(zhuǎn)矩M為： （3-3） 所以當(dāng)由靜止啟動時，步進(jìn)電機根據(jù)設(shè)計預(yù)想所需要的最大轉(zhuǎn)距即為 為了使整機結(jié)構(gòu)緊湊，重量做到最小，并考慮到實際工作載荷很小，在步進(jìn)電機與滾珠絲杠的連接上不用齒輪減速只采用圓柱螺紋銷緊固的方法，以此避免齒輪與聯(lián)軸器使用，從而到達(dá)減重的目的。 根據(jù)查文獻(xiàn)[18]，選用57BYG006型步進(jìn)電機，其主要

34、電氣特性如下： 電機型號： 57BYG006 類型： 四項混合式 線電流： 0.34A 驅(qū)動電壓：24.14V 最大靜轉(zhuǎn)矩： 4.4 線電阻： 71Ω 線電感： 90mH 重量： 0.42kg 最大空載啟動轉(zhuǎn)速：360rad/min 步距角： 1.8° 實物尺寸見圖3.2： 圖3.2 57BYG350B/A型步進(jìn)電機安裝尺寸[10] 3.2 齒輪的設(shè)計與校

35、核 3.2.1設(shè)計任務(wù) 確定一種能滿足功能要求和設(shè)計約束的較好設(shè)計方案，包括： 一組基本參數(shù)： 等。 主要幾何尺寸：等。 3.2.2選擇齒輪材料、熱處理方式及計算許用應(yīng)力 (1) 選擇齒輪材料、熱處理方式 按使用條件，屬低速、低載、重要性和可靠性一般的齒輪傳動?？蛇x用軟齒輪，也可以選用硬齒面齒輪?，F(xiàn)在選用軟齒面齒輪，并具體選用： 小齒輪：40Cr，調(diào)制處理，硬度為260~286HBS； 大齒輪：45號鋼，調(diào)制處理，硬度為230~255HBS。 (2) 確定許用應(yīng)力 確定極限應(yīng)力和 齒面硬度：小齒輪按260HBS，大齒輪按190HBS。查機械設(shè)計手冊[24]得

36、 。 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù) 壽命取最大時，循環(huán)次數(shù)N很大，查機械設(shè)計手冊得 ； 。 計算許用應(yīng)力 查機械設(shè)計手冊得 ， （3-9） （3-10） （3-11） （3-12） 3.2.3確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸 (1)選擇齒輪類型 根據(jù)齒輪傳動的工作條件（低速、低載等），可選用直齒圓柱齒輪傳動，也可選用斜齒圓柱齒輪傳動?，F(xiàn)選用直齒圓柱齒輪傳動。 (2)選擇齒輪精度等級 按估計的圓周速度，查表

37、初步選用8級精度。 (3)初選參數(shù) 初選： (4) 初步計算齒輪的主要尺寸 計算時，還需首先確定系數(shù)：。 因電動機驅(qū)動，工作機載荷平穩(wěn)，??；因齒輪速度不高，?。灰蜉S的剛性較小，取，則。 查機械設(shè)計手冊得；；取。 可初步計算出齒輪的分度圓直徑、m等主要參數(shù)和幾何尺寸： =30 （3-13） 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=1,則 =90 mm （3-14）

38、 （3-15） 取 ，。 (5) 驗算齒輪彎曲強度條件。 由齒數(shù) 查機械設(shè)計手冊得 取 計算彎曲應(yīng)力： （3-16） 同理： 。 通過以上的驗證，齒輪傳動合格。 3.3本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容為動力傳動方案的具體計算與選擇，通過原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算確定電機的型號和齒輪的各主要參數(shù)。 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 總體設(shè)計 本機器人的避障原理是：利用超聲波測距的原理，通過向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應(yīng)的返回聲波脈沖，對障礙物進(jìn)行判斷;通過以單片機為核心的控制器實現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理

39、返回脈沖信號的基礎(chǔ)上加以判斷，選定相應(yīng)的控制策略;通過驅(qū)動器驅(qū)動兩步進(jìn)電機，帶動驅(qū)動輪，從而實現(xiàn)避障功能。因此，從原理上整個機器人的控制系統(tǒng)可以分為5部分：傳感器部分、主控制器部分、驅(qū)動部分、人機接口部分及與上位機（PC）的串行通訊部分，其中，人機接口部分包括鍵盤輸入和顯示 各部分的功能分別如下： 傳感器部分：本部分的主要擔(dān)負(fù)障礙物的檢測檢測，為機器人的行走提供實時可靠的路況信息，由超聲波傳感器組成。 主控制器部分：本部分有單片機及其外圍電路構(gòu)成，是整個控制系統(tǒng)的中心，所有的信息將在這里被加以辨識、處理，并根據(jù)處理的結(jié)果，反饋給其它部分，進(jìn)行相應(yīng)的操作。 驅(qū)動部分：負(fù)責(zé)步進(jìn)電機的驅(qū)動。

