智能机器人设计毕业论文设计

第1章. 绪论 (3)

1.1智能机器人技术发展的重要意义 (3)

1.2国外机器人的发展史 (3)

1.2.1 国外机器人的发展历史 (3)

1.2.2 国机器人的发展历史 (4)

1.3服务机器人的特点关键技术 (4)

1.4本论文的主要研究容 (5)

1.5本章小结 (5)

第2章.物体检测与报警机器人的总体设计 (6)

2.1概述 (6)

2.2主要组成 (6)

2.2.1 头部旋转机构 (6)

2.2.2 主体部 (7)

2.2.3 电机 (7)

2.3主要技术参数 (8)

2.4.电机的选型 (8)

2.4.1 驱动机构的组成 (8)

2.4.2 步进电机的选型比较 (9)

2.4.3 步进电机的选型计算 (10)

2.5蜗轮蜗杆传动的选型设计 (12)

2.6电机的效核 (15)

2.7轴的较核及联件的选型 (16)

2.7.1. 蜗杆轴的较核 (16)

2.7.2. 蜗杆轴上轴承的选型 (20)

2.7.3. 蜗轮轴的较核 (22)

2.7.4. 蜗轮轴上轴承的选型 (26)

2.7.5. 键的较核 (28)

2.7.6. 联轴器的选型 (28)

2.8本章小结 (28)

第3章. 驱动机构及其控制方式 (29)

3.1.概述 (29)

3.2步进电机及其控制系统 (29)

3.2.1 步进电机的工作特性 (29)

3.2.2 步进电机的开环控制系统 (31)

3.3本章小结 (32)

结束语 (32)

致谢 (33)

参考文献 (34)

第1章. 绪论

[本章提要].本章从阐述智能机器人技术发展的意义出发,简要地回顾智能机器人的发展历史和当前的技术水平。在此基础上,对于智能检测报警机器人这一产品的关键技术,以及开发现状,也作了进一步介绍。

1.1 智能机器人技术发展的重要意义

智能机器人是具有感知,思维和行动能力的机器,是机构学、自动控制、计算机、人工自能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和技术的综合成果，它从一个侧面反映了一个国家科技发展的水平。更重要的是,作为新一代生产和服务的工具,它在国民生产和生活的各个领域都占有更广泛,更重要的位置,这对于人类开辟新的产业,提高生产和生活水平具有十分现实的意义。因此智能机器人技术作为科技技术的一个分支,受到了世界各国的普遍重视。

发展智能机器人技术将对一个国家产生巨大的影响，主要集中在以下几个方面：

1. 发展工业智能机器人可以增强一个国家的生产制造能力

2. 发展特种智能机器人可增强国家的可持续发展能力

3. 发展智能机器人技术可以提高国防实力

1.2 国外机器人的发展史

1.2.1 国外机器人的发展历史

美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称"机器人王国"的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。纵观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。

由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达6．65％，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。

进入80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，

使美国的机器人迅速发展。

尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：

（1）性能可靠，功能全面，精确度高；

（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；

（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；

（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。

1.2.2 国机器人的发展历史

我国已在“七五”计划中把机器人列入国家重点科研规划容，拨巨款在建立了全国第一个机器人研究示工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。

1.3 服务机器人的特点关键技术

前面主要介绍了本课题的技术平台智能机器人的发展状况,在这一节中主要从产品的角度出发,介绍智能检测报警机器人所属的服务机器人这一大畴的特点和关键技术。它对于该产品的设计与开发具有指导性的意义。

智能检测机器人从其产品的功能上划分,是属于近年来刚刚兴起的服务机器人的畴。关于服务机器人的定义目前还并不统一;简单地说,它是指一种能够自主或半自主运行,且为人类健康,安全和设备运行提供服务的智能机器。因此,服务机器人存在自身的一些特点,主要集中在以下三方面:

