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1、实践教学环节课程名称机电产品设计课程编码佳木斯大學机械设计制造及其自动化专业（卓越工程师）设计说明书（机电产品设计）题 目： 巡边小鼠 学 院：机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 _摘要巡边小鼠运用仿生学的理念，制作的机器老鼠活像一只沿着墙唧唧喳喳走的老鼠。本文介绍了其课题背景，国内外研究现状和结构设计思路，电路设计思路以及三维建模与亲自实际制作过程。实现了像实际中老鼠沿墙走的功能，其操作简单易行，在未来的机器人技术中必将有关阔的发展空间。关键词 机器鼠；巡边；发展空间AbstractTour the idea of using the mice bionics, making ma
2、chine like a mouse along the wall of the chirp mouse go. This paper introduces the background of the subject, the research situation and structure design idea, circuit design ideas and 3 d modeling and personally actual production process. Realize the actual along the wall like rat in the function o
3、f the walk, the operation is simple, and in the future the robot technology about the development of the rich will space.Keywords machine rat； tour edge ；development space.目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题背景11.2国内外研究背景1第2章 本体结构设计32.1基本原理32.1.1运动方式32.1.2驱动机理32.2数学建模42.3本章小结4第3章 控制电路设计5第4章 三维建模84.1画pvc槽84.2
4、开关124.3 电池134.4电池盒144.5电路板164.6滚珠184.7后腿184.8 M2螺杆194.9螺母214.10马达224.11脑袋244.12排针254.13碰触开关264.14曲别针274.15装配284.16本章小结34第5章 实物制作355.1准备工作355.2制作过程365.2.1传感器365.2.2电源375.2.3开关375.2.4电路375.2.5装饰385.3本章小结38结论39致谢40参考文献41第1章 绪论1.1课题背景家鼠由于长期在黑暗中生活，视力和方向感是很差的，不沿墙跑，一是找不清方向，二是跑步了直线，拐来拐去的。“仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特
5、点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行，其次，过去、现在甚至未来，对仿生机械（器）的研究，都是多方面的，也就是既要发展模仿人的机器人，又要发展模仿其他生物的机械（器）。机器人未问世之前，人们除研究制造自动偶人外，对机械动物非常感兴趣，如传说诸葛亮制造木牛流马，现代计算机先驱巴贝吉设计的鸡与羊玩具，法国著名工程师鲍堪松制造的凫水的铁鸭子等，都非常有名。仿生机械具有关阔的发展与研究空间，而本项目正是应用仿生学理念研究制作的机器鼠。1.2国内外研究背景我国在模块化机器人领域的研究工作开展得比较晚，现在还处于起步阶段，只有少数高校和科研院所对重构机器人进行了研究。其中，哈尔滨工业大学已经完成
6、了其第1代模块化机器人Modularse-freconifgurableRobotI(HiMtSRI)的设计，搭建了一个具有20个模块的实验系统，提出了一种基于子单元的分层规划方法，并进行了部分模块自重构运动及非重构运动实验，取得了较好的效果现在已完成了H iMt SR II的机构和控制系统软、硬件的设计与实现在国外自重构机器人研究的基础上，上海交通大学机器人研究所设计开发了一种新型的网格型雌雄同体的自重构模块化机器人。该机器人的基本模块按功能划分成：连接(感知)元、通信元、能源元、控制元4个部分。连接(感知)元负责模块局部与全局的接口处理；通信元进行消息的传递；能源元由直流电动机、减速器及一
7、些机械传动装置组成，驱动系统运行，控制元由微处理器组成，具有一定的计算能力和行为控制机制模块化重构机器人面临的挑战：(1)最急需解决的一个问题就是通用模块的设计，以提高模块的适用范围。(2)机器人认识和学习能力的提升。因为模块化机器人最大的优点就是可以在未知的环境中完成任务，因此提高机器人的学习能力就成为判断机器人性能的一个重要方面，当遇到一种新的问题后，系统可以自动将问题和处理方法按编码规则储存起来逐步提高机器人处理问题的能力。同时，机器人还要具有自我修理、自我支撑的能力。(3)寻找能够充分体现模块化重构机器人优势的应用场合。这也成为了科研人员的一项难题，因为只有强大的市场需求，才能进一步推
8、动机器人技术的发展。模块化的可重构机器人是机器人领域中新兴起的一个研究方向，同时，也是当前机器人学研究领域的一个热点和难点。在过去的20年中，模块化机器人的研究经历了从最初的概念性研究到实体机器人制作的整个过程，并已经在工业领域得到了实际应用。20世纪90年代初，Chirikjian和Murata等人根据模块化机器人在未来的发展趋势，提出了点阵晶格式重组系统；Yim提出了基于链式结构的系统。随后，自重构机器人开始在世界各国得到了极大的发展，尤其是日本和美国在这方面的发展最为迅速。美国、日本的一些大学和科研机构对重构机器人的重构技术、变形策略、运动规划、控制算法、体系结构和协同控制等方面进行了广
