履帶式行走驅(qū)動裝置課題設(shè)計

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1、黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 第1章 緒 論 1.1機(jī)器人的發(fā)展歷史 1920年，捷克作家K.凱比克在一科幻劇本中首次提出了ROBOT（漢語前譯為“勞伯”）這個名詞?，F(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞。 　　1950年美國作家I.阿西莫夫提出了機(jī)器人學(xué)（Robotics）這一概念，并提出了所謂的“機(jī)器人三原則”，即： （1）機(jī)器人不可傷人； （2）機(jī)器人必須服從人給與，但不和（1）矛盾的指令； （3）在與（1）、（2）原則不相矛盾的前提下，機(jī)器人可維護(hù)自身不受傷害。 　　本世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了使用化階段。1954年美國的G.C.

2、Devol發(fā)表了“通用機(jī)器人”專利；1960年美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型Versatran機(jī)器人，可作點(diǎn)位和軌跡控制，這是世界上第一種用于工業(yè)生產(chǎn)上的機(jī)器人。 　　70年代，隨著計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人得到了迅速發(fā)展。1974年Cincinnati Milacron公司開發(fā)成功多關(guān)節(jié)機(jī)器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA機(jī)器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電動驅(qū)動、多CPU二級控制；采用VAL專用語言；可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng)時是一種技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)大體上是以此為基礎(chǔ)的。 　　這一時期的機(jī)器人屬于“示教再現(xiàn)

3、”（Teach-in / Playback）型機(jī)器人。只具有記憶、存儲能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，但對周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。這種機(jī)器人被稱作第一代機(jī)器人。 　　進(jìn)入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人—有感覺的機(jī)器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的部分有關(guān)信息，進(jìn)行一定的實時處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。第二代機(jī)器人已進(jìn)入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 　　第三代機(jī)器人是目前正在研究的“智能機(jī)器人”。它不僅具有比第二代機(jī)器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要

4、求與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作[16]。 1.2 機(jī)器人的定義和基本組成 1.2.1機(jī)器人的描述和定義 自動機(jī)械，就是我們平日所說的“機(jī)器人”。 要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，要步入到機(jī)器人的殿堂并不是那么困難，機(jī)器人這個領(lǐng)域并不是那么高不可攀。我們可以不去理會其他人對機(jī)器人的注解，我們可以按照我們自己的喜好來理解：例如可以理解成“能實現(xiàn)一定的功能的機(jī)械設(shè)備”，也可以理解成“能在一定程度上代替人工的設(shè)備”等等。例如，我們可以認(rèn)為汽車的雨刷，就是一只最簡單的機(jī)械臂(其實它具備至少一個自由度)，等等。實際上，許多機(jī)器人的功能都不難做到，但因為它是“自動”機(jī)械，因為它是“機(jī)器人”，因此很少有人會想“我也可以做

5、”。 機(jī)器人的外形并不都象人，它可以是任何合適的形狀，也可以是任何需要的形狀，例如很多移動機(jī)器人就被設(shè)計成小車的形狀，還有些能鉆進(jìn)管道內(nèi)進(jìn)行檢測的機(jī)器人，被設(shè)計成圓柱形，還有的潛水機(jī)器人被設(shè)計成潛艇的形狀，等等。 機(jī)器人可以是全部自動的，也可以是全部由人來操縱的。例如大家都非常熟悉的避障小車、走迷宮的小車、足球機(jī)器人等，都是全自動沒有人去干預(yù)其動作的。再如特警用來拆除炸彈的小車，雖然是由操縱人員在遙控操作，但也都叫機(jī)器人。 由于“機(jī)器人”這種叫法太過籠統(tǒng)，且容易讓人誤解，還有把機(jī)器人叫做智能機(jī)械的，但很多機(jī)器人并不具備任何智能，因此在本文中的機(jī)器人也可認(rèn)為是

6、“自動機(jī)械”，表示“具有一定自動能力的機(jī)械”。 世界上對自動機(jī)械研究和應(yīng)用水平最高的是位于西太平洋上的一個島國，他們的擁有量、使用時間、應(yīng)用范圍等記錄都是全球最高的，目前國內(nèi)也有許多設(shè)備是從他們那里進(jìn)口的，普遍是些不夠先進(jìn)而又極為昂貴的，而且還沒有足夠的技術(shù)資料，還被用于關(guān)系國計民生的關(guān)鍵項目上，對國家和人民的安全極為不利。因此，大力發(fā)展我們自己的自動機(jī)械是非常必要的，也是非常迫切的，我們都應(yīng)該為此來貢獻(xiàn)自己的力量。 我國的自動機(jī)械起步比較晚，目前的整體水平與世界水平還有相當(dāng)大的差距，設(shè)計能力、應(yīng)用水平都急待提高，以降低國民勞動力強(qiáng)度，減少國民工作時的危險性，提高生產(chǎn)效

7、率，增強(qiáng)我軍的戰(zhàn)斗力，并與我國的國際大國地位相襯。 由于研究的側(cè)重點(diǎn)不同，對于機(jī)器人的定義，國際上目前尚未有明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。綜合各種定義，可將機(jī)器人理解為：機(jī)器人是一種在計算機(jī)控制下的可編程的自動機(jī)器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要，它具有至少一項或多項擬人功能，另外還可能程度不同地具有某些環(huán)境感知能力（如視覺、力覺、觸覺、接近覺等），以及語言功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。 1.2.2機(jī)器人的基本組成 機(jī)器人一般由以下部分組成： （1）機(jī)械本體 　　機(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)基本上分為兩大類：一類是操作本體機(jī)構(gòu)，它類似人的手臂和手腕，配上各種手爪與末端

