畢業(yè)設(shè)計(jì) 智能輪型機(jī)器人機(jī)構(gòu)及伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、智能輪型機(jī)器人機(jī)構(gòu)及伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要本文首先對機(jī)器人的國內(nèi)為開展現(xiàn)狀做了介紹，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對機(jī)器人的整體方案進(jìn)行了分析，包括幾何尺寸、驅(qū)動(dòng)芯片的選擇和程序的編制。然后從機(jī)器人性能要求的角度出發(fā)，分別對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式、模型結(jié)構(gòu)和車體成型方式做了比較，最終確定了非完整約束輪驅(qū)四輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)模型后輪同軸驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向的輪型機(jī)器人。文章對移動(dòng)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的可行性分析及設(shè)計(jì)，并且做了相應(yīng)的計(jì)算、校核，主要包括：驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)和轉(zhuǎn)向輪電機(jī)的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核；前后減震系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和車體的一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。并且針對本設(shè)計(jì)所研究的機(jī)器人，設(shè)計(jì)了伺服系統(tǒng)模塊。

2、本設(shè)計(jì)中，采用增量式光電編碼器測量移動(dòng)機(jī)器人后輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而通過特定算法得到實(shí)時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的PWM控制量，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。最后，本文對所作研究和主要工作進(jìn)行了總結(jié)，并將設(shè)計(jì)的輪型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，可控制性高，平安性高，到達(dá)了本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞： 輪式移動(dòng)機(jī)器人(WMR)；硬件；非完整約束；伺服系統(tǒng)模塊Intelligent Wheeled Mobile Robot DesignAbstractIn this paper the development of robot profiles and classification

3、made a presentation According to the design requirements of the robots overall program for the analysis, including geometry, rapid movement, anti-jamming, operability and maintainability. Then robot performance requirements from the perspective, the robots movement, Model structure and body molding

4、form of a comparison, finalization of non-refoulement integrity constraint round four mobile model - coaxial rear-wheel drive nose wheel steering the robot vehicle Based on a mobile robot hardware architecture done a detailed feasibility analysis and design, and the corresponding calculation, checki

5、ng, including driving wheel motor and steering wheel and the choice of motor drive circuit design; Gear design and verification; Selection and battery charging circuit programming; sensing part of the design; before and after the shock absorber systems, and to design the body and some mechanical str

6、ucture design. It should also study the design of the robot, to discuss the design of the system reliability Finally, we made to research and the main work of summing up and robot design models of the structure of the joint debugging. Experimental results show that the system is stable, reliable, an

7、d can be controlled, safe, meeting the requirements of Design Keywords： Wheeled Mobile Robot (WMR)；Hardware；Nonholonomic Constraints；Driver Module 不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印目 錄摘要 Abstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc230278538 第1章 緒 論1 HYPERLINK l _Toc230278539 1.1 國內(nèi)外可移動(dòng)機(jī)器人的開展現(xiàn)狀 PAGEREF _

8、Toc230278539 h 1 HYPERLINK l _Toc230278540 1.2 移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) PAGEREF _Toc230278540 h 2 HYPERLINK l _Toc230278541 1.3 方案分析及設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc230278541 h 4 HYPERLINK l _Toc230278542 1.4 論文主要完成工作 PAGEREF _Toc230278542 h 4 HYPERLINK l _Toc230278543 第2章 輪型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc230278543 h 5 HYPERLINK l _Toc230

9、278544 2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇 PAGEREF _Toc230278544 h 5 HYPERLINK l _Toc230278545 2.2 輪型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的選擇 PAGEREF _Toc230278545 h 6 HYPERLINK l _Toc230278546 2.3 輪型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪組成 PAGEREF _Toc230278546 h 7 HYPERLINK l _Toc230278547 2.3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 PAGEREF _Toc230278547 h 8 HYPERLINK l _Toc230278548 2.3.2 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核 PAGEREF

10、_Toc230278548 h 12 HYPERLINK l _Toc230278549 2.3.3 變速箱體及后減震 PAGEREF _Toc230278549 h 17 HYPERLINK l _Toc230278550 2.3.4 驅(qū)動(dòng)車輪及輪轂 PAGEREF _Toc230278550 h 19 HYPERLINK l _Toc230278551 2.4 輪型機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪組成 PAGEREF _Toc230278551 h 21 HYPERLINK l _Toc230278552 2.4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 PAGEREF _Toc230278552 h 22 HYPERLINK l

11、_Toc230278553 2.4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及前減震機(jī)構(gòu) PAGEREF _Toc230278553 h 24 HYPERLINK l _Toc230278554 2.4.3 前車體及電池箱 PAGEREF _Toc230278554 h 25 HYPERLINK l _Toc230278555 2.4.4 轉(zhuǎn)向輪胎和輪轂 PAGEREF _Toc230278555 h 26 HYPERLINK l _Toc230278556 2.5 機(jī)器人受力分析及如何保證加速度最優(yōu) PAGEREF _Toc230278556 h 26 HYPERLINK l _Toc230278557 2.6 系統(tǒng)可

12、靠性設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc230278557 h 27 HYPERLINK l _Toc230278558 第3章 輪型機(jī)器人伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc230278558 h 29 HYPERLINK l _Toc230278559 3.1 輪型機(jī)器人伺服系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc230278559 h 29 HYPERLINK l _Toc230278560 3.2 步進(jìn)電機(jī)控制 PAGEREF _Toc230278560 h 29 HYPERLINK l _Toc230278561 3.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 PAGEREF _Toc230278561

