目錄TOC\o"1-3"\h\z第1章.緒論 31.1智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要意義 31.2國外機(jī)器人的發(fā)展史 31.2.1國外機(jī)器人的發(fā)展歷史 31.2.2國機(jī)器人的發(fā)展歷史 41.3服務(wù)機(jī)器人的特點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù) 41.4本論文的主要研究容 51.5本章小結(jié) 5第2章.物體檢測與報(bào)警機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 62.1概述 62.2主要組成 62.2.1頭部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 62.2.2主體部 72.2.3電機(jī) 72.3主要技術(shù)參數(shù) 82.4.電機(jī)的選型 82.4.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成. 82.4.2步進(jìn)電機(jī)的選型比較 92.4.3步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算 102.5蝸輪蝸桿傳動(dòng)的選型設(shè)計(jì) 122.6電機(jī)的效核 152.7軸的較核及聯(lián)件的選型 162.7.1.蝸桿軸的較核. 162.7.2.蝸桿軸上軸承的選型 202.7.3.蝸輪軸的較核. 222.7.4.蝸輪軸上軸承的選型 262.7.5.鍵的較核 282.7.6.聯(lián)軸器的選型 282.8本章小結(jié) 28第3章.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其控制方式 293.1.概述 293.2步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng) 293.2.1步進(jìn)電機(jī)的工作特性. 293.2.2步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng) 313.3本章小結(jié) 32結(jié)束語 32致謝 33參考文獻(xiàn) 34

第1章.緒論[本章提要].本章從闡述智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的意義出發(fā),簡要地回顧智能機(jī)器人的發(fā)展歷史和當(dāng)前的技術(shù)水平。在此基礎(chǔ)上,對于智能檢測報(bào)警機(jī)器人這一產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù),以及開發(fā)現(xiàn)狀,也作了進(jìn)一步介紹。1.1智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要意義智能機(jī)器人是具有感知,思維和行動(dòng)能力的機(jī)器,是機(jī)構(gòu)學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工自能、光電技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、仿真技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合成果，它從一個(gè)側(cè)面反映了一個(gè)國家科技發(fā)展的水平。更重要的是,作為新一代生產(chǎn)和服務(wù)的工具,它在國民生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域都占有更廣泛,更重要的位置,這對于人類開辟新的產(chǎn)業(yè),提高生產(chǎn)和生活水平具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。因此智能機(jī)器人技術(shù)作為科技技術(shù)的一個(gè)分支,受到了世界各國的普遍重視。發(fā)展智能機(jī)器人技術(shù)將對一個(gè)國家產(chǎn)生巨大的影響，主要集中在以下幾個(gè)方面：1.發(fā)展工業(yè)智能機(jī)器人可以增強(qiáng)一個(gè)國家的生產(chǎn)制造能力2.發(fā)展特種智能機(jī)器人可增強(qiáng)國家的可持續(xù)發(fā)展能力3.發(fā)展智能機(jī)器人技術(shù)可以提高國防實(shí)力1.2國外機(jī)器人的發(fā)展史1.2.1國外機(jī)器人的發(fā)展歷史美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，比起號稱"機(jī)器人王國"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。縱觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。

由于美國政府從60年代到70年代中的十幾年期間，并沒有把工業(yè)機(jī)器人列入重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府又無財(cái)政支持的情況下，寧愿錯(cuò)過良機(jī)，固守在使用剛性自動(dòng)化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險(xiǎn)，去應(yīng)用或制造機(jī)器人。加上，當(dāng)時(shí)美國失業(yè)率高達(dá)6．65％，政府擔(dān)心發(fā)展機(jī)器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機(jī)器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯(cuò)誤。70年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術(shù)路線上仍把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級機(jī)器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機(jī)器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機(jī)器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場上形成了較強(qiáng)的競爭力。

進(jìn)入80年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機(jī)器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵(lì)工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機(jī)器人，另一方面制訂計(jì)劃、提高投資，增加機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi)，把機(jī)器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機(jī)器人迅速發(fā)展。

盡管美國在機(jī)器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機(jī)器人技術(shù)在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。具體表現(xiàn)在：