8、操作器后可進(jìn)行各種抓取動作和操作作業(yè)，工業(yè)機(jī)器人主要采用這種結(jié)構(gòu)。另一類為移動型本體結(jié)構(gòu)，主要目的是實現(xiàn)移動功能，主要有輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動、變形運(yùn)動等機(jī)構(gòu)。壁面爬行、水下推動等機(jī)構(gòu)也可歸于這一類。 （2）驅(qū)動伺服單元 　　機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動作是依靠關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動，而大多數(shù)機(jī)器人是基于閉環(huán)控制原理進(jìn)行的。伺服控制器的作用是使驅(qū)動單元驅(qū)動關(guān)節(jié)并帶動負(fù)載超減少偏差的方向動作。已被廣泛應(yīng)用的驅(qū)動方式有，液壓伺服驅(qū)動、電機(jī)伺服驅(qū)動，近年來氣動伺服驅(qū)動技術(shù)也有一定進(jìn)展。 （3）計算機(jī)控制系統(tǒng) 　　各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計算機(jī)計算后，在各采樣周期給出。主計算機(jī)根據(jù)示

9、教點(diǎn)參考坐標(biāo)的空間位置、方位及速度，通過運(yùn)動學(xué)逆運(yùn)算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)的指令值?！　⊥ǔ５臋C(jī)器人采用主計算機(jī)與關(guān)節(jié)驅(qū)動伺服計算機(jī)兩級計算機(jī)控制，有時為了實現(xiàn)智能控制，還需對包括視覺等各種傳感器信號進(jìn)行采集、處理并進(jìn)行模式識別、問題求解、任務(wù)規(guī)劃、判斷決策等，這時空間的示教點(diǎn)將由另一臺計算機(jī)上級計算機(jī)根據(jù)傳感信號產(chǎn)生，形成三級計算機(jī)系統(tǒng)。 （4）傳感系統(tǒng) 　　為了是機(jī)器人正常工作，必須與周圍環(huán)境保持密切聯(lián)系，除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置傳感器（稱作內(nèi)部傳感器）外，還要配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）以及傳感信號的采集處理系統(tǒng) （5）輸入/輸出系統(tǒng)接口 　　為了

10、與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進(jìn)行聯(lián)系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通訊接口和人機(jī)通信裝置。工業(yè)機(jī)器人提供一內(nèi)部PLC，它可以與外部設(shè)備相聯(lián)，完成與外部設(shè)備間的邏輯與時實控制。一般還有一個以上的串行通訊接口，以完成磁盤數(shù)據(jù)存儲、遠(yuǎn)程控制及離線編程、雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等工作。一些新型機(jī)器人還包括語音合成和識別技術(shù)以及多媒體系統(tǒng)，實現(xiàn)人機(jī)對話[4]。 1.3國內(nèi)外機(jī)器人的總體現(xiàn)狀 1.3.1國外機(jī)器人的總體現(xiàn)狀 美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，比起號稱"機(jī)器人王國"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。 日本在汽車、電

11、子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠以價廉的絕對優(yōu)勢進(jìn)軍號稱“汽車王國”的美國市場，并且向機(jī)器人誕生國出口日本產(chǎn)的實用型機(jī)器人。此時，日本價廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國市場……這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機(jī)器人，增大了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追。 1.3.2國內(nèi)機(jī)器人的總體現(xiàn)狀 我國已在“七五”計劃中把機(jī)器人列人國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機(jī)器人研究示范工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教

12、再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。 國內(nèi)因為整體科技水平、價格、通用性等因素，造成目前民用領(lǐng)域的自動機(jī)械幾乎是空白，比如我們經(jīng)?？梢钥吹焦と藗儞]汗如雨地搬運(yùn)物件、冒著生命危險清洗高樓外墻，等等。然而，由于我國自動機(jī)械的設(shè)計技術(shù)

13、劣勢，以及經(jīng)濟(jì)狀況的落后，加上整體科技素質(zhì)不高，造成目前人們找不到能解決問題的機(jī)械設(shè)備可供采購，或者因為價格昂貴而無法使用，或者不會使用。因此若要提高我國民用領(lǐng)域的自動機(jī)械應(yīng)用水平和規(guī)模，最迫切的就是設(shè)計生產(chǎn)出夠用、便宜、易操作、美觀的產(chǎn)品。比如把設(shè)備往現(xiàn)場一放，它就能自動把指定的東西搬到需要的地點(diǎn)；把設(shè)備玻璃幕墻上一貼，它就會自動把玻璃擦干凈——平時只需要更換它的清潔劑、清潔刷、對電池充電等操作——這樣一來，人們才更容易接受它，并且才有熱情來使用它，從而才能迅速地提高我國的民用自動機(jī)械的應(yīng)用水平和范圍。 1.4農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的基本現(xiàn)狀 1.4.1國外機(jī)器人的基本現(xiàn)狀 農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為機(jī)器

14、人的一種類型，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、微電乓計算機(jī)和自動控制等技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的集中體現(xiàn)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程自動化、智能化的重要標(biāo)志。果實收獲是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，為提高勞動生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量，降低勞動強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，實現(xiàn)收獲作業(yè)機(jī)械化、自動化和智能化，基于果實生物學(xué)特性與栽培方式的收獲機(jī)械人得到了發(fā)展。目前，日本、美國、荷蘭等國家已研制了多種收獲機(jī)器人，主要用于收獲番茄、黃瓜、草萄、葡萄、西瓜、甜瓜、蘋果、柑橘、甘藍(lán)等蔬菜和水果。本文設(shè)計了3.5自由度果實收獲機(jī)械手，并對其具體機(jī)械結(jié)構(gòu)建模及雙目視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 從1983年第一臺西紅柿采摘機(jī)器人在美國誕生以來，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)己經(jīng)

15、歷了近20年。日本和歐美等發(fā)達(dá)國家相繼立項研究用于采摘蘋果、柑桔、西紅柿、葡萄等水果的智能機(jī)器人。到1997年底，國外開發(fā)的一系列果品蔬菜收摘機(jī)器人均研制出了樣機(jī)[26]。 圖1-1為日本的N " Kondo等人研制的黃瓜采摘機(jī)器人，采用三菱MITSUBISHIRV E2六自由度工業(yè)機(jī)器人，利用CCD攝像機(jī)，根據(jù)黃瓜比其葉莖對紅外光的反射率高的原理來識別黃瓜和葉莖。收獲時，先把黃瓜抓住，用接觸傳感器找出柄，然后剪斷。 圖1-1 圖1-2 圖1-2為韓國Kyungpook大學(xué)所研制的蘋果采摘機(jī)器人，其機(jī)械手

