壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說(shuō)明書(shū),均可直接下載獲得文件，所見(jiàn)所得，電腦查看更方便。Q 197216396 或 11970985
摘 要
在人類(lèi)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(lái)越多的機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始逐漸進(jìn)入人們的家居生活中，這些機(jī)器人稱(chēng)為家庭服務(wù)機(jī)器人，它們可以完成一些簡(jiǎn)單的家庭工作并監(jiān)測(cè)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(jì)主要對(duì)家庭服務(wù)的送水機(jī)器人的機(jī)械方案、電路設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)部分展開(kāi)研究，使用三維軟件對(duì)送水機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)底盤(pán)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(guò)了解目前家用機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制電路，包括機(jī)器人移動(dòng)、驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、夾持機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)巡線(xiàn)移動(dòng)的程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體方案還包括飲水機(jī)的位置檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成送水任務(wù)。
關(guān)鍵詞：家用機(jī)器人；ATmega16；自動(dòng)巡線(xiàn)
Abstract
In 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 1
1 家用機(jī)器人介紹 2
1.1 美國(guó)家用機(jī)器人 2
1.2 日本家用機(jī)器人 4
1.3 國(guó)內(nèi)家用機(jī)器人 5
2 機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.1 履帶底盤(pán) 7
2.1.1同步帶驅(qū)動(dòng)原理 7
2.1.2同步帶和同步帶輪的選擇和設(shè)計(jì) 7
2.1.3主動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.1.4固定電機(jī)的零件設(shè)計(jì) 8
2.1.5支撐從動(dòng)輪的零件設(shè)計(jì) 9
2.1.6從動(dòng)輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
2.2 軸承滑塊升降機(jī)構(gòu) 10
2.2.1設(shè)計(jì)理念 10
2.2.2升降機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 10
2.3 夾持機(jī)構(gòu) 11
2.3.1夾持手指的設(shè)計(jì) 11
2.3.2夾持動(dòng)作的實(shí)現(xiàn) 11
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝 11
3.1 固定電機(jī)的零件的加工工藝 11
3.2 從動(dòng)輪軸的加工工藝 13
3.3夾持手指的加工工藝 13
3.4機(jī)器人的裝配工藝 13
3.4.1同步帶的安裝方法 13
3.4.2底盤(pán)的裝配工藝 13
3.4.3升降機(jī)構(gòu)的裝配工藝 14
3.4.4夾持機(jī)構(gòu)的裝配工藝 15
3.5 送水機(jī)器人的三維模型 16
4 機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)分析 17
4.1 電機(jī)的選擇和參數(shù)計(jì)算 17
4.1.1電機(jī)的性能和型號(hào) 17
4.1.2電機(jī)參數(shù) 17
4.2同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
4.2.1確定傳動(dòng)比 18
4.2.2選擇同步帶的節(jié)距 18
4.2.3計(jì)算帶輪直徑 18
4.2.4選定中心距 18
4.2.5計(jì)算帶輪包角 18
4.2.6確定同步帶長(zhǎng)和帶寬 18
4.2.7驗(yàn)算線(xiàn)速度 18
4.3 從動(dòng)輪聯(lián)接軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
4.3.1選擇軸的材料 19
4.3.2初步確定軸的直徑 19
4.3.3軸的強(qiáng)度校核 19
4.4 從動(dòng)輪支撐軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.4.1軸承的選用 20
4.4.2軸承的校核計(jì)算 20
4.5 螺釘聯(lián)接的設(shè)計(jì)計(jì)算 21
4.5.1螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.5.2螺釘?shù)氖芰Ψ治?21
4.5.3確定螺釘直徑 22
5 電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23
5.1 電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 23
5.2 信號(hào)檢測(cè) 23
5.2.1光電傳感器介紹 23
5.2.2光敏二極管原理 24
5.2.3光電傳感器的布局 24
5.2.4傳感器電路設(shè)計(jì) 25
5.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 25
5.3.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 25
5.3.2電磁繼電器電路設(shè)計(jì) 26
5.4 電源模塊 27
5.4.1單片機(jī)獨(dú)立電源設(shè)計(jì) 27
5.4.2光耦和器電源設(shè)計(jì) 27
5.4.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì) 28
5.5 單片機(jī)最小系統(tǒng) 29
5.5.1 ATmega16單片機(jī)介紹 29
5.5.2最小系統(tǒng)板的設(shè)計(jì) 29
6 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31
6.1 控制系統(tǒng)程序流程圖 31
6.2 行星減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 34
