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目???錄?
1緒論.............................................................................................................1
1.1背景......................................................................................................2
1.2?本課題研究的內(nèi)容..............................................................................2
1.3?論文的構(gòu)成..........................................................................................
2?總體設(shè)計(jì)方案.............................................................................................2
2.1?行走方式..............................................................................................2
2.1.1 路線規(guī)劃…………………………………………………………2
2.2?撿球方式..............................................................................................4
? 2.3?驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的方式.............................................................................4
?2.4?主體材料的選擇.................................................................................5
?3?結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)................................................................................................5
3.1?驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)..............................................................................................5
3.1.1?電源的選擇.......................................................................................5
3.1.2?電機(jī)的選擇.......................................................................................6
?3.1.3?車輪的確定......................................................................................7
3.1.4?驅(qū)動(dòng)裝置...........................................................................................8
3.2?撿球機(jī)構(gòu)..............................................................................................8
3.2.1?撿球的總裝置...................................................................................9
4?機(jī)器人的傳感器.........................................................................................9
4.1 顏色傳感器…………………………………………………………10
4.2 紅外傳感器（光分子探測(cè)器）…………………………………… 10
4.3 紅外傳感器（距離傳感器）……………………………………….10
4.4 光電計(jì)數(shù)器…………………………………………………………………….10
5?設(shè)計(jì)的總效果與工作過程.........................................................................11
5.1?設(shè)計(jì)的總效果......................................................................................11
?5.2?工作過程..............................................................................................12
6.經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告………………………………………………………………13
?
1?緒論
1.1 背景?
機(jī)器人是一個(gè)自動(dòng)執(zhí)行某種動(dòng)作的機(jī)械裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編制的程序，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)助或取代人類工作的工作。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物?，F(xiàn)在，機(jī)器人在各行各業(yè)中，都有著廣泛的應(yīng)用，例如制造業(yè)、建筑業(yè)，或是其它危險(xiǎn)性的工作[1]。?
要想設(shè)計(jì)出一個(gè)機(jī)器人，就必須要具備以下這些方面的能力。第一，電子學(xué)基礎(chǔ)。這部分內(nèi)容包括模擬電路和數(shù)字電路理論，要學(xué)習(xí)電阻、電容器、晶體管以及其他普通電子元器件等基礎(chǔ)知識(shí)。第二，編程基礎(chǔ)。先進(jìn)的機(jī)器人都使用計(jì)算機(jī)或微處理器（例如單片機(jī)）來控制自己運(yùn)動(dòng)的，這就需要靠編程來實(shí)現(xiàn)。第三，機(jī)械基礎(chǔ)。機(jī)器人也是一臺(tái)機(jī)器，要靠運(yùn)動(dòng)來完成任務(wù)。要想設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人這就需要設(shè)計(jì)一些相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)。?
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器人在功能和技術(shù)上都取得了很大的提高?，F(xiàn)在，即使在嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，仍有很多面向各個(gè)新應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)出來。目前，機(jī)器人應(yīng)用率的快速增長并非僅僅是一時(shí)的狂熱，而是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。許多枯燥、骯臟和危險(xiǎn)的工作最終將由機(jī)器人代替人工來完成。隨著機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)在世界各地蓬勃興起。社會(huì)在不斷地發(fā)展，對(duì)機(jī)器人的要求也越來越高[2]。?
目前，我國也正掀起一股機(jī)器人的熱潮。我國機(jī)器人的技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步。我國的機(jī)器人技術(shù)大致有如下發(fā)展趨勢(shì)：（1）智能化。智能化不僅是對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的要求，也是對(duì)工作環(huán)境的要求。智能化的發(fā)展趨勢(shì)，有效地提高機(jī)器人工作的效率和使用性能。（2）標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。我國還沒有統(tǒng)一的機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)能夠大大減少應(yīng)用軟件廠商的成本，并能優(yōu)化服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)，規(guī)范中間件，實(shí)現(xiàn)模塊化[3]。
1.?2?本課題研究的內(nèi)容
置自動(dòng)識(shí)別并接收到運(yùn)動(dòng)員發(fā)出的撿網(wǎng)球命令后，采用圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)球落下的方位。然后，對(duì)網(wǎng)球的位置分布作一個(gè)最優(yōu)的行程判斷，再走到每個(gè)球落下的地方。最后，將網(wǎng)球撿起來，放進(jìn)存放腔中。當(dāng)機(jī)器人接收到由運(yùn)動(dòng)員發(fā)出送球指令后，再自動(dòng)地把網(wǎng)球送到指定點(diǎn)，完成自動(dòng)撿網(wǎng)球的一個(gè)工作流程。?
本論文，主要涉及到的是機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，采用3D軟件構(gòu)建出機(jī)器人的模型，并且對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)出的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析說明。?
1.3?論文的構(gòu)成?
