畢業(yè)設(shè)計（論文）-送水機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

編號： 畢業(yè)設(shè)計說明書題 目： 送水機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 高級實(shí)驗(yàn)師 題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā)2012 年 5 月 25 日全套圖紙加3012250582摘 要在人類文明高度發(fā)達(dá)的今天，隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，越來越多的機(jī)器人已經(jīng)開始逐漸進(jìn)入人們的家居生活中，這些機(jī)器人稱為家庭服務(wù)機(jī)器人，它們可以完成一些簡單的家庭工作并監(jiān)測家居環(huán)境，甚至還可以照顧生活上不能自理的病人。本設(shè)計主要對家庭服務(wù)的送水機(jī)器人的機(jī)械方案、電路設(shè)計、程序編寫部分展開研究，使用三維軟件對送水機(jī)器人的運(yùn)動底盤和夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模、整體裝配和結(jié)構(gòu)分析，從而使機(jī)器人更適用于家庭環(huán)境中。利用數(shù)控設(shè)備加工零部件，并裝配出實(shí)際的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。通過了解目前家用機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計了機(jī)器人的控制電路，包括機(jī)器人移動、驅(qū)動伺服電機(jī)、夾持機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路。提出和完成了以ATmega16為核心處理器的環(huán)境信息分析和機(jī)器人自動巡線移動的程序設(shè)計。系統(tǒng)總體方案還包括飲水機(jī)的位置檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作控制，從而實(shí)現(xiàn)自動完成送水任務(wù)。關(guān)鍵詞：家用機(jī)器人；ATmega16；自動巡線AbstractIn today's highly developed human civilization, with the rapid development of robot technology and people's living standards improve, more and more robots have begun to gradually enter the home life of the people, these robots known as the home service robot, they can complete some simple family, and to monitor the home environment, and can even take care of life can not take care of patients.This design is written on the program of Family Service of water to the robot's mechanical, circuit design, program part of the study, the use of 3D solid modeling, the overall assembly and structural analysis software on the water to the robot chassis and the clamping mechanism, so that robot is more suitable for the home environment. Utilization of numerical control equipment processing parts, and assemble the robot structure. By understanding the application status of the household robot design robot control circuit, including the robot to move and drive the servo motor, the drive circuit of the holding mechanism. Proposed and completed the programming of the core processor ATmega16 for environmental analysis and robot automatically patrol the line moving. Overall scheme also includes a position detection and control of the action of the executive body of the drinking fountains and bottled water task in order to achieve auto-complete.Keywords: Domestic Robot; the ATmega16; automatic line inspection目 錄 引言11 家用機(jī)器人介紹21.1 美國家用機(jī)器人21.2 日本家用機(jī)器人41.3 國內(nèi)家用機(jī)器人52 機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計72.1 履帶底盤72.1.1同步帶驅(qū)動原理72.1.2同步帶和同步帶輪的選擇和設(shè)計72.1.3主動輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計82.1.4固定電機(jī)的零件設(shè)計82.1.5支撐從動輪的零件設(shè)計92.1.6從動輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計92.2 軸承滑塊升降機(jī)構(gòu)102.2.1設(shè)計理念102.2.2升降機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)102.3 夾持機(jī)構(gòu)112.3.1夾持手指的設(shè)計112.3.2夾持動作的實(shí)現(xiàn)113 機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝113.1 固定電機(jī)的零件的加工工藝113.2 