(1)任务要求.服务机器人的主要职能是自主或半自主地为人类提供服务或安全保障。它涉及到探测,报警等多种功能,显然其任务具有多样性和灵活性的特点。因此,为了实现特定的任务,服务机器人的开发必须更重视载体尺寸、重量、能量供给、导航、避障等多方面的功能,同时配备相应的完成任务的工具。

(2)工作环境.机器人的工作环境一般分为两类:结构化环境和非结构化环境.工业机器人通常面对的是结构化环境,而服务机器人通常在非结构化的环境中工作。不过在环境中,机器人与人或环境设施可能经常发生互动即所谓的突发事件。因此,机器人必须具有灵活能力;换而言之,环境是随时变的。因此,服务机器人的工作环境更为复杂,受外界的影响,干扰更多。

(3)机械结构.机械结构通常指机器人的本体结构。任务和工作环境决定了机器人的结构形式。按照其本体结构的运动能力,可将服务机器人分为静止式和移动式两类。最常见的服务机器人是移动式的,其中以轮式结构最为广泛。

虽然针对不同的应用场合和服务对象,服务机器人在形式,功能等方面存在着较大的差别,但在设计和开发服务机器人的过程中,也存在一些共性的地方服务机器人的关键技术可归纳为以下几个方面:

①环境的表示

②环境感知和信号处理

③控制系统及其结构

④复杂任务和服务的实时规划

⑤适应于作业环境的机械本体结构

⑥研制低功耗,长时间工作的功能部件

这些关键技术的发展直接影响到服务机器人作为一个行业的应用前景。虽然以前服务机器人一度被认为是一个几乎不可获利的行业,但随着近年来,家用服务机器人和娱乐机器人市场开拓所获得的巨大成功,人们的观念正在发生变化。美国,日本和欧洲的一些大公司也纷纷进入了服务机器人的市场。

1.4 本论文的主要研究容

本论文主要以智能检测报警机器人这一产品的设计与开发为中心,详细叙述了该产品的各个环节的设计思想,设计理念和设计过程。通过将现代智能机器人领域的一些成熟技术应用于实际的产品开发中,达到获得直接的,感性认识的目的;同时也以具体应用为基础,对这一领域中的一些焦点的前沿问题作了进一步的研究。整个论文主要阐述了以下两个方面的问题：

(1) 智能检测报警机器人系统的总体结构规划和设计

(2) 以步进电机为主要驱动部件的机器人驱动机构的设计

1.5 本章小结

本章以智能检测报警这一产品的开发为平台,阐述了发展智能机器人技术的重要意义,并着重介绍了与该产品相关的机器人技术发展。由于智能检测报警机器人从产品的角度出发,是属于服务机器人的畴,本章也同时针对服务机器人在开发和设计过程中存在的一些共性问题,作了进一步的阐述。在此基础上,对整个课题的研究容和设计任务,作了具体的规划。

第2章.物体检测与报警机器人的总体设计

[本章提要] 本章主要介绍了智能检测报警机器人的产品要求,功能分析和性能特点。在此基础上提出了该产品的总体原理和具体功能模块的实现思路,从而对其形成一个完整的设计方案。

2.1 概述

随着社会的进步和发展,人们的学习和工作越来越繁重,于是怎样更大程度地将人们从烦琐的日常事务中解脱出来,就成为了新一代服务机器人所追求的目标,而智能化正是这一目标的集中体现。

本文介绍的智能检测报警机器人初步实现了无人情况下的自主工作方式,它结

构独特,灵活,且自备电源,由机载单片机进行实时的控制,由一个步进电机实现头部系统的驱动，在头部转动的过程中,它通过头部携带的超声波检测装置,检测周围的事物,当发现有移动物体时便报警,达到其看守防盗的目的。该机的优势在于其局部的自主化和智能化,它可以无需人的操控而自主的进行检测,并且在遇到移动物体时能够实时的报警。

