獨(dú)輪機(jī)器人-機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

緒論獨(dú)輪機(jī)器人的研究意義隨著科學(xué)的進(jìn)步，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)得到了很大的發(fā)展，智能機(jī)器人已在軍事航天、醫(yī)療服務(wù)、資源勘探開發(fā)、緊急救援等方面有著廣泛的應(yīng)用。而且它現(xiàn)在也在逐步滲透到日常生活及教育娛樂(lè)等領(lǐng)域。與此同時(shí)，世界機(jī)器人市場(chǎng)也在逐步發(fā)展擴(kuò)大，2019年機(jī)器人市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，僅2019年上半年，我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)42.5億元，在全球機(jī)器人市場(chǎng)的占比接近30%，且市場(chǎng)規(guī)模還在不斷擴(kuò)大[1]。不難看出，機(jī)器人有著十分廣闊的發(fā)展前景。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)綜合的系統(tǒng)[2]，它通過(guò)感知周圍環(huán)境的變化，決定并規(guī)劃出機(jī)器人最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人的行為進(jìn)行控制并完成規(guī)定的動(dòng)作。它是機(jī)電一體化領(lǐng)域的優(yōu)秀成果之一，集中了多個(gè)學(xué)科的研究成果，也是國(guó)內(nèi)外最熱門的研究領(lǐng)域之一。移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用十分廣泛，涵蓋了海陸空，甚至是外太空。移動(dòng)機(jī)器人按移動(dòng)方式可分為輪式/履帶式移動(dòng)機(jī)器人、爬行移動(dòng)機(jī)器人、步行移動(dòng)機(jī)器人、蠕動(dòng)式機(jī)器人和游動(dòng)式機(jī)器人等。其中，輪式/履帶式移動(dòng)機(jī)器人較為常見(jiàn)。而輪式機(jī)器人因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制，成本低等特點(diǎn)而被廣泛的研究應(yīng)用。本課題研究的獨(dú)輪機(jī)器人是輪式機(jī)器人中比較特殊的一種，與其他的輪式機(jī)器人相比它的顯著結(jié)構(gòu)特征就是只有一個(gè)輪子，有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形小巧，可在較小的空間里運(yùn)動(dòng)，可零半徑回轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[3]，同時(shí)，獨(dú)輪機(jī)器人也是一個(gè)強(qiáng)耦合、多變量、非線性的復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。其靜態(tài)不平衡性和運(yùn)動(dòng)所需要解決的動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題，是控制理論和動(dòng)力學(xué)研究的一大挑戰(zhàn)，是一個(gè)非常好的研究模型[4]。此外，現(xiàn)如今作為代步工具的獨(dú)輪車也很受大眾喜歡，近幾年隨處可見(jiàn)它的身影。綜合來(lái)說(shuō)，無(wú)論是從理論意義還是實(shí)際實(shí)用價(jià)值角度，獨(dú)輪機(jī)器人都值得國(guó)內(nèi)外學(xué)者繼續(xù)深入的研究。獨(dú)輪機(jī)器人的研究發(fā)展與現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要就動(dòng)力學(xué)模型，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等三方面對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人進(jìn)行研究。國(guó)外起步較早，可追溯到二十世紀(jì)八十年代。而國(guó)內(nèi)起步較晚，但是研究也取得了很大的進(jìn)展?？v觀國(guó)內(nèi)外對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它們的外觀形狀各有各的特色。它們大致可分為：水平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人、橄欖球型結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人、輪球型獨(dú)輪機(jī)器人、垂直轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人、鼓風(fēng)機(jī)獨(dú)輪機(jī)器人等。水平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人水平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人是指在機(jī)器人頂部有水平轉(zhuǎn)子且該水平轉(zhuǎn)子與地面平行的獨(dú)輪機(jī)器人。它是通過(guò)控制水平轉(zhuǎn)子的加速轉(zhuǎn)動(dòng)以抵消獨(dú)輪機(jī)器人偏轉(zhuǎn)的力，進(jìn)而保持獨(dú)輪機(jī)器人的平衡。該類型的機(jī)器人具有仿生性，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)。但是由于它的姿態(tài)檢測(cè)較為困難，耦合效應(yīng)強(qiáng)，進(jìn)而加大了姿態(tài)平衡控制的難度。1986年世界第一臺(tái)獨(dú)輪機(jī)器人就是由美國(guó)斯坦福大學(xué)的Schoonwinkel研制的，它就是水平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪機(jī)器人[5]，如圖1.1所示。由圖可看出，該獨(dú)輪機(jī)器人主要由車架，車輪和水平轉(zhuǎn)子三部分構(gòu)成。它的外形與人類騎獨(dú)輪車相似，水平轉(zhuǎn)子就像我們的腰部通過(guò)左右轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)保持平衡，而車輪利用電機(jī)控制前后轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制平衡。圖1.1Schoolwinkel的獨(dú)輪機(jī)器人在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，采用了線性LQR（linearquadraticregulator）方法來(lái)控制前后方向的平衡。該方法忽略了系統(tǒng)狀態(tài)的耦合，其控制器的來(lái)魯棒性還有待提高。在1993年左右日本電子通信大學(xué)的ZaiquanSheng等人研制了一種新型的水平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪機(jī)器人[6][7]，如圖1.2所示，他們分析了人騎獨(dú)輪車時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)騎手的軀干、大腿和小腿形成了兩個(gè)閉環(huán)，這種特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)獨(dú)輪車的穩(wěn)定性起著重要的作用?；谶@一想法，他們開發(fā)了一個(gè)新的模型，有兩個(gè)閉環(huán)機(jī)構(gòu)和一個(gè)轉(zhuǎn)盤，使機(jī)器人能夠模仿人類騎獨(dú)輪車。該模型能較好地模擬人騎獨(dú)輪車的縱向和橫向穩(wěn)定性。但該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，兩個(gè)閉環(huán)需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)，增大了控制的難度。圖1.2日本東京大學(xué)的獨(dú)輪機(jī)器人在國(guó)內(nèi)研究中，也有關(guān)于水平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人的研究，2009年北京郵電大學(xué)的郭磊博士的論文就涉及到了獨(dú)輪機(jī)器人[8]，如圖1.3所示。該結(jié)構(gòu)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)1來(lái)控制水平轉(zhuǎn)子進(jìn)而達(dá)到調(diào)整車體航向的目的，車體的配重控制是利用步進(jìn)電機(jī)2和步進(jìn)電機(jī)3來(lái)調(diào)節(jié)的，通過(guò)控制車體配重位置的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)側(cè)向角度的調(diào)整，而步進(jìn)電機(jī)4和步進(jìn)電機(jī)5是用來(lái)控制車輪運(yùn)動(dòng)的，利用車輪的運(yùn)動(dòng)來(lái)保持俯仰平衡，也可控制車輪前進(jìn)的速度。郭磊博士認(rèn)為機(jī)器人的質(zhì)心位置可以通過(guò)移動(dòng)配重來(lái)改變，這樣機(jī)器人的傾倒力矩就可以被重力抵消。