👩‍💻 青少年科创比赛：蘑菇云创客成员备战2019RCJ国际青少年机器人赛 🤖

蘑菇云创客成员之2019RCJ国际青少年机器人赛

2019-03-056213

DUDU

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本文介绍了蘑菇云创客成员参加2019RCJ国际青少年机器人赛的过程。队员们设计了一款螃蟹机器人，通过齿轮连动设计解决了齿轮啮合空隙调试难题。项目涉及内部结构设计、输出模块选择以及模块化程序设计。适合青少年科创比赛和STEM教育场景。

蘑菇云创客成员之2019RCJ国际青少年机器人赛

2018年的年底，我们在DUDU老师的带领下开始了2019RCJ国际青少年机器人赛中国选拔赛的准备。

我们的队员来自不同的学校，不同的年龄，最大17岁，最小10岁，大家集中在上海蘑菇云创客空间

开始搞事情啦。:P

先讲讲我们的作品第1版的方案，那是个关于海洋动物螃蟹的主题，我们把机器人设计成螃蟹，螃蟹

的足用齿轮连动，不多写，上图吧！

螃蟹机器人----齿轮连动的螃蟹(crab)设计

A) 内部结构设计

一：齿轮可以安装在轴承外部，由轴承带动进行传动，齿轮在转动的时候同时带动其他齿轮的转动，轴承与齿轮二者是缺一不可的。
二：齿轮主要提供一个相互的咬合力与扭矩，而轴承主要是提供一个传动功能。齿轮传动需要安装在轴上，而轴承是是为轴提供支撑的构件，有了轴承的支撑更容易使轴及轴上构件有比较准确的运转精度，轴承滚动体可以减少轴承与轴的摩擦。
三：轴承属于易损件，损坏后可以进行更换和维护，这样可以减少轴承的磨损。

制作上的难点是齿轮之间的啮合空隙需要反复试验。调试过程中硬件与软件的配合非常重要。

B) 设计

选择怎样的输出模块也非常重要,步进电机需要4个数字口,舵机只需要1个数字口

C) 程序设计：

采用了模块化设计思路,分别调试每个功能模块

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[align=center] [font=黑体]螃蟹[/font]B [font=黑体]硬件接口[/font][/align][align=left]// CrabB ZIGBEE[font=黑体]（通讯开关接收[/font]A[font=黑体]信号）[/font] 0[font=黑体]，[/font]1 motor1[font=黑体]（移动小车）[/font]8[font=黑体]，[/font]9[font=黑体]，[/font]10[font=黑体]，[/font]11 [font=黑体]舵机（齿轮[/font]8[font=黑体]足）[/font]13[/align][align=left]//[font=黑体]传感器[/font] [font=黑体]超声波[/font]1[font=黑体]（跟踪[/font]2[font=黑体]，[/font]3 )[font=黑体]超声波[/font]2[font=黑体]（跟踪[/font]4[font=黑体]，[/font]5 )[/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left]树莓派3 + HC-SR04超声波测距模块[/align] [font="] HC-SR04 [/font][font=宋体]介绍[/font][align=left]HC-SR04 模块可以测量 3cm - 4m 的距离，精确度可以达到 3mm。这个模块包括超声波发射器、超声波接收器和控制电路三部分。有4 个引脚。[/align] [font=宋体]接线方式[/font]4 个引脚由 2 个电源引脚(Vcc 、GND)和 2 个控制引脚(Trig、Echo)组成。
Vcc 和 Gnd 接5v DC 电源，但不推荐用独立电源给它供电，应使用树莓派或单片机的 GPIO 口输出 5v 和 Gnd 给它供电。不然会影响这个模块的运行。
Trig 引脚用来接收来自树莓派的控制信号。接任意GPIO 口。
Echo 引脚用来发送测距结果给树莓派。接任意 GPIO口。
(注意 Echo 返回的是 5v信号，而树莓派的 GPIO 接收超过 3.3v 的信号可能会被烧毁，因此需要加一个分压电路)

