面向探險(xiǎn)機(jī)器人比賽主題的移動機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）學(xué)院(部)軌道交通學(xué)院題 目面向探險(xiǎn)機(jī)器人比賽主題的移動機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年 級14級專業(yè)車輛工程班 級車輛工程學(xué)號1442404018姓 名馬志超指導(dǎo)老師沈長青職稱副教授論文提交日期2018年05月20日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc514624271 摘 要 PAGEREF _Toc514624271 h 1 HYPERLINK l _Toc514624272 ABSTRACT PAGEREF _Toc514624272 h 2 HYPERLINK l _Toc514624273 第一章 緒論 PAGEREF _To

2、c514624273 h 4 HYPERLINK l _Toc514624274 1.1 研究背景 PAGEREF _Toc514624274 h 4 HYPERLINK l _Toc514624275 1.2 研究目的與現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc514624275 h 4 HYPERLINK l _Toc514624276 1.2.1 研究目的和意義 PAGEREF _Toc514624276 h 4 HYPERLINK l _Toc514624277 1.2.2 研究現(xiàn)狀與存在的問題 PAGEREF _Toc514624277 h 4 HYPERLINK l _Toc514624278

3、 1.3 論文的主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc514624278 h 5 HYPERLINK l _Toc514624279 第二章 機(jī)器人比賽規(guī)則與機(jī)器人要點(diǎn)分析 PAGEREF _Toc514624279 h 6 HYPERLINK l _Toc514624280 2.1 機(jī)器人比賽規(guī)則簡介 PAGEREF _Toc514624280 h 6 HYPERLINK l _Toc514624281 2.2 機(jī)器人要點(diǎn)分析 PAGEREF _Toc514624281 h 6 HYPERLINK l _Toc514624282 第三章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)部件選型 PAGEREF _Toc

4、514624282 h 8 HYPERLINK l _Toc514624283 3.1 電機(jī)選型與連接固定裝置設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc514624283 h 8 HYPERLINK l _Toc514624284 3.2 主控系統(tǒng)選型與固定裝置設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc514624284 h 12 HYPERLINK l _Toc514624285 3.3 電池選型與電池倉的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc514624285 h 15 HYPERLINK l _Toc514624286 3.4 電機(jī)驅(qū)動板選型與固定裝置設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc514624286 h 17 HYPE

5、RLINK l _Toc514624287 3.5傳感器的選型與固定裝置設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc514624287 h 20 HYPERLINK l _Toc514624288 3.6車輪的選型與固定 PAGEREF _Toc514624288 h 23 HYPERLINK l _Toc514624289 3.7觸碰開關(guān)的選型與固定 PAGEREF _Toc514624289 h 25 HYPERLINK l _Toc514624293 3.8機(jī)器人的總裝配圖 PAGEREF _Toc514624293 h 28 HYPERLINK l _Toc514624294 第四章 總結(jié)與展望 P

6、AGEREF _Toc514624294 h 29 HYPERLINK l _Toc514624295 4.1 總結(jié) PAGEREF _Toc514624295 h 29 HYPERLINK l _Toc514624296 4.2 展望 PAGEREF _Toc514624296 h 29 HYPERLINK l _Toc514624297 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc514624297 h 30 HYPERLINK l _Toc514624298 致謝 PAGEREF _Toc514624298 h 31蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE 32摘 要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛

7、速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機(jī)器人在機(jī)器人的視覺和觸覺等技術(shù)上就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機(jī)器人概念的延伸。上世紀(jì)80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人。隨著智能機(jī)器人在社會上的普及，相應(yīng)的機(jī)器人比賽也越來越多，其中旅游機(jī)器人比賽更加受到人們的關(guān)注，也吸引了很多年輕人加入其中。旅游機(jī)器人比賽分為初賽、復(fù)賽以及決賽，進(jìn)行的每輪比賽中一個(gè)機(jī)器人有2次行走的機(jī)會。當(dāng)所游歷的景點(diǎn)離得出發(fā)點(diǎn)越遠(yuǎn)，所得的分?jǐn)?shù)越高，正確找到寶物可以獲得額外的分?jǐn)?shù)，若出現(xiàn)遲到等情況會扣除分?jǐn)?shù)，能正常返回起點(diǎn)有相應(yīng)加分。最后的總成績將累加機(jī)器人游歷所得的分?jǐn)?shù)，并且

