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摘 要
在人類文明高度發(fā)達的今天，隨著機器人技術(shù)的迅速發(fā)展和人們生活水平的提高，越來越多的機器人已經(jīng)開始逐漸進入人們的家居生活中，這些機器人稱為家庭服務(wù)機器人，它們可以完成一些簡單的家庭工作并監(jiān)測家居環(huán)境，甚至還可以照顧生活上不能自理的病人。
本設(shè)計主要對家庭服務(wù)的送水機器人的機械方案、電路設(shè)計、程序編寫部分展開研究，使用三維軟件對送水機器人的運動底盤和夾持機構(gòu)進行實體建模、整體裝配和結(jié)構(gòu)分析，從而使機器人更適用于家庭環(huán)境中。利用數(shù)控設(shè)備加工零部件，并裝配出實際的機器人結(jié)構(gòu)。通過了解目前家用機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計了機器人的控制電路，包括機器人移動、驅(qū)動伺服電機、夾持機構(gòu)的驅(qū)動電路。提出和完成了以ATmega16為核心處理器的環(huán)境信息分析和機器人自動巡線移動的程序設(shè)計。系統(tǒng)總體方案還包括飲水機的位置檢測和執(zhí)行機構(gòu)的動作控制，從而實現(xiàn)自動完成送水任務(wù)。
關(guān)鍵詞：家用機器人；ATmega16；自動巡線
Abstract
In today's highly developed human civilization, with the rapid development of robot technology and people's living standards improve, more and more robots have begun to gradually enter the home life of the people, these robots known as the home service robot, they can complete some simple family, and to monitor the home environment, and can even take care of life can not take care of patients.
This design is written on the program of Family Service of water to the robot's mechanical, circuit design, program part of the study, the use of 3D solid modeling, the overall assembly and structural analysis software on the water to the robot chassis and the clamping mechanism, so that robot is more suitable for the home environment. Utilization of numerical control equipment processing parts, and assemble the robot structure. By understanding the application status of the household robot design robot control circuit, including the robot to move and drive the servo motor, the drive circuit of the holding mechanism. Proposed and completed the programming of the core processor ATmega16 for environmental analysis and robot automatically patrol the line moving. Overall scheme also includes a position detection and control of the action of the executive body of the drinking fountains and bottled water task in order to achieve auto-complete.
Keywords: Domestic Robot; the ATmega16; automatic line inspection
目 錄
引言 1
1 家用機器人介紹 2
1.1 美國家用機器人 2
1.2 日本家用機器人 4
1.3 國內(nèi)家用機器人 5
2 機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
2.1 履帶底盤 7
2.1.1同步帶驅(qū)動原理 7
2.1.2同步帶和同步帶輪的選擇和設(shè)計 7
2.1.3主動輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
2.1.4固定電機的零件設(shè)計 8
2.1.5支撐從動輪的零件設(shè)計 9
2.1.6從動輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
2.2 軸承滑塊升降機構(gòu) 10
2.2.1設(shè)計理念 10
2.2.2升降機構(gòu)的實現(xiàn) 10
2.3 夾持機構(gòu) 11
2.3.1夾持手指的設(shè)計 11
2.3.2夾持動作的實現(xiàn) 11
3 機械結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝 11
3.1 固定電機的零件的加工工藝 11
3.2 從動輪軸的加工工藝 13
3.3夾持手指的加工工藝 13
3.4機器人的裝配工藝 13
3.4.1同步帶的安裝方法 13