13、h 29 HYPERLINK l _Toc230278562 3.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc230278562 h 30 HYPERLINK l _Toc230278563 3.2.3 程序控制流程及代碼 PAGEREF _Toc230278563 h 32 HYPERLINK l _Toc230278564 3.3 直流電機(jī)控制 PAGEREF _Toc230278564 h 34 HYPERLINK l _Toc230278565 3.3.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 PAGEREF _Toc230278565 h 35 HYPERLINK l _Toc23027

14、8566 3.3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc230278566 h 36 HYPERLINK l _Toc230278567 3.3.3 直流電機(jī)PWM調(diào)速 PAGEREF _Toc230278567 h 37 HYPERLINK l _Toc230278568 3.3.4 閉環(huán)反響控制模塊 PAGEREF _Toc230278568 h 38 HYPERLINK l _Toc230278569 3.3.5 程序控制流程及代碼 PAGEREF _Toc230278569 h 39 HYPERLINK l _Toc230278570 結(jié) 論 PAGEREF _Toc230

15、278570 h 45 HYPERLINK l _Toc230278571 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc230278571 h 46 HYPERLINK l _Toc230278572 附 錄 PAGEREF _Toc230278572 h 54 HYPERLINK l _Toc230278573 致 謝 PAGEREF _Toc230278573 h 60 緒 論千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域，然后“更新整個(gè)目錄。打印前，不要忘記把上面“Abstract這一行后加一空行國內(nèi)外可移動(dòng)機(jī)器人的開展現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。早在60年代，就己

16、經(jīng)開始有關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及許多方面，首先，要考慮移動(dòng)方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對于水下機(jī)器人，那么是推進(jìn)器。其次，必須考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人到達(dá)期望的行為。第三，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃，對于后者，有更多的方面要考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。囚此，移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。由于對移動(dòng)機(jī)器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于它在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、核、化污染等危險(xiǎn)與惡劣壞境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景，

17、使得對它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。國外在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究起步較早，不管是在應(yīng)用還是在研究方面，日本和美國都處于遙遙領(lǐng)先的地位。美國國家科學(xué)委員會(huì)曾預(yù)言:20世紀(jì)的核心武器是坦克。21世紀(jì)的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，其中2000年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊(duì)，并走向戰(zhàn)場。為此，從80年代開始，美國國防高級(jí)研究方案局(DARPA)專門立項(xiàng)，制定了地面無人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略方案。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕。初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。雖然由于80年代對機(jī)器人的智能行為期望過高，導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未到達(dá)預(yù)期的

18、效果，但是卻帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的開展，為探討人類研制智能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也推動(dòng)了其它國家對移動(dòng)機(jī)器人的研究與開發(fā)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的根底上，開拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。如由美國NASA資助研制的“丹蒂II八足行走機(jī)器人，是一個(gè)能提供對高移動(dòng)性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)器人，1994年在斯拍火山的火山口中進(jìn)行了成功的演示。美國NASA研制的火星探測機(jī)器人索杰那于1997年登上火星。為了在火星上進(jìn)行長距離探險(xiǎn)，又開始了新一代樣機(jī)的研制，命名為Rocky/，并在Lavic湖的巖溶流上和枯槁的湖床上進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)。此外，在民用方面，可移動(dòng)

19、機(jī)器人在國外己被廣泛用于掃除、割草、室內(nèi)傳送、導(dǎo)盲、導(dǎo)游、導(dǎo)購、室內(nèi)外清洗和保安巡邏等各個(gè)方面。另外，國外還在高完整性機(jī)器人，遙控移動(dòng)機(jī)器人，環(huán)境與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的集碩I:論文輪式機(jī)器人控制問題的研究成，生態(tài)機(jī)器人學(xué)，多機(jī)器人系統(tǒng)等方面作了大量的研究國內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究起步較晚，大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要的研究工作有: 清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過鑒定。涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究(準(zhǔn)結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃);基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究(基于多種傳感器信息

20、的“感知一動(dòng)作行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動(dòng)作行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導(dǎo)航控制);路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究(基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬);傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究(差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù)、信息融合技術(shù));智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(智能移動(dòng)機(jī)器人THMR-IH的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng))。此外，還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和效勞機(jī)器人、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV和防爆機(jī)器人、中國

21、科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等。總之，近年來移動(dòng)式機(jī)器人的研究在國內(nèi)也得到很大的重視，并且在某些方面的研究取得豐碩的成果。 移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)移動(dòng)機(jī)器人要想走向?qū)嵱?，必需擁有能勝任的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力，并具有既平安而又友好地與人一起工作的能力。移動(dòng)機(jī)器人的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。適應(yīng)性是指機(jī)器人具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力(主要通過學(xué)習(xí))，不但能識(shí)別和測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并做出正確的判斷及操作和移動(dòng)等能力;自主性是指機(jī)器人能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工

22、作步驟和工作方式;交互是智能產(chǎn)生的根底，交互包括機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人及機(jī)器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。因此，在移動(dòng)機(jī)器人研究中，關(guān)鍵在于以下幾個(gè)方面：1.機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當(dāng)前，對足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆匍_展從阿波羅登月方案中的月球車到美國最近推出的碩士論文輪式機(jī)器人控制問題的研究NASA行星漫游方案中的六輪采樣車，從西

