面向探险机器人比赛主题的移动机器人主体结构设计和实现 机械制造及其自动化专业

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r3\h目录摘要 第二章机器人比赛规则与机器人要点分析2.1机器人比赛规则简介本次探险机器人比赛规则是要求机器人在规定的时间里，在7mX10m的长方形比赛场地（周围有5cm挡板防止机器人跑出场地）里沿着白色线路行驶并且行驶过程中会出现各种障碍需要机器人来应对，比赛以机器人游历的景点数量累计得分并以此作为排名标准，机器人在检录口检录之后无法进行充电，且离开起点后不得有人工干预。游历过程中需要保持场地内的设施装置不能被损坏并且机器人不能对人造成伤害。游历时需要游历最大数量的景点，途中需要经过大量的斜坡、长桥、门、山丘和减速地带、隧道等等，线路以直线、弯道、交叉线路为主，并且机器人要求在时间限定范围内返回到出发点并且停止运行。比赛以机器人感应到感应线开始计时，返回起止区停止计时。如果机器人在时间限定的范围内没有回到出发点，那么就累计机器人游历过的景点的分数。若果出现机器人脱离白色线路、掉落桥下、破坏场地内的设施、出现死机等情况，裁判可以要求停止该次探险比赛。本次比赛分初赛、复赛以及决赛，进行的每轮比赛一个机器人有2次行走的机会。当然所游历的景点离得出发点越远，所得的分数越高，正确找到宝物可以获得额外的分数，若出现迟到等情况会扣除分数，能正常返回起点有相应加分。最后的总成绩将累加机器人游历所得的分数，并且按照从高到低的分数顺序进行排序。若出现分数相同的，则以时间用的短的名次在先。2.2机器人要点分析本次探险机器人比赛要点分析如下：因为一旦离开出发点就不能有人工干预，所以一定要选择电流足够大的电池来提供机器人运行时的动力，所以12V的锂电池很适合提供动力；由于要求沿着白线行驶，一旦机器人出现跑出线的情况就会停止探险，因而需要选择相应的传感器来保证机器人在白线上行驶并且最好能保证可以返回到出发点；由于现场可能会有人进行摄像等相关操作以及摄像机需要辅助光源，所以选择的传感器一定要能保证光源对机器人的影响比较小，所以最合适的莫过于灰度传感器。探险过程中会遇到一些门之类的障碍物，所以需要设置触碰开关来完成相应的动作，因此选择了对应的行程开关，由于触碰开关需要保证在机器人到达之前感应到障碍，所以考虑选择在机器人前端安装一个“Z”字型连接板。由于需要越过斜坡等障碍，因此所需要选择的电机的电压要足够防止出现难以上坡等难题，12V的电源足以提供动力。因为机器人比赛中会有弯道，此时可以通过电机的左右轮的速度差来完成。由于路面会有倾斜，机器人在运行过程中会出现颠簸的情况，因此在安装传感器的时候需要考虑到防止传感器遭受到破坏，因此设置了铰链连接机构来保证传感器的安全。第三章机器人结构设计与相关部件选型3.1电机选型与连接固定装置设计机器人系统的运动性能是影响机器人指标的主要方面，所以选择的器件能使机器人行驶正常、迅速是十分必要的，装置结构的设计要使得机器人有良好的柔韧性和灵活性。由于本次设计的是探险型移动机器人，所以对于电机的选择【16】就较为重要。如果选择使用步进电机来驱动的话，虽然可以较准的判定它旋转的角度，能够达到精准判定机器人的行驶路程也能准确判定机器人所处的位置，优点多多，但是它对于力矩的输出不够，旋转速度愈高，它的力矩就愈小，一旦达到很高的旋转速度时，转速会急剧下降，对于本次比赛要制作的需要拥有稳定速度的机器人不太合适。经过仔细考虑最终选择了直流电机，因为它在转动时力矩较大，而且形体较小，质量较轻便，组装容易。它的内置结构动力源是一种高速电机，通过加速或减速齿轮组，能够实现很大的扭力。下图是对两种电机做相应的条件的比较的图表。 表3-1二直流电机与步进电机的比较 比较项目步进电机直流电机调速性能较好较差位置控制精度差好控制难易程度简易较难价格低廉中等经过一系列的筛选，我最终选定了型号为JGY-385的减速电机,由于它的工作电压在6-24伏直接，因而很适合用于智能机器人，下表是在12V条件下的该电机相关参数。表3-2二JGY_385型电机相关参数范围电压额定电压空载转速空载电流转矩转速转矩电流转矩扭矩转矩功率堵转扭矩堵转电流减速比重量RANGEVOLTrpmmarpmmaKg.cmWKg.cmA1:0g6-12V1210040702250.5320.818.61006-12V12254017.5225237.50.8751006-12V1211.540822553150.81621006-12V126.5404.5225103250.82941006-12V124402.5225153300.8486100由于电机的安装需要保证电机的电机轴能够朝着车轮的中心轴的方向以便在装配式更加简便，并且在安装时要使得它们两个零件在同一直线上而且又需要保证电机四周的四个安装孔能够通过某种装置连接起来，因此在这里我选择设计了一种“L”字型的连接板的机构，为了保证良好的使用情况因此该板的材质选择使用不锈钢该通过该连接板来实现电机和底盘的连接以及电机和车轮的连接并且用5个螺丝来完成组装。