慧鱼系列移动机器人

工学院毕业设计（论文）移动机器人模型设计专业：机电一体化技术班级：机电0911学号：学生姓名：指导教师：二零一一年四月I目录摘要 (1)第1章绪论 (2)1.1 慧鱼创意组合模型概述 (2)1.2 课题的内容及意义 (2)第2章移动机器人慧鱼模型设计 (4)2.1 模型的总体设计 (4)2.1.1 模型实物图 (4)2.1.2 模型示意图 (4)2.2 模块设计 (6)2.2.1 升降模块设计 (6)2.2.2 水平模块设计 (8)2.2.3 底座智能旋转模块设计 (9)2.2.4 智能判断模块设计 (11)2.3 慧鱼模型接线图 (12)第3章移动机器人调试 (13)3.1 硬件调试 (13)3.2 软件调试 (13)第4章结论 (15)谢辞 (16)参考文献 (17)摘要:在参考市场上的机器人的机构和外观后，根据慧鱼模型在符合自身情况的比例对机器人进行整体框架的设计。

接着，在模型上安装数个电机提供机器人运动的动力，并用蜗轮蜗杆，齿轮等传动机构进行传动；安装若干限位开关来控制机器人运动的方向及转向的动作；最后，在符合以上条件的情况下，对整个模型进行处理使其具有最美观的外形。

关键词:移动机器人；慧鱼模型；限位开关；设计第1章绪论1.1 慧鱼创意组合模型概述1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。

慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。

慧鱼创意组合模型体现不同学科知识点的各种组合包，不仅可以应用于中小学各个年级学科教学、还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动，现在以清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就是利用慧鱼模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。

通过慧鱼模型的使用，不仅可以让我们的孩子将多学科多领域的综合知识融会贯通于实践过程中，更重要的是培养了他们的创新意识和创新能力。

1.2课题的内容及意义本论文在参考市场上一些普通的移动机器人结构的基础上，通过慧鱼模型的结构组建和ROBO板的智能控制来完成移动机器人的设计。

通过慧鱼教学模型来组建出本设计移动机器人，通过各个机构的相互配合联系来控制移动机器人。

设计的模型通过慧鱼软件来编写程序进行控制。

接口板能转换软件命令，一旦程序被下载，接口就可以脱离与计算机的连接，独立于计算机执行程序，体现其智能化。

通过本毕业设计的完成，可以使设计者使用慧鱼创意组合模型通过自己的构思设计出自己的模型，使设计者能更加深刻的了解机械结构设计和机械运动的规律，强化了通过慧鱼软件对机械运动的控制。

使设计者能使用智能化来控制机械设备，智能化的设计也将是未来机械发展的一个重要趋向。

所以本次毕业设计对慧鱼造型设计能力是一个很好的锻炼机会，对日后从事工程设计方面的工作有会有不同程度上的帮助和提高。

第2章移动机器人慧鱼模型设计2.1模型的总体设计2.1.1 模型实物图分析移动机器人的功能结构，根据它的的工作原理，来设计它的机构。

利用慧鱼模型组合包来组建移动机器人的模型。

如下图2.1所示就是慧鱼模型组建的移动机器人的模型。

图2.1模型实物图2.1.2 模型示意图本设计移动机器人，它能实现机器人的上下楼梯，判断平台，在平台上旋转方向后继续上下楼梯的功能。

图2.2为此模型的结构简图。

如图2.2所示，通过电机带动底盘和触手的上升下降从而起到机器人的上下楼梯的支撑点的作用；限位开关控制上下行的程度；蜗轮蜗杆带动机器人旋转；电机带动螺旋杆使底盘及触手在螺旋杆的方向上进行上下移动，达到上下楼梯的目的。

1-上行限位开关2-触手3-上螺旋杆电机传动机构4-上下控制电机5-两电机连接并与上螺旋杆连接机构 6-下螺旋杆 7-底盘蜗轮与下螺旋杆连接机构 8-蜗轮蜗杆9-控制蜗杆的电机 10-触手底坐的限位开关 11-滑杆 12-上螺旋杆 13-下螺旋杆电机传动机构 14-底盘限位开关 15-水平放置的常闭限位开关 16-下螺旋杆图2.2模型示意图图2.3模型示意简图2.2 模块设计2.2.1 升降模块设计升降模块是实现机器人上下楼梯的模块。

通过电机传动，在底盘触地并进行下降运动时，通过反作用力使触手上行，达到上楼梯的目的。

而在进行上行运动时，先是触手下行接触地面后，使蜗轮底盘上升达到上楼梯的目的。

反之，下楼梯也是同样的升降原理。

主要注意因为蜗轮底盘及螺旋杆块的重量而采用双电机并联或使用大功率电机使其有足够的动力带动上下运动。

升降模块ROBO模型控制流程，按下I1发送一个脉冲信号，系统接收到脉冲信号后，驱动电机M3开始转动，从而通过上面介绍的升降模块实现升降。

按下I6发送一个脉冲信号，模块接收到脉冲信号后，停止电机M3，使升降模块停止。

程序回到开始状态，继续待命。

如下图2.4 为此模块的实物图，图2.5为此模块的示意图，图2.6为此模块的ROBO控制程序图。

图2.4升降模块实物简图1—电机 2—减速箱 3—连接杆 4—齿条图2.5升降模块示意简图图2.6升降模块控制流程图2.2.2 水平模块设计水平模块是控制机器人前进距离的模块。

