pvc-机器人 疯狂的小强机电产品设计说明书(模板).doc

1、佳木斯大学机械设计制造及其自动化专业（卓越工程师）设计说明书实践教学环节课程名称机电产品设计课程编码摘要本文介绍了，小型机器人模型的制作过程，以及仿生机器人在生活中的应用，国内外对于仿生机器人的研究。所谓的pvc-robot其实就是以聚氯乙烯聚合树脂为材料做的机器人，这种机器人大都是仿生机器人，材料简单易得，结构简单，原理易懂，适合大一新生学习模仿制作。一般的仿生机器人大都是用微处理器做控制，简单的也需要电子电路控制，但是作为pvc系列机器人，只需要一些简单的物理知识就能自行制作。其中制作过程中需要懂得机械机构的设计和制作，以及基本的电焊技能，“疯狂的小强”是一种仿蟑螂形状的避障机器人。最终它

2、实现的功能是遇见障碍就转弯。关键词智能；仿生；避障；机器人-31-AbstractThis article describes the production process of the small robot model, and application of biomimetic robots in life, at home and abroad for biomimetic robots.S0-called PVC-robot is polyvinyl chloride polymer resin as the material of the robot, the robot is m

3、ostly bionic robot, material is simple and easy, simple structure, principle and easy to understand, suitable for a freshman of imitation production. General of the bionic robot is mostly made with microprocessor control, simple also need electronic circuit control, but as PVC series robot, just nee

4、d some simple physical knowledge can make on its own. Which need to understand the mechanical mechanism in the process of production design and manufacture, as well as the basic welding skill, “mad jack” is a kind of imitation of cockroaches in the shape of a robot obstacle avoidance. It implements

5、the function is eventually meet obstacles will turn. KeywordsIntelligent; Bionic; Obstacle avoidance; Robot目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1研究背景11.2仿生机器人国外研究现状11.2.1日本21.2.2美国21.3仿生机器人国内重点实验室31.3.1国内成果简介3第2章 本体结构设计82.1简介82.2选材82.3基本原理92.4本章小结11第3章 三维建模123.1 Pro/E简介123.1.1简介133.1.2拉伸14 3.1.3旋转.163.2机器人Pro/E

6、三维制作过程203.2.1装配303.2.2Pro/E导出工程图413.3本章小结44第4章 控制电路设计454.1电路图454.2电路原理454.3注意事项464.4本章小结46第5章 实物制作475.1主要元件认知475.1.1超级电容475.1.2 LED发光二级管485.2材料准备485.3装配495.4本章小结51结论52致谢53参考文献54第1章 绪论1.1研究背景机器人是近年来发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多科学的最细科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。1.2仿生机器人国外研究现状仿人机器人

7、的研制开始于本世纪60年代末，只有三十多年的历史然而，仿人机器人的研究工作进展迅速国内外许多学者正从事于这一领域的研究如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。自1983年以来，美国robotics Research Corporation一拟人臂组合化为设想，基于系列关节研制出K-1607等系列7自由度拟人单臂和K/B-2017双臂一体机器人，其单臂K/B-2017以用于空间实验站。1986年美国Utah大学工程设计中心成功研制了著名的UTAH/MIT灵巧手，该手四指，拇指两关节，其余各三个。1990年由贝尔实验室完成了灵巧手的软硬件控制系统，并模拟人手拿、抓、夹、握物体多种动作。1992

8、年日本Machinery Laboratory, Jakasago Research & Development Center进行多指仿人手臂真实作业的研究。对于仿非人生物机器人的研究近二十年来也一直是一个非常活跃的领域，国外很多研究机构和公司在进行这方面的研究和开发。Keisuke Arikawa等研究的TITAN-VIII型四足步行机器人能够以稳定的方式在不平的地面行走。罗尔斯罗伊斯公司在为英国核潜艇建造并保养压力水反应堆时应用了蛇形机器人。1999年日本研制的宠物狗AIBOERS-110具有18个关节，每个关节有伺服电机驱动以保持柔性运动。CWRU的仿生机器人实验室研究了基于蟋蟀运动机能