40、 人機接口部分：顧名思義，本部分是人與控制系統(tǒng)“溝通”的橋梁。其中，鍵盤用于輸入系統(tǒng)所需的參數(shù)等；顯示部分主要用于顯示系統(tǒng)參數(shù)、提示等；語音部分主要用于提示行人。 串行通訊部分：主要用于系統(tǒng)與PC機的通訊，采用RS232串行通訊協(xié)議。 4.2超聲波傳感器測距的基本原理 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動機器人能自動避障行走，就

41、必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器[10]?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.1，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，

42、壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了 圖 4.1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 超聲波是一種具有一定頻率范圍的聲波，它具有在一種媒質(zhì)中以恒定速度傳播的特性，而在不同的媒質(zhì)界面處會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)檢測到的發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，來確定距離的長短，從而達(dá)到測量距離的作用。這就是超聲波測距的原理。具體的計算公式如下： (m)

43、 （4-1） 其中，S為障礙物與吸塵器之間的距離。 v為超聲波在空氣中的傳輸速率 t為發(fā)射波與發(fā)射波的時間差 由于v要受到氣溫的影響，為了得到精確的結(jié)果，必須加以補償。對速度的補償公式如下： (m/s) （4-2） 其中，T表示空氣的絕對溫度[22]。 4.3 基于MSC51單片機的主控系統(tǒng)設(shè)計 4.3.1 8051單片機簡介 單片機是把CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接

44、口等部件制作在同一塊芯片上，構(gòu)成的一個完整的微型計算機。MCS-51系列是INTEL公司1980年推出的8位高檔單片機，它是MCS-48的增強型產(chǎn)品，它的出現(xiàn)直接與HMOS工藝有關(guān)，并提高了芯片的集成度，增加了多種片內(nèi)硬件功能，并擴展了功能單元的種類和數(shù)量。由于其出色的功能，現(xiàn)在已經(jīng)普遍的應(yīng)用在工業(yè)界中。MCS-51的主要功能如下[18]： 為一般控制用的8位單片機； 芯片內(nèi)部有時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可達(dá)12MHZ）； 內(nèi)部只讀存儲器（ROM）為4K字節(jié)； 內(nèi)部隨機存儲器（RAM）為128字節(jié)； 外部只讀存儲器可擴展到64K字節(jié)； 外部隨機存儲器可擴展到64K字節(jié)； 32條

45、雙向I/O口線，且每條都可以單獨做I/O控制； 5個中斷向量源；

46、

47、

48、 2組獨立的16為定時/計數(shù)器； 1個全雙工串行通訊端口； 8751及8752單片機具有數(shù)據(jù)保密功能； 單片機提供邏輯運算指令[14]。 4.3.2 8051基本控制電路及復(fù)位電路設(shè)計 8051的程序代碼可以使用內(nèi)部4k字節(jié)的空間來執(zhí)行，也可以使用外接程序ROM來執(zhí)行。圖4-2為8051單片機的基本工作電路，8051的EA腳連接5V電源，表示由片內(nèi)ROM來提供程序代碼，如果接地，則表示由外部ROM來提供程序。此電路可以使用的單片機有89C51及8751，而程序的測試方法可以使用ICE或是直接燒錄單

49、片機。 幾乎所有的單片機都需要復(fù)位電路，對復(fù)位電路的基本要求是：在單片機上電時能可靠復(fù)位，在下電時能防止EEPROM中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機系統(tǒng)在工作時，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機現(xiàn)象導(dǎo)致單片機系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機本身的看門狗定時器（有些單片機無看門狗定時器）外，還需外加個看門狗電路；除此以外，有些單片機系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉電的發(fā)生往往是很隨機的，因而此類單片機系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時能告知單片機。MAXIM公司推出的MAX813L剛好能滿足這些要求。圖中MAX813L的第(1)腳與第(8)腳相連