目前，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只有數(shù)值仿真控制的驗(yàn)證，沒(méi)有實(shí)際物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的支持。圖1.3北京郵電大學(xué)的獨(dú)輪機(jī)器人橄欖球型結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，日本筑波大學(xué)的智能機(jī)器人團(tuán)隊(duì)就致力于自平衡機(jī)器人的研究，并將其家族命名為“Yamabico”。在1997年時(shí)，該團(tuán)隊(duì)研制出了一種新型結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪機(jī)器人，該獨(dú)輪機(jī)器人的輪子形狀類似于橄欖球，所以也稱“橄欖球型獨(dú)輪機(jī)器人”[9]。如圖1.4。a)獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)b）機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)圖1.4橄欖球型結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人研究者認(rèn)為一個(gè)大曲率輪子更容易與地面接觸，從而使機(jī)器人保持側(cè)向平衡的范圍更大。該機(jī)器人分為上下兩個(gè)部分，利用上半部分的擺動(dòng)來(lái)改變重心的位置，進(jìn)而使得機(jī)器人不僅能穩(wěn)定姿態(tài)，更能進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。該獨(dú)輪機(jī)器人的橄欖球形狀的車輪不僅使得橫滾調(diào)節(jié)的范圍變大了，更是大大降低了側(cè)向平衡的控制難度。并且該機(jī)器人還實(shí)驗(yàn)證明了其能在保持平衡的前提下，按照所需的速度移動(dòng)。輪球型結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人在2006年，美國(guó)卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)的T.B.Lauwers等人在橄欖球型獨(dú)輪機(jī)器人的基礎(chǔ)上改進(jìn)了輪子的形狀，研制出來(lái)一種輪球型結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪機(jī)器人——Ballbot[10],如圖1.5所示。這個(gè)模仿人的身高，體重和寬度的機(jī)器人有著高重心，并且可以在單個(gè)球型輪上動(dòng)態(tài)平衡。該機(jī)器人底部采用逆向鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，三個(gè)鋁制通道通過(guò)圓形甲板固定在一起，構(gòu)成了Ballbot身體的結(jié)構(gòu)。三個(gè)可伸縮的著陸腿連接到通道的下三分之一，在展開時(shí)，這些組件可使Ballbot斷電后保持站立狀態(tài)。如圖1.5(b)所示。獨(dú)輪機(jī)器人的俯仰平衡、側(cè)向平衡和航向控制均可通過(guò)電機(jī)控制“輪球”來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是該機(jī)器人的平衡性和敏捷性還有待提高，其過(guò)度簡(jiǎn)化的摩擦模型也使得控制器性能不佳。a)輪球型獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)b）逆向鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)機(jī)制圖1.5Ballbot的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前國(guó)內(nèi)也有高校在研究這種輪球型獨(dú)輪機(jī)器人，例如北京交通大學(xué)的王志群設(shè)計(jì)的站球機(jī)器人[11]（圖1.6）、江西理工大學(xué)的劉龍細(xì)等人設(shè)計(jì)的單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人[12]（圖1.7）等。圖1.6站球機(jī)器人圖1.7單球機(jī)器人垂直轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人在本體結(jié)構(gòu)頂部有一個(gè)與地面垂直的飛輪的獨(dú)輪機(jī)器人就是垂直轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人。該結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪機(jī)器人是利用垂直轉(zhuǎn)子沿傾倒的反方向加速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，進(jìn)而抵消傾倒力矩達(dá)到側(cè)向平衡美國(guó)加州大學(xué)圣地哥亞大學(xué)的RaymonddeCallafon等人在2007年基于倒立擺原理設(shè)計(jì)了一款獨(dú)輪機(jī)器人——Unibot。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與水平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)獨(dú)輪機(jī)器人相似，只是將水平轉(zhuǎn)子改為垂直轉(zhuǎn)子。由圖1.8可以看出，unibot簡(jiǎn)化模型是由前進(jìn)車輪、車架和垂直轉(zhuǎn)子構(gòu)成的。該結(jié)構(gòu)的前后左右平衡是利用車輪和垂直轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制的，車輪前后轉(zhuǎn)動(dòng)以保持俯仰平衡，而垂直轉(zhuǎn)子控制側(cè)向平衡。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)之一就是沒(méi)有設(shè)計(jì)航向控制機(jī)構(gòu)。圖1.8Unibot的實(shí)物及模型Unibot的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較之前有了很大的改進(jìn)，且控制相對(duì)簡(jiǎn)單，因此不少國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，例如日本村田公司2008年推出的名為“村田婉童”[13]的騎獨(dú)輪車的機(jī)器人，如圖1.9所示，村田婉童背后裝有兩個(gè)陀螺儀傳感器，利用陀螺儀判斷身體偏移狀況，并通過(guò)胸部的垂直轉(zhuǎn)子來(lái)消除側(cè)向的傾斜力，以及通過(guò)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制前后方向的平衡。該結(jié)構(gòu)忽略了俯仰和側(cè)向的動(dòng)力學(xué)耦合影響。圖1.9村田婉童近年來(lái)，我國(guó)不少高校都對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人有所研究，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的機(jī)器人研究院的熊梅等人在2010年，建立了五自由度的獨(dú)輪機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型[14]，如圖1.10a）所示，通過(guò)簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型和采用變?cè)鲆婵刂品椒紤]了各個(gè)姿態(tài)間的耦合效應(yīng)，并對(duì)姿態(tài)控制器進(jìn)行仿真，證實(shí)了控制算法的可行性。為解決五自由度獨(dú)輪機(jī)器人不能改變航向的問(wèn)題，白占欣等人在2011年設(shè)計(jì)了六自由度的獨(dú)輪機(jī)器人[15]，如圖1.10b）所示，在五自由度獨(dú)輪機(jī)器人的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向裝置，還設(shè)計(jì)了時(shí)變?cè)鲆婵刂扑惴?，并仿真?yàn)證了該控制算法的可行性。圖1.10a）熊梅的五自由度獨(dú)輪機(jī)器人圖1.10b）白占欣的六自由度獨(dú)輪機(jī)器人本課題要解決的主要問(wèn)題本課題的主要目的是設(shè)計(jì)一種小巧玲瓏，外形美觀的獨(dú)輪機(jī)器人，縱觀獨(dú)輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)的研究史發(fā)現(xiàn)，目前獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)都偏大型，因而想設(shè)計(jì)一個(gè)小型的獨(dú)輪機(jī)器人。具體內(nèi)容如下：獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，它關(guān)系著控制的難度。在Pro/E中詳細(xì)的設(shè)計(jì)出各個(gè)零件的三維模型，并組裝加工出機(jī)械實(shí)體；獨(dú)輪機(jī)器人的功能仿真對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行有限元分析，確定其可靠性。

獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選擇機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求從緒論我們可以看出，國(guó)內(nèi)外的研究者提出了多種多樣的獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并裝配出實(shí)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。但是，迄今為止大多數(shù)獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都較為大型，機(jī)器人的總質(zhì)量和體積都很大，容易造成材料浪費(fèi)。獨(dú)輪機(jī)器人的主體機(jī)構(gòu)對(duì)其控制系統(tǒng)有重大影響。機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，不僅保證了姿勢(shì)的穩(wěn)定性，而且大大降低了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，縮短了研究時(shí)間，節(jié)省了研究成本。簡(jiǎn)而言之，獨(dú)輪機(jī)器人的設(shè)計(jì)須遵循以下原則：機(jī)械結(jié)構(gòu)盡可能對(duì)稱，機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)心盡可能居中且最大限度的接近地面；對(duì)電源、電路板等元器件進(jìn)行合理的擺放，盡可能的保持質(zhì)心位置；為改善機(jī)器人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，除需要提供轉(zhuǎn)矩的車輪和垂直轉(zhuǎn)子外，應(yīng)盡量減少其余零件的慣性；保證功能不受影響耳朵情況下，盡量減小結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和體積，以減少能量不必要的消耗，有助于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和平衡；為方便裝配、調(diào)試和維修，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要盡可能模塊化；材料的強(qiáng)度和剛度決定了機(jī)器人的壽命，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要選擇好零部件的材料。不同的加工方式材料的性能也不太一樣。設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮各零部件的配合問(wèn)題，減少返工帶來(lái)的時(shí)間浪費(fèi)。獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)輪機(jī)器人的俯仰平衡是靠車輪的前后加速轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而側(cè)向平衡則是垂直轉(zhuǎn)子來(lái)控制的。所以獨(dú)輪機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)便是車輪和垂直轉(zhuǎn)子。為此，我們利用Pro/E設(shè)計(jì)出獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。其概念圖如圖2.1所示。圖2.1獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念圖獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有以下三個(gè)部分：垂直轉(zhuǎn)子部分：置于獨(dú)輪機(jī)器人中部偏上，與電機(jī)轉(zhuǎn)軸直接相連，用于控制獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)向平衡；車輪部分：位于獨(dú)輪機(jī)器人下端，與電機(jī)通過(guò)齒輪連接，用于獨(dú)輪機(jī)器人俯仰平衡的控制；車體部分：是獨(dú)輪機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)，用于固定電路板和電池盒，并連接車輪和垂直轉(zhuǎn)子。另外，為方便控制，獨(dú)輪機(jī)器人的本體不宜太重，所以我們使用的是市面上比較常用且質(zhì)量較輕的亞克力板來(lái)做車體部分的結(jié)構(gòu)。獨(dú)輪機(jī)器人的實(shí)物圖如圖2.2所示，獨(dú)輪機(jī)器人的外殼和頭部是用3mm厚的亞克力板制作，考慮到強(qiáng)度問(wèn)題，輪架和中間的板都是用5mm厚的亞克力板。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸如表2.1所示：表2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)名稱參數(shù)值機(jī)器人整體（長(zhǎng)*寬*高）96mm*96mm*170mm車輪半徑R121mm（軸徑3mm）垂直轉(zhuǎn)子半徑R229mm獨(dú)輪機(jī)器人平衡的控制難易的條件之一就是質(zhì)量是否合理分布。質(zhì)量的合理分布能大大降低控制的難度。表2.2是各結(jié)構(gòu)部件的質(zhì)量數(shù)據(jù)。清楚各結(jié)構(gòu)部件的質(zhì)量才能更好的安排結(jié)構(gòu)布局。表2.2各結(jié)構(gòu)部件的質(zhì)量結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量垂直轉(zhuǎn)子的質(zhì)量50g車輪的質(zhì)量4g電機(jī)的質(zhì)量20g電池的質(zhì)量94g車架的質(zhì)量350g幾種側(cè)平衡方式對(duì)比目前，獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)平衡方式主要有，球輪式、陀螺進(jìn)動(dòng)力式、局部重心改變式、空起反作用力式和慣性飛輪式等。每種方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，下面就結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、耗能、對(duì)稱性等方面對(duì)上述側(cè)平衡方式進(jìn)行比較。幾種側(cè)平衡方式的比較分析如表2.3所示：表2.3幾種側(cè)平衡方式的比較分析指標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度耗能結(jié)構(gòu)對(duì)稱性一定傾角站立球輪最大一般是能陀螺進(jìn)動(dòng)力較大最多否能局部重心改變大一般否不能空氣反作用力較大較多是不能慣性飛輪最小最少是能通過(guò)以上五種側(cè)平衡方式對(duì)比可以看出，慣性飛輪側(cè)平衡方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度最小，且耗能最少。因此，我們的側(cè)平衡方式選用慣性飛輪。電機(jī)的選擇獨(dú)輪機(jī)器人分別需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪和垂直轉(zhuǎn)子來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的俯仰和側(cè)向平衡。目前市面上所常用的電機(jī)有：步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、直流電機(jī)、直流減速電機(jī)等。由于機(jī)器人大小以及總重量的限制，這里我們就主要考慮的電機(jī)是：步進(jìn)電機(jī)和直流減速電機(jī)。下面就兩種電機(jī)的性能進(jìn)行分析，并選擇合適的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件[16]。步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)的。每給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，不同的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角不同，可根據(jù)需要選擇。步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)定位就是通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而脈沖頻率控制著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的?？焖賳⑼Ｒ彩遣竭M(jìn)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)也很明顯：（1）步進(jìn)電機(jī)的餓輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，轉(zhuǎn)矩越??；（2）堵轉(zhuǎn)或丟步現(xiàn)象，啟動(dòng)頻率大于空載啟動(dòng)頻率時(shí)容易發(fā)生；（3）在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)停止，由于系統(tǒng)慣性問(wèn)題容易出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象；（4）步進(jìn)電機(jī)體積和質(zhì)量較大。如圖2.2所示。圖2.2步進(jìn)電機(jī)直流減速電機(jī)直流減速電機(jī)由直流電機(jī)和齒輪減速器組成，如圖2.3所示。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速快，轉(zhuǎn)矩小。而加上齒輪減速器可以大大提高轉(zhuǎn)矩，且電機(jī)減速比可以通過(guò)不同的齒輪減速器組合來(lái)控制。因其可控的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使得直流減速電機(jī)在工業(yè)上的使用更為廣泛。直流減速電機(jī)不僅在調(diào)速方面運(yùn)行平穩(wěn)，而且調(diào)速范圍也很廣泛，具有良好的啟停特性。并且與步進(jìn)電機(jī)相比它很小巧，轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，并且價(jià)格也合適。圖2.3直流減速電機(jī)對(duì)于本課題來(lái)講，獨(dú)輪機(jī)器人的最高移動(dòng)速度為1.5米/秒，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高達(dá)682轉(zhuǎn)/分鐘。而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般為500轉(zhuǎn)/分鐘，再快就容易堵轉(zhuǎn)，并且該獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為小巧，而步進(jìn)電機(jī)一般體積都比較大，與設(shè)計(jì)要求不符。如果用直流減速電機(jī)，我們可以選擇不同的減速比以達(dá)到我們需要的轉(zhuǎn)速和扭矩。所以這里我們選直流減速電機(jī)。下面對(duì)直流減速電機(jī)的型號(hào)，獨(dú)輪機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)需要克服重力和摩擦力兩種阻力。但若機(jī)器人只在平面上運(yùn)動(dòng)的話，就只要克服摩擦力。不同地面輪子的滾動(dòng)阻力系數(shù)如表2.4。表2.4不同路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)路面土質(zhì)滾動(dòng)阻力系數(shù)泥炭土0.25壓實(shí)粘土路面0.03壓實(shí)黑土路面0.05瀝青路面0.02獨(dú)輪機(jī)器人整機(jī)的重量在700克左右，地面摩擦系數(shù)按氣胎輪與壓實(shí)粘土路面取0.03，則獨(dú)輪機(jī)器人所需要的功率為：P總=f*v=0.7車輪直徑為42mm，則電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為：M=Pω=Prv經(jīng)計(jì)算，這里我們選用型號(hào)為GA12-N20-10的直流減速電機(jī)，它的轉(zhuǎn)矩有6mN·m，轉(zhuǎn)速達(dá)1000轉(zhuǎn)，并且它十分小巧，十分符合我們的要求。電機(jī)的尺寸如圖2.4所示。圖2.4N20電機(jī)尺寸前進(jìn)車輪的設(shè)計(jì)獨(dú)輪機(jī)器人的一個(gè)研究難點(diǎn)就是前進(jìn)車輪的優(yōu)化。獨(dú)輪機(jī)器人是通過(guò)前進(jìn)車輪的前后滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)俯仰方向的平衡的。前進(jìn)車輪的設(shè)計(jì)要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單且質(zhì)心盡量居中，加工裝配都想簡(jiǎn)單，拆卸維修要方便。目前前進(jìn)車輪的設(shè)計(jì)有以下幾種：電機(jī)直連式顧名思義，電機(jī)直連式前進(jìn)輪設(shè)計(jì)就是將車輪直接連到電機(jī)上。這樣連接的一個(gè)好處就是沒(méi)有能量浪費(fèi)，并且結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單。對(duì)于大型的獨(dú)輪機(jī)器人來(lái)說(shuō)這種結(jié)構(gòu)確實(shí)可行。但是對(duì)于結(jié)構(gòu)小巧型的獨(dú)輪機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這樣的連接方式太占用空間，并且會(huì)大大減少獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)向偏倒的角度。就如北京工業(yè)大學(xué)的王啟源博士設(shè)計(jì)的獨(dú)輪機(jī)器人[17]，就是這種連接方式。如圖2.5所示。圖2.5王啟源的獨(dú)輪機(jī)器人車轂電機(jī)式2013年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的胡攀輝[18]設(shè)計(jì)的獨(dú)輪機(jī)器人采用的就是車轂電機(jī)式前進(jìn)車輪。該車輪直接采用了改進(jìn)版的電動(dòng)車專用的小型永磁無(wú)刷直流有齒高速車轂電機(jī)來(lái)作為車輪。車轂電機(jī)是將電機(jī)、減速系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)集成在一起的設(shè)備，它的形狀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且對(duì)稱，控制也方便。但缺點(diǎn)是，材料都需要專門定制，制作周期長(zhǎng)，且費(fèi)用也高。如圖2.6所示。圖2.6胡攀輝的車轂電機(jī)式前進(jìn)車輪齒輪內(nèi)嚙合式2014年桂林電子科技大學(xué)的黃渭[19]以電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)輪為設(shè)計(jì)原型，將薄餅電機(jī)與車架固定連接，車轂齒輪和電機(jī)齒輪嚙合形成傳動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且還加裝了采集車輪速度的編碼器。該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率也高。該結(jié)構(gòu)的形狀結(jié)構(gòu)需要專門定制車輪，制造成本較高。如圖2.7所示圖2.7黃渭的前進(jìn)車輪設(shè)計(jì)齒輪外嚙合式2016年杭州電子科技大學(xué)的王平的獨(dú)輪機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種新型的前進(jìn)車輪[20]，他設(shè)計(jì)了一個(gè)齒輪-輪胎一體的前進(jìn)車輪，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪連接來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪。該設(shè)計(jì)是用亞克力板定制而成的，用料簡(jiǎn)單，成本較低，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。如圖2.8所示.圖2.8王平的前進(jìn)車輪設(shè)計(jì)上述四種方案均可實(shí)現(xiàn)控制要求，但方案一電機(jī)直連式在車輪較小的情況下，電機(jī)長(zhǎng)度直接影響了獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)向偏倒的角度，故而不考慮。方案二與方案三，雖結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡(jiǎn)單，但所有零件都需要專門定制，制作周期長(zhǎng)，且成本較高。方案四，相對(duì)于前面三種方案，該方案設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)性比較大，可將結(jié)構(gòu)做得很小巧，且亞克力板的定制相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格便宜，定制周期不長(zhǎng)。齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率也高。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了與方案四類似的結(jié)構(gòu)。本著盡量降低成本的原則，我們盡量采用了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零件。我們的設(shè)計(jì)的前進(jìn)車輪，如圖2.9，是將齒輪和車輪固定在軸上，在軸的兩端用軸承與車架連接，該設(shè)計(jì)所有零件都是市面上可以直接買到的，不需要專門定制，節(jié)約了成本，也減少了時(shí)間的浪費(fèi)。圖2.9前進(jìn)車輪的設(shè)計(jì)本章小結(jié)在本章中，我們計(jì)算和討論了獨(dú)輪機(jī)器人的各種重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，盡量避免設(shè)計(jì)上出現(xiàn)低級(jí)的錯(cuò)誤，與此同時(shí)，還需要使結(jié)構(gòu)質(zhì)量合理的分布。其次，選擇合適的側(cè)向平衡方式，考慮到我們的能力水平，選擇了復(fù)雜度較小的慣性飛輪設(shè)計(jì)。然后，我們通過(guò)計(jì)算確定需要的電機(jī)數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算得的數(shù)據(jù)選擇合適電機(jī)。最后，對(duì)比了幾種前進(jìn)車輪傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)，在前輩們?cè)O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了更為經(jīng)濟(jì)的前進(jìn)車輪。

