【毕业设计论文】探测机器人系统的设计论文【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕业设计说明书 探测机器人系统的设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 摘要 本设计采用模块化设计， 以便根据要求选择和定制配置， 并在需要的时候方便更换和添 加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者 都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀 爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗 冲击性能并具备全地形通过能力。 而轮式探测机器人则机动性能比较好。 除了设计探测机器 人的总体结构外，还给出了移动控制方案。 机器人最重要的机构是运动底盘的设计，即使软件设计的再好，移动方式没有设计好， 那么机器人也不会很好的执行任务。 轮式， 腿式， 履带式的移动方式在设计过程中已经给出， 可以根据自己设计的要求进行选择如果地形比较平缓， 或是有沟壑的地形， 可以选择履带的 移动方式；如果是平缓没有沟壑的地形，就选用轮式的移动方式；如果地形成阶梯状，而且 地形比较复杂，最好选用腿式的方法。 本设计可以采用两种控制系统， 即通过上位机直接通过总线对机器人进行控制或是通过 无线电台对机器人进行控制。 关键词： 探测机器人； 模块化设计； 履带移动方式； 机器人的控制系统； 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 Abstract The design is modular in design so that in accordance with requirements of options and custom configuration, and when needed to facilitate the replacement and add other modules, and is given two mobile forms of design options, that is, tracked and wheeled mobile way of design , Both have their own characteristics, but mainly to crawler- based research and design, it has good mobility in the barrier, the inter- ditch, climbing has obvious advantages. The robot is the greatest advantage of the barrier has a good performance, adapt to environmental performance, Fangshuai impact resistance and have all- terrain capacity. The wheeled robot will detect mobility is better。In addition to detecting robot design the overall structure, but also gives a mobile control ways。 Robot is the most important bodies of the sports chassis design, even the best software design, mobile design means no good, then the robot will not be very good mission. Wheeled, legged, tracked the movement of way in the design process has been given, Can be designed in accordance with the requirements of their own choice if the relatively flat terrain, or a gully of the terrain, can choose to track the movement; If the gully is not flat terrain, on the choice of wheeled mobile way, if formed ladder, and More complex terrain, the best choice legged approach。