（1）性能可靠，功能全面，精確度高；

（2）機(jī)器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；

（3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用；

（4）高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。1.2.2國機(jī)器人的發(fā)展歷史我國已在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列入國家重點(diǎn)科研規(guī)劃容，撥巨款在建立了全國第一個(gè)機(jī)器人研究示工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機(jī)器人的容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。1.3服務(wù)機(jī)器人的特點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)前面主要介紹了本課題的技術(shù)平臺智能機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r,在這一節(jié)中主要從產(chǎn)品的角度出發(fā),介紹智能檢測報(bào)警機(jī)器人所屬的服務(wù)機(jī)器人這一大疇的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。它對于該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有指導(dǎo)性的意義。智能檢測機(jī)器人從其產(chǎn)品的功能上劃分,是屬于近年來剛剛興起的服務(wù)機(jī)器人的疇。關(guān)于服務(wù)機(jī)器人的定義目前還并不統(tǒng)一;簡單地說,它是指一種能夠自主或半自主運(yùn)行,且為人類健康,安全和設(shè)備運(yùn)行提供服務(wù)的智能機(jī)器。因此,服務(wù)機(jī)器人存在自身的一些特點(diǎn),主要集中在以下三方面:任務(wù)要求.服務(wù)機(jī)器人的主要職能是自主或半自主地為人類提供服務(wù)或安全保障。它涉及到探測,報(bào)警等多種功能,顯然其任務(wù)具有多樣性和靈活性的特點(diǎn)。因此,為了實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù),服務(wù)機(jī)器人的開發(fā)必須更重視載體尺寸、重量、能量供給、導(dǎo)航、避障等多方面的功能,同時(shí)配備相應(yīng)的完成任務(wù)的工具。工作環(huán)境.機(jī)器人的工作環(huán)境一般分為兩類:結(jié)構(gòu)化環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境.工業(yè)機(jī)器人通常面對的是結(jié)構(gòu)化環(huán)境,而服務(wù)機(jī)器人通常在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中工作。不過在環(huán)境中,機(jī)器人與人或環(huán)境設(shè)施可能經(jīng)常發(fā)生互動(dòng)即所謂的突發(fā)事件。因此,機(jī)器人必須具有靈活能力;換而言之,環(huán)境是隨時(shí)變的。因此,服務(wù)機(jī)器人的工作環(huán)境更為復(fù)雜,受外界的影響,干擾更多。機(jī)械結(jié)構(gòu).機(jī)械結(jié)構(gòu)通常指機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)。任務(wù)和工作環(huán)境決定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式。按照其本體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能力,可將服務(wù)機(jī)器人分為靜止式和移動(dòng)式兩類。最常見的服務(wù)機(jī)器人是移動(dòng)式的,其中以輪式結(jié)構(gòu)最為廣泛。雖然針對不同的應(yīng)用場合和服務(wù)對象,服務(wù)機(jī)器人在形式,功能等方面存在著較大的差別,但在設(shè)計(jì)和開發(fā)服務(wù)機(jī)器人的過程中,也存在一些共性的地方服務(wù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)可歸納為以下幾個(gè)方面:①環(huán)境的表示②環(huán)境感知和信號處理③控制系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)④復(fù)雜任務(wù)和服務(wù)的實(shí)時(shí)規(guī)劃⑤適應(yīng)于作業(yè)環(huán)境的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)⑥研制低功耗,長時(shí)間工作的功能部件這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展直接影響到服務(wù)機(jī)器人作為一個(gè)行業(yè)的應(yīng)用前景。雖然以前服務(wù)機(jī)器人一度被認(rèn)為是一個(gè)幾乎不可獲利的行業(yè),但隨著近年來,家用服務(wù)機(jī)器人和娛樂機(jī)器人市場開拓所獲得的巨大成功,人們的觀念正在發(fā)生變化。美國,日本和歐洲的一些大公司也紛紛進(jìn)入了服務(wù)機(jī)器人的市場。1.4本論文的主要研究容本論文主要以智能檢測報(bào)警機(jī)器人這一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)為中心,詳細(xì)敘述了該產(chǎn)品的各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)過程。通過將現(xiàn)代智能機(jī)器人領(lǐng)域的一些成熟技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)中,達(dá)到獲得直接的,感性認(rèn)識的目的;同時(shí)也以具體應(yīng)用為基礎(chǔ),對這一領(lǐng)域中的一些焦點(diǎn)的前沿問題作了進(jìn)一步的研究。