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掃地
機器人
三維設(shè)計
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掃地機器人三維設(shè)計好,掃地,機器人,三維設(shè)計
- 內(nèi)容簡介：
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1 機器人簡史現(xiàn)代機器人起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機器人。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用氣驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機器人就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)機器人。1962年，美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機器人，原意是靈活搬運。該機器人的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用氣驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機器人出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機器人發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型機器人，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。美國還十分注意提高機器人的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機器人試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機器人，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機器人，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機器人，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機器人清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機器人后，大力研究機器人的研究。據(jù)報道，1976年從事機器人的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1979年120多個大學(xué)和國家研究部門用在機器人的研究費用42%。1979年日本機器人的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機器人產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機器人約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機器人累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機器人最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。第二代機器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機器人具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機器人。第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器手（機器人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。2 應(yīng)用機器人的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。在機械工業(yè)中，應(yīng)用機器人的意義可以概括如下：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機器人有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機器人即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機器人代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機器人代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機器人可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機器人，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機器人，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。各類機器人的圖形分別如下所示：3 本課題研究的內(nèi)容 本論文主要研究運用SolidWorks對掃地機器人進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，了解掃地機器人的結(jié)構(gòu)特征和三維軟件的使用要領(lǐng)。本文的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一種掃地機器人，該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)隨機清掃，交叉清掃，床底清掃，防撞等等多種功能，其研究內(nèi)容包括：（1）功能分析與方案設(shè)計；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維造型；（3）控制系統(tǒng)設(shè)計。4 掃地機器人總體方案結(jié)構(gòu)的設(shè)計4.1 掃地機器人的總體方案圖本次設(shè)計的掃地機器人采取的方案是：在機器人的兩側(cè)各布置一組毛刷，成對稱分布，通過電動機通過齒輪傳動控制動力輪轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的移動動作。根據(jù)控制方法的不同，機器人的轉(zhuǎn)速或者方向也有所不同。整機采用成本低廉且經(jīng)久耐用的塑料作為材料，經(jīng)過噴漆噴塑處理后在外觀上面得到了一定的保證。其具體方案布局圖如下：4.2 掃地機器人的工作原理 本次設(shè)計的掃地機器人的工作原理為：通過電動機通過傘齒輪傳動控制動力輪轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的移動動作，根據(jù)控制方法的不同，機器人的轉(zhuǎn)速或者方向也有所不同。1、清掃模式：隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實現(xiàn)全方位立體清掃；2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動規(guī)劃清掃路線；3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測；4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實現(xiàn)床底清掃，手機遙控模式，尖端氣流濾塵技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒；5、其他基礎(chǔ)功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測5 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 5.1電機的選型計算 估算整個掃地機器人中零件的重量，我們?nèi)】傊亓繛?0Kg，范圍為50mm200mm，動力輪轉(zhuǎn)速為12r/min。即： 具體的電機設(shè)計計算如下:N=0.18(KW)G電機的負載傳動效率，取0.75所以根據(jù)N0.10kw，n1500r/min，查B1表10-4-1選用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4電機的結(jié)構(gòu)。 5.2齒輪的設(shè)計計算為節(jié)省機器人本體的空間，我們將電機直接與齒輪相連，其動力通過兩對齒輪減速然后傳遞至動力輪。經(jīng)減速器減速后，其輸出轉(zhuǎn)矩為，符合要求；其輸出額定轉(zhuǎn)速為208，需要一級加速齒輪傳動，我們選用圓柱直齒輪傳動，其傳動比根據(jù)其速度與輸出轉(zhuǎn)矩而定；為滿足輸出轉(zhuǎn)速能達到5，我們選用稍大的傳動比，初選，由轉(zhuǎn)矩進行驗證，故，滿足要求。1.傳動軸的設(shè)計（1）驅(qū)動軸的設(shè)計選取軸的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，按扭轉(zhuǎn)強度來確定軸的最小直徑。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：式中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（MPa） 軸所受的扭轉(zhuǎn)（） 軸的抗扭截面系數(shù)（） 軸的速度（） 軸傳遞的功率（） 計算截面處軸的直徑（）許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（MPa）見表3.3由上式可得軸的直徑式中表 軸常用幾種材料的及值軸的材料Q235-A、20Q275、354540Cr、35SiMn152520352545354514912613511212610311297根據(jù)表5.1，取A0=100，于是得。因軸上將開三個鍵槽，軸徑應(yīng)增大15%24%。故。軸的最小直徑為驅(qū)動輪的安裝處，為增強軸的承載能力，取。 