8、按照從高到低的分?jǐn)?shù)順序進(jìn)行排序。若出現(xiàn)分?jǐn)?shù)相同的，則以時(shí)間用的短的名次在先。針對旅游機(jī)器人比賽得分以及時(shí)間要求對機(jī)器人進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：首先選擇電池提供動力，要保證電池的電流足夠大，能夠完成整場比賽，因此選擇12v鋰電池提供動力并設(shè)計(jì)電池倉進(jìn)行固定；由于要保證沿著白線行駛，因此選擇灰度傳感器，又因?yàn)閳龅夭黄秸?，因此選擇鉸鏈連接方式連接傳感器和地板。在過程中也會有障礙物進(jìn)行干擾，為了防止發(fā)生觸碰損壞機(jī)器人，因此需要設(shè)置觸碰開關(guān)，并且要提前感受到，因此設(shè)計(jì)一個(gè)“Z”型板將觸碰開關(guān)安裝在上面。又因?yàn)闄C(jī)器人比賽中會有彎道，此時(shí)可以通過電機(jī)的左右輪的速度差來完成，因此選擇12v直流電機(jī)，因?yàn)樗D(zhuǎn)動時(shí)力矩

9、較大，形體較小，質(zhì)量較輕便，組裝容易。除此之外還要將主控板和驅(qū)動板在機(jī)器人底盤上合理安置，因?yàn)橹骺匕逡獙鞲衅餍盘栠M(jìn)行處理，驅(qū)動板要控制電機(jī)的速度以及正反轉(zhuǎn)。關(guān)鍵詞：旅游機(jī)器人、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器、觸碰開關(guān)Design of Mobile Robot Body Structure for Adventure Robot Competition ThemeABSTRACTWith the rapid development of computer technology and artificial intelligence technology, robots have been greatly

10、improved at the level of functions and technologies. Mobile robots are representative of the robots vision and touch technologies. Due to the development of these technologies, the extension of the robot concept was promoted. In the 1980s, systems that had the ability to think, think, decide, and ac

11、t were called intelligent robots. With the popularization of intelligent robots in the society, there are more and more corresponding robot competitions, among which the tourism robot competition has attracted more attention from people and attracted many young people to join it.The tour robot compe

12、tition is divided into preliminary, semi-final and final rounds. One round of robots has two chances to walk in each round of competition. The farther the scenic spot traveled from the starting point, the higher the score obtained. If you find the treasure correctly, you can obtain additional points

13、. If there is a late arrival, the score will be deducted, and the normal return point will have a corresponding additional point. The final total score will accumulate the robots scores and rank them in descending order of scores. If the scores are the same, the short-time position precedes the time

14、.The overall structural design of the robot for the game robots score and time requirements: First select the battery to provide power, to ensure that the battery current is large enough to complete the entire game, so choose 12v lithium battery to provide power and design the battery compartment to

15、 fix; To ensure running along the white line, so select the gray sensor, and because the site is not flat, so choose the hinge connection to connect the sensor and the floor. In the process, there will be obstacles to interfere with. In order to prevent touch damage to the robot, it is necessary to

16、set a touch switch and to feel it in advance, so design a “Z” type board to install the touch switch on it. Because there will be a curve in the robot race, this can be done by the speed difference between the left and right wheels of the motor. Therefore, the 12V DC motor is chosen because it has a

17、 larger torque, smaller body, lighter weight and easy assembly. In addition, the main control board and drive board should be properly placed on the robot chassis, because the main control board needs to process the sensor signals, and the drive board must control the speed of the motor as well as f