6.2.1 PWM基本原理 34
6.2.2速度控制的實(shí)現(xiàn) 34
6.3 行程開(kāi)關(guān)的應(yīng)用 35
7 結(jié)論 36
謝 辭 37
參考文獻(xiàn) 38
附 錄 39
引言
機(jī)器人技術(shù)是一種是以自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)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(guò)半個(gè)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(dòng)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(duì)學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、保障國(guó)家安全、引領(lǐng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(guó)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(chǎng)新的機(jī)器人技術(shù)研究高潮和發(fā)展契機(jī)也已到來(lái)。
隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、電氣自動(dòng)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(lè)、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(huì)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(lèi)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(wàn)戶(hù)服務(wù)人類(lèi)的日子已經(jīng)到來(lái)，特別是對(duì)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(lèi)主要有清潔機(jī)器人、娛樂(lè)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(dòng)技術(shù)、操縱處理物品的技術(shù)和識(shí)別信息化技術(shù)，對(duì)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(jià)格下降，家用機(jī)器人必將成為未來(lái)數(shù)字家庭的主導(dǎo)。
1
1 家用機(jī)器人介紹
1.1 美國(guó)家用機(jī)器人
美國(guó)對(duì)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(tái)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(tái)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(gè)由軟件和感應(yīng)器組成的專(zhuān)利系統(tǒng)。iAdapt(TM) 讓 Roomba 可以主動(dòng)對(duì)清掃環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每秒鐘思考次數(shù)超過(guò) 60 次，并且能夠以 40 種不同的動(dòng)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(wú)二的三段式清掃技術(shù)，它可以同一時(shí)間開(kāi)展三個(gè)部位的工作，以獲得最佳清潔效果。Roomba 可以提供16種語(yǔ)言的故障排除提示（英語(yǔ)、法語(yǔ)、德語(yǔ)、西班牙語(yǔ)、意大利語(yǔ)、荷蘭語(yǔ)、丹麥語(yǔ)、瑞典語(yǔ)、挪威語(yǔ)、芬蘭語(yǔ)、波蘭語(yǔ)、俄羅斯語(yǔ)、葡萄牙語(yǔ)、日語(yǔ)、韓語(yǔ)和中文）。
圖1-1 Roomba
Valerie擁有由硅樹(shù)脂和塑膠做成的皮膚、微卷的披肩秀發(fā)、說(shuō)話(huà)時(shí)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(dòng)。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(gè)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(kāi)關(guān)燈具、清洗衣物、收集并整理零散物品(但她能搬動(dòng)的物品不能超過(guò)22.6公斤)、洗鍋抹灶等。Valerie擁有一個(gè)因特網(wǎng)接口，這可使她能夠在網(wǎng)上為她的主人購(gòu)買(mǎi)機(jī)票、搜索主人喜歡的有關(guān)足球隊(duì)及各類(lèi)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(wú)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(jì)定位是一款家用機(jī)器人，完全可編程，以方便讓人們?cè)诩彝ト粘Ｉ钪惺褂盟?。機(jī)器人內(nèi)部安裝了一臺(tái)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(guò)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(kāi)發(fā)商通過(guò)開(kāi)發(fā)并銷(xiāo)售相關(guān)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)這款家用機(jī)器人的持續(xù)功能升級(jí)。Luna 機(jī)器人是世界上第一臺(tái)個(gè)人機(jī)器人，她可以幫你遛遛狗、端茶倒水。這臺(tái)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(gè)攝像頭、陣列麥克風(fēng)（三個(gè)）、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(duì)移動(dòng)計(jì)算帶來(lái)的沖擊一樣，設(shè)計(jì)精良，開(kāi)源，并且價(jià)格低廉的個(gè)人機(jī)器人來(lái)開(kāi)啟一扇創(chuàng)新之門(mén)。
圖1-3 Luna
1.2 日本家用機(jī)器人
日本專(zhuān)家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人的技術(shù)見(jiàn)長(zhǎng)，在仿人機(jī)器人領(lǐng)域擁有不可動(dòng)搖的領(lǐng)先地位。世界上第一臺(tái)雙足行走機(jī)器人Wabot一號(hào)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）。
