第一篇：機(jī)器人課程設(shè)計(jì)
沈陽(yáng)化工大學(xué)
機(jī)器人課程設(shè)計(jì)
專(zhuān)業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器
班級(jí)：測(cè)控0901
姓名：許偉博
學(xué)號(hào)：09130109
目錄
第一章
緒言.............................................................................................2 1.1、目的和意義.................................................................................2 1.2、設(shè)計(jì)內(nèi)容.....................................................................................2 1.2.1、機(jī)器人硬件........................................................................2 1.2.2、設(shè)計(jì)任務(wù)............................................................................3 1.3、運(yùn)行框圖.....................................................................................3 第二章 機(jī)器人觸覺(jué)導(dǎo)航..........................................................................4 2.1、安裝并測(cè)試機(jī)器人胡須.............................................................4 2.2、測(cè)試觸須傳感器.........................................................................7 2.3、C語(yǔ)言程序如下..........................................................................7 第三章
機(jī)器人紅外導(dǎo)航....................................................................11 3.1、使用紅外線(xiàn)發(fā)射和接收器件探測(cè)道路...................................11 3.2、搭建并測(cè)試IR發(fā)射和探測(cè)器.................................................12 3.3、測(cè)試紅外發(fā)射探測(cè)器...............................................................12 3.4、探測(cè)和避開(kāi)障礙物...................................................................13 第四章
心得體會(huì)..................................................................................16
第一章
緒言
1.1、目的和意義
機(jī)器人涉及機(jī)械、電子、傳感、控制等多個(gè)領(lǐng)域和學(xué)科。本課程設(shè)計(jì)是在《機(jī)器人學(xué)》課程的基礎(chǔ)上，利用多傳感技術(shù)、控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的綜合與應(yīng)用，達(dá)到鍛煉學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的目的。
1.2、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.2.1、機(jī)器人硬件
本課程設(shè)計(jì)使用實(shí)驗(yàn)室已有的移動(dòng)機(jī)器人。機(jī)器人有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、一個(gè)從動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪由舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人控制器為89S52單片機(jī)。
圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.2.2、設(shè)計(jì)任務(wù)
利用多傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃及控制。具體為：控制機(jī)器人在規(guī)定的場(chǎng)地內(nèi)避開(kāi)障礙物走遍整個(gè)場(chǎng)地。
場(chǎng)地長(zhǎng)1.8m，寬1.5m，場(chǎng)地四周為高0.3m的擋板。場(chǎng)地如圖2所示。
1.3、運(yùn)行框圖
第二章 機(jī)器人觸覺(jué)導(dǎo)航
本章你將通過(guò)給你的機(jī)器人增加觸覺(jué)傳感器學(xué)習(xí)如何使用這些端口來(lái)獲取外界信息。實(shí) 際上，對(duì)于任何一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)（不僅僅是機(jī)器人），無(wú)非都是通過(guò)傳感器獲取外界信息，通過(guò)接口進(jìn)入計(jì)算機(jī)（或者單片機(jī)），由計(jì)算機(jī)或單片機(jī)根據(jù)反饋信息進(jìn)行計(jì)算和決策，生成控制命令，然后通過(guò)輸出接口去控制系統(tǒng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成系統(tǒng)所要完成的任務(wù)。因此，學(xué)習(xí)如何使用單片機(jī)的輸入接口同學(xué)習(xí)使用輸出接口同等重要。
許多自動(dòng)化機(jī)械都依賴(lài)于各種觸覺(jué)型開(kāi)關(guān)，例如當(dāng)機(jī)器人碰到障礙物時(shí)，接觸開(kāi)關(guān)就會(huì)察覺(jué)，通過(guò)編程讓機(jī)器人躲開(kāi)障礙物；旅客登機(jī)橋在靠近飛機(jī)時(shí)為了保護(hù)昂貴的飛機(jī)，在登 機(jī)橋接口安裝觸須，當(dāng)?shù)菣C(jī)橋離飛機(jī)很近后觸須就會(huì)碰到飛機(jī)，立即通知控制器提醒離飛機(jī)已經(jīng)很近了，需要降低靠近速度；工廠(chǎng)利用觸覺(jué)開(kāi)關(guān)來(lái)計(jì)量生產(chǎn)線(xiàn)上的工件數(shù)量；在工業(yè)加工過(guò)程中，也被用來(lái)排列物體。在所有這些實(shí)例中，觸覺(jué)開(kāi)關(guān)提供的輸入通過(guò)計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)處理后生成其它形式的程序化的輸出。