18、orward and reverse rotation.Keywords: Travel robots, mechanism design, sensors, touch switches第一章 緒論1.1 研究背景隨著社會的發(fā)展，人們加大了對未知險(xiǎn)情世界的了解和探索。而怎樣解決人不能進(jìn)入得危險(xiǎn)區(qū)域，最大程度上減少探險(xiǎn)時(shí)可能對人身造成的傷害。探險(xiǎn)機(jī)器人成為他們首選產(chǎn)品。市場對各種探險(xiǎn)機(jī)器人需求越來越大。移動機(jī)器人是自動控制、機(jī)械工程、傳感器以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科的交叉方向。移動機(jī)器人能夠通過傳感器感知周圍的環(huán)境及自身的運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。探險(xiǎn)移動機(jī)器人獲取到需要探究地區(qū)的地圖信息后，移動機(jī)

19、器人便可根據(jù)提供的地圖信息對地面的可穿越性進(jìn)行估計(jì)，并對以后的運(yùn)動控制作出相應(yīng)的規(guī)劃，進(jìn)行未知場地的探索11.2 研究目的與現(xiàn)狀1.2.1 研究目的和意義本論文寫作意義和目的如下：論文提出了一種基于地形傾斜度特征的移動機(jī)器人定位方法。這種新方法的目的是模擬人類依據(jù)地形地貌物理特征地圖的自定位能力，把它應(yīng)用到戶外移動機(jī)器人的定位中去，從而為在戶外工作的機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃和控制提供可靠的依據(jù)。該機(jī)器人運(yùn)動響應(yīng)迅速，具有高機(jī)動的零半徑轉(zhuǎn)向能力，并且在運(yùn)動過程中不存在失穩(wěn)狀態(tài)。攝像頭的密封式結(jié)構(gòu)可以將內(nèi)部器件密封保護(hù)起來，免受外界環(huán)境的影響，非常適合在潮濕、多塵土、多輻射或有毒的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。它具有廣

20、闊的應(yīng)用前景2。3、通過本次的設(shè)計(jì)來鍛煉了自己的設(shè)計(jì)能力，同時(shí)也對所學(xué)的知識進(jìn)行了總結(jié)梳理。1.2.2 研究現(xiàn)狀與存在的問題自從20世紀(jì)60年代誕生第一個(gè)自主移動機(jī)器人以來，移動機(jī)器人一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。關(guān)于移動機(jī)器人的研究涉及許多方面，首先，要考慮移動方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對于水下機(jī)器人，則是推進(jìn)器。其次，必須考慮驅(qū)動器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃，對于后者，有更多的方面要考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此，移動機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)3-6。目前設(shè)計(jì)的移動機(jī)器人通常

21、依靠人為事先編程來建立知識庫和推理機(jī)制。由于真實(shí)環(huán)境多是動態(tài)的、不確定的和復(fù)雜的,一方面人不可能預(yù)見全部的情形,另一方面對于復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù),手工編碼也是一個(gè)非常繁重的工作,有時(shí)甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的7-10。學(xué)習(xí)是人類獲取知識的主要形式,也是人類具有智能、提高智能水平的基本途徑,因此人們希望機(jī)器人具有從環(huán)境中學(xué)習(xí)的能力,即自動獲取知識、積累經(jīng)驗(yàn)、不斷更新和擴(kuò)展知識的能力。就本次設(shè)計(jì)而言，存在以下兩個(gè)方面的問題：（1）個(gè)人知識量不夠豐富對于移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)方面不了解，對機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，以及在機(jī)器人機(jī)構(gòu)如何適應(yīng)各個(gè)場地的設(shè)計(jì)不太了解。以及移動機(jī)器人的智能控制方面，例如信息密集，多層次

22、的信息與知識表示方式，與環(huán)境交互豐富多樣，信息與知識分布存儲涉及較少。（2）目前機(jī)器人控制系統(tǒng)問題目前機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)存在主要問題有:系統(tǒng)局限于專用微處理器、專用機(jī)器人語言，開放性差;軟件結(jié)構(gòu)依賴于微處理器硬件，難以在不同系統(tǒng)間移植;擴(kuò)展性差。1.3 論文的主要研究內(nèi)容（1).分析課題的背景和意義，闡述移動機(jī)器人國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。（2).選擇合理的移動方式并闡述移動原理。（3).對機(jī)器人的整體方案進(jìn)行了分析，包括幾何尺寸、電機(jī)的選擇。然后從機(jī)器人性能要求的角度出發(fā)分別對機(jī)器人的運(yùn)動方式、模型結(jié)構(gòu)和車體成型方式做了比較，最終確定了履帶移動結(jié)構(gòu)模型。（4）.對移動機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)做詳細(xì)的可行性分析

