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摘 要
機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先設(shè)定的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的工作，例如
1.生產(chǎn)業(yè)，例如利用電焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械生產(chǎn)等。
2.物流方面，例如利用移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行貨物的卸載及搬運(yùn)等。
3.危險(xiǎn)的工作，例如利用軍事機(jī)器人在戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行掃雷，利用航天機(jī)器人進(jìn)行宇宙探索，利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的水下作業(yè)、利用科研機(jī)器人在火山等不利于人直接到達(dá)的區(qū)域采集標(biāo)本等。
本文設(shè)計(jì)的視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人主要內(nèi)容包括：底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、底盤的控制系統(tǒng)以及視覺(jué)算法。
1.底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：機(jī)器人采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的兩輪式結(jié)構(gòu)，動(dòng)力源采用步進(jìn)電機(jī)，減速裝置采用齒輪減速，利用差速移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，選用增量式光電編碼器對(duì)機(jī)器人速度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位。
2.底盤控制系統(tǒng)：應(yīng)用PIC16F877單片機(jī)接受視覺(jué)傳感器的視覺(jué)信號(hào)，做出決策然后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，完成機(jī)器人轉(zhuǎn)向、加速等功能。
3.視覺(jué)傳感部分及視覺(jué)算法：以視覺(jué)傳感器做為機(jī)器人的感知系統(tǒng)，利用機(jī)器人的攝像頭拍攝目標(biāo)圖像，通過(guò)圖像處理技術(shù)提取機(jī)器人所在環(huán)境的環(huán)境特征，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息的采集。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)控制，底層控制，PIC16F877，步進(jìn)電機(jī)
Abstract
Robot (Robot) is automatic implementation of the robotic device. It can accept human command, they can run pre-set programs can also be formulated in accordance with the principles of artificial intelligence program action. Its mission is to assist or replace human work, such as
1. Production industry, such as use of arc welding robots, welding robots, distribution, robots, painting robots, industrial robots, mechanical production.
2. Logistics, such as using mobile robots for unloading and handling of goods,
3. Dangerous work, such as the use of military robots for demining in the field, using space robot space exploration, utilization of industrial robots for a long time underwater, using scientific robots in the volcano, which are not conducive to directly reach Regional collected specimens.
This mobile robot visual design include the following: chassis structural design, chassis control systems and vision algorithms.
1. Chassis Design: the robot driven by two independent structure, the power source by a stepping motor, gear reduction device with the use of differential steering mobile robot platform, use incremental photoelectric encoder of the machine one speed test, the autonomous robot localization.
2. Chassis control system: application of vision sensors PIC16F877 microcontroller to accept visual signals to make decisions and generate drive signals to control the stepper motor. Stepper motor drive circuit uses two motor driver chip L298, stepper motor control to achieve complete robot steering, acceleration and other functions.
3. Visual and visual sensing part of the algorithm: as a robot with vision sensor perception system, using the robot camera shooting target image, image processing technique to extract the robot through the environment where the environmental characteristics, information on the environment the robot collection.
Key words: mobile robot, motion control, the underlying control, PIC16F877, stepper motor
目錄
摘 要 I
Abstract II
前言 1
1 基于視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人 2
1.1 移動(dòng)機(jī)器人的研究歷史 2
1.2 移動(dòng)機(jī)器人的研究意義 3
1.3 移動(dòng)機(jī)器人研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 5
2 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人方案的確定 8
2.1 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 8
2.2 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 10
2.3 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 11
2.4 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人最終模型 13
3 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.1 電動(dòng)機(jī)的確定 15
3.2 減速箱的確定 15
4 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21
4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 21
4.2 電子元件選型 23
5 移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)算法 26
5.1 圖像的采集 26
5.2 圖像的預(yù)處理 26
結(jié)論 30
致 謝 31
參考文獻(xiàn) 32
附錄 33
32
32
前言
隨著現(xiàn)代科技日新月異的發(fā)展，許多行業(yè)的工作有時(shí)不適合人類直接動(dòng)手操作，移動(dòng)機(jī)器人也便應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式分許多種，目前，隨著視覺(jué)傳感器價(jià)格的不斷下降，計(jì)算機(jī)處理速度的不斷提高，圖像處理理論的不斷完善，信息量豐富的視覺(jué)移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并在國(guó)內(nèi)外許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