3.4.2底盤的裝配工藝 13
3.4.3升降機構(gòu)的裝配工藝 14
3.4.4夾持機構(gòu)的裝配工藝 15
3.5 送水機器人的三維模型 16
4 機械系統(tǒng)的力學(xué)分析 17
4.1 電機的選擇和參數(shù)計算 17
4.1.1電機的性能和型號 17
4.1.2電機參數(shù) 17
4.2同步帶傳動的設(shè)計計算 18
4.2.1確定傳動比 18
4.2.2選擇同步帶的節(jié)距 18
4.2.3計算帶輪直徑 18
4.2.4選定中心距 18
4.2.5計算帶輪包角 18
4.2.6確定同步帶長和帶寬 18
4.2.7驗算線速度 18
4.3 從動輪聯(lián)接軸的設(shè)計計算 19
4.3.1選擇軸的材料 19
4.3.2初步確定軸的直徑 19
4.3.3軸的強度校核 19
4.4 從動輪支撐軸承的設(shè)計計算 20
4.4.1軸承的選用 20
4.4.2軸承的校核計算 20
4.5 螺釘聯(lián)接的設(shè)計計算 21
4.5.1螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計 21
4.5.2螺釘?shù)氖芰Ψ治?21
4.5.3確定螺釘直徑 22
5 電路系統(tǒng)的設(shè)計 23
5.1 電路系統(tǒng)總體設(shè)計圖 23
5.2 信號檢測 23
5.2.1光電傳感器介紹 23
5.2.2光敏二極管原理 24
5.2.3光電傳感器的布局 24
5.2.4傳感器電路設(shè)計 25
5.3 電機驅(qū)動電路 25
5.3.1直流電機驅(qū)動原理 25
5.3.2電磁繼電器電路設(shè)計 26
5.4 電源模塊 27
5.4.1單片機獨立電源設(shè)計 27
5.4.2光耦和器電源設(shè)計 27
5.4.3直流電機驅(qū)動電源設(shè)計 28
5.5 單片機最小系統(tǒng) 29
5.5.1 ATmega16單片機介紹 29
5.5.2最小系統(tǒng)板的設(shè)計 29
6 控制系統(tǒng)的設(shè)計 31
6.1 控制系統(tǒng)程序流程圖 31
6.2 行星減速電機驅(qū)動控制 34
6.2.1 PWM基本原理 34
6.2.2速度控制的實現(xiàn) 34
6.3 行程開關(guān)的應(yīng)用 35
7 結(jié)論 36
謝 辭 37
參考文獻 38
附 錄 39
引言
機器人技術(shù)是一種是以自動化技術(shù)和計算機技術(shù)為主體、有機融合各種現(xiàn)代信息技術(shù)的系統(tǒng)集成和應(yīng)用。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，機器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提升了生產(chǎn)品質(zhì)并成功解放了勞動力資源。作為高技術(shù)領(lǐng)域中重要的前沿技術(shù)之一，機器人技術(shù)具有前瞻性、先導(dǎo)性的特點，對學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)升級、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、保障國家安全、引領(lǐng)未來經(jīng)濟社會的發(fā)展有著十分重要的作用。目前，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)突破，從根本上為提升機器人技術(shù)的學(xué)術(shù)研究提供了必要的支持，為機器人的應(yīng)用范圍拓寬了道路，已涵蓋國防、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、老人康復(fù)、教育甚至普通家庭生活，一場新的機器人技術(shù)研究高潮和發(fā)展契機也已到來。
隨著當(dāng)今計算機技術(shù)、電氣自動化技術(shù)（包括新型的傳感器技術(shù)）、精密機械技術(shù)的高速發(fā)展，使得建立在這些基礎(chǔ)技術(shù)上的機器人技術(shù)在軍事、教育、娛樂、家用等領(lǐng)域得到了高速的發(fā)展?？茖W(xué)家確信，機器人會進入人們的日常生活，并徹底改變?nèi)藗兊纳?，并將朝著更有趣、更多能的智能化方向發(fā)展。家用機器人作為為人類服務(wù)的特種機器人，結(jié)合了機器人技術(shù)與信息技術(shù)、輔助技術(shù)、護理技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)等學(xué)科,主要從事家庭服務(wù)，維護、保養(yǎng)、修理、運輸、清洗、監(jiān)護等工作。
在機器人技術(shù)日益完善和人們生活水平不斷提高的今天，家用機器人走進千家萬戶服務(wù)人類的日子已經(jīng)到來，特別是對于老年人和殘疾人，家用服務(wù)機器人顯得異常重要。目前家用機器人的種類主要有清潔機器人、娛樂機器人、教育機器人和廚師機器人等。家用人機器人的三大核心技術(shù)是移動技術(shù)、操縱處理物品的技術(shù)和識別信息化技術(shù)，對于這些核心技術(shù)的研究仍然不夠深入，致使家用機器人的發(fā)展還有很多技術(shù)上的障礙?！〉?，隨著技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字產(chǎn)品的價格下降，家用機器人必將成為未來數(shù)字家庭的主導(dǎo)。
1
1 家用機器人介紹
1.1 美國家用機器人
美國對于機器人的研究比較注重于實際應(yīng)用和軍事應(yīng)用，在家用機器人方面也同樣處于領(lǐng)先地位。其中最出名的有世界上第一臺智能清潔機器人roomba（圖1-1），世界上首位“家庭家庭主婦”Valerie（圖1-2），世界上第一臺可編程家用機器人Luna（圖1-3）。