“阿西莫”（ASIMO）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(dòng)、跳舞、甚至是爬樓梯。一切都可以通過(guò)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(lè)翩翩起舞。而推車(chē)前進(jìn)、搬運(yùn)托盤(pán)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(shí)別、姿勢(shì)和動(dòng)作識(shí)別、面部功能識(shí)別等強(qiáng)大功能讓它能夠與人類(lèi)進(jìn)行很好的信息交流?！鞍⑽髂弊?lèi)?ài)跳舞，身段比真人跳的機(jī)械舞更柔軟，阿西莫能以每小時(shí)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(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，為您檢索諸如氣象報(bào)告和新聞之類(lèi)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(lè)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(lèi)進(jìn)行更豐富的交流。QRIO可以通過(guò)傳感器判斷地面類(lèi)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(tái)階、斜坡都暢通無(wú)阻。靈活地重心調(diào)整讓QRIO幾乎成了不倒翁，在行走過(guò)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(dòng)的模擬沖浪板上保持平衡，就像運(yùn)動(dòng)員一樣。為了提高對(duì)路線(xiàn)的辨識(shí)能力，QRIO由兩個(gè)CCD彩色攝像頭提供視覺(jué)，讓它可以立體地觀察場(chǎng)景，并判斷自身與目標(biāo)間的距離，確定最優(yōu)的路線(xiàn)。
圖1-5 QRIO 機(jī)器人
2009年7月22日，在日本大阪類(lèi)人機(jī)器人HRP-4C身穿由著名婚紗設(shè)計(jì)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(lè)和驚訝的表情。據(jù)了解，機(jī)器人“HRP-4C”全身共有30個(gè)馬達(dá)來(lái)控制肢體移動(dòng),因此它能夠緩慢行走。與其它五花八門(mén)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(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的語(yǔ)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(gè)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(duì)歌手的演唱會(huì)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(guó)內(nèi)家用機(jī)器人
我國(guó)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(gè)方面區(qū)的了明顯的成就，為我國(guó)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我國(guó)研究家用機(jī)器人的機(jī)構(gòu)主要有中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所和上海電氣中央研究院。中國(guó)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(huì)展示的家用機(jī)器人（圖1-8）。
由中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制開(kāi)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(dòng)、機(jī)器人之間互動(dòng)、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(lè)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(huì)期間，“福娃”機(jī)器人將迎送奧運(yùn)大家庭成員和國(guó)內(nèi)外賓客。據(jù)介紹，“福娃”機(jī)器人可以承擔(dān)機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓出港入港、行李提取、問(wèn)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(jué)處理判斷能力，而且還能夠進(jìn)行雙向語(yǔ)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(huì)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(lè)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(cè)、信息提示等。這些家用機(jī)器人在上海世博會(huì)期間正式在“滬上·生態(tài)家”展館亮相，向國(guó)內(nèi)外公眾呈現(xiàn)出“機(jī)器人讓未來(lái)生活更美好”的新模式和新概念。
圖1-8 上海世博會(huì)上的家用機(jī)器人
2 機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 履帶底盤(pán)
2.1.1同步帶驅(qū)動(dòng)原理
同步帶傳動(dòng)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(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)帶齒與輪的齒槽相嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力。 傳輸龍同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，一般可達(dá)1:10。允許線(xiàn)速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到幾百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，不需潤(rùn)滑，無(wú)污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。同步帶驅(qū)動(dòng)可以相當(dāng)于履帶驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人可以圍繞底盤(pán)中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度快，定位精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。
2.1.2同步帶和同步帶輪的選擇和設(shè)計(jì)