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 This design uses two types of control systems, through the PC directly through the bus to control the robot through the radio or to control the robot。 Keywords： Detecting robot; modular design；tracked mobile； robots control system； 目 录 摘要 I AbstractI I 第一章 概述 1 . 1 机器人的应用范围 1 . 2 探测机器人的先状及发展趋势 1 . 3 研究内容 第二章 机械系统的设计 2 . 1 计算机模块的设计 2 . 2 传感器模块的设计 2 . 3 电源及驱动模块的设计 2 . 4 底盘运动模块的设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 2 . 5 各模块的连接1 1 第三章 能源驱动的设计选择1 4 3 . 1 能源的供给1 4 3 . 2 电机的选择1 4 3 . 3 电机驱动的选择1 5 第四章 传感器系统的设计1 7 4 . 1 视觉传感器1 7 4 . 2 超声波传感器1 7 4 . 3 红外传感器1 9 第五章 探测机器人的硬件系统2 0 5 . 1 传感器采集系统2 0 5 . 2 保护电路2 0 5 . 3 红外传感器的接线2 1 5 . 4 超声波传感器的接线2 1 5 . 5 罗盘处理流程2 1 5 . 6 RS485- RS232 转换电路22 第六章 探测机器人计算机硬件系统2 3 6 . 1 无线电台通讯系统2 3 6 . 2 电子罗盘2 3 第七章 探测机器人软件系统的开发2 5 移动控制系统的设计2 5 演示控制程序2 5 结束语 2 9 参考文献 3 0 第一章概述 出于重要的战略意义， 资源领域已成为各科技强国相互竞争的一个焦点， 出于安全性等 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 因素的考虑， 对探测机器人的研究设计也成为了开发资源的重要硬件之一， 探测机器人可以 帮助人类完成一些不能完成的任务。 1.1 机器人的应用范围 1）行星探测移动机器人 行星探测移动机器人的研究对于发展行星科学、 提高国防能力、 提高国家的国际地位等 方面均有重要意义，因为:移动机器人是行星科学研究中着陆探测和取回样品到实验室分 析的有力工具。 人类在太空中停留数月之久会严重丢失钙和磷， 这似乎意味着人类不可能 在重力为零的状态下飞行6一9个月或更长一点时间。但机器人不存在这个问题。因此，行星 探测移动机器人的研究是对行星进行长期实地考察的需要。 大大节省探测成本。 以月球探 测为例， 根据粗略的估计， 一次有人驾驶的飞行所花费的钱要比无人驾驶飞行多50一100倍。 因此，光就科学上的探索来说，用机器人执行无人驾驶飞行任务是合算的。有利于提高国 家国防自动化的水平和国际地位。 因此， 行星探测移动机器人的研究受到世界各国的高度重 视。 2）海洋探测机器人 海洋探测机器人人已经广泛应用于海洋开发的许多领域， 随着海洋开发的不断深入， 续 航力大、探测范围广、能执行多种复杂任务的大型机器人需求也越来越大。主要用于海洋石 油开发、 海底管道光缆巡查检修以及其他各种复杂任务。 为了使机器人能更好的完成指定任 务，水下机器人的运动性能预报就成为了一个重要的研究课题。 3）油井故障探恻机器人 探测仪器的送进是油田上测井、修井等井下作业中的一项重要技术。 4) 履带式井下探测机器人 中国作为世界产煤大国，也是世界煤矿事故高发国家，需要非常重视煤矿生产的安全。 这种探测机器人可在灾害发生前对隐患进行准确及时的检测与预防， 灾后进行施救等重要的 危险任务。 关于探测机器人应用范围比我们想象的要广泛的多， 在军事方面， 已经研究出了反坦克 雷探测机器人；还有医学探测机器人等。 2006年，中国政府制定的国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要和国家中长 期科学和技术发展规划纲要（20062020年） ，将发展航天事业置于重要地位。根据上述两 个规划纲要， 中国政府制定了新的航天事业发展规划， 明确了未来五年及稍长一段时期的发 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 展目标和主要任务。按照这一发展规划，国家将启动并继续实施载人航天、月球探测、高分 辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优先项目， 加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新。要 发展航空事业，对月球进行探索，那么研究设计探测机器人是必不可少的过程。 1 . 2 探测机器人的现状及发展趋势 1） 在行星探测机器人的研制方面，美国和俄罗斯处于世界领先地位。从20世纪60年代开 始，美、苏向月球以及金、火、水、木、土等星球发射了许多探测器。