23、及設(shè)計(jì)，并且做了相應(yīng)的計(jì)算、校核，包括：齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和車體的一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 MACROBUTTON MTEditEquationSection2 Equation Section (Next) SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec h * MERGEFORMAT 第二章 機(jī)器人比賽規(guī)則與機(jī)器人要點(diǎn)分析2.1 機(jī)器人比賽規(guī)則簡介本次探險(xiǎn)機(jī)器人比賽規(guī)則是要求機(jī)器人在規(guī)定的時(shí)間里，在7mX10m的長方形比賽場地（周圍有5cm擋板防止機(jī)器人跑出場地）里沿著白色線路行駛并且行駛過程中會出現(xiàn)各種障礙需要機(jī)器人來應(yīng)對，比賽以機(jī)器人游歷的景點(diǎn)數(shù)

24、量累計(jì)得分并以此作為排名標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人在檢錄口檢錄之后無法進(jìn)行充電，且離開起點(diǎn)后不得有人工干預(yù)。游歷過程中需要保持場地內(nèi)的設(shè)施裝置不能被損壞并且機(jī)器人不能對人造成傷害。游歷時(shí)需要游歷最大數(shù)量的景點(diǎn)，途中需要經(jīng)過大量的斜坡、長橋、門、山丘和減速地帶、隧道等等，線路以直線、彎道、交叉線路為主，并且機(jī)器人要求在時(shí)間限定范圍內(nèi)返回到出發(fā)點(diǎn)并且停止運(yùn)行。比賽以機(jī)器人感應(yīng)到感應(yīng)線開始計(jì)時(shí)，返回起止區(qū)停止計(jì)時(shí)。如果機(jī)器人在時(shí)間限定的范圍內(nèi)沒有回到出發(fā)點(diǎn)，那么就累計(jì)機(jī)器人游歷過的景點(diǎn)的分?jǐn)?shù)。若果出現(xiàn)機(jī)器人脫離白色線路、掉落橋下、破壞場地內(nèi)的設(shè)施、出現(xiàn)死機(jī)等情況，裁判可以要求停止該次探險(xiǎn)比賽。本次比賽分初賽、復(fù)賽

25、以及決賽，進(jìn)行的每輪比賽一個(gè)機(jī)器人有2次行走的機(jī)會。當(dāng)然所游歷的景點(diǎn)離得出發(fā)點(diǎn)越遠(yuǎn)，所得的分?jǐn)?shù)越高，正確找到寶物可以獲得額外的分?jǐn)?shù)，若出現(xiàn)遲到等情況會扣除分?jǐn)?shù)，能正常返回起點(diǎn)有相應(yīng)加分。最后的總成績將累加機(jī)器人游歷所得的分?jǐn)?shù)，并且按照從高到低的分?jǐn)?shù)順序進(jìn)行排序。若出現(xiàn)分?jǐn)?shù)相同的，則以時(shí)間用的短的名次在先。2.2 機(jī)器人要點(diǎn)分析本次探險(xiǎn)機(jī)器人比賽要點(diǎn)分析如下：因?yàn)橐坏╇x開出發(fā)點(diǎn)就不能有人工干預(yù)，所以一定要選擇電流足夠大的電池來提供機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的動力，所以12V的鋰電池很適合提供動力；由于要求沿著白線行駛，一旦機(jī)器人出現(xiàn)跑出線的情況就會停止探險(xiǎn)，因而需要選擇相應(yīng)的傳感器來保證機(jī)器人在白線上行駛并且