從動輪軸的加工工藝133.3夾持手指的加工工藝133.4機(jī)器人的裝配工藝133.4.1同步帶的安裝方法133.4.2底盤的裝配工藝133.4.3升降機(jī)構(gòu)的裝配工藝143.4.4夾持機(jī)構(gòu)的裝配工藝153.5 送水機(jī)器人的三維模型164 機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)分析174.1 電機(jī)的選擇和參數(shù)計算174.1.1電機(jī)的性能和型號174.1.2電機(jī)參數(shù)174.2同步帶傳動的設(shè)計計算184.2.1確定傳動比184.2.2選擇同步帶的節(jié)距184.2.3計算帶輪直徑184.2.4選定中心距184.2.5計算帶輪包角184.2.6確定同步帶長和帶寬184.2.7驗(yàn)算線速度184.3 從動輪聯(lián)接軸的設(shè)計計算194.3.1選擇軸的材料194.3.2初步確定軸的直徑194.3.3軸的強(qiáng)度校核194.4 從動輪支撐軸承的設(shè)計計算204.4.1軸承的選用204.4.2軸承的校核計算204.5 螺釘聯(lián)接的設(shè)計計算214.5.1螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計214.5.2螺釘?shù)氖芰Ψ治?14.5.3確定螺釘直徑225 電路系統(tǒng)的設(shè)計235.1 電路系統(tǒng)總體設(shè)計圖235.2 信號檢測235.2.1光電傳感器介紹235.2.2光敏二極管原理245.2.3光電傳感器的布局245.2.4傳感器電路設(shè)計255.3 電機(jī)驅(qū)動電路255.3.1直流電機(jī)驅(qū)動原理255.3.2電磁繼電器電路設(shè)計265.4 電源模塊275.4.1單片機(jī)獨(dú)立電源設(shè)計275.4.2光耦和器電源設(shè)計275.4.3直流電機(jī)驅(qū)動電源設(shè)計285.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)295.5.1 ATmega16單片機(jī)介紹295.5.2最小系統(tǒng)板的設(shè)計296 控制系統(tǒng)的設(shè)計316.1 控制系統(tǒng)程序流程圖316.2 行星減速電機(jī)驅(qū)動控制326.2.1 PWM基本原理326.2.2速度控制的實(shí)現(xiàn)326.3 行程開關(guān)的應(yīng)用337 結(jié)論34謝 辭35參考文獻(xiàn)36附 錄37 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第1頁 共43頁 引言機(jī)器人技術(shù)是一種是以自動化技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)為主體、有機(jī)融合各種現(xiàn)代信息技術(shù)的系統(tǒng)集成和應(yīng)用。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提升了生產(chǎn)品質(zhì)并成功解放了勞動力資源。作為高技術(shù)領(lǐng)域中重要的前沿技術(shù)之一，機(jī)器人技術(shù)具有前瞻性、先導(dǎo)性的特點(diǎn)，對學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)升級、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、保障國家安全、引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展有著十分重要的作用。目前，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)突破，從根本上為提升機(jī)器人技術(shù)的學(xué)術(shù)研究提供了必要的支持，為機(jī)器人的應(yīng)用范圍拓寬了道路，已涵蓋國防、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、老人康復(fù)、教育甚至普通家庭生活，一場新的機(jī)器人技術(shù)研究高潮和發(fā)展契機(jī)也已到來。隨著當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)、電氣自動化技術(shù)（包括新型的傳感器技術(shù)）、精密機(jī)械技術(shù)的高速發(fā)展，使得建立在這些基礎(chǔ)技術(shù)上的機(jī)器人技術(shù)在軍事、教育、娛樂、家用等領(lǐng)域得到了高速的發(fā)展?？茖W(xué)家確信，機(jī)器人會進(jìn)入人們的日常生活，并徹底改變?nèi)藗兊纳?，并將朝著更有趣、更多能的智能化方向發(fā)展。家用機(jī)器人作為為人類服務(wù)的特種機(jī)器人，結(jié)合了機(jī)器人技術(shù)與信息技術(shù)、輔助技術(shù)、護(hù)理技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)等學(xué)科,主要從事家庭服務(wù)，維護(hù)、保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、監(jiān)護(hù)等工作。在機(jī)器人技術(shù)日益完善和人們生活水平不斷提高的今天，家用機(jī)器人走進(jìn)千家萬戶服務(wù)人類的日子已經(jīng)到來，特別是對于老年人和殘疾人，家用服務(wù)機(jī)器人顯得異常重要。目前家用機(jī)器人的種類主要有清潔機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、教育機(jī)器人和廚師機(jī)器人等。家用人機(jī)器人的三大核心技術(shù)是移動技術(shù)、操縱處理物品的技術(shù)和識別信息化技術(shù)，對于這些核心技術(shù)的研究仍然不夠深入，致使家用機(jī)器人的發(fā)展還有很多技術(shù)上的障礙。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字產(chǎn)品的價格下降，家用機(jī)器人必將成為未來數(shù)字家庭的主導(dǎo)。1 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第50頁 共46頁 1 家用機(jī)器人介紹1.1 美國家用機(jī)器人美國對于機(jī)器人的研究比較注重于實(shí)際應(yīng)用和軍事應(yīng)用，在家用機(jī)器人方面也同樣處于領(lǐng)先地位。其中最出名的有世界上第一臺智能清潔機(jī)器人roomba（圖1-1），世界上首位“家庭家庭主婦”Valerie（圖1-2），世界上第一臺可編程家用機(jī)器人Luna（圖1-3）。