送水机器人系统设计.doc

1、摘 要在人类文明高度发达的今天，随着机器人技术的迅速发展和人们生活水平的提高，越来越多的机器人已经开始逐渐进入人们的家居生活中，这些机器人称为家庭服务机器人，它们可以完成一些简单的家庭工作并监测家居环境，甚至还可以照顾生活上不能自理的病人。本设计主要对家庭服务的送水机器人的机械方案、电路设计、程序编写部分展开研究，使用三维软件对送水机器人的运动底盘和夹持机构进行实体建模、整体装配和结构分析，从而使机器人更适用于家庭环境中。利用数控设备加工零部件，并装配出实际的机器人结构。通过了解目前家用机器人的应用现状，设计了机器人的控制电路，包括机器人移动、驱动伺服电机、夹持机构的驱动电路。提出和完成了以A

2、Tmega16为核心处理器的环境信息分析和机器人自动巡线移动的程序设计。系统总体方案还包括饮水机的位置检测和执行机构的动作控制，从而实现自动完成送水任务。关键词：家用机器人；ATmega16；自动巡线AbstractIn todays highly developed human civilization, with the rapid development of robot technology and peoples living standards improve, more and more robots have begun to gradually enter the home

3、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 robots mechanical, circuit

4、 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,

5、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

6、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; automati

7、c line inspection目 录 引言11 家用机器人介绍21.1 美国家用机器人21.2 日本家用机器人41.3 国内家用机器人52 机械系统的结构设计72.1 履带底盘72.1.1同步带驱动原理72.1.2同步带和同步带轮的选择和设计72.1.3主动轮的结构设计82.1.4固定电机的零件设计82.1.5支撑从动轮的零件设计92.1.6从动轮轴的结构设计92.2 轴承滑块升降机构102.2.1设计理念102.2.2升降机构的实现102.3 夹持机构112.3.1夹持手指的设计112.3.2夹持动作的实现113 机械结构的加工和装配工艺113.1 固定电机的零件的加工工艺113.2 从

8、动轮轴的加工工艺133.3夹持手指的加工工艺133.4机器人的装配工艺133.4.1同步带的安装方法133.4.2底盘的装配工艺133.4.3升降机构的装配工艺143.4.4夹持机构的装配工艺153.5 送水机器人的三维模型164 机械系统的力学分析174.1 电机的选择和参数计算174.1.1电机的性能和型号174.1.2电机参数174.2同步带传动的设计计算184.2.1确定传动比184.2.2选择同步带的节距184.2.3计算带轮直径184.2.4选定中心距184.2.5计算带轮包角184.2.6确定同步带长和带宽184.2.7验算线速度184.3 从动轮联接轴的设计计算194.3.1选

9、择轴的材料194.3.2初步确定轴的直径194.3.3轴的强度校核194.4 从动轮支撑轴承的设计计算204.4.1轴承的选用204.4.2轴承的校核计算204.5 螺钉联接的设计计算214.5.1螺钉联接的结构设计214.5.2螺钉的受力分析214.5.3确定螺钉直径225 电路系统的设计235.1 电路系统总体设计图235.2 信号检测235.2.1光电传感器介绍235.2.2光敏二极管原理245.2.3光电传感器的布局245.2.4传感器电路设计255.3 电机驱动电路255.3.1直流电机驱动原理255.3.2电磁继电器电路设计265.4 电源模块275.4.1单片机独立电源设计275

10、.4.2光耦和器电源设计275.4.3直流电机驱动电源设计285.5 单片机最小系统295.5.1 ATmega16单片机介绍295.5.2最小系统板的设计296 控制系统的设计316.1 控制系统程序流程图316.2 行星减速电机驱动控制346.2.1 PWM基本原理346.2.2速度控制的实现346.3 行程开关的应用357 结论36谢 辞37参考文献38附 录39引言机器人技术是一种是以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。经过半个多世纪的发展，机器人技术在工业生产领域得到了广泛的应用，极大地提升了生产品质并成功解放了劳动力资源。作为高技术领域中重要的前