Roomba 使用先進的 iAdapt(TM)技術(shù)，這是一個由軟件和感應(yīng)器組成的專利系統(tǒng)。iAdapt(TM) 讓 Roomba 可以主動對清掃環(huán)境進行監(jiān)測，每秒鐘思考次數(shù)超過 60 次，并且能夠以 40 種不同的動作進行反應(yīng)，以便徹底清掃房間。Roomba具有世界上獨一無二的三段式清掃技術(shù)，它可以同一時間開展三個部位的工作，以獲得最佳清潔效果。Roomba 可以提供16種語言的故障排除提示（英語、法語、德語、西班牙語、意大利語、荷蘭語、丹麥語、瑞典語、挪威語、芬蘭語、波蘭語、俄羅斯語、葡萄牙語、日語、韓語和中文）。
圖1-1 Roomba
Valerie擁有由硅樹脂和塑膠做成的皮膚、微卷的披肩秀發(fā)、說話時一張一合的紅唇、內(nèi)置攝像機的顧盼生情的眸子、自然優(yōu)雅的舉動。她體內(nèi)的加速儀、回轉(zhuǎn)儀、負荷傳感器(每條腿上有30個傳感器)將協(xié)助她行走，雙手的自由度數(shù)為40，其全身自由度數(shù)為111。她能記住每天要做的所有家務(wù)事，并且有條不紊地做好它：整理房間、擦洗桌椅、開關(guān)燈具、清洗衣物、收集并整理零散物品(但她能搬動的物品不能超過22.6公斤)、洗鍋抹灶等。Valerie擁有一個因特網(wǎng)接口，這可使她能夠在網(wǎng)上為她的主人購買機票、搜索主人喜歡的有關(guān)足球隊及各類賽事的信息。這位機器人家庭主婦還能夠在危機情況下呼叫警察或火警。更令人難以置信的是，她還能夠無需任何人協(xié)助地穿衣和脫衣。唯一的遺憾是，目前Valerie還只能用雙腿靠著椅子站著。
圖1-2 Valerie
“Luna”由一家名為RoboDynamics的公司研制的。它的設(shè)計定位是一款家用機器人，完全可編程，以方便讓人們在家庭日常生活中使用它。機器人內(nèi)部安裝了一臺電腦，加上一款圖形卡。Luna機器人首次做到了其他機器人從未做到過的事情，那就是讓一款可編程的通用機器人走進尋常百姓家，允許開發(fā)商通過開發(fā)并銷售相關(guān)軟件來實現(xiàn)這款家用機器人的持續(xù)功能升級。Luna 機器人是世界上第一臺個人機器人，她可以幫你遛遛狗、端茶倒水。這臺機器人基于標(biāo)準(zhǔn)PC 架構(gòu)和Linux 操作系統(tǒng)，擁有WiFi、8英寸觸摸顯示屏、兩個攝像頭、陣列麥克風(fēng)（三個）、揚聲器和擴展端口，甚至還有應(yīng)用程序商店。RoboDynamics公司的首席執(zhí)行官弗雷德?尼戈哈爾(Fred Nikgohar)希望這款機器人能擁有像智能手機對移動計算帶來的沖擊一樣，設(shè)計精良，開源，并且價格低廉的個人機器人來開啟一扇創(chuàng)新之門。
圖1-3 Luna
1.2 日本家用機器人
日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術(shù)見長，在仿人機器人領(lǐng)域擁有不可動搖的領(lǐng)先地位。世界上第一臺雙足行走機器人Wabot一號產(chǎn)生后，日本更是不遺余力地加緊研究仿人機器人，其中最出名的有：ASIMO（圖1-4）、QRIO（圖1-5）和HRP-4C（圖1-6）。
“阿西莫”（ASIMO）機器人（2000年10月31日誕生），由日本本田技研工業(yè)公司研制。該機器人身高130厘米，體重54公斤，能自如地走動、跳舞、甚至是爬樓梯。一切都可以通過一部手機操控?！鞍⑽髂钡娜砀鞑课痪哂袠O高的平衡性和協(xié)調(diào)性，能夠隨著音樂翩翩起舞。而推車前進、搬運托盤更是“阿西莫”在利用工具與人協(xié)調(diào)方面讓其他機器人望塵莫及的拿手好戲。此外，“阿西莫”擁有的聲音識別、姿勢和動作識別、面部功能識別等強大功能讓它能夠與人類進行很好的信息交流?！鞍⑽髂弊類厶瑁矶伪日嫒颂臋C械舞更柔軟，阿西莫能以每小時6公里的速度奔跑，也能把飲料平穩(wěn)而準(zhǔn)確的放在桌上?！鞍⑽髂边€可使用PC連線訪問互聯(lián)網(wǎng)，為您檢索諸如氣象報告和新聞之類的信息。
圖1-4 阿西莫機器人
QRIO是2002年3月19日誕生的小型雙足娛樂型機器人，身高58厘米，體重7公斤。由于安裝了多種傳感系統(tǒng)、基于記憶和學(xué)習(xí)的行為控制軟件以及靈活的機械行走裝置，QRIO可以與人類進行更豐富的交流。QRIO可以通過傳感器判斷地面類型，并相應(yīng)地調(diào)整步行姿態(tài)，可以適應(yīng)各種路面，凹凸不平的地板、沙灘、臺階、斜坡都暢通無阻。靈活地重心調(diào)整讓QRIO幾乎成了不倒翁，在行走過程中，如果突然遇到阻力（比如你用手去推它），QRIO漸漸停止步伐，甚至后退，以防止摔倒。在Sony的演示錄像中，它還能在一塊晃動的模擬沖浪板上保持平衡，就像運動員一樣。為了提高對路線的辨識能力，QRIO由兩個CCD彩色攝像頭提供視覺，讓它可以立體地觀察場景，并判斷自身與目標(biāo)間的距離，確定最優(yōu)的路線。
圖1-5 QRIO 機器人
2009年7月22日，在日本大阪類人機器人HRP-4C身穿由著名婚紗設(shè)計師為其量身定做的婚紗亮相?！癏RP-4C”機器人身高接近1.58米，重約43公斤，它的身高和體重同日本普通女性基本不差上下,可以做出喜、怒、哀、樂和驚訝的表情。據(jù)了解，機器人“HRP-4C”全身共有30個馬達來控制肢體移動,因此它能夠緩慢行走。與其它五花八門的機器人相比，她最大的特色就是應(yīng)用了兩項全新研發(fā)的擬人技術(shù)。一是發(fā)聲系統(tǒng)，研究者們給她加上了一個相當(dāng)不錯的語音合成功能“VocalListener”，使用電腦終端操作合成歌聲，就如同完全復(fù)制了一個人的聲音。為了使機器人的面部表情更為自然貼切，研究者采用了另一項名為“Vocawatcher”的技術(shù)，可以對歌手的演唱會視頻進行分析，進而呈現(xiàn)出最為相似最自然的表情。
圖1-6 HRP-4C機器人
1.3 國內(nèi)家用機器人
