资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共50页)
编号：438976
类型：共享资源
大小：15.56MB
格式：ZIP
上传时间：2015-06-03
上传人：优****料
认证信息
个人认证
冯**（实名认证）
境外
IP属地：境外
60
积分
- 关 键 词：
-
基于
行为
行动
设计
自主
移动
挪动
机器
研究
钻研
- 资源描述：
-
- 内容简介：
-
移动机器人是近年来发展起来的一门综合学科，集中了机械、电子、计算机、自动控制以及人工智能等多学科最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。移动机器人在工业生产中常用来完成运输和上下料等任务，同时也被广泛用于农业、医疗等不同行业。在移动机器人相关技术研究中，路径规划技术是一个重要研究领域17。本文首先初步讨论总结了目前主要的路径规划技术。从基于事例、基于环境模型和基于行为三个方面全面而系统地综述了移动机器人路径规划技术的研究现状，对于目前普遍采用的路径规划方法及其实际应用情况进行了较为详细介绍和分析。基于行为的方法是由MIT的Brooks在他著名的包容式结构42中建立，它是一门从生物系统得到启发而产生的用来设计自主机器人的技术，也是本文所重点研究的目标。它采用类似动物进化的自底向上的原理体系，尝试从简单的智能体来建立一个复杂的系统。将其用于解决移动机器人路径规划问题是一种新的发展趋势，它把导航问题分解为许多相对独立的行为单元，比如跟踪、避碰、目标制导等。这些行为单元是一些由传感器和执行器组成的完整的运动控制单元，具有相应的导航功能，各行为单元所采用的行为方式各不相同，这些单元通过相互协调工作来完成导航任务。基于行为的机器人学反对抽象的定义, 因此采用场景化、具体化的解释更适合该领域的哲学思想。基于行为的机器人学的重要研究内容是系统结构而不是算法, 基于行为设计的机器人在非结构化动态环境中的性能非常优越，用基于符号的机器人学设计的类似的机器人无法达到如下性能:a. 高速度,高灵活性。在动态复杂环境中的移动速度很快。b. 高鲁棒性。 可以承受局部损坏。 c. 高效性。 软件代码可以是传统的几百分之一,硬件可以是传统的几十分之一。 d. 经济性。价格是传统的十几分之一。 e. 可扩展性。很少改变原有系统便可增加性能。f. 可靠性。分布式自组织并行工作,可靠性强。为进一步研究基于行为的规划方法，而引入一个真实环境及任务模型，即IEEE每年举办的微型机器鼠比赛，通过设计基于行为的机器鼠模型论证该算法的可行性。此项比赛要求机器人能够自主在未知环境中完成迷宫穿越的任务。针对机器鼠比赛项目的环境模型未知或不确定，以及该机器人本身的某些限制, 采用基于行为的研究方法, 实现了自行设计的自主式小型机器鼠在未知、动态环境中的自动避障。通过对机器鼠所运行的环境建模，根据基于行为的方法对机器鼠的执行任务、沿墙行走、判断障碍旋转进行分解构建，以及对机器鼠传感器布置及机械平台设计进行理论分析。本文所研究的自主式微小型机器鼠个体是自行搭建的机器鼠实物平台, 它由两步进电机驱动, 其外形如图1所示。在机器鼠正向和侧向共有3个漫反射式红外线光电传感器, 距离为10cm 20cm ,两个碰撞开关，传感器位置布置如图2所示，当传感器前方有障碍物时, 传感器的输出为1, 否则为0。 图1 机器鼠外形照片采用了ATMEL公司的AT89S52单片机控制，小型四相步进电机及专用的PMM8713步进电机驱动方案，红外接近开关作为主要传感器，差动式底盘结构，初步实现针对微型机器鼠竞赛的自主移动小车的设计。图2 机器鼠传感器布置行为的设计与机器人的能力密切相关，机器人的硬件限制了机器人的某些行为的能力，根据机器鼠的比赛任务，对机器鼠的行为中作如图3分解。图3 机器鼠的基本行为组件机器鼠的设计是对基于行为的规划方法的一种验证设计，这种算法正广泛应用于家庭服务类机器人，最典型的实例是自主吸尘机器人。西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于行为设计的自主移动机器鼠研究年 级: 2003级学 号: 20030718姓 名: 谢群专 业: 机械设计制造及其自动化指导老师: 周伦2007年 6月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页院 系 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2003级 姓 名 谢群 题 目 基于行为设计的自主移动机器鼠研究 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页毕业设计（论文）任务书班 级 2003级机械一班 学生姓名 谢群 学 号 20030718 发题日期： 2007年 3 月 5 日 完成日期： 2007年 6 月 10 日题 目 基于行为设计的自主移动机器鼠研究 1、本论文的目的、意义 独立设计并制作的基于行为设计的机器鼠，对基于行为的机器人算法的验证和试验。在机器鼠设计过程中，依照基于行为的设计方法，对机器鼠的环境、行为和执行任务进行分析和重构，以此对传感器的布局、机械结构和程序流程进行了理论分析和设计。提出了一种机器鼠机械底盘设计方案，结合控制系统初步可以完成：能够按照预先设定的算法，自动按照一定的路径行驶，行驶过程中可以自动的识别并绕开障碍物。通过对AT89S52单片机系统的设计调试，对如何组建单片机系统有了深刻的了解；通过对步进电机驱动电路的设计调试，熟悉了PCB的设计流程，增强了数字电路方面的知识。 2、学生应完成的任务 机器鼠的总体设计、路径设计及机器鼠的总调试 机器鼠的机械部分设计并加工组装 步进电动机驱动电路板的设计、调试 51单片机控制系统的硬件接线及软件程序设计、调试 51单片机控制流程图 步进电机驱动芯片电路图 机器鼠的机械底盘设计建模，运动学计算 AT89S52单片机外围硬件接线图 外文资料翻译 设计、计算说明书 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分 实习 (1周) 第二部分 收集资料、进行市场调查、完成总体设计 (3周) 第三部分 进行详细方案设计、完成控制系统、电路板的调试及机械零件的加工(4周)第四部分 完成机器人的总装及功能调试 (2周) 第五部分 外文翻译以及设计说明书 (2周)评阅及答辩 ( 周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页摘 要移动机器人是近年来发展起来的一门综合学科，集中了机械、电子、计算机、自动控制以及人工智能等多学科最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。在移动机器人相关技术研究中，路径规划技术是一个重要研究领域。论文首先初步讨论总结了目前主要的路径规划技术。从基于事例、基于环境模型和基于行为三个方面全面而系统地综述了移动机器人路径规划技术的研究现状，对于目前普遍采用的路径规划方法及其实际应用情况进行了较为详细介绍和分析。然后针对IEEE每年举办的微型机器鼠比赛此项比赛要求机器鼠能够自主在未知环境中完成迷宫穿越的任务。针对机器鼠比赛项目的环境模型未知或不确定，以及该机器人本身的某些限制, 采用基于行为的研究方法, 实现了机器鼠在未知、动态环境中的自动避障。通过对机器鼠所运行的环境建模，根据基于行为的方法对机器鼠的执行任务、沿墙行走、判断障碍旋转进行分解构建，以及对机器鼠传感器布置及机械平台设计进行理论分析。最后研制出具备自主移动功能的机器鼠实物, 它由两个步进电机驱动,在机器鼠正向和侧向共有3个漫反射式红外线光电传感器和两个碰撞开关。当传感器前方有障碍物时, 传感器的输出为1, 否则为0。采用了ATMEL公司的AT89S52单片机控制，小型四相步进电机及专用的PMM8713步进电机驱动方案，红外接近开关作为主要传感器，差动式底盘结构，初步实现了微型机器鼠竞赛用自主移动机器鼠样机研制和实验验证。关键词：机器鼠；自主移动；路径规划；单片机；步进电机驱动；红外接近开关 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页AbstractThe Mobile Robert is a recently developing synthetic discipline which represents mechanical-electrical integration and centralizes the latest research of mechanics, electronics, computer, auto-control artificial intelligence, etc. In production industries the robot is used to transport and load-unload meanwhile it also widely used in others, like agriculture, medicine, and so on. In the relevant researches, the technology of it is a very important field. Firstly this paper make a summary of current technologies of path planning preliminarily, and then from case-based environment model-based and behavior-based aspects, make a summary of the recent situation mobile robots path planning researches comprehensively and systematically. Finally introduces and analyzes the commonly used methods and their applications.Because of the uncertain and dynamic the environment models and the limitation of the robotic mice, we choose the method of adopting behavior-based. The self-designed autonomous navigation of mobile robot avoiding obstacles automatically can be realized. Though modeling for the circulating-circumstance of robotic mice, its tasks performing, along wall walking and obstacle-rotating judging are analyzed and constructed according to the behavior-based method as well as the arrangement of robotic mices sensor and the design of mechanical platform.We have built the platform of practicality for the robotic mice. The AT89S52 single-chip controlling also miniature four phase stepper motor and circuit of step motor driving program are adopted, with infrared remote control switch controller as the major sensor and