下面是通过SOLDWORKS以及CAD软件制作的该电机的三维图和二维视图以及L型连接板的三维和二维视图和该种电机的实物图。图3.1电机三维图图3.2LGY_385电机实物图图3.3电机二维图图3.4L型连接板三维图图3.5L型连接板二维图3.2主控系统选型与固定装置设计为实现控制的简单化，快速化，方便化并考虑实用性和经济性等多重因素，我最后决定使用的是STM32主控系统板。因为STM32主控系统板上所有程序都被加工成一个个的模块，包含了电源开关、红外接口、复位按键、LED显示、电位器、保险丝等等多种部件，各个连接部位的连接口相对而言比较容易点，并且它的功能大多为自生所附带的，运行速度相比而言也很迅速，总体而言拥有功耗低，性能好，时效性强并且适合低压操作等优点同时还比较容易研发。关于它的参数如下表所示。表3-3二STM32主控系统芯片参数内核Cortex-M432-bitRISC特性单周期DSP指令工作频率168MHz210DMIPS/1.25DMIPS/MHz工作电压1.8-3.6V封装LQFP100存储资源512kBFlash196kBSRAM对于该主控系统的安装位置主要是安装在底盘的中间靠前部分，并且安装时必须要保证该主控系统板的周围的四个安装孔和底盘上的孔来实现中心对准并且使用螺丝和垫片进行组装以便进行连接而且安装时要使得该板与底盘保持在同一个面上以防止机器人在运行时出现某些问题。主控板与底板之间用铜柱进行支撑。下面是该系统板的三维图和二维图。图3.6主控板三维图图3.7主控板实物图图3.8主控板二维图图3.9支撑主控板的铜柱3.3电池选型与电池仓的设计由于这个系统要采用电池来提供持续的动力，如果选择9伏的蓄电池来供给电机电力，把该电压通过先降压再稳压的方式供电给系统。虽然它驱动电流的功能和稳固输出电压能力很强，但是它的占用空间太大因而在使用时不太方便。如果选择6个常用的1.5伏普通电池，尽管电压可以高达9伏，但是这会使得在调式系统时出现比较大的麻烦，所占的空间也大所以也不可行。如果选择能反复充电的锂电池来供给直流电动机【15】动力，由于锂电池本身电量较为充足，并且能够重复的充电来使用，因而非常适合本次用于探险比赛的机器人，经过一系列锂电池的比较最终确定的锂电池为性价比较高的聚合物锂电池（3串4AH），锂电池组电压为12伏。下面是它的一些相关的参数资料。表3.4锂电池相关参数标称电压11.1V产品尺寸23*67*124mm额定电流8A电池净重约424g过充保护电压12.6V容量10000mAh循环寿命700+次+工作温度-20°-60°至于该电池的安装机构我选择设计了一个体积较该锂电池略大一些的电池仓来存放锂电池，该电池仓的材质为塑料因为塑料的价格低且易获得，并将电池仓放在机器人底盘的中间位置，电池仓底部通过两个孔来与底盘上打好的两个孔对准从而形成完成连接，再通过电池仓承受电池的重量来让电池完成对系统的持续供电。下图为该锂电池的三维图与二维图。图3.10锂电池三维图图3.11锂电池实物图图3.12电池仓三维图3.4电机驱动板选型与固定装置设计考虑到只安装电机无法直接完成系统对机器人的控制，因而本次设计选用了电机驱动板，通过一系列比较筛选确定了选用双路直流电机驱动模块，它的优点主要在于尺寸小，有欠压保护系统，支持大部分的单片机驱动，自带静电泄放电路，使用光耦隔离控制信号，它所采用的是H桥L298N逻辑设计而成的，每路都支持控制使能、正反转以及制动。下表是它的相关参数。表3.5双路直流电机驱动模块参数输入电压范围DC6.5V~27V额定输入电压DC12V/24V输出通道数2路每路额定输出电流7A每路峰值输出电流50A每路额定输出功率84W控制信号电压3~6.5V每路控制信号电流3~11mA工作温度-25℃~80℃至于该板的安装位置考虑到由于之前的主控系统板占用了大部分中间靠前的位置因而将此板设计在底盘的中间靠后部分，通过四周的安装孔完成和底盘的固定连接并且使用螺栓和垫片来完成固定。驱动板与底板之间用铜柱进行支撑。下面是该板的三维、实物和二维图。