家庭宠物喂养机器人毕业设计

家庭宠物喂养机器人毕业设计内容摘要：

38 附录 4 39 1 第 1 章 绪论 课题背景 当今社会的飞速发展，科技的极大进步，人们的生活方式已经有了很大的不同。 从前是一有空就会呆在家里与家人共天伦，和左邻右舍一齐吃下饭，聊下家常。 但是现在时代变了，人们的生活方式变得忙碌而又紧张，人们待在家的时间越来越少，特别是工薪一族，他们经常是过着早出晚归的生活。 而当中有很大的一部分人，为了缓解生活的压力，在自己的家中饲养了宠物。 而养宠物当中，有很大一部分人养的就是小猫和小狗。 因此问题就出现 了，有很多的家庭因为早出晚归的问题，宠物放于家中就无法管理。 例如早上如果起床匆忙，又或者中午无人在家的时候，宠物就无人管理，无人喂食，这使得宠物可能会饿倒。 对于爱宠一族来说是很不忍心看到的。 如果早上就准备好了宠物的食物，宠物又可能会因此早上和吃得不平均而出现饱一顿，饿一顿的状况。 如果专门请人进行宠物的照看，费用也是一笔比较大的开支。 更重要的是当无人在家的时候，家中的人无法了解宠物的状况。 会令到一些深爱自己宠物的主人感到相当地担心。 所以，结合了当今视频电话通信技术的便捷性 、安全性与稳定性 ，以及电子技术的发展能力， 就萌生了设计制作一个家庭宠物喂养机器人的想法，以解决爱宠人士的 这 一大难题。 家庭宠物喂养机器人的发展概况 国内研究发展概况 国内关于家庭宠物喂养机器人的研究已经有了初步的发展。 在 2020 年 深圳先进技术研究院 就研究出了一款可以利用互联网 进行 远程 控制和监视宠物的机器人。 该宠物护理 机器人内设 有 用于通信的 模块 ,用 来 接收 控制端发过来的 控制信号 ， 然后进行处理， 用于 驱动系统及 喂食模块 的控制。 驱动系统用于控制机器人本体 的 移动 ， 喂食模块用于根据控制指令打开其纳置有宠物食粮的喂食盒。 通过互联网 ， 将本地的电脑与远程的电脑进行连接 ,由 远程的电脑 来 控制机器人本体 的运动 以及监视宠物 反馈图像给远程的计算机 [1]。 国外研究发展概况 在国外，关于家庭宠物机器人的研究在很早也已经有了。 例如在 美国，微软公司的一名叫做 Jordan Correa 的员工制作了一台名为“ DarwinBot”的宠物监护机器人，这台机器人利用了 Robotics Developer Studio 和 Kinect 的 技术 ，使得 Jordan Correa 能够在其工作的地方远程控制机器人，完成对其宠物狗的监视、喂养、交流以及玩耍的目的 [2]。 同时国外也有使用手机短信及互联网进行远程控制的投喂器，人们只需要通过手机按动手机上的一个按钮就能完成远程投喂动作。 2 本设计方案的确立 机械部分的设计方案 机械结构的设计包括有几部分，分别是行进机构的设计，投喂机构的设计，头部机构的设计， 手部机构的设计等。 因为是用于家庭的环境中，所以要求机器人要具有一定的稳定性，同时为了能够翻越家中的门槛，阶梯，以及行走于柔软的地毯环境中，经对比可以知道，普通轮式机构的转向欠佳，难以跨域稍微高一点的障碍物。 而仿生物结构的足部在有宠物的环境下会显 得不可靠，可能会使宠物发生意外。 而履带结构能够很好地适应各种的地形环境，同时其平稳性也比较高，所以初定起行进的方式为履带驱动式。 投喂机构的设计，因为设定的宠物类型为小型犬或猫，其主要的粮食为颗粒状的狗粮或猫粮，体积，外形尺寸较小。 所以设计的结构为料筒装料，利用底部的送料口开关组合自然落料的方式进行投喂。 头部机构主要是用于夹持用于监视的手机，通过摄像头进行监控宠物的状态。 其要求能够在两个自由度方向上进行转动，达到水平的旋转与上下 摆动的目的。 所以初步设想利用舵机进行控制，实现目的。 手部机构也是利用舵 机来实现， 达到在两个自由度上的动作 ,以及夹持的目的。 控制部分的设计方案 控制部分，根据项目要求，主要分为 四 个部分，单片机 最小系统 控 制 部分， DTMF 检测与分析 部分， 信息 掉电保护部分， 以及舵机 、 电机 的 控制部分。 单片机主控部分 是以 51 单片机为核心的单片机控制系统， 其处理的 主要 内容包括： （ 1） 处理双音频检测电路发过来的编码信号 ，进行识别 与 调用对应子程序。 （ 2） 处理电机编码器发过来的电信号。 （ 3） 对密码进行读出， 写入， 判断。 （ 4） 输出舵机 及电机 控制信号。 （ 5） 输出报警、指示信号。 （ 6） 通 过无线蓝牙串口与上位机 进行 通信。 双音频检测 部分，主要利用的 是 MT8870 这一块芯片搭建而成。 然后将信号利用 HC573进行锁存进行处理，继而将信号输入到单片机主控。 信息掉电保护部分使用的是 24C02 芯片进行掉电储存。 舵机与电机控制部分中，首先是舵机控制部分，使用的是小型单片机制作的辅助系统，可以将主控部分发过来的控制信号进行处理，进而通过四个输出 I/O 输出到舵机控制线中，进而控制舵机转动角度。 电机控制部分使用的是三极管驱动继电器的电路， 再而 控制行进电机的正反转。 3 第 2 章 机械结构部分设计 行进机构部分设计 驱动方式设计 因为该机器人用于 家庭场合，所以要求体积不能太大，应尽量地小。 同时因为用于喂养宠物，与宠物进行交流，所以也要具有一定的强度，以防止宠物将机器人损坏。 同时还要考虑到机器人的灵活性与稳定性，最终得出了几套行进机构设计的构想。 （ 1） 第一种是 类 球状机架 的 双半球驱动方式。 此种结构优点是，外形简洁，具有相当强的灵活性，特别是在家庭这种具有很多家具和门口障碍的水平环境中非常适合。 同时因为它的整体结构是类球形，所以当遇到宠物的冲撞时，能够很好地进行移动，不至于因为动量过大而损 坏。 但是它也是有缺点的，因为是球状的结构，所以单件少量地制造会比较复杂，手工制作比较困难，同时因为是类球形 ，所以内部的驱动结构会比较复杂，需要运用到陀螺仪等结构平衡内部的结构。 （ 2）第二种是最常见的四轮或三轮结构驱动方式。 因为四轮和三轮结构相对简单，被玩具行业大量地运用。 普通的四轮结构分为两轮驱动，四轮驱动以及四轮单独驱动。 两轮驱动的结构最为简单，但它转弯半径 比较大，而且通过性与动力性也比较低。 四轮驱动与两轮驱动相比其通过性与动力性有很大提高，但机构复杂性有所提高， 加工难度也比较大，以及它转弯半径与两驱没 有太大区别。 四轮的单独运动 ，运用的是舵机配合直流电机的结构，每一个的直流电机都可以在原地进行 180176。 的转弯，这样使得机器人本体能够原地向各个方向移动，但此种结构相对复杂，而且对与控制部分的要求也很高。 而三轮结构虽然有很好的转弯性能，但是它的稳定性比较差，很容易出现倾翻现象。 （ 3） 第三种是履带结构，被广泛用于各种的机器人上。 它有很好的爬坡能力 和越障能力 ，能够爬越比较陡的坡度，同时能够行驶 在轮式结构无法行走的家庭地毯上。 同时它的底盘可以做得很低，所以此种结构具有很好的稳定性 ，能够有效地抵抗宠物对其的冲击，不至 于倾覆。 同时它的结构也相对地简单，直接使用两个直流电机就能够完成前后左右的运动。 经过了多种方案的一 一 对比，最后选择了 履带式的结构，作为机器人本体的一个驱动行进方式。 因为其结构和控制的方式都比较简单，加工难度也不大，而且能够很好地完成指定的动作。 履带机构设计 在一般的市面上，真正能够购买到的 小型 履带 结构 非常的少，而且要拿到外面加工的话，单件加工的价格会比较地昂贵，加工的工序也会比较的复杂。 为了能够方便制作与加工出本机器人的 部件，所以就决定使用结构 与履带类似，但结构 相对简单，且市面上比较容易购买 到的同步带 ， 来替代结构比较复杂的小型履带结构。 4 同步带的种类 主要分为两 种， 一种是梯形齿的同步带，另一种是圆弧齿的同步带。 他们的相同 点是 都为啮合传动的方式，能够减少对张紧机构的依赖性 ，而且他们的传动效率也比较高，可以达到节能的目的。 同时他们运行的噪音比较小，适合于在家居的环境中使用。 圆弧形的同步带与梯形齿的同步带相比，它工作时的应力集中会更加的少 ，更有利与减少带与轮间的摩擦，提高 其工作的效率。 所以最后选择了圆弧齿的同步带作为机器人的履带。 因为传动的功率非常小，电机功率只有 ,转速为 150r/min。 