2.2 主要组成

2.2.1 头部旋转机构

如图2-1所示,该机构为蜗轮蜗杆传动,将蜗杆轴由联轴器直接连接到电机上,由步进电机驱动。蜗轮通过轴与机器人头部相连接,从而使得蜗轮的转动带动机器人头部的旋转。

图2-1 机器人头部旋转机构

2.2.2 主体部

机器人的底部呈圆盘状采用地脚螺栓将其固定在地上,分躯干,上端盖(与颈部一体)两块直接浇铸出来然后通过螺钉连接,头部同样也分为两个半球直接浇铸出来然后通过螺栓连接在一起。

图2-2 机器人主体图

2.2.3 电机

选用步进电机,由步进电机直接带动蜗杆转动。因为通过控制步进电机的脉冲输入就可直接控制步进电机的转动速度,因此选用步进电机较合适,脉冲的输入便由单片机控制。

2.3 主要技术参数

1.设机器人头部每秒钟转动6度,因为蜗轮通过轴直接与机器人头部相连,所以

蜗轮的转速

21/min

n r

,要求蜗轮蜗杆的使用寿命为25000h，机器人头部的质量

5m kg =, 10L F N =(包含摩擦阻力)

2.机器人的外型尺寸为:头部直径20cm φ;颈部高5h cm =,粗10cm φ=;躯干40cm ×40cm ×60cm;底盘大直径100cm,小直径60cm,高40cm

2.4. 电机的选型

驱动机构是智能检测报警机器人的主要执行部件之一,它是实现机器人头部转动的物质基础。因此,驱动机构的性能直接影响到系统的工作特性和功能的实现,具有重要的意义。 2.4.1 驱动机构的组成.

智能检测报警机器人的驱动机构由以下三部分组成:(一) 核心驱动部件-步进电机; (二) 蜗轮蜗杆传动系统; (三) 机器人头部

图2-4 驱动机构的组成

其总体工作过程如下:由单片机产生一定频率的驱动脉冲信号,通过步进电机驱动器驱动步进电机;步进电机的转动通过蜗轮蜗杆传动(减速)带动头部转动;从而改变超声波的发射方向,起到检测周围运动物体的检测报警功能。

假设由单片机产生的驱动脉冲信号的频率为q f ;步进电机驱动器的分频数为

K ;步进电机的步距角为θ;蜗轮蜗杆的齿数为1z 和2z ;机器人头部的直径为D ;则整个传动过程可以定量计算如下:

z I z =

(2-1) K

Z Z f IK

f q q 21θθω=

(2-2)

v ?

=ω (2-3) 将式2-2代入2-3中得

12122

q q z D D

v f f z K IK θθ=

= (2-4) 其中v 为机器人头部的线速度;I 为蜗轮蜗杆的减速比。

由式2-4可以看出,机器人的头部转动速度正比于单片机的输出脉冲频率。在实际的系统中,由于机器人要检测移动物体。因此,系统的设计速度比较低,头部的转速设计为1/min n r =。

2.4.2 步进电机的选型比较

步进电机是一种把电脉冲信号转换成角位移的电气机械。其转子的转角与输入的电脉冲数成正比,转子的转速与单位时间脉冲数成正比,转矩是由磁阻作用所

产生的,旋转方向则取决于脉冲的顺序。因此,步进电机一定要与脉冲控制联系起来才能运行。

步进电机的主要优点归纳如下:

(1) 步进电机只能在一定脉冲电源供电下才能运行

(2) 步进电机的角位移量与输入脉冲严格成正比,因此,电机转动一周后没有累积误差,具有良好的跟随性

(3) 由步进电机和驱动控制器组成的开环控制系统,既简单又可靠 (4) 步进电机的调速与位置控制性能良好 (5) 步进电机的动态响应快,自启动能力强 (6) 输出力矩较大,属于力矩型电机当然,步进电机也存在一些缺点:

(1) 效率较低，输入功率有很大一部分转为热能消耗 (2) 步进电机存在低频震荡,失步和高频失步等缺陷 (3) 步进电机自身噪声和振动较大 2.4.3 步进电机的选型计算