本章中，你將在機(jī)器人前端安裝并測(cè)試一個(gè)稱(chēng)為胡須的觸覺(jué)開(kāi)關(guān)。你將對(duì)機(jī)器人大腦編程來(lái)監(jiān)視觸覺(jué)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，以及決定當(dāng)它遇到障礙物時(shí)如何動(dòng)作。最終的結(jié)果就是通過(guò)觸覺(jué)給機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航。
2.1、安裝并測(cè)試機(jī)器人胡須
編程讓機(jī)器人通過(guò)觸覺(jué)胡須導(dǎo)航之前，首先必須安裝并測(cè)試胡須。圖3所示是安裝機(jī)器人觸覺(jué)胡須所需的硬件元件清單，包括：
1． 金屬絲2根
2．平頭M3×22盤(pán)頭螺釘2個(gè)
3． 13mm圓形立柱2個(gè)
4． M3尼龍墊圈2個(gè)
5． 3-pin公-公接頭2個(gè)
6． 220Ω電阻2個(gè)
7． 10kΩ電阻2個(gè)
圖3 胡須硬件
安裝胡須
1.拆掉連接主板到前支架的兩顆螺釘 2.參考圖4，進(jìn)行下面操作
3.螺釘依次穿過(guò)M3尼龍墊圈、13mm圓 形立柱
4.螺釘穿過(guò)主板上的圓孔之后，擰進(jìn)主板下面的支架中，但不要擰緊
5.把須狀金屬絲的其中一個(gè)鉤在尼龍墊圈之上，另一個(gè)鉤在尼龍墊圈之下，調(diào)整它們的位置使它們橫向交 叉但又不接觸
6.擰緊螺釘?shù)街Ъ苌?/p>
7.參考接線(xiàn)圖5，搭建胡須電路。
注意：右邊胡須狀態(tài)信息輸入是通過(guò)P1口的第4腳完成，而左邊胡須狀態(tài)信息輸入是通過(guò)P2口的第3腳完成8.確定兩條胡須比較靠近，但又不接觸面包板上的3-pin頭。推薦保持3 mm的距離。
9.圖6所示是實(shí)際的參考接線(xiàn)圖。
10.安裝好觸覺(jué)胡須的機(jī)器人如圖7所示。
圖4 安裝機(jī)器人胡須
圖5 胡須電路示意圖
圖6教學(xué)底板上胡須接線(xiàn)圖
圖7 安裝好觸須的機(jī)器人
2.2、測(cè)試觸須傳感器
先執(zhí)行一段簡(jiǎn)單的程序，下面的程序是讓小車(chē)前行的，修改參數(shù)調(diào)舵機(jī)，使舵機(jī)保持前行，然后在通過(guò)設(shè)置程序讓左須子觸碰障礙物時(shí)左轉(zhuǎn)，右須子觸碰障礙物是右轉(zhuǎn)，這樣進(jìn)行調(diào)試，來(lái)檢測(cè)傳感器。
死區(qū)程序很關(guān)鍵，以中斷的方式寫(xiě)入，避免其一直困在墻角里出不來(lái)。
2.3、C語(yǔ)言程序如下
#include
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);} void siqu(void)interrupt 0
{ if(condition1){ commands for condition1 If(condition2){ commands for both condition2 and condition1} else { commands for conditio1 but not condition2}} Else { commands for not condition1} void Left_Turn(void)
{ int i;
for(i=1;i<=26;i++){ P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);}} void Right_Turn(void){
int i;
for(i=1;i<=26;i++){ P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);}} void Backward(void){
int i;
for(i=1;i<=65;i++){ P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);}} int main(void){ int i=1;
int z=0;uart_Init();printf(“Program Running!n”);
while(1){if((P1_4state()==0)&&(P2_3state()==0))
{if(z==0)
{Backward();//向后
Left_Turn();//向左
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Left_Turn();//向左
z=1;}
else {Backward();//向后
Right_Turn();//向右
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Right_Turn();//向右
z=0;}} else if(P1_4state()==0)
{ if(z==0)
{Backward();//向后
Left_Turn();//向左
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Left_Turn();//向左
z=1;}
else
{Backward();//向后
Right_Turn();//向右
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Right_Turn();//向右
z=0;}}
else if(P2_3state()==0)
{ if(z==0)
{Backward();//向后
Left_Turn();//向左
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Left_Turn();//向左
z=1;}
else {Backward();//向后
Right_Turn();//向右
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Right_Turn();//向右
z=0;}}
else
Forward();//向前
} } 將上述程序下載到小車(chē)中進(jìn)行調(diào)試。
第三章
機(jī)器人紅外導(dǎo)航
現(xiàn)在許多遙控裝置和PDA都使用頻率低于可見(jiàn)光的紅外線(xiàn)進(jìn)行通信，而機(jī)器人則可以使用紅外線(xiàn)進(jìn)行導(dǎo)航。可以使用一些價(jià)格非常便宜且應(yīng)用廣泛的部件，讓機(jī)器人的C51微控制器可以收發(fā)紅外光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的紅外線(xiàn)導(dǎo)航。
3.1、使用紅外線(xiàn)發(fā)射和接收器件探測(cè)道路
許多機(jī)器人使用雷達(dá)（RADAR）或者聲納（SONAR）來(lái)探測(cè)物體而不需同物體接觸。我們使用紅外光來(lái)照射機(jī)器人前進(jìn)的路線(xiàn)，然后確定何時(shí)有光線(xiàn)從被探測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)，通過(guò)檢測(cè)反射回來(lái)的紅外光就可以確定前方是否有物體。由于紅外遙控 技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在紅外線(xiàn)發(fā)射器和接收器已經(jīng)很普及并且價(jià)格很便宜。這對(duì)于機(jī)器人愛(ài)好者而言是一個(gè)好消息。
紅外前燈
你將要在機(jī)器人上建立的紅外光探測(cè)物體系統(tǒng)在許多方面就象汽車(chē)的前燈系統(tǒng)。當(dāng)汽車(chē)
前燈射出的光從障礙物體反射回來(lái)時(shí)，人的眼睛就發(fā)現(xiàn)了障礙物體，然后大腦處理這些信息，并據(jù)此控制身體動(dòng)作駕駛汽車(chē)。機(jī)器人使用紅外線(xiàn)二極管LED作為前燈，如圖8所示。