HC-SR04 [font=宋体]的测距过程[/font]
1. 树莓派向 Trig 脚发送一个持续 10us 的脉冲信号。
2. HC-SR04 接收到树莓派发送的脉冲信号，开始发送超声波(start sending ultrasoun），并把 Echo置为高电平。然后准备接收返回的超声波。
3. 当 HC-SR04 接收到返回的超声波 (receive returned ultrasound) 时，把 Echo 置为低电平。
从上述过程可以看出， Echo 高电平持续的时间就是超声波从发射到返回所经过的时间间隔 ~
接线跟前文所说的一样。 GPIO 2 脚接 Trig ， GPIO 3 脚接Echo 。树莓派的 +5v 和 Gnd 与 HC-SR04 的 Vcc 和 Gnd相连。还有一个分压电路，一端接 Echo ，另一端接 Gnd。
[align=left][font=宋体] 1k [/font][font=宋体]和 2k 电阻组成了一个分压电路，使 GPIO 3 脚的电压降到了 3.3v 左右。[/font][/align][font="]python [/font][font=宋体]程序[/font][align=left] 2 脚连 Trig ，设为输出模式； 3 脚连 Echo，设为输入模式。[/align][align=left]然后向Trig 引脚输入10us 的脉冲：[/align][align=left] [/align][align=left]time.sleep() 接收的参数单位为 s ，于是把10 us 转换为0.00001 s 。[/align][align=left]接收到这个脉冲后，HC-SR04发射出超声波，同时把Echo 置为高电平。在发射之前，Echo一直为低电平。[/align][align=left]据此编写程序，记录超声波发射时的时间。[/align][align=left] 然后记录超声波返回时的时间。这样就获得了我们需要的数据pulse_start 和 pulse_end ，可以算出距离了~[/align][align=left]测得距离(单位:m) = (pulse_end - pulse_start) * 声波速度 / 2 [/align][font=Arial]测得距离[/font][font="]([/font][font=Arial]单位[/font][font="]:m) = (pulse_end - pulse_start) * [/font][font=Arial]声波速度[/font][font="] / 2 [/font]声波速度取 343m/s 。
[align=left][font=宋体]然后再把测得的距离转换为 cm。[/font][/align][align=left][font=宋体]测得距离(单位:cm) = (pulse_end - pulse_start) * 声波速度 / 2 * 100 [/font][/align][align=left][font=宋体] = (pulse_end - pulse_start) *17150 [/font][/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left] [/align][table=98%]
[tr] [td] [align=left][font=黑体]黑[/font]-GND[/align] [align=left][font=黑体]红[/font]-VCC[/align] [align=left][font=黑体]黄[/font]-SCL[/align] [align=left][font=黑体]棕[/font]-SDA[/align]
[/td] [/tr]
[/table] [font="] [/font][font="] [/font]

STM32 F103T8U6 [font=黑体]数字指南针[/font]
[align=left] [/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left] [/align][table=98%]
[tr] [td] [align=left]1-VCC[/align] [align=left]2-VCC[/align] [align=left]3-SCL[/align] [align=left]4-GND[/align]
[/td] [/tr]
[/table]