9、的机器人，其共有六条腿，它可以在一定的范围内行走和跳跃，能够适应粗糙地带和障碍。国内一些科研院所，如北航、北科大、国防科大、东南大学、沈阳自动化所和哈工大等进行了仿生机器人的研究。北航机器人研究所在国家“863”智能机器人主题支持下，研制出了能实现简单抓取和操作的仿生机器人。此为国外加拿大、英国、瑞典、挪威、澳大利亚等国也都在开展仿生机器人的技术研究。1.2.1日本1968年，日本早稻田大学加藤一郎教授在日本首先展开了双足机器人的研制工作。1969年研制出踝三个关节利用人造橡胶肌肉为关节，通过注气、步行机该机器人具有六个自由度，每条腿有髋、膝、踝三个关节利用人造橡胶肌肉为关节，通过注气。排气引

10、起肌肉收缩牵引关节转动从而迈步。由于气体的可伸缩性，该机器人行走不稳定。1971年，加藤一郎又研制出了WAP-3型双足机器人仍采用人造肌肉驱动，能在平地、斜坡和阶梯上行走，具有11个机器人，见图1-1所示。该机器人采用液压驱动，具有11自由度下肢作三维运动，上躯体左右摆动以实现双机器人重心的左右移动该机器人重130kg，高0.9m，可载荷30kg，实现步幅15cm，每步45s的静态步行1。 图1-1 WAP-3 图1-2 ASIMO1.2.2美国从现在世界工业发展的潮流看，发展机器人是一条必由之路。美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助了仿生飞行机器人的研制。加州工学院耗资180万美元于2

11、000年研制成功基于微机电系统（MEMES）的电池供电、微电机驱动的扑翼飞行器Microbaut重量仅约的扑翼式微型飞行器，名为Entomopter如图1-3（c），机翼如蝴蝶的翅膀，翼展25.4cm，翼振频率10Hz。SRI国际公司研制的一种约15cm长的扑翼飞行器由电致伸缩的聚合物人造肌肉驱动。Vanderbilt大学研制的一种扑翼飞行器由压电驱动器驱动很细的金属结构振动，从而驱动机翼。另外，英国剑桥大学对扑翼式/人工昆虫也进行了研究，图1-3（a）是美国加州大学伯克利分校的研究小组用4年的时间基于仿生学原理制造出的世界上第一了的一种。由于苍蝇运动的复杂性，机器苍蝇用4只翅膀代替了苍蝇的翅

12、膀。每只翅膀需要的功率为8mW且相对躯体可以实现两个方向的转动，转动的角度为140b和90b。通过装在机器苍蝇头部的微型传感器与摄像机，可以将拍摄到的照片传回。它的用途非常广泛，不仅能够充当间谍角色，用于军事上的侦察和间谍工作，在不为人察觉的情况下收集情报，还可以用来在灾难中搜寻废墟中的人员只能飞翔的/机器苍蝇。其身高不到30mm，翼展25mm，翼振频率150Hz，重量只100mg，是真正的迷你型。苍蝇是所有飞虫中飞行最稳定，机动性最强。 图1-31.3仿生机器人国内重点实验室1.3.1国内成果简介国内，清华大学、国防科技大学、北京理工大学、北京航空航天大学和沈阳自动化研究所等单位积极开展了仿

13、人机器人，我国首台真正意义上的仿人机器人BRH 201，如图1-5所示。该机器人人的研究。2002年12月，北京理工大学研制成功我高1.58m，重76kg，有32个自由度，每小时能行走1km，步幅0.33m，能打太极拳，会腾空行走。表1-1 技术成果序号成果名称技术特点（指标）说明1可携带侦察机器人外形尺寸：710510230越障高度：20厘米最大爬坡（楼梯）角度：40度最大平地速度：5公里/小时一次充电连续工作时间：2小时三自由度载荷支撑臂（选配）系列化智能单机，用于反恐防爆、灾难救援、保安巡察。可按照用户实际使用要求设计、生产。2多机器人协作技术双机械臂协调完成拧螺栓的动作；三机器人协调完