格林威治时间1997 年7月4日17时07分，美国国家航空航天局困ASA)发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火 星表面着陆。探路者登陆器上带有各种仪器及“索杰纳”火星车团。这是上世纪自动化技术 最高成就之一。 日本对机器人的设计也处于领先地位。 日本京都大学科研人员已经开发出一种新型机器 人,能在强烈地震发生后到废墟中探测被埋人员。还专门进行了实用演示。这种机器人外表 象是一条粗大的节足昆虫,长 1 43 m,由 7 节组成,有人的小腿一般粗细,每节周身都缠满纵向 履带。它可以在遥控下从瓦砾的夹缝中蜿蜒穿行,装在头部的摄像机镜头会随时传输观察到 的影像和搜集到的声音,从而供控制者判断里面是否有需要救助的存活人员。 未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变化的 任务，机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控 制特性和能耗特性。 基于不同的原理和性能侧重点， 国内外提出并试验了多种类型的空间探 测机器人移动机构。 2）探测机器人移动系统的发展趋势如下: (1)轮腿式，履腿式等复合型结构的移动机器人是一个研制方向。 (2)由于航天器技术、 尺寸、 质量和费用的限制,微小型行星探测机器人是目前发展的主流。 (3)由于通信时延和微重力作用的缘故,中低速移动机器人是研制的主流。 (4)机械结构设计与控制方案相结合是研制灵活可靠的行星探测机器人的设计方向。 3）设计探测机器人所面临的问题 尽管国内外已经研制出了轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它特殊形式的移动机器人, 但到目前为止,无论国内还是国外,同时具备以下性能的移动机器人还没有出现:(1)能跨越大 于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶;(2 机器人陷入软土壤中时,能自动脱离软土壤区, 恢复正常的行驶能力;(3)整机的可密封性和可压缩性良好;(4)克服倾翻对机器人行驶能力的 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 不良影响;(5)行驶的高速高效性;(6)容积可进行扩充， 而这些又是行星探测等领域移动机器人 运动系统所应具备的重要性能,因此,研制出新型的、综合性能更好的行星探测机器人是行星 探测机器人移动系统研究中有待解决的问题之一。 1 . 3 研究内容 本设计采用模块化设计， 以便根据要求选择和定制配置， 并在需要的时候方便更换和添 加其他模块，而且给出了两种移动方式的设计方案，即履带式移动方式和轮式的设计，两者 都有各自的特点，但主要以研究设计履带式为主，它具有良好的机动性，在越障、跨沟、攀 爬方面具有明显优势。该机器人的最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能、防摔抗 冲击性能并具备全地形通过能力。 而轮式探测机器人则机动性能比较好。 除了设计探测机器 人的总体结构外，还给出了移动控制方案。 其具体研究内容如下： 1、 研究探测机器人系统的设计原则。 依据运动学原理，对机器人进行性能指标分析，动态分析，使机器人能够自适应路面， 即具有抗倾覆性、爬坡性能、越障性能、跨沟性能等功能。 2、确定探测机器人的移动方式，并对整个探测机器人的整体进行规划设计。 1）移动方式的确定； 2）总体结构设计； 3）传动系统设计。 3、给出移动控制系统的设计方案。 1）监测方法； 2）计算机硬件系统的设计； 3）计算机软件系统的设计。 4、探测机器人的拟定工作流程如图 1- 1。 图 1- 1 机器人工作流程 接通通讯电缆 打开控制界面 点击所需运动 机器人开始运行 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第二章 机械系统的设计 设计对探测机器人采用了模块化设计， 总体分为四个模块， 即计算机模块， 传感器模块， 电源及驱动模块，运动底盘模块。模块化设计的探测机器人结构比较明了，而且在一些模块 预留了一些空间，可以在需要的时候更换或添加其他模块。其简图如图 2- 1 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 2- 1 测机器人简图 其性能参数的基本要求如表所示 2- 1 表 2- 1 机器人性能参数基本要求 性能 参数 额定电压 24VDC 工作电流 2A 驱动方式 直流电机驱动 电池 铅酸蓄电池组 最大速度 3m/s 最小速度 0.01m/s 最大负载 30kg 工作时间 6 小时 爬地能力 15 度 越障能力 3cm 2.1 计算机模块的设计 计算机模块分为两部分结构，上端为度支撑架，下端是计算机的保护架。其中支撑架是 用来控制摄像头的监测方向， 将摄像头安装在支撑架的套筒里， 此设计是为减小外界环境对 摄像头表面和线路的影响，如水，阳光的腐蚀等，虽然不能完全隔离外界的影响，但尽量增 加了摄像头的使用寿命。