目 錄 1 緒論.11.1 背景21.2 本課題研究的內(nèi)容21.3 論文的構(gòu)成2 總體設(shè)計方案.22.1 行走方式22.1.1 路線規(guī)劃…………………………………………………………22.2 撿球方式42.3 驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的方式.42.4 主體材料的選擇.53 結(jié)構(gòu)的設(shè)計53.1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)53.1.1 電源的選擇.53.1.2 電機(jī)的選擇.63.1.3 車輪的確定73.1.4 驅(qū)動裝置.83.2 撿球機(jī)構(gòu)83.2.1 撿球的總裝置.94 機(jī)器人的傳感器.94.1 顏色傳感器…………………………………………………………104.2 壓力傳感器…………………………………………………………104.3 紅外傳感器（距離傳感器）……………………………………….104.4 光電計數(shù)器…………………………………………………………………….105 設(shè)計的總效果與工作過程.115.1 設(shè)計的總效果115.2 工作過程126.經(jīng)濟(jì)分析報告………………………………………………………………131 緒論1.1 背景 機(jī)器人是一個自動執(zhí)行某種動作的機(jī)械裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編制的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作。它是高級整合控制論、機(jī)械電子、計算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物?，F(xiàn)在，機(jī)器人在各行各業(yè)中，都有著廣泛的應(yīng)用，例如制造業(yè)、建筑業(yè)，或是其它危險性的工作[1]。 要想設(shè)計出一個機(jī)器人，就必須要具備以下這些方面的能力。第一，電子學(xué)基礎(chǔ)。這部分內(nèi)容包括模擬電路和數(shù)字電路理論，要學(xué)習(xí)電阻、電容器、晶體管以及其他普通電子元器件等基礎(chǔ)知識。第二，編程基礎(chǔ)。先進(jìn)的機(jī)器人都使用計算機(jī)或微處理器（例如單片機(jī)）來控制自己運(yùn)動的，這就需要靠編程來實(shí)現(xiàn)。第三，機(jī)械基礎(chǔ)。機(jī)器人也是一臺機(jī)器，要靠運(yùn)動來完成任務(wù)。要想設(shè)計一個機(jī)器人這就需要設(shè)計一些相應(yīng)運(yùn)動的機(jī)械機(jī)構(gòu)。 隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器人在功能和技術(shù)上都取得了很大的提高?，F(xiàn)在，即使在嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)形勢下，仍有很多面向各個新應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)出來。目前，機(jī)器人應(yīng)用率的快速增長并非僅僅是一時的狂熱，而是社會發(fā)展的必然趨勢。許多枯燥、骯臟和危險的工作最終將由機(jī)器人代替人工來完成。隨著機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器人競技運(yùn)動在世界各地蓬勃興起。社會在不斷地發(fā)展，對機(jī)器人的要求也越來越高[2]。 目前，我國也正掀起一股機(jī)器人的熱潮。我國機(jī)器人的技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步。我國的機(jī)器人技術(shù)大致有如下發(fā)展趨勢：（1）智能化。智能化不僅是對機(jī)器人系統(tǒng)的要求，也是對工作環(huán)境的要求。智能化的發(fā)展趨勢，有效地提高機(jī)器人工作的效率和使用性能。 （2）標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。我國還沒有統(tǒng)一的機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和平臺能夠大大減少應(yīng)用軟件廠商的成本，并能優(yōu)化服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)，規(guī)范中間件，實(shí)現(xiàn)模塊化[3]。1. 2 本課題研究的內(nèi)容自動識別并接收到運(yùn)動員發(fā)出的撿羽毛球命令后，采用圖像識別技術(shù)自動識別羽毛球落下的方位。然后，對羽毛球的位置分布作一個最優(yōu)的行程判斷，再走到每個球落下的地方。最后，將羽毛球撿起來，放進(jìn)存放腔中。當(dāng)機(jī)器人接收到由運(yùn)動員發(fā)出送球指令后，再自動地把羽毛球送到指定點(diǎn)，完成自動撿羽毛球的一個工作流程。 