Roomba 使用先進(jìn)的 iAdapt(TM)技術(shù)，這是一個由軟件和感應(yīng)器組成的專利系統(tǒng)。iAdapt(TM) 讓 Roomba 可以主動對清掃環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，每秒鐘思考次數(shù)超過 60 次，并且能夠以 40 種不同的動作進(jìn)行反應(yīng)，以便徹底清掃房間。Roomba具有世界上獨(dú)一無二的三段式清掃技術(shù)，它可以同一時間開展三個部位的工作，以獲得最佳清潔效果。Roomba 可以提供16種語言的故障排除提示（英語、法語、德語、西班牙語、意大利語、荷蘭語、丹麥語、瑞典語、挪威語、芬蘭語、波蘭語、俄羅斯語、葡萄牙語、日語、韓語和中文）。圖1-1 RoombaValerie擁有由硅樹脂和塑膠做成的皮膚、微卷的披肩秀發(fā)、說話時一張一合的紅唇、內(nèi)置攝像機(jī)的顧盼生情的眸子、自然優(yōu)雅的舉動。她體內(nèi)的加速儀、回轉(zhuǎn)儀、負(fù)荷傳感器(每條腿上有30個傳感器)將協(xié)助她行走，雙手的自由度數(shù)為40，其全身自由度數(shù)為111。她能記住每天要做的所有家務(wù)事，并且有條不紊地做好它：整理房間、擦洗桌椅、開關(guān)燈具、清洗衣物、收集并整理零散物品(但她能搬動的物品不能超過22.6公斤)、洗鍋抹灶等。Valerie擁有一個因特網(wǎng)接口，這可使她能夠在網(wǎng)上為她的主人購買機(jī)票、搜索主人喜歡的有關(guān)足球隊(duì)及各類賽事的信息。這位機(jī)器人家庭主婦還能夠在危機(jī)情況下呼叫警察或火警。更令人難以置信的是，她還能夠無需任何人協(xié)助地穿衣和脫衣。唯一的遺憾是，目前Valerie還只能用雙腿靠著椅子站著。圖1-2 Valerie“Luna”由一家名為RoboDynamics的公司研制的。它的設(shè)計定位是一款家用機(jī)器人，完全可編程，以方便讓人們在家庭日常生活中使用它。機(jī)器人內(nèi)部安裝了一臺電腦，加上一款圖形卡。Luna機(jī)器人首次做到了其他機(jī)器人從未做到過的事情，那就是讓一款可編程的通用機(jī)器人走進(jìn)尋常百姓家，允許開發(fā)商通過開發(fā)并銷售相關(guān)軟件來實(shí)現(xiàn)這款家用機(jī)器人的持續(xù)功能升級。Luna 機(jī)器人是世界上第一臺個人機(jī)器人，她可以幫你遛遛狗、端茶倒水。這臺機(jī)器人基于標(biāo)準(zhǔn)PC 架構(gòu)和Linux 操作系統(tǒng)，擁有WiFi、8英寸觸摸顯示屏、兩個攝像頭、陣列麥克風(fēng)（三個）、揚(yáng)聲器和擴(kuò)展端口，甚至還有應(yīng)用程序商店。RoboDynamics公司的首席執(zhí)行官弗雷德尼戈哈爾(Fred Nikgohar)希望這款機(jī)器人能擁有像智能手機(jī)對移動計算帶來的沖擊一樣，設(shè)計精良，開源，并且價格低廉的個人機(jī)器人來開啟一扇創(chuàng)新之門。 圖1-3 Luna1.2 日本家用機(jī)器人日本專家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂機(jī)器人的技術(shù)見長，在仿人機(jī)器人領(lǐng)域擁有不可動搖的領(lǐng)先地位。世界上第一臺雙足行走機(jī)器人Wabot一號產(chǎn)生后，日本更是不遺余力地加緊研究仿人機(jī)器人，其中最出名的有：ASIMO（圖1-4）、QRIO（圖1-5）和HRP-4C（圖1-6）?！鞍⑽髂保ˋSIMO）機(jī)器人（2000年10月31日誕生），由日本本田技研工業(yè)公司研制。該機(jī)器人身高130厘米，體重54公斤，能自如地走動、跳舞、甚至是爬樓梯。一切都可以通過一部手機(jī)操控?！鞍⑽髂钡娜砀鞑课痪哂袠O高的平衡性和協(xié)調(diào)性，能夠隨著音樂翩翩起舞。而推車前進(jìn)、搬運(yùn)托盤更是“阿西莫”在利用工具與人協(xié)調(diào)方面讓其他機(jī)器人望塵莫及的拿手好戲。此外，“阿西莫”擁有的聲音識別、姿勢和動作識別、面部功能識別等強(qiáng)大功能讓它能夠與人類進(jìn)行很好的信息交流?！鞍⑽髂弊類厶?，身段比真人跳的機(jī)械舞更柔軟，阿西莫能以每小時6公里的速度奔跑，也能把飲料平穩(wěn)而準(zhǔn)確的放在桌上?！鞍⑽髂边€可使用PC連線訪問互聯(lián)網(wǎng)，為您檢索諸如氣象報告和新聞之類的信息。圖1-4 阿西莫機(jī)器人QRIO是2002年3月19日誕生的小型雙足娛樂型機(jī)器人，身高58厘米，體重7公斤。由于安裝了多種傳感系統(tǒng)、基于記憶和學(xué)習(xí)的行為控制軟件以及靈活的機(jī)械行走裝置，QRIO可以與人類進(jìn)行更豐富的交流。QRIO可以通過傳感器判斷地面類型，并相應(yīng)地調(diào)整步行姿態(tài)，可以適應(yīng)各種路面，凹凸不平的地板、沙灘、臺階、斜坡都暢通無阻。靈活地重心調(diào)整讓QRIO幾乎成了不倒翁，在行走過程中，如果突然遇到阻力（比如你用手去推它），QRIO漸漸停止步伐，甚至后退，以防止摔倒。在Sony的演示錄像中，它還能在一塊晃動的模擬沖浪板上保持平衡，就像運(yùn)動員一樣。為了提高對路線的辨識能力，QRIO由兩個CCD彩色攝像頭提供視覺，讓它可以立體地觀察場景，并判斷自身與目標(biāo)間的距離，確定最優(yōu)的路線。圖1-5 QRIO 機(jī)器人2009年7月22日，在日本大阪類人機(jī)器人HRP-4C身穿由著名婚紗設(shè)計師為其量身定做的婚紗亮相?！癏RP-4C”機(jī)器人身高接近1.58米，重約43公斤，它的身高和體重同日本普通女性基本不差上下,可以做出喜、怒、哀、樂和驚訝的表情。據(jù)了解，機(jī)器人“HRP-4C”全身共有30個馬達(dá)來控制肢體移動,因此它能夠緩慢行走。與其它五花八門的機(jī)器人相比，她最大的特色就是應(yīng)用了兩項(xiàng)全新研發(fā)的擬人技術(shù)。一是發(fā)聲系統(tǒng)，研究者們給她加上了一個相當(dāng)不錯的語音合成功能“VocalListener”，使用電腦終端操作合成歌聲，就如同完全復(fù)制了一個人的聲音。為了使機(jī)器人的面部表情更為自然貼切，研究者采用了另一項(xiàng)名為“Vocawatcher”的技術(shù)，可以對歌手的演唱會視頻進(jìn)行分析，進(jìn)而呈現(xiàn)出最為相似最自然的表情。圖1-6 HRP-4C機(jī)器人1.3 國內(nèi)家用機(jī)器人我國機(jī)器人學(xué)研究起步較晚，但進(jìn)步較快，已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各個方面區(qū)的了明顯的成就，為我國機(jī)器人學(xué)的發(fā)展打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。