本設(shè)計(jì)正是研究的視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人，此次設(shè)計(jì)中機(jī)器人通過(guò)攝像頭攝取判斷目標(biāo)物的的圖像從而判斷其位，內(nèi)部視覺(jué)處理設(shè)備再根據(jù)機(jī)器人的距離與角度進(jìn)行計(jì)算，最終確定機(jī)器人的前進(jìn)、倒退、拐彎等動(dòng)作。此方法控制的機(jī)器人靈活性強(qiáng)，操作準(zhǔn)確，不受溫度、天氣環(huán)境等外部條件的影響，長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛的應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航研究中，例如多次在機(jī)器人競(jìng)賽中奪冠的足球機(jī)器人就是運(yùn)用的此方法的簡(jiǎn)單應(yīng)用，目前足球機(jī)器人比賽已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)國(guó)際性的大型比賽。因此，視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人的研究具有重要意義。
1 基于視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人
1.1 移動(dòng)機(jī)器人的研究歷史
機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。機(jī)器人的歷史可以追溯到20世紀(jì)六十年代。1962年，美國(guó)Unimation公司的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate，在美國(guó)通用汽車公司(GM)投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生，也就是工業(yè)機(jī)器人的誕生，而本課題設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人有著很大的區(qū)別，移動(dòng)機(jī)器人更加強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人具有的移動(dòng)能力，從而面臨比固定式機(jī)器人更為復(fù)雜的不確定性環(huán)境，也增加了智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。
移動(dòng)機(jī)器人是一種集環(huán)境感知，路徑規(guī)劃，行為控制等多項(xiàng)功能于一體的高智能化機(jī)械系統(tǒng)，能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)自主控制。其中環(huán)境感知是指機(jī)器人所使用的各種傳感器，它相當(dāng)于機(jī)器人的感覺(jué)器官，目前機(jī)器人應(yīng)用比較多的傳感器有：超聲波傳感器、紅外傳感器、視覺(jué)傳感器、激光測(cè)距傳感器、味覺(jué)傳感器等等。由于現(xiàn)代科技的發(fā)展使視覺(jué)傳感器的成本越來(lái)越低，易用性也越來(lái)越強(qiáng)，視覺(jué)傳感器機(jī)器人的應(yīng)用也因此越來(lái)越廣闊。
對(duì)視覺(jué)機(jī)器人的研究從機(jī)器人研究初期就開(kāi)始了，例如：
168年到1972年間，美國(guó)斯坦福國(guó)際研究所(Stanford Research Institute, SRI)研制的移動(dòng)機(jī)器人Shaky就是一臺(tái)視覺(jué)機(jī)器人,Shaky具備一定人工智能，能夠自主進(jìn)行感知、環(huán)境建模、行為規(guī)劃并執(zhí)行任務(wù)(如尋找木箱并將其推到指定目的位置)。不過(guò)當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的體積龐大，運(yùn)算速度緩慢，導(dǎo)致Shaky往往需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間來(lái)分析采集的視覺(jué)圖像并規(guī)劃行動(dòng)路徑。
前蘇聯(lián)月球17號(hào)探測(cè)器把世界第一個(gè)無(wú)人駕駛的月球車送去月球，月球車行駛0.5公里，考察了8萬(wàn)平方米的月面。后來(lái)的月球車行駛37公里，向地球發(fā)回88幅月面視覺(jué)全景圖。在同一時(shí)代，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室也研制了月球車(Lunar rover),應(yīng)用于行星探測(cè)的研究。采用了視覺(jué)傳感器，激光測(cè)距儀以及觸覺(jué)傳感器。機(jī)器人能夠把環(huán)境區(qū)分為可通行、不可通行以及未知等類型區(qū)域。
1973年到1979年，斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室研制了CART移動(dòng)機(jī)器人，CART可以自主地在辦公室環(huán)境運(yùn)行。CART每移動(dòng)1米，就停下來(lái)通過(guò)攝像機(jī)的圖片對(duì)環(huán)境進(jìn)行分析，規(guī)劃下一步的運(yùn)行路徑。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)性能的限制，CART每一次規(guī)劃都需要耗時(shí)約15分鐘。
1981年，卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)研究所開(kāi)始研制機(jī)器人CMU Rover，它具有12個(gè)微處理器來(lái)處理實(shí)時(shí)任務(wù)，一個(gè)大型的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)遙控方式來(lái)進(jìn)行復(fù)雜規(guī)劃與環(huán)境分析。它通過(guò)聲納傳感器與視覺(jué)傳感器來(lái)探測(cè)環(huán)境中的障礙。
由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度以及傳感器感知能力的限制，這些移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制性能不佳。每自主前進(jìn)一步都需要停下來(lái)花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常采取遙控的方式。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的感知、決策能力也獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本課題正是在這樣的背景環(huán)境中提出。
1.2 移動(dòng)機(jī)器人的研究意義
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的研究也在日新月異，許多機(jī)器人已經(jīng)成為某些行業(yè)不可缺少的一部分，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及到的學(xué)科理論與技術(shù)也越來(lái)越廣泛，其中圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及機(jī)械加工技術(shù)都是機(jī)器人研究的必備技術(shù)。
目前，移動(dòng)機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)其應(yīng)用范圍，移動(dòng)機(jī)器人可以分為如下幾類：
辦公機(jī)器人：
Jijo-2：這是一款辦公自動(dòng)化機(jī)器人，在辦公室起到移動(dòng)信息庫(kù)的作用。該機(jī)器人在日語(yǔ)中的意思為“聰明的人”，由于內(nèi)置了超聲波傳感器，能夠自動(dòng)地移動(dòng)。
圖1-1 Jijo-2
家用機(jī)器人：
jak：這是由KIST和Woori技術(shù)公司共同研作的家用機(jī)器人，它具有自律行走、真空清掃和保安功能，已被商用化的Ijak憑借聲音識(shí)別技術(shù)，履行室內(nèi)清掃、MP3·AOD·VOD等多媒體服務(wù)和日程管理功能。
圖1-2 jak
探測(cè)機(jī)器人 ：
CCTV Robot System：根據(jù)韓國(guó)的國(guó)情精心設(shè)計(jì)的小型、輕便的防水結(jié)構(gòu)，可適用于直徑250～600的導(dǎo)管，由于采用了高清晰CCD，畫質(zhì)非常清晰。它可分為直視攝像機(jī)和側(cè)視攝像機(jī)，側(cè)視攝像機(jī)為PAN/TILT結(jié)構(gòu)，能夠360度自由旋轉(zhuǎn)。它的電子式控制裝置操作簡(jiǎn)便，適用于觀察上下水管道和煤氣管道等各種管道。
圖1-3 CCTV Robot System
防止危險(xiǎn)和災(zāi)害的機(jī)器人：
