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1、机械设计课程设计报告机械设计课程设计报告- -无线遥控智能爬行机器人设计无线遥控智能爬行机器人设计- - 课程设计课程设计机械设计课程设计报告-无线遥控智能爬行机器人设计 目目录录第一篇第一篇 机械机械课课程程设计设计摘要摘要 2第二篇第二篇 机械机械课课程程设计设计机构（硬件）机构（硬件）设计设计2.1 项项目背景及意目背景及意义义-32.2 肢体的机构肢体的机构设计设计-3-72.3 躯体的机构躯体的机构设计设计-7-8第三篇第三篇 机械机械课课程程设计设计步步态态分析及其分析及其实现实现 8-9第四篇第四篇 机械机械课课程程设计设计通信通信电电路路设计设计-10第五篇第五篇 机械机械课课
2、程程设计设计技技术应术应用用软软件件-11第六篇第六篇 机械机械课课程程设计设计参考参考书书目目-11第七篇第七篇 机械机械课课程程设计设计 附附录录 -11-12第八篇第八篇 机械机械课课程程设计设计心得，体会心得，体会&意意见见，建，建议议12-13第一篇第一篇 机械机械课课程程设计设计摘要摘要 机器人是机构学、运动学、控制理论等学科发展水平的综合体现，是当前国内外研究的热点问题之一。在各高校机器人设计活动也已经很广的开展起来，我想 这种氛围对我国机器人的研制开发特别以及专业方面人才的培养是具有积极意义 的。我们是制作机器人的爱好者，“无线遥控爬行机器人”是我们设计的第一个机器人，从仿生学
3、的角度，昆虫的生理构造及行为是比较容易模仿的，我们的机器人 正是在模仿四足行走的动物，该机器人是一个仿生4足行走的机器人，通过对伺服马 达的精确控制模拟四足动物的行走步态，实现行走、急跑、转弯等各种步态行为，并 能在各种地面环境下进行步态的智能调整，自适应光滑地面、粗糙地面、沙石地面、湿 泥地面等恶劣的路面环境。该系统通过AT89S51、USB100模块、NT- TR01无线传输模块及相应的辅助电路实现智能控制及无线遥控。NT- TR01采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好，且功耗小, 工作频率为国际通用的数传频段433MHz。PC端通过USB接口与NT-TR01模块连接，远程控制端
4、单片机与NT- TR01模块连接，实现数据的双向传输。PC向终端发送控制指令并处理反馈来的状态信息，终端执 行指令并反馈状态信号。最后进行了系统联合调试，结果表明：系统的软、硬件设计合理可行，为后续的 研究工作奠定了基础。关关键词键词： ：仿生学，AT89S51，USB100，NT- TR01，无线传输，PC，终端，反馈，DDS+PLL第二篇第二篇 机械机械课课程程设计设计机构（硬件）机构（硬件）设计设计2.1 项项目背景及意目背景及意义义仿生机器人（Humanoid Robot）是先进机器人技术的高级发展阶段，它综合体现了高级机器人的机构学、运动与动力学、现代设计理论、信息检测和感知、微电
5、子学、控制理论等诸多方面的研究和发展水平，是一个复杂的综合系统。图2- 1是我们研制的机器人三维模拟图。图2-1 “无线遥控爬行机器人”三维模拟图大学生科研训练计划（Student Research Training Program-SRTP）是我校大力开展本科教育改革，实施理论教学、实践教学、科学研究三位一体教学模式的重 要组成部分，其目的是组织学生在教师的指导下，通过自主进行课题研究和探索。了解 和掌握 基本的科学研究方法和手段，培养大学生严谨的科学态度、创新创业意识和团队 合作精神，提高大学生的研究创新能力和综合实践能力。“无线遥控爬行机器人”正是东南大学 SRTP项目之一，机器人的开发