26、最好能保證可以返回到出發(fā)點(diǎn)；由于現(xiàn)場可能會有人進(jìn)行攝像等相關(guān)操作以及攝像機(jī)需要輔助光源，所以選擇的傳感器一定要能保證光源對機(jī)器人的影響比較小，所以最合適的莫過于灰度傳感器。探險(xiǎn)過程中會遇到一些門之類的障礙物，所以需要設(shè)置觸碰開關(guān)來完成相應(yīng)的動作，因此選擇了對應(yīng)的行程開關(guān)，由于觸碰開關(guān)需要保證在機(jī)器人到達(dá)之前感應(yīng)到障礙，所以考慮選擇在機(jī)器人前端安裝一個(gè)“Z”字型連接板。由于需要越過斜坡等障礙，因此所需要選擇的電機(jī)的電壓要足夠防止出現(xiàn)難以上坡等難題，12V的電源足以提供動力。因?yàn)闄C(jī)器人比賽中會有彎道，此時(shí)可以通過電機(jī)的左右輪的速度差來完成。由于路面會有傾斜，機(jī)器人在運(yùn)行過程中會出現(xiàn)顛簸的情況，因此

27、在安裝傳感器的時(shí)候需要考慮到防止傳感器遭受到破壞，因此設(shè)置了鉸鏈連接機(jī)構(gòu)來保證傳感器的安全。第三章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)部件選型3.1 電機(jī)選型與連接固定裝置設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動性能是影響機(jī)器人指標(biāo)的主要方面，所以選擇的器件能使機(jī)器人行駛正常、迅速是十分必要的，裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要使得機(jī)器人有良好的柔韌性和靈活性。由于本次設(shè)計(jì)的是探險(xiǎn)型移動機(jī)器人，所以對于電機(jī)的選擇【16】就較為重要。如果選擇使用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動的話，雖然可以較準(zhǔn)的判定它旋轉(zhuǎn)的角度，能夠達(dá)到精準(zhǔn)判定機(jī)器人的行駛路程也能準(zhǔn)確判定機(jī)器人所處的位置，優(yōu)點(diǎn)多多，但是它對于力矩的輸出不夠，旋轉(zhuǎn)速度愈高，它的力矩就愈小，一旦達(dá)到很高的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)

28、，轉(zhuǎn)速會急劇下降，對于本次比賽要制作的需要擁有穩(wěn)定速度的機(jī)器人不太合適。經(jīng)過仔細(xì)考慮最終選擇了直流電機(jī)，因?yàn)樗谵D(zhuǎn)動時(shí)力矩較大，而且形體較小，質(zhì)量較輕便，組裝容易。它的內(nèi)置結(jié)構(gòu)動力源是一種高速電機(jī)，通過加速或減速齒輪組，能夠?qū)崿F(xiàn)很大的扭力。下圖是對兩種電機(jī)做相應(yīng)的條件的比較的圖表。表3-1 二直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的比較 比較項(xiàng)目步進(jìn)電機(jī)直流電機(jī)調(diào)速性能較好較差位置控制精度差好控制難易程度簡易較難價(jià)格低廉中等經(jīng)過一系列的篩選，我最終選定了型號為JGY-385的減速電機(jī),由于它的工作電壓在6-24伏直接，因而很適合用于智能機(jī)器人，下表是在12V條件下的該電機(jī)相關(guān)參數(shù)。表3-2 二JGY_385型電機(jī)

29、相關(guān)參數(shù)范圍電壓額定電壓空載轉(zhuǎn)速空載電流轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩電流轉(zhuǎn)矩扭矩轉(zhuǎn)矩功率堵轉(zhuǎn)扭矩堵轉(zhuǎn)電流減速比重量RANGEVOLTrpmmarpmmaKg.cmWKg.cmA1:0g6-12V1210040702250.5320.818.61006-12V12254017.5225237.50.8751006-12V1211.540822553150.81621006-12V126.5404.5225103250.82941006-12V124402.5225153300.8486100由于電機(jī)的安裝需要保證電機(jī)的電機(jī)軸能夠朝著車輪的中心軸的方向以便在裝配式更加簡便，并且在安裝時(shí)要使得它們兩個(gè)零件在同一直線