Gembu II：該機(jī)器人根據(jù)Active Multibody移動(dòng)機(jī)器人概念設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，主要制作目的是為了模擬和分析開(kāi)發(fā)具有實(shí)質(zhì)意義的鎮(zhèn)壓火災(zāi)型機(jī)器人所需的各種條件和數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，以機(jī)械特點(diǎn)為基本條件，充分考慮了操作簡(jiǎn)便、牢固和模塊化等因素。
Telerob & IVECO：由于在機(jī)器人身上安裝了紅外線攝像機(jī)等各種攝像機(jī)和傳感器以及控制器，能夠識(shí)別火焰的中心點(diǎn)，采取相應(yīng)措施。由于進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，煙霧不被視為障礙物，它能躲避致命的危險(xiǎn)。
圖1-4 Telerob & IVECO
研究用機(jī)器人：
Kismet：這是為了研究機(jī)器人與人類的相互作用而研制的自律性機(jī)器人。由于它能以面部表情傳達(dá)信息，可以為溝通方面的研究提供更加豐富的信息。機(jī)器人的眼睛為移動(dòng)式鏡頭，雙眼能同時(shí)斜視，因此可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)角度移動(dòng)。為了體現(xiàn)面部表情，在機(jī)器人身上設(shè)計(jì)了眉毛(分別為第二角度)、耳朵(分別為第二角度)、眼皮(分別為第二角度)、口(第一角度)等特征點(diǎn)。因此，可以改變這些特征點(diǎn)，體現(xiàn)出疲勞、恐怖、討厭、興奮、幸福、悲哀及驚訝等面部表情。
由上可知，智能機(jī)器人的研究及應(yīng)用已經(jīng)遍布人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于視覺(jué)機(jī)器人或者說(shuō)智能機(jī)器人的研究具有很大意義。
1.3 移動(dòng)機(jī)器人研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
目前，對(duì)機(jī)器人的研究越來(lái)越受到重視，索杰納的成功應(yīng)用，成為移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)嶄新的里程碑，向人們展現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人代替人們從事骯臟(Dirty)，危險(xiǎn)(Dangerous)，枯燥(Dull)工作的應(yīng)用潛力，激發(fā)了人們對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究的極大熱情，世界各國(guó)或國(guó)際機(jī)構(gòu)都加大了相關(guān)研究的力度。在近幾年內(nèi)，國(guó)外的突出成就有以下幾個(gè)方面：
歐盟：歐盟在2000—2004年啟動(dòng)的信息社會(huì)技術(shù)計(jì)劃中開(kāi)展了探測(cè)火山環(huán)境的機(jī)器人、用來(lái)評(píng)估地振危險(xiǎn)性的爬行機(jī)器人(ROBOSENSE)、借助機(jī)器人的交互式博物館臨場(chǎng)感(TOURBOT)等項(xiàng)目研究。ROBOSENSE將開(kāi)發(fā)一臺(tái)能夠攜帶探傷儀器的移動(dòng)機(jī)器人，對(duì)地振造成的建筑物結(jié)構(gòu)性損害進(jìn)行檢測(cè)，此外歐盟還開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用于人道主義排雷等研究。
法國(guó)：法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心于2001年中期，提出了一項(xiàng)有關(guān)機(jī)器人技術(shù)的大型國(guó)家計(jì)劃，稱作“機(jī)器人與人工體”。此計(jì)劃對(duì)“感知器執(zhí)行器”與認(rèn)知功能進(jìn)行跨學(xué)科的研究，實(shí)現(xiàn)這些功能在智能系統(tǒng)內(nèi)的集成，能夠在開(kāi)放的、變化的環(huán)境中自主完成各種任務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人與人交互、通過(guò)學(xué)習(xí)改進(jìn)其行為的功能。具體開(kāi)展了移動(dòng)式操作手，移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)定位，行星機(jī)器人1以及多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作等研究。
前蘇聯(lián)：前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，Lunokhod-1是最早登上月球的遙控式移動(dòng)機(jī)器人。俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公(Rover Science & Technology Joint-stock Company Ltd., RCL)把在開(kāi)發(fā)空間機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)地面機(jī)器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動(dòng)車、爬行移動(dòng)機(jī)器人、球形機(jī)器人、工作伙伴平臺(tái)以及ROSA-2移動(dòng)車等。
日本：日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(Ministry of Economy, Trade and Industry, M ETI)1998年開(kāi)始啟動(dòng)了人形機(jī)器人技術(shù)研究計(jì)劃(HRP)。在這一年，日本本田(Honda)公司展出了人形移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)主要目標(biāo)就是開(kāi)發(fā)一個(gè)開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的人形機(jī)器人平臺(tái)(簡(jiǎn)稱Open HRP)，用來(lái)探索人形機(jī)器人的各種應(yīng)用.METI從2002年又啟動(dòng)了一項(xiàng)國(guó)家項(xiàng)目一一“21世紀(jì)機(jī)器人挑戰(zhàn)”,其中一個(gè)三年的子項(xiàng)目是開(kāi)發(fā)應(yīng)用于機(jī)器人開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的中間件)。中間件能夠?qū)κ袌?chǎng)上銷售的各種機(jī)器人零件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，并且能夠更加容易地對(duì)這些零件進(jìn)行系統(tǒng)集成。更長(zhǎng)遠(yuǎn)的預(yù)期在于到2009年，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人商品化(Commercialize),將機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到家庭(Home)，醫(yī)療服務(wù)(Medical care)、災(zāi)害救助(Disaster relief)。此外，日本也一直進(jìn)行著有關(guān)月球探測(cè)的研究，計(jì)劃于2015-2020年在月球上建立一個(gè)小型基地，與該計(jì)劃相應(yīng)的行星漫游車研究也很活躍。
韓國(guó)：韓國(guó)科學(xué)技術(shù)部(Ministry of Science and Technology，MOST)于1999年啟動(dòng)的“21世紀(jì)尖端研究發(fā)展計(jì)劃”(21"Century Frontier R&D Program)，包括了服務(wù)機(jī)器人、惡劣環(huán)境中的機(jī)器人、微型機(jī)器人以及排雷機(jī)器人項(xiàng)目韓國(guó)信息與通訊部(Ministry of Information and Communication , MIC)發(fā)布了旨在促進(jìn)IT增長(zhǎng)的9個(gè)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域(Top 9 IT Growth Sectors)，其中智能化的服務(wù)機(jī)器人被列為首位。
美國(guó)：美國(guó)在行星移動(dòng)機(jī)器人以及軍用移動(dòng)機(jī)器人的研究與應(yīng)用方面投入了大量資金與科研力量。如:美國(guó)NASA支持的火星探測(cè)計(jì)劃、美國(guó)國(guó)防部支持的無(wú)人戰(zhàn)車研究計(jì)劃UGV(Unmanned Ground Vehicle)美國(guó)能源部的核廢料等危險(xiǎn)品搜集、搬運(yùn)自主車研究計(jì)劃等項(xiàng)目，吸收許多知名大學(xué)與研究所的科研人員參與。最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機(jī)器人—“勇氣”號(hào)與“機(jī)遇”號(hào)，它們的頂部裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)，攜帶多種分析儀器對(duì)火星巖石紋理及其成分進(jìn)行探測(cè)?！坝職狻迸c“機(jī)遇”號(hào)的探測(cè)使命預(yù)計(jì)為90個(gè)火星日，但在2004年成功著陸后，目前己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了預(yù)期的工作壽命。
