毕业论文-AS-UII智能机器人的设计与实验研究

AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 摘 要 机器人是人工智能与机器人领域极富挑战性的高技术密集项目，同时又是人工智能技术的一个理想突破点，它广泛涉及人工智能、计算机视觉、自动控制、精密仪器、传感器和信息等一系列学科的创新研究和集成，反映出一个国家在信息和自动化技术方面的实力。 本设计主要是对AS-UII智能机器人的设计，基于AS-UII智能机器人是面向教育的新一代智能移动机器人这个前提。它应该有一个功能强大的微处理系统和传感器系统，而且它应该还能扩展听觉、视觉、和触觉，实现真正的智能化。通过进行调研和查阅大量的相关文献资料。主要从机械结构的设计和计算、硬件设计与选择、控制系统的设计三方面对智能机器人进行了设计。与同种进行科研创新的产品相比，该产品性价比好，技术先进，稳定性好。同时，也有不足的地方，例如，所选的传感器和单片机都是比较低端的。 关键词： 智能机器人，传感器， M68HC11 I AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 Abstract Robots are challenging and high technology intensive projects in the artificial intelligence and robot field, they are the artificial intelligence technology ideal point of is which extensively involves innovative research and integrated of artificial intelligence, computer vision, automatic control, precise instrument, sensor information, which reflects a countrys strength in information technology and automation. In this paper,on the base that AS-UII intelligent robot is a kind of advanced intelligent mobile robot for education, it is a special design for AS-UII intelligent robot. This kind of robot should have powerful processing system and sensor system. In addition, it should have extensibility of hearing, vision and feeling, and should really achieve intelligence. By carrying out a lot of surveys and referring to a large number of pertinent literatures, the intelligent robot is mainly designed in three areas: design and calculation of mechanical structure, design and selection of hardware of it, and design of control system. Compared to similar product for research, the product possesses a series of merits, such as high performance, advanced technology and good stability. However, it has some disadvantages. For example, selected sensor and single chip are low-end products. Key words: Intelligent robots，Sensors ，M68HC11 II AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 目 录 第一章 前 言 . 1 1.1 概述 . 1 1.1.1 智能机器人研究现状和主要成果 . 1 1.1.2 需求与展望 . 2 1.2 选题背景 . 4 1.3 选题意义 . 5 1.4 研究内容 . 5 第二章 智能机器人的总体方案设计 . 6 2.1 智能机器人的设计的基本要求 . 6 2.2 智能机器人的总体设计 . 6 2.2.1 机械结构与电气组成 . 7 2.2.2 传感器系统 . 8 2.3 智能机器人的技术要求 . 8 第三章 机械系统的设计 . 