本論文，主要涉及到的是機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，采用 3D 軟件構(gòu)建出機(jī)器人的模型，并且對各個設(shè)計出的運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析說明。 1.3 論文的構(gòu)成 本論文主要分為以下幾部分。第一部分，總體方案的設(shè)計。主要介紹設(shè)計的自動撿球機(jī)器人的基本構(gòu)造、撿球的方法、驅(qū)動方式和主體制造材料的選擇。第二部分，各運(yùn)動機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計和各部分機(jī)構(gòu)的工作原理，并對各個設(shè)計的機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡單的分析。第三部分，主要簡單地介紹安裝在自動撿球機(jī)器人的傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)。第四部分，主要是對這幾個月以來，做畢業(yè)設(shè)計的一些總結(jié)和心得體會。2 總體設(shè)計方案2.1 行走方式 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的分類和各類的特點(diǎn) 行走方式 特點(diǎn) 輪式 最適合平地行走，安裝簡單，方便 履帶式 可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺階。 行走式 機(jī)器人的重心落在腳掌上，它一方面要取得準(zhǔn)靜態(tài)平衡，另一方面要穩(wěn)定步行。因此，它的控制比較復(fù)雜。 由于羽毛球賽場一般都比較寬敞，且地面比較平整，所以選擇輪式會比較合理。并且，輪式的機(jī)器人設(shè)計和制作的過程相對其它類型的機(jī)器人較為簡單，在控制系統(tǒng)的設(shè)計方面的處理也比較容易。2.1.1 路徑規(guī)劃研究現(xiàn)狀 路徑規(guī)劃方法有：可視圖法、柵格法、人工勢場法以及模糊邏輯控制方法等。隨著研究的發(fā)展，路徑規(guī)劃系統(tǒng)的控制目標(biāo)和控制方法都產(chǎn)生了很大變化。研究初期，路徑規(guī)劃系統(tǒng)的控制目標(biāo)為系統(tǒng)的最優(yōu)性。例如行駛路程最短，耗時最少等。路徑規(guī)劃一般采用經(jīng)典控制方法。經(jīng)典控制方法基于系統(tǒng)狀態(tài)方程，其算法表現(xiàn)出高度的精確性。這種路徑規(guī)劃方式有許多局限性。由于小車在行駛過程中，環(huán)境往往存在許多未知因素，因此很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述這一過程。即使擁有精確的環(huán)境地圖能夠規(guī)劃出最優(yōu)行駛軌跡，由于 AGV運(yùn)動系統(tǒng)和路面狀況的復(fù)雜性等原因，也很難控制車輛按理想軌跡行駛。此外，基于狀態(tài)方程的精確控制方法在面對復(fù)雜系統(tǒng)時計算量巨大，這會導(dǎo)致消耗大量系統(tǒng)軟硬件資源，影響系統(tǒng)實(shí)時性。隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識到機(jī)器人對環(huán)境的“適應(yīng)性”相對“最優(yōu)性”而言是更為基礎(chǔ)， 規(guī)劃目標(biāo)： 控制方法：經(jīng)典控制方法 最優(yōu)性 人工智能 實(shí)時性，智能性，自適應(yīng)性 更為重要的指標(biāo)。因此系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)開始朝著實(shí)時性、智能性、自適應(yīng)性方向發(fā)展。系統(tǒng)的控制方法則朝著人工智能方向發(fā)展。人工智能技術(shù)涵蓋面很廣，它的研究目標(biāo)是使機(jī)器能擁有類人的智能。目前，AGV 路徑規(guī)劃問題上涉及最多人工智能技術(shù)是遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)。 遺傳算法以自然遺傳機(jī)制和自然選擇等生物進(jìn)化理論為基礎(chǔ),構(gòu)造一類隨機(jī)化搜索算法。它利用選擇、交叉和變異來培養(yǎng)控制機(jī)構(gòu)的計算程序,在某種程度上對生物進(jìn)化過程做數(shù)學(xué)方式的模擬。它不要求適應(yīng)度函數(shù)是可導(dǎo)或連續(xù)的,而只要求適應(yīng)度函數(shù)為正,同時作為并行算法,它的隱并行性適用于全局搜索。多數(shù)優(yōu)化算法都是單點(diǎn)搜索算法,很容易陷入局部最優(yōu)。而遺傳算法卻是一種多點(diǎn)搜索算法,因而更有可能搜索到全局最優(yōu)解。由于遺傳算法的整體搜索策略和優(yōu)化計算不依賴于梯度信息,所以解決了一些其它優(yōu)化算法無法解決的問題。