國(guó)內(nèi)有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人研究的起步較晚，“八五”期間研制了ATB-1，即軍用智能機(jī)器人平臺(tái)，由浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)等聯(lián)合研制?！熬盼濉逼陂g又研制了軍用“智能機(jī)器人平臺(tái)2號(hào)，道路自主駕駛的最高速度為74Km/h。在國(guó)家“十五”863計(jì)劃中，展開(kāi)了一系列的有關(guān)智能機(jī)器人方面的研究。在危險(xiǎn)環(huán)境下作業(yè)移動(dòng)機(jī)器人高機(jī)動(dòng)性越障機(jī)器人、多足仿生機(jī)器人、仿人形機(jī)器人等研究項(xiàng)目取得了眾多的成果，這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位。
這一系列的成就推動(dòng)了我國(guó)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，縮短了與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，而且在某些領(lǐng)域也取得了國(guó)際領(lǐng)先的成果，己經(jīng)成為我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)突出領(lǐng)域。
2 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人方案的確定
2.1 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
2.1.1 動(dòng)力源的選擇
機(jī)器人的動(dòng)力源主要有步進(jìn)電機(jī)，直流電機(jī)和交流電機(jī)。其中：
直流電機(jī)：定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，其種類主要有無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，永磁式直流電動(dòng)機(jī)，電磁式直流電動(dòng)機(jī)。
交流電機(jī)：即輸出或輸入為交流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為交流電機(jī)，主要分為同步交流電機(jī)和異步交流電機(jī)兩種。
步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。主要分為永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）三種。
表2.1 常用電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
交流電機(jī)
1.可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；
2.效率高、調(diào)速范圍廣、響應(yīng)頻率高。
帶動(dòng)慣性負(fù)載能力差，一般需用齒輪減速裝置；
交流伺服電動(dòng)機(jī)的多用于中小型數(shù)控機(jī)床。
直流電機(jī)
1、無(wú)刷直流電機(jī)采用方波電流供電，所用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/體積比更高。
2、無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制造成本更低。
3、產(chǎn)生方波電壓和電流的變頻器比產(chǎn)生正弦波電壓和電流的變頻器簡(jiǎn)單，選用無(wú)刷直流電機(jī)更好。
1.在全磁場(chǎng)狀態(tài)，調(diào)電樞電壓，適合應(yīng)用在0~基速以下范圍內(nèi)調(diào)速。不能達(dá)到電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。
2.在電樞全電壓狀態(tài)，調(diào)激磁電壓，適合應(yīng)用在基速以上，弱磁升速。 不能得到電機(jī)的較低轉(zhuǎn)速。
3.在全磁場(chǎng)狀態(tài)，調(diào)電樞電壓，電樞全電壓之后，弱磁升速。適合應(yīng)用在調(diào)速范圍大的情況。這是直流電機(jī)最完善的調(diào)速方式，但設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)高。
步進(jìn)電機(jī)
1.轉(zhuǎn)速可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；
2.可以控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；
3.沒(méi)有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用、維修方便，制造成本低。
效率較低，發(fā)熱大，有時(shí)會(huì)“失步”。
步進(jìn)電機(jī)適用于中、小型機(jī)床和速度精度要求不高的地方。
通過(guò)幾種電機(jī)的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)雖然直流電機(jī)雖然有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)器人控制系統(tǒng)的判斷較為精確，與此同時(shí)我們從經(jīng)濟(jì)條件及其的具體應(yīng)用環(huán)境方面考慮得知，在此次設(shè)計(jì)中機(jī)器人動(dòng)力部分選擇步進(jìn)電機(jī)最為合適。
2.1.2 傳動(dòng)方式的選擇
傳動(dòng)方式主要對(duì)比齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)兩種方式來(lái)確定：
帶傳動(dòng) ： 帶傳動(dòng)是利用張緊在帶輪上的柔性帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力傳遞的一種機(jī)械傳動(dòng)。根據(jù)傳動(dòng)原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動(dòng)的摩擦型帶傳動(dòng)，也有靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動(dòng)的同步帶傳動(dòng)帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)，且其造價(jià)低廉、不需潤(rùn)滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)。
齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
表2.2 常用傳動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
帶傳動(dòng)
1.因?yàn)閹в袕椥?，因此傳?dòng)過(guò)程中可以起到緩沖和吸震的作用，是傳動(dòng)平穩(wěn)；
2.當(dāng)傳動(dòng)過(guò)載時(shí)，帶會(huì)產(chǎn)生打滑，能防止工件的損壞，從而保護(hù)原動(dòng)機(jī)；
帶是靠摩擦進(jìn)行傳動(dòng)的，而帶傳動(dòng)產(chǎn)生的打滑使傳動(dòng)比不確定，同時(shí)代的尺寸較大，傳動(dòng)效率低
齒輪傳動(dòng)
1.齒輪傳動(dòng)的效率高，可達(dá)到96%-99%；
2..結(jié)構(gòu)緊湊，比帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)所需空間??；
3.傳動(dòng)比穩(wěn)定
制造及安裝精度較高，不宜用于傳動(dòng)比過(guò)大的場(chǎng)合；
由上表可知，雖然帶傳動(dòng)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但此次設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及電機(jī)的減速等需要有較為嚴(yán)格，且要求傳動(dòng)平穩(wěn)，最終認(rèn)為選擇齒輪傳動(dòng)最為合適。
2.1.3 移動(dòng)方式的選擇
移動(dòng)方式主要從履帶式和輪式兩種方案進(jìn)行對(duì)比并確定：
表2.3 常用移動(dòng)方式對(duì)比
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
輪式
成本低，且輪損壞后可維修并再次使用，操控移動(dòng)方向較為容易,適用于較為平的地面及公路。
越野能力爬坡能力差，在崎嶇的野外行進(jìn)艱難.
履帶式
爬坡性能、越野性能、通行性能（對(duì)地壓強(qiáng)）強(qiáng)，適用于野外行進(jìn)，廣泛應(yīng)用于軍事行業(yè)。
制造成本高，且履帶損壞后無(wú)法再次使用，不適合在普通公路行進(jìn)。
此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人需要的是在普通的室內(nèi)運(yùn)動(dòng)且不涉及機(jī)器人的爬坡方面內(nèi)容，同時(shí)出于經(jīng)濟(jì)條件的考慮，我決定選擇輪式移動(dòng)方式作為本次設(shè)計(jì)中機(jī)器人的移動(dòng)方式.