10 3.1 运动系统与车身布局 . 10 3.2 机械执行系统的设计 . 10 3.2.1 执行机构的设计 . 10 3.2.2 电动机的选择 . 11 3.3 机械传动机构的设计 . 14 3.3.1 齿轮传动类型 . 14 3.3.2 传动方式的选择 . 15 3.3.3 减速箱各齿轮的的计算 . 16 3.4 机械结构设计 . 25 3.5 智能机器人的三维造型设计 . 26 3.5.1 设计软件的选择 . 27 3.5.2 软件的应用 . 27 3.5.3 UG建模智能机器人的机械模型 . 27 第四章 智能机器人的硬件电路设计 . 36 III AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 4.1 机器人系统结构 . 36 4.2 主控部分硬件选择 . 36 4.3 智能机器人的传感器及其处理电路 . 37 4.3.1 碰撞传感器 . 37 4.3.2 红外传感器 . 38 4.3.3 光敏传感器 . 40 4.3.4 光电编码器 . 41 4.4 智能机器人的计算机硬件设计 . 43 4.4.1 微控制器 . 44 4.4.2 外部存储器 . 46 4.4.3 电源与复位电路 . 46 4.4.4 通信 . 47 4.4.5 电机驱动 . 47 4.5 智能机器人的控制电路 . 48 第五章 智能机器人的控制程序设计 . 51 5.1 PWM信号控制电机 . 51 5.2 通信 . 54 5.2.1 串行口字符串输出子程序STROUT . 54 5.2.2 串行口中断处理程序SCINT . 55 第六章 智能机器人实例研究 . 56 6.1 边唱边跳 . 56 6.2 走迷宫 . 57 6.3 前锋 . 59 6.4 接近火源 . 60 第七章 总结与展望 . 61 7.1 总结 . 61 7.2 展望 . 61 第八章 技术经济分析报告 . 63 参考文献 . 64 致 谢 . 66 IV AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 V附 录 . 67 声 明 . 86 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 第一章 前 言 1.1 概述 人们通常把机器人划分为三代。第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，这一代机器人是从60年代后半叶开始投入实际使用的，目前在工业界已得到广泛应用。第二代是“感知机器人”， 又叫做自适应机器人，它在第一代机器人的基础上发展起来的， 能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期，到1982年，美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统，宣告了感知机器人的诞生，在80年代得到了广泛应用第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，因此能在非特定的环境下作业，称之为智能机器人1。 智能机器人与工业机器人的根本区别在于， 智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身，就是人类和动物所具有的低级智能2, 3。因此机器的智能分为两个层次：具有感觉、识别、理解和判断功能； 具有总结经验和学习的功能。所以，人们通常所说的第二代机器人可以看作是第一代智能机器人。 1.1.1 智能机器人研究现状和主要成果 (1) 工业机器人 我国已经掌握了工业机器人的开发技术。目前，我们已经完成了6kg与10kg 弧焊机器人、30kg搬运机器人、100kg与120kg电弧焊机器人、平面关节型装配机器人、直角坐标型装配机器人等产品的开发工作，并已进入了小批生产。 (2) 前景广阔的管道机器人 管道机器人是一种科沿着细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员遥控或计算机自动控制下进行一系列管道作业的机电一体化系统，我国已经研制出了轮式管道机器人、路带式管道机器人、螺旋式管道机器人、多脚式管道机器人等多种自驱动管道机器人。 (1) 功能多变的移动机器人 1 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 移动机器人是一种及环境感知、动态规划、行为控制和执行等多功能于一体的综合系统。我国在移动机器人方面的某些关键技术方面达到国际的先进水平，一些大学和研究就够研制出了自己的移动机器人系统：清华大学的智能移动机器人 THMRIIIV 型机器人，中科院自动化研究所研制出智能安全机器人，全方位移动机器人视觉导航系统，智能移动机器人通用平台 AIMR，中科院沈阳自动化的 AGV 自主车，防爆机器人，香港城市大学自动到行车及服务机器人，哈尔滨工业大学的到有机器人，国防科技大学的双足机器人等。 (2) 走进生活的服务机器人 我国的服务机器人只用于完成对人类福利和设备有用的服务操作除外的自主或半自助机器人。