本論文主要分為以下幾部分。第一部分，總體方案的設(shè)計(jì)。主要介紹設(shè)計(jì)的自動(dòng)撿球機(jī)器人的基本構(gòu)造、撿球的方法、驅(qū)動(dòng)方式和主體制造材料的選擇。第二部分，各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和各部分機(jī)構(gòu)的工作原理，并對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。第三部分，主要簡(jiǎn)單地介紹安裝在自動(dòng)撿球機(jī)器人的傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)。第四部分，主要是對(duì)這幾個(gè)月以來，做畢業(yè)設(shè)計(jì)的一些總結(jié)和心得體會(huì)。
2 總體設(shè)計(jì)方案
2.1 行走方式 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的分類和各類的特點(diǎn)
行走方式 特點(diǎn)
輪式 最適合平地行走，安裝簡(jiǎn)單，方便
履帶式 可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺(tái)階。
行走式 機(jī)器人的重心落在腳掌上，它一方面要取得準(zhǔn)靜態(tài)平衡，另一方面要穩(wěn)定步行。因此，它的控制比較復(fù)雜。
由于網(wǎng)球賽場(chǎng)一般都比較寬敞，且地面比較平整，所以選擇輪式會(huì)比較合理。并且，輪式的機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作的過程相對(duì)其它類型的機(jī)器人較為簡(jiǎn)單，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面的處理也比較容易。
2.1.1 路徑規(guī)劃研究現(xiàn)狀
路徑規(guī)劃方法有：可視圖法、柵格法、人工勢(shì)場(chǎng)法以及模糊邏輯控制方法等。隨著研究的發(fā)展，路徑規(guī)劃系統(tǒng)的控制目標(biāo)和控制方法都產(chǎn)生了很大變化。 研究初期，路徑規(guī)劃系統(tǒng)的控制目標(biāo)為系統(tǒng)的最優(yōu)性。例如行駛路程最短，耗時(shí)最少等。路徑規(guī)劃一般采用經(jīng)典控制方法。經(jīng)典控制方法基于系統(tǒng)狀態(tài)方程，其算法表現(xiàn)出高度的精確性。這種路徑規(guī)劃方式有許多局限性。由于小車在行駛過程中，環(huán)境往往存在許多未知因素，因此很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述這一過程。即使擁有精確的環(huán)境地圖能夠規(guī)劃出最優(yōu)行駛軌跡，由于AGV運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和路面狀況的復(fù)雜性等原因，也很難控制車輛按理想軌跡行駛。此外，基于狀態(tài)方程的精確控制方法在面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)計(jì)算量巨大，這會(huì)導(dǎo)致消耗大量系統(tǒng)軟硬件資源，影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。隨著研究的深入，人們逐漸
認(rèn)識(shí)到機(jī)器人對(duì)環(huán)境的“適應(yīng)性”相對(duì)“最優(yōu)性”而言是更為基礎(chǔ)， 規(guī)劃目標(biāo)：
控制方法：
經(jīng)典控制方法
最優(yōu)性
人工智能 實(shí)時(shí)性，智能性，自適應(yīng)性
更為重要的指標(biāo)。因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)開始朝著實(shí)時(shí)性、智能性、自適應(yīng)性方向發(fā)展。系統(tǒng)的控制方法則朝著人工智能方向發(fā)展。人工智能技術(shù)涵蓋面很廣，它的研究目標(biāo)是使機(jī)器能擁有類人的智能。目前，AGV路徑規(guī)劃問題上涉及最多人工智能技術(shù)是遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)。 遺傳算法以自然遺傳機(jī)制和自然選擇等生物進(jìn)化理論為基礎(chǔ),構(gòu)造一類隨機(jī)化搜索算法。它利用選擇、交叉和變異來培養(yǎng)控制機(jī)構(gòu)的計(jì)算程序,在某種程度上對(duì)生物進(jìn)化過程做數(shù)學(xué)方式的模擬。它不要求適應(yīng)度函數(shù)是可導(dǎo)或連續(xù)的,而只要求適應(yīng)度函數(shù)為正,同時(shí)作為并行算法,它的隱并行性適用于全局搜索。多數(shù)優(yōu)化算法都是單點(diǎn)搜索算法,很容易陷入局部最優(yōu)。而遺傳算法卻是一種多點(diǎn)搜索算法,因而更有可能搜索到全局最優(yōu)解。由于遺傳算法的整體搜索策略和優(yōu)化計(jì)算不依賴于梯度信息,所以解決了一些其它優(yōu)化算法無法解決的問題。遺傳算法的缺點(diǎn)是運(yùn)算速度不快,進(jìn)化眾多的規(guī)劃要占據(jù)較大的存儲(chǔ)空間和運(yùn)算時(shí)間。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊技術(shù)都是模擬人類智能的技術(shù)。但是它們分屬兩個(gè)截然不同的研究領(lǐng)域。模糊技術(shù)從人的思維外特性，即語言和對(duì)世界認(rèn)識(shí)的概念上去模仿人類智能，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是從人腦的物理結(jié)構(gòu)上去研究人類智慧的產(chǎn)生和形成。兩者機(jī)理不同，特點(diǎn)不同，但殊途同歸都從不同程度上構(gòu)造了具有一定人類智能特性的控制系統(tǒng)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬了人腦神經(jīng)元活動(dòng)的過程，它具有并行化、自組織、自學(xué)習(xí)等特點(diǎn)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可對(duì)小車的行駛行為和環(huán)境進(jìn)行學(xué)