我國研究家用機(jī)器人的機(jī)構(gòu)主要有中科院沈陽自動化所和上海電氣中央研究院。中國比較出名的家用服務(wù)機(jī)器人有：“福娃”機(jī)器人（圖1-7）和2010年上海世博會展示的家用機(jī)器人（圖1-8）。由中國科學(xué)院自動化研究所研制開發(fā)的“智能福娃機(jī)器人組”（北京歡迎你：貝貝、晶晶、歡歡、迎迎、妮妮）運(yùn)用了多項(xiàng)創(chuàng)新、自主的高科技成果，具有人機(jī)互動、機(jī)器人之間互動、集體歌舞表演、奧運(yùn)信息發(fā)布、手機(jī)短信控制等功能，有很強(qiáng)的展示、娛樂和實(shí)用功能，是北京奧運(yùn)的創(chuàng)新，也是奧運(yùn)史上“智能奧運(yùn)吉祥物”的首創(chuàng)。奧運(yùn)會期間，“福娃”機(jī)器人將迎送奧運(yùn)大家庭成員和國內(nèi)外賓客。據(jù)介紹，“福娃”機(jī)器人可以承擔(dān)機(jī)場候機(jī)樓出港入港、行李提取、問訊服務(wù)等多種環(huán)境和條件下的引導(dǎo)服務(wù)，不僅具有全方位視覺處理判斷能力，而且還能夠進(jìn)行雙向語音信息的交互傳輸。圖1-7 “福娃”機(jī)器人組2010年上海世博會上展示的家用機(jī)器人有家用監(jiān)控機(jī)器人、家用護(hù)理機(jī)器人、家用教育機(jī)器人、家用娛樂機(jī)器人、家用烹飪機(jī)器人和家用送菜機(jī)器人等，其功能各有側(cè)重，又相互補(bǔ)充。其主要功能包括：安保巡邏、環(huán)境監(jiān)控、運(yùn)送食物、藥品等物品、輔助餐飲、洗漱和搬運(yùn)患者等高負(fù)載操作、以及吸塵、割草、輔助兒童學(xué)習(xí)、健康監(jiān)測、信息提示等。這些家用機(jī)器人在上海世博會期間正式在“滬上·生態(tài)家”展館亮相，向國內(nèi)外公眾呈現(xiàn)出“機(jī)器人讓未來生活更美好”的新模式和新概念。 圖1-8 上海世博會上的家用機(jī)器人2 機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 履帶底盤2.1.1同步帶驅(qū)動原理同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動時，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。 傳輸龍同步帶傳動具有準(zhǔn)確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達(dá)1:10。允許線速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到幾百千瓦。傳動效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。同步帶驅(qū)動可以相當(dāng)于履帶驅(qū)動，機(jī)器人可以圍繞底盤中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度快，定位精度高，運(yùn)動平穩(wěn)。2.1.2同步帶和同步帶輪的選擇和設(shè)計圓弧齒同步帶輪是因?yàn)槠潺X形具有圓弧的特點(diǎn)，區(qū)別于梯型齒同步帶輪和T型同步帶輪的方形齒，圓弧齒同步帶輪，能夠滿足大功率的傳動，其傳動功率比梯型齒和T型齒的大3-5倍。同步帶實(shí)體和同步帶輪分別如圖2-1和2-2所示。圖2-1 同步帶實(shí)體圖2-2 同步帶輪2.1.3主動輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計由于電機(jī)的輸出軸可以承受較大的載荷，所以可以采用電機(jī)輸出軸直接連接到同步帶輪上，電機(jī)固定和同步帶輪的實(shí)物安裝如圖2-3所示。圖2-3 電機(jī)固定和同步帶輪的實(shí)物安裝2.1.4固定電機(jī)的零件設(shè)計電機(jī)的固定主要固定點(diǎn)在電機(jī)輸出軸的端面上，此端面有四個環(huán)形分布的螺紋孔，可以采用螺紋聯(lián)接進(jìn)行固定，為了保護(hù)電機(jī)和減少電機(jī)受到的外力，可以增加一些輔助固定零件。固定電機(jī)的零件設(shè)計圖如圖2-4所示。圖24 固定電機(jī)的零件2.1.5支撐從動輪的零件設(shè)計從動輪的主要作用是支撐底盤結(jié)構(gòu)，使底盤保持與地面的接觸，提供前進(jìn)的牽引力。為了減少摩擦力，使用深溝球軸使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。從動輪支撐塊的三維模型如圖2-5所示。圖2-5 從動輪支撐塊的三維模型2.1.6從動輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)軸上零件的數(shù)量、工作情況及裝配方案，畫出階梯結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖。由軸最細(xì)部分的直徑遞推各段軸直徑，相鄰兩段軸直徑之差通常可取為510。各段軸的長度由軸上各零件的寬度及裝配空間確定。設(shè)計的從動輪軸模型如圖2-6所示。圖2-6 從動輪軸2.2 軸承滑塊升降機(jī)構(gòu)2.2.1設(shè)計理念傳統(tǒng)的升降機(jī)構(gòu)是從水平伸縮機(jī)構(gòu)中演變而來的，包括鏈條傳動機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)和滑動摩擦機(jī)構(gòu)，這些升降機(jī)構(gòu)精度要求高、體積笨重，不適合用于小型輕量化的機(jī)器人設(shè)計。如果使用滾動摩擦則需要很小的驅(qū)動力就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。由于采用的固定桿為商業(yè)上使用的小型方形鋁材，只要把軸承固定在移動件上，使軸承在固定桿上滾動，就可以輕松地實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的升降。軸承固定塊的設(shè)計如圖2-7所示。圖2-7 軸承固定塊 2.2.2升降機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)為了使移動部件在運(yùn)動保持平穩(wěn)流暢，需要軸承在固定桿的四個面保持接觸，這樣可以避免移動部件的震動。由于需要的驅(qū)動力很小，可以利用細(xì)繩和滑輪直接拉升移動部件，下降時利用機(jī)構(gòu)自身的重力就可以實(shí)現(xiàn)了。2.3 夾持機(jī)構(gòu)2.3.1夾持手指的設(shè)計作為工業(yè)機(jī)器人的重要部分，夾持機(jī)構(gòu)有夾鉗式、鉤托式和彈簧式的形式，其中夾鉗式是最常見的。