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(mǎn)足大功率的傳動(dòng)，其傳動(dòng)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(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jì)
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(gè)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(jì)圖如圖2-4所示。
圖2－4 固定電機(jī)的零件
2.1.5支撐從動(dòng)輪的零件設(shè)計(jì)
從動(dòng)輪的主要作用是支撐底盤(pán)結(jié)構(gòu)，使底盤(pán)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(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。從動(dòng)輪支撐塊的三維模型如圖2-5所示。
圖2-5 從動(dòng)輪支撐塊的三維模型
2.1.6從動(dòng)輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)軸上零件的數(shù)量、工作情況及裝配方案，畫(huà)出階梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?？扇?～10㎜。各段軸的長(zhǎng)度由軸上各零件的寬度及裝配空間確定。設(shè)計(jì)的從動(dòng)輪軸模型如圖2-6所示。
圖2-6 從動(dòng)輪軸
2.2 軸承滑塊升降機(jī)構(gòu)
2.2.1設(shè)計(jì)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(lái)的，包括鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和滑動(dòng)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(jì)。如果使用滾動(dòng)摩擦則需要很小的驅(qū)動(dòng)力就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)件上，使軸承在固定桿上滾動(dòng)，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(jì)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(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)保持平穩(wěn)流暢，需要軸承在固定桿的四個(gè)面保持接觸，這樣可以避免移動(dòng)部件的震動(dòng)。由于需要的驅(qū)動(dòng)力很小，可以利用細(xì)繩和滑輪直接拉升移動(dòng)部件，下降時(shí)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(jì)
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(jiàn)的。夾鉗式主要由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)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(lèi)一樣靈活的手指。實(shí)際上，類(lèi)人機(jī)械手只有在少數(shù)頂端的機(jī)器人身上才會(huì)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(jì)中采用不完全齒輪傳動(dòng)的夾鉗式夾持機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)作的實(shí)現(xiàn)
在夾持機(jī)構(gòu)松開(kāi)的過(guò)程中需要保持一定的時(shí)間的，夾取杯子時(shí)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(shí)，兩個(gè)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(kāi)關(guān)向上抬起或者向下擠壓都可以使水順利流出，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)向上抬起開(kāi)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(shí)，利用其他機(jī)構(gòu)把開(kāi)關(guān)向上抬起，經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(dòng)輪的零件、軸承滑塊，對(duì)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(xiàn)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(gè)孔。
（3）選擇小型鉆床，用高度尺畫(huà)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(duì)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(dòng)輪軸的加工工藝
從動(dòng)輪軸為回轉(zhuǎn)體，采用的加工設(shè)備為小型普通車(chē)床，加工時(shí)要留出精加工余量，精加工時(shí)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(chē)直徑為10mm的階梯軸，精度要求為-0.03mm到-0.07mm,長(zhǎng)度為43mm，并加工半徑為1mm的倒角。
（3）重新裝夾零件，車(chē)直徑為10mm的階梯軸，精度要求為-0.03mm到-0.07mm,長(zhǎng)度為7mm，并加工半徑為1mm的倒角。
（4）在距離長(zhǎng)度為43mm的階梯軸的端點(diǎn)的5.5mm處，用高度尺畫(huà)線(xiàn)，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(mǎn)足尺寸和精度要求，所以采用數(shù)控電火花線(xiàn)切割設(shè)備進(jìn)行加工。電火花線(xiàn)切割的基本原理是利用移動(dòng)的細(xì)金屬導(dǎo)線(xiàn)（鉬絲、銅絲或鎢絲）作電極，對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電、切割成形。
加工時(shí)先確定穿絲孔、起切點(diǎn)，然后根據(jù)零件的外形來(lái)確定走絲路線(xiàn)，利用零件的輪廓自動(dòng)編寫(xiě)程序。夾緊零件之后可以進(jìn)行加工，由于電火花線(xiàn)切割的切削余量很小，所以加工過(guò)程需要的時(shí)間很長(zhǎng)。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(xiàn)切割加工出零件的輪廓后，還需要打一個(gè)直徑5mm和兩個(gè)直徑3mm的通孔。右?jiàn)A子還需要在厚度的一面打一個(gè)直徑3.5mm深度3mm的孔，然后用絲錐攻出一個(gè)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(duì)于固定中心距的傳動(dòng)，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(shí)，切記不要用力過(guò)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(jué)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(shí)就會(huì)造成兩軸線(xiàn)的不平行。