遺傳算法的缺點(diǎn)是運(yùn)算速度不快,進(jìn)化眾多的規(guī)劃要占據(jù)較大的存儲空間和運(yùn)算時間。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊技術(shù)都是模擬人類智能的技術(shù)。但是它們分屬兩個截然不同的研究領(lǐng)域。模糊技術(shù)從人的思維外特性，即語言和對世界認(rèn)識的概念上去模仿人類智能，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是從人腦的物理結(jié)構(gòu)上去研究人類智慧的產(chǎn)生和形成。兩者機(jī)理不同，特點(diǎn)不同，但殊途同歸都從不同程度上構(gòu)造了具有一定人類智能特性的控制系統(tǒng)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬了人腦神經(jīng)元活動的過程，它具有并行化、自組織、自學(xué)習(xí)等特點(diǎn)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可對小車的行駛行為和環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而使得小車具有自主行駛能力。模糊技術(shù)具有人類智能的模糊性和推理能力。 它可將人的經(jīng)驗(yàn)融入控制中，從而提高系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)性。在路徑規(guī)劃中，模糊推理的應(yīng)用主要體現(xiàn)在基于行為的導(dǎo)航方式上。所謂基于行為的導(dǎo)航，就是將機(jī)器人的運(yùn)動過程分解為避障、邊界跟蹤、調(diào)速、目標(biāo)制導(dǎo)等基本行為,各基本行為的激活由不同的機(jī)構(gòu)分別控制，機(jī)器人的最終操作由高層控制機(jī)構(gòu)對基本行為進(jìn)行平衡后作出綜合反應(yīng)。傳感器數(shù)據(jù)用模糊邏輯進(jìn)行融合后，可以確定是否激發(fā)低層行為，然后再利用模糊推理對存在沖突的低層行為進(jìn)行優(yōu)先權(quán)判別，從而決定實(shí)際操作。模糊控制方法將信息獲取和模糊推理過程有機(jī)結(jié)合，從控制目標(biāo)上看，它以自適應(yīng)性取代最優(yōu)性，從控制手法上看它以模糊性取代精確性。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于不依賴機(jī)器人的動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)模型，系統(tǒng)控制融入了人類經(jīng)驗(yàn)，同時計算量小，構(gòu)成方法較為簡單，節(jié)省系統(tǒng)資源，實(shí)時性好。 2.2 撿球方式 對于撿球方式有兩種方案。第一種方法:由于羽毛球比較輕,可以利用強(qiáng)大的吸力把羽毛球吸進(jìn)機(jī)器人體內(nèi),這樣做的好處是成本比較低,但是缺點(diǎn)是,會把大量灰塵吸入機(jī)器人體內(nèi)。要做抽風(fēng)機(jī)，還有吸起之后不好落槽。 第二種方法就是設(shè)計一個機(jī)械手，直接將羽毛球抓取，并且將羽毛球放到存放腔中，這種方式成功案例比較多速度也可以，成本相對高一點(diǎn)，但是綜合考慮后決定用這種方式2.3 驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的方式 機(jī)器人采用 24V/380 轉(zhuǎn) 60 瓦 RE30 瑞士大功率空心杯電機(jī)/伺服電機(jī)/馬達(dá)，并且用前輪驅(qū)動、后輪導(dǎo)向方式。導(dǎo)向采用的是萬向輪，萬向輪可以由廠家直接生產(chǎn)制造出來，不必另外設(shè)計，而且比較容易獲得，使用起來也比較方便。導(dǎo)向輪安裝在腳輪輪子的支架能在動載或者靜載中水平360 度旋轉(zhuǎn)，起到導(dǎo)向的作用用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法有很多。常用到的有以下幾種：（1）差動型轉(zhuǎn)向。對于輪式和履帶式機(jī)器人的轉(zhuǎn)向來說，差動法是最為常用的方法。當(dāng)轉(zhuǎn)向時，機(jī)器人一側(cè)的輪子或履帶停止前進(jìn)或反向運(yùn)動，另一側(cè)的則繼續(xù)向前運(yùn)動，從而使機(jī)器人向輪子或履帶停止或反向運(yùn)動的一側(cè)轉(zhuǎn)向。（2）汽車型轉(zhuǎn)向。汽車型轉(zhuǎn)向雖然沒有差動型轉(zhuǎn)向的機(jī)動性好，但它適用于室外路況，特別是不平坦的路面。采用此種轉(zhuǎn)向方式的機(jī)器人轉(zhuǎn)向圓圓心是在輪子的外側(cè)，而不是在兩輪之間，因此可以獲得更大一些的牽引力。（3）三輪車型轉(zhuǎn)向。差動型轉(zhuǎn)向的最大缺點(diǎn)就是當(dāng)驅(qū)動機(jī)器人兩側(cè)車輪的電機(jī)中一個速度略微慢一點(diǎn)，機(jī)器人所行進(jìn)的路徑就會變成曲線。