differential chassis structure. Therefore, the design of autonomous navigation of mobile vehicle aimed at the miniature robotic mice contest will be achieved. Use limited funds to make a simple carriage, build an experimental electric circuit, draw and print the circuit board and accomplish the assembling and debugging work.The design of robotic mice is a validation for behavior-based method. The computational algorithm is widely used in household services robots and the typical form is autonomous cleaning robots. On the ground of robotic mice sensor and control system, the thesis further put forwards a mechanical chassis design, accomplish CAD modeling calculate and analyze in terms of autonomous cleaning robots. Key word: Mobile robot;Path planning;Singlechip-controlling drive circuit of step motor;Infrared remote control switch controller;Autonomous cleaning robots 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页目 录第1章 绪论1第2章 移动机器人路径规划方法的分类及现状52.1 基于事例的学习规划方法52.2 基于环境模型的规划方法62.3 基于行为的结构7第3章 机器鼠的设计任务及方案分析103.1 微型机器鼠竞赛介绍103.2 设计任务分解113.3 机器鼠任务分析及基于行为设计123.3.1 巡视通道，沿墙行走行为133.3.2 判断通道，触发旋转行为193.3机械平台213.4.1 机器鼠移动机构方案选择213.4.2 车轮的安装与选择263.4.3 车轮的选择273.5 多传感器的配合使用283.5.1 传感器在机器人学科应用283.5.2 机器鼠红外传感器303.5.3机器鼠传感器设计方案34第4章 机器鼠四相步进电机及驱动电路设计384.1 步进电机控制概况384.2 反应式步进电动机的结构及工作原理394.3 步进电机功率的确定434.4 驱动电源454.4.1 步进电动机的控制474.4.2 机器鼠所使用的步进电机驱动电路494.5 单片机控制534.6 单片机控制程序流程图64第5章 基于机器鼠控制系统的一种实用自主吸尘机器人机械设计695.1差动式车体运动学分析705.2 驱动轮机构组成745.3 随动轮机构组成79结 论81致 谢83参考文献85附录一： C语言单片机控制程序88附录二： PCB印刷图88附录三： 外文翻译88附录四： 实习报告88 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第88页第1章 绪论“机器人”一词起源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。这个词是由剧作家 Karel Capek 引入的，他虚构创作的机器人很像 Frankenstein 博士的怪物 由化学和生物学方法而不是机械方法创造的生物。但现在流行文化中的机械机器人和这些虚构的生物创作物没有多大区别。欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”43 机器人能力的评价标准包括：智能，感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。 基本上，一个机器人包括：l 机械设备，如可以与周围环境进行交互的车轮平台、手臂或其它构造。 l 设备上或周围的传感器，可以感知周围环境并向设备提供有用的反馈。 l 根据设备当前的情况处理传感输入，并按照情况指示系统执行相应动作的系统。 机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40年的发展已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生成长成熟期后，已成为制造业中不可少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。 在制造业领域，机器人的开发集中在执行制造过程的工程机器人手臂上。在航天工业中，机器人技术集中在高度专业的一种行星漫步者上。不同于一台高度自动化的制造业设备，行星漫步者在月亮黑暗的那一面工作：没有无线电通讯或可能碰到意外的情况。至少，一个行星漫步者必须具备某种传感输入源、某种解释该输入的方法和修改它的行动以响应改变着的世界的方法。此外，对感知和适应一个部分未知的环境的需求需要智能（换句话说就是人工智能）。从军事科技和空间探索到健康产业和商业，使用机器人的优势已经被认识到了这种程度：它们正在成为我们集体经验和日常生活的一部分，能把我们从危险和枯燥中解脱出来7：l 安全：机器人技术已经被开发用于处理核能和放射性化学制品的很多不同用途，包括核武器、电厂、环境清洁和某些药品的处理。 l 不愉快的事：机器人执行很多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工作。 l 重复和精度：装配线工作已经成为机器人技术工业的一个中流砥柱。机器人被广泛地用于制造业，而且，在强调最小维护需求的空间探索中，使用机器人更具有吸引力。 其中移动机器人 （mobile robot）是一种由传感器、遥控操作器和自动控制的移动载体组成的机器人系统。移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业和人所不及的（如宇宙空间、水下等）环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。 图1-1 四足移动机器人60年代后期，美国和苏联为完成月球探测计划，研制并应用了移动机器人。美国“探测者”3号,其操作器在地面的遥控下，完成了在月球上挖沟和执行其他任务。苏联的“登月者”20号在无人驾驶的情况下降落在月球表面，操作器在月球表面钻削岩石，并把土壤和岩石样品装进回收容器并送回地球。70年代初期，日本早稻田大学研制出具有仿人功能的两足步行机器人。为适应原子能利用和海洋开发的需要，极限作业机器人和水下机器人也发展较快。 移动机器人随其应用环境和移动方式的不同，研究内容也有很大差别。其共同的基本技术有传感器技术、移动技术、操作器、控制技术、人工智能等方面。它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、听觉传感器和触觉传感器。移动机构有轮式（如四轮式、两轮式、全方向式、履带式）、足式（如 6足、4足、2足）、混合式(用轮子和足)、特殊式(如吸附式、轨道式、蛇式)等类型。轮子适于平坦的路面，足式移动机构适于山岳地带和凹凸不平的环境。移动机器人的控制方式从遥控、监控向自治控制发展，综合应用机器视觉、问题求解、专家系统等人工智能等技术研制自治型移动机器人。 图1-2 火星探索车移动机器人除用于宇宙探测、海洋开发和原子能等领域外，在工厂自动化、建筑、采矿、排险、军事、服务、农业等方面也有广泛的应用前景。 在移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其核心，而路径规划是导航研究的一个重要环节和课题。所谓路径规划是指移动机器人按照某一性能指标(如距离、时间、能量等)搜索一条从起始状态到目标状态的最优或次优路径。路径规划主要涉及的问题包括：利用获得的移动机器人环境信息建立较为合理的模型，再用某种算法寻找一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰撞路径；能够处理环境模型中的不确定因素和路径跟踪中出现的误差，使外界物体对机器人的影响降到最小；如何利用已知的所有信息来引导机器人的动作，从而得到相对更优的行为决策。目前，对于移动机器人路径规划技术的研究已经取得了大量的成果，许多问题获得了比较满意的答案。第2章 移动机器人路径规划方法的分类及现状从到目前为止的研究来看，移动机器人路径规划方法主要可以分为以下三种类型：2.1 基于事例的学习规划方法 基于事例的学习规划方法依靠过去的经验进行学习及问题求解，一个新的事例可以通过修改事例库中与当前情况相似的旧的事例来获得。将其应用于移动机器人的路径规划中可以描述为：首先，利用路径规划所用到的或已产生的信息建立一个事例库，库中的任一事例包含每一次规划时的环境信息和路径信息，这些事例可以通过特定的索引取得；随后，将由当前规划任务和环境信息产生的事例与事例库中的事例进行匹配，以寻找出一个最优匹配事例，然后对该事例进行修正，并以此作为最后的结果。移动机器人导航需要良好的自适应性和稳定性，而基于事例的方法能满足这个需求。Ram A将基于事例的在线匹配和增强式学习相结合，提高了机器人的自适应性能，较好地适应了环境的变化。利用基于事例的方法时要注意保持事例库中的事例数量，以防止增加机器人在线规划时间或产生信息爆炸问题。Marefat M把基于事例的方法作为一个特征辅助规划与全局规划结合从而提高了全局规划的效率。Krusmaa M通过创建种群事例库在理论上覆盖了关于路径搜寻问题所有可能的路径解空间，克服了启发式搜索方法在此方面的缺陷16。图2-1 深海机器人近年来，自主式水下机器人由于其在海底资源探测上的优势而受到各国的关注，但因为水下环境十分复杂(能见度差、定位困难等)，导致一般的规划方法都难以奏效，而水下环境的拥挤程度相对较低、机器人工作在同一区域的可能性较大这一特征恰好有利于基于事例的规划方法的应用，因此该方法被广泛的用于解决水下机器人的路径规划问题，试验证明其效果也较为理想。2.2 基于环境模型的规划方法 该方法首先需要建立一个关于机器人运动环境的环境模型。在很多时候由于移动机器人的工作环境具有不确定性(包括非结构性、动态性等)，使得移动机器人无法建立全局环境模型，而只能根据传感器信息实时地建立局部环境模型，因此局部模型的实时性、可靠性成为影响移动机器人是否可以安全、连续、平稳运动的关键。环境建模的方法基本上可以分为两类：网络图建模方法、基于网格的建模方法。前者主要包括自由空间法、顶点图像法、广义锥法等，利用它们在进行路径规划时可得到比较精确的解，但所耗费的计算量相当大，不适合于实际的应用。而后者在实现上要简单许多，所以应用比较广泛，其典型代表就是四叉树建模法及其扩展算法(如基于位置码四叉树建模法、Framed-quadtrees建模法等)。基于环境模型的规划方法根据掌握环境信息的完整程度可以细分为环境信息完全已知的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的局部路径规划。由于环境模型是已知的，全局路径规划的设计标准是尽量使规划的效果达到最优。在此领域已经有了许多成熟的方法，包括可视图法、切线图法、Voronoi图法、拓扑法、惩罚函数法、栅格法等。前4种方法都是采用基于图论的思想，将目标、机器人及其工作空间用一个连接图表示，如此一来，路径规划问题就转化为在图上寻找一条从起始节点到目标节点的路线。惩罚函数法将路径规划这个有约束的问题(受到障碍物的限制)转化为一个无约束最优化问题，再求解就可得出解答。