23、方各國正在加緊研制的戰(zhàn)場巡邏機(jī)器人、偵察車到新近研制的管道清洗檢測機(jī)器人，都有力地顯示出移動(dòng)機(jī)器人正在以其具有使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景而成為智能機(jī)器人開展的方向之一。2.體系結(jié)構(gòu).機(jī)器人的智能系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):信息密集，多層次的信息與知識(shí)表示方式，與環(huán)境交互豐富多樣，信息與知識(shí)分布存儲(chǔ)等。所以，它是一個(gè)高智能、多系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，不是單元技術(shù)的簡單連接，系統(tǒng)的總功能是各種分系統(tǒng)在多層次的協(xié)調(diào)和分工中集成，因此，機(jī)器人的總體集成技術(shù)是一個(gè)核心問題，其主要內(nèi)容是機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)研究。體系結(jié)構(gòu)的研究，主要針對有意識(shí)行為和反射行為而展開的，如何將兩者相統(tǒng)一，是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。早期的移動(dòng)機(jī)器人研究

24、都是在室內(nèi)進(jìn)行的，其體系結(jié)構(gòu)，一般只能在“積木世界中運(yùn)行。德國為在自動(dòng)化工廠中運(yùn)行的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV設(shè)計(jì)了一種分層體系結(jié)構(gòu)。德國還開發(fā)了一種具有很高水平的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)KAMRO，其體系結(jié)構(gòu)根本上采用NASREM模型的思想。美國MIT的人工智能實(shí)驗(yàn)室提出了包容體系結(jié)構(gòu)思想，并建立了一系列新型的移動(dòng)機(jī)器人。包容體系結(jié)構(gòu)采用所一謂“感知一動(dòng)作結(jié)構(gòu)，也稱基于行為的結(jié)構(gòu)。一些實(shí)驗(yàn)說明，包容體系結(jié)構(gòu)在處理動(dòng)態(tài)環(huán)境中不確定性和模仿動(dòng)物的低級(jí)反射行為方面具有很多優(yōu)點(diǎn)。最近，又提出了基于行為控制思想的新型體系結(jié)構(gòu)。目前，這種基于行為控制的體系結(jié)構(gòu)還處于理論探討階段，很多工作有待深入。3.移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)

25、移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是給定機(jī)器人及其工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，尋求有界輸入使系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)從起始點(diǎn)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)點(diǎn)。機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀(jì)70年代，目前對這一問題的研究仍十分活潑，許多學(xué)者做了大量的工作。其主要研究內(nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)己知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境，按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的方式不同可分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要問題，對于自由運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，即機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)不受約束，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題可以通過在自由位形空間內(nèi)計(jì)算一條路徑加以解決，這樣的一條路徑與工作空間內(nèi)的一條可行的自由路徑相對應(yīng)。但是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)受

26、到非完整性約束，并不是任意路徑都一定是可行的。在復(fù)雜動(dòng)態(tài)的環(huán)境中，還要考慮運(yùn)動(dòng)中的避障問題，因此，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。尚有許多的問題有待研究。4.導(dǎo)航與定位在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中，精確的位置知識(shí)是一個(gè)根本問題。有關(guān)位置的測量，可分為兩大類:相對和絕對位置測量。使用的方法可分為7種:里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、磁羅盤、主動(dòng)燈塔，全球定位系統(tǒng)，路標(biāo)導(dǎo)航和地圖模型匹配。 方案分析及設(shè)計(jì)要求本文所討論機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型近似于汽車，因此稱為輪型機(jī)器人，它的組態(tài)由機(jī)器人在工作環(huán)境中的位態(tài)確定。它作為一種小型輪式移動(dòng)機(jī)器人，是一種非線性控制系統(tǒng)。為了能發(fā)揮將來加載到這種機(jī)器人上的功能，因而對小車

27、性能作了要求。作為主要在室內(nèi)工作的機(jī)器人長度不宜超過1000mm，高度要控制在機(jī)器人平衡穩(wěn)定運(yùn)作的范圍內(nèi)。因此，車體在保證穩(wěn)定的情況下做的盡量小，各部件排列方式應(yīng)盡量減小縱向尺寸，使車體緊湊。內(nèi)置于其中的電路板和電池的尺寸也要受到限制。設(shè)計(jì)電路是要盡量選用功能大，集成度高的芯片，而電池要選用體積小并且耐用的型號(hào)。因此，本課題控制器設(shè)計(jì)選用SPCE061A系列單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制電路的架構(gòu)，并且減少外圍邏輯電路，使板面布局緊湊。車體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能是影響系統(tǒng)性能，決定機(jī)器人性能達(dá)標(biāo)的重要因素。因此，在軟硬件選型時(shí)，滿足快速性、準(zhǔn)確性要求是考慮的第一要素之一。要求機(jī)構(gòu)能夠具有更大的靈活性與柔性，能夠具有

28、更大的跨越障礙的能力。最好采用減震設(shè)計(jì)，它有利于保護(hù)機(jī)器人各組成部件，特別是電器元件。相對于工業(yè)環(huán)境來講，我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人所處的環(huán)境所受的強(qiáng)磁干擾要小得多，但是要到達(dá)系統(tǒng)運(yùn)作實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，某些干擾就顯得較為明顯:首先，機(jī)器人體積很小，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，處理器系統(tǒng)，無線模塊同處于很小的空間，這幾局部之間的相互干擾，特別是電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對處理器的干擾，無線模塊對處理器的干擾以及無線通訊所特有的噪聲干擾都不容無視。本課題中，分別采用了硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)。其次，機(jī)器人工作環(huán)境周圍的電器將對其產(chǎn)生影響。 論文主要完成工作課題主要完成輪型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇，驅(qū)動(dòng)芯片的選擇及程序的編制