14、成铝板搬运；双机械臂协调完成工件的传递。基于视觉标记的全方位移动机器人定位精度：1mm。一种机器人应用技术，用于柔性生产线中的机器人化加工单元构建、特种行业双机械臂协调作业，如：空间站维护、爆炸物拆除等。可按照用户实际使用要求设计、生产。3反恐防暴系列机器人直线运动速度40米/分爬斜坡和楼梯角度43度越障碍高度0.45米抓重（最大伸展）8公斤作业高度2米缆操作距离100米缆操作距离300米系列化智能单机，主要应用于公安部门，在核工业、化工以及有毒有害等领域也有广泛的市场应用前景。可按照用户实际使用要求设计、生产。第2章 本体结构设计2.1简介DIY（Do It Yourself，DIY）机器人

15、是一项非常有意义的活动，国内外都有着众多的机器人爱好者。但是由于DIY机器人对个人能力的要求是比较综合的，这其中涉及到机械、电子、计算机等多个不同的学科领域，要想同时掌握那么多的知识往往精力有限；而且“玩”机器人所需要投入的金钱还是相当可观的，要么是入门时没有经验花了很多冤枉钱，要么就是稍微高级的一点的器件都价格不菲；另外自己DIY机器人又要一定的机械加工能力，还需要有专业的工具设备，多数人都不具备这样的条件。但是就DIY PVCBOT来说不仅不需要太多金钱也不需要太高深的知识，此类机器人以PVC为材料，“低成本、易实现”。哪怕是刚刚了解电工知识的朋友也可以自主的完成。对于本产品来说“疯狂的小

16、强”，其结构和原理简单，制作过程也是很容易实施的。接下来就是介绍本产品的制作过程和原理。2.2选材由于本产品属于PVCBOT产品，理所应当它的本体材料选择PVC板，这里我们选择PVC线槽，其他器材料还有小电机、电池/电池盒、碰撞开关、拨动开关、曲别针、螺丝等2.3基本原理本项目的避障机器人采用三轮传动结构：前面左右两边的两个轮子是主动轮，各接一个电机作为动力；后轮是从动轮，起到平衡的作用。控制前面两个轮子的转动方向就可以控制整个机器人行进的方向：1、左右两个前轮都向前转，则机器人向“正前方”直线前进；2、左右两个前轮都向后转，则机器人向“正后方”直线倒退；3、左前轮向后转，右前轮向前转，则机器

17、人将以后轮为轴心逆时针转动，即实现向“右后方”转弯倒退； 4、左前轮向前转，右前轮向后转，则机器人将以后轮为轴心顺时针转动，即实现向“左后方”转弯倒退。 在机器人的头部用钢丝做两根触须，一左一右各连接到一个碰撞开关，分别控制两个前轮的旋转方向。特殊注意一下，左右触须与对应控制的电机是交叉过来的，即：左边的触须连接右边的碰撞开关，控制右边的电机；右边的触须连接左边的碰撞开关，控制左边的电机。 （1）无障碍物当前方都没有障碍物，左右两个轮子都向前正转，则机器人向“前方”直线前进。（2）左前方有障碍物当左前方有障碍物，在左边触须碰到障碍物时，控制右边的轮子反转，则机器人向“左后方”倒退并转弯，即方向

18、转向了障碍物的右边，从而避开了左边的障碍物。向后倒退转弯会持续一会，在完成转弯之后，左边触须不再碰到障碍物，则两个轮子都正转，机器人继续向新的没有障碍物的“前方”直线前进。（3）右前方有障碍物当右前方有障碍物，在右边触须碰到障碍物时，控制左边的轮子反转，则机器人向“右后方”倒退并转弯，即方向转向了障碍物的左边，从而避开了右边的障碍物。向后倒退转弯会持续一会，在完成转弯之后，右边触须不再碰到障碍物，则两个轮子都正转，机器人继续向新的没有障碍物的“前方”直线前进。（4）正前方有障碍物当正前方有障碍物，左右两边的触须都会碰到障碍物，控制左右两边的轮子都反转，则机器人向“正后方”倒退，从而避开障碍物。

19、在直线倒退持续了一会后，左右两边的触须都不再碰到障碍物，则两个轮子都正转又变成直线前进；然后又会遇到正前方的障碍物又会直线倒退，再直线前进如此反复变成一个死循环。理论上会出现以上这样的问题，但是实际上并不会，因为无论是左右轮的摩擦系数有所差异，还是左右两组电机的驱动功率有所差异，或是左右两组电机的电源的电量有所差异，又或是障碍物左右两部分表面的光滑程度有所差异，都会导致实际上左右两边的触须碰到障碍物有一个时间差，都无法做到两边轮子同时反转，也就是说向后倒退的时候不是完全的直线而是会有所偏移。而且即便第一次是直线后退，但在往复几次碰撞之后肯定会出现偏移，最终解除循环避开障碍物向新的方向前进。我们