3.4.2底盤(pán)的裝配工藝
裝配底盤(pán)時(shí)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(dòng)輪的支承軸和軸承，最后把主動(dòng)輪和從動(dòng)輪固定在軸上，這樣就把整個(gè)底盤(pán)的框架裝配好了。由于底盤(pán)設(shè)計(jì)的特殊性，直接把同步帶套在主動(dòng)輪上，然后旋轉(zhuǎn)主動(dòng)輪，同步帶就自動(dòng)安裝好了。底盤(pán)的三維裝配圖如圖3-1所示。
圖3-1 底盤(pán)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(dòng)，減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩，可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺母的松緊程度來(lái)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(dòng)。
（1）把兩根豎著的固定桿固定在底盤(pán)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(dòng)電機(jī)和繞線(xiàn)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(xiàn)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(jiǎn)單，主要是要保證夾持手指的裝配精度，夾子的張開(kāi)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(jì)算
4.1.1電機(jī)的性能和型號(hào)
伺服行星減速機(jī)擁有高性?xún)r(jià)比、應(yīng)用廣泛、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、壽命長(zhǎng)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(tái)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(rùn)滑油及無(wú)論安裝在何處都可以免維修操作的全封閉式設(shè)計(jì)，并且具有IP65的保護(hù)程度，因此工作環(huán)境差時(shí)亦可使用。
行星減速電機(jī)其扭矩計(jì)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(hào)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(shí)：2-40N·m；
24V電壓時(shí)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(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.2.1確定傳動(dòng)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(hào)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(jì)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(jì)算帶輪包角
（4-4）
4.2.6確定同步帶長(zhǎng)和帶寬
根據(jù)實(shí)際要求，選擇帶長(zhǎng)L=1275mm，帶寬W=30mm。
4.2.7驗(yàn)算線(xiàn)速度
（4-5）
可以滿(mǎn)足送水機(jī)器人的運(yùn)行速度要求。
4.3 從動(dòng)輪聯(lián)接軸的設(shè)計(jì)計(jì)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(mǎn)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(duì)軸上傳動(dòng)零件進(jìn)行受力分析，畫(huà)出軸彎矩圖和扭矩圖，判斷危險(xiǎn)截面，然后對(duì)軸的危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。當(dāng)校核不合格時(shí)，還要改變危險(xiǎn)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(jì)過(guò)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(dòng)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(guò)設(shè)計(jì)校核和實(shí)踐驗(yàn)證，證明所設(shè)計(jì)的聯(lián)接軸在使用中可以符合設(shè)計(jì)要求。
4.4 從動(dòng)輪支撐軸承的設(shè)計(jì)計(jì)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(dòng)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(jì)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(duì)軸向載荷
（4-11）
介于0.04~0.07之間，對(duì)應(yīng)的e值為0.24~0.27，Y值1.8~1.6
(3) 用線(xiàn)性插值法求Y值
（4-12）
(4) 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)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(guò)驗(yàn)算，所選用的軸承完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
4.5 螺釘聯(lián)接的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.5.1螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
底盤(pán)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(jì)進(jìn)行計(jì)算。
圖4-2 底盤(pán)的螺釘聯(lián)接
螺釘?shù)男吞?hào)為H型GB/T818—2000 M4x40,螺距P=0.7mm,性能等級(jí)為4.8,抗拉強(qiáng)度極限，屈服極限。
4.5.2螺釘?shù)氖芰Ψ治?