29、，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。1.機(jī)械結(jié)構(gòu)局部包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇2.針對設(shè)計(jì)要求結(jié)合所選用的電機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性問題 輪型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式歸納起來根本有三種:輪子方式、履帶方式和腿足方式。為了得到我們設(shè)計(jì)需要最適宜的方式，我們對以上三種方式做了簡單的比較如下表2-1()表2-1運(yùn)動(dòng)方式的比較考慮因素驅(qū)動(dòng)方式適應(yīng)的環(huán)境驅(qū)動(dòng)方面的考慮機(jī)構(gòu)方面的考慮輪子方式適于室內(nèi)、硬路面等平整地面，特別不適合松軟或崎嶇地面。驅(qū)動(dòng)方式簡單多樣，力矩相對較小主要有：兩輪驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向加隨動(dòng)輪；兩輪差動(dòng)加輔助輪；驅(qū)動(dòng)輪加轉(zhuǎn)向輪。機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相對

30、簡單，相互約束條件少，穩(wěn)定性較好，輪子安裝需要一定精度要求。履帶方式適應(yīng)環(huán)境最廣泛，特別是崎嶇不平地和濕洼地形。驅(qū)動(dòng)方式單一，力矩較大，使用兩側(cè)輪差動(dòng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，不需要輔助輪。機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較輪子復(fù)雜，需要履帶的張緊設(shè)計(jì)，支撐面積大，穩(wěn)定性好。腿足方式適應(yīng)范圍較廣，適應(yīng)地形受其步態(tài)，不適合崎嶇地形。驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，對平衡和穩(wěn)定要求極高，自由度越多，驅(qū)動(dòng)控制局部越多。有較多的 運(yùn)動(dòng)部件和關(guān)節(jié)，要求較高的加工和裝配等級(jí)，對材料性能要求較高。通過對以上方式的比較，我們選用輪子方式做為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式，它符合我們的設(shè)計(jì)要求：適應(yīng)室內(nèi)活動(dòng)環(huán)境；需要?jiǎng)恿^?。荒芰肯纳伲唤Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡單可靠。 輪型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的選

31、擇輪式機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)()如圖2-1，圖2-2，圖2-3圖2-1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖2-2 前輪驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖2-3 后輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)如圖2-1，采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)輪分別由兩套直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，提供需要的轉(zhuǎn)速或者力矩;前輪為萬向輪，可任意移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：簡單輕便，控制性好，運(yùn)動(dòng)靈活轉(zhuǎn)彎半徑小。缺點(diǎn)：承載能力低，對地面環(huán)境的要求高。圖2-2中的機(jī)器人，稱為前輪驅(qū)動(dòng)輪型機(jī)器人，后輪為輔助輪，方向不變，前輪為驅(qū)動(dòng)輪兼轉(zhuǎn)向輪，兩輪驅(qū)動(dòng)速度相同，轉(zhuǎn)向速度一致。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度高。我們根據(jù)設(shè)計(jì)需要和實(shí)現(xiàn)的難易程度選擇了圖2-3中的機(jī)器人，我們稱之為后

32、輪驅(qū)動(dòng)輪型機(jī)器人，它是一種典型的非完整約束的輪式移動(dòng)機(jī)器人模型。后輪為驅(qū)動(dòng)論方向不變，提供前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，兩輪驅(qū)動(dòng)速度相同；前輪為轉(zhuǎn)向輪，稱為舵輪，通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同步控制兩輪轉(zhuǎn)向，使機(jī)器人按照要求的方向移動(dòng)。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)又主要分三個(gè)輪、四個(gè)輪，三輪支撐理論上是穩(wěn)定的然而，這種裝置很容易在施加到單獨(dú)輪的左右兩側(cè)力F作用下翻倒，因此對負(fù)載有一定限制。我們?yōu)樘岣叻€(wěn)定性和承載能力，決定選用四輪機(jī)構(gòu)，后輪為兩驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪為前輪，具體結(jié)構(gòu)模型見UG圖2-4。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù)，可適應(yīng)復(fù)雜的地形，承載能力強(qiáng)，但是軌跡規(guī)劃及控制相對復(fù)雜。圖2-4小車整體結(jié)構(gòu)UG模型圖 輪型機(jī)器人驅(qū)

33、動(dòng)輪組成后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖如圖2-5:圖2-5后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2-6所示: 圖2-6 驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)示意圖1 變速箱底座； 2 變速箱蓋； 3 軸承； 4 齒輪； 5 齒輪；6 齒輪； 7 電動(dòng)機(jī)； 8 中間軸； 9 輪轂； 10 輪胎根據(jù)上面所確定的方案，輪型機(jī)器人后輪驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減速裝置，車輪及輪轂組成。2.3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇目前在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，對它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結(jié)如表2-2所示：表2-2不同電機(jī)的特性、工作原理與控制方式電機(jī)類型主要特點(diǎn)構(gòu)造與工作

34、原理控制方式步進(jìn)電機(jī)直接用數(shù)字信號(hào)控制，與計(jì)算機(jī)接口簡單，沒有電刷，維修方便，壽命長。缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過載能力弱。按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為：永磁式，反響式和混合式?；旌鲜侥墚a(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用廣泛。永磁式是單向勵(lì)磁，精度高，但易失步，反響式是雙向勵(lì)磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低；混合式是單-雙向勵(lì)磁，分辨率高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。直流伺服電機(jī)接通直流電即可工作，控制簡單；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制，效率高；需要定時(shí)維護(hù)和更換電刷，使用壽命短，噪聲大。由永磁體定子，線圈轉(zhuǎn)子，電刷和換向器構(gòu)成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)控制采用電壓控制方式，兩者

35、成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式，兩者也成正比。交流伺服電機(jī)沒有電刷和換向器，無須維修；驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高。按結(jié)構(gòu)分為同步和異步。無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相同，特性與支流電機(jī)相同。分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異步電機(jī)常采用電壓控制。一般機(jī)器人用電機(jī)的根本性能要求:啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性；正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定；良好的抗干擾能力，對輸出來說，體積小、重量輕；維修容易，不用保養(yǎng)。驅(qū)動(dòng)輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機(jī)的特性、工作原理、控制方式以及移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)性能要求、自身重