16、工作空間可以達(dá)到3m,具有4自由度，包括3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)。采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，內(nèi)有壓力傳感器避免損傷蘋果。利用CCD攝像機(jī)和光電傳感器識別果實。日本Kyoto大學(xué)研制出一個5自由度液壓驅(qū)動的機(jī)器人用于收獲西瓜，它包括機(jī)器手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和行走裝置，如圖I-4。西瓜生長在地面上，因此機(jī)器手由5個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，它能保證機(jī)械手的工作空間(包含地面)。 如圖1-3，為日本Okayama大學(xué)研制的5自由度葡萄采摘機(jī)器人。此機(jī)器人應(yīng)用于葡萄的培訓(xùn)系統(tǒng)。關(guān)節(jié)由DC伺服電機(jī)驅(qū)動。 圖1-3 圖

17、1-4 1.4.2國內(nèi)機(jī)器人的基本現(xiàn)狀 從國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用來看，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究處于起步階段，研究和應(yīng)用的農(nóng)業(yè)機(jī)器人主要有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的自動嫁接機(jī)器人，填補(bǔ)了我國自動嫁接技術(shù)的空白，還有吉林工業(yè)大學(xué)與吉林農(nóng)業(yè)研究所研制的除草機(jī)器人和上海交通大學(xué)開發(fā)的草毒揀選機(jī)器人。我國采摘機(jī)器人技術(shù)的研究起步更是較晚，目前主要有浙江大學(xué)對番茄收獲機(jī)器人有所研究，還有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對草莓收獲機(jī)械人在圖像識別上有所研究。 1.5農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研究意義 水果采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時、最費(fèi)力的一個環(huán)節(jié)，其季節(jié)性強(qiáng)、勞動量大且費(fèi)用高。與此同時，采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞還直接影響到產(chǎn)品的后續(xù)加

18、工和儲存。如何以低成本獲得高品質(zhì)的產(chǎn)品是水果生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必須重視和考慮的問題。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動化程度仍然很低。目前國內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行。而21世紀(jì)，農(nóng)業(yè)勞動力將逐漸向社會其它產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，世界各國面臨著人口老化問題，勞動力不足將逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高，這樣會大大降低產(chǎn)品的市場競爭力。更重要的是溫室內(nèi)環(huán)境舒適度較差，收獲作業(yè)勞動強(qiáng)度大，研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人，特別是果實收獲機(jī)器人具有重要意義。 從經(jīng)濟(jì)方面分析，以番茄采收為例，手工采收3-5人每小時只能收獲I噸果實，機(jī)械采收6-15人在收割機(jī)上工作，每小時可采收20--30噸。手工

19、分級每組要10-20人，如果用電子顏色分級機(jī)，每組只需7個人。番茄能夠采收的時期分為8種顏色期，果實收獲機(jī)器人可以按照預(yù)定收獲標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)果實的顏色進(jìn)行多次采收，保證了同期采摘果實成熟的均勻度，同時提高了采收效率與產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，節(jié)省勞力，提高工作速度，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。 目前，國外番茄收獲機(jī)械手處于研究階段。普通大番茄機(jī)械手收獲率為91%，采摘速度為4個/分，櫻桃希茄機(jī)械手收獲率為70%，采摘速度為12^20個/分(Naoshi Kondo. 1998 )。機(jī)械手是番茄收獲機(jī)器人的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其工作性能對機(jī)器人的收獲率和收獲速度具有重要的影響，同時為了減少工作過程中機(jī)械手對番茄植株和其他

20、未采摘或未成熟果實的損傷，避障問題仍需進(jìn)一步研究。因此移動式番茄收獲機(jī)械手機(jī)械設(shè)計與性能優(yōu)化研究對實現(xiàn)果實智能化收獲具有重要意義。 第2章 總體設(shè)計 2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則 （1）經(jīng)濟(jì)效益高，設(shè)計、制造成本低廉，使用價值高是設(shè)計追尋的目標(biāo)。在設(shè)計中 應(yīng)盡量多的采用標(biāo)準(zhǔn)件，以減少制造成本。同時保證產(chǎn)品的主要性能，盡量加長產(chǎn)品的服役期限，以達(dá)到更高的性價比與盡可能低的投入產(chǎn)出比。另外，還應(yīng)該注意到，本機(jī)器人用于果實采摘這樣的場合，機(jī)械手相比較焊接機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人其運(yùn)轉(zhuǎn)精度可以適當(dāng)降低，這樣一來就可以降低整機(jī)的制造成本。 （2）安全

21、可靠，本設(shè)計雖然作為果實采摘的機(jī)械執(zhí)行，考慮到設(shè)備的執(zhí)行部分存在有利刃計的剪切刀具，所以在設(shè)計中首先要采取相應(yīng)的措施來把刀具對人的傷害降到最低。保證在刀具；另外，系統(tǒng)本身應(yīng)盡量少受外界環(huán)境影響，而且在受到較大的影響時應(yīng)具有一定的魯棒性。 （3）操作維護(hù)方便，從人與機(jī)的關(guān)系來看，一件好的產(chǎn)品的操作應(yīng)該盡量方便。操 作方便主要表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象、便于掌握，不要求操作者掌握多么復(fù)雜的技術(shù)。在維修方面體現(xiàn)在便于查找故障，易于排除故障。 （4）適用范圍廣，產(chǎn)品在設(shè)計時應(yīng)考慮到盡量多的使用場合，本設(shè)計不僅可以用用來采摘果實、園藝剪枝，還可以在換裝操作手之后進(jìn)行田間噴施藥物等其他操作，以此來擴(kuò)大

22、產(chǎn)品的適用范圍，以增加經(jīng)濟(jì)效益。 2.2 總體設(shè)計方案 本設(shè)計主要的應(yīng)用環(huán)境為農(nóng)場、果園、園林景觀等，要能盡可能的完成果實采摘、修剪枝條的功能，便要求機(jī)械手具有充足的運(yùn)動范圍，較快的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，以及較好的適應(yīng)性。同時，為了減小驅(qū)動系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，在滿足上述條件下，應(yīng)盡量減小整體的尺寸和重量。人們期望的商品都是物美價廉的，因此，還要降低機(jī)器人的成本，達(dá)到這一目的的有效途徑是，在保證功能的條件下，簡化結(jié)構(gòu)，采用恰到好處的設(shè)計。 在能源方面，可以采用燃料燃?xì)饣蛘呤请娔茉?。相比燃料燃?xì)猓娛且环N沒有污染、使用方便的能源，而且，采用電力驅(qū)動，能極大的減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和重量、尺寸等，因此采用蓄電池能源