習(xí)，從而使得小車具有自主行駛能力。模糊技術(shù)具有人類智能的模糊性和推理能力。 它可將人的經(jīng)驗(yàn)融入控制中，從而提高系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)性。在路徑規(guī)劃中，模糊推理的應(yīng)用主要體現(xiàn)在基于行為的導(dǎo)航方式上。所謂基于行為的導(dǎo)航，就是將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程分解為避障、邊界跟蹤、調(diào)速、目標(biāo)制導(dǎo)等基本行為,各基本行為的激活由不同的機(jī)構(gòu)分別控制，機(jī)器人的最終操作由高層控制機(jī)構(gòu)對(duì)基本行為進(jìn)行平衡后作出綜合反應(yīng)。傳感器數(shù)據(jù)用模糊邏輯進(jìn)行融合后，可以確定是否激發(fā)低層行為，然后再利用模糊推理對(duì)存在沖突的低層行為進(jìn)行優(yōu)先權(quán)判別，從而決定實(shí)際操作。模糊控制方法將信息獲取和模糊推理過程有機(jī)結(jié)合，從控制目標(biāo)上看，它以自適應(yīng)性取代最優(yōu)性，從控制手法上看它以模糊性取代精確性。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于不依賴機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，系統(tǒng)控制融入了人類經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)計(jì)算量小，構(gòu)成方法較為簡(jiǎn)單，節(jié)省系統(tǒng)資源，實(shí)時(shí)性好。
2.2 撿球方式 對(duì)于撿球方式有兩種方案。
第一種方法就是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手，直接將乒乓球抓取，并且將乒乓球放到存放腔中，比較復(fù)雜而且效力太低了。
另一種方法就是掃入機(jī)器人身上，特點(diǎn)簡(jiǎn)單快捷高效。因此，撿球的方式選用這個(gè)方式。
2.3 驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的方式 機(jī)器人采用24V/380轉(zhuǎn) 60瓦 RE30 瑞士大功率空心杯電機(jī)/伺服電機(jī)/馬達(dá)，并且用前輪驅(qū)動(dòng)、后輪導(dǎo)向方式。導(dǎo)向采用的是萬向輪，萬向輪可以由廠家直接生產(chǎn)制造出來，不必另外設(shè)計(jì)，而且比較容易獲得，使用起來也比較方便。導(dǎo)向輪安裝在腳輪輪子的支架能在動(dòng)載或者靜載中水平360度旋轉(zhuǎn)，起到導(dǎo)向的作用
用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法有很多。常用到的有以下幾種：
（1）差動(dòng)型轉(zhuǎn)向。對(duì)于輪式和履帶式機(jī)器人的轉(zhuǎn)向來說，差動(dòng)法是最為常用的方法。當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí)，機(jī)器人一側(cè)的輪子或履帶停止前進(jìn)或反向運(yùn)動(dòng)，另一側(cè)的則繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)器人向輪子或履帶停止或反向運(yùn)動(dòng)的一側(cè)轉(zhuǎn)向。
（2）汽車型轉(zhuǎn)向。汽車型轉(zhuǎn)向雖然沒有差動(dòng)型轉(zhuǎn)向的機(jī)動(dòng)性好，但它適用于室外路況，特別是不平坦的路面。采用此種轉(zhuǎn)向方式的機(jī)器人轉(zhuǎn)向圓圓心是在輪子的外側(cè)，而不是在兩輪之間，因此可以獲得更大一些的牽引力。
（3）三輪車型轉(zhuǎn)向。差動(dòng)型轉(zhuǎn)向的最大缺點(diǎn)就是當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人兩側(cè)車輪的電機(jī)中一個(gè)速度略微慢一點(diǎn)，機(jī)器人所行進(jìn)的路徑就會(huì)變成曲線。使用三輪車型轉(zhuǎn)向的機(jī)器人，必須合格證其用于轉(zhuǎn)向的電機(jī)定位，否則無法保證機(jī)器人能進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。
（4）全方位型轉(zhuǎn)向。這種方式要求機(jī)器人具備三個(gè)具備轉(zhuǎn)向功能的驅(qū)動(dòng)輪，而這些車輪需要兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)用于轉(zhuǎn)向，另一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)轉(zhuǎn)。全方位機(jī)器人有很強(qiáng)的靈活性，并且轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確，但技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較困難[2]。