栅格法用网格描述机器人的工作环境，根据栅格的可信度值可确定出障碍物的分布，此时通过避障规划就可得到无碰路径。作为当前规划研究的热点问题，局部路径规划得到了深入细致的研究。对环境信息完全未知的情况，机器人没有任何先验信息，因此规划是以提高机器人的避障能力为主，而效果作为其次。Koeing S等提出了增量式的D Lite算法，该方法利用启发式策略搜索一条从目标点指向机器人当前位置的路径，并在机器人向目标运动过程中根据局部环境的更新信息来实时重规划路径，由此得出一条最优路径。在国内，张纯刚等提出了基于滚动窗口的规划方法，也取得了较好的效果。在环境部分未知时的规划方法主要有人工势场法、模糊逻辑算法、遗传算法、人工神经网络、模拟退火算法、蚁群优化算法、粒子群算法和启发式搜索方法等。前4种方法相对应用较广，后几种则是近年来才比较流行，其中启发式方法的研究取得了较大进展。启发式方法的最初代表是A 算法而其新发展是D和Focussed D 这两种由Stentz A提出的增量式图搜索算法(又称作Dynamic A*算法)的产生。D 算法可以理解为动态的Dijkstra(最短路径)算法，而Focussed D 算法则利用了A 算法的主要优点即使用启发式估价函数，两种方法都能根据机器人在移动中探测到的新的环境信息快速地修正和重规划出最优路径，减少了局部规划的时间，对于在线的实时路径规划有很好的效果。此外，还出现了一些基于A 的改进算法，它们一般都是通过修改A 算法中的估价函数和图搜索方向而实现的，可以较大地提高路径规划的速度，具有一定的复杂环境自适应能力25。基于环境模型的方法由于其规划的精确性和平稳性应用在很多领域特别是在宇宙空间探测中，美国于1996年12月发射了“火星探路者”探测器，并用所携带的“索杰纳”火星车对火星进行了实地考察，获得了很大的成功。索杰纳所采用路径规划方法就是D 算法，它使索杰纳能在火星表面自如而谨慎地行走，且能自主判断出前进道路上的障碍物，并通过实时重规划来作出后面行动的决策，真正做到了“三思而后行”。2.3 基于行为的结构MIT的Brooks等人首先提出了基于行为的结构。所谓基于行为的控制结构是把复杂的任务分解成很多简单的可以并发执行的单元，每个单元有自己的感知器和执行器，这两者紧耦合在一起的，构成感知动作行为，多个行为相互松耦合构成层次模型。机器人的最终操作由控制器根据行为的优先级和本身的任务做出综合的反应41。这种方法的主要优点在于每个行为的功能比较简单，因而可以通过简单的传感器及其快速信息处理过程获得比较好的运行效果。对于移动机器人的自主导航来说，所具备的行为包括紧急行为、避障行为、任务行为(包括障碍物识别和环境探索)，每种行为有不同的优先级，其中应急行为优先级最高，避障次之，任务行为优先级最低，整个体系结构，如图所示。图2-2 典型基于行为控制系统(1) 紧急行为紧急行为比其他行为具有更高的优先级别。紧急距离是由预先定义的，距离传感器不断告诉移动机器人离周围障碍物的距离。当障碍物的距离在紧急距离之内时候，机器人就立即停止。因此，紧急行为如下：l 检查周围障碍物的距离；l 当障碍物的距离在紧急距离之内时就停止。(2) 避障行为如果障碍物在左边就向右转；如果障碍物在右边就向左转；如果障碍物的距离位于紧急距离之内则该行为被忽视。(3) 任务行为由障碍物识别和环境探索两个行为组成。障碍物识别。当机器人探测到前方有未知物体，执行未知障碍物检测行为。此时按顺时针方向围绕此未知物体进行探测，直到回到初始点。结束未知障碍物检测。此算法能够快速、准确的得出未知物体的形状。环境探索。保证能够对所需探测的环境或区域进行完全的、无遗漏的搜索。基于行为的方法在中智能家庭等商业领域受到了许多研究人员的青睐，iRobot公司成功地研制出Roomba家庭式自动地板吸尘除菌机器人，将基于行为的思想引入机器人的作业规划中，提高了规划的效率和对环境的适应度，具有良好的应用前景。图2-3 Roomba公司生产的清洁机器人第3章 机器鼠设计任务及方案分析3.1 微型机器鼠竞赛介绍微型机器鼠竞赛大会自1977年5月IEEE的光谱（Spectrum）杂志上载文倡议以来，在世界各国相继开展起来。 （/） 日本在1980年举办第一次微型鼠竞赛大会。每年有上百台微型鼠，以它们的头脑和速度进行比赛。和其他机器人比赛型比，它是最有实际的理智比赛。（http:/www.bekkoame.ne.jp/ntf/mouse/mouse.html）微型鼠竞赛如照片所示，项目为迷宫探路，从起点到终点以最短的路线、最短时间到达者为优胜。图3-1 机器鼠比赛现场迷宫由1616个区域组成，起点设在拐角处。规定通道长宽尺寸，顶面涂红色，侧面涂白色，地面涂黑色。机器人的长宽不超过规定尺寸，高度和重量没有限制。把从起点到终点用最短时间行走的纪录作为这个机器人的记录。另外，机器人必须是自律的，行走过程中不能用手接触，和外界的通信。当机器鼠开始行走的时候，不能给它传送迷宫信息43。图3-2 机器鼠比赛场地模型3.2 设计任务分解针对微型鼠竞赛任务，选择迷宫走法，即左手规则：设定机器人的传感器判别左侧是否有可通过通道，当传感器判断出左侧为通道，即可机器人响应转向左侧通道，如遇凹形通道，连续左转两次返回。走法示意如图3-3：图3-3 迷宫走法示意 为研究使用，综合考虑迷宫通道情况，将迷宫简化为一段L型通道。图3-4 迷宫通道简化模型机器人所必需具备的主要功能包括：l 在迷宫通道中，自主沿墙行走行为；l 在行走过程中，使车体与环境保持相对距离；l 判断行驶方向前方是否遇到阻隔；l 根据左手规则，传感器组满足触发要求，车体以最小转弯半径左转九十度；l 在凹型通道，连续左转九十度两次，驶离通道。以上的分析作为初步任务分解，将设计任务分解成各个易于处理的子任务，对于这些子任务机器人更有希望完成和实现。为了得到这种任务分解方式，从机器人的视角出发，全局考虑整个任务的实现过程。基于行为的机器人学的一个重要特征：复杂行为可以由比较简单的行为相互组合和实现41。3.3 机器鼠任务分析及基于行为设计由于设计目的是在短时间内构建和实现机器人系统，因此在选取实现穿过迷宫的这一任务的相关方案时，选择使用满足要求的现有技术。同时，为了保证系统能够成功运行，对于这些现有技术的能力、实现代价以及相关局限需要通过论证。图3-5 机器鼠已完成实物（a）图3-5 机器鼠已完成实物（b）3.3.1 巡视通道，沿墙行走行为通常情况下为了实现任务，机器人需要努力完成各式各样的目标。机器人通过由软件或者硬件构造的控制系统实现目标。传感器在控制系统中可有可无，但控制系统必须包含一个或者更多的执行器以使机器人维持或者达到某个状态。反馈控制系统采用某种算法，或者某种物理机制，将输入信号和被控设备响应的测量信号转换为新的控制命令。1) 控制系统选择l 开环控制系统（open-loop control systems） 系统的控制输入不受输出影响的控制系统。在开环控制系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路（见反馈控制系统）。因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。控制器通常具有功率放大的功能。同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构要简单得多，同时也比较经济。开环控制系统的缺点是控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合，如步进电机的控制，简易电炉炉温调节，水位调节等。开环控制器是一种最简单的控制系统，下图所示为小车的开环控制系统。速度选择器用来为机器人输入期望速度Vd，信号变换器用来将速度选择器的输入信号调整，产生适用于传动系统的速度命令Vc。传动系统包括电动机和轮子，这些装置将电子信号转换为机器人的实际动作。速度传感器用来测量机器人的实际运转速度Vm。图3-6 开环控制系统示意l 闭环控制系统（closed-loop control system）闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后做出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。通过在开环控制器中增加一些辅助性元件和更加复杂的环节可以实现系统的闭环控制。闭环控制器通过减小期望速度Vd和测量速度Vm之间的差值调整速度控制命令Vc。期望速度和测量速度的差值为误差信号Ve。误差信号备放大g倍后产生控制命令。采用这种闭环控制的比例控制器，即使在环境发生变化的情况下，也能使机器人以接近于期望速度值的速度运行。图3-7 闭环控制系统示意虽然闭环控制系统具有控制精确等优点，但由于系统中存在延迟问题将会导致系统振荡。通常提高系统的复杂程度为代价，许多方法可以使系统在不发生发散型振荡的情况下，能够以比较快的速度，精确的停止在目标位置，其中最常用的一种闭环控制系统是PID控制器。l 针对机器鼠比赛的状态控制器由于考虑采用步进电机作为驱动部件，因此在开环控制器的基础上提出状态控制器，这种控制器比比例控制器还要简单，只有两种状态，根据传感器反馈信息实现状态之间的切换：当检测量高于某个设定的阀值，控制器输出一个数值；而当检测量低于该值时，则输出另外一个不同的数值。状态控制器针对小车沿墙行走具有较高效的控制，如下图所示，在沿墙行走中，机器鼠试图在自己的右侧检测墙的位置，并据此确定自己的动作，最终达到沿墙行走的效果。机器鼠采用红外接近觉传感器检测自己的右侧是否有墙存在，这种传感器符合状态控制器要求，输出值为0或1，1代表检测到有墙存在，0代表没有检测到任何东西。在沿墙行走过程中，当机器鼠在自己的右侧检测到墙壁时，它会沿原点位于墙左侧的圆弧向远离墙的方向行驶；当没有检测到任何东西，机器鼠就会沿原点位于墙右侧的圆弧轨迹向墙壁靠近。系统的延迟在一定程度决定了机器鼠能否能够完美的沿墙走。大的延迟会导致机器鼠的行走路径由一系列大曲率的圆弧组成；小延迟能够使机器鼠的行走路径近似直线，几乎观察不到机器鼠有任何的方向矫正动作。状态控制器有一个增益参数，亦即机器人运动曲线的曲率半径R。如果R比较大，即使系统具有很大延迟，机器鼠也能够比较平滑沿墙壁走。然而，出现拐弯时，如果拐弯方向朝向机器鼠一侧，那么机器鼠容易同墙壁发生碰撞；如果拐弯朝向另一侧，那么机器鼠需要移动很远的距离才能返回靠近墙壁的位置。如果R比较小，机器鼠能够根据墙壁的状态变化坐车快速反应，然而如果系统延迟特别大的话，机器鼠在运行过程中可能做出比较激烈的左右摇摆。图3-8 机器鼠沿墙行走示意在(a)中，机器鼠检测到在其附近有墙存在，机器鼠就会沿原点位于自己左侧的半径为R的圆弧向远离墙壁的左前方行驶。当机器鼠离墙太远，就会如(b)所示，传感器检测不到墙壁的位置，机器鼠会重新向墙靠近，这时，机器鼠的行走轨迹是原点位于自己右侧的半径为R的圆弧。机器鼠按照这种方式继续运行，要么靠近墙，要么离开。在状态控制器中还需引入重要的环节磁滞环节，使得当系统变量低于某个值改变状态，高于某个值改变状态。两值之间为状态保持，这样大大减少系统反复改变状态的次数和频率。当然任何系统都不可避免地存在着一定的磁滞现象。为了使状态控制系统获得良好的控制性能，需要根据目的引入磁滞环节。2) 边缘行走行为边缘行走行为能够帮助机器人在障碍物之间搜索路径。它使机器人沿着某个狭长环境特征的边缘移动。其中沿墙行走行为可能是最常用的一种边缘行走行为。机器人沿墙行走，就是让机器人顺着墙的轮廓平稳移动。实现这种行为的关键一点就是方向对准问题。l 基于接触传感器的沿墙行走行为只装有碰撞检测传感器的机器人也能实现沿墙行走行为。尽管这种机器人没有安装能保证自己在每个具体时刻都同向保持平行的机构，但是通过左右旋转他能在平均的意义上保持朝向同墙平行的。采用这种方法，机器人沿墙行走的路径轨迹为圆齿形。下述用伪代码实现这一行为：Behavior bump_followIf (test_spin (A) ) then Rotation=w Translation=0Else if (L or R) then Set_spin(A,Oc)Else Rotation=-w Translation=cEnd ifEnd bump_follow 行为bump_follow能够使机器人比较准确的沿墙或者某个刚性物体行驶，但是行驶速度较低，智能性较低，传感器容易损坏。