9、泛而深入的研究，机器人的重构方式也由最初的静态可重构方式发展为动态的自重构方式，并建立了多种模型实验系统，不论是在技术上还是性能上这一研究都取得了很大的进步。由于市场全球化的竞争，机器人的应用范围要求越来越广，而每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围，因此机器人的柔性不能满足市场变化的要求，解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统，它是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成，能够被装配成各种不同构形的机器人，以适应不同的工作。因此可重构机器人系统的研究已引起越来越多的研究者和工业应用的兴趣。第2章 本体结构设计本项目介绍的是一个既简单又有趣的巡边机器人，可以自主的沿着墙壁的边缘行走，
10、这和老鼠的行为很像，为此再加上专门的造型设计，俨然一只在黑暗中偷偷摸摸的狡猾老鼠。通常要实现类似沿墙走的功能，往往需要红外线或者超声波等之类较为高级的传感器，且还要加上复杂的控制电路，而本项目却是用简单到仅有几个开关就能实现同样的效果，可以说是非常值得推荐的一个项目。2.1基本原理本项目采用的是与PVCBOT7号类似的三轮传动结构，不过是其的反向应用，即两个主动轮作为后轮，一个传动轮作为前轮，就相当于倒着开的三轮小车。2.1.1运动方式本项目机器人的运动机理与PVCBOT1号的运动机理类似，不同是原来的前进变为后退，原来的后退变为前进，而左右拐弯的原理则基本不变。控制前面两个轮子的转动方向就可
11、以控制整个机器人行进的方向：（1）左右两个后轮都向前转，则机器人向“正前方”直线前进；（2）左右两个后轮都向后转，则机器人向“正后方”直线倒退；（3）左后轮向前转，右后轮向后转（或不转），则机器人将以前轮为轴心顺时针转动，即实现向“右前方”转弯前进；（4）右后轮向前转，左后轮向后转（或不转），则机器人将以前轮为轴心逆时针转动，即实现向“左前方”转弯倒退。2.1.2驱动机理在机器人的一侧前端用钢丝做了一根触须，通过触须感应是否挨着墙壁，假如远离墙壁则控制整体往墙壁靠，假如过于靠近墙壁则控制整体离开墙壁，让整体出于“远离靠近再远离再靠近”的动态平衡中，就可以沿着墙壁的走向一直前进。触须是安装在挨着
12、墙的身体一侧的，且控制两个后轮轮流转动前进：触须远离墙时控制处于墙外侧的后轮转动，即让整体往墙内侧转向前进；触须碰到墙壁时控制处于墙内侧的后轮转动，即让整体往墙外侧转向前进。（1）默认状态下，远离墙壁，触须不触发，左后轮转动，右后轮不转动，则整体往墙内侧转向前进；（2）整体继续往墙内侧转向前进。（3）当足够靠近墙壁时，触须碰到墙壁触发，左后轮不转动，右后轮转动，则整体往墙外侧转向前进，即让整体不至于过于靠近墙壁，而是向墙外侧转出；（4）由于触须是机械式的触发，有一定的惯性，即在整体已经转向墙外侧的时候，触须的触发不会马上释放，而是会有一定的延时，也就是让整体向墙外侧转出的过程会持续一定的时间；
13、（5）整体继续向墙外侧转出；（6）当远离墙到一定程度时，触须的触发释放，左后轮重新转动，右后路停止转动，则整体开始往墙内侧再转向前进，即重新回到以上第1步，由此循环往复如图2-1所示。图2-1 运动方式2.2数学建模1.电动机对中心轴的转动惯量JZ=1/2mR2，动力矩M=J。2.静滑动摩擦Fmax=fsFn，动滑动摩擦F=mg。3.电机转动=t，s=r，速度v=r，转速n=60/2。4.做功W=FS,功率P=FV，动量矩Mo(mv)=rmv，角动量L=J。5.动力矩M=Fd。2.3本章小结本章小结：通过电路图我们能清楚的看到，机器鼠在沿墙走时，右后腿不断推动前进使之逐渐靠近墙壁。当足够近时，
14、触须被墙壁触动也就是碰触开关被触动，使得左腿运动，右腿停止运动，小鼠远离墙壁，如此往复。电路设计合理单易行。人工操作简单。第3章 控制电路设计本项目的电路非常简单，由一个最基本的电学电路组成。1机器人的动力是由两个直流电机提供的，众所周知，直流电机的两个电极连接直流电源，接通电源则电机转动前进；2电源为两节7号电池组成的电池组，电池组同一时间只为其中一个电机供电。如果身体往墙内侧转则是驱动外侧的轮子转动，而身体往墙外侧转则是驱动内侧轮子转动（如图3-1所示）。图3-1 电路图3通过三引脚的碰撞开关，可以控制电池组为哪一个电机进行供电，而碰撞开关则连接触须，触须被挤压则碰撞开关被触发。如图3-2
15、所示。图3-2 控制原理图4机器人头部有一根钢丝作的触须，触须分别连接在碰撞开关上。（1）没有靠着墙壁时，触须没有被挤压，不触发碰撞开关，碰撞开关默认的通路，给外侧的电机供电，外侧电机转动而内侧电机不转动，则身体转向往内侧墙上靠并前进；（2）碰到墙壁时，触须被挤压，触发碰撞开关，碰撞开关断开默认通路，连接另外的一组通路，给内侧电机供电，内侧电机转动而外侧电机不转，则身体转向墙外侧并前进；（3）身体转向墙外侧前进一定距离，触须离开墙壁，转回以上第一步图如图33所示。这里给出完整的电路原理如图3-3所示。图3-3 电路原理图本项目以PVC-Robot A型平台车为基础，以杜邦线和排针为主要连接方式，电路焊接示意图如图3-4和protel电路图如图3-5所示。图3-4 电路焊接示意图3-5 Protel电路图本章小结：在控制电路设计方面，通过与碰触开关被点碰来实现切换电路，在没碰之前，电路控制机器鼠的右后