2.2 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
控制系統(tǒng)的選擇：
1.PLC控制，普遍的應(yīng)用于廠礦車間，各種中大型生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)控制。具體包括礦山，煉鋼，機(jī)床，生產(chǎn)加工等等，應(yīng)用廣泛。大部分用在較大型的設(shè)備上。因?yàn)槠鋬r(jià)格較高，一般都是附加值較高的自動(dòng)控制系統(tǒng)才會(huì)考慮。因?yàn)槲曳艞壌朔桨浮?
2.單片機(jī)控制，目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡，同時(shí)單片機(jī)的成本比PLC略微低廉，綜合考慮我們決定選擇單片機(jī)控制。
單片機(jī)有8位，16位，32位等，這里的位指單片機(jī)CPU每次處理能力,8位是指單片機(jī)一次可以計(jì)算8位數(shù)據(jù),16位是指單片機(jī)一次可以計(jì)算16位數(shù)據(jù),依次類推，在此次設(shè)計(jì)中用8位單片機(jī)完全可以完成對(duì)機(jī)器人的控制，另考慮經(jīng)濟(jì)等方面，本設(shè)計(jì)決定選擇8位單片機(jī)！
2.3 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件部分由計(jì)算機(jī)、攝像頭、機(jī)器人地盤組成。軟件分為兩部分，即圖像處理和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制?；谝曈X(jué)導(dǎo)航的原始輸入圖像是連續(xù)的數(shù)字視頻圖像。系統(tǒng)工作時(shí)，圖像預(yù)處理模塊首先對(duì)原始的輸入圖像進(jìn)行縮小、邊緣檢測(cè)、等預(yù)處理。其次利用計(jì)算機(jī)計(jì)算并提取出對(duì)機(jī)器人有用的路徑信息。最后，運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)識(shí)別的路徑信息，調(diào)用直行或轉(zhuǎn)彎功能模塊使機(jī)器人做相應(yīng)的移動(dòng)。
圖2-1 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的流程圖
2.3.1 視覺(jué)導(dǎo)航的圖像預(yù)處理
由機(jī)器人導(dǎo)航的特點(diǎn)和機(jī)器視覺(jué)處理的特殊性，我們認(rèn)為機(jī)器人導(dǎo)航視覺(jué)系統(tǒng)要達(dá)到以下技術(shù)要求:
（1)根據(jù)系統(tǒng)要求準(zhǔn)確地分辨目標(biāo)物（調(diào)色板），盡量降低誤判，漏判的機(jī)率，并有一定的抗干擾能力。
（2)能對(duì)目標(biāo)物定位，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供參照物、障礙物的位置信息，并能滿足精度要求。
（3)滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。機(jī)器人攝像機(jī)每秒鐘要從比賽場(chǎng)地上攝取30幀圖像數(shù)據(jù)，如果視覺(jué)子系統(tǒng)達(dá)不到實(shí)時(shí)的要求，則系統(tǒng)所處理的前后兩幀圖像數(shù)據(jù)差異太大，不僅影響識(shí)別跟蹤的順利完成，而且也使動(dòng)作表現(xiàn)為反應(yīng)遲鈍，所以視覺(jué)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性越好，則系統(tǒng)反應(yīng)越快。
（4)魯棒性與自適應(yīng)性。由于目標(biāo)物在室外，由于多方面的原因，致使調(diào)試過(guò)程中環(huán)境的光亮度會(huì)發(fā)生變化。更甚的是在同一幀視頻圖像中，場(chǎng)地的不同區(qū)域。
光亮度也有可能不一致，有高亮度區(qū)域，也有陰暗區(qū)域（如樓房的陰影，或其它物體反射到場(chǎng)地中的光使場(chǎng)地局部變亮等等)。光照條件的變化及光亮度不均勻，將會(huì)降低系統(tǒng)識(shí)別的精度，甚至?xí)?dǎo)致目標(biāo)識(shí)別失敗。因此，很有必要研究對(duì)光亮度變化不敏感的彩色識(shí)別算法，來(lái)增強(qiáng)視覺(jué)子系統(tǒng)的魯棒性與自適應(yīng)性。
2.3.2 視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制
機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。
圖2-2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖
(1) 圖2-1為機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖，移動(dòng)機(jī)器人底盤如圖所示，具有三個(gè)輪子，其中前輪為支撐舵輪，起到支撐和導(dǎo)向的作用。后面的兩個(gè)輪子是驅(qū)動(dòng)輪，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。可以通過(guò)調(diào)節(jié)中間的兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速來(lái)控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。步進(jìn)電機(jī)與左、右輪構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變單片機(jī)輸出脈沖波的占空比來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向，從而完成機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，運(yùn)動(dòng)和停止。
(2) 上層控制系統(tǒng)傳給下層系統(tǒng)機(jī)器人與跟蹤物體的距離L和運(yùn)動(dòng)的角度a。通過(guò)分析距離L，我們可以判斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)距離L不變時(shí)，則機(jī)器人處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)距離L改變機(jī)器人處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
(3) 當(dāng)距離L改變時(shí)，我們判斷移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)角度a，當(dāng)a=0時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)如圖2-3，當(dāng)L>0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)L<0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人后退。此時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)。這時(shí)左、右輪子的運(yùn)動(dòng)速度相同、轉(zhuǎn)向相同
圖2-3 機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)示意圖
(4) 當(dāng)距離L改變時(shí)，我們判斷L的大小，當(dāng)L>0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)轉(zhuǎn)彎。當(dāng)L<0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人后退轉(zhuǎn)彎。之后我們判斷，移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)角度a，當(dāng)a不為0時(shí)，則移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎。當(dāng)a>0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人右轉(zhuǎn)彎。 a<0時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人左轉(zhuǎn)彎。
當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)左轉(zhuǎn)時(shí)，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)右轉(zhuǎn)時(shí)，左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)。機(jī)器人后退右轉(zhuǎn)時(shí)，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)。機(jī)器人后退左轉(zhuǎn)時(shí)，左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)。
2.4 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人最終模型
經(jīng)過(guò)以上方案的確定，本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人最終3D模型如圖所示：
圖 2-4 機(jī)器人云臺(tái)
圖2-5 機(jī)器人3D模型
圖2-6 機(jī)器人3D模型
3 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 電動(dòng)機(jī)的確定
從機(jī)器人是實(shí)際運(yùn)動(dòng)出發(fā)考慮，機(jī)器人的速度不能太快，否則會(huì)造成控制部分來(lái)不及處理和發(fā)送信號(hào)，電機(jī)不能及時(shí)做出反應(yīng)，從而使機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程中無(wú)法做出相應(yīng)的動(dòng)作。因此，機(jī)器人的移動(dòng)速度暫定為V=0.3M/S.