50、。第(7)腳接單片機的復(fù)位腳（AT89C51的第(9)腳）；第(6)腳與單片機制P16相連。在軟件設(shè)計中，P16不斷輸出脈沖信號，如果因某種原因單片機進(jìn)入死循環(huán)，則P16無脈沖輸出。于是1.6s后在MAX813L的第(8)腳輸出低電平，該低電平加到第(1)腳，使MAX813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于限值4.65V時，MAX813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止因電源電壓較低進(jìn)單片機產(chǎn)生錯誤的動作[14]。 電源故障輸入PFI通過一個電阻分壓器監(jiān)測未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng)PFI低于1.25

51、V時，電源故障輸出腳第5腳PFO變低，可引起AT89C51中斷進(jìn)行電源故障處理，或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來。把分壓接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對電源故障告警。 圖 4.2 單片機基本電路及復(fù)位電路 4.3.3控制系統(tǒng)的內(nèi)存擴充設(shè)計 本設(shè)計除了現(xiàn)有的功能之外，還有很大的擴充余地，比如在超市中應(yīng)用時，可以為顧客提供實時導(dǎo)航的功能，導(dǎo)航信息通過液晶進(jìn)行圖形顯示，或者向顧客進(jìn)行友好的語音提示。當(dāng)然，這樣做便意味著需要更多的內(nèi)存空間及更多的I/O。圖4-3是具有內(nèi)存及I/O功能擴充的控制電路。 圖4.3 8051外接程序ROM控制電路 使用此電路由以下一些優(yōu)點： 單片機可以使

52、用便宜的8031，89C51及8751都很貴； 程序代碼可以擴充至64K字節(jié)； 程序代碼由外接的EPROM提供，可以使用便宜的ROM模擬器做程序測試； 可擴充外部數(shù)據(jù)內(nèi)存； 可擴充外部I/O控制接口，如8255、LCD、A/D及D/A接口。[2] 本電路設(shè)計的目的是希望盡量利用8051的尋址空間而是控制程序可以寫的很大，并考慮使用高級的C語言來編寫程序，所以應(yīng)考慮外部程序代碼與內(nèi)存空間分開來設(shè)計8051I/O擴充是以內(nèi)存應(yīng)對（Memory Map）方式來控制，也就是把外部I/O地址作為內(nèi)存的一部分來讀取數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)。 外部數(shù)據(jù)內(nèi)存線路圖請參考圖4-4，SRAM的選擇使用6116（

53、2K×8）或6264（8K×8）或62256（32K×8），可以使用跳線來設(shè)定，如表4.1： 表4.1 外部數(shù)據(jù)存儲器的設(shè)定 SRAM編號 容量 跳線設(shè)定 6116 2K JP4，5ON 6264 8K JP4，6ON 62256 64K JP3，6ON 在解碼方面為求簡化，采用部分解碼來控制，由A15來控制CS（芯片選擇）信號。當(dāng)A15是“0”，則選取外部數(shù)據(jù)內(nèi)存SRAM中的地址。 程序EPROM的設(shè)計考慮4種狀態(tài)，腳位都為28PIN，首先看看4種EPROM的異同點，如表4.2： 表4.2 EPROM比較 EPROM型號 容量 地址線 引

54、腳27 引腳1 2764 8K×8 A0-A12 PGM Vpp 27128 16K×8 A0-A13 空接 Vpp 27256 32K×8 A0-A14 A14 Vpp 27512 64K×8 A0-A15 A14 A15 圖4.4 內(nèi)存電路原理圖 其中，PGM引腳為燒錄EPROM時接低電位，平時正常操作接高電為，Vpp引腳為提供燒錄的高壓脈沖，平時也應(yīng)接高電位，因此可以使用2只短路插座來做各種EPROM的使用調(diào)整。如表4-3： 表4.3 EPROM的設(shè)定 EPROM型號 容量 跳線設(shè)定 2764 8K×8 JP1，2

55、OFF 27128 16K×8 JP1，2 OFF 27256 32K×8 JP1 ON 27512 64K×8 JP1，2 ON ON表示接點短路，否則由提升電阻而拉至高電位。而EPROM的OE（輸出使能） 引腳則由PSEN信號來控制，CE（芯片使能）引腳直接接地即可。 4.3.4 RS232通信接口設(shè)計 8051本身提供一個全雙工的傳輸接口，是由TXD(11引腳)來傳送串行數(shù)據(jù)，而由RXD(10引腳)來接收數(shù)據(jù)的，其工作邏輯電位都為TTL電位（5V、0V），如果要與PC做串行數(shù)據(jù)傳輸或連接控制用必須經(jīng)過RS232信號（+12V、-12V）電平的轉(zhuǎn)換。目前市面上