夾鉗式主要由手指、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置和支架組成。但是作為家用機(jī)器人，人們還是希望機(jī)器人可以擁有向人類一樣靈活的手指。實(shí)際上，類人機(jī)械手只有在少數(shù)頂端的機(jī)器人身上才會出現(xiàn)。大部分機(jī)器人還是采用擁有多自由度的機(jī)械手。在本設(shè)計中采用不完全齒輪傳動的夾鉗式夾持機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對水杯的夾取和放置。夾持手指如圖2-8所示。圖2-8 夾持手指2.3.2夾持動作的實(shí)現(xiàn)在夾持機(jī)構(gòu)松開的過程中需要保持一定的時間的，夾取杯子時需要保證一定的距離，也就是要求夾持機(jī)構(gòu)能夠保持自我平衡狀態(tài)，使用蝸輪蝸桿減速機(jī)可以使機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，并且能保證一定的精度。裝配夾持機(jī)構(gòu)時，兩個夾持手指的不完全齒輪的中心距等于齒輪分度圓的直徑。根據(jù)飲水機(jī)的使用特性，把水龍頭的開關(guān)向上抬起或者向下擠壓都可以使水順利流出，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)向上抬起開關(guān)比較適合，所以當(dāng)機(jī)器人的夾持機(jī)構(gòu)處于飲水機(jī)出水口下方的同時，利用其他機(jī)構(gòu)把開關(guān)向上抬起，經(jīng)過一段時間，水杯里注入了所需要的水。因此，機(jī)器人取水的機(jī)械機(jī)構(gòu)就集中在夾持機(jī)構(gòu)中。3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝3.1 固定電機(jī)的零件的加工工藝使用小型數(shù)控銑床加工的零件有固定電機(jī)的零件、支撐從動輪的零件、軸承滑塊，對這些零件的通孔的定位，也采取數(shù)控銑床加工定位孔，主要是保證孔的位置精度，之后可以用普通的小型鉆床加工通孔，精度基本可以達(dá)到要求。固定電機(jī)的零件的加工工藝步驟如下：（1）零件毛坯為90mm×45mm×8mm的鋁塊，去毛刺，平行度和直線度都達(dá)到加工要求。（2）選擇小型數(shù)控銑床，利用平口虎鉗定位夾緊毛坯，調(diào)整好虎鉗的水平度，誤差范圍在0.025mm。先用直徑12mm的兩刃平底銑刀粗加工銑輪廓，后在用直徑4mm的四刃平底銑刀精加工。最后，用直徑4mm的銑刀定位好上表面的4個孔。（3）選擇小型鉆床，用高度尺畫出尺寸，打定位孔，保證通孔的位置精度。小型數(shù)控銑床加工固定電機(jī)的零件的程序如下： G90G54G0X0Y7Z50； （G90絕對坐標(biāo)編程，G54工件坐標(biāo)點(diǎn)，直徑12mm刀具快速定位）M3S1200； （主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1200r/min）Z-4； （G0快速下深4mm）G41G1X-13Y0D1F100； （建立左刀補(bǔ)，D1=6.2mm,單邊留有0.2mm的余量給精加工）Y-52；X13；Y2； （銑寬度26mm的槽）G40G1X0Y7； （取消刀補(bǔ)）G0Z-9； （快速下刀深5mm）G41G1X-13Y0D1F100； （建立左刀補(bǔ)，D1=6.2mm）Y-52；X13；Y2； （銑寬度26mm的槽）G40G1X0Y7； （取消刀補(bǔ)）G0Z10； （快速提刀）X0Y-73； （快速定位下刀點(diǎn)）Z2；G1Z-5F100； （銑深5mm）G41G1X17.75Y-73D1F150； （建立左刀補(bǔ)，D1=6.2mm）G3X17.75Y-73I-17.75J0； （銑圓直徑35.5mm）G40G1X0Y-73； （取消刀補(bǔ)）G1Z-9F100； （銑深4mm）G41G1X10.5Y-73D1F150； （建立左刀補(bǔ)，D1=6.2mm）G3X10.5Y-73I-10.5J0； （銑圓直徑21mm）G40G1X0Y-73； （取消刀補(bǔ)）G0Z50； （快速提刀）M5； （主軸停轉(zhuǎn)）M30 （主程序結(jié)束）%3.2 從動輪軸的加工工藝從動輪軸為回轉(zhuǎn)體，采用的加工設(shè)備為小型普通車床，加工時要留出精加工余量，精加工時的進(jìn)給量為0.1mm比較合適。加工工藝步驟如下：（1）選擇直徑12mm的毛坯鋁材棒料。（2）車直徑為10mm的階梯軸，精度要求為-0.03mm到-0.07mm,長度為43mm，并加工半徑為1mm的倒角。（3）重新裝夾零件，車直徑為10mm的階梯軸，精度要求為-0.03mm到-0.07mm,長度為7mm，并加工半徑為1mm的倒角。（4）在距離長度為43mm的階梯軸的端點(diǎn)的5.5mm處，用高度尺畫線，并沿直徑方向打定位孔。（5）用小型鉆床加工出直徑為4.5mm的通孔。（6）用絲錐攻出M5的內(nèi)螺紋孔。3.3夾持手指的加工工藝夾持手指即夾持機(jī)構(gòu)的末端，直接接觸水杯，有模數(shù)大小不同的半齒輪，采用普通加工方法不能滿足尺寸和精度要求，所以采用數(shù)控電火花線切割設(shè)備進(jìn)行加工。電火花線切割的基本原理是利用移動的細(xì)金屬導(dǎo)線（鉬絲、銅絲或鎢絲）作電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電、切割成形。加工時先確定穿絲孔、起切點(diǎn)，然后根據(jù)零件的外形來確定走絲路線，利用零件的輪廓自動編寫程序。夾緊零件之后可以進(jìn)行加工，由于電火花線切割的切削余量很小，所以加工過程需要的時間很長。但是精度比較高，零件加工完成后可以直接使用。利用電火花線切割加工出零件的輪廓后，還需要打一個直徑5mm和兩個直徑3mm的通孔。右夾子還需要在厚度的一面打一個直徑3.5mm深度3mm的孔，然后用絲錐攻出一個M4 的螺紋孔，起固定電機(jī)軸的作用。3.4機(jī)器人的裝配工藝3.4.1同步帶的安裝方法 對于固定中心距的傳動，應(yīng)先拆下帶輪，把帶子裝到帶輪上后再把帶輪裝到軸上固定。向帶輪上裝同步帶時，切記不要用力過猛，或用螺絲刀硬撬同步帶，以防止同步帶中的抗拉層產(chǎn)生外觀覺察不到的折斷現(xiàn)象。支撐帶輪的機(jī)架，必須有足夠的剛度，否則帶輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時就會造成兩軸線的不平行。3.4.2底盤的裝配工藝裝配底盤時先把電機(jī)固定在鋁塊上，再把固定電機(jī)的兩塊鋁塊固定在方鋁上，然后安裝從動輪的支承軸和軸承，最后把主動輪和從動輪固定在軸上，這樣就把整個底盤的框架裝配好了。由于底盤設(shè)計的特殊性，直接把同步帶套在主動輪上，然后旋轉(zhuǎn)主動輪，同步帶就自動安裝好了。底盤的三維裝配圖如圖3-1所示。