因此機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物時(shí)需要用機(jī)械手搬運(yùn)障礙物，所以機(jī)器人的最大載重量為40KG。
所以機(jī)器人電機(jī)克服摩擦力的功率
F磨= umg =0.2*40*9.8=78.4N
通過(guò)網(wǎng)上查找,電機(jī)的效率大約為80％,所以機(jī)器人電機(jī)克服摩擦力的功率
P=F·V
=78.4*0.377/0.8W
=36.946W
機(jī)器人的兩輪是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，所以每個(gè)電機(jī)克服摩擦的功率是18.473W，另外考慮到啟動(dòng)加速、上下坡和其他自然因素，因此每個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的功率定位32W。進(jìn)過(guò)理論和實(shí)踐證實(shí)30W的直流無(wú)算電機(jī)可以驅(qū)動(dòng)總載重為35KG的機(jī)器人。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，確定電機(jī)參數(shù)如下：
表3-1 電機(jī)數(shù)據(jù)
參數(shù)名稱
參數(shù)數(shù)值
輸出功率
40W
額定電壓
24V
額定電流
0.3A
轉(zhuǎn)速
300轉(zhuǎn)
轉(zhuǎn)矩
0.46N*M
3.2 減速箱的確定
3.2.1 減速箱齒輪的確定
本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人車輪半徑為0.1m，速度約為0.6 m/s。機(jī)器人電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為300n/m，車輪的轉(zhuǎn)速為120n/m。所以總傳動(dòng)比i總為：
i總=300n/m：120n/m=2.5
本文采用兩級(jí)圓柱齒輪減速器進(jìn)行減速，綜合考慮，本文決定用分流式（結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于齒輪相對(duì)于軸承對(duì)稱布置，與展開(kāi)式相比載荷沿齒寬分布均勻，軸承受載較均勻。中間軸危險(xiǎn)截面上的轉(zhuǎn)矩只相當(dāng)于軸所傳遞轉(zhuǎn)矩的一半。適用于變載荷的場(chǎng)合。高速級(jí)一般用斜齒，低速級(jí)可用直齒或人字齒）。
減速箱輸出扭矩為:
T = 9550×W/n×i×η （3-1）
= 9550×0.04KW/300n/m×2.5×92%
= 2.93 N*M
通過(guò)查找資料,確定減速箱第一級(jí)模數(shù)m=1.5,傳動(dòng)比ii=2.5,小齒輪齒數(shù)20,大齒輪齒數(shù)50.
表3-2 齒輪相關(guān)數(shù)據(jù)
模數(shù)：m 齒數(shù)：z壓力角α=20°
齒寬系數(shù)：Ψ=0.6
名稱
符號(hào)
計(jì)算公式
小齒輪
大齒輪
齒寬
b
dΨ
18
15
齒距
p
p=π m
4.725
7.725
齒頂高
ha
ha=m
1.5
1.5
齒根高
hf
hf=1.25m
1.875
1.875
齒高
h
h=2.25m
3.375
3.375
分度圓直徑
d
d=mz
30
75
齒頂圓直徑
da
da=m(z+2)
33
78
齒根圓直徑
df
df=m(z-2.5)
27
72
中心距
a
a=0.5m(z1+z2)
52.5
3.2.2 減速箱軸的確定
軸是減速器的主要零件之一，軸的結(jié)構(gòu)決定軸上零件的位置和有關(guān)尺寸。按彎扭合成強(qiáng)度條件初步計(jì)算軸的各段直徑，軸計(jì)算載面的直徑為
（3-2）
式中 —軸計(jì)算載面上的彎矩，N·mm;
—軸計(jì)算載面上的轉(zhuǎn)矩，N·mm;
—將轉(zhuǎn)矩折合成當(dāng)量彎矩的折算系數(shù)，若扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，；
—軸材料的許多彎曲應(yīng)力，MPa。
當(dāng)所在計(jì)算載面軸段開(kāi)有鍵槽時(shí)，由上式算得的直徑應(yīng)增大3%～5%（開(kāi)一個(gè)鍵槽）或7%～10%（開(kāi)兩個(gè)鍵槽），然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑.
通過(guò)如果減速器輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)軸相聯(lián)接，則外伸段軸徑與電動(dòng)機(jī)軸徑不得相差很大，否則難以選擇合適的聯(lián)軸器，也就是說(shuō)，減速器輸入軸軸端直徑和電動(dòng)機(jī)軸直徑必須在所選取聯(lián)軸器轂孔最大與最小直徑允許范圍內(nèi)。為此，可取減速器輸入軸軸端直徑
? mm
式中 —減速器輸入軸軸端直徑，mm；
—電動(dòng)機(jī)軸直徑，mm。
減速器傳動(dòng)中心距為已知，可取減速器從動(dòng)軸危險(xiǎn)截面直徑
???