整個(gè)論文主要闡述了以下兩個(gè)方面的問題：(1)智能檢測報(bào)警機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)規(guī)劃和設(shè)計(jì)(2)以步進(jìn)電機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)部件的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)1.5本章小結(jié)本章以智能檢測報(bào)警這一產(chǎn)品的開發(fā)為平臺,闡述了發(fā)展智能機(jī)器人技術(shù)的重要意義,并著重介紹了與該產(chǎn)品相關(guān)的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展。由于智能檢測報(bào)警機(jī)器人從產(chǎn)品的角度出發(fā),是屬于服務(wù)機(jī)器人的疇,本章也同時(shí)針對服務(wù)機(jī)器人在開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中存在的一些共性問題,作了進(jìn)一步的闡述。在此基礎(chǔ)上,對整個(gè)課題的研究容和設(shè)計(jì)任務(wù),作了具體的規(guī)劃。第2章.物體檢測與報(bào)警機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)[本章提要]本章主要介紹了智能檢測報(bào)警機(jī)器人的產(chǎn)品要求,功能分析和性能特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上提出了該產(chǎn)品的總體原理和具體功能模塊的實(shí)現(xiàn)思路,從而對其形成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)方案。2.1概述隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展,人們的學(xué)習(xí)和工作越來越繁重,于是怎樣更大程度地將人們從煩瑣的日常事務(wù)中解脫出來,就成為了新一代服務(wù)機(jī)器人所追求的目標(biāo),而智能化正是這一目標(biāo)的集中體現(xiàn)。本文介紹的智能檢測報(bào)警機(jī)器人初步實(shí)現(xiàn)了無人情況下的自主工作方式,它結(jié)構(gòu)獨(dú)特,靈活,且自備電源,由機(jī)載單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制,由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)頭部系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，在頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中,它通過頭部攜帶的超聲波檢測裝置,檢測周圍的事物,當(dāng)發(fā)現(xiàn)有移動(dòng)物體時(shí)便報(bào)警,達(dá)到其看守防盜的目的。該機(jī)的優(yōu)勢在于其局部的自主化和智能化,它可以無需人的操控而自主的進(jìn)行檢測,并且在遇到移動(dòng)物體時(shí)能夠?qū)崟r(shí)的報(bào)警。2.2主要組成2.2.1頭部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖2-1所示,該機(jī)構(gòu)為蝸輪蝸桿傳動(dòng),將蝸桿軸由聯(lián)軸器直接連接到電機(jī)上,由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。蝸輪通過軸與機(jī)器人頭部相連接,從而使得蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人頭部的旋轉(zhuǎn)。圖2-1機(jī)器人頭部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2.2.2主體部機(jī)器人的底部呈圓盤狀采用地腳螺栓將其固定在地上,分軀干,上端蓋(與頸部一體)兩塊直接澆鑄出來然后通過螺釘連接,頭部同樣也分為兩個(gè)半球直接澆鑄出來然后通過螺栓連接在一起。圖2-2機(jī)器人主體圖2.2.3電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī),由步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)橥ㄟ^控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸入就可直接控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,因此選用步進(jìn)電機(jī)較合適,脈沖的輸入便由單片機(jī)控制。2.3主要技術(shù)參數(shù)1.設(shè)機(jī)器人頭部每秒鐘轉(zhuǎn)動(dòng)6度,因?yàn)槲佪喭ㄟ^軸直接與機(jī)器人頭部相連,所以蝸輪的轉(zhuǎn)速,要求蝸輪蝸桿的使用壽命為25000，機(jī)器人頭部的質(zhì)量,(包含摩擦阻力)2.機(jī)器人的外型尺寸為:頭部直徑;頸部高,粗;軀干40cm×40cm×60cm;底盤大直徑100cm,小直徑60cm,高40cm2.4.電機(jī)的選型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是智能檢測報(bào)警機(jī)器人的主要執(zhí)行部件之一,它是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能直接影響到系統(tǒng)的工作特性和功能的實(shí)現(xiàn),具有重要的意義。2.4.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成.