在支撑架的右方和下方安装两个舵机，使套筒具有上下，左右两个 控制计算机模块 传感器模块 电源驱动模块 底盘运动模块 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 自由度， 从而使摄像头可以全方位的监测周围的环境。 保护架是用来防止计算机受到外界环 境的撞击，另外，保护架提高了摄像设备的高度，可以看的更远一些。 其简图如图 2- 2 所示 图2 - 2 探测机器人摄像云台简图 2.2 传感器模块的设计 传感器就像人类的感觉器官， 探测机器人必需要有这方面的设计， 视觉传感器也有他的 局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在夜间执行任务时就很难实现其功能，为更好的 使机器人完成认为，再加一组超声波传感器。 传感器模块是一个由金属材料板组成的圆柱体， 这种结构是根据主板的形状设计的， 传 感器模块虽然结构简单， 但里边所安装的电路主板是机器人的枢纽， 机器人个部分的电路板 都在这里，所以密封工作一定要做好。传感器块周围安装了 24 路红外传感器和超声波传感 器。 当人遥控机器人执行任务且视频效果较好时可以关闭红外和超声波传感器， 当视频效果 不好或是机器人自行执行任务时， 红外和超声波传感器都要开启。 传感器与箱体板安装如图 所示： 2.3 电源及驱动模块的设计 电源及驱动模块是为机器人提供能源的部分， 安装有电池组和左右电机驱动器， 因为电 池组喝驱动部分有一些重量，所以采用铸铁作为箱体。 2.4 底盘运动模块 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 2.4.1移动方式的选择 机器人的移动方式主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、混合移动 式、蛇行移动式等，各种移动方式的机动性能对比如表 2- 2 表 2- 2 车轮式、轮、履、腿式移动机构性能比较： 移动机构方式 轮式 履带式 腿式 移动速度 快 较快 慢 越障能力 差 一般 好 机构复杂程度 简单 一般 复杂 能耗量 小 较小 大 机构控制难易 程度 易 一般 复杂 探测器需要一个良好的工作性能， 要想较好的完成任务， 需要平稳的移动方式。 很明显， 履带式移动机构的性能居于轮式和腿式移动机构之间， 在地面适应性能、 越障性能方面有良 好表现。 履带移动机构地面适应性能好， 在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面以及沟壑 等，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为探测 机器人的推进系统。所以采用履带式的移动方式。另外，考虑到履带移动方式的机动性能比 较差，所以，本章节也设计了2 轮+ 1 个万向轮的移动方案，这样可以根据地形的不同，才用 不同的移动方式，在平缓的地形中，可以采用轮式，在有沟壑的地形中采用履带式。这样就 增加了探测机器人的工作效率。 2 . 4 . 2 履带的选择 根据探测机器人性能参数表可知，要求的移动速度不高，但移动距离应该精准，根据这 些要求，履带选用梯形齿同步带，其特点如下： 结构简图如图2 - 3 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图2 - 3 履带简图 结构：工作面为梯形齿，承载层为玻璃纤维绳芯、钢丝绳等环形带，有氯丁胶和聚氨酯 橡胶两种。 特点：靠啮合传动，承载层保证带齿啮合齿距不变，传动比较准确，轴压力小，结构紧 凑，耐油，耐磨性好，但安装制造要求较高。 应用：v 5 0 m / s P 3 0 0 k w i 1 0 要求同步的传动，也可用于低速传动。 2 . 4 . 3 履带、齿轮的设计计算 常见的行走机构形式就是同步带/ 齿形带。同步带/ 齿形带传动具有带传动，链传动和 齿轮传动的优点。 同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力， 故带与带轮间无相对 滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝或玻璃纤维为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为 基体，这种带薄而且轻，故可以用于较高速度。传动的线速度可达5 0 m / s ，传动比可达1 0 ， 效率可达9 8 % 。传动噪音比带传动，链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需有润滑，寿命比 摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。所以同步带广泛应 用于要求传动比准确地中，小功率传动中，如家用电器，计算机，仪器及机器人，机床，化 工，石油等机械。 