本設(shè)計(jì)主要采用差動(dòng)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向。在機(jī)器人的兩側(cè)在相對(duì)應(yīng)位置各安裝一個(gè)相同的電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪，并且實(shí)現(xiàn)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人的兩個(gè)輪子以相等的速度和相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向前和向后的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)左輪停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左轉(zhuǎn)向；當(dāng)右輪停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的右轉(zhuǎn)向；當(dāng)兩輪以相同速率地正轉(zhuǎn)或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人將會(huì)原地轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的原地左轉(zhuǎn)或者原地右轉(zhuǎn)。
綜上可知，設(shè)計(jì)的整個(gè)機(jī)器人總共需要三個(gè)輪子。裝在前面的兩個(gè)車輪是驅(qū)動(dòng)輪，起到驅(qū)動(dòng)的作用，并且兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。裝在后面一個(gè)輪是萬向輪，起到導(dǎo)向的作用。
2.4 主體材料的選擇 制作機(jī)器人常用的材料主要有以下幾種。
（1）木材。選用木材的最大優(yōu)點(diǎn)是它的價(jià)格低廉，加工方便，可直接用手工鋸進(jìn)行加工。但是，它在零件接頭的地方比較容易損壞，而且比較容易磨損。
（2）塑料。塑料的種類較多，可以根據(jù)機(jī)器人不同的功能，選擇出不同的塑料。這主要有以下三種塑料可以選擇。第一，熱固性塑料。這種塑料較堅(jiān)硬。它只能通過切削來定型，它一般用于硬塑料玩具、電器產(chǎn)品和其他對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定要求的產(chǎn)品中。第二，彈性塑料。它具有很高的彈性，它和熱固性塑料一樣，不能通過加熱的方法來定型。第三，熱塑性塑料。它可以作不同用途、不同厚度的材料使用。常用的塑料材料有ABS（丙烯腈-丁二烯）、丙烯酸塑料、纖維素塑料、環(huán)氧樹脂、尼龍、酚醛塑料、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚亞氨酯、PVC（聚氯乙烯）、硅樹脂。
（3）金屬材料。這種材料的強(qiáng)度較大，而且來源廣泛，通常選用碳鋼和鋁合金。選用這種材料一個(gè)是加工簡(jiǎn)單，便宜，本設(shè)計(jì)中只要用到了鈑金加工，CNC加工。
（4）有機(jī)玻璃。這種材料比較難獲得，而且價(jià)格相對(duì)其它材料也比較昂貴[1]。 由于制作的自動(dòng)撿球機(jī)器人體積較小，要求的重量也較輕。因此，主體的制造材料選為環(huán)氧樹脂塑料。該材料是一種非常耐用而且干凈的塑料，通常用作玻璃纖維的黏合劑。它在大多數(shù)情況下成液態(tài)，被用于灌注到別的零件或者玻璃纖維基體上。干燥后，環(huán)氧樹脂可以切割、鉆孔和拋光。
因此，選該塑料和鈑金作為機(jī)器人的主體材料比較合適。
3?結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1?驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)?
3.1.1?電源的選擇?
機(jī)器人常用的電池有以下幾種類型。
（1）干電池。由于干電池屬于一次性使用的，成本也相對(duì)較高，并且干電池的內(nèi)阻一般都比較大。因此，當(dāng)負(fù)載比較大的時(shí)候，電壓會(huì)下降得很厲害，無法實(shí)現(xiàn)大電流的連續(xù)工作。因此，干電池并不是機(jī)器人系統(tǒng)的理想電源。
（2）鉛酸蓄電池。它的最大的特點(diǎn)是價(jià)格較低、過充電的承受能力受強(qiáng)，大電流放電能力和可靠性高。但是，它的質(zhì)量比較大，維護(hù)起來相對(duì)比較困難。
（3）鎳鎘/鎳氫電池。它具有良好的大電流放電特性、耐過充和放電的能力強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。但是，其最致命的缺點(diǎn)是：在充放電過程中，如果處理不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”，使得電池容量和使用壽命大大地縮短。此外，鎘是一種有毒金屬，因而鎳鎘電池不利于環(huán)境的保護(hù)，廢棄后必須嚴(yán)格地進(jìn)行回收。由于眾多的缺點(diǎn)，使得鎳鎘電池在機(jī)器人的應(yīng)用中越來越少。
（4）鋰離子/鋰聚合物動(dòng)力電池。鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，鋰離子電池的充電和放電必須嚴(yán)格小心，通常在使用鋰離子電池組的時(shí)候必須配備專門的過充電、過放電保護(hù)電路。鋰離子電池價(jià)格也相對(duì)比較高，并且需要另外配備保護(hù)電路。因此，相同能量的鋰離子電池的價(jià)格是免維護(hù)鉛酸蓄電池的十倍以上[5]。??