獨(dú)輪機(jī)器人各個(gè)模塊建模建模環(huán)境搭建Soildworks介紹Solidworks是美國(guó)SolidWorks公司1995年開發(fā)的一款三維CAD產(chǎn)品。并在1997年被法國(guó)Dassault公司收購(gòu)。SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案得益于SolidWorks的三大特征：易學(xué)易用、功能強(qiáng)大和技術(shù)創(chuàng)新[21]。SolidWorks通過(guò)提供不同的設(shè)計(jì)方案來(lái)減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤，進(jìn)而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。SolidWorks軟件操作簡(jiǎn)單，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)更容易上手。對(duì)于需要快速學(xué)會(huì)使用三維軟件建模的人來(lái)說(shuō)，是個(gè)不錯(cuò)的選擇。SolidWorks的特點(diǎn)：（1）基于Windows操作系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單快捷；（2）操作界面簡(jiǎn)潔輕便，易于上手；（3）可以多種數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出；（4）不同于其他軟件的特征管理器方便管理CAD文件；（5）模塊眾多，以滿足不同用戶的要求等。Pro/E的介紹Pro/E是美國(guó)PTC公司于1988年研制的一款集CAD/CAM/CAE為一體的三維軟件。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，Pro/E在今日儼然成為三維CAD系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，廣泛應(yīng)用于3C產(chǎn)品、汽車電子、通信、機(jī)械、航天、家電等各行業(yè)[22]。在機(jī)械工程實(shí)際的設(shè)計(jì)仿真過(guò)程中，Pro/E完全可以滿足客戶的需求。Pro/E幾乎是一個(gè)全方位的軟件，有零件設(shè)計(jì)、零件裝配、工程圖制作、動(dòng)畫制作、有限元分析、逆向工程設(shè)計(jì)等多種功能。Pro/E的特點(diǎn)：（1）基于特征建模，可以用草圖勾畫零件的大概形狀，再統(tǒng)一修改成需要的尺寸，避免了修改尺寸過(guò)程中草圖變形的情況；（2）單一數(shù)據(jù)庫(kù)，即在工程中所有數(shù)據(jù)都來(lái)自一個(gè)庫(kù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，任一部門對(duì)產(chǎn)品的修改都會(huì)體現(xiàn)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)所有相關(guān)的環(huán)節(jié)上；（3）數(shù)據(jù)管理，允許多個(gè)設(shè)計(jì)師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行研制開發(fā)，大大提高了效率；（4）裝配管理，簡(jiǎn)單直觀的命令，是裝配更加簡(jiǎn)單；（5）全相關(guān)性，即在開發(fā)過(guò)程中，某一處的修改會(huì)擴(kuò)展的整個(gè)設(shè)計(jì)修改。通過(guò)以上兩種軟件解決方案的介紹，Pro/E的操作更為人性化，且功能也更加強(qiáng)大。并且考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中可能會(huì)經(jīng)常修改尺寸或是結(jié)構(gòu)，為避免出現(xiàn)二維圖和三維圖尺寸不一，因此選擇具有全相關(guān)性的Pro/E更為合適。綜上，本課題的研究中使用Pro/E三維建模軟件以實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪機(jī)器人的三維造型。輪架的設(shè)計(jì)輪架我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)方案：方案一：如圖3.1所示，采用折彎件，直板型結(jié)構(gòu)，上部分與底板螺栓連接，接觸面積大。目前亞克力板折彎技術(shù)也很成熟。圖3.1方案一的輪架方案二：如圖3.2所示，該輪架采用V字形結(jié)構(gòu)，與底板利用凹凸槽連接，角鐵固定。圖3.2方案二的輪架上述兩種方案均可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，但是由于兩個(gè)輪架之間還需要有放置電機(jī)的寬度，采用方案一的話，兩個(gè)輪架間的距離會(huì)比較遠(yuǎn)，這樣底部的軸就會(huì)很長(zhǎng)，看起來(lái)極不協(xié)調(diào)，并且輪架與底板的接觸只有一個(gè)面，機(jī)器人的重力壓上去容易使底板變形。方案二的結(jié)構(gòu)呈V字形，就很好的把力分掉了，并且使用角鐵固定，也是結(jié)構(gòu)更加牢固，不易變形。因此，綜合考慮我們選擇了方案二。底板的設(shè)計(jì)底板的設(shè)計(jì)采用90mm*90mm的正方形，厚度為5mm的亞克力板，四周各有一個(gè)3mm的固定孔，方便與中板的連接固定。經(jīng)計(jì)算，在底板相應(yīng)的位置上打出輪架固定孔和角鐵固定孔。由于前進(jìn)車輪的控制電機(jī)是放在底板底部，所以在合適的位置打了電機(jī)座的固定孔。這些孔都盡量對(duì)稱分布，在降低底板質(zhì)量的同時(shí)也保證了底板的可靠性。該底板四邊都設(shè)有與側(cè)板厚度相同的凹凸拼槽，方便與側(cè)板的拼裝，具有良好的銜接性，易于安裝。如圖3.3所示，由于底板上的孔比較多，所以在第四章還對(duì)底板進(jìn)行了有限元分析，確保底板的強(qiáng)度符合要求。圖3.3底板的設(shè)計(jì)中板的設(shè)計(jì)中板的外形與底板相似，中板主要是放置垂直轉(zhuǎn)子、電機(jī)和電池的，故孔相對(duì)于底板來(lái)說(shuō)少了很多。垂直轉(zhuǎn)子的直徑是58mm，厚度是8mm。為放置垂直轉(zhuǎn)子，我們?cè)谥邪迩斑呴_了個(gè)60mm*20mm的槽。中部10mm*10mm的槽是電線槽，電機(jī)和電池線可通過(guò)槽與底板上的控制板連接，這樣電線的排布會(huì)更整潔一些。四周的固定孔與電機(jī)孔都是直徑3mm的孔，而電機(jī)座的孔是2mm。中板沒(méi)有設(shè)置凹凸拼槽，因其是在中部，可開可不開，開了對(duì)側(cè)板的精度要求就更高了些。為簡(jiǎn)化拼裝，故設(shè)置凹凸拼槽。中板的具體設(shè)計(jì)如圖3.4所示。圖3.4中板的設(shè)計(jì)上板的設(shè)計(jì)獨(dú)輪機(jī)器人的身體部分設(shè)計(jì)的是長(zhǎng)方體型，所以上板的設(shè)計(jì)與中板相似。由于垂直轉(zhuǎn)子的直徑較大，有一部分頂?shù)缴习辶?，所以上板也開了個(gè)槽。上板與頭部的連接我們使用的是拼插式，所以上板按照頭部尺寸開了很多凹槽。頭部有OLED顯示屏，于是在中部我們也開了電線槽。為了方便側(cè)板的拼裝，上板四周也有凹凸拼槽。具體設(shè)計(jì)如圖3.5所示。圖3.5上板的設(shè)計(jì)側(cè)板的設(shè)計(jì)側(cè)板的設(shè)計(jì)只是為了獨(dú)輪機(jī)器人外觀更好看，外觀酷似拼圖。除了前板為了顯示垂直轉(zhuǎn)子而開了個(gè)大孔之外，其他的設(shè)計(jì)都一樣。四周都有凹凸拼槽連接上板和底板。采用的是一體化設(shè)計(jì)，沒(méi)有多余的邊凸出，外觀更加精美。如圖3.6所示圖3.6a）側(cè)板的設(shè)計(jì)圖3.6b）前側(cè)板的設(shè)計(jì)圖3.6c）側(cè)板組裝圖頭部的設(shè)計(jì)頭前板的設(shè)計(jì)是根據(jù)0.96寸的OLED顯示屏的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)，中間開了個(gè)剛好放下OLED顯示屏的槽，四周是直徑2mm的固定孔。同樣也是拼圖造型設(shè)計(jì)。如圖3.7所示圖3.7a）頭前板和OLED顯示屏圖3.7b）頭前板的設(shè)計(jì)頭部是正方體型的設(shè)計(jì)，所以頭側(cè)板和頭上板都是按照頭前板的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)，它們的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單些，只需要切割就行，不用打孔。它們的尺寸都是41mm*41mm。底部凸槽的高度與上板的厚度一致。如圖3.8和圖3.9所示。圖3.8頭側(cè)板的設(shè)計(jì)圖3.9頭上板的設(shè)計(jì)獨(dú)輪機(jī)器人的外觀設(shè)計(jì)如圖3.10所示為獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)總裝圖，清晰的大圖詳見(jiàn)附錄。底板上的電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)控制車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持前后平衡。中板的電機(jī)直連控制垂直轉(zhuǎn)子的加速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以抵消獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)偏的力，進(jìn)而保持側(cè)向平衡。頭部裝有OLED顯示屏，可以顯示我們想要的數(shù)據(jù)或是動(dòng)畫。圖3.11是獨(dú)輪機(jī)器人的實(shí)物圖。圖3.10獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)總裝圖圖3.11獨(dú)輪機(jī)器人實(shí)物圖本章小結(jié)本章是關(guān)于獨(dú)輪機(jī)器人的各零部件的設(shè)計(jì)。先是SolidWorks和Pro/E這兩個(gè)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行比較，最后選擇了Pro/E作為本課題的三維設(shè)計(jì)軟件。本章介紹了用Pro/E繪制的各零件的外形尺寸和總裝圖。并根據(jù)三維圖定制和采購(gòu)所需的材料，組裝出獨(dú)輪機(jī)器人。