使用三輪車型轉(zhuǎn)向的機(jī)器人，必須合格證其用于轉(zhuǎn)向的電機(jī)定位，否則無法保證機(jī)器人能進(jìn)行直線運(yùn)動。（4）全方位型轉(zhuǎn)向。這種方式要求機(jī)器人具備三個具備轉(zhuǎn)向功能的驅(qū)動輪，而這些車輪需要兩個電機(jī)，一個用于轉(zhuǎn)向，另一個用于驅(qū)動車輪運(yùn)轉(zhuǎn)。全方位機(jī)器人有很強(qiáng)的靈活性，并且轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確，但技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較困難[2]。 本設(shè)計主要采用差動方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向。在機(jī)器人的兩側(cè)在相對應(yīng)位置各安裝一個相同的電機(jī)，分別驅(qū)動兩個車輪，并且實(shí)現(xiàn)差動驅(qū)動。機(jī)器人的兩個輪子以相等的速度和相同的方向轉(zhuǎn)動時，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向前和向后的運(yùn)動；當(dāng)左輪停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左轉(zhuǎn)向；當(dāng)右輪停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的右轉(zhuǎn)向；當(dāng)兩輪以相同速率地正轉(zhuǎn)或者反向轉(zhuǎn)動時，機(jī)器人將會原地轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的原地左轉(zhuǎn)或者原地右轉(zhuǎn)。綜上可知，設(shè)計的整個機(jī)器人總共需要三個輪子。裝在前面的兩個車輪是驅(qū)動輪，起到驅(qū)動的作用，并且兩輪獨(dú)立驅(qū)動。裝在后面一個輪是萬向輪，起到導(dǎo)向的作用。 2.4 主體材料的選擇 制作機(jī)器人常用的材料主要有以下幾種。（1）木材。選用木材的最大優(yōu)點(diǎn)是它的價格低廉，加工方便，可直接用手工鋸進(jìn)行加工。但是，它在零件接頭的地方比較容易損壞，而且比較容易磨損。（2）塑料。塑料的種類較多，可以根據(jù)機(jī)器人不同的功能，選擇出不同的塑料。這主要有以下三種塑料可以選擇。第一，熱固性塑料。這種塑料較堅硬。它只能通過切削來定型，它一般用于硬塑料玩具、電器產(chǎn)品和其他對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定要求的產(chǎn)品中。第二，彈性塑料。它具有很高的彈性，它和熱固性塑料一樣，不能通過加熱的方法來定型。第三，熱塑性塑料。它可以作不同用途、不同厚度的材料使用。常用的塑料材料有 ABS（丙烯腈-丁二烯） 、丙烯酸塑料、纖維素塑料、環(huán)氧樹脂、尼龍、酚醛塑料、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚亞氨酯、PVC（聚氯乙烯） 、硅樹脂。（3）金屬材料。這種材料的強(qiáng)度較大，而且來源廣泛，通常選用碳鋼和鋁合金。選用這種材料一個是加工簡單，便宜，本設(shè)計中只要用到了鈑金加工，CNC 加工。（4）有機(jī)玻璃。這種材料比較難獲得，而且價格相對其它材料也比較昂貴[1]。由于制作的自動撿球機(jī)器人體積較小，要求的重量也較輕。因此，主體的制造材料選為環(huán)氧樹脂塑料。該材料是一種非常耐用而且干凈的塑料，通常用作玻璃纖維的黏合劑。它在大多數(shù)情況下成液態(tài)，被用于灌注到別的零件或者玻璃纖維基體上。干燥后，環(huán)氧樹脂可以切割、鉆孔和拋光。因此，選該塑料和鈑金作為機(jī)器人的主體材料比較合適。3 結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.1 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 3.1.1 電源的選擇 機(jī)器人常用的電池有以下幾種類型。（1）干電池。由于干電池屬于一次性使用的，成本也相對較高，并且干電池的內(nèi)阻一般都比較大。因此，當(dāng)負(fù)載比較大的時候，電壓會下降得很厲害，無法實(shí)現(xiàn)大電流的連續(xù)工作。因此，干電池并不是機(jī)器人系統(tǒng)的理想電源。（2）鉛酸蓄電池。它的最大的特點(diǎn)是價格較低、過充電的承受能力受強(qiáng)，大電流放電能力和可靠性高。但是，它的質(zhì)量比較大，維護(hù)起來相對比較困難。（3）鎳鎘/鎳氫電池。它具有良好的大電流放電特性、耐過充和放電的能力強(qiáng)、維護(hù)簡單等優(yōu)勢。但是，其最致命的缺點(diǎn)是：在充放電過程中，如果處理不當(dāng)，會出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)” ，使得電池容量和使用壽命大大地縮短。