綜合實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性原則的考慮，在本機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，選用了鉛酸蓄電池。在本設(shè)計(jì)，可以采用山東金科力電源科技有限公司生產(chǎn)的鉛酸蓄電池，各個(gè)性能比較適合本設(shè)計(jì)中。
?3.1.2?電機(jī)的選擇?
微型機(jī)器人使用的電機(jī)一般有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和直流伺服電機(jī)這三種類型。這三種電機(jī)的控制都相對(duì)簡(jiǎn)單，性能也比較出眾，而且直流電源也比較容易獲得。
（1）步進(jìn)電機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使在機(jī)器人控制變得簡(jiǎn)單。
（2）直流電機(jī)。它有極寬的功率調(diào)節(jié)范圍，調(diào)整特性平滑，適應(yīng)性好，過載能力較強(qiáng)，而且具有很好的性價(jià)比，是一種通用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
（3）伺服電機(jī)。它是自動(dòng)裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點(diǎn)是可控。一般來講，它主要同以下幾個(gè)部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等[6]。?
在本機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用了伺服電機(jī)比較精確自帶減速組使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。
整機(jī)驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá): maxon馬達(dá) （需要2個(gè)）
24V/380轉(zhuǎn) 60瓦 RE30 瑞士大功率空心杯電機(jī)/伺服電機(jī)/馬達(dá)
工作電壓：24V
功率：60瓦
連續(xù)扭矩：2Nm（20kg·cm）
堵轉(zhuǎn)扭矩：24Nm（240kg·cm）
轉(zhuǎn) 速：380轉(zhuǎn)每分鐘(配24減速比)
電機(jī)直徑：30mm 長度150mm
編碼器：光電式
輸出路數(shù)：ＡＢ雙路輸出
每圈脈沖：500 CPR （脈沖每圈）
撿球馬達(dá)： 飛思卡爾比賽專用 3010 伺服馬達(dá) (需要一個(gè))
尺寸:41*20.5*37.5mm
速度:0.16秒/60度
扭力:5.8千克/cm (4.8V)
速度:0.14秒/60度
扭力:7.0千克/cm(6.0V)
重量:38克
3.13 車輪選擇 關(guān)于車輪的2個(gè)動(dòng)力輪可在網(wǎng)上尋找合適的直徑為75MM的輪子，關(guān)于萬向輪網(wǎng)上有現(xiàn)貨參考網(wǎng)站：
http://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.1.x1xciv&id=16384956635&ad_id=&am_id=&cm_id=140105335569ed55e27b&pm_id=
奧百隆 重型1.5寸 無剎萬向輪 輪子 轉(zhuǎn)椅輪 轉(zhuǎn)向輪 家具腳輪 靜音
3.1.4 驅(qū)動(dòng)裝置
1、傳動(dòng)方式的決定 一般來講，機(jī)器人的傳動(dòng)裝置主要有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，采用皮帶傳動(dòng)，這樣不僅可以使設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單，而且齒輪傳動(dòng)也較為平穩(wěn)因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中的掃求和上升機(jī)構(gòu)中要求不高所以用皮帶傳動(dòng)比較合理。
2、皮帶輪與電機(jī)軸的連接 為了將皮帶輪安裝到電機(jī)軸上，通常要使用緊定螺釘進(jìn)行連接，所示。大多數(shù)的齒輪都有自帶的緊定螺釘或用以旋入螺釘?shù)目?。如果沒有，可以自己鉆孔，并對(duì)其攻絲[，使用緊定螺釘將電機(jī)軸與齒輪連接起來
3、前軸的軸系結(jié)構(gòu) 前軸安裝驅(qū)動(dòng)輪，它的主要功用是支承零件及傳遞動(dòng)力。在前軸軸系的零件主要有： 因?yàn)檫x用的馬達(dá)自帶了減速組，所以使得本設(shè)計(jì)中不需要另外設(shè)計(jì)減速機(jī)構(gòu)，使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單合理。
4、關(guān)于方向控制 本設(shè)計(jì)中采用2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪一個(gè)萬向輪，通過控制2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速或者一個(gè)轉(zhuǎn)一個(gè)不轉(zhuǎn)，一個(gè)高速一個(gè)低速來達(dá)到改變方向的作用。
5、驅(qū)動(dòng)裝置的總體結(jié)構(gòu) 將驅(qū)動(dòng)裝置的各個(gè)零部件組裝起來，組成一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，
3.2 撿球機(jī)構(gòu)
3.2.1 撿球的總裝置 由于網(wǎng)球重量較輕、體積較小，而且比較容易被掃走。因此，撿球的機(jī)構(gòu)采用掃入的裝置如下圖所示。首先，機(jī)器人通過判別網(wǎng)球的位置。然后，走到網(wǎng)球的位置前。最后，由單片機(jī)控制啟動(dòng)伺服電機(jī)，使網(wǎng)球球被掃進(jìn)機(jī)器人體內(nèi)，并且通過上升機(jī)構(gòu)使網(wǎng)球進(jìn)入網(wǎng)球存放腔中。