圖8 用紅外光探測(cè)障礙物
圖9 本章需要用到的新部件
紅外線(xiàn)二極管發(fā)射紅外光，如果機(jī)器人前面有障礙物，紅外線(xiàn)從物體反射回來(lái)，相當(dāng)于機(jī)器人眼睛的紅外檢測(cè)（接收）器，檢測(cè)到反射回的紅外光線(xiàn)，并發(fā)出信號(hào)來(lái)表明檢測(cè)到從物體反射回紅外線(xiàn)。機(jī)器人的大腦——單片機(jī)AT89S52基于這個(gè)傳感器的輸入控制伺服電機(jī)。
紅外線(xiàn)（IR）接收/檢測(cè)器有內(nèi)置的光濾波器，除了需要檢測(cè)的980 nm波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)外，它幾乎不允許其它光通過(guò)。紅外檢測(cè)器還有一個(gè)電子濾波器，它只允許大約38.5 kHz 的電信號(hào)通過(guò)。換句話(huà)說(shuō)，檢測(cè)器只尋找每秒閃爍38,500次的紅外光。這就防止了普通光源象太陽(yáng)光和室內(nèi)光對(duì)IR的干涉。太陽(yáng)光是直流干涉（0Hz）源，而室內(nèi)光依賴(lài)于所在區(qū)域的主電源，閃爍頻率接近100或
Hz。由于120 Hz在電子濾波器的38.5 kHz通帶頻率之外，它完全被IR探測(cè)器忽略。
3.2、搭建并測(cè)試IR發(fā)射和探測(cè)器
本任務(wù)中，我們將搭建并測(cè)試紅外線(xiàn)發(fā)射和檢測(cè)器。
元件清單:
(1)兩個(gè)紅外檢測(cè)器
(2)兩個(gè)IR LED
(3)四個(gè)470□電阻
(4)兩個(gè)9013三極管
搭建紅外線(xiàn)前燈
電路板的每個(gè)角安裝一個(gè)IR組(IR LED和檢測(cè)器)
電路圖如圖10
圖10
左側(cè)和右側(cè)IR組原理圖
3.3、測(cè)試紅外發(fā)射探測(cè)器
用P1_3發(fā)送持續(xù)1毫秒的38.5kHz的紅外光，如果紅外光被小車(chē)路徑上的物體反射回來(lái)，紅外檢測(cè)器將給微控制器發(fā)送一個(gè)信號(hào)，讓它知道已經(jīng)檢測(cè)到反射回的紅外光。
讓每個(gè)IR LED 探測(cè)器組工作的關(guān)鍵是發(fā)送1毫秒頻率為38.5 kHz的紅外信號(hào)，然后立刻將IR探測(cè)器的輸出存儲(chǔ)到一個(gè)變量中。下面是一個(gè)例子，它發(fā)送38.5 kHz信號(hào)給連接到P1_3 的IR發(fā)射器，然后用整型變量irDetectLeft存儲(chǔ)
連接到P1_2的IR探測(cè)器的輸出。
for(counter=0;counter<38;counter++)
{
P1_3=1;
delay_nus(13);
P1_3=0;
delay_nus(13);
}
irDetectLeft=P1_2state();
上述代碼給P1_3輸出的信號(hào)高電平13微秒，低電平為13微秒，總周期為26微秒，即頻率
約為38.5kHz。總共輸出38個(gè)周期的信號(hào)，即持續(xù)時(shí)間約為1毫秒（38*26約等于1000微秒）。
當(dāng)沒(méi)有紅外信號(hào)返回時(shí)，探測(cè)器的輸出狀態(tài)為高。當(dāng)它探測(cè)到被物體反射的38500Hz紅外信號(hào)時(shí)，它的輸出為低。因紅外信號(hào)發(fā)送的持續(xù)時(shí)間為1毫秒，因此IR探測(cè)器的輸出如果處于低，其持續(xù)狀態(tài)也不會(huì)超過(guò)1毫秒，因此發(fā)送完信號(hào)后必須立即將IR探測(cè)器的輸出存儲(chǔ)到變量中。這些存儲(chǔ)的值會(huì)顯示在調(diào)試終端或被機(jī)器人用來(lái)導(dǎo)航。
輸入保存運(yùn)行程序 進(jìn)行調(diào)試
當(dāng)你將物體移開(kāi)時(shí) 是否顯示
irdetectleft=1？
3.4、探測(cè)和避開(kāi)障礙物
改變觸須程序使其適應(yīng)IR檢測(cè)和躲避
3.4.1調(diào)用函數(shù)
If(IR=’L’)
For(counter=0.counter<38;counter++)//左邊發(fā)射 {LeftLaunch=1
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LeftLaunch=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}
if(IR
'R')
for(counter=0;counter<38;counter++)//右邊發(fā)射
{
RightLaunch=1;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
RightLaunch=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}
}
修改if…else語(yǔ)句存儲(chǔ)IR檢測(cè)信息的變量。
if((irDetectLeft 0)&&(irDetectRight 0))//兩邊同時(shí)接收到紅外線(xiàn)
{
Left_Turn();
Left_Turn();
}
else if(irDetectLeft 0)//只有左邊接收到紅外線(xiàn)
Right_Turn();
else if(irDetectRight 0)//只有右邊接收到紅外線(xiàn)
Left_Turn();
else
Forward();3..4.2 驗(yàn)證機(jī)器人的行為和和運(yùn)行程序RoamingWithIr.c時(shí)除不需要接觸是否非常像
例程：RoamingWithIr.c
for(counter=0;counter<38;counter++)//發(fā)射時(shí)間比胡須長(zhǎng)
{ LeftLaunch=1;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
LeftLaunch=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}
if(IR
'R')//右邊發(fā)射
for(counter=0;counter<38;counter++)
{ RightLaunch=1;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
RightLaunch=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}
}
void Forward(void)//向前行走子程序
{ P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
void Left_Turn(void)
//左轉(zhuǎn)子程序
{
int i;
for(i=1;i<=26;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
} void Right_Turn(void)
//右轉(zhuǎn)子程序
{ int i;
for(i=1;i<=26;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
void Backward(void)
//向后行走子程序
{ int i;
for(i=1;i<=65;i++)
{ P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
int main(void)