式中 —減速器從動(dòng)軸危險(xiǎn)截面直徑，mm；
—該級(jí)傳動(dòng)的中心距，mm。
綜合實(shí)際情況，最后選擇軸1最小軸徑6mm，軸2最小軸徑10mm。
3.2.3 減速箱軸承的確定
將運(yùn)轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機(jī)械元件，叫滾動(dòng)軸承（rolling bearing）。
滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成。
內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)；外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用；滾動(dòng)體是借助于保持架均勻的將滾動(dòng)體分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響著滾動(dòng)軸承的使用性能和壽命；保持架能使?jié)L動(dòng)體均勻分布，防止?jié)L動(dòng)體脫落，引導(dǎo)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)起潤(rùn)滑作用。如圖3.1：
圖3.1
球軸承適于承受輕載荷，滾子軸承適于承受重載荷及沖擊載荷。當(dāng)滾動(dòng)軸承受純軸向載荷時(shí)，一般選用推力軸承；當(dāng)滾動(dòng)軸承受純徑向載荷時(shí)，一般選用深溝球軸承或短圓柱滾子軸承；當(dāng)滾動(dòng)軸承受純徑向載荷的同時(shí)，還有不大的軸向載荷時(shí)，可選用深溝球軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承及調(diào)心球或調(diào)心滾子軸承；當(dāng)軸向載荷較大時(shí)，可選用接觸角較大的角接觸球軸承及圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推力軸承組合在一起，這在極高軸向載荷或特別要求有較大軸向剛性時(shí)尤為適宜。
根據(jù)機(jī)器人的要求及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的原則，我們決定選擇深溝球軸承，進(jìn)一步通過(guò)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定所選軸承：
表3-3 619/9和16003號(hào)深溝球軸承相關(guān)數(shù)據(jù)
基本額定荷載
極限轉(zhuǎn)速
重量
代號(hào)
D
B
安裝尺寸
Cr
Cor
脂
油
da
da
ra
2.48
1.08
2700
3400
0.092
619/9
20
6
11.4
18.2
0.3
6.0
3.3
18000
22000
0.028
16003
35
8
19.4
32.6
0.3
部分符號(hào)含義如下圖：
圖 3-2
3.2.4 減速箱其它結(jié)構(gòu)的確定
1、鍵聯(lián)接的作用：
鍵聯(lián)接裝配中，鍵（一般用45號(hào)鋼制成）是用來(lái)聯(lián)接軸上零件并對(duì)它們起周向固定作用，以達(dá)到傳遞扭矩的一種機(jī)械零件。
2、鍵聯(lián)接的分類：
常用鍵連接分為平鍵、半圓鍵和斜鍵3類。
①平鍵：側(cè)面是工作面，與鍵槽側(cè)面貼合構(gòu)成松聯(lián)接，靠鍵與鍵槽間的壓力傳遞扭矩。平鍵包括普通平鍵、薄型平鍵、導(dǎo)向平鍵和滑鍵 3種。普通平鍵用于帶轂零件無(wú)需在軸上移動(dòng)的靜聯(lián)接；導(dǎo)鍵固定在軸上,而轂可以沿著鍵移動(dòng);滑鍵固定在轂上，而隨轂一同沿著軸上鍵槽移動(dòng)，導(dǎo)向平鍵和滑鍵都構(gòu)成動(dòng)聯(lián)接。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用的是普通平鍵聯(lián)接。
②半圓鍵：與平鍵類似，但它能繞其幾何中心擺動(dòng)，以適應(yīng)帶轂零件上鍵槽的斜度。
③斜鍵：用以構(gòu)成緊聯(lián)接，主要有楔鍵和切向鍵兩種。楔鍵的一個(gè)底面有1:100的斜度,借以楔緊在軸、轂之間構(gòu)成聯(lián)接。它主要靠摩擦傳遞扭矩和軸向力，因楔緊會(huì)引起帶轂零件的偏心，其應(yīng)用不如平鍵普遍。
3、鍵聯(lián)接的裝配工藝要點(diǎn)
?。?）裝配前應(yīng)檢查鍵的直線度、鍵槽對(duì)軸心線的對(duì)稱度和平行度。
（2）普通平鍵的兩側(cè)面與軸鍵槽的配合一般有間隙。重載荷、沖擊、雙向使用時(shí)，須有過(guò)盈。鍵兩端圓弧應(yīng)無(wú)干涉。鍵端與軸槽應(yīng)留有零點(diǎn)一零mm的間隙。
（3）普通平鍵的底面與鍵槽底面應(yīng)貼實(shí)。
（4）半圓鍵的半徑應(yīng)稍小于軸槽半徑，其他要求與一般平鍵相同。
圖3-3
4 視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文研究的雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人是由一個(gè)圓形移動(dòng)平臺(tái)和兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪與一個(gè)萬(wàn)向輪組成的 。圓形移動(dòng)平臺(tái)上的中心位于兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪的中間，該種機(jī)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可從0到無(wú)限大，任意設(shè)定。當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑為0時(shí)，由于能繞本體中心旋轉(zhuǎn)，所以有利于在狹窄場(chǎng)所改變方向，因此針對(duì)雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出機(jī)器人的控制方法，通過(guò)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，可以實(shí)現(xiàn)控制移動(dòng)機(jī)器人沿給定的軌跡運(yùn)動(dòng)。
4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
研究的雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人的幾何模型如圖4.l所示。主要參數(shù)如下：
F一移動(dòng)平臺(tái)上的關(guān)鍵點(diǎn)；G一移動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)心；b一兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的距離；r一驅(qū)動(dòng)輪的半徑；l一點(diǎn)G與點(diǎn)F之間的距離；φ 一平臺(tái)的轉(zhuǎn)角；θ 一左驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角；θ一右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角。
圖4.1 雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人幾何模型
移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心的速度為 v，它垂直于平臺(tái)的輪軸，因此它在兩個(gè)坐標(biāo)軸上的分量分別為：
和 (4-1)
消去 得如下關(guān)系式：
(4-2)
點(diǎn)F與點(diǎn)G有如下位置關(guān)系：
(4-3)
(4-4)
對(duì)(3)和(4)求導(dǎo)可得如下速度關(guān)系：
(4-5)
(4-6)
F點(diǎn)的速度關(guān)系可以表示為：
(4-7)
平臺(tái)質(zhì)心的速度與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：
和 (4-8)
可以得到矩陣表達(dá)式：
(4-9)
因?yàn)?
