机器人课设说明书

燕山大学课程设计 1 目录 前言-----------------------------------------2 摘要-----------------------------------------3 课程设计任务---------------------------------3 设计方法及论证-------------------------------4 智能小车系统功能方案的选择和确定-------------8 强度和平衡校核-------------------------------11 智能移动小车的平衡校核-----------------------15 智能移动小车的动力设计与计算-----------------16 电源的设计-----------------------------------17 传感器设计-----------------------------------18 小车造价分析---------------------------------18 小车调试-------------------------------------18 心得总结-------------------------------------21 参考文献-------------------------------------24 燕山大学课程设计

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前 言 此次课程设计整合了我们之前做的单片机、机电一体化、机器人技术所做的项目，将之前研究的内容有机的整合在了一起，实现了更加强大的功能，能够完成更加复杂的任务。在之前研究的基础上，进行了更加深入的研究，对系统的整体设计有了更加深入的理解，对设计的思维方式有了深层次的领悟，通过二十天的努力，完成了课程设计要求的内容，而且在设计中加入了许多属于自己的东西，达到了预期的效果。在此说明书中，主要对所做的研究进行了详细的说明，叙述了的设计方法和方案的选择论证并给出了软硬件设计。 燕山大学课程设计

3 摘 要 当前智能机器人被广泛运用于各种不方便人为参与的场合，如：拆弹，航天探测等。特别是多个不同专用的智能小车的配合，在各领域中都发挥着不可替代的作用。 本设计便是基于目前据生产实际的需求，要求机器人完成如下动作：沿规定轨迹自动行驶——等待取料机器人——接收工件到车厢——实现智能避障——自动卸掉工件，将放好工件送到指定位置。 本课程设计的目的是通过在之前课程研究项目智能移动小车的基础上，自主设计送料机器人的自动翻斗装置并装配到原有的小车上，完成取料机器人的系统设计、制作、进行机器人运动控制规划，控制机器人完成要求动作，从而进一步熟悉工程项目的实施过程，培养创新能力，动手能力。 一 、课程设计任务 1 设计总任务 要求在智能小车上加装机械臂、手，完成智能车系统的设 燕山大学课程设计 4 计与制造。 2 任务说明 本小车的任务为前半部分的避障传球过程，主要包括在迷宫的入口通过寻迹定位抓取小球，然后然后通过智能避障系统走出迷宫，到达迷宫出口处时再次通过寻迹定位后与队友的小车配合完成球的交接，至此完成小车的任务。 3课程设计具体任务 按任务及参数要求设计可行走智能车、机械臂、手部： 结合三维设计图，进行仿真； 结合三维图给出工程图； 完成车体、大臂小臂部件、手部等三个部件的制造和装配； 完成整车的装配； 调试运行。 结合工作空间内任意位姿控制的模型以及速度控制模型，控制机器人完成。 撰写说明书。 二、设计方法和设计方案论证 1 智能小车系统整体方案设计 燕山大学课程设计 5 智能小车的设计，也可以说是一个较复杂的整体系统的设计过程，在该过程中需要进行多种功能的设计及分析，以更好的达到系统整体的工作效果，实现低成本、低功耗、高效益。因此我们本着实现功能要求、成本最低、机构最简、可靠性高的原则，对小车进行整体设计。 2 智能小车机械部分方案设计 2.1 行走方案的选择和确定 关于小车的行走方案，可以采取三种可行的方案： （1）、轮子。轮子是使机器人运动得最为普遍的方法。 （2）、腿。使用腿使小车像人和动物那样行走。 （3）、履带。像坦克车那样行走。 轮子是最为普遍的方法，而且成本很低；腿是比较复杂的机构，它具有较强的功能，能够实现在凹凸不平的地面上行走，非常的灵活；履带的制造非常的简单，而且可以提供较大的牵引力，而且也能在不平整的地面上行走。 但是综合考虑实现功能的要求和设计时所遵循的原则，轮子无疑是最好的方法，既能很好的实现功能，成本又比较低，结构也简单可靠。 燕山大学课程设计 6 采用轮子来实现小车的行走，那么还需考虑采用几轮驱动，考虑具体的工作环境，采用三轮就可以很好的完成各项要求，具体方案如下： （1）、采用两个轮作为驱动轮，这样可以很灵活的控制小车的前进、倒退和转弯。 （2）、采用一个万向轮作为从动轮，一方面可以使小车车身平稳，另一方面小车将依旧保持较好的灵活度。 2.2 手臂设计方案的选择和确定 机械臂的机械结构很多，但是为了实现其抓球、放球的功能，一般应采用有两个连杆组成的机械臂。关节可采用移动关节，也可以采用转动关节。 （1）、移动式关节 如果采用移动关节，可以将两个连杆分别做成竖直移动和水平移动，这样就可实现手爪在竖直和水平方向上的移动，可实现全部的要求功能。其结构简图如下： 燕山大学课程设计