{ int irDetectLeft,irDetectRight;
uart_Init();
printf(“Program Running!n”);
while(1)
{
IRLaunch('R');//右邊發(fā)射
irDetectRight = RightIR;//右邊接收
IRLaunch('L');//左邊發(fā)射
irDetectLeft = LeftIR;//左邊接收
if((irDetectLeft 0)&&(irDetectRight 0))//兩邊同時(shí)接收到紅外線(xiàn)
{
Backward();
Left_Turn();
Left_Turn();
}
else if(irDetectLeft 0)//只有左邊接收到紅外線(xiàn)
{
Backward();
Right_Turn();
}
else if(irDetectRight 0)//只有右邊接收到紅外線(xiàn)
{
Backward();
Left_Turn();
}
else
Forward();
}
}
第四章
心得體會(huì)
通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我從中學(xué)到了很多東西，不僅是知識(shí)方面，還有動(dòng)手方面等。隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越普遍了。所以這次課程設(shè)計(jì)不僅是一次機(jī)器人知識(shí)的普及，也是一次與機(jī)器人親密接觸的機(jī)會(huì)。
在沒(méi)有做課程設(shè)計(jì)之前，我對(duì)機(jī)器人并不很了解，慢慢的接觸之后，我明白了機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類(lèi)指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編好的程序。在這次課
程設(shè)計(jì)中我們通過(guò)軟件調(diào)試又鞏固了單片機(jī)和C語(yǔ)言的相關(guān)知識(shí)。我們通過(guò)硬件調(diào)試鍛煉了自己的動(dòng)手能力。在課程設(shè)計(jì)中，我們也遇到很多的困難，在老師和同學(xué)的幫助下，最后都一一解決了。
通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，使我的理論知識(shí)又上升到了一個(gè)新的層次，同時(shí)在設(shè)計(jì)中也加深了我對(duì)理論知識(shí)的更深理解，另外，這次課程設(shè)計(jì)不僅使我的知識(shí)有了很大提高，而且使我學(xué)到許多其他方面的知識(shí)，總之，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我不僅學(xué)到了新知識(shí)，而且提高了我考慮問(wèn)題、分析問(wèn)題的全面性，是我的綜合能力有了很大提升。
總之，通過(guò)課程設(shè)計(jì)我既學(xué)到了知識(shí)，有鍛煉了能力。非常感謝學(xué)校和老師為我們提供了這么寶貴的機(jī)會(huì)去學(xué)習(xí)機(jī)器人并完成設(shè)計(jì)，謝謝。
第二篇：智能掃地機(jī)器人課程設(shè)計(jì)
智能掃地機(jī)器人課程設(shè)計(jì)
1、課題背景及研究的目的和意義
1.1課題背景
掃地機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，可以代替人進(jìn)行清掃房間、車(chē)間、墻壁等。提出一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動(dòng)清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。其具有實(shí)用價(jià)值。室內(nèi)清潔機(jī)器人的主要任務(wù)是能夠代替人進(jìn)行清掃工作，因此需要有一定的智能。清潔機(jī)器人應(yīng)該具備以下能力：能夠自我導(dǎo)航，檢測(cè)出墻壁，房間內(nèi)的障礙物并且能夠避開(kāi)；能夠走遍房間的大部分空間，可以檢測(cè)出電池的電量并且能夠自主返回充電，同時(shí)要求外形比較緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，噪音小；要具有人性化的接口，便于操作和控制。結(jié)合掃地機(jī)器人主要功能探討其控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。
1.2研究目的和意義
國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心邱權(quán)博士介紹說(shuō)，掃地機(jī)器人可以看作是一種智能吸塵器，通過(guò)其基于傳感器檢測(cè)的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法使原本由人操作的吸塵器成為一個(gè)可自主運(yùn)行的智能化設(shè)備。它通過(guò)各種傳感器，比如碰撞開(kāi)關(guān)、紅外接近開(kāi)關(guān)、超聲傳感器、攝像頭等，來(lái)感知自身的位置和狀態(tài)，通過(guò)智能算法決定當(dāng)前的任務(wù)狀態(tài)。它可以根據(jù)某個(gè)傳感器檢驗(yàn)地面清潔程度，根據(jù)歷史信息確定哪些區(qū)域已經(jīng)打掃過(guò)，它的充電座會(huì)發(fā)出紅外線(xiàn)信息，在電量低于一定值后，它開(kāi)始尋找紅外信息來(lái)自動(dòng)充電。防跌落是基于機(jī)器人底部所安裝的紅外傳感器檢測(cè)地面的距離，當(dāng)距離發(fā)生變化時(shí)機(jī)器人將停止并改變路線(xiàn)。由于掃地機(jī)器人是一個(gè)智能化產(chǎn)品，1.3工作原理
掃地機(jī)器人機(jī)身為可移動(dòng)裝置，機(jī)器人依托紅外識(shí)別以及超聲波測(cè)距從而避障，配合芯片控制內(nèi)部電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及內(nèi)部真空環(huán)境吸塵，通過(guò)路線(xiàn)設(shè)計(jì)，在室內(nèi)自由行走，由中央主刷旋轉(zhuǎn)清掃，并且輔以邊刷，沿直線(xiàn)或者之字形活動(dòng)路徑打掃。
2、設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容
1）以
AT89S52系列單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)移動(dòng)清掃機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制電路，采用紅外傳感器和超聲波傳感器完成障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，完成充電站檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，完成避障算法與路徑規(guī)劃算法設(shè)計(jì)。
2）按鍵選擇清掃模式和充電模式。
3）顯示方式LED
顯示當(dāng)前時(shí)間和機(jī)器人當(dāng)前工作狀態(tài)。
3、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)任務(wù)
1）利用AT89S52處理器編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2）液晶顯示掃地機(jī)器人的內(nèi)部參數(shù)。