l 基于测距传感器的沿墙行走行为横向安装的测距传感器能够使机器人比较可靠的沿墙行走，如图3-9所示。图3-9 测距传感器保持距离维持墙壁和传感器之间的距离为一固定常数：当二者之间的距离偏小时，机器人向远离墙壁的方向旋转；当距离偏大时，机器人向靠近墙壁的方向旋转。伪代码: Benavior range_follow Rotationg=g(D0-d) Translation=cEnd range_followD0为期望边缘距离，是需要维持的机器人和墙壁之间的缓冲距离；测距传感器的实际测量距离为d；g为比例控制器的增益系数；固定常数c是机器人移动的速度。其中，传感器应该安装在机器人旋转中心的前面，并且与该中心保持一定的距离；如果传感器位于机器人两个轮子的轴线上，它所测量的距离有时不能用来确定机器人的旋转方向。如图3-10所示，在遇到斜面时，当传感器检测与墙壁距离太近，试图转向墙壁的方向旋转以对此校正，但此时传感器却错误的判断距离增大，而导致机器人撞向墙壁。图3-10 传感器处于两轮中间时失效l 基于接近觉传感器的沿墙行走行为同接近觉传感器相比，测距传感器价格通常比较昂贵，并且性能稳定性也比较差。通常，沿墙行走至采用一个接近觉传感器，并且采用这种传感器的行为与测距传感器有很大部分相似。Behavior proximity_follow Rotation=w(2P-1) Translation=cEnd proximity_follow前进速度c和旋转速度w的同时设置将使机器人按照某条具有特定半径的圆弧行驶，因此机器人的运动路径为一系列面向和背向墙壁的圆弧。系统的延迟和磁滞效应越小，机器人行走路径就越趋近于一条直线。3.3.2 判断通道，触发旋转行为基于行为的机器人学提出基本行为这一概念，用来表示机器人比较低级的简单行为。通常情况下，基本行为由两部分组成：1） 将感知信息转换为执行其指令的控制单元；2） 用来决定控制单元何时动作的触发单元。基本行为由一个触发单元和控制单元（控制系统）组成，其中，控制单元用来将感知信息转换为机器人所要执行的控制命令，而触发单元则用来确定在什么情况下控制系统应该为机器人的执行器产生的指令输出。基本行为的这两个组成单元都可以检测相同的或者不同的传感器信息，以便确定自己的动作。一般来说，允许控制系统连续运行，相比反复启停计算过程具有更多实用性，并且编程过程更加简单。如果控制系统连续运行，在行为不需要执行时，只要简单的利用触发控制开关废弃相关的输出指令即可42。图3-11 基本行为组成基本行为具有通用结构，对源码的实现方式几乎没有任何约束。对于行为的描述通常可以分为：伺服行为和弹道式行为。伺服行为采用反馈控制环作为控制单元，当需要控制机器鼠驱动电机的行为，只需要根据相关条件计算出电动机的运行速度即可，行为实现过程中的其他具体细节主要取决于机器人运行的软件系统；弹道式行为，顾名思义，一旦触发，该行为自始自终都会按照预先设定好的模式运行，并且弹道式行为有一个明确的终点。因此弹道式行为可以看作是一个规模较小的规划过程或者序列操作过程。为得到某一执行结果，首先利用伺服行为实现，伺服行为对环境变化能做出快速响应，不但具有良好的抗噪声能力，而且对工作过程中所出现的其他微小故障也具有较强的容错性。有限状态分析（FSM：Finite State Machine）状态指系统可能存在的所有结构，在机器人研究领域，当提及某个系统具有状态时，通常指的是该系统具有记忆能力。如果系统具有状态，那么系统响应不但取决于当前的传感器检测信息，而且还同以前采集到的所有传感器信息以及过去的处理过程有关。在机器人领域经常采用的是具有限状态数量的系统，有限状态机不但具有有限数量的状态，而且还详细的对系统如何在状态间进行切换定义了相关规则5。针对机器鼠比赛的特点，利用FSM对其行为进行描述。机器鼠的工作方式如下：在L型通道中如果传感器没有检测到前方有障碍，则始终保持沿墙行走状态；如果传感器检测到前方有障碍，停止前进，原地向左旋转180度，直到检测前方无障碍，继续保持沿墙行走状态；直到再次检测前方有障碍，再次执行原地旋转，但在凹形通道中，传感器仍然检测前方有障碍，连续执行原地旋转180度命令，直到检测无障碍；回到拐角处，检测到前方有障碍，但侧向传感器检测不到有障碍，机器鼠原地向右旋转180度回到起点。图3-12 机器鼠在通道环境中示意以上分析已经变得相当繁琐和难以处理，在这种情况下实现系统很容易发生错误。出现这种原因是将系统中所有可能的一些具体细节都描述成相应的状态。利用FSM可以将系统的信息保存到某个变量中简化系统的分析过程。基于这种思想，拟将整个系统分为两个子系统：旋转启动系统和旋转方向判断系统。将前端传感器检测到有无信号设输出为d，检测到有障碍d=1，无障碍保持d=0，右侧传感器有无信号输出为a,检测到有障碍a=1，无障碍保持a=0。如图3-12所示。图3-13 根据行为对机器鼠的任务分解图3-13中所示的实现机器鼠行走行为的有限状态机大大简化前面所进行的常规系统分析。在图中，旋转启动和旋转方向被相互独立的利用两个FSM实现，每个FSM都只有两个状态：前端传感器检测障碍情况，和侧向传感器检测障碍情况。判断是否进入旋转状态，只需要前端传感器的变量d，旋转结束的标志d=0，这样可以避免使用弹道行为来设定旋转角度值，减少误差；旋转方向，利用侧向传感器检测信号，这里需要考虑在沿墙行走中，侧向传感器会出现检测无状态的情况，通过设定d可以避免沿墙行走时发生误判旋转，但是在拐角需要设定一定延时判断。3.3 机器鼠机械移动平台设计（单独一章）3.3.1 机器人移动机构方案选择机器人移动机构按其结构可分为轮式、履带式、步行方式或其他方式。轮式和履带式机器人适合于条件较好的路面，而步行机器人则适于条件较差的路面。轮式移动机构运动平稳，自动操纵简单，最适合平地行走，在无人工厂中，常用来搬运零部件或做其他工作，应用最广泛。图3-14 轮式移动机构布置7普通的轮式移动机构一般有三个轮、四个轮或六个轮，其转向装置的结构通常有两种方式: 1.铰轴转向式:转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴，从而控制转向轮的转向。2.差速转向式:在机器人的左、右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过控制左右轮的速度比实现车体的转向。在这种情况下，非驱动轮应为自由轮。据上所述，轮式移动机器人通常有以下几种可选方案:1.三轮铰轴转向式:如图(a)所示，轮1为铰轴转向轮，它同时也可以作为驱动轮。如果1作为驱动轮，可将轮2或轮3之一作为驱动轮。2.三轮差动转向式:如图 (b)所示，轮1为随动轮，它可以自由转动，轮2和轮3都是驱动轮。3.四轮铰轴转向式:如图 (c)所示，轮1和轮2为转向轮，它们之间有同步轮转向连杆，轮3或轮4为驱动轮，转向通过转向电机来实现。4.四轮差动转向式:如图 (d)所示，轮1和轮2为自由轮，轮3和轮4分别由不同的电机来驱动，以实现差动转向。四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构较复杂。三轮移动机构结构最简单，控制最方便。三点确定一个平面，三轮支撑理论上是稳定的。然而，这种装置很容易在施加到轮1的左右两侧力F作用下翻倒，因此，对负载有一定限制。但对采用三轮移动机构的机器人来说，重心都比较低，载荷稳定且中心位置基本不发生变化，所以三轮移动机构能满足要求。铰轴转向式控制简单，但精度不是太高。差动转向式控制较复杂，但精度高。考虑到吸尘机器人在移动和避障时，其运动和转向的精度要求较高，所以本设计采用三轮差动转向式。采用标准差速驱动运动平台对于机器鼠已经满足其运动条件。由于机器鼠需要在靠近墙壁的附近区域工作，形状应设计为对称圆柱体，并且两个驱动轮的轴线应该同整个外壳的直径相重合。这种形状可以帮助机器鼠在窄小空间内转弯避让。差速驱动底盘通过控制两个驱动轮之间的运动差异来控制机器人的整体运动。也就是说，无论另一个轮子的移动速度如何，每个轮子都可以按照自己特定的速度旋转。在构造过程中，为了维持平衡经常使用一个或者多个万向轮。图3-15 机器鼠所采用的底盘方案透过机器鼠的壳体向下俯视，可以看到如图所示的两个驱动轮和位于前端的球形万向脚轮。左右两个驱动轮L和R之间的相对速度决定了机器鼠的整体运动。当两个轮子同时向前旋转时，机器鼠就会前进；当两个轮子以相同速度向相反方向旋转时，机器鼠将会围绕位于两轮子中间的中心点进行原地旋转操作。尽管平移运动和旋转运动相互偶合在一起，然而可以通过两步操作将这两个运动分量进项有效的解耦。首先让机器人按照特定方向围绕某点进行原地旋转操作（两个驱动轮的旋转速度大小相同，方向相反）；然后控制两个驱动轮朝向相同方向旋转，以执行纯粹的平移操作，直到达到期望位置为止。选择机器人上的任何一点作为局部坐标系统的原点。假设选择左轮同地面之间的接触点为坐标原点，如图3-16所示。此时机器人的平移速度v式左轮的驱动速度VL。底盘圆周半径为w，并且其旋转角速度为,位于该圆上的某点的线速度Vpoint=w。机器人的平移速度和旋转速度同轮子速度之间的关系可以表示为：V=VL=(VR-VL)/w也经常使用上述求解表达式的逆向计算过程：VL=VVR=w+V图3-16坐标系统F原点位于机器人的左轮在图3-17所示差速驱动机器人运动的某个特殊情况，当机器人围绕坐标系统的原点进行旋转操作时，由左轮所确定出的曲率半径为向量rl。随着旋转过程的进行，的值将从0增达到2，此时左右两个轮子的运动轨迹形成了两个同心圆，其周长分别为2rl和2（rl+w）。左轮沿内圈行驶的时间和右轮沿外圈行驶的时间是相同的，由此我们可以计算出rl的值。由于时间等于距离与速度的商值。2rl=2（rl+w）/VR由上式可以求出VR为：rl=VLw/(VR-VL)图3-17 轮速同机器人运动之间的关系该式描述了左右两个轮子的速度同机器人曲率半径之间的关系，对此可以做出非常合理的解释。当两个驱动轮的旋转速度完全相同时，半径rl的值将趋于无穷大。当左轮速度为0时，rl等于0，机器人围绕左轮进行原地旋转；当两个轮子的速度幅值相同而符号相反时，机器人将会围绕中心位置进行原地旋转。（a）（b）图3-18 机器鼠机械底盘3.4.2 车轮的安装与选择1） 平衡当使用一对车轮驱动的时候,要让左、右车轮处于同一平面内,如图3-17(a)所示的那样。换句话说,图3-19(b)所示的左、右车轮高低不同是不可取的。图3-19 平衡7检查的方法很简单，将机器人放置在一个光滑的平面上，仔细观察所有驱动轮是否同时接触到平面，以及机器人是否倾斜，或者在每个驱动轮的正上方给一个正压力，观察机器人是否会晃动。如果发现确实存在机器人不平衡的问题,就要调整到平衡状态。如果这个问题不解决,会导致机器人直线行进时偏离行进方向,朝略微偏向未接触地面的那个驱动轮的方向行驶。电机和驱动轮是通过一个支架与机器人底盘连接的，这时需要在支架与底盘之间塞人厚度合适的垫片调整有问题的驱动轮。如果机器人只是单轮驱动，而通过另外两个辅助车轮来支撑和转向，那么对非驱动车轮也要进行同样的检查和调整，以免机器人出现错误转向的问题。2） 对称对于双轮驱动系统, 还要注意确保两驱动轮的轴线处于同一前后位置上, 如图3-20 (a)所示。操作起来很容易, 只要在向驱动轮安装架钻孔时事先做好标记就可以了。图3-20 对称7对于单轮驱动,则要求驱动轮安装在两辅助轮轴线的中垂线上,即如图3-20(b)所示。3） 同轴当驱动轮与电机直接连接时,还要注意驱动轮彼此是同轴的,也就是说,驱动轮都对准正前方。如果出现不正确的安装姿态,如果不靠某种软件来校正,机器人肯定不会沿着既定的路线行驶。如果电机不直接与驱动轮相连, 事先应当计划好在何处安装电机。电机的输出轴将经由链传动、齿形带、带轮等将运动传递到车轮, 一定要计算好链条或皮带的长度以及张紧力,确保传动时不会打滑。尽管一些挠性联轴器,比如聚乙烯管材、联轴器成品等,容许在一定程度的错轴条件下传动,但是仍然需要将这种变形限制在允许的范围内。