56、已有現(xiàn)成的TTL到RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片，IC編號為ICL232或MAX232，只要外加四只電容器，便能完成接口電路的電位轉(zhuǎn)換工作了。 圖4-5是設(shè)計在電路板上的RS232通信接口電路，通過MAX232轉(zhuǎn)換出來的RS232串行信號再連至J10 D9 PIN插座與外部PC連接，便可建立RS232通信接口。 圖4.5 RS232通信接口電路圖 4.3.5 I/O及鍵盤電路的擴展 由于在8051的基本電路中擴展了外部程序ROM，P0及P2端口必需作為系統(tǒng)總線信號使用，為了有更多的I/O口，以連接更多的外部電路，所以擴充一塊可編程的I/O控制芯片8255。8255是一塊可編程多功能

57、I/O接口控制芯片，不但能提供一般輸入輸出端口，還可以規(guī)劃為交互式控制。圖4-6是其接線圖，8255的控制信號有RD、WR、A0、A1、RESET及CS。前5個信號分別連接至8051系統(tǒng)相對應(yīng)的控制信號上，A0、A1選取8255的4個內(nèi)部控制寄存器，即端口A、B、C及控制字。而CS信號控制整塊芯片的工作，其解碼地址為8000H-8003H。當(dāng)CS=0時，數(shù)據(jù)線D0-D7與8051 數(shù)據(jù)總線接通；當(dāng)CS=1時，數(shù)據(jù)線則呈現(xiàn)高阻狀態(tài)與系統(tǒng)總線隔離開來。8255的A、B、C三個端口分別做步進(jìn)電機驅(qū)動、鍵盤接口等用途。 在控制電路中，通常需要以按鍵來輸入數(shù)據(jù)或控制程序流程，如果按鍵數(shù)目不多時，可以使

58、用一個按鍵對應(yīng)一條輸入位線，但當(dāng)按鍵較多時，通常以矩陣掃描的方法來做按鍵檢測，在圖4-16中，使用8255的端口C8條I/O線做16個按鍵的鍵盤掃描，由PC0-PC3送出掃描信號，而由PC4-PC7讀取按鍵數(shù)據(jù)返回代碼。 圖4.6 8255、鍵盤及中斷擴展圖 在控制電路中，8255的C端口8條I/O線做16個按鍵的掃描，由PC.0-PC.3送出掃描信號，而由PC.4-PC.7讀取按鍵返回代碼。編程時，以程序掃描的方式來檢測哪一按鍵按下，一次掃描一行4個按鍵，掃描的順序如下： （1）送出掃描信號1110以掃描C1行，讀取按鍵數(shù)據(jù)，判斷改行是否有按鍵按下，若有按鍵按下，則連結(jié)被按下

59、的鍵返回狀態(tài)為0。 （2） 送出掃描信號1101以掃描C1行，讀取按鍵數(shù)據(jù)，判斷改行是否有按鍵按下。 （3） 送出掃描信號1011以掃描C1行，讀取按鍵數(shù)據(jù)，判斷改行是否有按鍵按下。 （4） 送出掃描信號0111以掃描C1行，讀取按鍵數(shù)據(jù)，判斷改行是否有按鍵按下。 （5） 返回1繼續(xù)掃描[14]。 以上步驟連續(xù)重復(fù)，如有鍵按下，就將該按鍵解碼出來，程序見附件。 4.4 超聲波測距模塊的設(shè)計[19] 如圖4-7所示的電路圖。圖中顯示了其中一對傳感器的接線圖，傳感器的發(fā)射端接到8255 PB3端口，接收端接到INT1，由8255PB口不斷輸出40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號，超聲波發(fā)送

60、脈沖如圖4-8所示。脈沖寬度約為125μs～200μs，即在一個調(diào)制脈沖內(nèi)包5～8個40kHz的方波。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離及測量通道數(shù)。若在有效測距范圍內(nèi)有被測物的話，則在后一路超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一路發(fā)同的反射波，否則認(rèn)為前一路無被測物。因此按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時間。例如：最大測距范圍為5m時，脈沖間隔時間t=2s/v=2×5/340≈30ms，實際應(yīng)取t≥30ms。 系統(tǒng)中共設(shè)置了4個超聲波傳感器，裝在機器人的前部，型號為HM-UR/1，其測試角度可達(dá)50°，檢測距離為1.5m到15m。當(dāng)檢測到障礙物時，會立即引起中斷，執(zhí)行中斷處理。機械臂自