3）當(dāng)掃地機(jī)器人顯示電量不足時(shí)，無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送命令到充電樁，開(kāi)始進(jìn)行充電模式，此時(shí)紅外發(fā)射光線(xiàn)充電樁與掃地機(jī)器人充電接口對(duì)接，此時(shí)超聲波實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)烧咧g的距離控制掃地機(jī)器人與充電樁之間的距離，防止速度過(guò)快損毀機(jī)器。
4）按鍵實(shí)現(xiàn)充電，清掃，停止3種模式對(duì)掃地機(jī)器人進(jìn)行模式的切換。
5）用
protel
繪制詳細(xì)電路原理圖，標(biāo)明元器件的型號(hào)、參數(shù)和引腳功能符號(hào)，電路圖應(yīng)符合電氣要求。
紅外
3.2系統(tǒng)整體框圖
電壓控制
超聲波
AT89S52
驅(qū)動(dòng)
按鍵
TFT液晶屏
無(wú)線(xiàn)模塊
3.3
選擇方案論證
3.3.1單片機(jī)選擇方案論證
方案一：使用公司的AT89S52作為主控制器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K
在系統(tǒng)可編程Flash
存儲(chǔ)器。使用Atmel
公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8
位CPU
和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。
方案二：
綜上所述，選擇方案一，價(jià)格適中，可操作性強(qiáng)，且現(xiàn)在使用AT89S52也是一種難度適中的選擇。
3.3.2
驅(qū)動(dòng)芯片選擇方案論證
方案一：6612芯片？？？？？？？？？？？？？？？？
方案二：ULN2003是一個(gè)非門(mén)電路，包含7個(gè)單元，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。用于感性負(fù)載時(shí)，該腳接負(fù)載電源正極，起續(xù)流作用（在感性負(fù)載中，電路斷開(kāi)后會(huì)產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢(shì)，為防止損壞達(dá)林頓管，接反相的二極管來(lái)構(gòu)成通路，使之轉(zhuǎn)換為電流）。另外二極管的作用，驅(qū)動(dòng)電流斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)內(nèi)的電感產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢(shì)，每一個(gè)單元的二極管都與三極管的集電極相連，產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)時(shí)就構(gòu)成了放點(diǎn)回路，從而保護(hù)了三極管。
方案三：使用東芝半導(dǎo)體公司TB6612FNG驅(qū)動(dòng)芯片。TB6612FNG體積小，發(fā)熱小，不需要加散熱片，外圍電路比較簡(jiǎn)單，只需要外接電容就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
綜上所述，選擇方案一和二，體積小，電路簡(jiǎn)單，所以選擇L298作為移動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，選用ULN2003作為清掃電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。
3.3.3無(wú)線(xiàn)模塊選擇方案論證
方案一：選用RF903模塊，作為微功率模塊，傳輸距離能達(dá)到500米，兼具了低功耗和遠(yuǎn)距離的要求、另外性能強(qiáng)大，增加了電源切斷模式、可以實(shí)現(xiàn)硬件冷啟動(dòng)功能、抗干擾能力強(qiáng)。
方案二：選擇NRF24l01無(wú)線(xiàn)模塊，此模塊的體積小，但功耗大
綜上所述，選擇方案一，價(jià)格低，受環(huán)境溫度小，綜合性能更強(qiáng)，所以選擇。
3.3.4時(shí)鐘模塊選擇方案論證
方案一：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示文字比較適合,如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi),且價(jià)格也相對(duì)較高,所以也不采用此種作為顯示.方案二：采用TFT液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大,顯示尺寸小巧,管腳占用少，適合單片機(jī)特點(diǎn)。
3.4硬件電路設(shè)計(jì)
3.4.1原理圖設(shè)計(jì)
3.4.2獨(dú)立式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)
綜合掃地人的無(wú)線(xiàn)控制，功能模塊分為清掃模式，自動(dòng)充電模式，暫停三大塊，所以應(yīng)該有按鍵供選擇。獨(dú)立式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)可靠。
獨(dú)立式按鍵比較簡(jiǎn)單，它們各自與獨(dú)立的輸入線(xiàn)相連接，如圖所示。
獨(dú)立式按鍵原理圖
條輸入線(xiàn)接到單片機(jī)的IO
口上，當(dāng)按鍵
K1
按下時(shí)，+5V
通過(guò)電阻
R1
然后再通過(guò)按鍵
K1
最終進(jìn)入
GND
形成一條通路，那么這條線(xiàn)路的全部電壓都加到了
R1
這個(gè)電阻上，KeyIn1
這個(gè)引腳就是個(gè)低電平。當(dāng)松開(kāi)按鍵后，線(xiàn)路斷開(kāi)，就不會(huì)有電流通過(guò)，那么
KeyIn1和+5V
就應(yīng)該是等電位，是一個(gè)高電平。我們就可以通過(guò)
KeyIn1
這個(gè)
IO
口的高低電平來(lái)判斷是否有按鍵按下。
3.4.3蜂鳴器報(bào)警電路
如圖所示，因GPIO口輸出電流有限，而蜂鳴器在蜂鳴時(shí)需要較大的電流，GPIO輸出口無(wú)法滿(mǎn)足要求。而8550最大可提供1A的輸出電流，足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。所以，我們用GPIO口來(lái)控制8550的導(dǎo)通與截止，從而來(lái)控制蜂鳴器。
當(dāng)向F1寫(xiě)入邏輯1時(shí)，F(xiàn)1輸出高電平（+3.3V），8550的基極電流為0，此時(shí)Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，電源不能加到蜂鳴器的正極上，蜂鳴器不能蜂鳴；
當(dāng)向F1寫(xiě)入邏輯0時(shí)，F(xiàn)1輸入低電平（0V），8550的發(fā)射極和基極之間產(chǎn)生電流，此時(shí)Q1導(dǎo)通，蜂鳴器開(kāi)始蜂鳴。
3.4.4移動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路
L298內(nèi)部的原理圖
L298
引腳符號(hào)及功能
引
腳
功
能
SENSA、SENSB
分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地
ENA、ENB