23、。另外考慮到機(jī)械手臂的執(zhí)行部分必須依靠汽缸工作，所以應(yīng)配備有氣瓶。 機(jī)械本體是一個機(jī)械回轉(zhuǎn)手臂，回轉(zhuǎn)機(jī)械手的設(shè)計應(yīng)盡可能緊湊。為了增強(qiáng)其穩(wěn)定性，采用滾珠花鍵作為回轉(zhuǎn)臂的支撐兼驅(qū)動結(jié)構(gòu)。驅(qū)動機(jī)械臂回轉(zhuǎn)的動力執(zhí)行元件是一對直齒圓柱齒輪。其中較大的齒輪只具有沿軸向一個平動自由度，在該自由度方向上隨機(jī)械臂上下運(yùn)動并始終保持與小齒輪的嚙合，其沿軸回轉(zhuǎn)的自由度被如圖 的結(jié)構(gòu)所限制，所以相對于滾珠花鍵始終保持上下運(yùn)動而不可以轉(zhuǎn)動。通過回轉(zhuǎn)臂上小齒輪的轉(zhuǎn)動，整個機(jī)械臂被驅(qū)動圍繞滾珠花鍵軸回轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)一個回轉(zhuǎn)自由度和一個上下平動自由度?；剞D(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如圖2-1。 圖2-1 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 在控制方面，采用

24、價格相對便宜但功能強(qiáng)大的單片機(jī)來完成。單片機(jī)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，只要合理的設(shè)計起外圍電路，便能很好的完成本系統(tǒng)的控制工作。為了實時采集路況信息，擬采用超聲波傳感器。其中商品導(dǎo)購的數(shù)據(jù)庫部分由微機(jī)來承擔(dān)，不事先編好的數(shù)據(jù)庫存到微機(jī)里，就可以達(dá)到導(dǎo)購的目的。 總之，整個機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)包括垂直升降自由度與回轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動部分、沿臂長伸縮自由度驅(qū)動部分和剪切機(jī)構(gòu)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2-2： 圖2-2小車總體結(jié)構(gòu) 2.3 功能及技術(shù)參數(shù)設(shè)計 參考其他移動式服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品，結(jié)合本設(shè)計特點(diǎn)，擬定以下設(shè)計參數(shù)，以便設(shè)計參考。參數(shù)如下： 機(jī)械臂本體長度<900m

25、m，機(jī)械臂本體寬度<150mm，機(jī)械臂本體高度<1000mm，重量<100kg（滿貨物） 機(jī)械臂速度：10m/min（超市等有人環(huán)境）；20m/min（空曠環(huán)境） 蓄電池容量盡量大。 使用壽命：5年，一天8小時中有60%的時間在運(yùn)行。 2.4 系統(tǒng)的模塊化及關(guān)鍵問題 根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計，可以把整個系統(tǒng)劃分為垂直升降自由度與回轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動部分、沿臂長伸縮自由度驅(qū)動部分和剪切機(jī)構(gòu)部分，各個部分需要解決的問題分別為： 垂直升降自由度與回轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動部分（以下稱為部件1）：如何使機(jī)械臂結(jié)構(gòu)活動靈活，并且結(jié)構(gòu)緊湊。 沿臂長伸縮自由度驅(qū)動部分（以下稱為部件2）：在盡可

26、能緊湊輕便的原則下使機(jī)械臂具有沿臂長方盡可能遠(yuǎn)地伸縮其執(zhí)行部分（剪切機(jī)構(gòu)），為剪切機(jī)構(gòu)部分能夠順利工作提供工作條件。 剪切機(jī)構(gòu)部分（以下稱為部件3）：能夠為機(jī)械手順利摘取果實或者剪切枝條提夠足夠的剪斷力，并且其剪刀的張合角度可以通過調(diào)整螺母與汽缸滑座進(jìn)行調(diào)整，以便于機(jī)械手的安裝調(diào)試和在后續(xù)的工作中更加適應(yīng)各種工況。 其中，垂直升降自由度與回轉(zhuǎn)自由度驅(qū)動部分是本設(shè)計成敗的關(guān)鍵，如何在盡可能緊湊的原則下設(shè)計出同時具有兩個自由度的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是擺在面前的一個關(guān)鍵問題。 2.5 本章小結(jié) 本章對于本設(shè)計便攜式果實采摘機(jī)器人的工作原理和適用范圍進(jìn)行簡要介紹，并根據(jù)起特點(diǎn)來確定本設(shè)計的總體設(shè)計方案，又

27、通過各種工作要求，對各個部件對比分析來確定機(jī)構(gòu)的設(shè)計和選擇。 第3章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計 3.1電動機(jī)的選擇 3.1.1選用步進(jìn)電機(jī)的原因 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。同時用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)比較方便，因此本設(shè)計選用步進(jìn)電機(jī)作

28、動力源。 3.1.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理 （1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒（1，2，3，4，5），電機(jī)定子有三個勵磁繞阻（A，B，C），A與齒1相對齊，B與齒2錯開1/3τ，C與齒3錯開2/3τ，A與齒5相對齊...。將定子和轉(zhuǎn)子展開如圖3.1： ????????????????????????????? ?圖3.1 步進(jìn)電機(jī)定子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 如A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊；如B相通電，A、C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3τ，此時齒3與C偏移為1/3τ，齒4與A偏移2/3τ；如C相通電，A、B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時

29、轉(zhuǎn)子又向右移過1/3τ，此時齒4與A偏移為1/3τ對齊；如A相通電，B、C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3τ。 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電，齒4移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A、B、C、A...通電，電機(jī)就向右旋轉(zhuǎn)；如按A、C、B、A……通電，電機(jī)就向左轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電脈沖數(shù)和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。 ??? 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮，往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3τ改變?yōu)?/6τ。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3τ變?yōu)?/12τ，1/24τ，

30、這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。但經(jīng)過理論分析及大量的實驗證明：細(xì)分?jǐn)?shù)如果超過10，電機(jī)帶負(fù)載后，就會產(chǎn)生跳步和失步現(xiàn) （2）感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（永磁式） 感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。 ??