主要包括清洁机器人、家用机器人、娱乐机器人、医用及康复机器人、老年及残疾护理机器人、办公及后勤服务机器人、救灾机器人、酒店售货即餐厅服务机器人等。 (3) 医生的助手医疗机器人 医疗机器人是多学科研究和发展的成果，它包括被应用在以诊断、治疗、康复、护理和功能辅助等诸多医学领域的机器人。医疗机器人将先进机器人技术应用到了医疗外科手术规划模拟、微损伤精确定位操作、无损伤诊断与检测、新型手术医学治疗方法等方面，具有广阔的前景。 (4) 举止类人的仿人机器人 国内仿人机器人的研究起步较晚，最早于 1988 年国防科技大学的六关节平面运动型双足步行器。 (5) 形态各异的仿生机器人 仿生机器人是模仿生物特点的机器人。“十五”期间，我国成功的研制出了一批仿生机器人，如机器鱼、机器蛇、扑翼鸟等。4, 51.1.2 需求与展望 智能机器人的开发研究取得了举世瞩目的成果。那么，未来智能机器人技术将如何发展呢？日本工业机器人协会对下一代机器人的发展进行了预测。提出智能机器人技术近期将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展 6。 机器人这个名字，就使人容意想象他因具有一些人的智力。由于在机器人的发展历史上，首先大量出现的并且已被人类广泛应用的机器人，弧焊、点焊、喷漆等机器人，并不具有任何智能。所以作为区分，又有智能机器人这一名词出现。2 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 然而即对智能机器人，我们也不能期望它完全实现人的智能。因此未来研究机器人的方向就是朝着人工智能的方向发展的 7。 人工智能技术在机器人中的应用把传统的人工智能的符号处理技术应用到机器人中存在哪些困难呢？一般的工业机器人的控制器，本质是一个数值计算系统。如若把人工智能系统（如专家系统）直接加到机器人控制器的顶层，能否得到一个很好的智能控制器？并不那么容易。因为符号处理与数值计算，在知识表示的抽象层次以及时间尺度上的重大差距，把两个系统直接结合起来，相互之间将存在通信和交互的问题，这就是组织智能控制系统的困难所在。这种困难表现在两个方面：一是传感器所获取的反馈信息通常是数量很大的数值信息层，一般很难直接使用这些信息，需要经过压缩、变换、理解后把它转变为符号表示，往往是一件很困难而又耗费时间的事。而信息来自分布在不同地点和不同类型的多个传感器。从不同角度，以不同的测量方法得到不同的环境信息。这些信息受到干扰和各种非确定性因素的影响，难免存在畸变、信息不完整等缺陷，因此使上述的处理、变换更加复杂和困难。二是从符号层形成的命令和动作意图，要变成控制级可执行的指令（数据），也要经过分解、转换等过程，也是困难和费时的工作。它们同样受到控制动作和环境的非确定性因素的影响。由于这些困难，要把人工智能系统与传统机器人控制器直接结合起来就很难建立实时性和适应性很好的系统。为了解决机器人的智能化，组成智能机器系统，研究者们将面临许多困难且需要做长期努力，进行若干课题的研究。例如：高级思维活动应以什么方式的机器人系统来模仿，是采取传统的人工智能符号推理的方法，还是采用别的方法？需不需要环境模型，需要怎样的环境模型；怎样建立环境模型，系统的人工智能主要依据先验知识建立环境模型。由于环境和任务的复杂性，环境的不确定性，这种建模方式遇到了挑战，于是出现了依靠传感器建模的主张，这就引出一系列新的与传感技术有关的课题。人们为了探讨人工智能在机器人中近期的可用技术，暂时抛开人工智能中的各种带根本性的争论，如符号主义与连接主义、有推理和无推理智能等等，把着眼点放在人工智能技术中较成熟的技术上。对传统的人工智能来说，就是知识的符号表示和推理这部分技术，看一看它对当前的机器人技术的发展会有什么贡献。其主要贡献体现在以下几个方面：基于任务的传感技术，建立感知与动作的直接联系，基于传感器的规划和决策，复杂动作的协调等。 3 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 操作器和移动技术也是未来机器人研究面临的大问题，要能让机器人的手像人的一样灵活，移动像人一样了快速。工业机器人手臂的设计制造已趋于成熟，因此在智能机器人操作器方面的研究，人们的兴趣主要集中在各种具有柔性和灵巧性的手爪和手臂上。机器人手臂结构要适应智能机器人高速、重载、高精度和轻质的发展趋势。其中轻质化是关键。新型高刚度、抗震结构和材料是目前国外研究的前沿。机器人的手、腕以及连接机构是引人注目的研究课题。其中手腕机构的研究注重于快速、准确、灵活性、柔顺性和结构的紧凑性。移动功能是智能机器人与工业机器人显著的区别之一。附加了移动功能之后，机器人的作业范围大幅度增加，从而使移动机器人的概念也从陆地拓展到水下和空中 7。 近几年来，在欧美国家的机器人研究计划中，移动技术占有重要的位置。例如在 NASA 空间站 FREEDOM 上搭载的机器人、NASA 和 NSF 共同开发的南极Erebus 活火山探测机器人、美国环保局主持开发的核废料处理机器人 HA7BOT中，移动技术都被列为关键技术 8, 9。 