同步带的设计计算 1选择设计功率 0.3 dA d pk p pkw = =选择 (1) 2选择带型和节距 选取带型为 H 型 (2) 13 b pmm= 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3根据带型 H 和小带轮转速 n1 查得最小齿轮 min 14, z =此处取1 6 min 14Z=，此处取 Z=20 小带轮节圆直径 d1 1 1 20 13 82.8 b z p d = (3) 查表得其外径 82.85dmm= 设计 Z2=Z1=20 21 21 80.85 79.48 aa ddmm ddmm = = 4 带速 v= 11 82.85 47.52 0.2/ 60 100060 1000 d n m s = (4) 5定轴间距 0 a=400mm 6带长及其齿数 21 0012 0 () 2() 24 80082.85 1060.149 dd Ladd a mm =+ =+ = (5) 7查表应选用带长代号为 420 的 H 型同步带，其节线长1070 p Lmm=，节线上的齿数 Z=84 8 实际轴间距 a= 0 0 1070 1060.149 400409.26 22 p LL amm +=+= (6) 9 小带轮啮合齿数 11 21 2 ()10 22 b m p zz zentzz a = (7) 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 10基本额定功率 2 0 () 1000 a Tmv v p = (8) 查得 0 2100.85 0.448/ (2100.850.448 0.162) 0.16 1000 0.34 a TN mkg m Pkw kw = = = = 所需带宽 0 1.14 20 d ss p bb k p = (9) 查表得：H 型带 0 1.14 40.25 10 1 0.26 76.2 0.42 40.25 m z s bsmm z k b mm = = = = = 查表得应选带宽代号为 150 的 H 型带，其38.1 s bmm= 11带轮结构和尺寸 传动选用同步带为 H150 带轮 Z1=Z2=20，d1=d2=80.85mm,da1=da2=79.48mm 采用同步带作为履带的优点是：效率高，最高效率能达到9 0 % 以上；设计简单，只须根 据标准规格选择节矩，齿数，长度，宽度就可以了。但是同步带一旦选定，长度，宽度就是 固定的，因此基本属于定制，设计不同的履带式平台就需要不同的同步带。这个特点限制了 同步带应用的灵活性。 本设计还附加了轮式底盘的移动方式，2 轮加万向轮，因为尽管履带移动方式的稳定性 比较强，但机动性比较差，所以，在必要的时候，可以根据地形的不同，装配不同的移动方 式。轮式底盘的装配图在附录中，其他模块不便。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 2.4.4锥齿轮的设计 这是轮式移动方式中，传动是通过锥齿轮来实现的。锥齿轮的计算如下： 齿轮比 u=1 大端分度圆直径 de1=20mm 齿数 Z1=Z2=30 大端模数 me1=de1/Z1=6.67 分锥角1=45 外锥距 Re=de1/2sin1=141.4 齿宽 b1=RRe=42.42 齿宽系数 R=b/Re=0.3 平均分度圆直径 dm1=de1 (1- 0.5R)=170 中锥距 Rm=Re(1- 0.5R)=120.19 平均模数 Mm=me1 (1- 0.5R)=5.6695 切向变位系数 Xt=0 径向变位系数 X=0.46（1- cos2/ucos1）=0 齿顶高 ha1=me（1+x1）=6- 67 齿根高 hf1=me（1+c - x 1）=8.004 顶隙 c= c m 齿距角 a 1= f2= f1 齿根角f1=arctan(hf1/Re)=3.24 顶锥角 a1=1+f2=48.24 根锥角 f1=1- f 1= 4 1 . 7 6 齿顶圆直径 da1=de1+2ha1cos1=209.43 安装距 A1 冠顶距 Ak1=de2/2- ha1sina1=95.285 轮冠距=H1=A1- Ak1 大端分度圆齿厚 S1=me（/2+2x1tan+xt1） 端面当量齿数 Zv1=z1/cos1=42.43 锥齿轮在这个设计中的作用是连接电机转轴和车轮转轴，采用的两个 90 度锥齿轮进行 连接，这样既可以保证两个转轴之间的传动，有可以很好的黏合。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 2 . 5 各模块的连接 2 . 5 . 1 计算机模块与传感器模块的连接如图2 - 4 所示 图2 - 4 计算机模块与传感器模块的连接 计算机模块与传感器模块的连接很简单， 设计的原则就是模块化设计， 各模块的拆装应 该简单明了。其中连接计算机模块与盖板的是8 颗M 3 内六角沉头螺钉，图中显示的是其中的 两个，其它6 颗都与这两个对称。注意，这里的螺钉式直接连接到盖板上的，并且计算机固 定架仅仅靠着几颗螺钉连接。