61、動轉(zhuǎn)向其他方位。 圖4.7 超聲波測距電路圖 圖4.8 超聲波發(fā)射脈沖及一個通道工作時序圖 4.5 步進(jìn)電機控制板的設(shè)計 步進(jìn)電機是工業(yè)過程控制及儀表控制的主要控制元件之一。它有以下特點： 可以直接接受數(shù)字信號，不需進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換； 具有快速啟、停能力； 精度高，步距角可由每步90°至0.36°； 步進(jìn)電機由于高精度而不用傳感器，故定位準(zhǔn)確。 在設(shè)計中，使用2個3相步進(jìn)電機，分別驅(qū)動機器人的左右兩個輪子。由于步進(jìn)電機屬于電感設(shè)備，為了防止電磁干擾，在系統(tǒng)與電機之間采用三極管型光-電隔離。圖4.9是一個步進(jìn)電機的接線圖。步進(jìn)電機的A、B、C三個繞組經(jīng)光電耦合后分別接

62、于8255的PA0、PA1、PA2口（另一個接于PA3、PA4、PA5口）。 圖4.9 三相步進(jìn)電機接線圖 設(shè)計中步進(jìn)電機用來驅(qū)動小車，因而控制程序較為簡單。根據(jù)小車參數(shù)，步距角為3°，其轉(zhuǎn)速為20r/min，可求出該電機每分鐘轉(zhuǎn)過的角度為： 設(shè)定步進(jìn)電機按三拍工作，每秒需要的拍數(shù)為： 拍 因而每兩拍之間需要延時： 4.6 電源模塊的設(shè)計 電機需要36V電壓，因而直接接到蓄電池上，而控制系統(tǒng)需要+5V電壓，需要經(jīng)過降壓。使用DC-DC型電源模塊LUCENT/12V把電壓降到12V，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓之后，可以得到穩(wěn)定的5V直流電壓。電路圖如

63、圖4.10所示。 圖4.1 控制系統(tǒng)電源圖 4.7 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是對機械結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，通過機器人所需要做的動作與運動范圍，選用單片機及各種電路的設(shè)計。 結(jié) 論 本設(shè)計對果實采摘機器人機械本體的機構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計計算，主要在機械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計取得了比較多的收獲。由于同類型的機器人研究文獻(xiàn)中對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計部分的研討比較少，且只有機器人主體外型圖可供參考而無詳細(xì)工程圖，在對此類文獻(xiàn)進(jìn)行的研讀時發(fā)現(xiàn)許多回轉(zhuǎn)機械臂的實現(xiàn)方式多通過整臂相對基架的回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，對學(xué)校實驗室內(nèi)的機械臂進(jìn)行觀察也發(fā)現(xiàn)其機械臂為整臂

64、回轉(zhuǎn)形式，但對于農(nóng)用便攜式機械設(shè)備來說，如果采用這種類型的結(jié)構(gòu)，必將加大整個機械臂的轉(zhuǎn)動慣量，無疑會增打機器的驅(qū)動功率，這樣一來機器的重量也會增加，不利于便攜式設(shè)計思想的實現(xiàn)。所以本機擯棄以往機械臂的經(jīng)典形式，采用與機架相固定連接的滾珠花鍵作為機械臂的回轉(zhuǎn)中心，最大程度減少回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量，用實際結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了便攜式設(shè)計的理念。 為了使整機更加緊湊，便攜性更加突出，在整機設(shè)計上使用了Solid Edge三維設(shè)計，這使得結(jié)構(gòu)尺寸更容易控制，整個機械臂的重量精確控制在6kg以內(nèi)。在設(shè)計中積累了不少設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計水平得到了提高。 這個設(shè)計之中，主要涉及到了齒輪類零件的設(shè)計計算、以及步進(jìn)電機、

65、傳動系統(tǒng)等的設(shè)計計算，還涉及到了單片機外圍電路的擴展以及控制程序的設(shè)計與編寫。但是由于我個人能力和時間有限，致使設(shè)計之中還有許多缺陷。這些缺陷包括： （1） 機械臂的局部結(jié)構(gòu)有待于進(jìn)一步改進(jìn)，如驅(qū)動回轉(zhuǎn)步進(jìn)電機的安裝位置等； （2） 整車的外部造型有待于改進(jìn)； （3） 控制部分有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善； 參考文獻(xiàn) [1]馬翔，朱世強，吳海彬. 智能吸塵器的開發(fā)及設(shè)計.電子技術(shù)應(yīng)用，2000，8：6-8 [2]Williams R N. A Painless guide to CRC error detection algorithms[Z]

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