移动机构与面向作业任务的执行机构综合开发是最近出现的新的倾向。因为无论何种机器人都需要通过搭载的机械手或传感器来完成特定的作业功能。另一个倾向是移动的运动控制与视觉的结合日益密切。这种倾向在美国 ALV 项目中已初见端倪，最近则越过了静态图像识别的框框，进入主动视觉和主动传感的阶段。显然，智能机器人在非结构环境中自主移动，或在遥控条件下移动，视觉传感器驱动器的协调控制不可缺少。 最近几年，在步行机构，双足步行机，轮式移动机构的开发和实用化等方面都取得了一些进展。据日本工业机器人协会预测：管内移动机器人将在 2007 年可达到实用化；与人具有同样步行速度的多足步行机和双足步行机以及不平整地面行走和爬楼梯与人具有相同速度的移动机器人将在 2010 年可达到实用化 10,11。 1.2 选题背景 智能机器人是一类以知识为基础，具有思维决策、理解目的、理解环境，制定行动规划的机器人，这类机器人类似于人类，能够根据目的（任务）要求、当前所处状态、周围环境状况，经过思维、推理和判断，制定出行动规划，最终达到目标12。 智能机器人是一个在感知思维效应方面全面模拟人的机器系统，外形不一4 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 定像人。它是人工智能技术的综合试验场，可以全面地考察人工智能各个领域的技术，研究它们相互之间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手13。现代智能机器人基本能按人的指令完成各种比较复杂的工作。 如深海探测、作战、侦察、搜集情报、抢险、服务等工作，模拟完成人类不能或不愿完成的或比较危险的任务。现代智能机器人， 在国防领域中得到前所未有的重视和发展。在建筑方面有高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、擦玻璃机器人、地面抛光机器人等。在核工业方面主要研究机构灵巧、动作准确可靠、反应快重量轻的机器人。空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域，美国、俄罗斯等国已研究出各种空间机器人，如美国研究的空间机器人 Sojanor 在火星上有成功的应用。此外，在地下、医用、服务、娱乐等领域机器人都有不俗的应用14,15。 1.3 选题意义 “机器人产业在二十一世纪将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。 ”从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在日益走近我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机器人技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。在机器人的应用领域里，面向大众型教育的科学研究、创新实验的机器人还是很少的。而且价格昂贵，因此，设计一种能为多数人接受的面向教育的智能机器人还是很有市场前景的。而我所设计的智能机器人，结构简单、性价比高，使用性能好。这样的智能机器人创新实践活动对于培养学生的科技素养、创新能力和实践能力具有十分重要的作用。对于改变我国教育的落后状况，具有重大的现实意义。 1.4 研究内容 本课题主要是基于 AS-UII 型智能机器人平台，设计智能机器人并进行实验研究。主要完成包括智能机器人的机械结构设计、硬件电路的设计、控制系统设计（包括控制方式、控制原理、控制系统设计图），并且在完成设计的同时进行简单的实验模拟。 5 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 第二章 智能机器人的总体方案设计 2.1 智能机器人的设计的基本要求 从使用角度与工业机器人相比，室内智能机器人一般体积小，灵活性高，而且需要自备电源，智能化的程度更高，因此室内机器人应具备以下特性： (1) 可移动性 为了能在某一区域经行作业或执行任务，室内智能机器人一般具有行走功能。智能机器人的运动可以通过行走机构（例如轮子、腿、履带、吸盘、或者推进装置等）实现。 (2) 轻便性 由于智能机器人功能较全、机构较多，这就要求智能机器人尽可能地减少其自身的重量和体积，以减少能量的消耗和增加机动灵活性。为此，智能机器人的传动装置和控制装置也趋向轻型化，并尽量减少中间传动机构以提高机械传动效率。 (3) 易操作性 智能机器人与人的关系十分密切，有时人和智能机器人之间还需要进行沟通、协调和合作。因此人和智能机器人之间的联系必须快捷、方便。智能机器人应便于操作切安全可靠。 (4) 适应性 为了对执行任务的未知环境做相互适应性的反应，如发现障碍物后自行回避等。有些智能机器人具有学习、感觉和判断功能，并且广泛采用高性能的视觉、听觉、触觉等传感器，使其具有感知能力和自主工作的能力16。 2.2 智能机器人的总体设计 根据智能机器人的设计的基本要求，智能机器人主要包括以下几部分。