有限元分析有限元分析（FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis）是利用有限元法對(duì)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的物理系統(tǒng)進(jìn)行分析。有限元法是對(duì)物理模型進(jìn)行離散，劃分為一定數(shù)量的網(wǎng)格，網(wǎng)格又稱單元（列不出方程也可以離散，且網(wǎng)格可以是不規(guī)則的），再針對(duì)每個(gè)單元選擇插值函數(shù)，單元尺寸越小，有限元解就越接近于實(shí)際解。有限元方法簡(jiǎn)介用微分方程和相應(yīng)的邊界條件就可以表示工程上絕大部分的問(wèn)題。而由微分方程和邊界條件組成的定解問(wèn)題稱為微分方程邊值問(wèn)題[23]。簡(jiǎn)單的邊值問(wèn)題可以使用解析法求得精確解。然而大部分邊值問(wèn)題都不是很容易求解，因?yàn)槲矬w的載荷、材料尺寸和幾何外觀大多是不規(guī)則的，這種情況一般只能用數(shù)值法來(lái)求解。常用的數(shù)值法有：差分法、變分法和有限元法。有限元法就是將復(fù)雜的物理模型劃分為一個(gè)個(gè)小單元，并在小單元里找到滿足邊界條件的試探函數(shù)，通過(guò)將這些試探函數(shù)整合就可得到整個(gè)求解域的方法。有限元法又稱基于變分原理的差分方法。它采用了差分方法的離散思想，但是又與差分法不同，它是對(duì)物理模型離散，所以即使微分方程列不出也可以離散。而離散后的小單元形狀簡(jiǎn)單，易于找到滿足邊界條件的試探函數(shù)，且運(yùn)算相對(duì)于變分法要簡(jiǎn)單的多。并且有限元法可以通過(guò)控制離散后單元的大小來(lái)控制計(jì)算精度，使其更接近實(shí)際的精確解。獨(dú)輪機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，底板起著支撐的作用，因此它的強(qiáng)度和剛度直接影響了獨(dú)輪機(jī)器人的使用壽命和承載能力。因?yàn)榈装宄惺芰舜蟛糠值牧?，因此?duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定其強(qiáng)度和剛度是否符合要求，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的可靠性。有限元分析的流程有限元分析一般有三個(gè)階段：（1）預(yù)處理模型建立：將實(shí)體模型導(dǎo)入SolidWorks；選擇分析類型、材料加載、約束和載荷；網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格越細(xì)，精度越高，但計(jì)算時(shí)間會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)。因此，我們必須選擇合理的網(wǎng)格密度。（2）求解：計(jì)算所求的結(jié)果，若求解失敗則需要對(duì)約束載荷進(jìn)行調(diào)整。（3）后處理：檢測(cè)分析結(jié)果的正確性?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，SolidWorks的有限元分析的主要步驟就是模型建立，載荷加載和結(jié)果分析等。其中，有限元分析的流程如下圖4.1所示。圖4.1有限元分析流程需要注意的是，simulation的單位是可以自行設(shè)置的。在設(shè)置載荷的時(shí)候需要注意單位是否一致，以免計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)。底板的有限元分析獨(dú)輪機(jī)器人的底板是主要的承重部件，因此需要保證該結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。所以這里我們對(duì)底板進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，以確保底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。模型建立：導(dǎo)入底板模型。選擇靜應(yīng)力分析，選擇底板材料，設(shè)定約束和載荷獨(dú)輪機(jī)器人底板所選用的材料是亞克力板（PMMA），泊松比ν=0.36,彈性模量E=27.70Gpa,密度ρ=1.18g/cm3，屈服強(qiáng)度σ=0.24Gpa[24]。接著，對(duì)底板進(jìn)行夾具固定，并設(shè)置底板所受的力，如圖4.2所示。圖4.2底板夾具固定方式及受力示意圖網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是有限元分析過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響到求解的精度。網(wǎng)格劃分越細(xì)，結(jié)果就越接近真實(shí)情況，同時(shí)計(jì)算時(shí)間也會(huì)越久。因此我們要合理劃分網(wǎng)格，如圖4.3所示。最后進(jìn)行有限元計(jì)算，得出底板的靜態(tài)應(yīng)力圖、靜態(tài)應(yīng)變圖和靜態(tài)位移圖。圖4.3底板網(wǎng)格化求解并分析經(jīng)有限元計(jì)算我們可得如圖4.4應(yīng)力云圖，由圖我們可以看出底板所受最大應(yīng)力為2.21×e6N/m圖4.4底板的應(yīng)力云圖通過(guò)有限元計(jì)算，如圖4.5所示位移云圖，可得底盤的最大形變量為0.019mm，形變量量非常的小，完全符合所需要求。，其應(yīng)變情況如圖4.6所示。且經(jīng)過(guò)安全系數(shù)的校核后，可發(fā)現(xiàn)其最小值為108，此安全系數(shù)非常高。，如圖4.7所示。圖4.5底板的位移云圖圖4.6底板的應(yīng)變?cè)茍D圖4.7底板的安全系數(shù)圖結(jié)果分析由前面的分析得出底板的最大應(yīng)力為2.21×e6N/m2，最大形變量為0.019mm本章小結(jié)本章介紹了有限元分析，然后對(duì)底板進(jìn)行有限元分析，確認(rèn)了底板的強(qiáng)度完全符合我們的要求?？偨Y(jié)與展望總結(jié)獨(dú)輪機(jī)器人是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合且非線性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，是靜態(tài)不穩(wěn)定的自平衡機(jī)器人。它的動(dòng)力學(xué)方程很復(fù)雜，姿態(tài)平衡控制也很困難，然而獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞與控制系統(tǒng)的難易直接掛鉤。本文結(jié)合了前輩們的研究，對(duì)垂直轉(zhuǎn)子獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)研制了獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。主要通過(guò)一下幾點(diǎn)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)：（1）收集了國(guó)內(nèi)外與該課題相關(guān)的文獻(xiàn)資料，了解了獨(dú)輪機(jī)器人的發(fā)展史。國(guó)外對(duì)于獨(dú)輪機(jī)器人的研究從二十世紀(jì)八十年代就開始了，經(jīng)歷了這么多年的研究，獨(dú)輪機(jī)器人的造型越發(fā)的多樣精致。而國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，在2009年才有高校在研究。目前國(guó)內(nèi)對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是偏大型化，不過(guò)造型上也有了很多不一樣的設(shè)計(jì)。（2）與隊(duì)友討論后，決定該獨(dú)輪機(jī)器人參照盒子機(jī)器人的外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，討論各個(gè)模塊放置的位置。結(jié)合各個(gè)模塊的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，畫出草圖。（3）接著利用Pro/E三維建模軟件，對(duì)之前設(shè)計(jì)的獨(dú)輪機(jī)器人的零件進(jìn)行建模。并通過(guò)計(jì)算確定所需的電機(jī)，對(duì)比多種傳動(dòng)方式最后確定用齒輪傳動(dòng)。最后將各零件進(jìn)行虛擬裝配，進(jìn)一步驗(yàn)證獨(dú)輪機(jī)器人的合理性。（4）在繪制出來(lái)的零件圖中，選擇對(duì)強(qiáng)度和剛度要求較高的零件，在SolidWorks中利用simulation插件進(jìn)行有限元分析。根據(jù)生成的云圖，可以更直觀的了解所選材料是否符合要求。能有效的節(jié)約研究成本和縮短研究時(shí)間。（5）確定機(jī)器人虛擬組裝合理后，開始定制零件，組裝。對(duì)實(shí)體不合理的地方進(jìn)行調(diào)整修改。綜上，是本課題研究設(shè)計(jì)獨(dú)輪機(jī)器人的整個(gè)設(shè)計(jì)思路和實(shí)際的研究過(guò)程。展望獨(dú)輪機(jī)器人的研究涉及的學(xué)科很廣泛，且研究很復(fù)雜，因此關(guān)于獨(dú)輪機(jī)器人的研究還有很長(zhǎng)的路要走，不僅是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，其控制算法，動(dòng)力學(xué)模型和姿態(tài)平衡控制都是有很強(qiáng)的研究性的。希望以后對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究可以繼續(xù)完善和改進(jìn)，簡(jiǎn)化前進(jìn)車輪的傳動(dòng)系統(tǒng)，合理的布局和選材，減低獨(dú)輪機(jī)器人整體的高度和減輕它的重量。設(shè)計(jì)合適的硬件電路和控制系統(tǒng)，對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)等控制能更進(jìn)一步。參考文獻(xiàn)郭倩．我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模42.5億美元占全球市場(chǎng)近三成[N].經(jīng)濟(jì)參考報(bào)，2019-08-21（A02）徐國(guó)保,尹怡欣,周美娟.智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2007(02):44-49.胡攀輝.獨(dú)輪機(jī)器人機(jī)械本體機(jī)構(gòu)研制[D].黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.DOI:10.7666/d.D417441.陳小磊,魏世民,于秀麗.獨(dú)輪機(jī)器人的發(fā)展和技術(shù)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新：6-8ArnoldusSchoonwinkel.1988.Designandtestofacomputer-stabilizedunicycle.Ph.D.Dissertation.StanfordUniversity,Stanford,CA,USA.Advisor(s)ArthurE.Bryson.OrderNumber:AAI8808416.ShengZ,YamafujiK.StudyontheStabilityandMotionControlofaUnicycle[J].JsmeInternationalJournal.ser.cDynamicsControlRoboticsDesign&Manufacturing,1995,38(2):249-259.Z.ShengandK.Yamafuji,"Posturalstabilityofahumanridingaunicycleanditsemulationbyarobot,"inIEEETransactionsonRoboticsandAutomation,vol.13,no.5,pp.709-720,Oct.1997.郭磊廖啟征魏世民崔建偉.獨(dú)輪車機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建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謝辭光陰在論文即將完成之際，我的內(nèi)心感慨萬(wàn)千?；叵氪髮W(xué)四年的人和事，心情久久無(wú)法平復(fù)。四年的大學(xué)生活說(shuō)長(zhǎng)也不長(zhǎng)，說(shuō)短也不短。感覺(jué)昨日我們才剛上大學(xué)，轉(zhuǎn)眼我們就畢業(yè)了。在這里借著致謝，來(lái)感謝所有給予我?guī)椭娜撕褪?。首先，感謝我的指導(dǎo)老師，唐偉杰老師，由于經(jīng)驗(yàn)匱乏，一開始弄畢設(shè)時(shí)如無(wú)頭蒼蠅到處亂撞，完全沒(méi)有思路。多虧唐老師和隊(duì)友的指導(dǎo)，使我逐漸找到方向，進(jìn)而完成畢業(yè)論文。其次，感謝北理珠工院的諸位師長(zhǎng)，在課堂上傾盡所有的教授我們知識(shí)，為我們答疑解惑。在畢設(shè)過(guò)程中，諸位老師不吝賜教，傾囊相助，為我傳道授業(yè)解惑，助我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。再者，感謝同學(xué)、室友和朋友們，在我寫論文的過(guò)程中給予我很多的幫助，教我我不會(huì)的軟件，教我該如何搜索文獻(xiàn)還有論文撰寫和排版過(guò)程中的幫助。感謝我的室友們，這四年帶著我玩，也帶著我學(xué)習(xí)。然后，感謝我的父母親人們，在我求學(xué)過(guò)程中全力支持我，讓我在學(xué)習(xí)路上無(wú)后顧之憂。在未來(lái)的學(xué)習(xí)和工作的道路上，我定將刻苦專研，不負(fù)期望。最后用一句話告誡自己，“凡事豫則立，不豫則廢。言前定則不跲，事前定則不困，行前定則不疚，道前定則不窮。”希望自己在今后無(wú)論是學(xué)習(xí)、工作還是生活都能做好規(guī)劃。