而查询机械设计手册，当速度为 150r/min 时 ,9mm 的带已经可以承受额定功率为 ，而且为了能够使机器人整体结构比例合理，带宽设计要宽些，所以根据市场规格，选用了 25mm 带宽的 5M同步带，同步带轮选择为 28 齿的 5M 同步带轮，所以额定功率肯定足够。 同步带轮工程图见附录 1。 机架结构设计 在选择了履带结构作为机器人本体的行进方式后，就要开始设计制造其结构。 为了使得加工方便，所以在我的设计过程中，尽量地使用到标准件以及型材。 机器人本体机架分为足部和身部。 足部就是机器人的履带轮支撑结构， 身部结构就是机器人的机身支架结构。 履带轮支撑结构 在保证机器人的机械强度的情况下， 为了 能够充分地减轻 其 质量，提高效率， 履带轮的支撑结构 的材料选择 使用了 ABS 板材加上铝合金 型材。 使用的铝合金型材一般 是 用在铝合金门窗上的， 其 恰好可以与选定的同步带 和同步带 轮相配合。 其 思路 结构 如 图 21 所示 ， 图 21 履带轮支架 5 利用 两块 ABS 板材 ，通过 沉头螺钉将其 连接 贴于铝合金型材的两侧， 然后再 在 ABS 板上加工出安装同步带轮轴轴承的阶梯孔， 继而 将与轴配合好后的轴承安装到轴承孔中 ， 放入同步带轮后 ， 就可以将带轮上的机密螺钉锁紧 ，便可完成一组履带轮。 这样的履带轮一共两组，左右各一组。 首先是侧板 的设计 ，轴承的厚度为 ， 所以选择的侧板厚度为 mm6 ， 以方便轴承的安装。 因为同 步带 轮安装的轴间距为 mm220 ， 同步带轮直径为 ，轴承 外径为 mm12。 所以综合以上因数， ABS 板材的尺寸为 3630250 mm。 为了能够充分地减少 ABS 板材安装后摆动，在板材上设计的螺钉安装孔 为 5 个。 最后再设计倒角等工艺，便 得到 侧板的 工程图 见附录 1。 完成侧板的设计后，就要合理地选定安装侧板的铝合金支架， 铝合金支架使用的是 厚度为 ， 截面 尺寸为 23252 mm 的铝合金 型材。 所以在强度合适的情况下，考虑的只是设计安装侧板及机身支架架的孔位，以及 设计 安装同步带轮及同步带避空的位置。 为了 能够 使整体结构紧凑轻便，所以铝合金支架结构尽量 做短，做到恰好能够使得 ABS 板材紧固，所以最后其长度选择为 mm172。 则综合以上的因素，得到了铝合金支架的 见附录1。 机身支架结构 机身支架分为前后两部分， 前部是铝合金的型材，后部为 ABS 板材。 分为两部分的主要原因是为了方便装配，以及留空给电路的安装。 前部与 后部 的长度，主要取决的是 四个部分的长度，分别是 两个直流电机 及其减速器的长度，以及 两个连轴器 的长度，还有就是主动轮轴的长度， 最后 还要 加上 安装和调试 的时候要 留空 的位置。 所以 前部使用的 是整体厚度为 ， 体积为 325100210 mm 的铝合金型材， 其两侧伸出 长度为 mm32 的安装翼，用于与 履带轮支撑结构的连接。 后部使用的是体积为 3676274 mm 的 ABS 板材。 其连接方式 也 是通过 沉头 螺钉 将 履带轮支撑结构连接起来。 两种结构的工程图 见附录 1。 料斗结构设计 因为喂料系统喂的料是颗粒状的宠物饲料，他们的体积一般是 312~106 mm 圆柱形型颗粒，所以其落料的方式使 用的是自然落料 为主， 抖动 落料为辅 的方式。 料斗分为两部分，一部分是储存饲料的长方体形饲料盒，另一部分是落料的震动开合机构。 盛放饲料的饲料盒 ， 使用的是 mm2 的 ABS 薄板拼制而成，结构如图 22 所示。 由图可知，整个长方体结构是由 8 块薄板拼接而成。 左右侧板及后面板 的 高度为 mm35 ，前面板是一块五边形板，底部由三块三角形的面板拼接而成，中间的一块是等腰三角形，左右两底板与 中间围板以及各 围板的边相拼接，最终使得饲料盒 的底部 呈一个前低后高的一个 斜面，使得里面的 饲 料能够自然移动到前端， 然后通过出口到达震动开合机构落入盛料的 位置。 顶上有一块盖板，在平时可以盖起来，防止宠物吃掉里面的食物，要补充饲料时，只要打开盖板倒入即可。 整个 饲料盒 通过螺钉与两块对称的“ L”字形的铝合金板连接，然后再固定于机器人的前部铝合金上。 