智能檢測報(bào)警機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由以下三部分組成:(一)核心驅(qū)動(dòng)部件-步進(jìn)電機(jī);(二)蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng);(三)機(jī)器人頭部圖2-4驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成其總體工作過程如下:由單片機(jī)產(chǎn)生一定頻率的驅(qū)動(dòng)脈沖信號,通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī);步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)(減速)帶動(dòng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng);從而改變超聲波的發(fā)射方向,起到檢測周圍運(yùn)動(dòng)物體的檢測報(bào)警功能。假設(shè)由單片機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖信號的頻率為;步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的分頻數(shù)為;步進(jìn)電機(jī)的步距角為;蝸輪蝸桿的齒數(shù)為和;機(jī)器人頭部的直徑為;則整個(gè)傳動(dòng)過程可以定量計(jì)算如下:(2-1)(2-2)(2-3)將式2-2代入2-3中得(2-4)其中為機(jī)器人頭部的線速度;為蝸輪蝸桿的減速比。由式2-4可以看出,機(jī)器人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)速度正比于單片機(jī)的輸出脈沖頻率。在實(shí)際的系統(tǒng)中,由于機(jī)器人要檢測移動(dòng)物體。因此,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速度比較低,頭部的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為。2.4.2步進(jìn)電機(jī)的選型比較步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的電氣機(jī)械。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與輸入的電脈沖數(shù)成正比,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間脈沖數(shù)成正比,轉(zhuǎn)矩是由磁阻作用所產(chǎn)生的,旋轉(zhuǎn)方向則取決于脈沖的順序。因此,步進(jìn)電機(jī)一定要與脈沖控制聯(lián)系起來才能運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下:(1)步進(jìn)電機(jī)只能在一定脈沖電源供電下才能運(yùn)行(2)步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入脈沖嚴(yán)格成正比,因此,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周后沒有累積誤差,具有良好的跟隨性(3)由步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開環(huán)控制系統(tǒng),既簡單又可靠(4)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速與位置控制性能良好(5)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,自啟動(dòng)能力強(qiáng)(6)輸出力矩較大,屬于力矩型電機(jī)當(dāng)然,步進(jìn)電機(jī)也存在一些缺點(diǎn):(1)效率較低，輸入功率有很大一部分轉(zhuǎn)為熱能消耗(2)步進(jìn)電機(jī)存在低頻震蕩,失步和高頻失步等缺陷(3)步進(jìn)電機(jī)自身噪聲和振動(dòng)較大2.4.3步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算如圖2-4所示,機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力F=10N,轉(zhuǎn)速,頭部載荷平穩(wěn),在常溫下工作。(1).選擇電動(dòng)機(jī)的容量電動(dòng)機(jī)所需工作功率為:工作機(jī)所需功率為:KW傳動(dòng)裝置的總效率為:按機(jī)械傳動(dòng)和摩擦副的效率概率值表,確定各部分效率:雙頭蝸桿傳動(dòng)=0.75,聯(lián)軸器效率=0.99,滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率(一對)=0.99。所需電動(dòng)機(jī)的功率為:因載荷平穩(wěn),電動(dòng)機(jī)額定功率大于即可。(2).計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)0軸(電機(jī)軸)1軸(蝸桿軸)2軸(蝸輪軸)3軸(機(jī)器人頭部軸)表2各軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)軸名功率轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比效率輸入輸出輸入輸出電機(jī)軸0.41252.615.5115.510.980.740.99蝸桿軸0.40.396246.548.515.5蝸輪軸0.30.29728652836.41機(jī)器人頭部軸0.290.2872836.42807.991由于要求機(jī)器人的頭部轉(zhuǎn)速為，所以根據(jù)蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比可算出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,可以選擇步距腳為的步進(jìn)電機(jī),每秒鐘給個(gè)脈沖,這樣就可以達(dá)到