我國機器人學(xué)研究起步較晚，但進步較快，已經(jīng)在工業(yè)機器人、特種機器人和智能機器人各個方面區(qū)的了明顯的成就，為我國機器人學(xué)的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。我國研究家用機器人的機構(gòu)主要有中科院沈陽自動化所和上海電氣中央研究院。中國比較出名的家用服務(wù)機器人有：“福娃”機器人（圖1-7）和2010年上海世博會展示的家用機器人（圖1-8）。
由中國科學(xué)院自動化研究所研制開發(fā)的“智能福娃機器人組”（北京歡迎你：貝貝、晶晶、歡歡、迎迎、妮妮）運用了多項創(chuàng)新、自主的高科技成果，具有人機互動、機器人之間互動、集體歌舞表演、奧運信息發(fā)布、手機短信控制等功能，有很強的展示、娛樂和實用功能，是北京奧運的創(chuàng)新，也是奧運史上“智能奧運吉祥物”的首創(chuàng)。奧運會期間，“福娃”機器人將迎送奧運大家庭成員和國內(nèi)外賓客。據(jù)介紹，“福娃”機器人可以承擔(dān)機場候機樓出港入港、行李提取、問訊服務(wù)等多種環(huán)境和條件下的引導(dǎo)服務(wù)，不僅具有全方位視覺處理判斷能力，而且還能夠進行雙向語音信息的交互傳輸。
圖1-7 “福娃”機器人組
2010年上海世博會上展示的家用機器人有家用監(jiān)控機器人、家用護理機器人、家用教育機器人、家用娛樂機器人、家用烹飪機器人和家用送菜機器人等，其功能各有側(cè)重，又相互補充。其主要功能包括：安保巡邏、環(huán)境監(jiān)控、運送食物、藥品等物品、輔助餐飲、洗漱和搬運患者等高負載操作、以及吸塵、割草、輔助兒童學(xué)習(xí)、健康監(jiān)測、信息提示等。這些家用機器人在上海世博會期間正式在“滬上·生態(tài)家”展館亮相，向國內(nèi)外公眾呈現(xiàn)出“機器人讓未來生活更美好”的新模式和新概念。
圖1-8 上海世博會上的家用機器人
2 機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 履帶底盤
2.1.1同步帶驅(qū)動原理
同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點。轉(zhuǎn)動時，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。 傳輸龍同步帶傳動具有準(zhǔn)確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達1:10。允許線速度可達50M/S，傳遞功率從幾瓦到幾百千瓦。傳動效率高，一般可達98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。同步帶驅(qū)動可以相當(dāng)于履帶驅(qū)動，機器人可以圍繞底盤中心點旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度快，定位精度高，運動平穩(wěn)。
2.1.2同步帶和同步帶輪的選擇和設(shè)計
圓弧齒同步帶輪是因為其齒形具有圓弧的特點，區(qū)別于梯型齒同步帶輪和T型同步帶輪的方形齒，圓弧齒同步帶輪，能夠滿足大功率的傳動，其傳動功率比梯型齒和T型齒的大3-5倍。同步帶實體和同步帶輪分別如圖2-1和2-2所示。
圖2-1 同步帶實體
圖2-2 同步帶輪
2.1.3主動輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于電機的輸出軸可以承受較大的載荷，所以可以采用電機輸出軸直接連接到同步帶輪上，電機固定和同步帶輪的實物安裝如圖2-3所示。
圖2-3 電機固定和同步帶輪的實物安裝
2.1.4固定電機的零件設(shè)計
電機的固定主要固定點在電機輸出軸的端面上，此端面有四個環(huán)形分布的螺紋孔，可以采用螺紋聯(lián)接進行固定，為了保護電機和減少電機受到的外力，可以增加一些輔助固定零件。固定電機的零件設(shè)計圖如圖2-4所示。
圖2－4 固定電機的零件
2.1.5支撐從動輪的零件設(shè)計
從動輪的主要作用是支撐底盤結(jié)構(gòu)，使底盤保持與地面的接觸，提供前進的牽引力。為了減少摩擦力，使用深溝球軸使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。從動輪支撐塊的三維模型如圖2-5所示。
圖2-5 從動輪支撐塊的三維模型
2.1.6從動輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)軸上零件的數(shù)量、工作情況及裝配方案，畫出階梯結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖。由軸最細部分的直徑遞推各段軸直徑，相鄰兩段軸直徑之差通常可取為5～10㎜。各段軸的長度由軸上各零件的寬度及裝配空間確定。設(shè)計的從動輪軸模型如圖2-6所示。
圖2-6 從動輪軸
2.2 軸承滑塊升降機構(gòu)
2.2.1設(shè)計理念
傳統(tǒng)的升降機構(gòu)是從水平伸縮機構(gòu)中演變而來的，包括鏈條傳動機構(gòu)、齒輪齒條傳動機構(gòu)和滑動摩擦機構(gòu)，這些升降機構(gòu)精度要求高、體積笨重，不適合用于小型輕量化的機器人設(shè)計。如果使用滾動摩擦則需要很小的驅(qū)動力就可以實現(xiàn)機構(gòu)的運動。由于采用的固定桿為商業(yè)上使用的小型方形鋁材，只要把軸承固定在移動件上，使軸承在固定桿上滾動，就可以輕松地實現(xiàn)機構(gòu)的升降。軸承固定塊的設(shè)計如圖2-7所示。
圖2-7 軸承固定塊
2.2.2升降機構(gòu)的實現(xiàn)
為了使移動部件在運動保持平穩(wěn)流暢，需要軸承在固定桿的四個面保持接觸，這樣可以避免移動部件的震動。由于需要的驅(qū)動力很小，可以利用細繩和滑輪直接拉升移動部件，下降時利用機構(gòu)自身的重力就可以實現(xiàn)了。
2.3 夾持機構(gòu)
2.3.1夾持手指的設(shè)計