7 图2-2-1 移动关节简图 （2）、转动式关节 如果采用转动关节，则两个连杆的关节都是转动副，一般可选择使连杆1绕竖直轴旋转，连杆2绕水平轴旋转；或两个连杆都绕水平轴旋转，即2R机械手。其结构简图如

从具体情况出发，由于只提供了三个舵机，理论上来基座 基座 连杆1 连杆1

连杆2 连杆2

基座 连杆1 连杆2 燕山大学课程设计

8 讲，一般情况下应用一个舵机控制手爪的张合，而另外的两个舵机用来驱动两个手臂，但从实际出发，由于本小车需完成走迷宫和传球的任务，对手爪的位置要求较少，为了便于传球任务的完成，我们采用如下图2-3-1所示的机械臂，这样手爪的控制虽然不灵活了，但是却可以很好的完成任务，并为两车的交接过程提供便利。 2.3 手爪设计方案的选择和确定 手爪的设计方案有很多，但是从功能要求的角度分析，该手爪的设计部需要十分的复杂，而且也不需要十分高的精度，只需要完成抓球和交接球的动作即可。因此，根据我们的设计时所遵循的结构最简、成本最低、可靠性高的原则，我们采用二指夹球的方案。 让手指张开闭合的方案也有很多： （1）、可以采用齿轮来实现手爪的相对平行运动； （2）、可以采用凸轮机构来实现手爪的平滑运动； （3）、可以采用弹簧和绳子的方案； （4）、可以采用连杆带动的方案。 但是从设计原则考虑，选用方案（4）可以很好的实现

手臂1 燕山大学课程设计 9 功能，而且成本可以达到最低 三、 智能小车系统功能方案的选择和确定 3.1 智能小车系统功能分析 如右图2-2-1所示，这是该智能小车所要实现的功能，需要实现电机驱动、速度检测、热释电感应、电源等多种功能。 3.2 功能介绍 （1）驱动电路可以实现电机的正反转和脉宽调 速，可以实现原地旋转360°。 （2）轨迹检测模块利用色差实现循迹功能。 （3）利用壁障传感器来实现走迷宫功能。 3.3各功能模块的方案选择和确定 （1）、电动机的选择 电动机有两种方案可供选择，可用步进电机驱动或用普通的直流电机驱动。由于步进电机具有快速启停能力，而且 燕山大学课程设计 10 转换精度高，正反转控制灵活。考虑到小车的主要功能是用来寻迹的，需要准确的启停控制及正反转控制，因此采用直流电动机来驱动小车的前轮。 （2）电动机驱动方案的选择 电动机的驱动方案有三种选择：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压；采用继电器对电动机的开与关进行控制；采用四个大功率晶体管组成H桥电路。由于小车电机的驱动必须迅速及时，且具有较强的稳定性，而第三种方案是由四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度非常快，稳定性也极强，因此采用H桥电路驱动电机。 （3）、供电方案的选择 小车可采用单一电源供电，也可以采用两个电源供电。但两个电源供电会使电路复杂，而且增加车身的重量，增加惯性，降低小车的灵活性，因此采用单一电源供电的方法。 （4）、路面情况检测方案的选择 探测路面黑线的基本原理是光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可根据接收到的反射光 燕山大学课程设计 11 强来判断黑线。 实现方案有：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案；采用脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于后者的抗干扰能力强，而且价格便宜，还可以调整占空比来提高信噪比，因此采用方案二。 （5）、障碍物探测方案的选择 障碍物的探测可采用脉冲调制的反射式红外发射接收器，也可以采用超声波感器。但是前者的抗干扰能力强，可以通过调整电流占空比调整信噪比，并且反应灵敏，外围电路简单，所以采用第一种方案。 3 智能小车系统机械部分设计 1 智能小车外形的制作 智能小车的车身用金属板通过切割制作，采用三轮的形式，车身的前面有两个轮，分别由两个电机驱动，以实现小车的左右转及后转等功能，后面有一个万向轮，以提高小车活动的灵活性。 2 智能小车手臂设计 由于机械臂要实现抓球、交接等动作，共有两个位置是