20、也可以看到这一有趣的一幕，机器人连续几次反复撞上“墙壁”，最后还是会重新转向另外的方向。我们除了看到以上这种特殊情况外，另外还有一种情况，就是有些时候机器人会卡在墙角停顿了好一阵，然后才转向。这是因为有些时候由于触须碰撞墙壁的角度比较偏，不是正面碰撞，导致碰撞的力度不够，触须无法立即触发碰撞开关响应，而机器人在电机的推动下不断的挤向墙壁，缓慢的挤压后才触发了碰撞开关控制转向，也就是看到了机器人在墙角停顿了一会才转向的情景。出现这情况，如果电机的输出功率不足，或是由于电池的电量下降导致动力不足，可能会导致机器人在墙角无力挤压触发碰撞开关，最终变成卡死在墙角，这个时候要么是换大功率的电机，要么就是

21、换新电池。 2.4本章小结机器人“小强”是一个原理简单的结构，它没有复杂的电路。但需要我们必须掌握基本的机械机构知识和电学知识。 第三章 三维建模3.2Pro/E简介3.1.1 简介Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决牲的相关性问题。另外，它采用模块化方式

22、，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。1 参数化设计和特征功能Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。2 单一数据库Pro/E

23、ngineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。一、 ProEngineerPro/Engin

24、eer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改

25、变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的

26、二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下：1特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；2参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；3通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。4支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，ProPROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等)。5贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 ProENGINEER的基本功能。3.1.2拉伸Pro/E拉伸（Extrude）特征是Pro/Engineer中的一个最基本的建模特征

27、，直观的说，它就是通过把指定的草绘截面沿截面法向的连续堆积生成最后的拉伸几何。在Wildfire版本以来，Pro/Engineer把拉伸的几何集成到了同一特征下，通过简单的切换，我们就可以控制拉伸特征生成的几何是作为实体、曲面或薄壁。3.1.3旋转旋转特征就是将某个平面图形围绕某一特定的轴进行一定角度的旋转，最终形成某一实体的过程。在旋转实体中，穿过旋转轴的任意平面所截得的截面都完全相同。3.2机器人pro/e三维图制作过程其实本人觉得本产品的结构简单，并不需要用三维软件去做立体图和仿真，但是为了锻炼本人的画图能力和更好的展示本产品的结构，本人把所有的产品个模块用pro/e画出。1.绘出“小强

28、上身”：2.绘出三维上身，然后渲染上色：3.绘制“小强前脚”，选择拉伸，进入草绘4.结束草绘，加上颜色5.将“上身”和两个“前肢”组装，绘制装配图6.选择匹配，点击面和面贴合，完成组装。7.绘制后半身，选择草绘，进入界面8.将“后半身”组装上按上螺母3.2.1装配（三视图）3.2.2pro/e导出工程图导出的工程三视图如图：3.3本章小结对于这样的一个简单机构本不需要花出三维图，但为了方便观看和了解结构，本人画出了三维图和工程导出图。第4章 控制电路的设计4.1电路图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

29、源，通过改变两个电极所连接电源的正负极，可以改变电机的旋转方向（顺时针或逆时针）。2、电源为两节7号电池，每节电池作为一个独立的供电单元，每个电机某一时刻只有一节电池为其供电。如果前进时是一节电池供电，后退时则是另外一节电池以相反电流的方式供电。3、通过三引脚的碰撞开关，可以控制电机采用哪一单元的电池进行供电，而碰撞开关则连接触须，触须被挤压则碰撞开关被触发。 下图为其中一个电机的控制原理。4、机器人头部有两根钢丝作的触须，触须分别连接在两个碰撞开关上（注意两根钢丝对应的碰撞开关是交叉的，即：“左右”钢丝，对应“右左”碰撞开关）。（1）没有障碍物时，触须没有被挤压，不触发碰撞开关，碰撞开关默认