此外，鎘是一種有毒金屬，因而鎳鎘電池不利于環(huán)境的保護(hù)，廢棄后必須嚴(yán)格地進(jìn)行回收。由于眾多的缺點(diǎn)，使得鎳鎘電池在機(jī)器人的應(yīng)用中越來越少。（4）鋰離子/鋰聚合物動力電池。鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，鋰離子電池的充電和放電必須嚴(yán)格小心，通常在使用鋰離子電池組的時候必須配備專門的過充電、過放電保護(hù)電路。鋰離子電池價格也相對比較高，并且需要另外配備保護(hù)電路。因此，相同能量的鋰離子電池的價格是免維護(hù)鉛酸蓄電池的十倍以上[5]。 綜合實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性原則的考慮，在本機(jī)器人的設(shè)計中，選用了鉛酸蓄電池。在本設(shè)計，可以采用山東金科力電源科技有限公司生產(chǎn)的鉛酸蓄電池，各個性能比較適合本設(shè)計中。3.1.2 電機(jī)的選擇 微型機(jī)器人使用的電機(jī)一般有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和直流伺服電機(jī)這三種類型。這三種電機(jī)的控制都相對簡單，性能也比較出眾，而且直流電源也比較容易獲得。（1）步進(jìn)電機(jī)。它是將電脈沖信號轉(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)，使在機(jī)器人控制變得簡單。（2）直流電機(jī)。它有極寬的功率調(diào)節(jié)范圍，調(diào)整特性平滑，適應(yīng)性好，過載能力較強(qiáng)，而且具有很好的性價比，是一種通用的驅(qū)動電機(jī)。（3）伺服電機(jī)。它是自動裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點(diǎn)是可控。一般來講，它主要同以下幾個部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機(jī)、控制電路板等[6]。 在本機(jī)器人設(shè)計中，采用了伺服電機(jī)比較精確自帶減速組使結(jié)構(gòu)更簡單。整機(jī)驅(qū)動輪馬達(dá): maxon 馬達(dá) （需要 2 個）24V/380 轉(zhuǎn) 60 瓦 RE30 瑞士大功率空心杯電機(jī)/ 伺服電機(jī) /馬達(dá)工作電壓：24V功率：60 瓦連續(xù)扭矩：2Nm（20kg·cm）堵轉(zhuǎn)扭矩：24Nm（240kg·cm）轉(zhuǎn) 速：380 轉(zhuǎn)每分鐘(配 24 減速比)電機(jī)直徑：30mm 長度 150mm編碼器：光電式輸出路數(shù)：ＡＢ雙路輸出每圈脈沖：500 CPR （脈沖每圈）撿球馬達(dá)：它是由韓國 MINIROBOT 機(jī)器人公司獨(dú)家研發(fā)、設(shè)計而成。設(shè)計為適合于關(guān)節(jié)型機(jī)器人專用，并為了耐久性及穩(wěn)定性上載了過電流 保護(hù)功能。組裝時通過使用位置定位針使得到更穩(wěn)定的關(guān)節(jié)動作?！?接口 : 多協(xié)議接口和 PWM· 采用耐用的 Karbonite 齒輪· 雙滾珠軸承· 旋轉(zhuǎn)角度 : 180 度· 電壓,電流,位置數(shù)據(jù)讀取功能· 包括可更換的頂部套件 XA,底部套件 X2,喇叭 X2· 多種可用總成· 特征：· 扭矩 : 9kg.cm(6.0V) · 電壓 : 6.0V· 速度 : 0.2sec.60 度(6.0V) · 重量 : 45g· 尺寸 (L×W×H) : ① 40× 30×47mm② 40×20×37mmhttp://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.72.ZHQ9Nr&id=12756342411&_u=gej5b0p89fb3.1.3 萬向輪 http://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.83.aeOmpV&id=19347656392&_u=h1ie154uf2763.1.4 驅(qū)動裝置 1、傳動方式的決定 一般來講，機(jī)器人的傳動裝置主要有齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動和蝸桿傳動。在本設(shè)計中，采用皮帶傳動，這樣不僅可以使設(shè)計變得更加簡單，而且齒輪傳動也較為平穩(wěn)因?yàn)楸驹O(shè)計中的掃求和上升機(jī)構(gòu)中要求不高所以用皮帶傳動比較合理。 2、皮帶輪與電機(jī)軸的連接 為了將皮帶輪安裝到電機(jī)軸上，通常要使用緊定螺釘進(jìn)行連接，所示。大多數(shù)的齒輪都有自帶的緊定螺釘或用以旋入螺釘?shù)目?。如果沒有，可以自己鉆孔，并對其攻絲[，使用緊定螺釘將電機(jī)軸與齒輪連接起來 3、前軸的軸系結(jié)構(gòu) 前軸安裝驅(qū)動輪，它的主要功用是支承零件及傳遞動力。