智能机电产品设计创新实践

第1章 绪论 1 1.1 课程简介 1 1.2 智能机电产品设计流程与设计内容 2 1.3 课程内容及结构 3 第2章 智能机电产品需求分析 4 2.1 市场需求分析 4 2.1.1 市场分析的相关知识 4 2.1.2 数据收集方法 5 2.1.3 数据样本容量确定 7 2.1.4 数据调研法 8 2.2 技术需求分析 9 2.2.1 技术需求分析的意义与途径 9 2.2.2 文献和专利检索数据库 12 2.3 设计实例——移动机器人 20 2.3.1 移动机器人市场需求分析 20 2.3.2 移动机器人技术需求分析 21 2.3.3 移动机器人产品需求分析报告 26 第3章 智能机电产品系统方案设计 27 3.1 智能机电产品系统方案设计步骤 27 3.1.1 项目规划 27 3.1.2 产品功能划分 28 3.1.3 原理方案设计 29 3.1.4 产品详细设计 30 3.1.5 产品支持 31 3.2 核心功能可行性验证 31 3.2.1 核心功能可行性验证的重要性 31 3.2.2 核心功能可行性验证实例 32 3.3 智能机电产品系统方案设计实例 33 3.3.1 设计实例1——两轮自平衡小车 33 3.3.2 设计实例2——扫地机器人 34 第4章 智能机电产品机械传动系统设计 36 4.1 机械传动机构 36 4.1.1 机械传动机构简介 36 4.1.2 机械传动机构类型及原理 37 4.1.3 机械传动系统的设计要素 41 4.1.4 运动执行部件 42 4.2 机械驱动机构 43 4.2.1 液压驱动机构设计 46 4.2.2 气压驱动机构设计 48 4.3 驱动电机 49 4.3.1 有刷直流电机 49 4.3.2 无刷直流电机 52 4.3.3 关节电机 52 4.3.4 驱动电机的选型原则 53 4.4 机械传动机构运动分析 55 4.4.1 常用的运动仿真软件介绍 55 4.4.2 设计实例——六自由度机械臂运动分析 55 4.4.3 设计实例——六自由度机器人传动臂有限元分析 60 4.5 移动机器人行走机构设计 63 第5章 智能感知芯片与接口选型 68 5.1 智能感知芯片 68 5.1.1 温湿度传感器 68 5.1.2 霍尔式传感器 68 5.1.3 角速率传感器 69 5.1.4 加速度计 69 5.1.5 里程计 71 5.1.6 视觉传感器 71 5.1.7 激光雷达 73 5.2 常用输入输出接口 76 5.2.1 SPI总线 77 5.2.2 I2C总线 77 5.2.3 UART 78 5.2.4 串行通信的电平标准 79 5.3 常用微控制器 80 5.3.1 Arduino 80 5.3.2 Raspberry Pi 81 5.3.3 STM32 83 5.3.4 计算平台 87 5.4 机器人操作系统 88 5.4.1 机器人操作系统简介 88 5.4.2 机器人操作系统基本概念 90 5.5 设计实例——双轴倾角传感器通信测试 90 第6章 智能控制系统设计 93 6.1 智能控制系统总体设计 93 6.2 智能控制系统软硬件设计 94 6.2.1 智能控制系统硬件电路的设计 94 6.2.2 智能控制系统软件流程图的设计 96 6.2.3 常用的流程图软件 99 6.2.4 设计实例——红绿灯系统的流程图绘制 99 6.3 典型的智能控制算法 100 6.3.1 典型的智能控制算法介绍 100 6.3.2 智能控制算法应用——机器学习 104 6.4 两轮自平衡小车智能控制要素分析 105 6.5 设计实例——turtlebot系列ROS机器人 109 第7章 智能机电产品样机试制与调试 113 7.1 样机试制 113 7.2 样机调试 113 7.2.1 调试准备 114 7.2.2 调试准则 115 7.2.3 调试方法 115 7.3 设计实例——平衡小车样机制作 117 7.3.1 平衡小车机械结构设计 117 7.3.2 工程图纸制作 117 7.3.3 样机制作 118 第8章 智能机电产品的产品化设计 123 8.1 产品化设计概述 123 8.2 产品化设计的流程与方法 123 8.2.1 认识问题 123 8.2.2 设计调研 124 8.2.3 设计构思与概念展开 125 8.2.4 深入设计 125 8.3 手板模型产品化制作 127 8.3.1 手板模型概述 127 8.3.2 手板模型制作方法 128 8.3.3 手板表面处理工艺 130 8.3.4 制作案例——加油枪把手手板 132 8.4 产品化设计实例——平衡车 133 8.4.1 平衡车设计分析 133 8.4.2 平衡车结构分析 134 8.4.3 平衡车设计说明书 135 第9章 智能机电产品创新设计实践成果报告 138 9.1 设计说明书 138 9.2 图纸 140 9.3 科技查新报告 141 9.4 质量检测报告 142 9.5 用户使用报告 142 参考文献 144