如图2-4所示,机器人头部转动的阻力F=10N,转速1/min n r =,头部载荷平稳,在常温下工作。

(1).选择电动机的容量

电动机所需工作功率为: w

d P P η

工作机所需功率为: 1000

w Fv

P =

KW 传动装置的总效率为: 2212

3ηηηη= 按机械传动和摩擦副的效率概率值表,确定各部分效率:双头蜗杆传动

1η=0.75,联轴器效率2η=0.99,滚动轴承传动效率(一对)3η=0.99。

所需电动机的功率为:

W Fv P d 41.099

.099.075.01000026

.01010002

2=????==

η 因载荷平稳,电动机额定功率ed P 大于d P 即可。 (2).计算传动装置的运动和动力参数 0轴(电机轴) 00.41d P P W == 015.5/min m n n r == 0000.41

95509550252.6.15.5

P T N mm n === 1轴(蜗杆轴)

W P P P 4.099.099.041.03200101=??===ηηη 010115.515.5/min 1

n n r i =

== mm N n P T ?=?==5.2465

.154.095509550111 2轴(蜗轮轴)

W P P P 3.099.075.04.03111212=??===ηηη

121215.51/min 15.5

n n r i =

== mm N n P T ?=?==28651

3.095509550

222 3轴(机器人头部轴)

W P P P 297.099.03.0222323=?===ηη 23231

1/min 1

n n r i =

== mm N n P T ?=?==4.28361

297.095509550

333 表2 各轴的运动和动力参数

由于要求机器人的头部转速为16/n s ?=，所以根据蜗轮蜗杆的传动比可算出步进电机的转速 s n 935.1562=?=

根据电机的转速,可以选择步距脚为3?的步进电机,每秒钟给31个脉冲,这样就可以达到电机的需求转速。

再根据上面所算的数据,故可选择70BF003磁阻式步进电机。其数据见下表：

2.5 蜗轮蜗杆传动的选型设计

(1) 初步选型

根据表34.1-13圆柱蜗杆蜗轮参数的匹配(摘自GB/T10085-1988). 初选ZA 型蜗杆,其中心距60a mm =;传动比15.5i =;模数 2.5m =;蜗杆分度圆直径

125d mm =;蜗杆头数12Z =;蜗轮齿数231Z =;蜗轮变位系数20x =;蜗轮分度圆直径2122295d a d x m mm =--=;蜗杆直径系数1/10q d m ==

由1z 和q 查表34.1-15得'"

111836γ=

蜗轮的转矩 2122/2/1/2/1Z Z F n v F T L m L ?=?=ππ 又

1L F N =;12z =;231z =

∴23.T N m ≈ (电机选型中计算得)

选择蜗杆材质40cr,淬火硬度>45HRc;蜗轮圈材质ZcuSn10Pb1金属模铸造,在表34.1-21中查得220HPb MPa σ=

m n d v v s 1.0cos 106/cos /4111=?==γπγ

查表34.1-8得 1.0s Z =

71105.7250005.15/5.156000/6000?=??=?=h i n N

从图34.1-9查得N =7105.7?时 1.35n Z =

∴其许用接触应力为MPa Z Z n s HPb HP 29735.10.1220=??==σσ

注: s Z :滑动”速度”影响系数; n Z :寿命系数 (2) 接触强度验算确定K 值

s v =0.1/m s 11K = 取7级精度 21K =

取100%JC = 31K = ( 图34.1-6 ) 取30C ? 41K = ( 表34.1-18 ) 工作平稳 51K = ( 表34.1-19 )

154321==K K K K K K

MPa d KT d H 25/3195/15150/15150122??==σ

MPa MPa 83.5335.04.155=?= 接触强度足够 (3) 弯曲强度验算确定2Y 和FP σ

20.410Y =(表34.1-24); 1.0N Y =(图34.1-9); 50FPb MPa σ=(表34.1-23);

MPa Y N FPb FP 500.150=?==σσ

21222000/(cos )F KT d d mY σγ=

31.11cos 41.05.29525/(312000?????=) 2.550MPa MPa ≈

弯曲强度足够

(4) 该蜗杆传动(轴交角90?=∑)的几何尺寸计算

表1 蜗杆蜗轮几何尺寸