在前軸軸系的零件主要有： 因?yàn)檫x用的馬達(dá)自帶了減速組，所以使得本設(shè)計中不需要另外設(shè)計減速機(jī)構(gòu)，使設(shè)計更加簡單合理。4、關(guān)于方向控制 本設(shè)計中采用 2 個驅(qū)動輪一個萬向輪，通過控制 2 個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速或者一個轉(zhuǎn)一個不轉(zhuǎn)，一個高速一個低速來達(dá)到改變方向的作用。5、驅(qū)動裝置的總體結(jié)構(gòu) 將驅(qū)動裝置的各個零部件組裝起來，組成一個完整的驅(qū)動系統(tǒng)， 3.2 撿球機(jī)構(gòu)3.2.1 撿球的總裝置 由于羽毛球重量較輕、體積較小，很容易被抓起來。因此，撿球的機(jī)構(gòu)采用機(jī)械手抓起的裝置如下圖所示。首先，機(jī)器人通過判別羽毛球的位置。然后，走到羽毛球的位置前。最后，由單片機(jī)控制啟動伺服電機(jī)，使羽毛球球被掃進(jìn)機(jī)器人體內(nèi)，并且通過上升機(jī)構(gòu)使羽毛球進(jìn)入羽毛球存放腔中。3.2.2 球滿放球裝置 通過計數(shù)器算出羽毛球進(jìn)入到一個值時，機(jī)器人通過橫豎 2 個紅外傳感器自動尋找到指定放羽毛球點(diǎn)把羽毛球倒入其中，實(shí)現(xiàn)最后一步。4.傳感器4.1 .顏色傳感器：用于識別羽毛球簡介：顏色傳感器是通過將物體顏色同前面已經(jīng)示教過的參考顏色進(jìn)行比較來檢測顏色，當(dāng)兩個顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時，輸出檢測結(jié)果編輯本段工作原理一個新型傳感器能敏銳的察覺到顏色變化有助于線工人正確的分辨出會所，銀色等問題。顏色傳感器一直用裝配線來檢測特定的組件。顏色傳感器的挑戰(zhàn)是檢測微妙差異相似或高度反光的顏色。例如,金屬涂料在汽車工業(yè)中使用很難區(qū)分灰度的顏色或黃金。匹配組件這是重要的,如鏡子的身體或保險杠都離不開傳感器協(xié)助。此外, 顏色傳感器通過數(shù)量有限的顏色可以檢測，并通過他們有限的能力迅速改變設(shè)置或處理多個顏色。電子技術(shù)的發(fā)展,光學(xué),軟件促進(jìn)顏色傳感器發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)使得更敏感的傳感器 ,可以忽略光澤和區(qū)別出微妙的色調(diào)?？梢哉{(diào)整方便靈活的制造和精確的色彩校正。一個典型的顏色傳感器具有高強(qiáng)度白光 LED,光在目標(biāo)項(xiàng)目調(diào)制。反射從目標(biāo)是分析的成分紅,綠,藍(lán)(RGB)值和強(qiáng)度。此信息用于驗(yàn)證正確的部分和組裝,準(zhǔn)確控制制成品的顏色。在一個典型的應(yīng)用程序中,機(jī)器操作員持有一個顏色樣本在前面的傳感器, 編程它對這個特定顏色相匹配。這個過程期間及之后,運(yùn)營商可能會注意到匹配失敗涉及色彩略暗或略輕,但仍在可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。操作員然后重組傳感器與更廣泛的高/低設(shè)置點(diǎn)和通過試錯過程建立理想的范圍。如果傳感器有多個通道,它可以被編程來識別多種顏色一個顏色在每個頻道, 每個頻道信號是一個離散報警輸出。這一技術(shù)使簡單的顏色識別或匹配,比如排序或部分識別功能,通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)是足夠的。下一代顏色傳感器提供三個額外的輸出表示 RGB 顏色值。好處包括更多的智能控制的制造。在實(shí)踐中,傳感器輸出原始 RGB 讀數(shù)為模擬信號。模擬信號更適合通信 ,因?yàn)閿?shù)字讀數(shù)為三個渠道將超過每 150μs 吞吐量限制典型的串行協(xié)議。一個傳感器可以將原始 RGB信號模擬與 10 位分辨率將輸出 5mV 的每個 1023 步。如果顏色變化的原因是無法輕易地發(fā)覺或者如果沒有顯示可用,模擬 RGB 信號可以數(shù)字化和美聯(lián)儲到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這允許全面的變化趨勢,分析傳感器讀數(shù)。一些傳感器提供一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲模式原始數(shù)字讀數(shù)。4.2 .壓力傳感器：主要作用是單機(jī)械手抓住羽毛球后加緊后會有壓力，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號，告訴控制器，已經(jīng)抓住了羽毛球，這樣它才會把羽毛球放入后面的收集箱里面去，如果一次沒抓住會進(jìn)行第二次抓取。 4.3 紅外測距傳感器：遇到障礙物自動躲避（注顏色傳感器優(yōu)先于它）簡介：紅外線技術(shù)在測速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，許多產(chǎn)品已運(yùn)用紅外線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛測速、探測等研究。