作為工業(yè)機器人的重要部分，夾持機構(gòu)有夾鉗式、鉤托式和彈簧式的形式，其中夾鉗式是最常見的。夾鉗式主要由手指、傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置和支架組成。但是作為家用機器人，人們還是希望機器人可以擁有向人類一樣靈活的手指。實際上，類人機械手只有在少數(shù)頂端的機器人身上才會出現(xiàn)。大部分機器人還是采用擁有多自由度的機械手。在本設(shè)計中采用不完全齒輪傳動的夾鉗式夾持機構(gòu)可以實現(xiàn)對水杯的夾取和放置。
夾持手指如圖2-8所示。
圖2-8 夾持手指
2.3.2夾持動作的實現(xiàn)
在夾持機構(gòu)松開的過程中需要保持一定的時間的，夾取杯子時需要保證一定的距離，也就是要求夾持機構(gòu)能夠保持自我平衡狀態(tài)，使用蝸輪蝸桿減速機可以使機構(gòu)具有自鎖功能，并且能保證一定的精度。裝配夾持機構(gòu)時，兩個夾持手指的不完全齒輪的中心距等于齒輪分度圓的直徑。
根據(jù)飲水機的使用特性，把水龍頭的開關(guān)向上抬起或者向下擠壓都可以使水順利流出，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)向上抬起開關(guān)比較適合，所以當(dāng)機器人的夾持機構(gòu)處于飲水機出水口下方的同時，利用其他機構(gòu)把開關(guān)向上抬起，經(jīng)過一段時間，水杯里注入了所需要的水。
因此，機器人取水的機械機構(gòu)就集中在夾持機構(gòu)中。
3 機械結(jié)構(gòu)的加工和裝配工藝
3.1 固定電機的零件的加工工藝
使用小型數(shù)控銑床加工的零件有固定電機的零件、支撐從動輪的零件、軸承滑塊，對這些零件的通孔的定位，也采取數(shù)控銑床加工定位孔，主要是保證孔的位置精度，之后可以用普通的小型鉆床加工通孔，精度基本可以達到要求。固定電機的零件的加工工藝步驟如下：
（1）零件毛坯為90mm×45mm×8mm的鋁塊，去毛刺，平行度和直線度都達到加工要求。
（2）選擇小型數(shù)控銑床，利用平口虎鉗定位夾緊毛坯，調(diào)整好虎鉗的水平度，誤差范圍在0.025mm。先用直徑12mm的兩刃平底銑刀粗加工銑輪廓，后在用直徑4mm的四刃平底銑刀精加工。最后，用直徑4mm的銑刀定位好上表面的4個孔。
（3）選擇小型鉆床，用高度尺畫出尺寸，打定位孔，保證通孔的位置精度。
小型數(shù)控銑床加工固定電機的零件的程序如下：
G90G54G0X0Y7Z50；
（G90絕對坐標(biāo)編程，G54工件坐標(biāo)點，直徑12mm刀具快速定位）
M3S1200； （主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1200r/min）
Z-4； （G0快速下深4mm）
G41G1X-13Y0D1F100；
（建立左刀補，D1=6.2mm,單邊留有0.2mm的余量給精加工）
Y-52；
X13；
Y2； （銑寬度26mm的槽）
G40G1X0Y7； （取消刀補）
G0Z-9； （快速下刀深5mm）
G41G1X-13Y0D1F100； （建立左刀補，D1=6.2mm）
Y-52；
X13；
Y2； （銑寬度26mm的槽）
G40G1X0Y7； （取消刀補）
G0Z10； （快速提刀）
X0Y-73； （快速定位下刀點）
Z2；
G1Z-5F100； （銑深5mm）
G41G1X17.75Y-73D1F150； （建立左刀補，D1=6.2mm）
G3X17.75Y-73I-17.75J0； （銑圓直徑35.5mm）
G40G1X0Y-73； （取消刀補）
G1Z-9F100； （銑深4mm）
G41G1X10.5Y-73D1F150； （建立左刀補，D1=6.2mm）
G3X10.5Y-73I-10.5J0； （銑圓直徑21mm）
G40G1X0Y-73； （取消刀補）
G0Z50； （快速提刀）
M5； （主軸停轉(zhuǎn)）
M30 （主程序結(jié)束）
%
3.2 從動輪軸的加工工藝
從動輪軸為回轉(zhuǎn)體，采用的加工設(shè)備為小型普通車床，加工時要留出精加工余量，精加工時的進給量為0.1mm比較合適。加工工藝步驟如下：
（1）選擇直徑12mm的毛坯鋁材棒料。
（2）車直徑為10mm的階梯軸，精度要求為-0.03mm到-0.07mm,長度為43mm，并加工半徑為1mm的倒角。
（3）重新裝夾零件，車直徑為10mm的階梯軸，精度要求為-0.03mm到-0.07mm,長度為7mm，并加工半徑為1mm的倒角。
（4）在距離長度為43mm的階梯軸的端點的5.5mm處，用高度尺畫線，并沿直徑方向打定位孔。
（5）用小型鉆床加工出直徑為4.5mm的通孔。
（6）用絲錐攻出M5的內(nèi)螺紋孔。
3.3夾持手指的加工工藝
夾持手指即夾持機構(gòu)的末端，直接接觸水杯，有模數(shù)大小不同的半齒輪，采用普通加工方法不能滿足尺寸和精度要求，所以采用數(shù)控電火花線切割設(shè)備進行加工。電火花線切割的基本原理是利用移動的細金屬導(dǎo)線（鉬絲、銅絲或鎢絲）作電極，對工件進行脈沖火花放電、切割成形。
加工時先確定穿絲孔、起切點，然后根據(jù)零件的外形來確定走絲路線，利用零件的輪廓自動編寫程序。夾緊零件之后可以進行加工，由于電火花線切割的切削余量很小，所以加工過程需要的時間很長。但是精度比較高，零件加工完成后可以直接使用。利用電火花線切割加工出零件的輪廓后，還需要打一個直徑5mm和兩個直徑3mm的通孔。右夾子還需要在厚度的一面打一個直徑3.5mm深度3mm的孔，然后用絲錐攻出一個M4 的螺紋孔，起固定電機軸的作用。
3.4機器人的裝配工藝
3.4.1同步帶的安裝方法
對于固定中心距的傳動，應(yīng)先拆下帶輪，把帶子裝到帶輪上后再把帶輪裝到軸上固定。向帶輪上裝同步帶時，切記不要用力過猛，或用螺絲刀硬撬同步帶，以防止同步帶中的抗拉層產(chǎn)生外觀覺察不到的折斷現(xiàn)象。支撐帶輪的機架，必須有足夠的剛度，否則帶輪在運轉(zhuǎn)時就會造成兩軸線的不平行。
3.4.2底盤的裝配工藝
裝配底盤時先把電機固定在鋁塊上，再把固定電機的兩塊鋁塊固定在方鋁上，然后安裝從動輪的支承軸和軸承，最后把主動輪和從動輪固定在軸上，這樣就把整個底盤的框架裝配好了。由于底盤設(shè)計的特殊性，直接把同步帶套在主動輪上，然后旋轉(zhuǎn)主動輪，同步帶就自動安裝好了。底盤的三維裝配圖如圖3-1所示。