36、量、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素，所以我們決定選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動(dòng)機(jī)(如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等)的挑戰(zhàn)，但直流電動(dòng)機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。所需電機(jī)的功率計(jì)算：機(jī)器人小車的受力簡圖如圖2-7所示：機(jī)器人所需的牽引力: ；：機(jī)器人移動(dòng)需要的牽引力 ；：機(jī)器人移動(dòng)所受摩擦力 ；：自身重力而產(chǎn)生的阻力圖2-7 機(jī)器人小車的受力簡圖那么有： ；：摩擦系數(shù) ；：最大爬坡角度據(jù)課題要求可以按0計(jì)算那么機(jī)器人在水平面上運(yùn)動(dòng)的功率為：傳

37、動(dòng)裝置的總效率：按照中表2.1-1確定的個(gè)局部效率有：齒輪傳動(dòng)效率：；滑動(dòng)軸承效率：代入得到：所需直流電機(jī)的最小功率：通過以上的比較和計(jì)算，我們決定選用廣東德昌微電機(jī)公司生產(chǎn)的SRC-555-3250型直流電動(dòng)機(jī)其外觀如圖2-8所示，尺寸如圖2-9所示，技術(shù)參數(shù)如表2-3所示：圖2-8電動(dòng)機(jī)其外觀如圖圖2-9直流電機(jī)尺寸圖表2-3直流電機(jī)技術(shù)參數(shù)表型號(hào)額定電壓空載最大效率下制動(dòng)轉(zhuǎn)速電流轉(zhuǎn)速電流力矩功率力矩功率r/minAr/minAg Wg WSRC-555-325012vCONSTANT61000.2453001.4922912.416509.202.3.2 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核直流電機(jī)輸出

38、轉(zhuǎn)速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機(jī)構(gòu)來降速，同時(shí)也提高了轉(zhuǎn)距。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種適宜的減速裝置對機(jī)器人的性能有著相當(dāng)重要的作用。2.3.2.1 減速形式的選擇驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)形式有多種，主要分為：鏈條傳動(dòng)；皮帶傳動(dòng)；蝸桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等。鏈條傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)是：工況相同時(shí)，傳動(dòng)尺寸緊湊；沒有滑動(dòng)；不需要很大的張緊力，作用在軸上的載荷小；效率高；能在惡劣的環(huán)境中使用。缺點(diǎn)：瞬時(shí)速度不均勻，高速運(yùn)轉(zhuǎn)是傳動(dòng)不平穩(wěn)；不易在載荷變化大和急促反向的傳動(dòng)中使用；工作噪音大。皮帶傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)是：能緩和沖擊；運(yùn)行平穩(wěn)無噪音；制造和安裝精度要求低；過載時(shí)能打滑，防止其他零件的損壞。缺點(diǎn)：有彈性滑動(dòng)

39、和打滑，效率低不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比；軸上載荷大；壽命低。蝸桿傳動(dòng)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊；工作平穩(wěn)；無噪聲；沖擊震動(dòng)小；能得到很大的單級(jí)傳動(dòng)比。缺點(diǎn)是：同比下效率比齒輪低；需要用貴重的減磨材料制造。齒輪傳動(dòng)：工作可靠，使用壽命長；易于維護(hù)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度使用范圍很廣。缺點(diǎn)是：制造復(fù)雜本錢高；不宜用于軸間距的傳動(dòng)。比較以上傳動(dòng)形式，結(jié)合本設(shè)計(jì)中機(jī)器人的要求：輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效率高噪音小等條件，我們采用采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，減速比為15。電機(jī)軸直接作為輸入軸安裝主動(dòng)齒輪，不是用聯(lián)軸器，既提高了精度又減輕了重量。輪轂和齒輪3安裝在同一根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。齒輪類型為漸開線直齒齒

40、輪，聯(lián)軸器相聯(lián)，齒輪與車輪裝在同一個(gè)軸上，它們的轉(zhuǎn)速相同。齒輪參數(shù)如下:第一級(jí)減速：, m=3,mm, ,mm,第二級(jí)減速：, m=3,mm, ,mm,2.3.2.2 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算與校核設(shè)計(jì)中第一級(jí)齒輪傳動(dòng)的齒輪強(qiáng)度計(jì)算與校核，如下表2-4：表2-4齒輪計(jì)算與校核計(jì)算工程計(jì)算內(nèi)容計(jì)算結(jié)果齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算1 初步計(jì)算轉(zhuǎn)矩齒數(shù)由表12.13，取接觸疲勞極限由表1.7初步計(jì)算的許用接觸應(yīng)力 值由，取計(jì)算工程計(jì)算內(nèi)容計(jì)算結(jié)果初步計(jì)算小齒輪直徑取=25初步齒寬b2 校核計(jì)算圓周速度精度等級(jí)由表12.6選6級(jí)精度齒數(shù)z和模數(shù)m初取齒數(shù)；由表12.3，取這里往大或往小取均可，視驗(yàn)算結(jié)果而定。那么使用系