3.2.2 網(wǎng)球上升結(jié)構(gòu)： 當(dāng)網(wǎng)球被掃入機(jī)器體內(nèi)后通過上升裝置把小球集中到一個(gè)盒子里如圖所示
用到的軸承有 6902ZZ 軸承 內(nèi)徑為15 外徑為28 厚度為7
3.2.3 球滿放球裝置 通過計(jì)數(shù)器算出網(wǎng)球進(jìn)入到一個(gè)值時(shí)，機(jī)器人通過橫豎2個(gè)紅外傳感器自動(dòng)尋找到指定放網(wǎng)球點(diǎn)把網(wǎng)球倒入其中，實(shí)現(xiàn)最后一步。
4.傳感器
4.1 .顏色傳感器：用于識(shí)別網(wǎng)球
簡(jiǎn)介：顏色傳感器是通過將物體顏色同前面已經(jīng)示教過的參考顏色進(jìn)行比較來檢測(cè)顏色，當(dāng)兩個(gè)顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時(shí)，輸出檢測(cè)結(jié)果
編輯本段工作原理
一個(gè)新型傳感器能敏銳的察覺到顏色變化有助于線工人正確的分辨出會(huì)所，銀色等問題。
顏色傳感器一直用裝配線來檢測(cè)特定的組件。顏色傳感器的挑戰(zhàn)是檢測(cè)微妙差異相似或高度反光的顏色。例如,金屬涂料在汽車工業(yè)中使用很難區(qū)分灰度的顏色或黃金。匹配組件這是重要的,如鏡子的身體或保險(xiǎn)杠都離不開傳感器協(xié)助。此外,顏色傳感器通過數(shù)量有限的顏色可以檢測(cè)，并通過他們有限的能力迅速改變?cè)O(shè)置或處理多個(gè)顏色。
電子技術(shù)的發(fā)展,光學(xué),軟件促進(jìn)顏色傳感器發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)使得更敏感的傳感器,可以忽略光澤和區(qū)別出微妙的色調(diào)?？梢哉{(diào)整方便靈活的制造和精確的色彩校正。
一個(gè)典型的顏色傳感器具有高強(qiáng)度白光LED,光在目標(biāo)項(xiàng)目調(diào)制。反射從目標(biāo)是分析的成分紅,綠,藍(lán)(RGB)值和強(qiáng)度。此信息用于驗(yàn)證正確的部分和組裝,準(zhǔn)確控制制成品的顏色。
在一個(gè)典型的應(yīng)用程序中,機(jī)器操作員持有一個(gè)顏色樣本在前面的傳感器,編程它對(duì)這個(gè)特定顏色相匹配。這個(gè)過程期間及之后,運(yùn)營商可能會(huì)注意到匹配失敗涉及色彩略暗或略輕,但仍在可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。操作員然后重組傳感器與更廣泛的高/低設(shè)置點(diǎn)和通過試錯(cuò)過程建立理想的范圍。
如果傳感器有多個(gè)通道,它可以被編程來識(shí)別多種顏色一個(gè)顏色在每個(gè)頻道,每個(gè)頻道信號(hào)是一個(gè)離散報(bào)警輸出。這一技術(shù)使簡(jiǎn)單的顏色識(shí)別或匹配,比如排序或部分識(shí)別功能,通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)是足夠的。
下一代顏色傳感器提供三個(gè)額外的輸出表示RGB顏色值。好處包括更多的智能控制的制造。
在實(shí)踐中,傳感器輸出原始RGB讀數(shù)為模擬信號(hào)。模擬信號(hào)更適合通信,因?yàn)閿?shù)字讀數(shù)為三個(gè)渠道將超過每150μs吞吐量限制典型的串行協(xié)議。一個(gè)傳感器可以將原始RGB信號(hào)模擬與10位分辨率將輸出5mV的每個(gè)1023步。
如果顏色變化的原因是無法輕易地發(fā)覺或者如果沒有顯示可用,模擬RGB信號(hào)可以數(shù)字化和美聯(lián)儲(chǔ)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這允許全面的變化趨勢(shì),分析傳感器讀數(shù)。一些傳感器提供一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)模式原始數(shù)字讀數(shù)。
4.2 .紅外傳感器（光子探測(cè)器）：在橫豎方向放2個(gè)紅外發(fā)射器，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到橫豎發(fā)射信號(hào)的焦點(diǎn)時(shí)就能找到指定放網(wǎng)球的一點(diǎn)，然后把球上的網(wǎng)球倒入其中。
4.3 紅外測(cè)距傳感器：遇到障礙物自動(dòng)躲避（注顏色傳感器優(yōu)先于它）
簡(jiǎn)介：紅外線技術(shù)在測(cè)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，許多產(chǎn)品已運(yùn)用紅外線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛測(cè)速、探測(cè)等研究。紅外線應(yīng)用速度測(cè)量領(lǐng)域時(shí)，最難克服的是受強(qiáng)太陽光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線應(yīng)用于野外的瓶頸。針對(duì)此問題，這里提出一種紅外線測(cè)速傳感器設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案能夠?yàn)槎帱c(diǎn)測(cè)量即時(shí)速度和階段加速度提供技術(shù)支持，可應(yīng)用于公路測(cè)速和生產(chǎn)線下料的速度稱量等工業(yè)生產(chǎn)中需要測(cè)量速度的環(huán)節(jié)[1]。
紅外線對(duì)射管的驅(qū)動(dòng)分為電平型和脈沖型兩種驅(qū)動(dòng)方式。由紅外線對(duì)射管陣列組成分離型光電傳感器。該傳感器的創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠抵抗外界的強(qiáng)光干擾。太陽光中含有對(duì)紅外線接收管產(chǎn)生干擾的紅外線，該光線能夠?qū)⒓t外線接收二極管導(dǎo)通，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。本傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠設(shè)置多點(diǎn)采集，對(duì)射管陣列的間距和陣列數(shù)量可根據(jù)需求選取。