6、是来源于学生的兴趣爱好，在指导老师的制导下完成机器人的开发。2.2 肢体的机构肢体的机构设计设计2.2-1 微型伺服马达的机构我们的机器人是由8个微型伺服马达驱动，整个机器人的机构设计也是以微型 伺服马 达为基础的，所以在介绍机器人的机构设计前我想把微型伺服马达的机构及工 作特性作一下介绍。微型的伺服马达在无线电业余爱好者的航模活动中使用已有很长一段历史，而 且应用最为广泛，国内亦称之为“舵机”，含义为：“掌舵人操纵的机器”。可见，微型伺服 马达主要用作运动方向的控制部件。伺服马达本质上是可定位的马达。当伺服马达接受 到一个位置指令，它就会运动到指定的位置。因此，个人机器人模型中也常用到它作为
7、可 控的运动关节，这些活动关节我们也常称它为自由度一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可 调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速 （减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也 愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。我们正是依靠伺服马达的两 个输出转矩作为驱动的来源。图2-2是我们所用微型伺服马达的三维模拟图图2-2微型伺服马达的三维模拟图2.2-2 爬行机器人的的肢体机构设计流程我们的设计是从4足机器人的一个肢体开始的，因为4个肢体的设计是非常相似 的。为了能够充分利用伺服马
8、达的输出转矩，我把马达输出的转臂就作为机器人的 肢体的组成部分，这样就大大提高了输出功率的利用率。想到四足动物的步行状态，即做 上下摆动和前后摇动，我开始把一个肢体的机构设计如下：图2-3肢体的单电机机构我们通过下面电机的转动带动上面齿轮臂的转动，进而带动圆住凸轮的转动并 把它的圆周运动转化为上连杆的摆动，再带动其它关节的转动。其结构间图如下：图2-4肢体的单电机运动间图由于此机构的运动比较单一，而且在运动的协调性上不易控制我们最后选取了 双电机机构。通过上下两个电机的独立转动带动肢体关节转动，这样在机器人行走的过程 中就可以比较协调，而且我们的机器人的自由度也将增加，具体的协调性分析及其行走
9、 的步态分析将在下面作详细介绍。图2-5肢体的双电机机构及其机构运动间图两个电机就可以比较轻松的实现一个肢体的“抬高”和“迈进”。通过4个肢体的协 调工作我们就可以控制机器人的行走（前进，后退，转身等）。另外，在我们的考 虑到我们的机器人实际工作环境时，想到了如果它在行走的过程中翻身了怎么 办？所以在原有双电机的机构基础上我们加以了改进，那就是在原来肢体上再加镜向关节。（如图2- 6）这样在机器人翻转180度后依然可以利用上面的镜向图2-6肢体的双电机含镜向关节机构关节行走。最后通过我们小组的讨论，图2- 6的机构在可行性上有一定限制（机器人在翻身后未必翻到180度，这样上关节就 起不到），即
10、无法充分可靠的利用镜向关节最后我们放弃了这个方案。希望在以 后的设计中能够想到更好的方案。所以最后我们采用的还是图 2- 5的双电机无镜向关节的机构。2.3 躯体的机构设计流程躯体是连接四个肢体的关键部分，躯体的结构设计也显得十分重要，我们从电 机的结构出发，结合实际四足动物的形体特征，我们的躯体设计经过以下几个阶段：图2-7躯体机构的实际流程图图2-7躯体机构的三维图通过最后的躯体机构我们就可以把四个双电机肢体很好的连接在一起了，并且 通过最后改进的躯体梁结构，我们可以让机器人有充分的灵活性，这主要是“中间轴” 和两个“铰链”的作用。图2-7整体机构图（主视）最后把躯体和四个肢体通过螺钉紧固
11、在一起，这样机器人的整体机构就组合好 了，过控制8个伺伏电机就可以让它“行动自如”了。第三篇第三篇 机械机械课课程程设计设计步步态态分析及其分析及其实现实现3.1引言：引言：根据节肢昆虫的步行原理，建立起步行运动的模型，将昆虫的运动进行简化，抽象出四足运动的基本原理，并制作出了一个理论验证模型，可以实现前进、后退 、左转、右转、避障等动作。3.2步行原理：步行原理：3.2-1 单足行为每一条腿有两种状态：向前走和向后走，对于每一个动作状态来讲，分为两步：迈腿和收腿。这两步连续不断的循环，设其周期 为 T，迈腿的时间为收腿时间的1/3，为整个周期的1/4，这个动作对于每条腿都是一样的：每相邻的两