螺釘組所受的橫向總載荷為
（4-15）
每個(gè)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)，=1.1～1.3，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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
5 電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5.1 電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖
電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖5-1所示。
中央處理器
Atmega16最小系統(tǒng)
PWM
信號(hào)輸出
輸入捕捉
信號(hào)檢測(cè)
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)
電磁鐵開(kāi)關(guān)電路
電源穩(wěn)壓電路
紅外傳感器檢測(cè)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(cè)
圖5-1 電路系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖
5.2 信號(hào)檢測(cè)
5.2.1光電傳感器介紹
光電傳感器是各種光電檢測(cè)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(hào)（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此光電式傳感器在檢測(cè)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(wú)光照時(shí)，PN結(jié)反向截止，回路中電流很小，此電流稱(chēng)為暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，產(chǎn)生光電效應(yīng)，形成電荷，稱(chēng)為光電載流子。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子定向運(yùn)動(dòng)，形成較大的電流，稱(chēng)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(hào)。[14]
5.2.3光電傳感器的布局
反射式光電傳感器最常見(jiàn)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(dòng)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(shí)間做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡線(xiàn)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(dòng)場(chǎng)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(xiàn)，線(xiàn)與線(xiàn)之間的距離為50厘米，形成邊長(zhǎng)為50厘米的方格軌跡圖陣。機(jī)器人履帶底盤(pán)擁有對(duì)稱(chēng)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在底盤(pán)的前后中軸線(xiàn)上各安裝一塊光電信號(hào)采集電路板，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)白色引導(dǎo)線(xiàn)在機(jī)器人的中心軸線(xiàn)下，正中間的光電傳感器正對(duì)著白色引導(dǎo)線(xiàn)，可以達(dá)到理想的巡線(xiàn)結(jié)果。
5.2.4傳感器電路設(shè)計(jì)
軌跡檢測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)電流—電壓變換（即讓此光電流流過(guò)一個(gè)電阻，就會(huì)在電阻兩端產(chǎn)生壓降）后就可以采集信息了。軌跡檢測(cè)電路要利用比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并送入單片機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)小車(chē)偏離引導(dǎo)線(xiàn)時(shí)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(cè)到這個(gè)變化就會(huì)使另一邊的電機(jī)減速，使小車(chē)重新回到引導(dǎo)線(xiàn)上。這種控制方法會(huì)使小車(chē)在尋跡過(guò)程中產(chǎn)生左右擺動(dòng)，由于履帶底盤(pán)的機(jī)構(gòu)特性使其機(jī)械振動(dòng)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(dòng)作基本不會(huì)造成大的震動(dòng)。傳感器電路原理圖如圖5-3所示：
圖5-3 單對(duì)紅外傳感器電路圖
當(dāng)小車(chē)在白色地面行駛時(shí)，裝在底盤(pán)下的高亮發(fā)光二極管發(fā)出光信號(hào)，經(jīng)白色引導(dǎo)線(xiàn)反射后，被光敏二極管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，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(guò)可見(jiàn)光檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí)，表明小車(chē)行駛在白色地面上。
5.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
5.3.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(lái)在電機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)的，電樞是電機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接起來(lái)。驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，將直流電源接在兩電刷之間而使電流通入電樞線(xiàn)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)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(dòng)方法。
5.3.2電磁繼電器電路設(shè)計(jì)
電磁繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓，線(xiàn)圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)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(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線(xiàn)圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)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(duì)于繼電器的“常開(kāi)、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線(xiàn)圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱(chēng)為“常開(kāi)觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)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(dòng)特性和電磁繼電器的開(kāi)關(guān)特性，使用兩個(gè)單獨(dú)的電磁繼電器可以驅(qū)動(dòng)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(jì)
單片機(jī)輸出的是數(shù)字信號(hào)，需要與模擬信號(hào)隔離，采用單獨(dú)電源可以避免模擬信號(hào)對(duì)數(shù)字信號(hào)的干擾，實(shí)踐證明如果單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等模擬信號(hào)電路共用一個(gè)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(gè)問(wèn)題。由于單片機(jī)的功率較小，額定工作電壓為5V，對(duì)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(jì)
光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫(xiě)為OC）亦稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（紅外線(xiàn)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(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，受光器接受光線(xiàn)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(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)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(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。