圖3-1 底盤的三維裝配圖3.4.3升降機(jī)構(gòu)的裝配工藝升降機(jī)構(gòu)的裝配主要是保證軸承滑塊能很輕松地上下滑動，減少驅(qū)動電機(jī)的扭矩，可以通過調(diào)節(jié)螺母的松緊程度來調(diào)節(jié)軸承與固定桿之間的壓力的大小，從而使摩擦力的大小適合，夾持機(jī)構(gòu)又不至于有產(chǎn)生大的晃動。（1）把兩根豎著的固定桿固定在底盤上，可以使用螺栓連接或者用膠水黏住。（2）把軸承滑塊裝配好，使其和固定桿配合，調(diào)節(jié)螺母的松緊程度。 （3）把最高的橫桿安裝在固定桿上，并安裝滑輪、伺服驅(qū)動電機(jī)和繞線輪。（4）安裝尼龍繩，一端固定在軸承滑塊的中央，另一端固定在繞線輪上。（5）在固定桿上安裝限位螺栓，使軸承滑塊靜止在一定的高度，即夾持機(jī)構(gòu)的初始高度。升降機(jī)構(gòu)的裝配圖如圖3-2和3-3所示。 圖3-2 軸承滑塊的三維裝配圖 圖3-3 升降機(jī)構(gòu)3.4.4夾持機(jī)構(gòu)的裝配工藝夾持機(jī)構(gòu)的裝配比較簡單，主要是要保證夾持手指的裝配精度，夾子的張開和夾緊阻力不能太大，間隙也要控制在合理的范圍內(nèi)。（1）把夾持手指安裝到支撐板上。（2）把渦輪蝸桿電機(jī)固定到支撐板上，從側(cè)面安裝固定電機(jī)軸的緊固螺栓。（3）把支撐塊和頂起擋板安裝到機(jī)械手臂上。（4）把手臂安裝到軸承滑塊上。夾持機(jī)構(gòu)的整體裝配圖如圖3-4所示。圖3-4 夾持機(jī)構(gòu)的整體裝配圖3.5 送水機(jī)器人的三維模型送水機(jī)器人的三維模型如圖3-5所示。 圖3-5 送水機(jī)器人4 機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)分析4.1 電機(jī)的選擇和參數(shù)計算4.1.1電機(jī)的性能和型號伺服行星減速機(jī)擁有高性價比、應(yīng)用廣泛、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在伺服控制的應(yīng)用上，發(fā)揮了良好的伺服剛性效應(yīng)，準(zhǔn)確的定位控制，在運(yùn)轉(zhuǎn)平臺上具備了中低背隙、高效率、高輸入轉(zhuǎn)速、高輸入扭矩、運(yùn)轉(zhuǎn)平順、低噪音等特性，使用終身免更換的潤滑油及無論安裝在何處都可以免維修操作的全封閉式設(shè)計，并且具有IP65的保護(hù)程度，因此工作環(huán)境差時亦可使用。行星減速電機(jī)其扭矩計算公式為：扭矩=9550×電機(jī)功率÷電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速×速度比×使用系數(shù)。選擇的電機(jī)型號為P36H+SYK36行星減速電機(jī)，電機(jī)尺寸如圖4-1所示。圖4-1 電機(jī)尺寸4.1.2電機(jī)參數(shù)轉(zhuǎn)速：0-170rpm；輸出力矩：連續(xù)：1.5-30N·m，瞬時：2-40N·m；24V電壓時電流：空載：0.1A，最大：6.07A重量：325g額定功率 （4-1）4.2同步帶傳動的設(shè)計計算4.2.1確定傳動比 （4-2）、分別為大小帶輪的齒數(shù)4.2.2選擇同步帶的節(jié)距為了確定同步帶的強(qiáng)度，選擇了型號為5M的特殊同步帶，厚度加厚，表面有突起的橡膠毛刺，增強(qiáng)表面的摩擦力。4.2.3計算帶輪直徑 （4-3）4.2.4選定中心距選定中心距C=480mm。4.2.5計算帶輪包角 （4-4）4.2.6確定同步帶長和帶寬根據(jù)實(shí)際要求，選擇帶長L=1275mm，帶寬W=30mm。4.2.7驗(yàn)算線速度 （4-5）可以滿足送水機(jī)器人的運(yùn)行速度要求。4.3 從動輪聯(lián)接軸的設(shè)計計算4.3.1選擇軸的材料 機(jī)器人的重量要求輕便，通常選擇鋁材作為零件材料。鋁材由鋁和其它合金元素制造的制品。通常是先加工成鑄造品、鍛造品以及箔、板、帶、管、棒、型材等后，再經(jīng)冷彎、鋸切、鉆孔、拼裝、上色等工序而制成。主要金屬元素是鋁，在加上一些合金元素，提高鋁材的性能，工藝性能好，剛度強(qiáng)度也能滿足要求。4.3.2初步確定軸的直徑最大直徑D為12mm,最小直徑d為10mm 。4.3.3軸的強(qiáng)度校核 首先對軸上傳動零件進(jìn)行受力分析，畫出軸彎矩圖和扭矩圖，判斷危險截面，然后對軸的危險截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。當(dāng)校核不合格時，還要改變危險截面尺寸，進(jìn)而修改軸的結(jié)構(gòu)，直至校核合格為止。因此，軸的設(shè)計過程是反復(fù)、交叉進(jìn)行的。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 （4-6）彎扭合成強(qiáng)度條件為 （4-7）因?yàn)榕まD(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，所以取。當(dāng)量直徑 （4-8）扭轉(zhuǎn)剛度校核 （4-9）T軸所受的扭矩G鋁材的剪切彈性模量軸截面的極慣性矩經(jīng)過設(shè)計校核和實(shí)踐驗(yàn)證，證明所設(shè)計的聯(lián)接軸在使用中可以符合設(shè)計要求。4.4 從動輪支撐軸承的設(shè)計計算4.4.1軸承的選用 選用的軸承是深溝球軸承60000-2Z型_61900-Z，質(zhì)量m=0.01Kg,軸承徑向基本額定動載荷為，徑向基本額定靜載荷為，徑向疲勞極限載荷為，極限轉(zhuǎn)速。4.4.2軸承的校核計算(1) 求比值 （4-10）深溝球軸承的最大e值為0.44，所以(2) 求相對軸向載荷 （4-11）介于0.040.07之間，對應(yīng)的e值為0.240.27，Y值1.81.6(3) 用線性插值法求Y值 （4-12）(4) 計算當(dāng)量動載荷 （4-13）其中取，X=0.56。 (5 )驗(yàn)算61900軸承的壽命 （4-14）經(jīng)過驗(yàn)算，所選用的軸承完全滿足設(shè)計要求。4.5 螺釘聯(lián)接的設(shè)計計算4.5.1螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計底盤的螺釘聯(lián)接圖如圖4-2所示，螺釘組主要承受橫向載荷，故按受橫向載荷的螺釘組連接的設(shè)計進(jìn)行計算。圖4-2 底盤的螺釘聯(lián)接螺釘?shù)男吞枮镠型GB/T8182000 M4x40,螺距P=0.7mm,性能等級為4.8,抗拉強(qiáng)度極限，屈服極限。4.5.2螺釘?shù)氖芰Ψ治雎葆斀M所受的橫向總載荷為 （4-15）每個螺釘所受的橫向工作剪切力為 （4-16）預(yù)緊力為 （4-17）為接合面的摩擦系數(shù)，為接合面數(shù)，為防滑系數(shù)，=1.11.3，取=1.2。