12、个抬腿动作之间的 相位差为1/4周期，由此可得出机器人在行走式的四条腿之间的时序关系，如图3- 1所示：图3-1四条腿之间的时序关系3.2-1四足协调机器人要实现稳定的行走，必须保证每时刻都有三条腿着地，而另外一条腿用 来行走。全部行走的奥秘在于当一条腿抬起来时，其它三条腿是同时着地并且向后退的， 这样，机器人把抬起的腿向前迈一步再放下，就走完了一步，之后轮流迈其它的腿，机器 人就可以连续向前走了。各种动作顺序如下 （四条腿分别记为右后、右前、左后、左前，每条腿向前迈记为“”，向后迈腿记为“”）：前进：右后 右前 左后 左前；后退：右后 右前 左后 左前； 左转：右后 右前 左前 左后； 右转
13、：右前 右后 左后 左前。各条腿动作的时序关系如图3-1所示。选择不同的动作顺序则可以实现不同的行走方式。图3-2四条腿的空间三维模拟图第四篇第四篇 机械机械课课程程设计设计通信通信电电路路设计设计4.1 USB 模块通信电路设计4.2普通COM通信电路设计第五篇第五篇 机械机械课课程程设计设计技技术应术应用用软软件件在本次设计中我们利用了以下技术应用软件：SUPERICES （G3000爱思仿真开发系统）：初期程序调试。CAD、SOLIDWORKS： 零件图，装配图，三维图的绘制。VC+ 、KEIL C51：程序的编写。PROTEL：电路图的设计绘制。SUPERPRO/280、EASY 51
14、PRO：程序的烧制。第六篇第六篇 机械机械课课程程设计设计参考参考书书目目AT89S51系列单片机原理与接口技术单片机原理及应用机械设计手册USB接口设计串口技术8051单片机C语言控制与应用单片机应用技术选编第七篇第七篇 机械机械课课程程设计设计 附附录录 7.1 USB 模块电气特性7.2 NT-TR01 电气特性第八篇第八篇 机械机械课课程程设计设计心得，体会心得，体会&意意见见，建，建议议在实践中提高自己-谈 作本次机械设计课程设计的心得体会作为一名机械系，机械设计制造及自动化大三的学生，我觉得能做类似的课程设 计是十分有意义，而且是十分必要的。在已度过的大三的时间里我们大多数接触的是
15、专业基础课。我们在课堂上掌握 的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础 理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次大 作业的过程中，我感触最深的当数查阅大量的设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符 合工程标准，一次次翻阅机械设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在作设计 ，但我们不是艺术家。他们可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都 要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，由于本次大作 业要求用S
16、olid works 制图、PROTEL绘制电路图、VC+编程等，所以我们还要好好掌握这几门软件。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率好 高，记得大一学CAD时觉得好难就是因为我们没有把自己放在使用者的角度，单单是为了学而 学，这样效率当然不会高。边学边用这样才会提高效率，这是我作本次课程设计的第二大收获。 但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。谈谈我的意见和建议：首先，我觉得老师给我们作类似的课程设计是十分必要的，这不仅可以提起我 们对这门课的学习兴趣，同时还可以在专业上用实践锻炼一下我们，使我们不但不在对所学 专业感到陌生，而且还可以培养大家的积极性。其次，我觉得应该培养