顾名思义：是用来使机器人前进的模块。

因为该模块是斜方向的，所以能在升降模块达到一定程度时，通过该模块在螺旋杆的运动带动下进行上下楼梯的作用。

水平模块是由两边各一个电机及主动齿轮，传动齿轮，从动齿轮，螺旋杆和两根滑杆组成。

构成了机器人的水平方向运动的框架，所以称之为水平模块。

最终的运行原理步骤是电机转动，使齿轮传动带动从动齿轮，从动齿轮将电机的旋转力传递到斜的螺旋杆。

通过螺旋杆的作用使机器人的触手在螺旋杆的方向上下运动，或者在触手不动的状态下整个水平模块前进后退，从而使机器人进行上下楼梯的运动。

如下图2.7和2.8是电机把力从主动齿轮传递到水平蜗杆轴的传递图，分别为模块实物图，模块示意图(三齿轮啮合图)。

图2.7水平模块实物图图2.8水平模块示意图2.2.3 底座智能旋转模块设计机器人底座智能旋转模块是控制机器人底座自动旋转的模块。

由于现代楼梯在平台上需要旋转90°才能继续上楼，所以设定了该模块。

机器人底座蜗轮转盘就是在机器人到达楼梯平台需要转弯才能继续工作的的运行机构。

底盘电动机转动带动蜗杆转动从而使蜗轮转动。

而在蜗杆的另一端有个开关，可以设置蜗杆转动的转数。

即通过蜗轮与蜗杆转动2格，开关闭合断开一次。

如下图2.9为局部放大图；1.10为整体实物图；2.11为示意图。

图2.9底座转盘局部放大实物图图2.10底座转盘整体实物图图2.11底座转盘示意图如图2.12是蜗轮底座智能旋转模块的ROBO程序控制流程图。

由于底座的旋转是在机器人触手上升的基础上进行，所以在选择之前应先时M3带动触手即升降模块带动上升。

M4（底盘电机）转动带动另一端的齿轮旋转反复按压K7的开关。

经过多次调试，得出是触手旋转90°的数据。

如果旋转的不是90°那么可以根据比例来重新设定达到需要的角度。

图2.12蜗轮底座智能旋转模块ROBO控制流程图2.2.4 智能判断模块设计智能判断模块是本设计的重要模块之一。

主要体现在机器人在下楼时，触手的底端在该层的最边缘，不然可能导致距离把握不好，而出现意外。

如图2.13模型实物图在机器人底端安装的两限位开关。

当触手在M3(升降模块)M1(水平模块的上螺旋杆)左右下往前移动，然后下降前限位开关没闭合，而后限位开关却闭合了，则M1 M3往后运动一小段，并测试两开关的闭合情况，直到刚闭合时才完成测试判断阶段。

此时机器人的触手正好仅靠着楼梯的边缘。

图2.13 模型实物图图2.14智能判断模块ROBO控制流程图如图2.14所示是智能判断模块的慧鱼控制程序流程。

先通过M3使触手上升，然后在M1的作用下往台阶的边缘方向运动，运动了一段距离后，M3使触手下降触地。

若双开关之一未闭合，则M1M3往楼梯边缘的反方向靠近一小段，并再次触手下碰地判断，若还是未全部闭合则持续上面动作，直到都闭合为止。

然后M3带动触手下降，触地后反作用力使底盘上升达到上限位开关K6闭合时停止，此时已经为下步下楼梯做好了最后准备。

2.3 慧鱼模型接线图本设计的慧鱼模型接线图中主要由ROBO板、限位开关、马达、电池、电线等组成。

电池是提电源的，I1—I7的限位开关为输入设备，M1—M4的马达为输出设备。

如下图2.15为本设计的慧鱼模型接线图。

图2.15移动机器人慧鱼模型接线简图第3章移动机器人调试移动机器人的调试包括了硬件调试和软件调试。

硬件调试是对于机器人模型的机械机构的传动类型、传动比、传动速度等的调试；软件调试是对于模型要求达到的功能来进行的ROBO Pro的程序调试。

3.1 硬件调试硬件调试在设计过程中遇到较多困难。

即要实现移动机器人的上下楼梯又要使机器人平稳的运动。

因为要实现机器人的上下楼梯首先要判断楼梯的位置，使触手上的限位开关碰壁闭合。

而楼梯每阶的宽度和机器人每次前移的距离是固定的，所以螺旋杆的长度和台阶的宽度要适当。

而在台阶上的运动要比平台上少前移一次才（也就是限位开关在机器人多前移一次未碰壁闭合）。

为了节约时间材料，所以在设计完机器人后经过反复计算并与实际作出的模型想结合，作出了适合该机器人的楼梯即机器人一次前移能上或下一格台阶。

机器人的平稳运动也是经过多次试验和计算才得出的。

因为螺旋杆是用电动机来带动的。

上螺旋杆与触手上的齿条齿轮连接，下螺旋与底盘蜗轮蜗杆机构连接，整个连接机构的重量是很大的。

而触手的重量和螺旋杆的长度却无法与之匹配，所以导致在调试时多次因重心不稳而倒地。

起初通过加大触手底的接触地面的长度来完成，但是随之而来却发现在上下楼梯时，因为长度关系而造成碰壁难度及在上下楼梯时触手的重心问题。

最后通过加大螺旋杆与滑杆的水平距离使面积扩大，并在保持机器人的正常运动中最大限度的减轻重量。