使能端，輸入PWM信號(hào)
IN1、IN2、IN3、IN4
輸入端，TTL邏輯電平信號(hào)
OUT1、OUT2、OUT3、OUT4
輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端同邏輯
VCC
邏輯控制電源，4.5~7V
VSS
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，最小值需比輸入的低電平電壓高
GND
地
L298的邏輯功能
IN1
IN2
ENA
電機(jī)狀態(tài)
X
X
0
停止
0
順時(shí)針
0
逆時(shí)針
0
0
0
停止
0
停止
當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端IN1為PWM信號(hào),IN2為低電平信號(hào)時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號(hào)，IN2為PWM信號(hào)時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn);;IN1與IN2相同時(shí),電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí),電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，半導(dǎo)體功率器件(L298)在使用上可以分為兩種方式：線(xiàn)性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式在線(xiàn)性放大驅(qū)動(dòng)方式。
半導(dǎo)體功率器件工作在線(xiàn)性區(qū)優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線(xiàn)性好，對(duì)鄰近電路干擾小，缺點(diǎn)為功率器件工作在線(xiàn)性區(qū)，功率低和散熱問(wèn)題嚴(yán)重。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈調(diào)制（PWM）來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。
3.4.5清掃電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
高耐壓、大電流復(fù)合晶體管IC—ULN2003，ULN2003
是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅NPN
復(fù)合晶體管組成該電路的特點(diǎn)如下：
ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。
ULN2003
工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。
ULN2003
采用DIP—16或SOP—16塑料封裝。
ULN2003內(nèi)部還集成了一個(gè)消線(xiàn)圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL、COMS，由達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路。
ULN是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線(xiàn)圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管。它的輸出端允許通過(guò)電流為200mA，飽和壓降VCE
約1V左右，耐壓BVCEO
約為36V。用戶(hù)輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。
ULN2003是一個(gè)非門(mén)電路，包含7個(gè)單元，單獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)500mA，9腳可以懸空。比如1腳輸入，16腳輸出，你的負(fù)載接在VCC與16腳之間，不用9腳
ULN2003
是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類(lèi)要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。
3.4.6超聲波測(cè)距模塊
基于超聲波距離傳感器的避障:
目前市場(chǎng)也有一部分掃地機(jī)器人采用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)避障。超聲波傳感器與紅外傳感器之間的區(qū)別在于，紅外線(xiàn)感應(yīng)屬光學(xué)感應(yīng)技術(shù)，超聲波感歸屬于聲學(xué)感應(yīng)系統(tǒng)的范疇。
超聲波音頻發(fā)射頭能夠發(fā)出超過(guò)
20KHz的音頻信號(hào)，音頻信號(hào)碰到障礙物后會(huì)反彈回波，機(jī)器人的接收器可以接受障礙物反彈的回波并通過(guò)分析回波信號(hào)判斷前方有無(wú)障礙物。超聲波感應(yīng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)透明類(lèi)障礙物具有很高的識(shí)別率，而且可以正確識(shí)別任意顏色的障礙物，即使在全黑環(huán)境下也能正常工作。
3.4.7紅外模塊
紅外線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、成本低廉、使用壽命長(zhǎng)和工作可靠性高。一對(duì)優(yōu)質(zhì)的紅外線(xiàn)對(duì)管價(jià)格低廉，而且具有工作壽命長(zhǎng)和電氣性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。紅外線(xiàn)本身屬于不可見(jiàn)光，完全可以在黑暗環(huán)境中正常工作，在日常清潔使用中具備較高的工作可靠性。紅外線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)：紅外線(xiàn)對(duì)透明或半透明的障礙物具備較強(qiáng)的穿透性，機(jī)器人將無(wú)法感應(yīng)到礦泉水瓶、落地式玻璃門(mén)等物體。此外，光波具有最易被黑色物體吸收而被白色物體反射的特性。通常情況下，采用該檢測(cè)技術(shù)的掃地機(jī)器人在深色障礙物前，無(wú)法正確接收到紅外反射信號(hào)。
雖然紅外線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)存在一些缺點(diǎn)，但是作為目前最成熟的障礙物檢測(cè)技術(shù)，它仍然將在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)存在，縱觀(guān)目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的掃地機(jī)器人產(chǎn)品，會(huì)發(fā)現(xiàn)幾乎所有的掃地機(jī)器人采用紅外傳感器與碰撞傳感器融合方式實(shí)現(xiàn)避障。