图3.13驱动板三维图图3.14驱动板实物图图3.15驱动板二维图图3.16支撑电机驱动板的铜柱3.5传感器的选型与固定装置设计考虑到要使得机器人完成循迹功能，考虑到本次比赛中会出现各种颜色的光线，一般的传感器可能难以胜任此任务，所以经过查阅相关的传感器资料最后选择了7路灰度传感器以实现机器人的循迹功能。该种传感器的优点在于结构简单灵敏度较高，抗干扰的能力比普通红外传感器强，一般的照明灯对它基本没有影响，而且本次比赛中可能会出现摄像或者多种颜色的光线因而更确定了本传感器的对于比赛的重要意义，它的光源采用高亮白色聚光LED。下面介绍它的主要参数信息。供电电压5V，探测距离在10-15mm，采用高精度3266电位器。至于它的安装位置选择固定在机器人尾部，考虑到本次比赛的路面会出现起伏不平的情况，因此在这里选择在与底盘的连接处安装一个弹性钢片来完成传感器的连接，并且通过螺栓和垫片完成固定操作。弹性钢片厚度为0.1mm，材料为高弹性65Mn钢。部件的三维图和二维图、实物图如下所示。图3.17灰度传感器三维图图3.18灰度传感器实物图图3.19灰度传感器二维图图3.20弹性钢片三维图图3.21弹性钢片二维图3.6车轮的选型与固定车轮选择使用常规的橡胶材料的车轮，因为它的防滑性能较强且材料易于获得，价格非常便宜。并且考虑到本次比赛需要左右轮子的差速来完成转向功能，对于车轮的安装位置将其安放在机器人底盘的四个边角上并且通过“L”型连接板完成电机和车轮的连接固定，车轮的参数如下所示：轮胎外径70mm,内径51.8mm,宽度12mm。下面是轮子的三维、实物和二维图。图3.22车轮的三维图图3.23车轮的实物图图3.24车轮的二维图3.7触碰开关的选型与固定由于本次探险机器人比赛设置了门类似的障碍物，因此需要考虑在碰上障碍物后机器人会有相应的动作，所以我选择了在机器人的前端安装一个触碰开关来完成返程运动，至于触碰开关的选型经过一系列比较确定了型号为YBLX-ME/8104的形程开关。下面是这个开关的相关参数。表3.6ME/8104行程开关参数信息电流5A操作形式可调滚子转动臂触点形式一开一闭耐受电压6000Uimp电压AC250v型号YBLX-ME/8104产品认证3C认证图3.25行程开关三维图图3.26行程开关实物图图3.27行程开关二维图图3.28Z型连接板三维图图3.29Z型连接板二维图3.8机器人的总装配图本次通过底盘与“L”型板、电机驱动板、主控系统板、电池仓、弹性钢片的安装固定以及灰度传感器与弹性钢片的连接、“L”型板与电机、电机与车轮、锂电池组与电池仓、各种螺栓与垫片的连接生成了如下所示机器人总体的装配图。本机器人通过对称布置的形式保证了整体的美观性和运行时的稳定性。图3.30机器人总装配图第四章总结与展望4.1总结本篇文章通过对机器人各部分的选型和固定安装设计，使得机器人能够在比赛中完成循迹、转向等主要功能并能让机器人在比赛中取得良好的成绩。最初设计的时候由于对它一点都不熟悉，因而无从着手。后来请教了同学和导师，再通过上网查阅相关资料逐渐懂得了它的工作原理。4.2展望这次机器人的设计不但能够考察我们在书本上学到的知识，还能让我对机器人的运行机构和相关原理有了深入的了解和体会，更能够考验我们收集相关资料和自主学习的能力。通过这次设计，我对一些传感器以及一些其他元件的工作原理有了一定的了解，第一，对于专业知识有了更加深入的了解，经过对不熟悉的东西的查阅，并最后能掌握它且运用于实际，这是个不断成熟的过程。其次，作为一个设计者，在设计思路上一定要反复提高，不断学习以应对可能会出现的一个个问题，当然最重要的是拥有一颗平常心来寻找答案，并最终解决难题。总的来说，本次设计探险机器人主体结构，不论在理论知识或是学习方法，我都能有新的认识，感受颇多，因此在之后的学习和工作我一定要再接再厉，丰富拓展自己的理论知识，提高自我实践能力。参考文献[1]贾姆希迪.系统系工程原理和应用[M].机械工业出版社,2013.[2]贾姆希迪.系统系工程原理和应用[M].机械工业出版社,2013.232-261.[3]XuWL,TsoSK,FungYH.Sensor-basedreactivenavigationofamobilerobotthroughlocaltargetswitching[C]//AdvancedRobotics,1997.ICAR'97.Proceedings.8thInternationalConferenceon.IEEE,1997:361-366.[4]PeriVM,SimonD.Fuzzylogiccontrolforanautonomousrobot[C]//FuzzyInformationProcessingSociety,2005.Nafips2005MeetingoftheNorthAmerican