其中
所以
（4-10）
J定義為雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人的矩陣(4-10)，反映雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵點(diǎn)的速度與驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，同時(shí)也反映雙輪驅(qū)動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵點(diǎn)的作用力與驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系。
4.2 電子元件選型
4.2.1 開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 LM7805
LM7805是三端固定穩(wěn)壓器。有5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V七種不同的固定輸出電壓，廣泛用于各種電子設(shè)備中。其穩(wěn)壓器均有內(nèi)部過(guò)流、熱過(guò)載和輸出晶體管安全區(qū)保護(hù)功能，電路安全可靠。
雖然穩(wěn)壓器按國(guó)定的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，但外部接少量元件，即可做成可調(diào)穩(wěn)壓器或可調(diào)穩(wěn)流器使用。
4.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298
L298是ST公司生產(chǎn)的一款高電壓、大電流，小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等電感性負(fù)載;采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制;具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作:有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作:可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋抬控制電路。
其具有以下電氣特性：
(1)電源驅(qū)動(dòng)電壓Vs可達(dá)5V～46V，邏輯支持電壓VSS為4.5V～7V;
(2)輸入高電壓VIH為2.3～VSS，輸入低電壓為O～1.5V;
(3)峰值驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)3A，正常工作電流為2A，總驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)4A;
(4)響應(yīng)速度快
(5)提供過(guò)溫保護(hù)，工作溫度范圍可達(dá)-25℃～130℃正常工作溫度為13℃～35℃。溫度過(guò)高或溫度過(guò)低時(shí)，芯片均會(huì)停止工作，防止其損壞。
(6)L289采用的是15腳的Mluitwatt15封裝。
LM298典型應(yīng)用如圖4-1所示。
圖4-1 LM298典型應(yīng)用
4.2.3 單片機(jī) PIC16F877
單片機(jī)是將中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、定時(shí)器芯片和一些輸入輸出接口電路集成的一個(gè)芯片上的微控制器。
中央處理器是單片機(jī)的核心，它包括運(yùn)算器、控制器和寄存器3個(gè)主要部分。存儲(chǔ)器按工作方式可分為、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。RAM可以隨機(jī)地被CPU讀寫，斷電后存儲(chǔ)的內(nèi)容消失；ROM種的信息只能讀不能寫。輸入輸出接口是單片機(jī)的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)以及外部的所有信息都是通過(guò)單片機(jī)的I/O端口讀入單片機(jī)的。單片機(jī)計(jì)算的所有結(jié)果也都通過(guò)I/O輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
PIC16F877芯片上集成有：
（1）端口RA模塊：是一個(gè)只有6條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（2）端口RB模塊：是一個(gè)具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（3）端口RC模塊：是一個(gè)具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（4）端口RD模塊：是一個(gè)具有8條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（5）端口RE模塊：是一個(gè)具有3條引腳的輸入/輸出可編程的端口。
（6）定時(shí)器TMR0模塊：是一個(gè)8位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器使用。
（7）定時(shí)器TMR1模塊：是一個(gè)16位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器使用，并且可以與捕捉/比較/脈寬調(diào)制CCP模塊配合實(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。
（8）定時(shí)器TMR2模塊：是一個(gè)8位寬的可編程的定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器使用，并且可以與捕捉/比較/脈寬調(diào)制CCP模塊配合實(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。
（9）EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：是256×8的電可擦寫的存儲(chǔ)器，儲(chǔ)存的內(nèi)容掉電也不會(huì)丟失。
（10）A/D轉(zhuǎn)換器模塊：具有8個(gè)輸入通道和10位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來(lái)將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機(jī)內(nèi)部處理的數(shù)字量。
（11）捕捉/比較/脈寬調(diào)制CCP1和CCP2模塊：PIC16F877片內(nèi)包含兩個(gè)幾乎完全相同的CCP模塊，與TMR1和TMR2配合可以實(shí)現(xiàn)輸入捕捉、輸出比較和賣出調(diào)制輸出功能。輸入捕捉功能可以用于測(cè)量信號(hào)周期、頻率、脈沖等；輸出比較功能可以用于生產(chǎn)寬度不同的正負(fù)方波脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)可控硅、續(xù)電器等；脈寬調(diào)制輸出功能用來(lái)產(chǎn)生周期和脈沖可調(diào)的周期性方波信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)可驅(qū)動(dòng)可控硅、步進(jìn)電機(jī)等。
（12）通用同步/異步發(fā)生器USART模塊：用于實(shí)現(xiàn)二線式串行通信，可以定義為兩種工作方式，即全雙工異步方式和半雙工同步方式。
（13）主同步串行端口MSSP模塊：具有SPI和IC兩種工作模式，用來(lái)與具有SPI和IC串行端口的外接器件或者其他單片機(jī)進(jìn)行通信。
（14）并行從動(dòng)端口PSP模塊：可以用來(lái)與其他具有開(kāi)放總線的單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器或微處理器的并行數(shù)據(jù)連接，進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸和交換。
4.2.4 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。
步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)：
（1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。
（2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。
（3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。
（4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的選用計(jì)算方法。
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。轉(zhuǎn)在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在轉(zhuǎn)矩特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說(shuō)最大靜力矩大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。
選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。
選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動(dòng)的需要。
5 移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)算法
系統(tǒng)通過(guò)圖像傳感器獲取圖像并傳入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成圖像處理任務(wù)。本文所介紹的設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)易機(jī)器人添加視覺(jué)模塊，并研究了相關(guān)算法和策略，實(shí)現(xiàn)了自主路徑跟蹤。為了使系統(tǒng)真正做到穩(wěn)定快速，在圖像預(yù)處理、路徑識(shí)別和路徑跟蹤等各個(gè)環(huán)節(jié)都充分考慮到算法的實(shí)時(shí)性與魯棒性。
本設(shè)計(jì)中，機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航中的圖像處理技術(shù)包括：視頻圖像的采集、圖像的預(yù)處理、邊緣特征的提取以及直線的擬合算法等等。本章從各個(gè)方面對(duì)這些圖像處理技術(shù)進(jìn)行了分析和比較，提出最優(yōu)的圖像處理方法，保證機(jī)器人在導(dǎo)航中能夠有效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地為視覺(jué) 算法提供特征信息，并根據(jù)這些特征信息實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主巡線移動(dòng)。
5.1 圖像的采集
所謂圖像采集是指機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)獲取數(shù)字視頻圖像的過(guò)程,目前用于獲取圖像的視覺(jué)傳感器主要有ccd和cmos兩種，它們都是通過(guò)接受外界的激勵(lì)而產(chǎn)生響應(yīng)，然后把模擬的響應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而獲取客觀世界的圖像。
CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，