4.5.3確定螺釘直徑許用切用力為 （4-18） （4-19）由于選用的螺釘直徑為4mm，所以滿足設(shè)計要求。5 電路系統(tǒng)的設(shè)計5.1 電路系統(tǒng)總體設(shè)計圖電路系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖5-1所示。中央處理器Atmega16最小系統(tǒng)PWM信號輸出輸入捕捉信號檢測直流電機(jī)驅(qū)動電磁鐵開關(guān)電路電源穩(wěn)壓電路紅外傳感器檢測電路5V穩(wěn)壓電源12V穩(wěn)壓電源單片機(jī)獨(dú)立穩(wěn)壓電源外部中斷檢測圖5-1 電路系統(tǒng)總體設(shè)計圖5.2 信號檢測5.2.1光電傳感器介紹光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。其核心部件是光電器件，它是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件。光電器件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即金屬、半導(dǎo)體等材料在光照下釋放出電子的現(xiàn)象。14 5.2.2光敏二極管原理光敏二極管的外型與一般二極管一樣，它裝在帶有透明窗口的外殼中，其PN結(jié)可以直接受到光的照射，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)。當(dāng)無光照時，PN結(jié)反向截止，回路中電流很小，此電流稱為暗電流；當(dāng)有光照時，產(chǎn)生光電效應(yīng)，形成電荷，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子定向運(yùn)動，形成較大的電流，稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號。145.2.3光電傳感器的布局反射式光電傳感器最常見的布局是一字型布局。一字型布局中傳感器的間隔有均勻分布和非均勻分布兩種方式，均勻分布不利于彎道信息的精確采集，通常采取的是非均勻分布。由于機(jī)器人運(yùn)動速度比較慢，環(huán)境穩(wěn)定，光電傳感器可以采集到準(zhǔn)確的地面信息，使機(jī)器人有足夠的時間做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動巡線功能。光電傳感器的布局如圖5-2所示。圖5-2 光電傳感器的布局機(jī)器人的運(yùn)動場地為噴有綠色油漆的木地板，地面上貼有寬度為3厘米的白色引導(dǎo)線，線與線之間的距離為50厘米，形成邊長為50厘米的方格軌跡圖陣。機(jī)器人履帶底盤擁有對稱式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在底盤的前后中軸線上各安裝一塊光電信號采集電路板，機(jī)器人運(yùn)動時白色引導(dǎo)線在機(jī)器人的中心軸線下，正中間的光電傳感器正對著白色引導(dǎo)線，可以達(dá)到理想的巡線結(jié)果。5.2.4傳感器電路設(shè)計軌跡檢測的原理是：不同顏色的物體的反光度不同，而反射式光電傳感器的輸出電流和地面的反射率之間有對應(yīng)關(guān)系，通過電流電壓變換（即讓此光電流流過一個電阻，就會在電阻兩端產(chǎn)生壓降）后就可以采集信息了。軌跡檢測電路要利用比較器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并送入單片機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)小車偏離引導(dǎo)線時使一邊的光傳感器截至或者導(dǎo)通，使其輸出高電平或者低電平，單片機(jī)檢測到這個變化就會使另一邊的電機(jī)減速，使小車重新回到引導(dǎo)線上。這種控制方法會使小車在尋跡過程中產(chǎn)生左右擺動，由于履帶底盤的機(jī)構(gòu)特性使其機(jī)械振動能維持在一定范圍內(nèi)，在低速情況下機(jī)器人做出的調(diào)整動作基本不會造成大的震動。傳感器電路原理圖如圖5-3所示：圖5-3 單對紅外傳感器電路圖當(dāng)小車在白色地面行駛時，裝在底盤下的高亮發(fā)光二極管發(fā)出光信號，經(jīng)白色引導(dǎo)線反射后，被光敏二極管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中接收管將導(dǎo)通，比較器輸出為高電平；否則，比較器則輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過可見光檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號為高電平時，表明小車行駛在白色地面上。5.3 電機(jī)驅(qū)動電路5.3.1直流電機(jī)驅(qū)動原理直流電機(jī)主要由磁極、電樞和換向器組成。磁極是用來在電機(jī)中產(chǎn)生磁場的，電樞是電機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分。換向器是直流電機(jī)的構(gòu)造特征，在換向器的表面用彈簧壓著固定的電樞，使轉(zhuǎn)動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接起來。驅(qū)動直流電機(jī)時，將直流電源接在兩電刷之間而使電流通入電樞線圈，電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩即驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動。驅(qū)動直流電機(jī)，只需要控制電源電壓和電流方向就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。蝸輪蝸桿減速機(jī)也可以使用這種驅(qū)動方法。5.3.2電磁繼電器電路設(shè)計電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。根據(jù)直流電機(jī)的驅(qū)動特性和電磁繼電器的開關(guān)特性，使用兩個單獨(dú)的電磁繼電器可以驅(qū)動夾持機(jī)構(gòu)的渦輪蝸桿電機(jī)，并且可以控制方向。由于渦輪蝸桿電機(jī)的額定電壓是12V，所以選擇額定電壓為12V的繼電器。繼電器電路圖如圖5-4所示。圖5-4 繼電器電路圖5.4 電源模塊5.4.1單片機(jī)獨(dú)立電源設(shè)計單片機(jī)輸出的是數(shù)字信號，需要與模擬信號隔離，采用單獨(dú)電源可以避免模擬信號對數(shù)字信號的干擾，實(shí)踐證明如果單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動電路等模擬信號電路共用一個電源，單片機(jī)不能正常工作，使用單獨(dú)電源可以完全解決這個問題。