擬定軸上零件的裝配方案如圖3.3所示：圖3.3 軸的結(jié)構(gòu)方案軸的直徑和長度的確定：a、-軸段左端需制出一軸肩，故取-段的直徑；右端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑。驅(qū)動輪與軸配合的轂孔長度為，為了保證軸端擋圈只壓在驅(qū)動輪端面上而不壓在軸的端面上，故-軸段長度應(yīng)比略短一些，現(xiàn)取。 b、選擇滾動軸承：因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)，初步選取深溝球軸承6004，其尺寸為。-軸段的長度為軸承寬度、軸套底厚、擺臂安裝厚及軸向固定的彈性擋圈安裝厚度之和，根據(jù)總裝配設(shè)計，軸套厚度約為，擺臂厚度約為，彈性擋圈的安裝尺寸為，彈性擋圈右端軸肩長度取，故-軸段的長度為。-軸段的直徑需小于軸承內(nèi)圈外徑，且大于軸承安裝內(nèi)徑，故初取-軸段直徑，箱體與肋板內(nèi)壁間的距離為，軸承安裝需內(nèi)伸，故現(xiàn)取。 c、取齒輪，齒輪安裝處的軸段-的直徑初步就取軸承安裝內(nèi)徑。齒輪與軸承之間采用軸套固定，軸套長度取；齒輪與齒輪之間也采用軸套固定，軸套長度??；齒輪寬度初取為，齒輪寬度取，故其總長。軸段-左端采用擋圈固定，為了保證軸端擋圈只壓在齒輪端面上而不壓在軸的端面上，故-軸段長度應(yīng)比略短一些，現(xiàn)取。 至此，已初步確定了軸的各段直徑與長度。軸的周向固定：齒輪，齒輪及驅(qū)動輪與軸之間都采用平鍵聯(lián)接，各段軸的直徑，及各安裝零件寬度，由手冊查得齒輪處選用平鍵為，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為（標(biāo)準鍵長見）；同時為了保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；同樣，齒輪與軸的聯(lián)接，選用平鍵為，齒輪與軸的配合為；驅(qū)動輪與軸的聯(lián)接，選用平鍵為，驅(qū)動輪與軸的配合為。滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為。軸的載荷分析：軸的受力分析（如圖3.5）：取，則；a、b、c、d、e處由于各部件都在箱體上，故其在垂直方向上沒有徑向力約束，只作為內(nèi)力來考慮。故有，即。軸上最小直徑是處，其受力最大，故最危險截面是在處。其彎矩為。其扭矩為應(yīng)略大于車體的摩檫扭矩，取。按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度：（a） 驅(qū)動軸受力圖（b） 垂直方向受力圖 （c） 水平方向受力圖圖3.5 驅(qū)動軸受力圖式中抗彎截面系數(shù) 則 前已選定材料為，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)機械設(shè)計手冊查得，因此，安全。（2）從動軸的設(shè)計從動軸的設(shè)計直接采用驅(qū)動軸大概尺寸，其他只是根據(jù)需要在適當(dāng)?shù)牡胤礁?，在強度方面絕對安全；另一方面從設(shè)計制造的角度，有利于節(jié)省時間，使得工藝變得簡單。2.傳動齒輪的設(shè)計（1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)。1)選用圓柱直齒輪傳動，因速度不高用7級精度（GB10095-88）2)材料選擇：由機械設(shè)計表10-1選擇小齒輪材料為（調(diào)質(zhì)），硬度為，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為，二者材料硬差為。機械設(shè)計表10-1 常用齒輪材料及其力學(xué)特性 3)選取小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)：，取。（2）按齒面接觸強度設(shè)計即：1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 試選載荷系數(shù)Kt=1.3。 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 由機械設(shè)計表10-7選取齒寬系數(shù)。 由機械設(shè)計表10-6差得材料的彈性影響系數(shù) 由機械設(shè)計圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的疲勞強度極限 設(shè)每年工作時間按300天計算 由機械設(shè)計圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1。 機械設(shè)計表10-7 圓柱齒輪的齒寬系數(shù)d裝置狀況兩支承相對于小齒輪做對稱布置兩支承相對于小齒輪做不對稱布置小齒輪做懸臂布置d 0.9-1.4(1.2-1.9) 0.7-1.15(1.1-1.65) 0.4-0.6機械設(shè)計表10-6彈性影響系數(shù) 齒輪材料彈性模量MME/MP 配對齒輪材料灰鑄鐵球墨鑄鐵鑄鋼鍛鋼夾布塑膠11.817.320.220.60.785鍛鋼162.0181.4188.9189.856.4鑄鋼161.4180.5188球墨鑄鐵156.6173.9灰鑄鐵143.7 機械設(shè)計圖10-19 接觸疲勞壽命系數(shù)2） 計算 試計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小值 因裝配需要，需增加其外徑尺寸，取 計算圓周速度v 計算齒寬b ，而電機軸安裝受限，需減小其尺寸， 故初選。 