圖3-1 底盤的三維裝配圖
3.4.3升降機構(gòu)的裝配工藝
升降機構(gòu)的裝配主要是保證軸承滑塊能很輕松地上下滑動，減少驅(qū)動電機的扭矩，可以通過調(diào)節(jié)螺母的松緊程度來調(diào)節(jié)軸承與固定桿之間的壓力的大小，從而使摩擦力的大小適合，夾持機構(gòu)又不至于有產(chǎn)生大的晃動。
（1）把兩根豎著的固定桿固定在底盤上，可以使用螺栓連接或者用膠水黏住。
（2）把軸承滑塊裝配好，使其和固定桿配合，調(diào)節(jié)螺母的松緊程度。
（3）把最高的橫桿安裝在固定桿上，并安裝滑輪、伺服驅(qū)動電機和繞線輪。
（4）安裝尼龍繩，一端固定在軸承滑塊的中央，另一端固定在繞線輪上。
（5）在固定桿上安裝限位螺栓，使軸承滑塊靜止在一定的高度，即夾持機構(gòu)的初始高度。
升降機構(gòu)的裝配圖如圖3-2和3-3所示。
圖3-2 軸承滑塊的三維裝配圖 圖3-3 升降機構(gòu)
3.4.4夾持機構(gòu)的裝配工藝
夾持機構(gòu)的裝配比較簡單，主要是要保證夾持手指的裝配精度，夾子的張開和夾緊阻力不能太大，間隙也要控制在合理的范圍內(nèi)。
（1）把夾持手指安裝到支撐板上。
（2）把渦輪蝸桿電機固定到支撐板上，從側(cè)面安裝固定電機軸的緊固螺栓。
（3）把支撐塊和頂起擋板安裝到機械手臂上。
（4）把手臂安裝到軸承滑塊上。
夾持機構(gòu)的整體裝配圖如圖3-4所示。
圖3-4 夾持機構(gòu)的整體裝配圖
3.5 送水機器人的三維模型
送水機器人的三維模型如圖3-5所示。
圖3-5 送水機器人
4 機械系統(tǒng)的力學(xué)分析
4.1 電機的選擇和參數(shù)計算
4.1.1電機的性能和型號
伺服行星減速機擁有高性價比、應(yīng)用廣泛、經(jīng)濟實用、壽命長等優(yōu)點，在伺服控制的應(yīng)用上，發(fā)揮了良好的伺服剛性效應(yīng)，準(zhǔn)確的定位控制，在運轉(zhuǎn)平臺上具備了中低背隙、高效率、高輸入轉(zhuǎn)速、高輸入扭矩、運轉(zhuǎn)平順、低噪音等特性，使用終身免更換的潤滑油及無論安裝在何處都可以免維修操作的全封閉式設(shè)計，并且具有IP65的保護程度，因此工作環(huán)境差時亦可使用。
行星減速電機其扭矩計算公式為：扭矩=9550×電機功率÷電機輸入轉(zhuǎn)速×速度比×使用系數(shù)。選擇的電機型號為P36H+SYK36行星減速電機，電機尺寸如圖4-1所示。
圖4-1 電機尺寸
4.1.2電機參數(shù)
轉(zhuǎn)速：0-170rpm；
輸出力矩：連續(xù)：1.5-30N·m，瞬時：2-40N·m；
24V電壓時電流：空載：0.1A，最大：6.07A
重量：325g
額定功率 （4-1）
4.2同步帶傳動的設(shè)計計算
4.2.1確定傳動比
（4-2）
、分別為大小帶輪的齒數(shù)
4.2.2選擇同步帶的節(jié)距
為了確定同步帶的強度，選擇了型號為5M的特殊同步帶，厚度加厚，表面有突起的橡膠毛刺，增強表面的摩擦力。
4.2.3計算帶輪直徑
（4-3）
4.2.4選定中心距
選定中心距C=480mm。
4.2.5計算帶輪包角
（4-4）
4.2.6確定同步帶長和帶寬
根據(jù)實際要求，選擇帶長L=1275mm，帶寬W=30mm。
4.2.7驗算線速度
（4-5）
可以滿足送水機器人的運行速度要求。
4.3 從動輪聯(lián)接軸的設(shè)計計算
4.3.1選擇軸的材料
機器人的重量要求輕便，通常選擇鋁材作為零件材料。鋁材由鋁和其它合金元素制造的制品。通常是先加工成鑄造品、鍛造品以及箔、板、帶、管、棒、型材等后，再經(jīng)冷彎、鋸切、鉆孔、拼裝、上色等工序而制成。主要金屬元素是鋁，在加上一些合金元素，提高鋁材的性能，工藝性能好，剛度強度也能滿足要求。
4.3.2初步確定軸的直徑
最大直徑D為12mm,最小直徑d為10mm 。
4.3.3軸的強度校核
首先對軸上傳動零件進行受力分析，畫出軸彎矩圖和扭矩圖，判斷危險截面，然后對軸的危險截面進行強度校核。當(dāng)校核不合格時，還要改變危險截面尺寸，進而修改軸的結(jié)構(gòu)，直至校核合格為止。因此，軸的設(shè)計過程是反復(fù)、交叉進行的。
扭轉(zhuǎn)強度條件為
（4-6）
彎扭合成強度條件為
（4-7）
因為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，所以取。
當(dāng)量直徑
（4-8）
扭轉(zhuǎn)剛度校核
（4-9）
T—軸所受的扭矩
G—鋁材的剪切彈性模量
—軸截面的極慣性矩
經(jīng)過設(shè)計校核和實踐驗證，證明所設(shè)計的聯(lián)接軸在使用中可以符合設(shè)計要求。
4.4 從動輪支撐軸承的設(shè)計計算
4.4.1軸承的選用
選用的軸承是深溝球軸承60000-2Z型_61900-Z，質(zhì)量m=0.01Kg,軸承徑向基本額定動載荷為，徑向基本額定靜載荷為，徑向疲勞極限載荷為，極限轉(zhuǎn)速。
4.4.2軸承的校核計算
(1) 求比值
（4-10）
深溝球軸承的最大e值為0.44，所以
(2) 求相對軸向載荷
（4-11）
介于0.04~0.07之間，對應(yīng)的e值為0.24~0.27，Y值1.8~1.6
(3) 用線性插值法求Y值
（4-12）
(4) 計算當(dāng)量動載荷
（4-13）
其中取，X=0.56。
(5 )驗算61900軸承的壽命
（4-14）
經(jīng)過驗算，所選用的軸承完全滿足設(shè)計要求。
4.5 螺釘聯(lián)接的設(shè)計計算
4.5.1螺釘聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計
底盤的螺釘聯(lián)接圖如圖4-2所示，螺釘組主要承受橫向載荷，故按受橫向載荷的螺釘組連接的設(shè)計進行計算。
圖4-2 底盤的螺釘聯(lián)接
螺釘?shù)男吞枮镠型GB/T818—2000 M4x40,螺距P=0.7mm,性能等級為4.8,抗拉強度極限，屈服極限。
4.5.2螺釘?shù)氖芰Ψ治?