核心部分是CPU （即单片微控制器），它承担着从上面接收指令、分析指令，同时从下面接收计数脉冲，向下面发出PWM 信号的多重任务。机器人由通讯模块、 CPU模块、供电模块、控制模块、执行模块、传感器模块构成。 (1) 通讯模块涉及到机器人和主机之间的通讯，其担负的主要任务是为机器人提供运动信息。 6 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 (2) CPU模块的核心部分为单片机，其主要任务是第一，处理由通讯模块送 来的信息，将其翻译成命令字；第二，接收编码器发送过来的计数脉冲，并处理得出当前速度；第三，调用 PID算法，产生两路 PWM （ Pulse Width Modulation）信号，通过驱动器驱动电机旋转。 (3) 供电模块主要指机器人子系统的电池和+5V 输出稳压集成块MAX202 ，其作用是对直流电机提供驱动电压（模拟电压）及向整个机器人系统提供逻辑电压。 (4) 控制模块又可分为编码器模块与驱动器模块。编码器模块的主要作用是 为单片机提供计数脉冲、电机旋转方向信号，为控制回路提供反馈信息，从而保证电动机在系统要求的状态下运动；驱动器模块的作用是将CPU发来的 PWM信号转换成模拟电压，驱动直流电机的运转。 (5) 执行模块主要指由直流电机、车轮、齿轮组组成的运动执行部件。 (6) 传感器模块主要是使智能机器人具有相应的感受周围环境信息的功能。 智能机器人由机器人本体、通讯模块、 CPU模块、供电模块、控制模块、执行模块构成。由传感器系统对机器人活动的坏境进行信息采集，再把数据送到智能机器人的控制系统进行处理，由控制系统调用相应的决策方法，最终将控制命令送给执行机构。机器人的总体结构设计如图2-1 所示。 控制系统 驱动电路 执行机构 底层控制 电池传感器图 2-1 智能机器人的总体设计图 2.2.1 机械结构与电气组成 智能机器人系统主要包括：机械结构及运动部分， CPU 控制单元，电机驱动单元，速度检测环节。 机械结构主要包括车轮的使用、轴承的安装、电机的选择等，中央处理器主7 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 要包括 CPU 芯片的选择，在控制系统中使用了多种芯片，如 MAX603、 MAX202、DS1233D-10 等。 2.2.2 传感器系统 智能机器人是用于教学，创新设计的研究性机器人。要使智能机器人真正智能起来，就必须为机器人安装各种传感器。首先，要为机器人设计眼睛，在机器人行走时，如果遇到前方有障碍物时，将信息反馈给大脑，再由大脑通知行走部件，避开障碍物，继续执行未完成的工作和指令，要为机器人设计红外传感器和光敏传感器。其次，为了机器人能在环境中正常的行走，并且不发生意外，还要为机器人安装碰撞传感器。 2.3 智能机器人的技术要求 智能机器人的科研研究，要求机器人必须具备以下特点： (1) 几何尺寸 机器人尺寸直径 220mm，高度为 150mm。 (2) 基本功能 概括地说，智能机器人应能准确接收主机指令并迅速作出反应，为此机器人应具有以下功能： z 电动机驱动及调速 z 机器人上的微处理器实现对上述功能的协调及对机器人各部分的控制。 (3) 机器人的线速度 机器人的线速度大于 60cm/s。 (4) 运动性能 机器人应具有高度的机动性和灵活性，能平稳迅速地完成前进、后退、转向和急停等动作。 (5) 可维护性 对于一个装置而言，可维护性（包括硬件和软件的维护）是很重要的。在硬件结构的设计上，要考虑便于安装测试和检修。在软件的设计中要考虑采用模块化结构设计，以便于调试、纠错和升级。可充电电源应能及时方便地补充能量。 (6) 性价比 8 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 性能价格比一直是方案设计中必须考虑的问题，但如何在满足性能要求的前提下尽量选通用器件，如何通过软件或结构调整提高系统性能减小外围设备亦是设计方案优劣的选用标准。 9 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 第三章 机械系统的设计 3.1 运动系统与车身布局 电机的选择对机械结构的影响明显，并且对于机器人的运动灵活性起关键作 用。选择电机主要是对于步进电机和直流伺服电机的比较。 直流伺服电机的优点是功重比大，能保证足够的速度。但是要想保证准确的 速度，必须使用测速传感器如光电编码器，通过CPU 对伺服电机进行闭环的PWM 控制；伺服电机的速度过高，必须使用减速器传动。并且伺服电机造价很高。步进电机的缺点是同样功率下的重量比伺服电机大，体积也大。但步进电机是开 环控制，无需测速器件，也不需要减速器，减少了机构的复杂性。 AS-UII 智能机器人是用于教学，实践和科技创新的，考虑到方便性和实用性，智能机器人的能源能充电的锂电池 AS-1050-75。电压为 7.2V。为了方便控制应选直流电动机为宜。 机器人的整体结构从上往下分为三层：最上面是机器人的顶部，可安装各类传感器；中间是电路板，可以把控制系统、芯片等安装在此处；最下面是机械结构的车体部分。