紅外技術(shù)已經(jīng)眾所周知，這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代科技、國防科技和工農(nóng)業(yè)科技等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。
紅外傳感器根據(jù)探測(cè)機(jī)理可分成為：光子探測(cè)器（基于光電效應(yīng)）和熱探測(cè)器（基于熱效應(yīng)）。
4.4?機(jī)器人的計(jì)數(shù)功能?
由于設(shè)計(jì)的自動(dòng)撿球機(jī)器人一次最多只能存放15個(gè)乒乓球。因此，機(jī)器人每次撿起一個(gè)網(wǎng)球時(shí)，都要自動(dòng)地進(jìn)行計(jì)數(shù)。在自動(dòng)撿球機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，我們采用光電式計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。?
光電計(jì)數(shù)器的應(yīng)用非常廣泛，具有的可靠性高，并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能，使用起來較為方便[17]。將光電計(jì)數(shù)器安裝在機(jī)器人網(wǎng)球的入口處，每當(dāng)機(jī)器人撿起一個(gè)網(wǎng)球的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)發(fā)送一個(gè)脈沖，光電計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為1。這樣就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。
5.設(shè)計(jì)的效果與工作過程
5.1 機(jī)器人到達(dá)的效果：
開啟機(jī)器人時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，自動(dòng)掃描整個(gè)場(chǎng)景通過顏色傳感器檢測(cè)網(wǎng)球，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)球后，控制器計(jì)算出路徑后給驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)一個(gè)信號(hào)機(jī)器人自動(dòng)靠近網(wǎng)球，當(dāng)遇到人或者障礙物時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)躲避，然后繼續(xù)靠近網(wǎng)球，到了時(shí)控制器給掃球馬達(dá)一個(gè)信號(hào)，掃球馬達(dá)工作，把網(wǎng)球掃進(jìn)機(jī)器體內(nèi)，然后通過上升機(jī)構(gòu)把網(wǎng)球集中到一個(gè)收集箱，并計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器與設(shè)定值對(duì)比，未到到數(shù)值時(shí)機(jī)器人繼續(xù)掃描周圍：當(dāng)計(jì)數(shù)器數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就通過橫豎2個(gè)紅外傳感器檢測(cè)到網(wǎng)球指定存放點(diǎn)把收集箱中的網(wǎng)球倒入存放點(diǎn)，計(jì)算器清零并重新掃描周圍回到起始狀態(tài)。
5.2 機(jī)器人的工程流程如圖所示：
6.?經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告
各部件價(jià)格： 馬達(dá)大概1500元，車輪500元，鈑金2000元，機(jī)加工1000元，傳感器2000元，開模費(fèi)5W?？刂破麟娮蛹?000元總共估計(jì)在：6W到10W之間的費(fèi)用。
結(jié)論
這一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)本科的終結(jié)，也是我人生一個(gè)新的開始。這幾個(gè)月以來，為了更好地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，我經(jīng)過了認(rèn)真的思考，并且與組內(nèi)的成員進(jìn)行了詳細(xì)分工、合作，在每一個(gè)階段都取得了一定的成就?，F(xiàn)在，終于完成了這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。在這個(gè)過程中感覺是有點(diǎn)辛苦，但是我卻學(xué)到了很多關(guān)于機(jī)器人方面的知識(shí)，提高了自己思維的創(chuàng)新能力。為了更好地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行了一次詳細(xì)的復(fù)習(xí)，并且將從課本上所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到日常生活中去，這對(duì)我的知識(shí)提高與積累起到了很大的幫助作用。這一次做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)自己在課堂上所學(xué)的知識(shí)是有限的，以后還要不斷地學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，提高自己的專業(yè)知識(shí)技能。本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我掌握了工程設(shè)計(jì)的一般程序和方法，鍛煉了我綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和創(chuàng)新的思維。?