41、數(shù)由表12.9動(dòng)載系數(shù)由表12.9齒間載荷分配系數(shù)由表12.10，先求由此得齒向載荷分布系數(shù)由表12.11載荷系數(shù)彈性系數(shù)由表12.12節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)由圖12.16接觸最小平安系數(shù)由表12.14總工作時(shí)間應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由表12.15，估計(jì)，那么指數(shù)原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。接觸壽命系數(shù)由圖12.18許用接觸應(yīng)力驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果說明，接觸疲勞強(qiáng)度教為適宜，齒輪尺寸無需調(diào)整。否那么，尺寸調(diào)整后還應(yīng)在進(jìn)行驗(yàn)算。齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算重合度系數(shù)齒間載荷分配系數(shù)由表12.10， 齒向載荷分布系數(shù)由圖12.14載荷系數(shù)齒形系數(shù)由圖12.21應(yīng)力修正系數(shù)由圖12.22彎曲疲勞極限由圖12.23c彎曲最小平安系數(shù)由表12

42、.14應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由表12.15，估計(jì)，那么指數(shù)原估計(jì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確彎曲壽命系數(shù)由圖12.24尺寸系數(shù)由圖12.25許用彎曲應(yīng)力驗(yàn)算傳動(dòng)無嚴(yán)重過載，故不做靜強(qiáng)度校核第二級(jí)嚙合齒輪、的計(jì)算校核也采用以上步驟，通過計(jì)算知：強(qiáng)度均符合要求。2.3.3 變速箱體及后減震變速箱體要求在保證足夠剛度的條件下，應(yīng)盡量減輕車架的重量，以提高有效承載重量。其次，變速箱體應(yīng)保證其它元件安裝上以后，能到達(dá)平衡、對稱和同軸。材料為ABS，厚度為6mm，軸承盒集成在箱體上，降低了制造難度。變速箱結(jié)構(gòu)如圖2-10所示實(shí)物參考圖如圖2-11。為保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動(dòng)的損傷，和提高躍障能力，在變速箱與前車體間加一減震彈簧。它

43、不但能緩沖震動(dòng)，而且當(dāng)機(jī)器人遇到低于100mm 的幛礙物，或者上下不平的路面時(shí)不至于被架空，其結(jié)構(gòu)模型如圖2-8所示： 2-10變速箱實(shí)物參考圖圖2-11后減震結(jié)構(gòu)模型圖2.3.4 驅(qū)動(dòng)車輪及輪轂本設(shè)計(jì)中可選用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式為輪子方式，輪子方式可以提供多種排列方式，從而滿足不同情況需要，而且轉(zhuǎn)向容易，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確控制，機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡單。所以我們考慮到所設(shè)計(jì)機(jī)器人的工作環(huán)境和控制要求，我們選用了四輪方式。選擇車輪需要考慮多種因素：有機(jī)器人的尺寸、重量、地形狀況、電機(jī)功率等。車重加負(fù)載重量為2kg4.5kg,所以用質(zhì)地堅(jiān)硬且易于加工的聚苯乙烯作輪轂，采用不充氣的中空橡膠輪胎，其優(yōu)點(diǎn)在于不僅重量

44、小而且橡膠與地面的附著系數(shù)大，保證了足夠的驅(qū)動(dòng)能力，輪胎及輪轂UG參考圖圖如圖2-12 圖2-12輪胎及輪轂UG模型圖其機(jī)構(gòu)如圖2-12，其中輪胎直徑d=300mm,那么車輪轉(zhuǎn)一圈移動(dòng)的為：車輪最大轉(zhuǎn)速為:(電機(jī)轉(zhuǎn)速/傳動(dòng)比)那么機(jī)器人的最大線速度為:機(jī)器人小車的受力簡圖如圖2-13機(jī)器人所需的牽引力: ；：機(jī)器人移動(dòng)需要的牽引力。 ；：機(jī)器人移動(dòng)所受摩擦力。 ；：自身重力而產(chǎn)生的阻力。那么有： ；：摩擦系數(shù)； ；：最大爬坡角度。圖2-13 機(jī)器人小車的受力簡圖那么機(jī)器人在水平面上的功率為：其最大加速度為：其中的計(jì)算在2.3.1中作了介紹2.4 輪型機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪組成轉(zhuǎn)向輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用，不產(chǎn)

45、生驅(qū)動(dòng)力矩。在小車轉(zhuǎn)向時(shí)它可以以一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)。主要機(jī)械組成結(jié)構(gòu)如圖2-16： 圖2-16轉(zhuǎn)向裝置模型圖輪型機(jī)器人后輪驅(qū)動(dòng)裝置由以下幾局部構(gòu)成：驅(qū)動(dòng)電機(jī)，蓄電池和充電局部，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和前減震機(jī)構(gòu)，前車體和電池箱及輪胎和輪轂五局部。如下列圖2-17所示： 圖2-7轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)圖1 前減震彈簧； 2 轉(zhuǎn)向連桿； 3 拉桿； 4 拉緊彈簧； 5撥叉； 6步進(jìn)電機(jī)；7 前車體蓋； 8 轉(zhuǎn)向節(jié)； 9 前輪軸； 10 前輪轂； 11輪胎； 12 電池盒蓋； 13 后減震彈簧； 14連接軸； 15 變速箱2.4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇轉(zhuǎn)向輪的電機(jī)通過對表2-1不同電機(jī)的特性、工作原理與控制方式的分析比較，為了滿足

46、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)精度高，控制性能強(qiáng)，并且控制簡單容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，我們決定選用步進(jìn)電機(jī)作為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移(或線位移)的機(jī)電元件。對這種電機(jī)施加一個(gè)電脈沖后，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，稱為一步;脈沖數(shù)增加，角位移(或線位移)就隨之增加，脈沖頻率高，那么步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就高，反之就低;分配脈沖的相序改變后，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向那么隨之而變。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和通常勻速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)有一定的差異，它是步進(jìn)形式的運(yùn)動(dòng)，故也稱其為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的主要指標(biāo)有()：相數(shù):產(chǎn)生不同對極N, S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù):完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示