計算齒寬與齒高之比 模數(shù) 齒高 ，分度圓直徑 計算載荷系數(shù) 根據(jù)v=1.48m/s,7級精度，由機械設(shè)計圖10-8查的動載系數(shù)=1.07； 直齒輪，; 由機械設(shè)計表10-2查得使用系數(shù)=1； 由機械設(shè)計表10-4用插值法查得7級精度，小齒輪做懸臂布置時，=1.196 。由=5.33，=1.196查機械設(shè)計圖10-13得=1.17；故載荷系數(shù) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度園直徑由試得=74=73.09mm 計算模數(shù)m 。 M=73.09/37=1.975機械設(shè)計表10-2 使用系數(shù)載荷狀態(tài)工作機器原動機電動機、均勻運轉(zhuǎn)的蒸汽機、燃氣輪機蒸汽機、燃氣輪機液壓裝置多缸內(nèi)燃機單缸內(nèi)燃機均勻平穩(wěn)發(fā)電機、均勻傳遞的帶式輸送機或板式輸送機、螺旋輸送機、輕型升降機、包裝機、機床進給裝置、通風(fēng)機、均勻密度攪拌機等1.001.101.251.50輕微沖擊不均勻傳送的帶式輸送機或板式輸送機。機床的主傳動機構(gòu)、重型升降機、工業(yè)與礦用風(fēng)機、重型離心機、便密度材料攪拌機等1.251.351.51.75中等沖擊橡膠擠壓機、橡膠和塑膠做間斷工作的攪拌機、輕型球磨機、木工機械、鋼胚初扎機、提升裝置、單缸活塞泵等1.501.601.752.00嚴重沖擊挖掘機、重型球磨機、橡膠揉合機、破碎機、重型給水泵、旋轉(zhuǎn)式鉆探裝置、壓磚機、帶材冷軋機、壓柸機1.751.852.002.25或更大 (3)按齒根彎曲強度設(shè)計： 1）確定計算參數(shù)由機械設(shè)計圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限查得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN10.85，KFN20.88計算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取彎曲疲勞安全系數(shù)S1.4 計算載荷系數(shù)查取齒形系數(shù)查應(yīng)力校正系數(shù)計算大，小齒輪的并加以比較大齒輪的數(shù)值大2）設(shè)計計算對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，取足夠滿足彎曲強度和接觸疲勞強度。（4）幾何尺寸計算1）計算大、小齒輪的分度圓直徑 2）計算中心距 3）齒輪寬 5.3掃地機器人的功能概述 本次設(shè)計的掃地機器人，主要具有如下功能：1、清掃模式：隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等相結(jié)合，實現(xiàn)全方位立體清掃；2、智能導(dǎo)航系統(tǒng)：實現(xiàn)對房間地形的重構(gòu)，自動規(guī)劃清掃路線；3、智能安全監(jiān)控：防撞，防跌落，防纏繞，電池電量監(jiān)測；4、創(chuàng)新功能：灰塵量識別，實現(xiàn)床底清掃，手機遙控模式，尖端氣流濾塵技術(shù)，室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測與提醒；5、其他基礎(chǔ)功能：自動返回并充電，灰塵盒安裝檢查，灰塵盒容量探測。5.3.1 掃地機器人的清掃模式清掃模式包括隨機清掃、螺旋式清掃、交叉清掃、沿邊清掃、定點清掃、預(yù)約清掃等。隨機清掃是指根據(jù)地面狀況在其他幾種清掃模式之中進行切換；螺旋式清掃是指繞圈清掃的模式；交叉清掃是指在不同的區(qū)域之間交叉穿梭來清掃，也可以稱為Z字形清掃；沿邊清掃是沿著房間的邊界進行清掃；定點清掃是指在指定的位置小范圍內(nèi)清掃；預(yù)約清掃是指每天在指定的時間自動清掃，可以預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約清掃時間，可以放心上班和出差，也可以自動打掃。5.3.2 智能導(dǎo)航系統(tǒng)掃地機器人的智能導(dǎo)航實質(zhì)就是路徑自動規(guī)劃。掃地機器人路徑自動規(guī)劃有兩種方法：隨機式全區(qū)域覆蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋。隨機式全區(qū)域覆蓋方法控制簡單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡單，易于實現(xiàn)。但其缺點是移動機器人運行軌跡重復(fù)性較大，且運行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個區(qū)域，這種路徑規(guī)劃只考慮完成任務(wù)，沒有考慮到時間消耗和能量消耗情況，因此選擇規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋方法。