紅外線應(yīng)用速度測量領(lǐng)域時，最難克服的是受強(qiáng)太陽光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線應(yīng)用于野外的瓶頸。針對此問題，這里提出一種紅外線測速傳感器設(shè)計方案，該設(shè)計方案能夠?yàn)槎帱c(diǎn)測量即時速度和階段加速度提供技術(shù)支持，可應(yīng)用于公路測速和生產(chǎn)線下料的速度稱量等工業(yè)生產(chǎn)中需要測量速度的環(huán)節(jié)[1]。紅外線對射管的驅(qū)動分為電平型和脈沖型兩種驅(qū)動方式。由紅外線對射管陣列組成分離型光電傳感器。該傳感器的創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠抵抗外界的強(qiáng)光干擾。太陽光中含有對紅外線接收管產(chǎn)生干擾的紅外線，該光線能夠?qū)⒓t外線接收二極管導(dǎo)通，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。本傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠設(shè)置多點(diǎn)采集，對射管陣列的間距和陣列數(shù)量可根據(jù)需求選取。紅外技術(shù)已經(jīng)眾所周知，這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代科技、國防科技和工農(nóng)業(yè)科技等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運(yùn)動進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。紅外傳感器根據(jù)探測機(jī)理可分成為：光子探測器（基于光電效應(yīng)）和熱探測器（基于熱效應(yīng)） 。4.4 機(jī)器人的計數(shù)功能 由于設(shè)計的自動撿球機(jī)器人一次最多只能存放 20 個羽毛球。因此，機(jī)器人每次撿起一個羽毛球時，都要自動地進(jìn)行計數(shù)。在自動撿球機(jī)器人的設(shè)計中，我們采用計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。 計數(shù)器的應(yīng)用非常廣泛，具有的可靠性高，并且可以實(shí)現(xiàn)自動控制的功能，使用起來較為方便[17]。當(dāng)抓起成功后會向后放羽毛球，這樣的一個動作就會被計數(shù)器記錄，每當(dāng)機(jī)器人撿起一個羽毛球的時候，系統(tǒng)會發(fā)送一個脈沖，光電計數(shù)器計數(shù)為 1。這樣就可以簡單地實(shí)現(xiàn)了自動計數(shù)的功能。5.設(shè)計的效果與工作過程5.1 機(jī)器人到達(dá)的效果：開啟機(jī)器人時進(jìn)入工作狀態(tài)，自動掃描整個場景通過顏色傳感器檢測羽毛球，當(dāng)檢測到羽毛球后，控制器計算出路徑后給驅(qū)動輪馬達(dá)一個信號機(jī)器人自動靠近羽毛球，當(dāng)遇到人或者障礙物時，機(jī)器人自動躲避，然后繼續(xù)靠近羽毛球，到了時控制器給掃球馬達(dá)一個信號，掃球馬達(dá)工作，把羽毛球掃進(jìn)機(jī)器體內(nèi)，然后通過上升機(jī)構(gòu)把羽毛球集中到一個收集箱，并計數(shù)，計數(shù)器與設(shè)定值對比，未到到數(shù)值時機(jī)器人繼續(xù)掃描周圍：當(dāng)計數(shù)器數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時，他就停止工作回到某地預(yù)定點(diǎn)發(fā)出聲音告訴我們他工作結(jié)束了。5.2 機(jī)器人的工程流程如圖所示：6. 經(jīng)濟(jì)分析報告各部件價格： 馬達(dá)大概 3000 元，車輪 500 元，鈑金 2000 元，機(jī)加工 1000 元，傳感器 2000 元，開模費(fèi) 5W?？刂破麟娮蛹?1000 元總共估計在：6W 到 10W之間的費(fèi)用。結(jié)論這一次的畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)本科的終結(jié)，也是我人生一個新的開始。這幾個月以來，為了更好地完成畢業(yè)設(shè)計，我經(jīng)過了認(rèn)真的思考，并且與組內(nèi)的成員進(jìn)行了詳細(xì)分工、合作，在每一個階段都取得了一定的成就?，F(xiàn)在，終于完成了這次的畢業(yè)設(shè)計。在這個過程中感覺是有點(diǎn)辛苦，但是我卻學(xué)到了很多關(guān)于機(jī)器人方面的知識，提高了自己思維的創(chuàng)新能力。