31、?? 一個二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用[12]。 3.1.3步進(jìn)電機(jī)的計算選擇 在這里只針對驅(qū)動機(jī)械臂垂直移動的步進(jìn)電機(jī)（以下稱為垂直驅(qū)動電機(jī)）（見圖紙GCJ.1）進(jìn)行計算選擇，其余步進(jìn)電機(jī)選擇同理。 在各種摩擦系數(shù)中，靜摩擦系數(shù)最大，根據(jù)文獻(xiàn)[12]查得鋼與鋼的滾動摩擦系數(shù)為0.001，靜摩擦系數(shù)為0.1-0.12。在實際中，使用滾珠花鍵可以使驅(qū)動元件之間的摩擦為滾動摩擦，滾動摩擦系數(shù)比靜

32、摩擦系數(shù)小得多，從而使驅(qū)動的動力要求降低，同時對電池的要求也會降低，這樣一來系統(tǒng)的性能就會得到提高。初設(shè)機(jī)械臂的可北抬升的部分的最大重量為12kg，該部分包括部件1中的兩個滾珠花鍵套筒、整個部件2與整個部件3，電機(jī)沿力臂方向的力為，滾珠絲杠的傳動效率為η=0.98。所有這些運(yùn)動部件均由垂直驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)，而該電機(jī)又是通過對滾珠絲杠的直接驅(qū)動來完成上述過程的。已知滾珠絲杠的導(dǎo)程為5mm，螺紋公稱直徑16mm，所以，當(dāng)從靜止啟動時，電機(jī)所承受的最大力距由： （3-1） 得：

33、 （3-2） 滾珠絲杠螺紋公稱直徑d=16mm，所以必需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩M為： （3-3） 所以當(dāng)由靜止啟動時，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)設(shè)計預(yù)想所需要的最大轉(zhuǎn)距即為 為了使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，重量做到最小，并考慮到實際工作載荷很小，在步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠的連接上不用齒輪減速只采用圓柱螺紋銷緊固的方法，以此避免齒輪與聯(lián)軸器使用，從而到達(dá)減重的目的。 根據(jù)查文獻(xiàn)[18]，選用57BYG006型步進(jìn)電機(jī)，其主要

34、電氣特性如下： 電機(jī)型號： 57BYG006 類型： 四項混合式 線電流： 0.34A 驅(qū)動電壓：24.14V 最大靜轉(zhuǎn)矩： 4.4 線電阻： 71Ω 線電感： 90mH 重量： 0.42kg 最大空載啟動轉(zhuǎn)速：360rad/min 步距角： 1.8° 實物尺寸見圖3.2： 圖3.2 57BYG350B/A型步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸[10] 3.2 齒輪的設(shè)計與校

35、核 3.2.1設(shè)計任務(wù) 確定一種能滿足功能要求和設(shè)計約束的較好設(shè)計方案，包括： 一組基本參數(shù)： 等。 主要幾何尺寸：等。 3.2.2選擇齒輪材料、熱處理方式及計算許用應(yīng)力 (1) 選擇齒輪材料、熱處理方式 按使用條件，屬低速、低載、重要性和可靠性一般的齒輪傳動?？蛇x用軟齒輪，也可以選用硬齒面齒輪?，F(xiàn)在選用軟齒面齒輪，并具體選用： 小齒輪：40Cr，調(diào)制處理，硬度為260~286HBS； 大齒輪：45號鋼，調(diào)制處理，硬度為230~255HBS。 (2) 確定許用應(yīng)力 確定極限應(yīng)力和 齒面硬度：小齒輪按260HBS，大齒輪按190HBS。查機(jī)械設(shè)計手冊[24]得

36、 。 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，確定壽命系數(shù) 壽命取最大時，循環(huán)次數(shù)N很大，查機(jī)械設(shè)計手冊得 ； 。 計算許用應(yīng)力 查機(jī)械設(shè)計手冊得 ， （3-9） （3-10） （3-11） （3-12） 3.2.3確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸 (1)選擇齒輪類型 根據(jù)齒輪傳動的工作條件（低速、低載等），可選用直齒圓柱齒輪傳動，也可選用斜齒圓柱齒輪傳動?，F(xiàn)選用直齒圓柱齒輪傳動。 (2)選擇齒輪精度等級 按估計的圓周速度，查表

37、初步選用8級精度。 (3)初選參數(shù) 初選： (4) 初步計算齒輪的主要尺寸 計算時，還需首先確定系數(shù)：。 因電動機(jī)驅(qū)動，工作機(jī)載荷平穩(wěn)，取；因齒輪速度不高，?。灰蜉S的剛性較小，取，則。 查機(jī)械設(shè)計手冊得；；取。 可初步計算出齒輪的分度圓直徑、m等主要參數(shù)和幾何尺寸： =30 （3-13） 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=1,則 =90 mm （3-14）

38、 （3-15） 取 ，。 (5) 驗算齒輪彎曲強(qiáng)度條件。 由齒數(shù) 查機(jī)械設(shè)計手冊得 取 計算彎曲應(yīng)力： （3-16） 同理： 。 通過以上的驗證，齒輪傳動合格。 3.3本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容為動力傳動方案的具體計算與選擇，通過原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算確定電機(jī)的型號和齒輪的各主要參數(shù)。 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 總體設(shè)計 本機(jī)器人的避障原理是：利用超聲波測距的原理，通過向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應(yīng)的返回聲波脈沖，對障礙物進(jìn)行判斷;通過以單片機(jī)為核心的控制器實現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理