此設(shè)計中選擇往返式路徑規(guī)劃方法。往返式路徑規(guī)劃清掃路徑的規(guī)則為當(dāng)掃地機器人置于室內(nèi)時，可通過超聲波測距傳感器的信息來判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，則先設(shè)為它沿某一方向運動到靠近墻邊的某一點。機器入就可從墻邊的某一點開始，按順時針方向繞墻運動一周，先對室內(nèi)墻邊地面進行一次預(yù)清掃。掃地機器人在繞完一圈后再向左或向右行走到墻壁的最左端或者最右端，以此來作為它清擋路徑的起始點，也即絕對坐標(biāo)的原點。先假設(shè)室內(nèi)只有一個孤立的障礙物，以房屋左下角O點為起始點。開始清掃時，從O點勢始沿Y軸正方向清掃，遇到墻壁時向右原地旋轉(zhuǎn)90o，向X軸正方向移動一個車身后再向右旋轉(zhuǎn)90o，沿Y軸負方向清掃，以此往復(fù)運動。當(dāng)遇到障礙物時，則按下面的方法進行規(guī)劃和避障：當(dāng)清潔機器人運動到障礙物的最左邊點時，根據(jù)步進電機的脈沖數(shù)和驅(qū)動輪光柵的脈沖數(shù)計算出最左邊點的坐標(biāo)。然后根據(jù)超聲波測距傳感器收到的信息沿著障礙物邊緣行進相當(dāng)于X軸方向一個車身的距離，再原地旋轉(zhuǎn)到Y(jié)軸負方向，沿Y軸負方向繼續(xù)清掃，這樣一直往返清掃，當(dāng)掃地機器人在沿障礙物邊緣清掃時超聲波傳感器突然收不到信號即到達了障礙物的最右端點，掃地機器人將原地一直向左旋轉(zhuǎn)直到超聲波傳感器再次收到信號為止，然后沿障礙物的上邊沿行進到障礙物的最左端點，再沿Y軸方向進行往返清掃，行進路徑和障礙物下邊沿的行進路徑類似。這樣就可以在清掃過程中自動避開障礙物。5.4 齒輪的強度校核（）校核齒面接觸疲勞強度（1）接觸應(yīng)力的計算由文獻4表可知，齒面接觸應(yīng)力計算公式，即 （3.28） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 計算載荷系數(shù) 電動機驅(qū)動，載荷平穩(wěn)，由文獻4表可知，取平均分度圓直徑 mm 平均分度圓圓周速度 m/s由文獻4 圖（a）可知，按，得；由文獻4 圖（b）可知，按，齒輪懸臂布置，；由文獻4表可知，； 由文獻1表可知，彈性系數(shù)； 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 計算得， MPa（1） 接觸疲勞強度的許用應(yīng)力由文獻4 表可知，許用接觸應(yīng)力計算公式，即 （3.29）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 小齒輪的接觸疲勞強度極限MPa 最小安全系數(shù) 由文獻1，10-13可知，計算應(yīng)力循環(huán)系數(shù) 由文獻1 圖10-19可知，查得接觸疲勞壽命系數(shù) ， 尺寸系數(shù) 工作硬化系數(shù)，按 潤滑油膜影響系數(shù)，計算得， MPa（3）由于MPaMPa，故安全。（）校核齒根彎曲疲勞強度（1）齒根應(yīng)力的計算由文獻4表可知，彎曲應(yīng)力計算公式，即 （3.30）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 由文獻1表可知， ， 由文獻1表可知， ， 計算得， MPa（2）彎曲強度的齒根許用應(yīng)力 由文獻4表可知，齒根許用應(yīng)力計算公式，即 （3.31）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 彎曲疲勞極限MPa 齒輪的應(yīng)力修正系數(shù) 彎曲強度的最小安全系數(shù) 彎曲疲勞壽命系數(shù) ， 彎曲疲勞的尺寸系數(shù)計算得， （3） 由于MPaMpa，故安全。6掃地機器人的智能控制系統(tǒng)6.1MC9S12XS128芯片介紹S12XS系列單片機是在S12XE系列基礎(chǔ)上去掉XGate協(xié)處理器的單片機。該系列單片機采用S12X V2 CPU內(nèi)核；擁有112、80和64引腳3種封裝形式，80-pinLQFP貼片封裝已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)的需要，因此選用80-pin引腳封裝器件，芯片如圖6.1所示。圖6.1 芯片封裝圖最小系統(tǒng) 以MC9S12XS128B芯片為核心的最小系統(tǒng)，如圖1-3所示。該系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：時鐘電路、串口電路、BDM接口、供電電路、復(fù)位電路和調(diào)試用LED燈。 圖6.2 最小系統(tǒng)圖1、晶振及鎖相環(huán)芯片外部使用16MHZ無源晶振，通過鎖相環(huán)將總線時鐘倍頻到64MHZ。晶振電路如圖3.2所示。圖6.3晶振電路圖2 復(fù)位電路本系統(tǒng)采用了一般的復(fù)位電路對CPU進行復(fù)位。復(fù)位電路如圖3.4所示。圖6.4 復(fù)位電路圖6.2 攝像頭傳感器 6.2.1 攝像頭傳感器的選擇 1、CMOS攝像頭CMOS的缺點是圖像質(zhì)量較CCD差，動態(tài)性能不是很好。