采用這種技術(shù)的產(chǎn)品特征為：在機(jī)器人的碰撞欄前端有一圈茶黑色感應(yīng)窗，傳感器安裝在感應(yīng)窗內(nèi)部。該檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理為：機(jī)器人工作過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，紅外傳感器發(fā)射的光波會(huì)因?yàn)槭艿阶璧K而產(chǎn)生回波，機(jī)器人內(nèi)部紅外接收器檢測(cè)到回波后，會(huì)認(rèn)為前方存在障礙物，即命令減緩機(jī)器的前進(jìn)速度以慢速碰撞障礙物，確定障礙物的位置后進(jìn)行避障行為。基于紅外線(xiàn)與碰撞傳感器障礙檢測(cè)系統(tǒng)是目前掃地機(jī)器人中最為成熟也是使用范圍最廣的障礙檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)
3.4.8無(wú)線(xiàn)通信模塊
RF903模塊性能及特點(diǎn)：
1)
433MHz開(kāi)放ISM頻段免許可證使用
2)
最高工作速率50kbps，高效GFSK調(diào)制,抗干擾能力強(qiáng),特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合3)
125頻道，滿(mǎn)足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要；內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制
4)
低功耗3-3.6V工作，待機(jī)模式下?tīng)顟B(tài)僅為2.5uA，TXMODE在+10dBm情況下，電流為40mA；RXMODE為14mA;收發(fā)模式切換時(shí)間
650us
5)
模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示)，可直接串接各種單片機(jī)使用，軟件編程非常方便
6)
增加了電源切斷模式，可以實(shí)現(xiàn)硬件冷啟動(dòng)功能
7)
SPI兼容的控制接口，低功耗任務(wù)周期模式，自帶喚醒定時(shí)器，與RF905SE編程接口類(lèi)似
8)
增加了RSSI功能，通過(guò)SPI接口可以獲取當(dāng)前接收到的信號(hào)強(qiáng)度(0-255)，可以供當(dāng)前設(shè)備做出決策，比如低于某個(gè)數(shù)值50可以報(bào)警，提示用戶(hù)當(dāng)前信號(hào)質(zhì)量比較低等
9)
作為微功率模塊，傳輸距離能達(dá)到500米，兼具了低功耗和遠(yuǎn)距離的要求
3.4.9電量剩余檢測(cè)電路
檢測(cè)電池剩余電量使用ADC模塊，此模塊是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器基本工作原理是轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個(gè)數(shù)碼被數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓U0，送到比較器中與Ux進(jìn)行比較。若U0＞Ux，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的1清除；若U0＜Ux，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將最高位的1保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。可見(jiàn)逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱(chēng)量一個(gè)未知質(zhì)量的物體時(shí)的操作過(guò)程一樣，只不過(guò)使用的砝碼質(zhì)量一個(gè)比一個(gè)小一半。
如下圖，當(dāng)采用壓電阻將輸入的電壓從12V分壓至5V或者3.3V以?xún)?nèi)，然后輸入到AD轉(zhuǎn)換模塊，為了保護(hù)轉(zhuǎn)換模塊的安全。輸入的電壓經(jīng)過(guò)鉗位保護(hù)電路后進(jìn)入AD模塊。由于此轉(zhuǎn)換模塊是10位的AD模塊，進(jìn)入之后得到數(shù)字量，然后進(jìn)過(guò)計(jì)算可以得到電池的實(shí)際電壓，實(shí)際電壓=數(shù)字量*Vi*3/4096，vi是當(dāng)電池充滿(mǎn)電時(shí)，輸入到芯片的最大電壓。通過(guò)這種方式就能夠計(jì)算出電池的剩余電量。
3.4.10降壓電路
DF1117
系列穩(wěn)壓器可提供1A直流輸出,它可運(yùn)行在輸入輸出相差1V的環(huán)境下。在最大輸出電流時(shí)，電壓差設(shè)計(jì)可提供最大為1.3V，且它隨著輸出電流的減小而減小。芯片焊接校準(zhǔn)為參考電壓的1%。這種限流起到平衡的作用，調(diào)整器和電源電路使超負(fù)載最小化。
DF1117
兼容了其它三終端的系統(tǒng)接口，并提供了SOT-223和TO-252兩種封裝形式。
特性：三端可調(diào)整電壓或穩(wěn)壓為
1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.3V
和5.0V，輸出直流為1A，工作在電壓差為1V，線(xiàn)路調(diào)整率：最大0.2%，負(fù)載調(diào)整率：最大0.4%，封裝形式：SOT-223和TO-252
應(yīng)用范圍：高效率線(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)器、快速整流校準(zhǔn)器、5V到3.3V的線(xiàn)性校準(zhǔn)器、電池充電器、現(xiàn)行小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口終端、筆記本的電源設(shè)備
電池動(dòng)力儀器。
3.4.11
液晶顯示屏
全新1.8寸串口SPI彩屏模塊、分辨率：128X160、驅(qū)動(dòng)IC：ST7735、模塊接口：4線(xiàn)SPI接口、支持模擬SPI和硬件SPI、最少只需4個(gè)IO即可驅(qū)動(dòng).本模塊特點(diǎn)：
1.支持Arduino各種單片機(jī)直插，無(wú)需任何接線(xiàn)
2.集成穩(wěn)壓IC，支持5V或者3.3V供電
3.板載電平轉(zhuǎn)換方案，真正可完美兼容5V/3.3VIO電平，支持各種單片機(jī)IO連接
4.集成SD卡擴(kuò)展電路，5.預(yù)留SPIFLASH字庫(kù)電路，方便擴(kuò)展應(yīng)用
3.5軟件設(shè)計(jì)
初始化各模塊
3.5.1主程序設(shè)計(jì)
調(diào)用轉(zhuǎn)換模塊檢測(cè)電路
電量是否足夠
N
Y
蜂鳴器持續(xù)報(bào)警
調(diào)用液晶顯示
程序顯示電量
自動(dòng)尋回充電
清掃按鍵按下
3.5.2清掃模式設(shè)計(jì)
輸出PWM波啟動(dòng)移動(dòng)電機(jī)
調(diào)用編碼器程序控制移動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速
調(diào)用轉(zhuǎn)換模塊檢測(cè)電路
轉(zhuǎn)速過(guò)快
轉(zhuǎn)速過(guò)慢
減少PWM脈沖輸出
增大PWM輸出
3.5.3充電模式程序設(shè)計(jì)
充電按鍵按下
啟動(dòng)RF903發(fā)出充電信號(hào)
是否收到信號(hào)
N
Y
調(diào)用液晶顯示
程序未準(zhǔn)備好
調(diào)用液晶顯示
程序已準(zhǔn)備好
調(diào)用小車(chē)自旋轉(zhuǎn)程序
啟動(dòng)紅外接收程序
是否收到
紅外信號(hào)
N
Y
停止自旋轉(zhuǎn)，控制小車(chē)運(yùn)行，完成充電對(duì)接
繼續(xù)自旋轉(zhuǎn)
3.5.4停止模式程序設(shè)計(jì)
按下停止模式按鍵
關(guān)閉清掃電機(jī)