附錄附錄一：獨(dú)輪機(jī)器人外觀圖附錄二：獨(dú)輪機(jī)器人的三視圖附錄三：各零件CAD圖

電腦故障檢測(cè)卡代碼表

1、特殊代碼"00"和"ff"及其它起始碼有三種情況出現(xiàn)：

①已由一系列其它代碼之后再出現(xiàn)："00"或"ff"，則主板ok。

②如果將cmos中設(shè)置無(wú)錯(cuò)誤，則不嚴(yán)重的故障不會(huì)影響bios自檢的繼續(xù)，而最終出現(xiàn)"00"或"ff"。

③一開機(jī)就出現(xiàn)"00"或"ff"或其它起始代碼并且不變化則為主板沒(méi)有運(yùn)行起來(lái)。

2、本表是按代碼值從小到大排序，卡中出碼順序不定。

3、未定義的代碼表中未列出。

4、對(duì)于不同bios（常用ami、award、phoenix）用同一代碼代表的意義不同，因此應(yīng)弄清您所檢測(cè)的電腦是屬于哪一種類型的bios，您可查閱您的電腦使用手冊(cè)，或從主板上的bios芯片上直接查看，也可以在啟動(dòng)屏幕時(shí)直接看到。

5、有少數(shù)主板的pci槽只有一部分代碼出現(xiàn)，但isa槽有完整自檢代碼輸出。且目前已發(fā)現(xiàn)有極個(gè)別原裝機(jī)主板的isa槽無(wú)代碼輸出，而pci槽則有完整代碼輸出，故建議您在查看代碼不成功時(shí)，將本雙槽卡換到另一種插槽試一下。另外，同一塊主板的不同pci槽，有的槽有完整代碼送出，如dell810主板只有靠近c(diǎn)pu的一個(gè)pci槽有完整代碼顯示，一直變化到"00"或"ff"，而其它pci槽走到"38"后則不繼續(xù)變化。

6、復(fù)位信號(hào)所需時(shí)間isa與pci不一定同步，故有可能isa開始出代碼，但pci的復(fù)位燈還不熄，故pci代碼停要起始代碼上。

代碼對(duì)照表

00.已顯示系統(tǒng)的配置；即將控制INI19引導(dǎo)裝入。

01處理器測(cè)試1，處理器狀態(tài)核實(shí),如果測(cè)試失敗，循環(huán)是無(wú)限的。處理器寄存器的測(cè)試即將開始，不可屏蔽中斷即將停用。CPU寄存器測(cè)試正在進(jìn)行或者失敗。

02確定診斷的類型（正?；蛘咧圃欤?。如果鍵盤緩沖器含有數(shù)據(jù)就會(huì)失效。停用不可屏蔽中斷；通過(guò)延遲開始。CMOS寫入／讀出正在進(jìn)行或者失靈。

03清除8042鍵盤控制器，發(fā)出TESTKBRD命令（AAH）通電延遲已完成。ROMBIOS檢查部件正在進(jìn)行或失靈。

04使8042鍵盤控制器復(fù)位，核實(shí)TESTKBRD。鍵盤控制器軟復(fù)位／通電測(cè)試?？删幊涕g隔計(jì)時(shí)器的測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

05如果不斷重復(fù)制造測(cè)試1至5，可獲得8042控制狀態(tài)。已確定軟復(fù)位／通電；即將啟動(dòng)ROM。DMA初如準(zhǔn)備正在進(jìn)行或者失靈。

06使電路片作初始準(zhǔn)備，停用視頻、奇偶性、DMA電路片，以及清除DMA電路片，所有頁(yè)面寄存器和CMOS停機(jī)字節(jié)。已啟動(dòng)ROM計(jì)算ROMBIOS檢查總和，以及檢查鍵盤緩沖器是否清除。DMA初始頁(yè)面寄存器讀／寫測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

07處理器測(cè)試2，核實(shí)CPU寄存器的工作。ROMBIOS檢查總和正常，鍵盤緩沖器已清除，向鍵盤發(fā)出BAT（基本保證測(cè)試）命令。.

08使CMOS計(jì)時(shí)器作初始準(zhǔn)備，正常的更新計(jì)時(shí)器的循環(huán)。已向鍵盤發(fā)出BAT命令，即將寫入BAT命令。RAM更新檢驗(yàn)正在進(jìn)行或失靈。

09EPROM檢查總和且必須等于零才通過(guò)。核實(shí)鍵盤的基本保證測(cè)試，接著核實(shí)鍵盤命令字節(jié)。第一個(gè)64KRAM測(cè)試正在進(jìn)行。

0A使視頻接口作初始準(zhǔn)備。發(fā)出鍵盤命令字節(jié)代碼，即將寫入命令字節(jié)數(shù)據(jù)。第一個(gè)64KRAM芯片或數(shù)據(jù)線失靈，移位。

0B測(cè)試8254通道0。寫入鍵盤控制器命令字節(jié)，即將發(fā)出引腳23和24的封鎖／解鎖命令。第一個(gè)64KRAM奇／偶邏輯失靈。

0C測(cè)試8254通道1。鍵盤控制器引腳23、24已封鎖／解鎖；已發(fā)出NOP命令。第一個(gè)64KRAN的地址線故障。

0D1、檢查CPU速度是否與系統(tǒng)時(shí)鐘相匹配。2、檢查控制芯片已編程值是否符合初設(shè)置。3、視頻通道測(cè)試，如果失敗，則鳴喇叭。已處理NOP命令；接著測(cè)試CMOS停開寄存器。第一個(gè)64KRAM的奇偶性失靈

0E測(cè)試CMOS停機(jī)字節(jié)。CMOS停開寄存器讀／寫測(cè)試；將計(jì)算CMOS檢查總和。初始化輸入／輸出端口地址。

0F測(cè)試擴(kuò)展的CMOS。已計(jì)算CMOS檢查總和寫入診斷字節(jié)；CMOS開始初始準(zhǔn)備。.