3.4.3 车轮的选择选择车轮需要考虑多种因素,如机器人的尺寸、重量、地形状况、电机功率等等,当然,也需要考虑到美观。1）车轮重量与类型的关系一般来说,机器人越重,要求车轮和履带的结构越坚固。小于2磅的轻型机器人,可以使用软性泡沫塑料车轮。由于机器人的重量轻,软性材料的变形还不至于太严重,而且能在摩擦力很小时工作良好。超过2磅的机器人,需要选用质地更为坚硬的材料做车轮,不充气的中空橡胶轮胎能够在610磅下工作。超过10磅,就要考虑实心橡胶轮胎或者充气轮胎。而类似割草机的车轮,不管是实心的还是充气的,在机器人的重量接近40磅的场合都可以成为选择的方案。机器人超过40磅时,可以考虑试用诸如小型机车轮、手推车轮,或者其他相似的高效率的充气轮胎15。以上是一般性的建议,在某些特殊工作场合会有例外,比如通过增加静摩擦或滚动摩擦来换取更好的牵引效果,而又不太在意磨损的应用场合。如果轻型机器人驱动电机的功率较小,便可以使用硬橡胶轮胎以减少滚动摩擦。还有另一种例外,就是有意让轮子和标准铅垂面之间形成一个角度,这个措施能削弱机器人由于电机未被妥善紧固而造成的偏离行进方向的倾向。为此轮胎的质地需要更为坚硬,因为此时只是借助轮胎的某个侧面来运动,而非整个底面。机器人运动时,需要考虑轮胎材料以及轮胎受到的压力和拉力。2） 地形条件与车轮材料首先观察一下在不同路面上移动时汽车和自行车的车轮。路面平整时常使用充气轮胎,这时轮胎不会发生严重变形。而驾车外出或在山路上骑车时应减少轮胎的充气量。一般来说,在光滑表面使用坚硬的或充气很足的轮胎,在崎岖路面使用扁平的软性轮胎以便获得在不确定路面下良好的牵引效果。对机器人来说选用轮胎的方法与此类似,可以概括为高摩擦表面使用低摩擦性能的轮胎,低摩擦表面使用高摩擦性能的轮胎。在崎岖的路面,车轮需要更具有附着力的轮胎面,它更能适应地形增加摩擦力。路面光滑时,使用光滑的胎面以增加车轮与路面间的接触面积。但如果在光滑的路面上有碎屑和尘土,就需要在轮胎上做出一些特殊的纹路,以增加对运动表面的压力,降低尘土对车轮的影响。路面潮湿时也要求轮胎上有凹槽,这样既有利于排水又可以增加摩擦力,或者说对地面的附着力。有些材料在不同路面上使用时性能的差别很大,一定要仔细选择。往往需要进行试验,以找到能满足路面条件要求的最合适的材料。在同样的路面使用不同的轮胎也会表现出不一样的性能。例如沙地,接触面狭窄时,牵引力很小;接触面积很大时它却能获得高的牵引力。因此在沙地上运动时,应该使用宽轮胎,因为窄轮胎会陷进去。但是宽轮胎摩擦系数更高,需要更多能量来驱动它。为了在这对矛盾中寻求最优解就需要进行试验,以获得轮胎宽度的合适范围。3.5 机器鼠多传感器设计（单独一章）3.5.1 传感器在机器人学科应用为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品，有些方面还在探索之中，随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。机器人传感器可分为内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置，安装在机器人自身中，用来感知机器人自己的状态，以调整和控制机器人的行动。内部传感器通常由位置、加速度、速度及压力传感器等组成。外部的传感器用于机器人对周围的环境、目标物的状态特征获取信息，使机器人和环境发生相互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外部传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉和味觉等传感器，机器人使用外部传感器分类如表3-1：表3-1 机器人传感器分类1传感器检测内容检测器件应用触觉接触把握力荷重分布压力多元力力矩滑动限制开关应变计、半导体感、压元件弹簧变位测量器导电橡胶、感压高分子材料应变计、半导体感压元件压阻元件、马达电流计光学旋转检测器、光纤动作顺序控制把握力控制张力控制指压控制姿势形状判别装配力控制协调控制滑动判定 接近觉接近间隔倾斜光电开关、LED、 红外、激光光电晶体管、光电二极管电磁线圈、超声波传感器动作顺序控制障碍物躲避轨迹移动控制视觉平面位置距离形状缺陷ITV摄像机、位置传感器测距仪线图象传感器面图像传感器位置决定控制移动控制物体识别、判别检查、异常检测听觉声音超声波麦克风超声波传感器语言控制（人机接口）导航嗅觉气体成分气体传感器、射线传感器化学成分测探味觉味道离子敏感器、PH计化学成分测探传感器汇集类型有多种，通常采用的以下两种例子。1）竞争性的：在传感器检测同一环境或同一物体的同一性质时，传感器提供的数据可能是一致的，也可能是矛盾的。若有矛盾，就需要系统裁决。裁决的方法有多种，如加权平均法、决策法等。在一个导航系统中，车辆位置的确定可以通过计算法定位系统（利用速度、方向等记录数据进行计算）或陆标（如交叉路口、人行道等参照物）观测确定。若陆标观测成功，则用陆标观测的结果，并对计算法的值进行修正，否则利用计算法所得的结果。2）互补性的：传感器提供不同形式的数据。例如，识别三维物体的任务就说明这种类型的融合。利用彩色摄像机和激光测距仪确定一段阶梯道路，彩色摄像机提供图像（如颜色、特征），而激光测距仪提供距离信息，两者融合即可获得三维信息。3.5.2 机器人红外传感器图3-21 红外反射光电传感器原理红外反射式光电传感器特性与工作原理：反射式光电传感器的光源有多种,常用的有红外发光二极管,普通发光二极管,以及激光二极管,前两种光源容易受到外界光源的干扰,而激光二极管发出的光的频率较集中,传感器只接收很窄的频率范围信号,不容易被干扰但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测,然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响,如反射表面的形状、颜色、光洁度,日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号,采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送经红外发光管发射,光敏管接收调制的红外信号1,原理如图3-20所示。图3-22 红外发射接受原理反射光强度的输出信号电压Vout 是反射面与传感器之间距离x 的函数,设反射面物质为同种物质时,x 与Vout 的响应曲线是非线性的,如图3-23 所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标,不同的目标距离阈值电压是不同的。图3-23 光强度与电压相应曲线表3-2 红外传感器分类红外传感器分类1.漫反射式光电开关漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检 测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。引起理想漫反射的光度分布 局部较强漫反射时的光度分布 2.镜反射式光电开关 镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。3.对射式光电开关 对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。4.槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。5.光纤式光电开关 光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。实物产品：漫反射型光电开关（NPN三极管驱动输出）检测距离：100毫米被检测物最小直径：5毫米指向角度：小于5度 工作电压：1036V直流工作电流：小于10毫安输出驱动电流：300毫安 温度范围：2570度 图3-24 红外光电传感器实物 图3-25 红外光电传感器原理电路这是一种应用最为广泛的光电开关，它的直径为18毫米，固定时只要在设备外壳上打一个18毫米的圆孔就能轻松固定，长度约75毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时红色LED点亮，平时处于熄灭状态，非常直观，引线长度为100毫米。3.5.3机器鼠传感器设计方案 经上述分析，拟采用以红外漫反射光电传感器为主，辅以微动开关组成的碰撞传感器和由软件控制的静止检测传感器的方案。其中碰撞传感器是利用同机器人移动最为相关的机器人与环境之间的交互作用力。当机器人同环境中的某个物体发生碰撞时，这种交互作用力就会变为非零值。这种碰撞力士在机器人驱动轮输出传动力矩的作用下产生的。这种传感器由微动开关组成，当机器鼠与墙壁相碰撞，由于场地与轮子间摩擦力足够大，则可以触动微动开关，给控制单元信号。这样处理主要是针对当红外传感器漏报或失效时，机器鼠与墙壁间发生碰撞，而不能正确判断，使电机保持堵转消耗更多能量。图3-26 微动开关实物静止传感器用来检测机器人是否仍在运动。这种传感器的实现方式有很多，使用虚拟和物理方式都能实现静止传感器。虚拟静止传感器的一种简单实现方式是设计某个行为，该行为的主要任务实时检测某个或多个物理传感器的信息值是否发生变化。如果机器鼠在运动，碰撞传感器、红外传感器都有可能改变它们的输出信息值。而机器鼠一旦停止运行，所有传感器的输出值都将保持不变。当在拐角等地方，碰撞传感器未能接触时起检测作用。可以和碰撞传感器配合来避免因为红外传感器的失效，造成的行为混乱。图3-27 机器鼠传感器布局设计图3-28 机器鼠传感器安装示意图当各种行为由于系统某种资源缺乏而存在相互竞争的关系时，就需要利用仲裁机制来妥善处理这种关系。资源缺乏是指机器人的资源供不应求。例如机器鼠的驱动电机就是一个典型的缺乏性资源。在机器鼠运行过程中，执行沿墙行走行为和执行转向行为，而执行机构只有步进电机。因此需要考虑仲裁机制。使用仲裁器对相比较抽象的“资源”进行管理。各种行为都可能竞相使用机器人的某种功能5。在通常情况下，行为在执行过程中只需要传感器的信息。对于系统其他各个环节的状态和情况无需得知。然而，有时当某些行为试图控制机器人的电机时，需要知道自己的命令是否被通过。当转向行为被触发时，该行为试图控制机器人旋转一定角度，以避开前方障碍。那么，在行为开始时，首先应该知道自己所发布的命令是否已经起作用。为满足行为的这种控制信息需要，常将仲裁器设计为带有一定的输出，用以表示仲裁过程的获胜。在机器鼠中，行为可以采用同处理其他感知输入信息完全相同的方式使用这些来自仲裁器的输出信息。为了维持一个易于修改、扩展和调试的系统，所有行为都不允许修改其他行为的内部状态。这点很重要。尽管某个行为所创建和拥有的局部信息可以作为变量参与另一个行为的计算过程，这样的做法是错误的，采用这样方法完全违背了基于行为的经典思想，更类似于自组织结构程序。图3-29 机器鼠的基本行为组件第4章 机器鼠四相步进电机及驱动电路设计4.1 步进电机控制概况图4-1 单路步进电机控制的试验电路图4-2 单片机控制电路板实物步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。图4-3 步进电机分解图步进电机有如下特点13：1）可以用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价。 2）位移与输入脉冲信号数相对应,步距误差不长期积累,可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统,也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。 3）无刷,电动机本体部件少,可靠性高。 4）易于起动,停止,正反转及速度响应性好。 5）停止时可有自锁能力。 6）步距角可在大范围内选择,在小步距情况下,通常可以在超低转速下高转矩稳定运行,通常可以不经减速器直接驱动负载。 7）速度可在相当宽范围内平滑调节,同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。 8）步进电动机带惯性负载能力较差。 