47、，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)：以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB,八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。步距角:對應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度(轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù))，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360/(504)=1.8(俗稱整步)，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為=360/(508)=0.9(俗稱半步)。定位轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的)靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積(幾何

48、尺寸)的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 步距角精度:步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示:誤差/步距角100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。 失步:電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 失調(diào)角:轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。最大空載起動(dòng)頻率:電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況

49、下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。最大空載的運(yùn)行頻率:電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。運(yùn)行矩頻特性:電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。步進(jìn)電機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，歸納起來主要有:步距值不受各種干擾因素的影響。簡而言之，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，而轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的總位移量取決于總的脈沖個(gè)數(shù)。位移與輸入脈沖信號(hào)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累。因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)?？梢杂脭?shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡

50、單廉價(jià)。無刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高?？刂菩阅芎?。起動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都在 脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式 會(huì)丟步。停止時(shí)有自鎖能力。步距角選擇范圍大，可在幾角分至大范圍內(nèi)選擇。在小 情況下，通常可以在超低速下高轉(zhuǎn)距穩(wěn)定的運(yùn)行通過比較各種指標(biāo)和參數(shù)后，我們決定選用常州豐源公司生產(chǎn)的35BYHJ03減速步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)，自帶25:1的減速器。參數(shù)如表2-6所示:表2-6步進(jìn)電機(jī)參數(shù)步距角，相數(shù)電壓U,V電流I,mA電阻R,減速比空載運(yùn)行頻率F,pps空載啟動(dòng)頻率F,pps起動(dòng)轉(zhuǎn)距T,g 鎖定轉(zhuǎn)距T,g 7.5/25412255471/2555068075

51、014002.4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及前減震機(jī)構(gòu)在本課題中我們?yōu)榱说玫椒€(wěn)定和承載能力強(qiáng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，我們采用了兩前置驅(qū)動(dòng)輪，轉(zhuǎn)向輪不作為驅(qū)動(dòng)輪，只提供支撐和轉(zhuǎn)向作用。結(jié)構(gòu)形式模仿普通機(jī)動(dòng)車的一些結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)變速箱輸出軸連接撥叉，撥叉撥動(dòng)左右轉(zhuǎn)向節(jié)連桿來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。為了消除傳動(dòng)間隙和電機(jī)反轉(zhuǎn)死區(qū)，我們在機(jī)構(gòu)中加裝了，兩個(gè)拉緊桿和一條拉緊彈簧，很大程度上消除了誤差。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡圖如圖2-18為保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)免受震動(dòng)的損傷，提高機(jī)器人在不平地面上的行走能力，在每個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)軸上加裝減震彈簧。它不但能緩沖震動(dòng)，而且防止在特殊情況下機(jī)器人被架空。它與后減震配合工作效果更加明顯，工作原理與后減震類似。圖2-18

52、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡圖2.4.3 前車體及電池箱前車體是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)零件的載體，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求精度也高(實(shí)物模型圖如圖。特別是轉(zhuǎn)向節(jié)安放孔和電機(jī)支撐座等，要求同軸度和垂直度高，因此為了提高裝配精度，車體蓋和車體配合的螺栓孔采用了卯榫式設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)見圖紙裝配圖1，保證了裝配的精度。為簡化制造工序，提高車體的緊湊程度和牢固程度，將電池盒設(shè)計(jì)到前車體后部，并且盡量降低電池盒與地面間距，以降低機(jī)器人的重心高度。為了保證運(yùn)行時(shí)電池在和內(nèi)的牢靠程度和降低噪聲，電池盒蓋內(nèi)側(cè)附貼一薄層海綿結(jié)構(gòu)見圖紙裝配圖1控制電路容易受到電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路的影響，因此我們將控制電路板與驅(qū)動(dòng)板并列排列，支腳的布局方式見圖2-19圖2-19

53、前車體實(shí)物模型圖2.4.4 轉(zhuǎn)向輪胎和輪轂前輪輪胎采用和后輪相同的結(jié)構(gòu)和材料，輪轂的軸孔與軸相對滑動(dòng)，所以要求較后輪精度高機(jī),轉(zhuǎn)向節(jié)UG圖如圖2-20圖2-20轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)物示意圖如圖2.5 機(jī)器人受力分析及如何保證加速度最優(yōu)本設(shè)計(jì)中輪型機(jī)器人采用四輪支撐，即兩后輪驅(qū)動(dòng)輪和兩前輪轉(zhuǎn)向輪。為了增加車輪和地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，每個(gè)車輪的輪胎材料均為橡膠?；瑒?dòng)軸承和輪轂采用了具有自潤滑能力的塑料，摩擦力很小，可以忽略不計(jì)。采用這些結(jié)構(gòu)，使小車具有一很好的運(yùn)動(dòng)性能。機(jī)器人小車受力如圖2-21所示：圖2-21 小車受力圖有如下關(guān)系:滑動(dòng)摩擦力: 支撐反力: 水平方向受力: 以上關(guān)系可推出加速度: 從上式可以看

54、出，由于小車質(zhì)量m一定，假設(shè)想增加加速度只有增加摩擦系數(shù)和減少支撐力N。由于輪型機(jī)器人活動(dòng)場所在室內(nèi)需要頻繁的更換速度，只有加速度大一些時(shí)，才能滿足足球機(jī)器人快速性、實(shí)時(shí)性要求。 在摩擦系數(shù)一定時(shí)，只有盡量減少支撐力N，加速度才能到達(dá)最大，這直接關(guān)系到小車重心的位置。小車的電池和后加負(fù)載是小車中比重較大者，在放置是應(yīng)該盡量靠近后輪，這樣支撐力N就會(huì)減小，加速度在啟動(dòng)時(shí)就能保持盡量大。通過計(jì)算機(jī)器人通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)加速度為3.92m/s左右。2.6 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)質(zhì)量的上下主要表現(xiàn)在技術(shù)性能、可靠性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面，其中技術(shù)性和可靠性是最重要的方面。但在系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)工作中，往