10測(cè)試DMA通道0。CMOS已作初始準(zhǔn)備，CMOS狀態(tài)寄存器即將為日期和時(shí)間作初始準(zhǔn)備。第一個(gè)64KRAM第0位故障。

11測(cè)試DMA通道1。CMOS狀態(tài)寄存器已作初始準(zhǔn)備，即將停用DMA和中斷控制器。第一個(gè)64DKRAM第1位故障。

12測(cè)試DMA頁(yè)面寄存器。停用DMA控制器1以及中斷控制器1和2；即將視頻顯示器并使端口B作初始準(zhǔn)備。第一個(gè)64DKRAM第2位故障。

13測(cè)試8741鍵盤控制器接口。視頻顯示器已停用，端口B已作初始準(zhǔn)備；即將開始電路片初始化／存儲(chǔ)器自動(dòng)檢測(cè)。第一個(gè)64DKRAM第3位故障。

14測(cè)試存儲(chǔ)器更新觸發(fā)電路。電路片初始化／存儲(chǔ)器處自動(dòng)檢測(cè)結(jié)束；8254計(jì)時(shí)器測(cè)試即將開始。第一個(gè)64DKRAM第4位故障。

15測(cè)試開頭64K的系統(tǒng)存儲(chǔ)器。第2通道計(jì)時(shí)器測(cè)試了一半；8254第2通道計(jì)時(shí)器即將完成測(cè)試。第一個(gè)64DKRAM第5位故障。

16建立8259所用的中斷矢量表。第2通道計(jì)時(shí)器測(cè)試結(jié)束；8254第1通道計(jì)時(shí)器即將完成測(cè)試。第一個(gè)64DKRAM第6位故障。

17調(diào)準(zhǔn)視頻輸入／輸出工作，若裝有視頻BIOS則啟用。第1通道計(jì)時(shí)器測(cè)試結(jié)束；8254第0通道計(jì)時(shí)器即將完成測(cè)試。第一個(gè)64DKRAM第7位故障。

18測(cè)試視頻存儲(chǔ)器，如果安裝選用的視頻BIOS通過(guò)，由可繞過(guò)。第0通道計(jì)時(shí)器測(cè)試結(jié)束；即將開始更新存儲(chǔ)器。第一個(gè)64DKRAM第8位故障。

19測(cè)試第1通道的中斷控制器（8259）屏蔽位。已開始更新存儲(chǔ)器，接著將完成存儲(chǔ)器的更新。第一個(gè)64DKRAM第9位故障。

1A測(cè)試第2通道的中斷控制器（8259）屏蔽位。正在觸發(fā)存儲(chǔ)器更新線路，即將檢查15微秒通／斷時(shí)間。第一個(gè)64DKRAM第10位故障。

1B測(cè)試CMOS電池電平。完成存儲(chǔ)器更新時(shí)間30微秒測(cè)試；即將開始基本的64K存儲(chǔ)器測(cè)試。第一個(gè)64DKRAM第11位故障。

1C測(cè)試CMOS檢查總和。.第一個(gè)64DKRAM第12位故障。

1D調(diào)定CMOS配置。.第一個(gè)64DKRAM第13位故障。

1E測(cè)定系統(tǒng)存儲(chǔ)器的大小，并且把它和CMOS值比較。.第一個(gè)64DKRAM第14位故障。

1F測(cè)試64K存儲(chǔ)器至最高640K。.第一個(gè)64DKRAM第15位故障。

20測(cè)量固定的8259中斷位。開始基本的64K存儲(chǔ)器測(cè)試；即將測(cè)試地址線。從屬DMA寄存器測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

21維持不可屏蔽中斷（NMI）位（奇偶性或輸入／輸出通道的檢查）。通過(guò)地址線測(cè)試；即將觸發(fā)奇偶性。主DMA寄存器測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

22測(cè)試8259的中斷功能。結(jié)束觸發(fā)奇偶性；將開始串行數(shù)據(jù)讀／寫測(cè)試。主中斷屏蔽寄存器測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

23測(cè)試保護(hù)方式8086虛擬方式和8086頁(yè)面方式?；镜?4K串行數(shù)據(jù)讀／寫測(cè)試正常；即將開始中斷矢量初始化之前的任何調(diào)節(jié)。從屬中斷屏蔽存器測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

24測(cè)定1MB以上的擴(kuò)展存儲(chǔ)器。矢量初始化之前的任何調(diào)節(jié)完成，即將開始中斷矢量的初始準(zhǔn)備。設(shè)置ES段地址寄存器注冊(cè)表到內(nèi)存高端。

25測(cè)試除頭一個(gè)64K之后的所有存儲(chǔ)器。完成中斷矢量初始準(zhǔn)備；將為旋轉(zhuǎn)式斷續(xù)開始讀出8042的輸入／輸出端口。裝入中斷矢量正在進(jìn)行或失靈。

26測(cè)試保護(hù)方式的例外情況。讀出8042的輸入／輸出端口；即將為旋轉(zhuǎn)式斷續(xù)開始使全局?jǐn)?shù)據(jù)作初始準(zhǔn)備。開啟A20地址線；使之參入尋址。

27確定超高速緩沖存儲(chǔ)器的控制或屏蔽RAM。全1數(shù)據(jù)初始準(zhǔn)備結(jié)束；接著將進(jìn)行中斷矢量之后的任何初始準(zhǔn)備。鍵盤控制器測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

28確定超高速緩沖存儲(chǔ)器的控制或者特別的8042鍵盤控制器。完成中斷矢量之后的初始準(zhǔn)備；即將調(diào)定單色方式。CMOS電源故障／檢查總和計(jì)算正在進(jìn)行。

29.已調(diào)定單色方式，即將調(diào)定彩色方式。CMOS配置有效性的檢查正在進(jìn)行。

2A使鍵盤控制器作初始準(zhǔn)備。已調(diào)定彩色方式，即將進(jìn)行ROM測(cè)試前的觸發(fā)奇偶性。置空64K基本內(nèi)存。

2B使磁碟驅(qū)動(dòng)器和控制器作初始準(zhǔn)備。觸發(fā)奇偶性結(jié)束；即將控制任選的視頻ROM檢查前所需的任何調(diào)節(jié)。屏幕存儲(chǔ)器測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

2C檢查串行端口，并使之作初始準(zhǔn)備。完成視頻ROM控制之前的處理；即將查看任選的視頻ROM并加以控制。屏幕初始準(zhǔn)備正在進(jìn)行或失靈。

2D檢測(cè)并行端口，并使之作初始準(zhǔn)備。已完成任選的視頻ROM控制，即將進(jìn)行視頻ROM回復(fù)控制之后任何其他處理的控制。屏幕回掃測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

2E使硬磁盤驅(qū)動(dòng)器和控制器作初始準(zhǔn)備。從視頻ROM控制之后的處理復(fù)原；如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)EGA／VGA就要進(jìn)行顯示器存儲(chǔ)器讀／寫測(cè)試。檢測(cè)視頻ROM正在進(jìn)行。

2F檢測(cè)數(shù)學(xué)協(xié)處理器，并使之作初始準(zhǔn)備。沒(méi)發(fā)現(xiàn)EGA／VGA；即將開始顯示器存儲(chǔ)器讀／寫測(cè)試。.