因此，安装时务必装紧，避免由于震动等造成螺钉的松动。 传感器上的盖板则是用8 颗M 5 内六角沉头螺钉固定的，一个连接机构需两个螺钉，其它 六个与这两个均匀分布，这样的拆卸非常方便。从图中可以看出，8 颗内六角沉头螺钉都固 定在了计算机模块的外部，很明显，这样连接即使不拆除计算机模块，也可以打开盖板看到 传感器模块里的情况，为排查故障等提供了方便，还有就是，盖板要比传感器的箱体要大， 因为， 传感器箱体里放的是几乎所有机器人所需要的电路板， 防止大量灰尘进入到里边影响 电路的正常工作。 在传感器模块与盖板之间有一条扁平电缆连接， 在末端分成两个插头， 其中一个是插在 传感器主板上，是2 4 V 电源插头，为传感器层顶的用电设备提供2 4 V 电源插头；另一个插在传 感器主板上的一个扩展卡上。作用是将机器人底层的R S - 4 8 5 总线转换为方便连接计算机的 R S - 2 3 2 电平。 2.5.2 传感器模块与电源驱动模块的部分连接 连接方法如图 2- 5 计算机模块 传感器盖板 传感器箱体 连接件 传感器箱体 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 2- 5 传感器模块与电源驱动模块的连接 如图所示，这里盖板的连接方式与传感器盖板的连接方式相同，用 8 颗 M5 内六角沉 头螺钉固定。 由于传感器箱体底部安装了电路主板等，所以是封闭的，用计算机架的连接方式就不 能实现拆卸方便的原则，所以采用途中所示的方法，两个模块分别固定各自的连接快，然后 结合到一块儿，然后用一颗 M5 内六角圆柱头螺钉进行紧固，螺钉头朝外，这样拆装就相当 简单了，两个模块之间共有四组这样的连接方式，分布在盖板的四周。 2.5.3电源驱动模块与底盘运动模块的连接图 如图 2- 6 所示，1 为电源及驱动模块，2 为减振机构，3 为连接架，4 位履带当板。这两 个模块连接较其它模块有所不同， 电源及驱动模块与运动底盘连接， 它的稳定性直接影响机 器人的工作效率，为了减小底盘移动产生的震动，在与电源及驱动模块的连接中，加进一个 减震机构，如图所示，这个结构刚性比较好，可以消除一些由于路面不平产生的震动。连接 架的下端用四颗 M5 螺栓进行固定。机器人共有四组这样的减振机构，左右各两组。 两模块连接件 电源及驱动模 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 2- 6 电源驱动模块与底盘运动模块的连接 第三章 能源驱动的设计选择 机器人运行条件不同消耗的电能如表 3- 1 表 3- 1 机器人消耗电能量 运行条件 电流（A） 机器人待机（传感器处于休眠状态） 0.5A 机器人静止（所有传感器工作） 2A 机器人前进（最大 3m/s 速度） 3.5A 机器人旋转（1m/s 速度） 4.5A 从表中可以看出， 机器人的功耗控制的较低， 并且散热系统的设计有效的利用了金属壳 作为散热器。在正常工作环境下，机器人长时间工作也不会过热，所以可以放心使用。 3.1 能源的供给 本机器人的能源装置配置了两单元铅酸蓄电池，其参数如下： 容量： 24V17Ah(2 单元 12V 串联，单元容量 12V17Ah),408Wh 重量： 11kg 电源及驱动模 减震机构 连接架 运动底盘 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 放电能力： 10- 20,170- 340A 连续电路 能量密度： 39Wh/kg 循环寿命： 500 次 工作时间： 4- - - 6 小时 3.2 电机的选用 驱动装置的选择 按照能源的不同 ，可分为液动，气动，电动三大类。电驱动器由于电能易于获取，容易传 输，没有污垢，易于维修等优点而被广泛采用。在机器人使用的电驱动器中，步进电机与数 字电子计算机的结合上，表现出很好的发展前景。 根据第二章计算结果和机器人性能要求， 配置了乐日本三洋公司生产的 Super_L 直流电 机，外观如图 3- 1 所示： 图 3- 1 Super L 三洋直流电机 电机参数如下： 额定电压 24V 额定功率 60W 额定转速 3000n/min 减速比 1:5 编码盘线数 512- 1024 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3.3 电机驱动的选择 直流电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱 动整个机器人运动。直流电机上的电压大小影响它的转速和扭矩。 探测机器人的调速是通过直流运动控制器来实现的，此探测机器人配置了瑞士 FAULHABER 公司的 MCDC2805，如图 3- 2 所示： 图 3- 2MCDC2805 驱动器 MCDC2805 运动控制器是专为直流电机而量身定做的， 配合性能优异的 SANYOSuperL 电机及集成编码器，即使在转速非常低的情况下，也能到达 0.18 度的定位控制精度。 