但CMOS的優(yōu)點是體積小，像素陣列可以和信號處理器集成在一起，由于集成了內(nèi)部信號處理器，所以可以設(shè)置參數(shù)，故CMOS芯片一般可以直接同步輸出數(shù)字信號和時序信號。 CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量雖然較CCD的差，像素較低，但是對于智能車控制已經(jīng)完全足夠了。 2、CCD攝像頭 CCD攝像頭運動方案的優(yōu)點是圖像質(zhì)量高，動態(tài)性能好，可以更遠更早地感知賽道的變化，分辨率高，識別路徑參數(shù)多；缺點是數(shù)據(jù)量大，需要較大的存儲空間，數(shù)據(jù)處理時間比較長，信號處理比較復(fù)雜，另外CCD工作電壓為12V，需用斬波升壓電路或DC-DC升壓得到12V電源。且體積大，能耗高無法和外圍信號處理電路集成。根據(jù)兩者的比較決定使用CCD攝像頭。雖然CCD會數(shù)據(jù)量大而且耗電大，但是排除影響不會太大的因素選擇CCD，其在高速運動中成像質(zhì)量較好的，黑白壓差比較大，攝像頭豐富的信息量為小車的最佳控制提供了保證。而我們這次的系統(tǒng)是使用索尼牌彩色CCD攝像頭。6.2.2 傳感器的工作方式攝像頭有一定的分辨率，攝像頭是以每秒掃描25幀圖像，沒幀又分奇、偶兩場，每場掃描周期20ms。以隔行掃描的方式采集環(huán)境上的點，每幅圖像都可以通過傳感器對該點的圖像灰度值與灰度值一一對應(yīng)的電壓值，都是通過視頻信號輸出此電壓值，其中所看到的電壓值白板的會比黑板的高。攝像頭的視頻同步信號是通過LM1881后，分離出場同步信號、行同步信號和視頻信號。行同步脈沖是掃描換行的標(biāo)志，場同步脈沖式掃描換場的標(biāo)志，標(biāo)志著先得一場的到來，一場信號的開始包含一場消隱區(qū)，有25個無效的同步信號，之后是285個有效行。視頻信號可以通過單片機的A/D口來讀值。 圖 6.5 視頻信號的分離 圖 6.6 攝像頭示波器上視頻信號6.3 電源模塊7.2V2000mAh Ni-cd穩(wěn)壓電路單片機LCD編碼器電機舵機5V6V7.2VDA模塊攝像頭12VV電源管理單元是本系統(tǒng)硬件設(shè)計中的一個重要組成單元。圖6.7 電源的管理其主要用于以下三個方面： (1)、常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源（LM2940 、7805 、S7350等）。電路圖如圖3.8所示圖6.8 LM2940 、 TPS7350電路圖(2)、使用穩(wěn)壓管LM7806將電池7.2伏穩(wěn)壓到6伏后給轉(zhuǎn)向舵機供電，電路圖如圖3.6所示。圖6.9 LM7806電路圖(3)攝像頭傳感器12v。 圖6.10 12V電源6.4其余的電路 6.4.1 直流驅(qū)動電機控制 圖 6.11 電機驅(qū)動電路圖在電機驅(qū)動上，我們的要求是盡量使電機可以通過最大的電流，而且內(nèi)阻小。經(jīng)過我們反復(fù)試用，最后使用英飛凌的BTS7970B的半橋驅(qū)動芯片。芯片的負載電流可以達到43A，而內(nèi)阻只有16m。BTS7960是應(yīng)用于電機驅(qū)動的大電流半橋高集成芯片，它是 NovalithICTM 系列的成員之一，它的一個封裝中集成了一個 P 通道場效應(yīng)管 在上橋臂和一個 N 通道場效應(yīng)管在下橋臂以及一個控制集成電路。由于上橋臂采用的是 P 通道開關(guān)。它帶有一個P溝道的 高邊MOSFET、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動IC。P溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求, 因而減小了EMI。集成的驅(qū)動IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、 斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能。 6.4.2 舵機控制單元本系統(tǒng)舵機控制單元采用組委會提供的Futaba公司S3010型舵機作為智能車轉(zhuǎn)向控制部件。舵機采用PWM信號開環(huán)控制，實驗證明：舵機的開環(huán)轉(zhuǎn)向力矩足夠，可以滿足給定PWM信號與角度的一一對應(yīng)，控制電路簡單且能滿足控制要求。其硬件電路如圖3.12所示。舵機的工作電壓為6伏左右，輸出一定占空比的PWM信號，舵機相應(yīng)輸出一定轉(zhuǎn)角。圖3.12轉(zhuǎn)向伺服舵機控制電路舵機的控制信號線與MC9S12XS128的PWM2和PWM3合并口即將2個8位PWM信號寄存器合并作為一個16位的寄存器進行輸出相連，加大PWM信號控制范圍，精度加大。本系統(tǒng)采用當(dāng)作PWM23給舵機作控制信號輸入口。6.4.3 撥碼開關(guān)電路 圖 3.12 撥碼開關(guān)電路 在單片機中使用撥碼開關(guān)，可以方便我們不需要在線改變數(shù)據(jù)就可以改
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