為了更好地完成畢業(yè)設(shè)計，我對大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行了一次詳細(xì)的復(fù)習(xí)，并且將從課本上所學(xué)到的知識應(yīng)用到日常生活中去，這對我的知識提高與積累起到了很大的幫助作用。這一次做畢業(yè)設(shè)計的時候，發(fā)現(xiàn)自己在課堂上所學(xué)的知識是有限的，以后還要不斷地學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)知識，提高自己的專業(yè)知識技能。本次的畢業(yè)設(shè)計，讓我掌握了工程設(shè)計的一般程序和方法，鍛煉了我綜合運(yùn)用知識的能力和創(chuàng)新的思維。 在設(shè)計的過程中，對于一項(xiàng)設(shè)計，我們要綜合考慮到各個方面的因素。例如，在這次自動撿球機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，我們要考慮以下幾個方面的問題。第一，可行性的問題。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動撿球的功能，就必須要設(shè)計出相應(yīng)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。在理論上，實(shí)現(xiàn)這個功能的方案往往會比較多，但不是所有的方案都行得通。第二，工藝性的問題。在現(xiàn)有的條件下，設(shè)計出來的機(jī)器人要便于加工制作。第三，經(jīng)濟(jì)性的原則。在滿足各個使用功能的前提下，要用最低的成本將機(jī)器人制造出來。這對以后在市場上的推廣也是非常必要的，也符合經(jīng)濟(jì)性的原則。 對于自動撿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在一定的程度上，體現(xiàn)出了創(chuàng)新的能力。第一，采用簡單的原理撿取羽毛球?，F(xiàn)有應(yīng)用在羽毛球場上的機(jī)器人，大多數(shù)都是設(shè)計一個機(jī)械手直接抓取存放，這不但會使設(shè)計的過程變得更加繁瑣，而且控制系統(tǒng)的設(shè)計也較為復(fù)雜，制造的成本也會相應(yīng)地增加。這明顯不利于在市場上的推廣與應(yīng)用。第二，采用了更多的傳感器使機(jī)器人更加智能，靠性比較高、實(shí)用性也比較強(qiáng)，而且制作起來也比較容易。 但是，由于本人的知識有限，在設(shè)計的過程中難免會有很多的錯漏和一些設(shè)計得不夠合理的地方，有很多的地方還需要完善。再加上由于時間的限制，我們只是在理論上將自動撿球機(jī)器人設(shè)計出來，未能將具體的實(shí)物模型加工出來，無法進(jìn)行具體調(diào)試，這是一個遺憾。然而，理論與實(shí)際總是有點(diǎn)差距的。希望下一屆的同學(xué)可以將這個自動撿球機(jī)器人的課題繼續(xù)做下去，不斷完善自動撿球機(jī)器人的各項(xiàng)設(shè)計，并且還可以增加其它的一些功能（例如可以自動識別已經(jīng)損壞的羽毛球）致 謝 在做這個課題之前，我機(jī)器人的了解幾乎是零。經(jīng)過 XXX 老師的悉心指導(dǎo)，最后把該課題做好了。在這，我對 XXX 老師表示衷心的感謝。 畢業(yè)設(shè)計是大四下學(xué)期的主要任務(wù)，因此畢業(yè)設(shè)計相對來說是個漫長且是個艱辛的工作，在這段時間可以上自己是遇上了太多太多的不懂和麻煩。正所謂在絕境中“柳岸花明又一村” ，在期間我需要感謝太多太多的人，特別是我的老師 XXX。XXX 平易近人，和藹可親。在此期間，XXX 老師不僅在畢業(yè)設(shè)計幫助我，而且還關(guān)心我的畢業(yè)后的打算，可以說是難見的好教師。畢業(yè)設(shè)計中自己對公差，總體設(shè)計方案等都是存在比較懵懂的狀態(tài)，而且好多細(xì)節(jié)都是比較模糊，不知道自己怎么動手好，若不是付老師指導(dǎo)我真的不知道怎么才能完成畢業(yè)設(shè)計。 大學(xué)里雖說學(xué)的是比較純的理論性，實(shí)際運(yùn)用能力比較少這也是大學(xué)學(xué)習(xí)缺陷，但是沒有這些理論學(xué)習(xí)，可以說很多工作我都無從下手。畢業(yè)設(shè)計是對學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計專業(yè)學(xué)生四年的一個學(xué)習(xí)成果歸納，也是一次全面的總結(jié)。可以說畢業(yè)設(shè)計是這大學(xué)四年來一點(diǎn)一滴積累起來的。在大學(xué)四年里，我要感謝教過我的老師，幫助過我的同學(xué)，是他們讓我從無到有，從空白到現(xiàn)在開始有些擁有。同時，我要感謝我的同學(xué)，是他們幫助我的成長，幫助我學(xué)的更多，讓我百明白更多。參考文獻(xiàn) [1]熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社， 1997. 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