MCDC 2805 运动控制器由功能强大的 16 位处理器和性能卓越的数字滤波器组成智能 化的 MCDC 2805 能实现以下功能： 1速度控制：在绝大多数应用中，均能达到优异的速度同步性能，同时转矩波动最小 内置 PI 调节器能准确到达指定位置。 2速度模式可以方便实现谐波，三角形，梯形及更复杂的复合运动速度图运行模式。 3位置控制：采用限位开关，参考令位及高分辨率的编码器，可以实现高精度定位控 制。 4附加控制模式：可以通过步进控制模式同步控制多个电机工作。 5转矩控制：通过调节电流实现转矩控制 6保存和运行程序：可以完全脱离 PC 主机独立运行，实现所有控制功能。 7输入输出： 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 给定信号输入：可以用模拟方式或数字方式输入给定速度，此书如也可以作为参考 信号用。根据不同的工作模式，又是需要频率信号输入。 故障输出端（集成极开路输出） ：可以设置成旋转方向输入，数字输入或参考输入 口。 RS232 串口：用于与 PC 主机通讯和控制程序运作。 MDCD2805 接线口如表 3- 2 表 3- 2 MDCD2805 的接线表如下： 电源侧 9 针 D 型串口 电机侧 接线端 功能 接线端 功能 接线端 功能 V1 RS- 232 TXD (RS- 232 发送 端) 2 RS- 232RXD(RS - 232 接收端) M1 InputNo.5 (第三输 入端) V2 RS- 232RXD (RS- 232 接收 端) 3 RS- 232TXD(RS - 232 发送端) M2 InputNo.4 (第三输 入端) V3 AnalogGND (模拟地) 5 GND(地) M3 Channel A (编码 器 A 通 道) V4 Fault Ouput (故障输出 端) M4 Channel B (编码 器 B通 道) V5 Analog Input （模拟输入 端） M5 VCC(+5) (系统提 供+5V) V6 +24V(点源正 极) M6 Signal GND (信 号地) 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 V7 GND(地) M7 MOTOR +(接电机 正极) V8 Input No.3 (第三输入 端) M8 MOTOR_ （接电机 负极） 第四章 传感器系统的设计 首先，机器人的传感器就像人体上的感觉器官，它可以探测到周围的环境，然后经过综 合性的测量、计算，对他的行为进行选择判断。其中，视觉是最重要的，因为，即使只有视 觉的时候，也能根据看到的进行前行或是改变行为方式，但如果失去了视觉，即使其他的感 觉功能都存在，也很难判断周围的环境，很难对行为方式进行判断。所以首先应选择视觉传 感器。 4.1 视觉传感器 因为在设计过程中， 为了保护好摄像设备的连接线以及防止设备被环境腐蚀等， 已经设 计了用舵机控制自由度的摄像云台， 安装摄像头的部位可以在控制下朝向任何的方向， 所以 只需一个 USB摄像头即可。 如图 3- 3 所示；具体视觉参数如表 4- 1 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 4- 1 表 4- 1 视觉具体参数如下： 传感器类型 Ccd 感光器 传感器像素 130 最高分辨率(dpi) 1280*960 最大帖数(FPS) 30 色彩位数(bit) 24 对焦方式/范围 自动对焦 摄像头压缩比 5:1 兼容操作系统 Windows 2000/Windows XP PC 接口类型 USB 2.0 颜色 银灰色 其它 内置麦克风，用 Rightsound 技术， 清晰，无回音的语音系统。 为了使机器人更好地执行任务，配置了 24 路超声波传感器和 PSD 红外传感器。两种测 距传感器可以互补，例如有些不反射红外的物体（像黑色塑料等）却能很好地反射超声波， 反之，很多超声波传感器无法检测到的物体（像纤细的织物）很容易被红外测距传感器检测 到。 4.2 超声波传感器 超声波传感器安装如图- 2 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 4- 2 超声波传感器安装图 超声波传感器就是被两个螺钉固定在了箱体上，共配置了 24 路超声波传感器安装到了 传感器的箱体周围的壁上。 超声波传感器的测距工作原理：超声波传感器激发出一束很窄的超声波在空气中传播， 当遇到障碍物时， 超声波返回。 根据超声波的传递时间就能准确地计算出障碍物的相对距离。 原理如图 4- 3 图 4- 3 超声波检测距板原理图 本设计采用的使集成的超声测距传感器，使用简单。首先将超声波传感器的 INIT 信号 拉到高电平，此时超声波传感器换能器的将激发超声波。INIT 信号高电平的时间与需要测 定时器 控制 显示器 调制器 计时器 接受检验 振荡器 超声波接收器 超声波发生器 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 量的最长距离有关。当超声波遇到障碍物时，超声波将返回，超声波传感器检测到回波信号 后，将 ECHO 置为高电平。