其中电池仓可置于电路板下边，或者机器人两边。机械结构的车体部分有两种设计方案：整体结构、板柱结构。 整体结构是指机器人的车体设计成一个完整的框架，这在加工上需要对铝合 金进行铸造或者铣床加工，将内部掏空，然后来安装电机和其他机构。好处是装 配精度高，不易变形，耐碰撞。但是造价高、重量大。 板柱结构是指机器人的车体设计成几块铝合金板和螺柱固定在一起装配而 成，这样的结构轻便易于加工，造价低廉，重量轻，但是装配精度差，容易变形， 不耐碰撞和长期运动。 3.2 机械执行系统的设计 3.2.1 执行机构的设计 车体的机械结构及传动齿轮对整个机器人的灵活性起着不可忽视的作用。对于运动部件，有轮式和履带式两种，可以考虑履带式尽管运行平稳，但由于结构复杂，加工制作困难，故不易选用。为了获取较好的机动性和灵活性，本系统采用双电机10 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 分别驱动左右两轮的方式，除了分布在车体左右两侧的主动轮外，在车体的前后端各有一个支撑轮以保持行进当中车体的平衡，主动轮采用塑料轮毂。为增大摩擦力，可加胶圈作为轮胎。支撑轮采用万向轮为好。四轮的平面布置如图3-1 所示。 支撑轮 主动轮 主动轮 图 3-1 智能机器人车体 支撑轮图 智能机器人车体支撑轮 这样的机械结构布局使机器人很容易实现以自身为圆心的旋转运动。智能机器人车体系统的基本行为（跳舞、跟人走、守门等）都是通过调整左、右轮速度来实现的。就机器人的功能而言，主要是对左、右轮转速进行调整。机器人车体系统通过改变电压方式改变直流电动机的转速，从而改变左、右轮的速度，再根据检测单元的反馈值及方向鉴别标识，通过一定的控制 算法得到控制量，最后 PWM方式驱动电机以实现速度的闭环控制。机器人的重心应尽可能的低，对称性要好，这样才能够保证运动的平稳性及减小被撞翻的可能。 辅助支撑轮有两种方式，一种是滚珠机构的万向支撑轮，这种轮子对机器人的运动影响小，但在地毯上长时间运动以后，容易堵塞，使得阻力增大。另外一种是轴承结构的单自由度支撑轮，不会堵塞，但装配的时候要求和主动轮的轴平行。3.2.2 电动机的选择 电动机的选择是AS-UII智能机器人机械结构设计的重要组成部分。对于小型电动机，有直流电动机和步进电动机两种选择。 步进电动机的优点是控制简单，但受尺寸限制，超小型步进电动机很难购买到。超小型的直流电动机生产厂家较多，规格也比较齐全。 选择合适的直流电动机，要明确电流、转速和转矩三者的关系。速度与电流11 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 由转矩大小决定。转矩增大，则电流增大，但速度减小，系统采用双轮驱动，如图 3-2 所示： 图 3-2 转轴的转矩 其中： 摩擦力： Fmg= （3-1 ） 轮的驱动力： （3-2 ） /FFR= r其中， 为摩擦系数；m 为机器人质量；g 为重力加速度；r 为轴的半径；R 为轮的半径。作用在机器人轮上的转矩由如下方程给出： gT mgR= （ 3-3） 这里的转矩仅作用在机器人轮上，而实际施加于机器人上的转矩 Tm由齿轮比和齿轮效率决定，即： gmTmgRTNN = （ 3-4） 其中， N 齿轮比； 齿轮效率； n 转速。 根据要求的转矩、电源、角速度和机器人的尺寸，如何选择一台 DC 电动机是设计制作机器人的首要问题之一。假设由锂电池 AS-1050-75 供电，电池电压为7.2V。 12 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 根据技术要求，希望机器人的线速度为 100cm/s 左右，轮的半径为 32.5mm，则轮的角速度为： / 2 R=100/ 2 3 5.31rad/s = （）= （ 3-5） 如果机器人重量为 1000 克，轴的半径为0.15cm，轮与地面的摩擦系数为0.2，则希望转矩为 1.2Nm。考虑到车体尺寸问题，设定电动机的长度不超过 6.5cm。由此我们得出所需电动机的概况。 根据上述要求，本设计选择了德国 FAULHABER 公司生产的 2224U0006SR微型直流电动机 。 其性能参数如表 3-1 所示： 性能参数名称 数值 单位 名义电压 6 V 输出功率 4.55 W 最大效率 82 % 空载转速 8200 rmp 停止扭矩 0.029 mNm n-M 曲线斜率 387 Rmp/mNm 机械时间常数 11 ms 最高允许转速 8000 rmp 最大电流 1.2 A 最大持续扭矩 5 mNm 长度 35 mm 转子电感 45 H 反电动势常数 0.725 Mv/rmp 电枢电阻 1.94 表 3-1 FAULHABER 公司 2224U0006SR 微型直流电动机主要性能参数 13 AS-UII 智能机器人的设计与实验研究 根据 2224U0006SR 微型直流电动机主要性能参数， 我们反相推导看其是否能满足系统所需。 转矩： （ 3-6） 2gTm=T /(N* )=1.2/(10*0.98 )=0.125Nm每台电动机所需要的电流