55、往特別強(qiáng)調(diào)其技術(shù)性能指標(biāo)而無視了它的可靠性。而由于可靠性設(shè)計(jì)的不周密，在偶然囚素或意外事件的作用下，系統(tǒng)便不能正常工作，從而可能造成災(zāi)難性的后果，系統(tǒng)的可靠性保證有賴十完善的可靠性設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的部件制作、標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備安裝調(diào)試、正確的操作使用和經(jīng)常性的維護(hù)。本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了可靠性這一指標(biāo)，主要表達(dá)在以下兒個(gè)方面1屏蔽技術(shù)本系統(tǒng)中，直流電機(jī)、驅(qū)動(dòng)部件、甚至是微控制器使用的振蕩器，都是電磁干擾的噪聲源。當(dāng)距離較近時(shí)，電磁波會(huì)通過分布電容和電感藕合到信號(hào)回路而形成電磁干擾;當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，電磁波那么以輻射形式構(gòu)成干擾。針對上幾述情況，主要要通選用高導(dǎo)磁材料做成屏蔽體，使電磁波經(jīng)屏蔽體壁的低磁阻

56、磁路快速衰減，以降低干擾。 2地線的處理 理解產(chǎn)生地線噪聲的機(jī)制對于減小地線干擾至關(guān)重要，所有地線都有阻抗，和所有電路一樣，電流必須流回其源點(diǎn)，電流通過地線卜的有效陰_抗將產(chǎn)生一個(gè)電壓降，這些電壓降就是地線干擾的原因。正確接地是控制系統(tǒng)抑制干擾所必須注意的重要問題，在設(shè)計(jì)中假設(shè)能把接地和屏蔽正確的結(jié)合，可很好地消除外界丁擾的影響。接地設(shè)計(jì)的根本目的是消除各電路電流流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓，以及免受電磁場和地位差的影響，即使其不能形成地環(huán)路。 3抑制自感電動(dòng)勢干擾在本系統(tǒng)中，使用了電動(dòng)機(jī)這種具有較大電感量的器件。當(dāng)電感回路的電流被切斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的反電勢而形成噪聲干擾。這種噪聲不但能產(chǎn)生

57、電磁場干擾其它回路，甚至還有可能擊穿電路中的晶體管之類的器件。對此在線圈兩端并聯(lián)了二極管來抑制反向自感電勢的干擾。 輪型機(jī)器人伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 輪型機(jī)器人伺服系統(tǒng)組成 輪型機(jī)器人伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的控制。其中包括各驅(qū)動(dòng)芯片的選擇，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及程序的編制。3.2 步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。以滿足輪型機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)芯片我們選擇SGS公司的L298。L298功率集成電路采用SGS公司特有的Multiwatt塑料封裝，15個(gè)引腳，可用螺釘固定在散熱器上。L298內(nèi)含的功率輸出器件設(shè)

58、計(jì)制作在一塊石英基片上，由于制作工藝的同一性，因而具有分立元件組合電路不可比較的性能參數(shù)一致性，工作穩(wěn)定。L298是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，它接受標(biāo)準(zhǔn)TIL邏輯信號(hào)，可以用來驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。兩個(gè)使能輸入能夠使其接受或不接受輸入信號(hào)。它的每個(gè)H橋的下側(cè)臂晶體管發(fā)射極連在一起，相應(yīng)外接電流檢測電阻。L298的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示： 圖3-1 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 L298的封裝及各管腳如圖3-2所示： 圖3-2 L298的封裝圖 L298各引腳特性如下：CURRENT SENSING A和CURRENT SENSING B引腳1和引腳15用來連接電流檢

59、測電阻；LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS引腳9接邏輯控制局部的電源，常用+5V；SUPPLY VOLTAGE VS引腳4為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源；INPUT1，INPUT2，INPUT3，INPUT4引腳5，7，10，12輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，用來控制H橋的開與關(guān)；ENABLE A和ENABLE B引腳6和引腳11為使能控制端，當(dāng)為低電平時(shí)，L298不工作；OUTPUT1，OUTPUT2，OUTPUT3和OUTPUT4引腳2，3，13，14為輸出，控制步進(jìn)電機(jī)GND引腳8那么為接地腳。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中將步進(jìn)電機(jī)采用L297/L298實(shí)現(xiàn)環(huán)行分配器與功率放大器的功能。

60、L297是步進(jìn)電機(jī)控制集成芯片包括環(huán)形分配器，采用模擬/數(shù)字電路兼容的IL工藝，20腳DIP塑料封裝，常以+5V供電，全部信號(hào)線是TTL/CMOS兼容。L297四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，應(yīng)用于微處理機(jī)控制兩相雙極性和四相單極性步進(jìn)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)可由半階梯、正常和斬波驅(qū)動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)于晶片內(nèi)的PWM斬波線路容許以開關(guān)形式控制線路的電流。此器件只需要時(shí)鐘、方向和模式輸入信號(hào)。相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的，因此可減輕微處理機(jī)和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。單片機(jī)、L297、L298構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器電路，單片機(jī)發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)、工作模擬信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、使能輸入信號(hào)及控制信號(hào)。L297的引腳17控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，取1和取0