30、上而且又需要保證電機(jī)四周的四個(gè)安裝孔能夠通過某種裝置連接起來，因此在這里我選擇設(shè)計(jì)了一種“L”字型的連接板的機(jī)構(gòu)，為了保證良好的使用情況因此該板的材質(zhì)選擇使用不銹鋼該通過該連接板來實(shí)現(xiàn)電機(jī)和底盤的連接以及電機(jī)和車輪的連接并且用5個(gè)螺絲來完成組裝。下面是通過SOLDWORKS以及CAD軟件制作的該電機(jī)的三維圖和二維視圖以及L型連接板的三維和二維視圖和該種電機(jī)的實(shí)物圖。圖3.1 電機(jī)三維圖圖3.2 LGY_385電機(jī)實(shí)物圖圖3.3 電機(jī)二維圖圖3.4 L型連接板三維圖圖3.5 L型連接板二維圖3.2 主控系統(tǒng)選型與固定裝置設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)控制的簡單化，快速化，方便化并考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性等多重因素，我最后

31、決定使用的是STM32主控系統(tǒng)板。 因?yàn)镾TM32主控系統(tǒng)板上所有程序都被加工成一個(gè)個(gè)的模塊，包含了電源開關(guān)、紅外接口、復(fù)位按鍵、LED顯示、電位器、保險(xiǎn)絲等等多種部件，各個(gè)連接部位的連接口相對而言比較容易點(diǎn)，并且它的功能大多為自生所附帶的，運(yùn)行速度相比而言也很迅速，總體而言擁有功耗低，性能好，時(shí)效性強(qiáng)并且適合低壓操作等優(yōu)點(diǎn)同時(shí)還比較容易研發(fā)。關(guān)于它的參數(shù)如下表所示。表3-3 二STM32主控系統(tǒng)芯片參數(shù)內(nèi)核Cortex-M4 32-bit RISC特性單周期DSP指令工作頻率168MHz 210 DMIPS/1.25 DMIPS/MHz工作電壓1.8-3.6V封裝LQFP100存儲資源512

32、kB Flash 196kB SRAM對于該主控系統(tǒng)的安裝位置主要是安裝在底盤的中間靠前部分，并且安裝時(shí)必須要保證該主控系統(tǒng)板的周圍的四個(gè)安裝孔和底盤上的孔來實(shí)現(xiàn)中心對準(zhǔn)并且使用螺絲和墊片進(jìn)行組裝以便進(jìn)行連接而且安裝時(shí)要使得該板與底盤保持在同一個(gè)面上以防止機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)某些問題。主控板與底板之間用銅柱進(jìn)行支撐。下面是該系統(tǒng)板的三維圖和二維圖。圖3.6 主控板三維圖圖3.7 主控板實(shí)物圖圖3.8 主控板二維圖圖3.9 支撐主控板的銅柱3.3 電池選型與電池倉的設(shè)計(jì)由于這個(gè)系統(tǒng)要采用電池來提供持續(xù)的動力，如果選擇9伏的蓄電池來供給電機(jī)電力，把該電壓通過先降壓再穩(wěn)壓的方式供電給系統(tǒng)。雖然它驅(qū)動電

33、流的功能和穩(wěn)固輸出電壓能力很強(qiáng)，但是它的占用空間太大因而在使用時(shí)不太方便。如果選擇6個(gè)常用的1.5伏普通電池，盡管電壓可以高達(dá)9伏，但是這會使得在調(diào)式系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)比較大的麻煩，所占的空間也大所以也不可行。如果選擇能反復(fù)充電的鋰電池來供給直流電動機(jī)【15】動力，由于鋰電池本身電量較為充足，并且能夠重復(fù)的充電來使用，因而非常適合本次用于探險(xiǎn)比賽的機(jī)器人，經(jīng)過一系列鋰電池的比較最終確定的鋰電池為性價(jià)比較高的聚合物鋰電池（3串4AH），鋰電池組電壓為12伏。下面是它的一些相關(guān)的參數(shù)資料。表3.4 鋰電池相關(guān)參數(shù)標(biāo)稱電壓11.1V產(chǎn)品尺寸23*67*124mm額定電流8A電池凈重約424g過充保護(hù)電壓12