39、返回脈沖信號的基礎(chǔ)上加以判斷，選定相應(yīng)的控制策略;通過驅(qū)動器驅(qū)動兩步進(jìn)電機(jī)，帶動驅(qū)動輪，從而實現(xiàn)避障功能。因此，從原理上整個機(jī)器人的控制系統(tǒng)可以分為5部分：傳感器部分、主控制器部分、驅(qū)動部分、人機(jī)接口部分及與上位機(jī)（PC）的串行通訊部分，其中，人機(jī)接口部分包括鍵盤輸入和顯示 各部分的功能分別如下： 傳感器部分：本部分的主要擔(dān)負(fù)障礙物的檢測檢測，為機(jī)器人的行走提供實時可靠的路況信息，由超聲波傳感器組成。 主控制器部分：本部分有單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成，是整個控制系統(tǒng)的中心，所有的信息將在這里被加以辨識、處理，并根據(jù)處理的結(jié)果，反饋給其它部分，進(jìn)行相應(yīng)的操作。 驅(qū)動部分：負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。

40、 人機(jī)接口部分：顧名思義，本部分是人與控制系統(tǒng)“溝通”的橋梁。其中，鍵盤用于輸入系統(tǒng)所需的參數(shù)等；顯示部分主要用于顯示系統(tǒng)參數(shù)、提示等；語音部分主要用于提示行人。 串行通訊部分：主要用于系統(tǒng)與PC機(jī)的通訊，采用RS232串行通訊協(xié)議。 4.2超聲波傳感器測距的基本原理 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在移動機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動機(jī)器人能自動避障行走，就

41、必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器[10]。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.1，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，

42、壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了 圖 4.1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 超聲波是一種具有一定頻率范圍的聲波，它具有在一種媒質(zhì)中以恒定速度傳播的特性，而在不同的媒質(zhì)界面處會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)檢測到的發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，來確定距離的長短，從而達(dá)到測量距離的作用。這就是超聲波測距的原理。具體的計算公式如下： (m)

43、 （4-1） 其中，S為障礙物與吸塵器之間的距離。 v為超聲波在空氣中的傳輸速率 t為發(fā)射波與發(fā)射波的時間差 由于v要受到氣溫的影響，為了得到精確的結(jié)果，必須加以補(bǔ)償。對速度的補(bǔ)償公式如下： (m/s) （4-2） 其中，T表示空氣的絕對溫度[22]。 4.3 基于MSC51單片機(jī)的主控系統(tǒng)設(shè)計 4.3.1 8051單片機(jī)簡介 單片機(jī)是把CPU、隨機(jī)存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接

44、口等部件制作在同一塊芯片上，構(gòu)成的一個完整的微型計算機(jī)。MCS-51系列是INTEL公司1980年推出的8位高檔單片機(jī)，它是MCS-48的增強(qiáng)型產(chǎn)品，它的出現(xiàn)直接與HMOS工藝有關(guān)，并提高了芯片的集成度，增加了多種片內(nèi)硬件功能，并擴(kuò)展了功能單元的種類和數(shù)量。由于其出色的功能，現(xiàn)在已經(jīng)普遍的應(yīng)用在工業(yè)界中。MCS-51的主要功能如下[18]： 為一般控制用的8位單片機(jī)； 芯片內(nèi)部有時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可達(dá)12MHZ）； 內(nèi)部只讀存儲器（ROM）為4K字節(jié)； 內(nèi)部隨機(jī)存儲器（RAM）為128字節(jié)； 外部只讀存儲器可擴(kuò)展到64K字節(jié)； 外部隨機(jī)存儲器可擴(kuò)展到64K字節(jié)； 32條

45、雙向I/O口線，且每條都可以單獨(dú)做I/O控制； 5個中斷向量源；

46、

47、

48、 2組獨(dú)立的16為定時/計數(shù)器； 1個全雙工串行通訊端口； 8751及8752單片機(jī)具有數(shù)據(jù)保密功能； 單片機(jī)提供邏輯運(yùn)算指令[14]。 4.3.2 8051基本控制電路及復(fù)位電路設(shè)計 8051的程序代碼可以使用內(nèi)部4k字節(jié)的空間來執(zhí)行，也可以使用外接程序ROM來執(zhí)行。圖4-2為8051單片機(jī)的基本工作電路，8051的EA腳連接5V電源，表示由片內(nèi)ROM來提供程序代碼，如果接地，則表示由外部ROM來提供程序。此電路可以使用的單片機(jī)有89C51及8751，而程序的測試方法可以使用ICE或是直接燒錄單

49、片機(jī)。 幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對復(fù)位電路的基本要求是：在單片機(jī)上電時能可靠復(fù)位，在下電時能防止EEPROM中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機(jī)本身的看門狗定時器（有些單片機(jī)無看門狗定時器）外，還需外加個看門狗電路；除此以外，有些單片機(jī)系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉電的發(fā)生往往是很隨機(jī)的，因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時能告知單片機(jī)。MAXIM公司推出的MAX813L剛好能滿足這些要求。圖中MAX813L的第(1)腳與第(8)腳相連

50、。第(7)腳接單片機(jī)的復(fù)位腳（AT89C51的第(9)腳）；第(6)腳與單片機(jī)制P16相連。在軟件設(shè)計中，P16不斷輸出脈沖信號，如果因某種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，則P16無脈沖輸出。于是1.6s后在MAX813L的第(8)腳輸出低電平，該低電平加到第(1)腳，使MAX813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于限值4.65V時，MAX813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止因電源電壓較低進(jìn)單片機(jī)產(chǎn)生錯誤的動作[14]。 電源故障輸入PFI通過一個電阻分壓器監(jiān)測未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng)PFI低于1.25

51、V時，電源故障輸出腳第5腳PFO變低，可引起AT89C51中斷進(jìn)行電源故障處理，或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來。把分壓接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對電源故障告警。 圖 4.2 單片機(jī)基本電路及復(fù)位電路 4.3.3控制系統(tǒng)的內(nèi)存擴(kuò)充設(shè)計 本設(shè)計除了現(xiàn)有的功能之外，還有很大的擴(kuò)充余地，比如在超市中應(yīng)用時，可以為顧客提供實時導(dǎo)航的功能，導(dǎo)航信息通過液晶進(jìn)行圖形顯示，或者向顧客進(jìn)行友好的語音提示。當(dāng)然，這樣做便意味著需要更多的內(nèi)存空間及更多的I/O。圖4-3是具有內(nèi)存及I/O功能擴(kuò)充的控制電路。 圖4.3 8051外接程序ROM控制電路 使用此電路由以下一些優(yōu)點(diǎn)： 單片機(jī)可以使