由于單片機(jī)的功率較小，額定工作電壓為5V，對電路紋波抗干擾能力弱，所以采用集成電源穩(wěn)壓模塊7805，額定輸出電壓為5V。7805電路圖如圖5-5所示。圖5-5 7805電路圖5.4.2光耦和器電源設(shè)計光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電光電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計中采用的光耦為普通的雙向可控硅光耦，額定電壓為5V，由于光耦的數(shù)量比較多，需要的功率比較大，電路紋波大，所以采用高性能的集成電源穩(wěn)壓模塊LM2576。LM2576系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（52kHz）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23V），并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。LM2576電路圖如圖5-6所示。圖5-6 LM2576電路圖5.4.3直流電機(jī)驅(qū)動電源設(shè)計驅(qū)動直流電機(jī)的電源電壓為12V，并且需要比較大的功率，用一般的穩(wěn)壓模塊已經(jīng)不能滿足要求。這里采用的是一種可以輸出最大電流為5A的開關(guān)電源模塊。所用的芯片為MB3759和場效應(yīng)管K2018。開關(guān)電源是一種由占空比控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置。開關(guān)電源的核心為電力電子開關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對電源提出的輸出電壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制的方法，對開關(guān)電路進(jìn)行控制。開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。開關(guān)電源PWM控制集成芯片采用型號為MB3759(FUJITSU公司)，采用固定頻率的PWM控制方式，其MB3759芯片內(nèi)部電路主要由高頻振蕩器、PWM比較器、基準(zhǔn)電壓源、誤差電壓放大器、驅(qū)動電路和封鎖電路等組成。場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（108109）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。開關(guān)電源模塊電路如圖5-7所示。圖5-7 開關(guān)電源模塊電路5.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)5.5.1 ATmega16單片機(jī)介紹ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。11 5.5.2最小系統(tǒng)板的設(shè)計本設(shè)計中ATmega16最小系統(tǒng)資源分配為：3路PWM、控制2個電磁繼電器驅(qū)動蝸輪蝸桿電機(jī)、2個外部中斷、1個輸入捕捉和6個普通I/O口，還包括晶體振蕩電路、手動復(fù)位電路和UESRT下載接口，電路圖5-8如圖所示。圖5-8 Atmega16最小系統(tǒng)板電路6 控制系統(tǒng)的設(shè)計6.1 控制系統(tǒng)程序流程圖開始程序初始化機(jī)器人移動偏離白線？檢測到飲水機(jī)？機(jī)器人靜止5秒鐘機(jī)器人后退偏離白線？回到啟動處？夾持機(jī)構(gòu)上升30cm夾持機(jī)構(gòu)下降檢測到桌面？停止下降，張開夾子機(jī)器人后退調(diào)整方向調(diào)整方向機(jī)器人靜止結(jié)束YNNNYYYYNN圖6-1 控制系統(tǒng)程序流程圖6.2 行星減速電機(jī)驅(qū)動控制6.2.1 PWM基本原理脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。其示意如圖6-2所示。圖6-2 PWM波形PWM輸出的平均電壓為： (5-1)其中，T為PWM周期，T1為高電平時間，T2為低電平時間， 叫做占空比。對于PWM來說占空比是一個重要參數(shù)。在電機(jī)控制的應(yīng)用中，通過改變PWM的占空比，即高電平的導(dǎo)通時間，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。本文利用Atmega16定時器的快速PWM模式來輸出PWM信號。使用PWM模式時，先設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時器/計數(shù)器的周期、接通時間和PWM輸出的方向，然后啟動定時器并使能PWM控制器。6.2.2速度控制的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人速度控制根據(jù)有無反饋裝置和反饋裝置的位置，主要分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制三種方式。開環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、容易維修，缺點(diǎn)是精度低、容易受環(huán)境變化的干擾影響。閉環(huán)系統(tǒng)輸出的信號全部反饋回輸入端，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、動態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)等。采用閉環(huán)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以很精確地控制機(jī)器人的運(yùn)行速度和運(yùn)行路程，從而提高機(jī)器人智能程度。由于送水機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)為帶反饋裝置的行星齒輪減速電機(jī)，配合使用專門的電機(jī)驅(qū)動模塊，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。采用的電機(jī)驅(qū)動模塊為全數(shù)字多種控制接口直流伺服驅(qū)動器MLDS3810，它是西安銘朗電子科技有限公司在原MLDS3805的基礎(chǔ)上研發(fā)的新款直流伺服驅(qū)動器，連續(xù)電流擴(kuò)展到10A，峰值電流達(dá)20A，是一款多接口、高性能的數(shù)字式直流伺服驅(qū)動器，同時具備模擬信號、脈沖信號、 PWM 以及 RS232 控制接口，可以在計算機(jī)上進(jìn)行