基于视觉移动机器人的设计与分析 - 图文(4)

图3.1 机器人驱动电机

3.2 减速器的确定

3.2.1 减速箱齿轮的确定

本文设计的机器人车轮半径为80mm，速度约为0.4m/s。机器人电机输出转速为200n/m，车轮的转速为50n/m。所以总传动比i总为：

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i总=200n/m：50n/m=4

本文采用两级圆柱齿轮减速器进行减速【12】，综合考虑，本文决定用分流式（结构复杂，但由于齿轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布均匀，轴承受载较均匀。中间轴危险截面上的转矩只相当于轴所传递转矩的一半。适用于变载荷的场合。高速级一般用斜齿，低速级可用直齿或人字齿）。

减速箱输出扭矩为: T = 9550×W/n×i×η

= 9550×0.04KW/200n/m×4×92% = 7.02 N*M

通过查找资料,确定减速箱第一级模数m=1,传动比ii=4,小齿轮齿数20,大齿轮齿数80. 模数：m 齿数：z压力角α=20° 齿宽系数：Ψ=0.6 名称 齿宽 齿距 齿顶高 齿根高 齿高 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 中心距 df a 符号 b p ha hf h d d=mz da=m(z+2) df=m(z-2.5) a=0.5m(z1+z2) 计算公式 dΨ p=π m ha=m hf=1.25m h=2.25m 小齿轮 10 3.14 1 1.25 2.25 20 22 17.5 50 大齿轮 9 3.14 1 1.25 2.25 80 82 77.5 da 13

3.2.2 减速箱轴的确定

轴是减速器的主要零件之一，轴的结构决定轴上零件的位置和有关尺寸。按弯扭合成强度条件初步计算轴的各段直径，轴计算载面的直径为

式中 —轴计算载面上的弯矩，N·mm; —轴计算载面上的转矩，N·mm;

—将转矩折合成当量弯矩的折算系数，若扭转剪应力按脉动循环变化时，

；

—轴材料的许多弯曲应力，MPa。

当所在计算载面轴段开有键槽时，由上式算得的直径应增大3%～5%（开一个键槽）或7%～10%（开两个键槽），然后圆整为标准直径.

通过如果减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联接，则外伸段轴径与电动机轴径不得相差很大，否则难以选择合适的联轴器，也就是说，减速器输入轴轴端直径和电动机轴直径必须在所选取联轴器毂孔最大与最小直径允许范围内。为此，可取减速器输入轴轴端直径 式中

—减速器输入轴轴端直径，mm； —电动机轴直径，mm。

减速器传动中心距为已知，可取减速器从动轴危险截面直径

式中

3.2.3减速箱轴承的确定

将运转的轴【13】与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件，叫滚动轴承（rolling bearing）。 滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。

内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。如图3.1：

—减速器从动轴危险截面直径，mm；

—该级传动的中心距，mm。

mm

综合实际情况，最后选择轴1最小轴径7mm，轴2最小轴径9mm。

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图3-1

球轴承适于承受轻载荷，滚子轴承适于承受重载荷及冲击载荷。当滚动轴承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承；当滚动轴承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承或短圆柱滚子轴承；当滚动轴承受纯径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承及调心球或调心滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承及圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起，这在极高轴向载荷或特别要求有较大轴向刚性时尤为适宜。

根据机器人的要求及经济实惠的原则，本文决定选择深沟球轴承.

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4 视觉移动机器人控制系统设计

4.1单片机 PIC16F877

单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器芯片和一些输入输出接口电路集成的一个芯片上的微控制器。

中央处理器是单片机的核心，它包括运算器、控制器和寄存器3个主要部分。存储器按工作方式可分为、随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM可以随机地被CPU读写，断电后存储的内容消失；ROM种的信息只能读不能写。输入输出接口是单片机的重要组成部分。程序、数据以及外部的所有信息都是通过单片机的I/O端口读入单片机的。单片机计算的所有结果也都通过I/O输出到显示部分或者控制外部其他执行机构。

PIC16F877芯片上集成有：

（1）端口RA模块：是一个只有6条引脚的输入/输出可编程的端口。 （2）端口RB模块：是一个具有8条引脚的输入/输出可编程的端口。 （3）端口RC模块：是一个具有8条引脚的输入/输出可编程的端口。 （4）端口RD模块：是一个具有8条引脚的输入/输出可编程的端口。 （5）端口RE模块：是一个具有3条引脚的输入/输出可编程的端口。 （6）定时器TMR0模块：是一个8位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用。

（7）定时器TMR1模块：是一个16位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用，并且可以与捕捉/比较/脉宽调制CCP模块配合实现捕捉和比较功能。

（8）定时器TMR2模块：是一个8位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用，并且可以与捕捉/比较/脉宽调制CCP模块配合实现捕捉和比较功能。

（9）EEPROM数据存储模块：是256×8的电可擦写的存储器，储存的内容掉电也不会丢失。

（10）A/D转换器模块：具有8个输入通道和10位分辨率的模数转换器，用来将外部的各种模拟物理量变换为便于单片机内部处理的数字量。

（11）捕捉/比较/脉宽调制CCP1和CCP2模块：PIC16F877片内包含两个几乎完全相同的CCP模块，与TMR1和TMR2配合可以实现输入捕捉、输出比较和卖出调制输出功能。输入捕捉功能可以用于测量信号周期、频率、脉冲等；输出比较功能可以用于生产宽度不同的正负方波脉冲信号，以驱动可控硅、续电器等；脉宽调制输出功能用来产生周期和脉冲可调的周期性方波信号，以驱动可驱动可控硅、步进电机等。

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