30建立基本內(nèi)存和擴(kuò)展內(nèi)存。通過(guò)顯示器存儲(chǔ)器讀／寫測(cè)試；即將進(jìn)行掃描檢查。認(rèn)為屏幕是可以工作的。

31檢測(cè)從C800：0至EFFF：0的選用ROM，并使之作初始準(zhǔn)備。顯示器存儲(chǔ)器讀／寫測(cè)試或掃描檢查失敗，即將進(jìn)行另一種顯示器存儲(chǔ)器讀／寫測(cè)試。單色監(jiān)視器是可以工作的。

32對(duì)主板上COM／LTP／FDD／聲音設(shè)備等I／O芯片編程使之適合設(shè)置值。通過(guò)另一種顯示器存儲(chǔ)器讀／寫測(cè)試；卻將進(jìn)行另一種顯示器掃描檢查。彩色監(jiān)視器（40列）是可以工作的。

33.視頻顯示器檢查結(jié)束；將開始利用調(diào)節(jié)開關(guān)和實(shí)際插卡檢驗(yàn)顯示器的關(guān)型。彩色監(jiān)視器（80列）是可以工作的。

34.已檢驗(yàn)顯示器適配器；接著將調(diào)定顯示方式。計(jì)時(shí)器滴答聲中斷測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。35.完成調(diào)定顯示方式；即將檢查BIOSROM的數(shù)據(jù)區(qū)。停機(jī)測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

36.已檢查BIOSROM數(shù)據(jù)區(qū)；即將調(diào)定通電信息的游標(biāo)。門電路中A－20失靈。

37.識(shí)別通電信息的游標(biāo)調(diào)定已完成；即將顯示通電信息。保護(hù)方式中的意外中斷。

38.完成顯示通電信息；即將讀出新的游標(biāo)位置。RAM測(cè)試正在進(jìn)行或者地址故障＞FFFFH。

39.已讀出保存游標(biāo)位置，即將顯示引用信息串。.

3A.引用信息串顯示結(jié)束；即將顯示發(fā)現(xiàn)信息。間隔計(jì)時(shí)器通道2測(cè)試或失靈。

3B用OPTI電路片（只是486）使輔助超高速緩沖存儲(chǔ)器作初始準(zhǔn)備。已顯示發(fā)現(xiàn)＜ESC＞信息；虛擬方式，存儲(chǔ)器測(cè)試即將開始。按日計(jì)算的日歷時(shí)鐘測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

3C建立允許進(jìn)入CMOS設(shè)置的標(biāo)志。.串行端口測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

3D初始化鍵盤／PS2鼠標(biāo)／PNP設(shè)備及總內(nèi)存節(jié)點(diǎn)。.并行端口測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

3E嘗試打開L2高速緩存。.數(shù)學(xué)協(xié)處理器測(cè)試正在進(jìn)行或失靈。

40.已開始準(zhǔn)備虛擬方式的測(cè)試；即將從視頻存儲(chǔ)器來(lái)檢驗(yàn)。調(diào)整CPU速度，使之與外圍時(shí)鐘精確匹配。

41中斷已打開，將初始化數(shù)據(jù)以便于0：0檢測(cè)內(nèi)存變換（中斷控制器或內(nèi)存不良）從視頻存儲(chǔ)器檢驗(yàn)之后復(fù)原；即將準(zhǔn)備描述符表。系統(tǒng)插件板選擇失靈。

42顯示窗口進(jìn)入SETUP。描述符表已準(zhǔn)備好；即將進(jìn)行虛擬方式作存儲(chǔ)器測(cè)試。擴(kuò)展CMOSRAM故障。

43若是即插即用BIOS，則串口、并口初始化。進(jìn)入虛擬方式；即將為診斷方式實(shí)現(xiàn)中斷。.44.已實(shí)現(xiàn)中斷（如已接通診斷開關(guān)；即將使數(shù)據(jù)作初始準(zhǔn)備以檢查存儲(chǔ)器在0：0返轉(zhuǎn)。）BIOS中斷進(jìn)行初始化。

45初始化數(shù)學(xué)協(xié)處理器。數(shù)據(jù)已作初始準(zhǔn)備；即將檢查存儲(chǔ)器在0：0返轉(zhuǎn)以及找出系統(tǒng)存儲(chǔ)器的規(guī)模。.

46.測(cè)試存儲(chǔ)器已返回；存儲(chǔ)器大小計(jì)算完畢，即將寫入頁(yè)面來(lái)測(cè)試存儲(chǔ)器。檢查只讀存儲(chǔ)器ROM版本。

47.即將在擴(kuò)展的存儲(chǔ)器試寫頁(yè)面；即將基本640K存儲(chǔ)器寫入頁(yè)面。

48.已將基本存儲(chǔ)器寫入頁(yè)面；即將確定1MB以上的存儲(chǔ)器。視頻檢查，CMOS重新配置。

49.找出1BM以下的存儲(chǔ)器并檢驗(yàn)；即將確定1MB以上的存儲(chǔ)器。.

4A.找出1MB以上的存儲(chǔ)器并檢驗(yàn)；即將檢查BIOSROM數(shù)據(jù)區(qū)。進(jìn)行視頻的初始化。

4B.BIOSROM數(shù)據(jù)區(qū)的檢驗(yàn)結(jié)束，即將檢查＜ESC＞和為軟復(fù)位清除1MB以上的存儲(chǔ)器。.4C.清除1MB以上的存儲(chǔ)器(軟復(fù)位)即將清除1MB以上的存儲(chǔ)器.屏蔽視頻BIOSROM。.4D。已清除1MB以上的存儲(chǔ)器（軟復(fù)位）；將保存存儲(chǔ)器的大小。.

4E若檢測(cè)到有錯(cuò)誤；在顯示器上顯示錯(cuò)誤信息，并等待客戶按＜F1＞鍵繼續(xù)。開始存儲(chǔ)器的測(cè)試：（無(wú)軟復(fù)位）；即將顯示第一個(gè)64K存儲(chǔ)器的測(cè)試。顯示版權(quán)信息。

4F讀寫軟、硬盤數(shù)據(jù)，進(jìn)行DOS引導(dǎo)。開始顯示存儲(chǔ)器的大小，正在測(cè)試存儲(chǔ)器將使之更新；將進(jìn)行串行和隨機(jī)的存儲(chǔ)器測(cè)試。.

50將當(dāng)前BIOS監(jiān)時(shí)區(qū)內(nèi)的CMOS值存到CMOS中。完成1MB以下的存儲(chǔ)器測(cè)試；即將高速存儲(chǔ)器的大小以便再定位和掩蔽。將CPU類型和速度送到屏幕。

51.測(cè)試1MB以上的存儲(chǔ)器。.

52所有ISA只讀存儲(chǔ)器ROM進(jìn)行初始化，最終給PCI分配IRQ號(hào)等初始化工作。已完成1MB以上的存儲(chǔ)器測(cè)試；即將準(zhǔn)備回到實(shí)址方式。進(jìn)入鍵盤檢測(cè)。

53如果不是即插即用BIOS，則初始化串口、并口和設(shè)置時(shí)種值。保存CPU寄存器和存儲(chǔ)器的大小，將進(jìn)入實(shí)址方式。.

54.成功地開啟實(shí)址方式；即將復(fù)原準(zhǔn)備停機(jī)時(shí)保存的寄存器。掃描“打擊鍵”

55.寄存器已復(fù)原，將停用門電路A－20的地址線。.

56.成功地停用A－20的地址線；即將檢查BIOSROM數(shù)據(jù)區(qū)。鍵盤測(cè)試結(jié)束。

57.BIOSROM數(shù)據(jù)區(qū)檢查了一半；繼續(xù)進(jìn)行。.

58.BIOSROM的數(shù)據(jù)區(qū)檢查結(jié)束；將清除發(fā)現(xiàn)＜ESC＞信息。非設(shè)置中斷測(cè)試。

59.已清除＜ESC＞信息；信息已顯示；即將開始DMA和中斷控制器的測(cè)試。.

5A..顯示按“F2”鍵進(jìn)行設(shè)置。

5B..測(cè)試基本內(nèi)存地址。

5C..測(cè)試640K基本內(nèi)存。

60設(shè)置硬盤引導(dǎo)扇區(qū)病毒保護(hù)功能。通過(guò)DMA頁(yè)面寄存器的測(cè)試；即將檢驗(yàn)視頻存儲(chǔ)器。測(cè)試擴(kuò)展內(nèi)存。

61顯示系統(tǒng)配置表。視頻存儲(chǔ)器檢驗(yàn)結(jié)束；即將進(jìn)行DMA＃1基本寄存器的測(cè)試。.

62開始用中斷19H進(jìn)行系統(tǒng)引導(dǎo)。通過(guò)DMA＃1基本寄存器的測(cè)試；即將進(jìn)行DMA＃2寄存器的測(cè)試。測(cè)試擴(kuò)展內(nèi)存地址線。

63.通過(guò)DMA＃2基本寄存器的測(cè)試；即將檢查BIOSROM數(shù)據(jù)區(qū)。.

64.BIOSROM數(shù)據(jù)區(qū)檢查了一半，繼續(xù)進(jìn)行。.

65.BIOSROM數(shù)據(jù)區(qū)檢查結(jié)束；將把DMA裝置1和2編程。.

66.DMA裝置1和2編程結(jié)束；即將使用59號(hào)中斷控制器作初始準(zhǔn)備。Cache注冊(cè)表進(jìn)行優(yōu)化配置。

67.8259初始準(zhǔn)備已結(jié)束；即將開始鍵盤測(cè)試。.

68..使外部Cache和CPU內(nèi)部Cache都工作。

6A..測(cè)試并顯示外部Cache值。

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