本設(shè)計(jì)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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)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(dòng)電源設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)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(mǎn)足要求。這里采用的是一種可以輸出最大電流為5A的開(kāi)關(guān)電源模塊。所用的芯片為MB3759和場(chǎng)效應(yīng)管K2018。開(kāi)關(guān)電源是一種由占空比控制的開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置。開(kāi)關(guān)電源的核心為電力電子開(kāi)關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對(duì)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(duì)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。開(kāi)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(kāi)關(guān)電源PWM控制集成芯片采用型號(hào)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(dòng)電路和封鎖電路等組成。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(xiě)(FET)）簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)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（10^8～10^9Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)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(jìng)爭(zhēng)者。開(kāi)關(guān)電源模塊電路如圖5-7所示。
圖5-7 開(kāi)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(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)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(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O 口線(xiàn)，32 個(gè)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(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)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(jì)
本設(shè)計(jì)中ATmega16最小系統(tǒng)資源分配為：3路PWM、控制2個(gè)電磁繼電器驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿電機(jī)、2個(gè)外部中斷、1個(gè)輸入捕捉和6個(gè)普通I/O口，還包括晶體振蕩電路、手動(dòng)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(jì)
6.1 控制系統(tǒng)程序流程圖
開(kāi)始
程序初始化
機(jī)器人移動(dòng)
偏離
白線(xiàn)？
檢測(cè)到
飲水機(jī)？
機(jī)器人靜止5秒鐘
機(jī)器人后退
偏離
白線(xiàn)？
回到
啟動(dòng)處？
夾持機(jī)構(gòu)上升30cm
夾持機(jī)構(gòu)下降
檢測(cè)到
桌面？
停止下降，張開(kāi)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
Y
N
N
N
Y
Y
Y
Y
N
N
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(dòng)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(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)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(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)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(shí)間，T2為低電平時(shí)間， 叫做占空比。對(duì)于PWM來(lái)說(shuō)占空比是一個(gè)重要參數(shù)。在電機(jī)控制的應(yīng)用中，通過(guò)改變PWM的占空比，即高電平的導(dǎo)通時(shí)間，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。
本文利用Atmega16定時(shí)器的快速PWM模式來(lái)輸出PWM信號(hào)。使用PWM模式時(shí)，先設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期、接通時(shí)間和PWM輸出的方向，然后啟動(dòng)定時(shí)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(wú)反饋裝置和反饋裝置的位置，主要分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制三種方式。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)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(hào)全部反饋回輸入端，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、動(dòng)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(dòng)電機(jī)為帶反饋裝置的行星齒輪減速電機(jī)，配合使用專(zhuān)門(mén)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。
采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為全數(shù)字多種控制接口直流伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器，同時(shí)具備模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)、 PWM 以及 RS232 控制接口，可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和可視化調(diào)試。
在具體的實(shí)際使用中，利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM輸入到MLDS3810的PWM接口就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再把電機(jī)輸出反饋信號(hào)即電機(jī)中的光電編碼盤(pán)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸入到單片機(jī)的輸入捕捉引腳，來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，即可以知道機(jī)器人行駛的路程。
6.3 行程開(kāi)關(guān)的應(yīng)用
在送水機(jī)器人的夾持機(jī)構(gòu)上安裝有兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)，第一個(gè)用來(lái)檢測(cè)飲水機(jī)的位置，第二個(gè)用來(lái)檢測(cè)放置杯子的桌面，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)被碰撞時(shí)，分別觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷0和1。單片機(jī)的外部中斷0被觸發(fā)時(shí)，使機(jī)器人停止前進(jìn)，飲水機(jī)開(kāi)始向水杯里注水，注滿(mǎn)水后機(jī)器人向后退。單片機(jī)的外部中斷1被觸發(fā)時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)的夾子松開(kāi)，把水杯放在桌面上，機(jī)器人后退30厘米，完成送水任務(wù)。
7 結(jié)論
整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)制作，歷時(shí)4個(gè)月，加上之前參加2011年亞太機(jī)器人比賽的時(shí)間，前后歷時(shí)超過(guò)一年。接到畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)后，我選擇了自主命題的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的考慮之后，我最終確定了家用機(jī)器人方向的送水