30、的通路，给电机供给一个“正方向”的电流，电机于是“顺时针方向”旋转。（2）有障碍物时，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，给电机供一个“反方向”的电流，电机于是“逆时针方向”旋转。以下是完整的电路图：4.2电路原理本产品的电路一个非常简单的电学电路，如图所示，拨动开关连接上后，电池组右边的电池供电，使并联的两个电机左边的左转，右边的右转，于是“小强”前进；当碰到左边的碰撞开关，电池组左边的电池只对左边的电机供电，并且正负极反接，左电机右转，右电机还右转，于是“小强”左转；当碰到右边的碰撞开关，电池组右边的电池只对右边的电机供电，并且正负极反接，右电机左转，左电机

31、还左转，于是“小强”右转；当左右都碰撞，此时电池组只有左边的电池供电，左电机右转，右电机左转，“小强”后退。4.3注意事项根据电路图我们得知，两个碰撞开关的上面两个引脚（所谓上面是相对于下图的情况来说的）是互相连接在一起的（见下图红色部分），这中间的连接最好用硬金属线（比如用电子元器件的金属引脚）焊接，这样可以把两个碰撞开关间的夹角固定起来，避免我们只用一个螺丝固定一个碰撞开关时多次碰撞容易导致的安装角度变形问题。当然焊接这个硬金属线前，先调整好两碰撞开关的夹角，并确保两根触须能够正常触发两个碰撞开关。按照之前的控制原理的说明进行调试电路，看线路是否连接正确，特别是注意电机的电机是否正确，即电

32、机的控制效果是正确的：1、打开拨动开关后，没有障碍物时，两个电机都是往前转动的；2、左边触须被按压，则右边的电机反转；3、右边触须被按压，则左边的电机反转；4、两个触须都被按压，则两个电机都反转。电池盒的中间引线直接焊在电池盒的两节电池的连接一极。注意焊接的时间不要过长，否则会热掉电池盒的塑料导致电极弹片脱落。在腹部末端固定上拨动开关。为了贴合紧密，波动开关的一侧用锉刀打磨粗糙一点，然后再用502胶水固定。特别小心502胶水不要涂太多，否则有可能会渗进波动开关内部，导致开关失效。小结“小强”的电路图是非常简单的，只要掌握了一些基本的电学电路知识就能看懂并连接，从这些简单的电路中我们不仅可以复习

33、以往的知识，还可以从中找到自信，找到学习的乐趣。制作过程也是充满乐趣的，同时我们还可以学习焊接知识。结论了解了仿生机器人的发展史我们得到一个结论，几乎代表着一个国家最高的科技水平的综合性产品得到了全球人类的关注。机器人特别是最新的第三代智能机器人，它被得到更多的关注与制造，它的使用范围可以说是从家庭服务机器人到军用侦查机器人无所不及。随着PC机技术发展的，与更多的人性化功能产品的出现，在不久的将来，钢铁侠的实现也将只是一个时间的问题，当然我对于它的存在还是充满希望的，无论它是否会用于战争，它的出现将会是一次新的技术革命。致谢佳木斯大学是一所二本学校，从实际上来说她并没有很强的竞争力，在与211

34、、985等学校相比之下佳木斯大学的确有些力不从心，但是正是因为与那些名校相比我们的大学有很多不足需要弥补，也是因为如此，我们班级正是受益于我们不断进取的精神，落后我们并不害怕，因为我们具有赶超的精神。机制四班我们的目标就是今日我们以佳大改革为荣，明日佳大以我们为荣！我们机制四班虽然存在着一些不足，但是我们每个或者大部分被选进的同学都有着一个共同的特点，那就是我们有着一股不服输的劲。虽然今日的我们并无大的突破，但待以明日我们必将一鸣惊人！感谢对我们报以厚望的学校领导，感谢始终陪伴着我们成长的老师。特别是颜老师在我们写论文的过程中对我们的指导，使得我们使用office等办公软件有了很大的提高，为我们以后的工作打下了良好的基础。参考文献1 郑嫦娥, 钱桦. 仿人机器人国内外研究动态J. 机床与液压, 2006, 3:1。2 谢涛, 徐建峰, 张永学, 等. 仿人机器人的研究历史、现状及展望J. 机器人, 2006,24(4):371372.3 冯进, 高革胜. 涡轮钻具扶正轴承偏心运动分析J. 江汉石油学院学报. 2000,22(2):1112.