34、.6V容量10000mAh循環(huán)壽命700+次+工作溫度-20-60至于該電池的安裝機(jī)構(gòu)我選擇設(shè)計(jì)了一個(gè)體積較該鋰電池略大一些的電池倉來存放鋰電池，該電池倉的材質(zhì)為塑料因?yàn)樗芰系膬r(jià)格低且易獲得，并將電池倉放在機(jī)器人底盤的中間位置，電池倉底部通過兩個(gè)孔來與底盤上打好的兩個(gè)孔對準(zhǔn)從而形成完成連接，再通過電池倉承受電池的重量來讓電池完成對系統(tǒng)的持續(xù)供電。下圖為該鋰電池的三維圖與二維圖。圖3.10 鋰電池三維圖圖3.11 鋰電池實(shí)物圖圖3.12 電池倉三維圖3.4 電機(jī)驅(qū)動板選型與固定裝置設(shè)計(jì)考慮到只安裝電機(jī)無法直接完成系統(tǒng)對機(jī)器人的控制，因而本次設(shè)計(jì)選用了電機(jī)驅(qū)動板，通過一系列比較篩選確定了選用雙路直

35、流電機(jī)驅(qū)動模塊，它的優(yōu)點(diǎn)主要在于尺寸小，有欠壓保護(hù)系統(tǒng)，支持大部分的單片機(jī)驅(qū)動，自帶靜電泄放電路，使用光耦隔離控制信號，它所采用的是H橋L298N邏輯設(shè)計(jì)而成的，每路都支持控制使能、正反轉(zhuǎn)以及制動。下表是它的相關(guān)參數(shù)。表3.5 雙路直流電機(jī)驅(qū)動模塊參數(shù)輸入電壓范圍DC6.5V27V額定輸入電壓DC12V/24V輸出通道數(shù)2路每路額定輸出電流7A每路峰值輸出電流50A每路額定輸出功率84W控制信號電壓36.5V每路控制信號電流311mA工作溫度-2580至于該板的安裝位置考慮到由于之前的主控系統(tǒng)板占用了大部分中間靠前的位置因而將此板設(shè)計(jì)在底盤的中間靠后部分，通過四周的安裝孔完成和底盤的固定連接并

36、且使用螺栓和墊片來完成固定。驅(qū)動板與底板之間用銅柱進(jìn)行支撐。下面是該板的三維、實(shí)物和二維圖。圖3.13 驅(qū)動板三維圖圖3.14 驅(qū)動板實(shí)物圖圖3.15 驅(qū)動板二維圖圖3.16 支撐電機(jī)驅(qū)動板的銅柱3.5傳感器的選型與固定裝置設(shè)計(jì)考慮到要使得機(jī)器人完成循跡功能，考慮到本次比賽中會出現(xiàn)各種顏色的光線，一般的傳感器可能難以勝任此任務(wù)，所以經(jīng)過查閱相關(guān)的傳感器資料最后選擇了7路灰度傳感器以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的循跡功能。該種傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單靈敏度較高，抗干擾的能力比普通紅外傳感器強(qiáng)，一般的照明燈對它基本沒有影響，而且本次比賽中可能會出現(xiàn)攝像或者多種顏色的光線因而更確定了本傳感器的對于比賽的重要意義，它的

37、光源采用高亮白色聚光LED。下面介紹它的主要參數(shù)信息。供電電壓5V，探測距離在10-15mm，采用高精度3266電位器。至于它的安裝位置選擇固定在機(jī)器人尾部，考慮到本次比賽的路面會出現(xiàn)起伏不平的情況，因此在這里選擇在與底盤的連接處安裝一個(gè)彈性鋼片來完成傳感器的連接，并且通過螺栓和墊片完成固定操作。彈性鋼片厚度為0.1mm，材料為高彈性65Mn鋼。部件的三維圖和二維圖、實(shí)物圖如下所示。圖3.17 灰度傳感器三維圖圖3.18 灰度傳感器實(shí)物圖圖3.19 灰度傳感器二維圖圖3.20 彈性鋼片三維圖圖3.21 彈性鋼片二維圖3.6車輪的選型與固定車輪選擇使用常規(guī)的橡膠材料的車輪，因?yàn)樗姆阑阅茌^強(qiáng)且