螺釘組所受的橫向總載荷為
（4-15）
每個螺釘所受的橫向工作剪切力為
（4-16）
預(yù)緊力為
（4-17）
為接合面的摩擦系數(shù)，為接合面數(shù)，為防滑系數(shù)，=1.1～1.3，取=1.2。
4.5.3確定螺釘直徑
許用切用力為
（4-18）
（4-19）
由于選用的螺釘直徑為4mm，所以滿足設(shè)計要求。
5 電路系統(tǒng)的設(shè)計
5.1 電路系統(tǒng)總體設(shè)計圖
電路系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖5-1所示。
中央處理器
Atmega16最小系統(tǒng)
PWM
信號輸出
輸入捕捉
信號檢測
直流電機驅(qū)動
電磁鐵開關(guān)電路
電源穩(wěn)壓電路
紅外傳感器檢測電路
5V穩(wěn)壓電源
12V穩(wěn)壓電源
單片機獨立穩(wěn)壓電源
外部中斷檢測
圖5-1 電路系統(tǒng)總體設(shè)計圖
5.2 信號檢測
5.2.1光電傳感器介紹
光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。
光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。其核心部件是光電器件，它是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件。光電器件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即金屬、半導(dǎo)體等材料在光照下釋放出電子的現(xiàn)象。[14]
5.2.2光敏二極管原理
光敏二極管的外型與一般二極管一樣，它裝在帶有透明窗口的外殼中，其PN結(jié)可以直接受到光的照射，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)。當(dāng)無光照時，PN結(jié)反向截止，回路中電流很小，此電流稱為暗電流；當(dāng)有光照時，產(chǎn)生光電效應(yīng)，形成電荷，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子定向運動，形成較大的電流，稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是得到隨光照強度變化而變化的電信號。[14]
5.2.3光電傳感器的布局
反射式光電傳感器最常見的布局是一字型布局。一字型布局中傳感器的間隔有均勻分布和非均勻分布兩種方式，均勻分布不利于彎道信息的精確采集，通常采取的是非均勻分布。由于機器人運動速度比較慢，環(huán)境穩(wěn)定，光電傳感器可以采集到準(zhǔn)確的地面信息，使機器人有足夠的時間做出調(diào)整，實現(xiàn)自動巡線功能。光電傳感器的布局如圖5-2所示。
圖5-2 光電傳感器的布局
機器人的運動場地為噴有綠色油漆的木地板，地面上貼有寬度為3厘米的白色引導(dǎo)線，線與線之間的距離為50厘米，形成邊長為50厘米的方格軌跡圖陣。機器人履帶底盤擁有對稱式的機械結(jié)構(gòu)，在底盤的前后中軸線上各安裝一塊光電信號采集電路板，機器人運動時白色引導(dǎo)線在機器人的中心軸線下，正中間的光電傳感器正對著白色引導(dǎo)線，可以達到理想的巡線結(jié)果。
5.2.4傳感器電路設(shè)計
軌跡檢測的原理是：不同顏色的物體的反光度不同，而反射式光電傳感器的輸出電流和地面的反射率之間有對應(yīng)關(guān)系，通過電流—電壓變換（即讓此光電流流過一個電阻，就會在電阻兩端產(chǎn)生壓降）后就可以采集信息了。軌跡檢測電路要利用比較器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并送入單片機進行處理。當(dāng)小車偏離引導(dǎo)線時使一邊的光傳感器截至或者導(dǎo)通，使其輸出高電平或者低電平，單片機檢測到這個變化就會使另一邊的電機減速，使小車重新回到引導(dǎo)線上。這種控制方法會使小車在尋跡過程中產(chǎn)生左右擺動，由于履帶底盤的機構(gòu)特性使其機械振動能維持在一定范圍內(nèi)，在低速情況下機器人做出的調(diào)整動作基本不會造成大的震動。傳感器電路原理圖如圖5-3所示：
圖5-3 單對紅外傳感器電路圖
當(dāng)小車在白色地面行駛時，裝在底盤下的高亮發(fā)光二極管發(fā)出光信號，經(jīng)白色引導(dǎo)線反射后，被光敏二極管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中接收管將導(dǎo)通，比較器輸出為高電平；否則，比較器則輸出低電平，從而實現(xiàn)了通過可見光檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號為高電平時，表明小車行駛在白色地面上。
5.3 電機驅(qū)動電路
5.3.1直流電機驅(qū)動原理
直流電機主要由磁極、電樞和換向器組成。磁極是用來在電機中產(chǎn)生磁場的，電樞是電機中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分。換向器是直流電機的構(gòu)造特征，在換向器的表面用彈簧壓著固定的電樞，使轉(zhuǎn)動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接起來。驅(qū)動直流電機時，將直流電源接在兩電刷之間而使電流通入電樞線圈，電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩即驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動。驅(qū)動直流電機，只需要控制電源電壓和電流方向就可以控制電機的轉(zhuǎn)速和方向。蝸輪蝸桿減速機也可以使用這種驅(qū)動方法。
5.3.2電磁繼電器電路設(shè)計
電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。
根據(jù)直流電機的驅(qū)動特性和電磁繼電器的開關(guān)特性，使用兩個單獨的電磁繼電器可以驅(qū)動夾持機構(gòu)的渦輪蝸桿電機，并且可以控制方向。由于渦輪蝸桿電機的額定電壓是12V，所以選擇額定電壓為12V的繼電器。繼電器電路圖如圖5-4所示。
圖5-4 繼電器電路圖
5.4 電源模塊
5.4.1單片機獨立電源設(shè)計
單片機輸出的是數(shù)字信號，需要與模擬信號隔離，采用單獨電源可以避免模擬信號對數(shù)字信號的干擾，實踐證明如果單片機與電機驅(qū)動電路等模擬信號電路共用一個電源，單片機不能正常工作，使用單獨電源可以完全解決這個問題。由于單片機的功率較小，額定工作電壓為5V，對電路紋波抗干擾能力弱，所以采用集成電源穩(wěn)壓模塊7805，額定輸出電壓為5V。7805電路圖如圖5-5所示。
圖5-5 7805電路圖
5.4.2光耦和器電源設(shè)計
光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。