52、用便宜的8031，89C51及8751都很貴； 程序代碼可以擴(kuò)充至64K字節(jié)； 程序代碼由外接的EPROM提供，可以使用便宜的ROM模擬器做程序測試； 可擴(kuò)充外部數(shù)據(jù)內(nèi)存； 可擴(kuò)充外部I/O控制接口，如8255、LCD、A/D及D/A接口。[2] 本電路設(shè)計的目的是希望盡量利用8051的尋址空間而是控制程序可以寫的很大，并考慮使用高級的C語言來編寫程序，所以應(yīng)考慮外部程序代碼與內(nèi)存空間分開來設(shè)計8051I/O擴(kuò)充是以內(nèi)存應(yīng)對（Memory Map）方式來控制，也就是把外部I/O地址作為內(nèi)存的一部分來讀取數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)。 外部數(shù)據(jù)內(nèi)存線路圖請參考圖4-4，SRAM的選擇使用6116（

53、2K×8）或6264（8K×8）或62256（32K×8），可以使用跳線來設(shè)定，如表4.1： 表4.1 外部數(shù)據(jù)存儲器的設(shè)定 SRAM編號 容量 跳線設(shè)定 6116 2K JP4，5ON 6264 8K JP4，6ON 62256 64K JP3，6ON 在解碼方面為求簡化，采用部分解碼來控制，由A15來控制CS（芯片選擇）信號。當(dāng)A15是“0”，則選取外部數(shù)據(jù)內(nèi)存SRAM中的地址。 程序EPROM的設(shè)計考慮4種狀態(tài)，腳位都為28PIN，首先看看4種EPROM的異同點(diǎn)，如表4.2： 表4.2 EPROM比較 EPROM型號 容量 地址線 引

54、腳27 引腳1 2764 8K×8 A0-A12 PGM Vpp 27128 16K×8 A0-A13 空接 Vpp 27256 32K×8 A0-A14 A14 Vpp 27512 64K×8 A0-A15 A14 A15 圖4.4 內(nèi)存電路原理圖 其中，PGM引腳為燒錄EPROM時接低電位，平時正常操作接高電為，Vpp引腳為提供燒錄的高壓脈沖，平時也應(yīng)接高電位，因此可以使用2只短路插座來做各種EPROM的使用調(diào)整。如表4-3： 表4.3 EPROM的設(shè)定 EPROM型號 容量 跳線設(shè)定 2764 8K×8 JP1，2

55、OFF 27128 16K×8 JP1，2 OFF 27256 32K×8 JP1 ON 27512 64K×8 JP1，2 ON ON表示接點(diǎn)短路，否則由提升電阻而拉至高電位。而EPROM的OE（輸出使能） 引腳則由PSEN信號來控制，CE（芯片使能）引腳直接接地即可。 4.3.4 RS232通信接口設(shè)計 8051本身提供一個全雙工的傳輸接口，是由TXD(11引腳)來傳送串行數(shù)據(jù)，而由RXD(10引腳)來接收數(shù)據(jù)的，其工作邏輯電位都為TTL電位（5V、0V），如果要與PC做串行數(shù)據(jù)傳輸或連接控制用必須經(jīng)過RS232信號（+12V、-12V）電平的轉(zhuǎn)換。目前市面上

56、已有現(xiàn)成的TTL到RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片，IC編號為ICL232或MAX232，只要外加四只電容器，便能完成接口電路的電位轉(zhuǎn)換工作了。 圖4-5是設(shè)計在電路板上的RS232通信接口電路，通過MAX232轉(zhuǎn)換出來的RS232串行信號再連至J10 D9 PIN插座與外部PC連接，便可建立RS232通信接口。 圖4.5 RS232通信接口電路圖 4.3.5 I/O及鍵盤電路的擴(kuò)展 由于在8051的基本電路中擴(kuò)展了外部程序ROM，P0及P2端口必需作為系統(tǒng)總線信號使用，為了有更多的I/O口，以連接更多的外部電路，所以擴(kuò)充一塊可編程的I/O控制芯片8255。8255是一塊可編程多功能

57、I/O接口控制芯片，不但能提供一般輸入輸出端口，還可以規(guī)劃為交互式控制。圖4-6是其接線圖，8255的控制信號有RD、WR、A0、A1、RESET及CS。前5個信號分別連接至8051系統(tǒng)相對應(yīng)的控制信號上，A0、A1選取8255的4個內(nèi)部控制寄存器，即端口A、B、C及控制字。而CS信號控制整塊芯片的工作，其解碼地址為8000H-8003H。當(dāng)CS=0時，數(shù)據(jù)線D0-D7與8051 數(shù)據(jù)總線接通；當(dāng)CS=1時，數(shù)據(jù)線則呈現(xiàn)高阻狀態(tài)與系統(tǒng)總線隔離開來。8255的A、B、C三個端口分別做步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、鍵盤接口等用途。 在控制電路中，通常需要以按鍵來輸入數(shù)據(jù)或控制程序流程，如果按鍵數(shù)目不多時，可以使

58、用一個按鍵對應(yīng)一條輸入位線，但當(dāng)按鍵較多時，通常以矩陣掃描的方法來做按鍵檢測，在圖4-16中，使用8255的端口C8條I/O線做16個按鍵的鍵盤掃描，由PC0-PC3送出掃描信號，而由PC4-PC7讀取按鍵數(shù)據(jù)返回代碼。 圖4.6 8255、鍵盤及中斷擴(kuò)展圖 在控制電路中，8255的C端口8條I/O線做16個按鍵的掃描，由PC.0-PC.3送出掃描信號，而由PC.4-PC.7讀取按鍵返回代碼。編程時，以程序掃描的方式來檢測哪一按鍵按下，一次掃描一行4個按鍵，掃描的順序如下： （1）送出掃描信號1110以掃描C1行，讀取按鍵數(shù)據(jù)，判斷改行是否有按鍵按下，若有按鍵按下，則連結(jié)被按下