9）由于存在失步和共振,步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。 10）需要专用的伺服控制器控制,不能直接使用普通的交直流电源驱动。4.2 反应式步进电动机的结构及工作原理反应式步进电动机的结构形式很多，按定转子铁芯的段数分为单段式和多段式两种。l 单段式步进电机单段式步进电机是定转子为一段铁芯。由于各相绕组沿圆周方向均匀排列所以又称为径向分相式。它是步进电动机中使用最多的一种结构形式。如图4-4为三相反应式步进电动机的径向截面图。定转子铁芯由硅钢片叠压而成，定子磁极为凸极式，磁极的极面上开有小齿。定子上有三套控制绕组，每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上。每套绕组叫一相，三相绕组接成星形，所以定子磁极数通常为相数的两倍，即2p=2m（ p为极对数m 为相数）转子上没有绕组，沿圆周也有均匀的小齿，其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等,而且转子的齿数有一定的限制。这种结构形式的优点是制造简便，精度易于保证，步距角可以做得较小。容易得到较高的启动和运行频率。其缺点是在电机的直径较小而相数又较多时，沿径向分相较为困难，消耗功率大，断电时无定位转矩43。图4-4 三相反应式步进电动机的结构l 多段式步进电机多段式步进电机是定转子铁芯沿电机轴向按相数分成m 段。由于各相绕组沿着轴向分布，所以又称为轴向分相式。按其磁路的结构特点有两种，一种是主磁路仍为径向，另一种是主磁路包含有轴向部分。l 机器鼠所使用步进电机图4-5 机器鼠所使用的步进电机实物图出于成本的考虑，本设计中所使用的步进电机为二手电机如图4-5所示。它的铭牌标示为：制造商MINEBEA CO.LTD，制造产地THAILAND，额定电压12V，额定电流0.42A，步距角1.8 DEG/STEP。初步判断它是反应式步进电机，通过网络检索相关发现这是一款已经停产的产品，但是步进电机驱动芯片的选择需要根据步进电机相数和单/双极性来决定。电流在电机绕组中有两种可能的流向，这样的电机就叫做双极性电机和双极驱动序列。双极性电机通常由一种叫做H桥的电路驱动，图4-6给出了连接H桥和步进电机两根抽头的电路。H桥通过一个电阻连接到一个电压固定的直流电源(其幅度可根据电机的要求选取)，然后，该电路再经过4个开关(分别标为S1、S2、S3和S4)连接到绕组的两根抽头。这一电路的分布看起来有点像一个大写字母H，因此叫做H桥。 图4-6 双极性步进电机结构及驱动电路单极电机与双极性电机类似，不同的是在单极电机中外部能够接触到的只有每个绕组的中心抽头，如图4-7所示。将从绕组顶部抽出的抽头标为抽头B，底部抽出的标为抽头A，中间的为抽头C。包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。图4-7 单极性步进电机结构针对一些抽头没有标注的电机，如果清楚步进电机的构造，就很容易通过测量抽头之间的阻值，识别出哪些抽头属于哪根绕组。不同绕组的抽头之间阻抗通常为无穷大。经测量，抽头A和C之间的阻抗为30欧姆，那么抽头B和C之间的阻抗也是30欧姆，而A和B之间的阻抗为60欧姆。60欧姆这一阻抗值就叫做绕组阻抗。 通过这个方法测出这个步进电机的实际是四相单极性步进电极。4.3 步进电机功率的确定在进行驱动电机功率确定的时候，我们只考虑机器人在水平路面做直线运动的情况，并且轮子变形、地面打滑、空气阻力等因素忽略。主动轮的受力如图4-8所示:图4-8 驱动轮受力图 图中： M驱动力矩； Md驱动轮质量； Pd驱动轮的载荷； Fd车体对驱动轮的作用力； fd地面对轮子的摩擦力； Nd地面对驱动轮的支撑力； V驱动轮轴心的运动速度； 在这里分别用下标d，c表示驱动轮和从动轮。由于我们考虑的是机器人做直线运动的情况，所以各个轮子中心的运动速度与机器人的直线运动速度相同。从动轮受力如图4-9所示:图4-9 从动轮受力图为车体对从动轮的力，为从动轮的载荷，为地面对从动轮的摩擦力，方向正好与驱动轮所受摩擦力方向相反，为地面对轮子的支撑力。由主动轮受力分析可以得到: （4-1）其中为转动惯量。又由可得 （4-2）其中r为车轮半径。由上式得 （4-3）由从动轮的受力分析可得： （4-4）又 （4-5）所以可以推得： （4-6）对驱动轮和从动轮受力分析完成后，下面分析车体受力，如图4-7图4-10 车体受力图图4-10中，为除车轮外的车体质量。根据受力可以得到： （4-7）继而可得 （4-8）其中机器人的总质量为根据所要求的机器人的加速度，我们可以估算出所需要的驱动力矩M的大小。根据所要求的运行速度，并且考虑传动效率以及安全情况，可以确定所需电机的功率大致为: （4-9）式中，K为安全系数。综合以上的考虑，机器鼠选用的驱动步进电机的最大静转矩为5kg. cm，步距角为1.8DEG/STEP，机体自重为3kg，低速运行，满足驱动要求。4.4 驱动电源步进电动机需要由专门的驱动电源供电，驱动电源和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合所反映的综合效果。驱动电源的形式很多，分类方法也很多。按照配套的步进电动机容量大小，可分为功率步进电动机驱动电源和伺服电动机驱动电源两大类；按输出脉冲的极性可分为单向脉冲电源和正、负双极性脉冲电源两种；按功率放大器的型式分为单一电压型、高低压切换型、电流控制高低压切换型、细分电路电源和定电流斩波升频升压等13。无论那一种电源它应满足以下基本要求：1） 动电源的相数、通电方式和电压、电流都要与所驱动的步进电动机相匹配；2） 满足步进电动机起动频率和连续运行频率的要求；3） 能最大限度地抑制步进电动机的振荡；4） 工作可靠，抗干扰能力强；5） 成本低、效率高，安装维护方便。步进电动机的驱动电源由变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三部分，组成如图所示。变频信号源是一个脉冲信号发生器，脉冲的频率可以由几赫兹到几千赫兹连续变化。实现这一功能的电子线路很多，最常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种。图4-11 驱动电源方框图脉冲分配器（也称环形分配器）是一个数字逻辑单元，它接收一个单相的脉冲信号，根据运行指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上，使步进电动机按选定的运行方式工作。它可以由双稳态触发器和门电路组成，也可用可编程逻辑器件组成。目前已有专用的集成电路，如三、四相步进电动机脉冲分配器PMM8713就是其中一种。脉冲放大器是要进行脉冲功率的放大。因为从脉冲分配器能够输出的电流很小（毫安级），而步进电动机工作时需要的电流较大（一般几安到几十安）。因此，需要进行功率放大。功率放大电路的种类很多，它们对电机性能的影响也各不相同。脉冲放大器是每相绕组一套。4.4.1 步进电动机的控制1） 步进电动机的控制由于步进电动机能直接接收数字量信号，所以被广泛应用于数字控制系统中。较简单的控制电路是利用一些数字逻辑单元组成，即采用硬件的方式。但要改变系统的控制功能，一般都要重新设计硬件电路，灵活性较差。微型计算机为核心的计算机控制系统为步进电动机的控制开辟了新的途径，利用计算机的软件或软、硬件相结合的方法能使系统的功能大大增强，同时也提高了系统的灵活性和可靠性。以步进电动机作为执行元件的数字控制系统，有闭环和开环两种形式。l 闭环控制系统在开环控制系统中，电机响应控制指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监视的。在某些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电动机很容易失步，使整个系统趋于失控。另外，对于高精度的控制系统，采用开环控制往往满足不了精度的要求。因此必须在控制回路中增加反馈环节，构成闭环控制系统，如图4-9所示。与开环系统相比多了一个由位置传感器组成的反馈环节。将位置传感器测出的负载实际位置与位置指令值相比较，用比较信号进行控制不仅可防止失步，还能够消除位置误差，提高系统的精度。闭环控制系统的精度与步进电动机有关，但主要是取决于位置传感器的精度。在数字位置随动系统中，为了提高系统的工作速度和稳定性，还有速度反馈内环。图4-12 步进电动机闭环系统原理框图l 开环控制系统步进电动机系统的主要特点是能实现精确位移、精确定位、且无积累误差。这是因为步进电动机的运动受输入脉冲控制，其位移量是断续的，总的位移量精确等于输入的指令脉冲数或其平均转速严格正比于输入指令脉冲的频率；若能准确控制输入指令脉冲的数量或频率，就能够完成精确的位置或速度控制，无需系统的反馈，形成所谓的开环控制系统。步进电机的开环控制系统，由控制器（包括变频信号源）、脉冲分配器、驱动电路及步进电动机四部分组成、如图4-13所示。开环控制系统的精度，主要取决于步距角的精度和负载状况。图4-13 步进电动机开环控制原理框图开环控制常常采用加减定位控制方式。因为步进电动机的启动频率要比连续运行频率小，所以开环控制的脉冲指令频率，只有小于电机的最大启动频率，电机才能成功启动。若电动机的工作频率总是低于最高启动频率，当然不会失步，但没有充分发挥电机的潜力，工作速度太低。为此，常用加减速定位控制。电机开始以低于最高启动频率的某一频率启动，然后再逐步提高频率，使电机逐步加速，到达最高运行频率，电机高速转动。在到达终点前，降频使电机减速。这样就可以既快又稳地准确定位，如图4-14所示。由于步进电动机的电磁转矩受频率影响较大，所以负载的加减速控制不能像普通电机那样。为了实现加减速的最佳控制，往往是分段设计加速转矩和加速时间，采用微机控制来实现。由于开环控制系统不需要反馈元件，结构比较简单、工作可靠、成本低。因而在数字控制系统中得到广泛的应用。这种控制方式也是本设计中所采用的。图4-14 加减速定位过程4.4.2 机器鼠所使用的步进电机驱动电路1） 步进电机驱动芯片图4-15 PMM8713实物图PMM8713PT 是日本三洋公司生产的步进电机脉冲分配器，是门整列控制芯片，针对二相或四相步进电机，采用DIP16封装，适用于控制三相或四相步进电机。控制三相或四相步进电机时，可以择3种励磁方式（1相励磁，2相励磁， 1-2相励磁三种励磁方式之一），每相最小灌入与拉出电流为20mA，满足后级功率放大器的输出要求，PMM8713在其所有输人端子上内嵌有施密特电路，噪声容限大14。其原理框图和管脚引线端见图4-13。图4-16 PMM8713原理图由时钟选通设定步进电机正反转脉冲的输入方法。脉冲输入方法有两种，图4-17 (a)为双脉冲输入法，Cu、CD 分别控制步进电机正反转脉冲，图2(b)为单脉冲输入法，Ck脉冲输入，步进电机正反转方向由CD的电位高低决定；激励方式控制决定选择何种励磁方式(1相励磁、2相励磁、1-2相励磁3种励磁方式之一)；激励方式判断用于检测；可逆环形计数产生步进电机在选定的励磁方式下的各项通断的时序逻辑信号。图4-17 PMM8713的两种脉冲输入方法表4-1 PMM8713工作条件最大额定值（Ta=25）项目符号值单位输出电流正向最高电流35mA反向最低电流-35电源电压Vcc-0.37V输入电压Vin-0.3Vcc+0.3V输入电流In10mA工作温度Tcc-2080PMM8713的管脚示意如图4-18：图4-18 PMM8713管脚 图4-19是在机器鼠上实际使用的PMM8713引脚连接，使用单片机控制，电机的转速由端的脉冲频率决定，正反转可由U/D端加0或1进行切换，正脉冲和负脉冲输入方式和端子接地。输入端子中用于步进电机相数的切换，四相时=1，五相驱动需要采用PMM8714进行。和端用于选择励磁方式，=0时选择二相励磁，=1时为一、二相励磁，而一相励磁时=0、=1或=1、=0时。和属于闭环控制时对励磁和脉冲的反馈，机器鼠采用开环控制因此接地。PMM8713的电流供给能力较小，对步进电机0.42A的电流供给不足，影响驱动力矩。