[align=left][align=center] [font=黑体]关于齿轮的设计[/font][/align][align=left][font=黑体]在齿轮设计过程中有以下几个关键点需要注意[/font]:[/align][align=left] [/align][align=left]1.[font=黑体]齿轮啮合条件[/font][/align][align=left][font="]两齿轮的模数必须相等，两齿轮分度圆上的齿形角必须相等。两齿轮法面模数相等，齿形角相等，螺旋角相等且螺旋方向相反。两齿轮的大端模数和齿形角分别相等。[/font][/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left]2. [font=黑体]齿轮啮合间隙[/font][/align][align=left][font="]一对齿轮装配后，[/font]齿侧间隙[font="]是固定值。标准直齿[/font]圆柱齿轮[font="]，是无侧隙啮合的，[/font]齿侧间隙[font="]为0；[/font]齿侧间隙[font="]等于一个齿轮节圆齿槽宽减另一个齿轮节圆齿厚的差值。实际齿轮啮合是有侧隙的，通过控制齿厚（齿厚减薄）保证侧隙；根据使用条件（载荷，等）、使用环境（油温，等）。[/font][/align][align=left][font="]3.[/font][font="]齿轮的齿边变成圆弧[/font][/align][align=left] [/align][align=left]4.[font=黑体]大齿轮与小齿轮啮合[/font],[font=黑体]小齿轮的齿比大齿轮小一点[/font],[font=黑体]通过观察乐高的齿轮可以得到这个结论[/font].[/align][align=left][font="]A)[/font][font=宋体]螃蟹机械结构的改进[/font][font="].[/font][/align][align=left] [font=黑体]改进后这个齿轮的中心安装舵机[/font] [/align][align=left] [font=黑体]原来舵机安装在这个齿轮[/font][/align][align=left] [/align][align=left][font=黑体]改进了安装位置[/font],[font=黑体]这样齿轮的传动更加均匀[/font],[font=黑体]齿轮转动的时间基本一致[/font],[font=黑体]对舵机的扭力要求会减小[/font].[/align][align=left]B) [font=黑体]螃蟹车底盘轮子的排列分布[/font][/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=left] [/align][align=center] [font=宋体]编程控制舵机带动[/font][font="]8[/font][font=宋体]齿轮转，跟上节奏[/font][font="]
[/font][font=黑体]舵机齿轮程序[/font][/align][align=left][font=黑体]子函数[/font]foot()[/align][align=left][font=黑体]流程图[/font]:[/align][align=left]2[font=黑体]个超声波模块同时放置[/font],[font="] [/font][font="]程序很容易，关键是要避开回波干扰[/font][/align][align=left]void csb(){[/align][align=left] ////////////////1[font=黑体]号超声波[/font]//////////////////////////////////// [/align][align=left] digitalWrite(Tr1, LOW); //[font=黑体]低高低电平发一个短时间脉冲去[/font]TrigPin [/align][align=left] delayMicroseconds(2); // delayMicroseconds[font=黑体]在更小的时间内延时准确[/font][/align][align=left] digitalWrite(Tr1, HIGH); [/align][align=left] delayMicroseconds(10); [/align][align=left] digitalWrite(Tr1, LOW); //[font=黑体]通过这里控制超声波的发射[/font][/align][align=left] cm1 = pulseIn(Ec1, HIGH) / 58.0; //[font=黑体]将回波时间换算成[/font]cm[/align][align=left] ////////////////2[font=黑体]号超声波[/font]//////////////////////////////////// [/align][align=left] digitalWrite(Tr2, LOW);[/align][align=left] delayMicroseconds(2); // delayMicroseconds[font=黑体]在更小的时间内延时准确[/font][/align][align=left] digitalWrite(Tr2, HIGH); [/align][align=left] delayMicroseconds(10); [/align][align=left] digitalWrite(Tr2, LOW);[/align][align=left] cm2 = pulseIn(Ec2, HIGH) / 58.0; [/align][align=left] Serial.print(cm1); [/align][align=left] Serial.print("cm1"); [/align][align=left] Serial.println(); [/align][align=left] Serial.print(cm2); [/align][align=left] Serial.print("cm2"); [/align][align=left] Serial.println(); [/align][align=left]}[/align][align=left]void trackA()[/align][align=left]{ [/align][align=left] forward();[/align][align=left] csb(); [/align][align=left] if( cm1 <50)[/align][align=left] {[/align][align=left] stopped();delay(100);[/align][align=left] right(); [/align][align=left] delay(200);[/align][align=left] }[/align][align=left]else if(cm2 <50)[/align][align=left] {[/align][align=left] stopped();delay(100);[/align][align=left] left();[/align][align=left] delay(200);[/align][align=left] }[/align]
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