本設(shè)計中采用的光耦為普通的雙向可控硅光耦，額定電壓為5V，由于光耦的數(shù)量比較多，需要的功率比較大，電路紋波大，所以采用高性能的集成電源穩(wěn)壓模塊LM2576。LM2576系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（52kHz）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23V），并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。LM2576電路圖如圖5-6所示。
圖5-6 LM2576電路圖
5.4.3直流電機驅(qū)動電源設(shè)計
驅(qū)動直流電機的電源電壓為12V，并且需要比較大的功率，用一般的穩(wěn)壓模塊已經(jīng)不能滿足要求。這里采用的是一種可以輸出最大電流為5A的開關(guān)電源模塊。所用的芯片為MB3759和場效應(yīng)管K2018。開關(guān)電源是一種由占空比控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置。開關(guān)電源的核心為電力電子開關(guān)電路，根據(jù)負載對電源提出的輸出電壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制的方法，對開關(guān)電路進行控制。開關(guān)電源被譽為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。
開關(guān)電源PWM控制集成芯片采用型號為MB3759(FUJITSU公司)，采用固定頻率的PWM控制方式，其MB3759芯片內(nèi)部電路主要由高頻振蕩器、PWM比較器、基準(zhǔn)電壓源、誤差電壓放大器、驅(qū)動電路和封鎖電路等組成。場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（10^8～10^9Ω）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。開關(guān)電源模塊電路如圖5-7所示。
圖5-7 開關(guān)電源模塊電路
5.5 單片機最小系統(tǒng)
5.5.1 ATmega16單片機介紹
ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。
ATmega16 有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。[11]
5.5.2最小系統(tǒng)板的設(shè)計
本設(shè)計中ATmega16最小系統(tǒng)資源分配為：3路PWM、控制2個電磁繼電器驅(qū)動蝸輪蝸桿電機、2個外部中斷、1個輸入捕捉和6個普通I/O口，還包括晶體振蕩電路、手動復(fù)位電路和UESRT下載接口，電路圖5-8如圖所示。
圖5-8 Atmega16最小系統(tǒng)板電路
6 控制系統(tǒng)的設(shè)計
6.1 控制系統(tǒng)程序流程圖
開始
程序初始化
機器人移動
偏離
白線？
檢測到
飲水機？
機器人靜止5秒鐘
機器人后退
偏離
白線？
回到
啟動處？
夾持機構(gòu)上升30cm
夾持機構(gòu)下降
檢測到
桌面？
停止下降，張開夾子
機器人后退
調(diào)整方向
調(diào)整方向
機器人靜止
結(jié)束
Y
N
N
N
Y
Y
Y
Y
N
N
圖6-1 控制系統(tǒng)程序流程圖
6.2 行星減速電機驅(qū)動控制
6.2.1 PWM基本原理
脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。其示意如圖6-2所示。
圖6-2 PWM波形
PWM輸出的平均電壓為：
(5-1)
其中，T為PWM周期，T1為高電平時間，T2為低電平時間， 叫做占空比。對于PWM來說占空比是一個重要參數(shù)。在電機控制的應(yīng)用中，通過改變PWM的占空比，即高電平的導(dǎo)通時間，可以調(diào)節(jié)電機的速度。
本文利用Atmega16定時器的快速PWM模式來輸出PWM信號。使用PWM模式時，先設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時器/計數(shù)器的周期、接通時間和PWM輸出的方向，然后啟動定時器并使能PWM控制器。
6.2.2速度控制的實現(xiàn)
機器人速度控制根據(jù)有無反饋裝置和反饋裝置的位置，主要分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制三種方式。開環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、容易維修，缺點是精度低、容易受環(huán)境變化的干擾影響。閉環(huán)系統(tǒng)輸出的信號全部反饋回輸入端，其優(yōu)點是精度高、動態(tài)性能好、抗干擾能力強等。采用閉環(huán)電機調(diào)速系統(tǒng)可以很精確地控制機器人的運行速度和運行路程，從而提高機器人智能程度。由于送水機器人的驅(qū)動電機為帶反饋裝置的行星齒輪減速電機，配合使用專門的電機驅(qū)動模塊，可以實現(xiàn)對電機的精確控制。
采用的電機驅(qū)動模塊為全數(shù)字多種控制接口直流伺服驅(qū)動器MLDS3810，它是西安銘朗電子科技有限公司在原MLDS3805的基礎(chǔ)上研發(fā)的新款直流伺服驅(qū)動器，連續(xù)電流擴展到10A，峰值電流達20A，是一款多接口、高性能的數(shù)字式直流伺服驅(qū)動器，同時具備模擬信號、脈沖信號、 PWM 以及 RS232 控制接口，可以在計算機上進行參數(shù)設(shè)置和可視化調(diào)試。
在具體的實際使用中，利用單片機產(chǎn)生PWM輸入到MLDS3810的PWM接口就可以控制電機的轉(zhuǎn)速，再把電機輸出反饋信號即電機中的光電編碼盤產(chǎn)生的脈沖信號輸入到單片機的輸入捕捉引腳，來計算電機轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，即可以知道機器人行駛的路程。
6.3 行程開關(guān)的應(yīng)用
在送水機器人的夾持機構(gòu)上安裝有兩個行程開關(guān)，第一個用來檢測飲水機的位置，第二個用來檢測放置杯子的桌面，當(dāng)行程開關(guān)被碰撞時，分別觸發(fā)單片機的外部中斷0和1。單片機的外部中斷0被觸發(fā)時，使機器人停止前進，飲水機開始向水杯里注水，注滿水后機器人向后退。單片機的外部中斷1被觸發(fā)時，夾持機構(gòu)的夾子松開，把水杯放在桌面上，機器人后退30厘米，完成送水任務(wù)。
7 結(jié)論
整個畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計制作，歷時4個月，加上之前參加2011年亞太機器人比賽的時間，前后歷時超過一年。接到畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)后，我選擇了自主命題的畢業(yè)設(shè)計題目，經(jīng)過長時間的考慮之后，我最終確定了家用機器人方向的送水