因此需要放大电路。一般采用晶体管模块进行恒压驱动步进电机。图4-19 实际使用的PMM8713引脚连接图4-20 PMM8317在电路板上的实物图选用比较常见的ULN2803 高电压、大电流达林顿晶体管系列芯片进行放大。 图4-21 ULN2803该阵列系列中的八NPN大林顿连接晶体管事低逻辑电平数字电路（如TTL，CMOS或PMOS/NMOS）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其它类似负载间的接口的理想器件。广泛应用于计算机、工业和消费产品中。所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容14。表4-2 ULN2803工作条件典型电路原理：图4-22 单相接线方法 下图是一支步进电机ULN2803功率放大电路实际连接图，由于PMM8713和它的驱动电压和电流都不同，为避免后相对前项干扰，甚至是对单片机的干扰，采用光电隔离电路，采用常用的4N25光耦，可以有效避免。在实验中，ULN2803的发热量比较高，为稳定使用，机器鼠的两只步进电机分别使用两个2803芯片。 图4-23 单个电机驱动连接 图4-24 ULN2803在电路板上的实物图4.5 单片机控制选用ATMEL公司的AT89S52作为机器鼠的中央控制器，完成传感器信号收集，步进电机控制等任务。它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash。它具有两个外部中断，完全满足传感器需要。自身频率满足产生步进电机脉冲的要求，具有Flash存储芯片，可以多次擦写，方便编程调试。从功能和性价比来看，AT89S52单片机都是最合适的选择。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止39。主要性能：l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl l三级加密程序存储器l l32个可编程I/O口线l l三个16位定时器/计数器l l八个中断源l l全双工UART串行通道l l低功耗空闲和掉电模式l l掉电后中断可唤醒l l看门狗定时器l l双数据指针l l掉电标识符 图4-25 AT89S52单片机VCC : 电源GND: 接地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。表4-3 AT89S52单片机引脚在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。RST: 复位输入。当晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来做为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。51单片机外围电路主要由单片机、晶振电路、电源电路、光电隔离等电路组成。图4-26 AT89S52单片机组成的最小系统图4-27 最小系统在电路板上的实物图（1） 电源电路一般单片机电源电路，一般使用7805等芯片进行降压驱动，但考虑其他芯片和红外光电传感器需要12V和24V驱动电压，选择开关电源直接提供5V和12V直流，这样可以稳定提供多种电压电源，也可以简化电路设计。图4-28 开关电源（12V 5V）图4-29 电源电路（2） 并口下载电路具有在系统编程接口ISP是AT89S5系列单片机的突出特点之一。AT89S52单片机的P1.5、P1.6、P1.7口的第2功能，分别对应ISP编程接口的MOSI、MISO和SCK。此外，ISP编程还要用到单片机的复位端RST、电源端VCC和电源地GND。有了该接口，用户就可以通过一根下载电缆，用PC机直接对电路中的单片机进行编程，既不必将单片机芯片取下，也不需要购买专用编程器。（ISP在系统可编程的简称，是最先由Lattice公司提出的一种技术，是通过同步串行方式实现对其可编程逻辑器件的重配置。ISP与JTAG的接口协议很相像，只是后者形成了标准。ISP现在已经成为一种概念，它的提出改变了传统硬件系统开发的流程，大大方便了开发者，加快了开发速度。）下载烧录程序选择的是比较成熟的广州双龙SLISP软件，只要将把.hex格式程序通过下载数据线就可烧录在51芯片中，相配套的并口下载数据线电路如图4-30。利用锁存芯片74HC373控制输入，通过单片机的P1.5，P1.6，P1.7写入。图4-30 下载数据线并口实物图 图4-31 下载数据线电路（3） 晶振电路单片机的时钟信号通常用两种电路方式获得：内部振荡方式和外部振荡力式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲，内部振荡方式的外部电路如图4-32所示，本系统选c1和c2值为30pF。图4-32 内部振荡电路（4） 光电隔离电路利用光隔离器组成的光电隔离电路将控制器与外部的驱动电路隔离开来，使得外部电路的变化不至于影响或者损坏控制系统，从而提高系统的可靠性，增强抗干扰能力。光隔离器最重要的参数是电流传输比CTR，应注意通常其值为0209，输入数字信号提供一定的电流(5mA10mA)时，光隔离器才会把放大的数字电平输出。光隔离器联结时注意信号正负逻辑。光隔离器的输入、输出端地线必须互相隔开，并且输入、输出端两个电源必须单独供电，否则，如果使用同一电源外部干扰信号就可能通过电源串到系统中来。4N25系列的光电耦包含一套光敏晶体管和相配的砷化镓红外发光二极管，采用双排六管脚封装。主要用于电压隔离以保护电路13。 管脚说明：1.阳极 2.阴极 3.悬空 4.发射极 5.集电极 6.基极图4-33 4N25光耦实物及引脚图4-34 4N25光耦电路（5） 传感器电路根据前文分析，机器鼠主要采用红外光电传感器和微动开关两种常见传感器。主要依靠光电传感器进行判别，最初方案采用两只光电，90度布置，一只负责沿墙行走行为控制，另一只负责前方障碍识别。但考虑机器鼠在感知到前方障碍时，位姿有可能处在与墙壁成一定角度，这是在执行旋转90度命令会使下一步前进方向有较大偏差，超出机器人调整范围。参考已用同类型避障机器人传感器布置方案，在前进方向对称布置两只光电传感器，成锐角分布，这样可以通过比较两支传感器信号来调整治型旋转行为前的机器鼠位姿。另外，考虑红外光点传感器失效的可能性（在沿墙行走中光电传感器偶尔失效并不会影响机器人整体行为），配合两只前进方向光电传感器，添加微动开关，当光电传感器失效而撞向墙壁，出动微动开关，机器人执行相同旋转行为。由于微动开关完全属于简单的机械式传感器，可靠性很高。图4-35是红外接近光电开关的使用电路图，红外接近关电开关引出三条导线，棕色世界高电平供电，电压的高低会影响测量距离的远近，蓝色引线接地，黑色为信号线。当无障碍时，黑线和蓝线间为高电平，当有障碍被检测到，则为低电平。由于黑线为高电平时电压与输入电压相同，在与单片机INT相接需要接光耦。图4-35 红外光电传感器电路图经分析，微动开关与前进方向的红外光电传感器作用相同，因此可以将其两两通过与门组合。AT89S52单片机只有INT0和INT1的两个外部中断可直接用于外部中断，为了给系统留下更多的硬件资源，采用硬件中断扩展方法，把前进方向的两个传感器组（由一个红外光电传感器和一个微动开关组成）通过与门连接，再接到INT0口，再各自与P2.0和P2.1相接，采用查询的方式判断具体是哪个传感器的信号。图4-36 中断查询扩展为使传感器与单片机连接方便，且可以多种组合，采用外插方式，可以变换传感器配置。图4-37 传感器外接电路（6） 步进脉冲产生电路四相双四拍的状态真值及状态波形图如表4-4所示表4-4 真值表在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时12。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是CP脉冲的周期。该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。但若占用CPU时间长，就不能在运行时处理其它工作，因此它只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便地控制系统输出CP脉冲的周期当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次， 电机换向一次，从而实现电机的速度控制由于从定时器装载完到重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，需对重装的计数初值作适当的调整，调整的重装初值主要考虑两个因素：一是中断响应所需的时间；二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序中的其它指令。综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取8个机器周期，即要使定时时间缩短8个机器周期。用定时中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小在控制过程中，采用离散办法来逼近理想的升降速曲线为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中，系统在运行中用查表法查出所需的装载值，这样可大幅度减少占用CPU的时间，提高系统的响应速度。图4-38 单片机驱动步进电机电路图图4-39 单片机控制部分实物图4.6 单片机控制程序流程图程序的编译环境是在KEIL公司的Keil51 uVision3中完成的。使用KEIL Software工具项目的开发流程1) 创建一个项目从器件库中选择目标器件配置工具设置 2) 用C语言或汇编语言创建源程序 3) 用项目管理器生成你的应用 4) 修改源程序中的错误 5) 测试连接应用 一个完整的8051工具集的框图可以表述此开发流程每一个组件在下面详细描述。表4-5 编程流程为减少单片机的运算数量，行为的实现主要通过单片机中断来完成。AT89S52单片机共有5个中断源，有两个优先级，每个中断源的优先级可以编程控制。中断允许受到CPU开中断和中断源开中断的两级控制。在电路设计时，就考虑到传感器与中断的连接。具体分配见表4-6。 表4-6 AT89S52单片机中断分配AT89S52单片机中断分配外部中断请求0，由（P3.2）输入作为沿墙行走的控制中断，外接始终指向墙壁的一只红外光电传感器，用于判断机器鼠与墙壁相对位置情况外部中断请求1，由（P3.2）输入作为旋转行为触发中断，由于在旋转前需要修正机器鼠的位姿，因此外接两组对称分布的传感器（由红外光电传感器和微动开关组成），就需要在产生中断后再判断两组传感器的状态，以进行修正（与门连接）查询方式判断的与门输入（P2.0，P2.1）在避障的两组传感器介入与门前分别各自和P2.0，P2.1相连接，在中断后用查询的方式判断车体是右斜，还是左斜，给步进电机相应脉冲进行调整片内定时器/计数器0溢出中断请求定时器0方式，作为右侧步进电机频率控制，引入TIME0变量，TH=TL=N-TIME0片内定时器/计数器1溢出中断请求定时器1方式，作为左侧步进电机频率控制，引入TIME1变量，TH=TL=N-TIME0循环延时子函数使用FOR或WHILE循环语句，进行软件延时，主要用于位姿调整等小范围短时间运动在以上定义的基础上的程序流程图如下：图4-40 主程序避障行为是行为中优先级别最高的，也就是说无论机器人处在何种状态下，只要判断出现障碍即跳入避障中断服务程序，在硬件电路中由于避障中断是，因此设置优先级中为高优先级，和定时器0、1按顺序排列。利用定时器来产生步进电机驱动脉冲：图4-41 定时器中断程序通过交换定时器0、1的TH和TL初装值缩减去得变量time0和time2，实现由右弧线轨迹变为左弧线轨迹实现与墙壁保持相对距离运动。图4-42 外部中断0的中断程序 避障行为主要包括两个部分：一是位姿调整，以使机器人与作为障碍的墙壁保持相对垂直，这样减少旋转后的误操作。