6 图 22 饲料盒 落料的震动开合机构是一段圆管状的出料口 ， 结合饲料盒的前面板大小，以及内部的开合机构用的舵机大小，最后选择了直径为 mm30 ，厚度为 的 PVC 圆管作为主体。 其整体结构如图 23 所示 PVC 管 固定开口盘 旋转开口盘 舵机连接臂 舵机 图 23 如 图 28 所示， 将 PVC 管材通过加热、剪裁的方式做成如图的结构，用以固定舵机的位置，做到舵机的轴心与 PVC 管的轴心同轴。 然后旋转开口盘通过螺钉与舵机连接臂连接，再利用螺钉将舵机连接臂与舵机连接起来， 安装 时要注意旋转开口盘的开口向下。 最后就 7 将固定开口盘安装在旋转开口盘上便可。 工作的时候，一开始，旋转开口盘的开口没有对着固定开口盘，料无法下落。 当喂食信号到达时，舵机开始运动，旋转开口盘不 停地绕中心轴进行来回的旋转，此时料受到震动和拨动，就会自然从出 料口中落下， 就完成了整个投喂的动作。 头部结构设计 头部的设计比较简单， 主要用到的是舵机结构。 舵机的特点是，它的输出扭力很大，在电源为 的时候，可以达到 cmkg。 所以它能够轻易地托起一台手机，将其转换各种角度。 同时舵机还有的特点是它具有很高的精准度，能够在指令程序的控制下转 180~0 中的任意角度。 机器人头部 整体结构如图 24 所示， 主要使用的是两个稍大点的舵机 一个 舵机 控制平台的水平面上的转动， 另一个控制平台的竖直方向上的一个转动。 手机的平台上还安装了一个夹子用于夹持手机。 因此 在两个舵机的相互作用下，它的活动范围就会近似一个半球 ， 能让手机平台在 机器人上 灵活地观测到周围的事物，让人们 知道如何下达下条 指令，完成指定的动作。 图 24 头部结构 手部结构设计 8 手部结构使用的也是舵机结构，用于夹持物件，例如小球类，可以通过此 与宠物进行交流玩耍。 整个手部结构由三个大的舵机以及一个小的 舵机组成。 三个大的舵机分别控制X、 Y、 Z 三个关节的转 动，小的舵机用于前部夹持作用。 控制 Z 轴的舵机轴心与水平面垂直 ， 用于 控制手部 大臂 在水平面上的转动。 控制 X 轴的舵机轴与 Z 轴垂直，用于控制手部中臂的旋转。 控制 Y 轴的舵机轴同时与 X 轴和 Z 轴垂直，用于控制小臂的旋转， 即 控制夹持部分的旋转。 夹持部分 使用 9g 的小舵机 完成动作 ，使用的是齿轮 加上沿伸棒的机 构。 整体结构如图 25 所示 图 25 手部结构 9 第 3 章 电路部分设计 3. 1 电源部分电路设计 整个电路部分需要电源的部分有单片机 、 双音频检测 芯片、储存芯片、直流 马达 、 以及舵机等。 因为电机选用的是 12V 的 直流电机， 所 以电源选择了 3 块 18650 电池作为直流电源，每一块的电池可以提供 的电源，三块电池串联起来后就能提供 的电源。 除了直流电机驱动系统使用的是 12V 的电源外，其他的系统使用的都是 5V 的电源。 为了使电路尽量简单，所以 5V 的电源通过使用 LM7805 稳压芯片得到。 为了做到控制系统与动力系统的电源隔离，所以设计最小系统与 串行 PROME2 存储器件 供电共用一块，舵机控制系统使用两块，双音频控制系统及舵机控制系统共用一块，传感器模块与扩展系统共用一块。 所以 一共需要 5 块 LM7805 稳压芯片。 因为 LM7805 稳压芯片的输入最大耐压值为35V，最大输出电流为 ，所以可以满足该系统的供电要求。 其基本电路如图 31 所示 图 31 5V 稳压电路 由图可知，当输入 12V 直流电压后，经过 C1 的滤波进入到 LM7805 的输入端 Vin，经过一系列的降压、稳压后，从输出端 Vout 输出 5V 电压， C2 起到的是缓冲滤波的作用。 3. 2 51 单片机 主控 系统部分电路设计 51 单片机 主控 系统 是根据 51 单片机最小系统扩展得到的 [3]。 根据编程 及 I/O 容量， 初步 选择了由宏晶公司生产的 STC89C52 单片机，因为 STC 系列的单片机在程序烧写上具有ISP 烧写功能，使得程序的烧写变得非常的 简洁 方便。 由已学的知识 及资料 [4]得到单片机主控系统如图 32 所示。