在設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)于一項(xiàng)設(shè)計(jì)，我們要綜合考慮到各個(gè)方面的因素。例如，在這次自動(dòng)撿球機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我們要考慮以下幾個(gè)方面的問題。第一，可行性的問題。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撿球的功能，就必須要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在理論上，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的方案往往會(huì)比較多，但不是所有的方案都行得通。第二，工藝性的問題。在現(xiàn)有的條件下，設(shè)計(jì)出來的機(jī)器人要便于加工制作。第三，經(jīng)濟(jì)性的原則。在滿足各個(gè)使用功能的前提下，要用最低的成本將機(jī)器人制造出來。這對(duì)以后在市場(chǎng)上的推廣也是非常必要的，也符合經(jīng)濟(jì)性的原則。?
對(duì)于自動(dòng)撿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在一定的程度上，體現(xiàn)出了創(chuàng)新的能力。第一，采用簡(jiǎn)單的原理撿取網(wǎng)球?，F(xiàn)有應(yīng)用在網(wǎng)球場(chǎng)上的機(jī)器人，大多數(shù)都是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手直接抓取存放，這不但會(huì)使設(shè)計(jì)的過程變得更加繁瑣，而且控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜，制造的成本也會(huì)相應(yīng)地增加。這明顯不利于在市場(chǎng)上的推廣與應(yīng)用。第二，采用了更多的傳感器使機(jī)器人更加智能，靠性比較高、實(shí)用性也比較強(qiáng)，而且制作起來也比較容易。?
但是，由于本人的知識(shí)有限，在設(shè)計(jì)的過程中難免會(huì)有很多的錯(cuò)漏和一些設(shè)計(jì)得不夠合理的地方，有很多的地方還需要完善。再加上由于時(shí)間的限制，我們只是在理論上將自動(dòng)撿球機(jī)器人設(shè)計(jì)出來，未能將具體的實(shí)物模型加工出來，無法進(jìn)行具體調(diào)試，這是一個(gè)遺憾。然而，理論與實(shí)際總是有點(diǎn)差距的。希望下一屆的同學(xué)可以將這個(gè)自動(dòng)撿球機(jī)器人的課題繼續(xù)做下去，不斷完善自動(dòng)撿球機(jī)器人的各項(xiàng)設(shè)計(jì)，并且還可以增加其它的一些功能（例如可以自動(dòng)識(shí)別已經(jīng)損壞的網(wǎng)球）
致??謝?
在做這個(gè)課題之前，我機(jī)器人的了解幾乎是零。經(jīng)過XXX老師的悉心指導(dǎo)，最后把該課題做好了。在這，我對(duì)XXX老師表示衷心的感謝。?
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大四下學(xué)期的主要任務(wù)，因此畢業(yè)設(shè)計(jì)相對(duì)來說是個(gè)漫長且是個(gè)艱辛的工作，在這段時(shí)間可以上自己是遇上了太多太多的不懂和麻煩。正所謂在絕境中“柳岸花明又一村”，在期間我需要感謝太多太多的人，特別是我的老師XXX。XXX平易近人，和藹可親。在此期間，XXX老師不僅在畢業(yè)設(shè)計(jì)幫助我，而且還關(guān)心我的畢業(yè)后的打算，可以說是難見的好教師。畢業(yè)設(shè)計(jì)中自己對(duì)公差，總體設(shè)計(jì)方案等都是存在比較懵懂的狀態(tài)，而且好多細(xì)節(jié)都是比較模糊，不知道自己怎么動(dòng)手好，若不是付老師指導(dǎo)我真的不知道怎么才能完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。?
大學(xué)里雖說學(xué)的是比較純的理論性，實(shí)際運(yùn)用能力比較少這也是大學(xué)學(xué)習(xí)缺陷，但是沒有這些理論學(xué)習(xí)，可以說很多工作我都無從下手。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生四年的一個(gè)學(xué)習(xí)成果歸納，也是一次全面的總結(jié)?？梢哉f畢業(yè)設(shè)計(jì)是這大學(xué)四年來一點(diǎn)一滴積累起來的。在大學(xué)四年里，我要感謝教過我的老師，幫助過我的同學(xué)，是他們讓我從無到有，從空白到現(xiàn)在開始有些擁有。同時(shí)，我要感謝我的同學(xué)，是他們幫助我的成長，幫助我學(xué)的更多，讓我百明白更多。
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