主要是通过循环判断P2.0和P2.1值是否为0，不为0时，通过延时程序驱动相应的步进电机前进一定距离，再继续判断，直到P2.0=P2.1=0；二是旋转90度，采用差动式底盘设计，具有转弯半径最小等特点，圆心在两轮之间的中点处。只要改变其中左侧电机转向，通过软件演示的方法产生脉冲，驱动计算得出的相应步数即能实现要求。图4-43 外部中断1的中断程序第5章 基于机器鼠控制系统的吸尘机器人机械底盘设计基于行为的算法是一种适用于非精确定位和动态环境中的机器人，因此在家庭服务和医疗、环境等方面有较广泛的应用。本设计中的机器鼠装置实际是基于行为的算法的一种验证机型，在控制方面，在设计之初就考虑更广泛的应用前景。经过参考已有资料，在机器鼠所采用的单片机控制和传感方式完全适用于自主吸尘机器人（但还应包括回航系统，规划路径等部分）。深入设计提出一种可行的自主吸尘机器人的机械底盘设计方案。自主吸尘机器人是自动进行房间地面清洁的家庭服务机器人,集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。自主吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者,其研究开始于20世纪80年代,到目前为止,已经产生了一些概念样机和产品.吸尘机器人的发展,带动了家庭服务机器人行业的发展,也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展28。自主吸尘机器人自带电源,小巧轻便,操作简单,自主性强,具有很强的实用性,同时还具有一定的娱乐功能。自主吸尘机器人的工作环境主要为普通家庭环境,也可以用于机场候机厅、展览馆、图书馆等公共场所. 环境的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以及走动的人员,因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。所以环境适应性是对此类机器人的基本要求。自主吸尘机器人的任务是清扫地面. 地面的材质差异很大,包括硬质地板(硬木、水泥、大理石等)和软质地板(短毛、中毛、长毛地毯等) ;工作对象为地面垃圾,包括灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体,而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。 考虑到安全因素,吸尘机器人必须对人、宠物、家庭物品等不构成任何危害,同时吸尘机器人还必须具备自我保护的能力29。5.1差动式车体运动学分析图5-1 机械底盘轴测图图5-1是设计机械底盘的总装示意图，主要采用三轮差动驱动方式。这也是目前移动机器人的本体大多是采用三轮或四轮车体，轮式驱动机构有一系列优点:能够可靠稳定地运动，能量利用率高，机构和控制相对简单，能够借鉴至今己经积累的现有技术和经验等。如果从控制论的观点来看，这类移动机器人是一个极为复杂的被控对象。执行机构的机械误差、自身质量和转动惯量、地面材质和倾斜情况、轮胎充气程度、轮胎与地面打滑情况等诸多因素都会对机器人的力学特性产生影响。另外机器人的速度、方向之间还存在藕合问题，因此这类移动机器人可以看作是一个非线性、强耦合的系统。而如何用数学方程来描述这样一个系统，是当前这一领域研究的主要内容，所以建立一个能够反映系统特性的简单而又实用的数学模型，对干设计机器人的控制算法具有重要的意义33。由于移动机器人本体情况的复杂性，可以将整个机器人本体视为一个刚体，车轮视为刚性轮，在运动速度不是太快而转弯半径较大时，不考虑轮胎与地面侧向滑动的情况。本文研究的机器鼠采用三轮移动机构，前轮起支持作用，后两轮独立驱动，两轮采用步进电机直接驱动，靠两轮的转速差进行操舵，机器鼠可实现小范围灵活回转。但在沿比较长的直线移动时，两驱动轮的直径差会影响到操舵。如图5-2所示是机器人方位坐标图，令清洁机器人位姿矢量，速度控制矢量，分别为小车的左、右轮的平移速度，则机器人的运动学模型为：图5-2 机器人方位坐标图 （5-1）机器人的运动采用单片机控制，单片机发出两路脉冲信号送给步进电机驱动器，脉冲信号的频率控制电机的转速，脉冲数控制电机转过的角度，从而控制机器人左、右轮的运动速度和移动距离。若以下基本假设成立：机器人车体所在路面为光滑平面；机器人车轮在运动过程中，在纵向（轮面所处方向）作纯滚动，在横向无侧滑运动；机器人车体有关参数，如左、右轮直径和左、右轮间距W在车体负载与空载情况下相同。则有： （5-2）于是有： （5-3）由于驱动电机为步进电机，令单片机发出第n个脉冲时机器人的位姿矢量，采样周期为T，则有 （5-4）在区间内，对进行线性插值，则有 （5-5）设，则有（5-6）对近似积分，得则有 （5-7）同理，得 （5-8）如图5-2，设机器人当前的位置到期望位置的偏差为，当时，车辆的转弯半径R=0，机器人可实现原地转向，可很容易的消除方位角偏差。由于与机器人的前进方向一致，机器人只需要前进倒退就可以消除，对两轮独立驱动的机器人的定位问题可以归结为如何有效地消除方位偏差的问题，如图5-3。设机器人的速度为，转弯半径为R，倒车转过角度后，车辆中心与车辆初始位置和目标位置的对称线相交于K。机器人消除了y方向的偏差，但又产生了新的方位角偏差。根据反对称原理，如果机器人以相同的速度和转弯半径，向相反方向回转角度到达点，则机器人恰好消除y方向的偏差，并抵消了方位角偏差，最后让机器人向前行驶一段距离，就可到达期望的位置和姿态。由图3可以确定与和R之间的关系，给定左右两驱动轮的速度可得到机器人的转弯半径R，转弯半径R应大小合适，R过小则机器人本体扭转角度过大，R过大则消除y车辆要行驶的距离太长，效率低。当R确定以后，则可确定机器人回转角度。由图5-3有： （5-9）则 （5-10）左右两个轮通过的距离分别为： （5-11）如图5-3所示，当机器人的期望位置为任意位置时，机器人当前位置到期望位置的偏差为，可以先消除x方向的偏差，x方向的偏差为 （5-12）图5-3 机器人在任意位置定位的控制策略消除x方向上的偏差后，再消除y方向上的偏差 （5-13）然后，机器人原地转向角，消除方位误差。给机器人车体（同样采用三轮差动式驱动，以作为实验验证）左右轮发送控制脉冲使机器人运动到达期望的位置和姿态，对机器鼠车体进行了直线行走试验、原地转向试验、消除位置偏差试验、定位置试验。试验结果发现：使用钢卷尺、三角尺划线和测量，车体直线行走10m偏离期望位置的偏差很小；原地转向定位30度、60度、90度，车体与期望位置基本重合；当x方向、y方向和姿态偏差同时存在时，车体与期望位置存在较大误差，但仍可满足清洁机器人工作时对位置、姿态的精度要求。另外，机器人工作时使用外部传感器，机器人的位置、姿态精度会有所提高。5.2 驱动轮机构组成驱动部分采用直流电机和传动箱组合，反对称安装方式。这种方式可以在使轮对同轴，提供较大动力（通常电机外形尺寸和功率成一定比例）的情况下，大大缩短轮距，节约空间，以使机器人体积小型化。由于采用这种安装方式，电机的选择就可比较广泛，齿轮变速箱的作用可以提升扭矩，减小转速，也可以利用之间的摩擦自锁在需要停止时起到刹车作用，同时延长轴距以满足轮对安装需要。图5-4 传动部分轴测图（1） 电机选择各种不同类型电机特征的比较见表5-1。表5-1 常用电机比较7电机类型优点缺点应用场合直流电机容易购得型号多功率大接口简单合适大型机器人太快，需要齿轮减速器电流通常较大较难与车轮装配控制复杂（PWM）较大型的机器人舵机内部带齿轮减速器型号多；合适室内机器人的速度；便宜功率适合小型机器人；易于安装容易与车轮装配接口简单功率中等负载能力较低速度调节范围较小小型机器人、步行机器人步进电机精确的速度控制型号多适合室内机器人的速度接口简单便宜功率与自重比小电流通常较大体积大；较难与车轮装配负载能力低功率低、控制复杂巡线跟踪机器人迷宫机器人图5-5 传动部分俯视图（2） 直流电机的特点及工作原理直流电机是机器人平台的标准电机，有着极宽的功率调节范围、适应性好、具有很高的性价比，是一种最为常用的电机。到目前为止，直流电机仍是输出功率最强劲的电机。数十年来，很多深入的研究使得直流电机变得更快、更强、更高效。优质的直流电机效率可以达到90%，不过对绝大多数价格适宜的普及直流电机而言，效率通常达不到如此高的水平，一般在40%70%之间。然而，它们仍然足够强劲，只是它们需要更大的电流，因此会更快地消耗电池里储存的能量。直流电机功率的选择是转矩定义为在距轴心一定半径距离上电机所输出的切向力。以W为单位，电机的功率公式如下： = （5-14）式中，T为转矩，单位是Nm；为角速度，单位是rads。在电机工作范围内的任何状态，都可以用这个公式来求得电机的功率。直流电机的最大功率对应于转矩为12最大转矩，转速为12最大转速(即空载速度)的工况，其公式如下：（5-15） 下图说明电机处于最大转速的时候，对应的转矩最小；而电机处于最大转矩的时候，对应的转速为零。随着转速增大，电机的输出转矩减小，注意到存到达功率转速曲线上的某个点后电机功率上升的趋势停止并开始呈现下降，该点对应的值即最大功率。选择机器人的电机时，应设法让电机运转在最佳效率状态，而非最大功率状态，这样做的优点是可以获得更长的远行时间。对绝大多数的直流电机而言，此时的转矩值相当于启动转矩的1/10，比最大功率对应的转矩要小。为了从直流电机获取所需的功率，首先应当确定机器人运动所需要的功率值，并取电机的略大于该值。结果在预定转速和理想输出功率下运转时，所选择的电机能将电流降至最小。通过参数估算，可以使电机在最佳效率速度附近运行。很明显，估算最大功卒的前提是事前需要知道电机的空载转速和最大转矩8。图5-6 曲线示意图转矩、转速、和功率之间的关系：在计算时也许需要换算一下单位。做如下变换把角速度由每分多少转转换成：= （5-16）例如100转每分可以这样变换：100=10.5由于空载速度比较低，因而可以看成是直流电动机。（3） 齿轮减速箱传动部件设计计算图5-7 单边传动结构示意图 在吸尘机器人的齿轮箱设计方案主要从以下三个方面考虑：1）齿轮箱密封性。这主要是考虑其尘机器人的工作方式，灰尘容易吸附在传动部件影响其正常工作，因此需要半开式齿轮箱，方案采用上盖板和前后挡板用螺丝拧紧，底部附着在底板上，可以采用一定润滑脂涂在连接部位缝隙，有效阻隔灰尘的进入。2）有效降低齿轮箱噪音。由于在家庭等相对安静的环境的情况下使用，考虑普通金属材料加工的齿轮，即使在较高精度的安装条件下仍然会产生摩擦噪声。因此选择一种新型非金属材料MC尼龙，英文名称:Monomer casting nylon，是应用广泛的工程塑料，几乎遍布所有的工业领域。 它是采用阴离子聚合反应技术，将加有催化剂的溶融己内酰胺单体在常压下浇注在各种形状模具中进行反应而形成的铸件制品。MC尼龙的分子量高达7-10万，为一般尼龙6、尼龙66的3倍，因而其综合机械性能远比其他的尼龙材料好得多。由于吸尘机器人是一种低速、小扭矩工作情况，该材料完全满足强度要求，且适用于通用齿轮加工设备加工。在实际运行过程中，该齿轮组具有质量轻，噪音小，无须经常润滑和防锈处理的特点8。3）齿轮箱应易于维护。虽然采用MC尼龙材料齿轮组，但轴、滚动轴承需要维护，而且应考虑异物进入的可能。因此采用可拆卸轴承端盖，可以方便拆卸轴，滚动轴承等部件进行维护。三个齿轮，分别为电机轴连接齿轮，一级并联齿轮，二级输出轴齿轮。除电机轴齿轮是用螺栓连接外，其他两个用平键连接。为保持轴向位置，在一二级齿轮与滚动轴承间都有轴套。精度等级选用8级精度。传动比为i=2（由于可选直流电机已有减速箱，不需要太大减速比，另外从体积考虑，小减速比齿轮组比较合适）。试选电机轴齿轮齿数z117，M=1.5mm，标准直齿轮。用试凑法得：一级齿轮的小端Z3=20，M=1.5mm,大端为Z2=27,M=1.5mm，二级齿轮齿数Z4=26，M=1.5mm。中心距计算得： （5-17）5.3 随动轮机构组成图5-8 普通万向轮43通常设计的三轮或四轮驱动机器人，使用普通万向轮或球铰轮，由于自
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号