当 INIT 信号为低电平时，ECHO 同时也变为低电平。因此可以 计算障碍物的距离： 障碍物的距离 S=（INIT 高电平时间 T1- - - ECHO 高电平的时间）*声速/2。超声波传感 器工作的时序如图 4- 4 所示 图 4- 4 超声波传感器工作时序图 4.3 红外传感器的配置 除了超声波传感器，还为探测机器人配置了 24 路红外传感器参数的型号为 E18- B0，规 格数据为： VCC: 6V- - - - 36V(典型 12V) 工作电流: 小于 300mA 输出形式: NPN 三极管 OC 输出 封装形势: 工程材料 安装方式: 直径 17mm 壳体螺纹，带锁紧螺母 光电开关输出是开关量， 只能判断在测量距离内有无障碍物， 不成给出障碍物的实际距 离，而且其开关的临界距离要受外界光环境的影响。因此仅作为超声波传感器的补充，以测 量超声波传感器的补充，以测量超声波传感器的盲区内有无障碍物。另外，该传感器有一个 灵敏度调节旋钮，可以调节传感器触发的距离。随供电电压不同，最远探测距离在 5- 60cm 可调。虽然红外传感器的功能有限，但恰恰与超声波的功能互补，所以为了使探测机器人更 好的执行任务，红外传感器是必不可少的。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第五章 探测机器人的硬件系统 5.1 传感器采集系统 5.1.1 传感器主板如图 5- 1 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 5- 1 传感器主板 图中只显示了一个超声波传感器，其他 24 路沿主板均匀排列，将收集到的信息存到采 集卡里，并传输给计算机。 5.1.2 电源输入以及简单保护电路 ： 传感器主板电源输入如图 5- 2：由两针接口 POWER 输入之后分成两路，一路经过可恢 复保险管与 TVS 管（用于反接与过压保护）为传感器系统提供 24V 电源，另一路直接为 PC 提供电源。其中 LED01 与 LED02 分别是传感器系统与 PC 系统电源指示电源电路。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 5- 2 传感器主板电源输入 5.2 电源保护电路 电源保护电路如图 5- 3 为了便于用扩展， 对各扩展卡的每一路电源以及信号都进行可靠的保护如图， 即使用出 现把短路，接反，信号混乱也不会导致整个系统崩溃。 图 5- 3 电源保护电路 5.3 红外传感器的接线 红外传感器输入接口如图 5- 4 传感器供电为 5V,HY_OUT 为输入端。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 5- 4 红外传感器输入接口图 5.4 超声波传感器的接线 超声波传感器输入接口如图 5- 5 传感器主板上 24 路超声波传感器接口，其定义如图所是： POWER,GND 是 12V 供电接口 ECHO_OUT 是超声波传感器回波信号输出 INT_IN 是超声波传感器使能输入 图 5- 5 超声波传感器接口图 5.5 罗盘处理 基本工作原理： 在接收到 PC 查询指令后读取罗盘数据，并按标准协议发送到 PC. 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 程序基本流程图 5- 6 图 5- 6 罗盘数据基本流程图 5.6 RS485- RS232转换电路 基本工作原理： 通过 MAX491 将+12V- 17V 的 RS485 差分电平转化为 0- 5V 的 CMOS 电平，然后通过 MAX232 将 CMOS 电平转化为 PC 的+12- 7 的 VRS232 电平，实现 PC 与 模块设备的通信。如图 5- 7 所示 初始化 发送 总指令为查询罗盘？ 向罗盘发出读指令 罗盘返回数据？ 加入数据包头和校验 十次连续查询 是 是 否 否 是 是 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 5- 7 RS485- RS232 转换电路 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第六章 探测机器人计算机硬件系统 在机器人的研究中，机器人的系统结构一直是人们关注的热点。通用开放式机器人系 统是今后发展的趋势。首先，开放机器人应具备以下特征： 1 使用基于非专用局算机平台的开发系统； 2 使用标准的操作系统和标准的控制语言； 3 硬件基于标准总线结构，能够与各种外围设备和传感器接口； 4 能与分布式系统中其他单元共享数据，并允许远程操作； 5 机器人系统的性能和功能可以根据使用需求很方便地增减。 本人设计的探测机器人符合上述条件，是开放式的机器人。本设计采用笔记本电 脑架构，集成 Windows 操作系统和 VC 开发环境。基于架构的机器人系统的优点是： 1 通用的机器人系统，开放性好； 2 良好的通讯功能；PC 很容易与其他设备实现通讯，因此很容易扩展其他硬件设备； 3 具有成熟的标准总线结构，能够与各种外围