38、材料易于獲得，價(jià)格非常便宜。并且考慮到本次比賽需要左右輪子的差速來完成轉(zhuǎn)向功能，對于車輪的安裝位置將其安放在機(jī)器人底盤的四個(gè)邊角上并且通過“L”型連接板完成電機(jī)和車輪的連接固定，車輪的參數(shù)如下所示：輪胎外徑70mm,內(nèi)徑51.8mm,寬度12mm。下面是輪子的三維、實(shí)物和二維圖。圖3.22 車輪的三維圖圖3.23 車輪的實(shí)物圖圖3.24 車輪的二維圖3.7觸碰開關(guān)的選型與固定由于本次探險(xiǎn)機(jī)器人比賽設(shè)置了門類似的障礙物，因此需要考慮在碰上障礙物后機(jī)器人會有相應(yīng)的動作，所以我選擇了在機(jī)器人的前端安裝一個(gè)觸碰開關(guān)來完成返程運(yùn)動，至于觸碰開關(guān)的選型經(jīng)過一系列比較確定了型號為YBLX-ME/8104的形

39、程開關(guān)。下面是這個(gè)開關(guān)的相關(guān)參數(shù)。表3.6 ME/8104行程開關(guān)參數(shù)信息電流5A操作形式可調(diào)滾子轉(zhuǎn)動臂觸點(diǎn)形式一開一閉耐受電壓6000Uimp電壓AC250v型號YBLX-ME/8104產(chǎn)品認(rèn)證3C認(rèn)證圖3.25 行程開關(guān)三維圖圖3.26 行程開關(guān)實(shí)物圖圖3.27 行程開關(guān)二維圖圖3.28 Z型連接板三維圖圖3.29 Z型連接板二維圖3.8機(jī)器人的總裝配圖本次通過底盤與“L”型板、電機(jī)驅(qū)動板、主控系統(tǒng)板、電池倉、彈性鋼片的安裝固定以及灰度傳感器與彈性鋼片的連接、“L”型板與電機(jī)、電機(jī)與車輪、鋰電池組與電池倉、各種螺栓與墊片的連接生成了如下所示機(jī)器人總體的裝配圖。本機(jī)器人通過對稱布置的形式保證

40、了整體的美觀性和運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。圖3.30 機(jī)器人總裝配圖第四章 總結(jié)與展望4.1 總結(jié)本篇文章通過對機(jī)器人各部分的選型和固定安裝設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人能夠在比賽中完成循跡、轉(zhuǎn)向等主要功能并能讓機(jī)器人在比賽中取得良好的成績。最初設(shè)計(jì)的時(shí)候由于對它一點(diǎn)都不熟悉，因而無從著手。后來請教了同學(xué)和導(dǎo)師，再通過上網(wǎng)查閱相關(guān)資料逐漸懂得了它的工作原理。4.2 展望這次機(jī)器人的設(shè)計(jì)不但能夠考察我們在書本上學(xué)到的知識，還能讓我對機(jī)器人的運(yùn)行機(jī)構(gòu)和相關(guān)原理有了深入的了解和體會，更能夠考驗(yàn)我們收集相關(guān)資料和自主學(xué)習(xí)的能力。通過這次設(shè)計(jì)，我對一些傳感器以及一些其他元件的工作原理有了一定的了解，第一，對于專業(yè)知識有了更加深入的了解，經(jīng)過對不熟悉的東西的查閱，并最后能掌握它且運(yùn)用于實(shí)際，這是個(gè)不斷成熟的過程。其次，作為一個(gè)設(shè)計(jì)者，在設(shè)計(jì)思路上一定要反復(fù)提高，不斷學(xué)習(xí)以應(yīng)對可能會出現(xiàn)的一個(gè)個(gè)問題，當(dāng)然最重要的是擁有一顆平常心來尋找答案，并最終解決難題?？偟膩碚f，本次設(shè)計(jì)探險(xiǎn)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)，不論在理論知識或是學(xué)習(xí)方法，我都能有新的認(rèn)識，感受頗多，因此在之后的學(xué)習(xí)和工作我一定要再接再厲，豐富拓展自己的理論知識，提高自我實(shí)踐能力。參考文獻(xiàn)1 賈姆希迪. 系統(tǒng)系工程原理和應(yīng)用M. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013. 2 賈姆希迪. 系統(tǒng)系工程原理和應(yīng)用M. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.232-261.3 Xu