11、沿技术之一，机器人技术具有前瞻性、先导性的特点，对学术研究、产业升级、培养创新意识、保障国家安全、引领未来经济社会的发展有着十分重要的作用。目前，相关领域的技术突破，从根本上为提升机器人技术的学术研究提供了必要的支持，为机器人的应用范围拓宽了道路，已涵盖国防、航空航天、工业生产、服务、老人康复、教育甚至普通家庭生活，一场新的机器人技术研究高潮和发展契机也已到来。随着当今计算机技术、电气自动化技术（包括新型的传感器技术）、精密机械技术的高速发展，使得建立在这些基础技术上的机器人技术在军事、教育、娱乐、家用等领域得到了高速的发展。科学家确信，机器人会进入人们的日常生活，并彻底改变人们的生活，并将朝

12、着更有趣、更多能的智能化方向发展。家用机器人作为为人类服务的特种机器人，结合了机器人技术与信息技术、辅助技术、护理技术和康复医学等学科,主要从事家庭服务，维护、保养、修理、运输、清洗、监护等工作。在机器人技术日益完善和人们生活水平不断提高的今天，家用机器人走进千家万户服务人类的日子已经到来，特别是对于老年人和残疾人，家用服务机器人显得异常重要。目前家用机器人的种类主要有清洁机器人、娱乐机器人、教育机器人和厨师机器人等。家用人机器人的三大核心技术是移动技术、操纵处理物品的技术和识别信息化技术，对于这些核心技术的研究仍然不够深入，致使家用机器人的发展还有很多技术上的障碍。但是，随着技术的发展和数字

13、产品的价格下降，家用机器人必将成为未来数字家庭的主导。11 家用机器人介绍1.1 美国家用机器人美国对于机器人的研究比较注重于实际应用和军事应用，在家用机器人方面也同样处于领先地位。其中最出名的有世界上第一台智能清洁机器人roomba（图1-1），世界上首位“家庭家庭主妇”Valerie（图1-2），世界上第一台可编程家用机器人Luna（图1-3）。Roomba 使用先进的 iAdapt(TM)技术，这是一个由软件和感应器组成的专利系统。iAdapt(TM) 让 Roomba 可以主动对清扫环境进行监测，每秒钟思考次数超过 60 次，并且能够以 40 种不同的动作进行反应，以便彻底清扫房间。R

14、oomba具有世界上独一无二的三段式清扫技术，它可以同一时间开展三个部位的工作，以获得最佳清洁效果。Roomba 可以提供16种语言的故障排除提示（英语、法语、德语、西班牙语、意大利语、荷兰语、丹麦语、瑞典语、挪威语、芬兰语、波兰语、俄罗斯语、葡萄牙语、日语、韩语和中文）。图1-1 RoombaValerie拥有由硅树脂和塑胶做成的皮肤、微卷的披肩秀发、说话时一张一合的红唇、内置摄像机的顾盼生情的眸子、自然优雅的举动。她体内的加速仪、回转仪、负荷传感器(每条腿上有30个传感器)将协助她行走，双手的自由度数为40，其全身自由度数为111。她能记住每天要做的所有家务事，并且有条不紊地做好它：整理房

15、间、擦洗桌椅、开关灯具、清洗衣物、收集并整理零散物品(但她能搬动的物品不能超过22.6公斤)、洗锅抹灶等。Valerie拥有一个因特网接口，这可使她能够在网上为她的主人购买机票、搜索主人喜欢的有关足球队及各类赛事的信息。这位机器人家庭主妇还能够在危机情况下呼叫警察或火警。更令人难以置信的是，她还能够无需任何人协助地穿衣和脱衣。唯一的遗憾是，目前Valerie还只能用双腿靠着椅子站着。图1-2 Valerie“Luna”由一家名为RoboDynamics的公司研制的。它的设计定位是一款家用机器人，完全可编程，以方便让人们在家庭日常生活中使用它。机器人内部安装了一台电脑，加上一款图形卡。Luna机器人首次做到了其他机器人从未做到过的事情，那就是让一款可编程的通用机器人走进寻常百姓家，允许开发商通过开发并销售相关软件来实现这款家用机器人的持续功能升级。Luna 机器人是世界上第一台个人机器人，她可以帮你遛遛狗、端茶