59、的鍵返回狀態(tài)為0。 （2） 送出掃描信號1101以掃描C1行，讀取按鍵數(shù)據(jù)，判斷改行是否有按鍵按下。 （3） 送出掃描信號1011以掃描C1行，讀取按鍵數(shù)據(jù)，判斷改行是否有按鍵按下。 （4） 送出掃描信號0111以掃描C1行，讀取按鍵數(shù)據(jù)，判斷改行是否有按鍵按下。 （5） 返回1繼續(xù)掃描[14]。 以上步驟連續(xù)重復(fù)，如有鍵按下，就將該按鍵解碼出來，程序見附件。 4.4 超聲波測距模塊的設(shè)計[19] 如圖4-7所示的電路圖。圖中顯示了其中一對傳感器的接線圖，傳感器的發(fā)射端接到8255 PB3端口，接收端接到INT1，由8255PB口不斷輸出40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號，超聲波發(fā)送

60、脈沖如圖4-8所示。脈沖寬度約為125μs～200μs，即在一個調(diào)制脈沖內(nèi)包5～8個40kHz的方波。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離及測量通道數(shù)。若在有效測距范圍內(nèi)有被測物的話，則在后一路超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一路發(fā)同的反射波，否則認(rèn)為前一路無被測物。因此按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時間。例如：最大測距范圍為5m時，脈沖間隔時間t=2s/v=2×5/340≈30ms，實際應(yīng)取t≥30ms。 系統(tǒng)中共設(shè)置了4個超聲波傳感器，裝在機(jī)器人的前部，型號為HM-UR/1，其測試角度可達(dá)50°，檢測距離為1.5m到15m。當(dāng)檢測到障礙物時，會立即引起中斷，執(zhí)行中斷處理。機(jī)械臂自

61、動轉(zhuǎn)向其他方位。 圖4.7 超聲波測距電路圖 圖4.8 超聲波發(fā)射脈沖及一個通道工作時序圖 4.5 步進(jìn)電機(jī)控制板的設(shè)計 步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過程控制及儀表控制的主要控制元件之一。它有以下特點(diǎn)： 可以直接接受數(shù)字信號，不需進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換； 具有快速啟、停能力； 精度高，步距角可由每步90°至0.36°； 步進(jìn)電機(jī)由于高精度而不用傳感器，故定位準(zhǔn)確。 在設(shè)計中，使用2個3相步進(jìn)電機(jī)，分別驅(qū)動機(jī)器人的左右兩個輪子。由于步進(jìn)電機(jī)屬于電感設(shè)備，為了防止電磁干擾，在系統(tǒng)與電機(jī)之間采用三極管型光-電隔離。圖4.9是一個步進(jìn)電機(jī)的接線圖。步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三個繞組經(jīng)光電耦合后分別接

62、于8255的PA0、PA1、PA2口（另一個接于PA3、PA4、PA5口）。 圖4.9 三相步進(jìn)電機(jī)接線圖 設(shè)計中步進(jìn)電機(jī)用來驅(qū)動小車，因而控制程序較為簡單。根據(jù)小車參數(shù)，步距角為3°，其轉(zhuǎn)速為20r/min，可求出該電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)過的角度為： 設(shè)定步進(jìn)電機(jī)按三拍工作，每秒需要的拍數(shù)為： 拍 因而每兩拍之間需要延時： 4.6 電源模塊的設(shè)計 電機(jī)需要36V電壓，因而直接接到蓄電池上，而控制系統(tǒng)需要+5V電壓，需要經(jīng)過降壓。使用DC-DC型電源模塊LUCENT/12V把電壓降到12V，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓之后，可以得到穩(wěn)定的5V直流電壓。電路圖如

63、圖4.10所示。 圖4.1 控制系統(tǒng)電源圖 4.7 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是對機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，通過機(jī)器人所需要做的動作與運(yùn)動范圍，選用單片機(jī)及各種電路的設(shè)計。 結(jié) 論 本設(shè)計對果實采摘機(jī)器人機(jī)械本體的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計計算，主要在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計取得了比較多的收獲。由于同類型的機(jī)器人研究文獻(xiàn)中對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計部分的研討比較少，且只有機(jī)器人主體外型圖可供參考而無詳細(xì)工程圖，在對此類文獻(xiàn)進(jìn)行的研讀時發(fā)現(xiàn)許多回轉(zhuǎn)機(jī)械臂的實現(xiàn)方式多通過整臂相對基架的回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，對學(xué)校實驗室內(nèi)的機(jī)械臂進(jìn)行觀察也發(fā)現(xiàn)其機(jī)械臂為整臂

64、回轉(zhuǎn)形式，但對于農(nóng)用便攜式機(jī)械設(shè)備來說，如果采用這種類型的結(jié)構(gòu)，必將加大整個機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動慣量，無疑會增打機(jī)器的驅(qū)動功率，這樣一來機(jī)器的重量也會增加，不利于便攜式設(shè)計思想的實現(xiàn)。所以本機(jī)擯棄以往機(jī)械臂的經(jīng)典形式，采用與機(jī)架相固定連接的滾珠花鍵作為機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)中心，最大程度減少回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量，用實際結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了便攜式設(shè)計的理念。 為了使整機(jī)更加緊湊，便攜性更加突出，在整機(jī)設(shè)計上使用了Solid Edge三維設(shè)計，這使得結(jié)構(gòu)尺寸更容易控制，整個機(jī)械臂的重量精確控制在6kg以內(nèi)。在設(shè)計中積累了不少設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計水平得到了提高。 這個設(shè)計之中，主要涉及到了齒輪類零件的設(shè)計計算、以及步進(jìn)電機(jī)、

65、傳動系統(tǒng)等的設(shè)計計算，還涉及到了單片機(jī)外圍電路的擴(kuò)展以及控制程序的設(shè)計與編寫。但是由于我個人能力和時間有限，致使設(shè)計之中還有許多缺陷。這些缺陷包括： （1） 機(jī)械臂的局部結(jié)構(gòu)有待于進(jìn)一步改進(jìn)，如驅(qū)動回轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的安裝位置等； （2） 整車的外部造型有待于改進(jìn)； （3） 控制部分有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善； 參考文獻(xiàn) [1]馬翔，朱世強(qiáng)，吳海彬. 智能吸塵器的開發(fā)及設(shè)計.電子技術(shù)應(yīng)用，2000，8：6-8 [2]Williams R N. A Painless guide to CRC error detection algorithms[Z]

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