關(guān)閉移動(dòng)電機(jī)
關(guān)閉中斷服務(wù)程序
第三篇：機(jī)器人創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)探析論文
1mBot機(jī)器人介紹
mBot是一款為素質(zhì)教育而生的低門(mén)檻“機(jī)器人小車(chē)”，是實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科綜合素質(zhì)教育STEAM[1]的載體，借助mBot機(jī)器人開(kāi)展教育是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑[2]。mBot機(jī)器人分為硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件是標(biāo)準(zhǔn)化的電子零件，由mBot機(jī)械部分、mCore控制板兩部分組成，同時(shí)配有一個(gè)簡(jiǎn)易遙控器可供拼裝完成后直接“駕駛”；軟件部分使用基于Scratch2.0[3]開(kāi)發(fā)的圖形化編程軟件mBlock，通過(guò)藍(lán)牙直接實(shí)現(xiàn)操控mBotAPP。mBlock根據(jù)需求編制一個(gè)程序，將其下載到mCore，由mCore控制mBot機(jī)器人完成動(dòng)作。mBot機(jī)器人與智能玩具的區(qū)別在于它可以使用軟件mBlock進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在其上加載一些傳感器可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。該次課程設(shè)計(jì)用3個(gè)mBot機(jī)器人模擬制作一個(gè)智能交通系統(tǒng),用實(shí)例來(lái)講述創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)過(guò)程。
2智能交通系統(tǒng)分析
課堂以智能交通系統(tǒng)為主題，激發(fā)學(xué)生討論，討論結(jié)果形成一個(gè)簡(jiǎn)單、完整的交通系統(tǒng)由3個(gè)部分組成智能汽車(chē)、智能紅綠燈、智能車(chē)庫(kù)。具體功能如下描述。(1)智能汽車(chē)，用mBot機(jī)器人模擬汽車(chē)的行車(chē)過(guò)程，前進(jìn)、左右轉(zhuǎn)彎、倒車(chē)，同時(shí)用指示燈顏色和不同的聲音區(qū)分不同狀況，以給出警戒和提示；車(chē)上安裝超聲波傳感器，便于安全倒車(chē)；汽車(chē)的行駛過(guò)程用遙控器控制。(2)智能紅綠燈，根據(jù)路段車(chē)流量設(shè)置紅綠燈間隔時(shí)間，綠燈結(jié)束后有3s的黃燈閃爍；指示燈亮，并用LED數(shù)碼管顯示剩余時(shí)間。在mBot機(jī)器人的主控板mCore上安裝兩個(gè)設(shè)備，一個(gè)是LED燈作為紅綠燈使用；另一個(gè)是4位數(shù)碼管用來(lái)顯示紅綠燈時(shí)間，用RJ25接口線(xiàn)將兩設(shè)備與主控板連接。(3)智能車(chē)庫(kù),用超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)有無(wú)車(chē)輛入庫(kù)，若有，則用舵機(jī)控制橫桿抬起，若無(wú)，則橫桿落下。若在超聲波出現(xiàn)故障時(shí)，則用機(jī)械遙感手動(dòng)控制橫桿起落。mCore主控板接3個(gè)設(shè)備：一是超聲波傳感器，用來(lái)檢測(cè)門(mén)前有無(wú)車(chē)輛；二是遙感，便于應(yīng)急時(shí)手動(dòng)控制；三是舵機(jī)，其上安裝橫桿，接收超聲波傳感器信號(hào)，控制橫桿起落。
3課程設(shè)計(jì)
將智能交通系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)分基礎(chǔ)、應(yīng)用、創(chuàng)新3個(gè)階段來(lái)講述。
(1)智能汽車(chē):對(duì)汽車(chē)的踩油門(mén)、松油門(mén)過(guò)程用鍵盤(pán)上的“按下、松開(kāi)上移鍵”命令來(lái)控制；脫機(jī)時(shí)，將“按下上移鍵、松開(kāi)上移鍵”命令用紅外遙控器上的上下箭頭代替，便于脫機(jī)控制。由于紅外線(xiàn)遙控器控制命令以判斷形式出現(xiàn)，須將其加入條件控制結(jié)構(gòu)。其它轉(zhuǎn)向功能與前進(jìn)類(lèi)似。基礎(chǔ)功能完成汽車(chē)的機(jī)械行駛前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、又轉(zhuǎn)，同時(shí)配備相應(yīng)的指示燈；通過(guò)鍵盤(pán)上的4個(gè)方向箭頭完成在線(xiàn)控制，使用圖形化模塊如表1的在線(xiàn)命令。通過(guò)學(xué)習(xí)讓學(xué)生熟悉mBlock軟件界面，學(xué)會(huì)圖形化模塊的拖拽方法和技巧。教學(xué)內(nèi)容適合小學(xué)5、6年級(jí)學(xué)生。應(yīng)用級(jí)在初級(jí)基礎(chǔ)上將控制方式改為遙控器控制，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行，模塊指令如表1的脫機(jī)命令。由在線(xiàn)命令轉(zhuǎn)為脫機(jī)命令模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但加入了選擇判斷，使學(xué)生的思路更加條理，同時(shí)查看對(duì)應(yīng)模塊生成的arduino程序如表1的Arduino代碼，熟悉arduino語(yǔ)法結(jié)構(gòu)。教學(xué)內(nèi)容適合中高年級(jí)學(xué)生。創(chuàng)新能以初級(jí)為基礎(chǔ)，加上應(yīng)用級(jí)訓(xùn)練具有的邏輯思維能力和讀代碼能力，可以創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)不同功能，當(dāng)軟件給出的模塊結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可以在arduino的編輯器IDE手寫(xiě)代碼來(lái)完成。高級(jí)階段，每個(gè)學(xué)生的作品不一樣，教學(xué)呈現(xiàn)個(gè)性化，適合大學(xué)生和電子類(lèi)愛(ài)好者。
（2）智能紅綠燈：定義一個(gè)變量time用來(lái)計(jì)時(shí)，將紅綠燈持續(xù)的時(shí)間設(shè)置為循環(huán)次數(shù)，每次延時(shí)1秒，將變量time值減1，用LED數(shù)碼管顯示變量time值，達(dá)到計(jì)時(shí)效果。假設(shè)綠燈持續(xù)時(shí)間為30s。教學(xué)內(nèi)容屬于中級(jí)，增加了循環(huán)結(jié)構(gòu)和變量設(shè)置，紅綠燈持續(xù)功能用循環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，顯示時(shí)間用變量賦值來(lái)完成。對(duì)中小學(xué)生，變量概念不易于理解，可用解應(yīng)用題時(shí)的設(shè)未知數(shù)知識(shí)點(diǎn)來(lái)變通。對(duì)這部分內(nèi)容的創(chuàng)新可以橫向拓展，由紅綠燈聯(lián)想到路燈、聲控?zé)簟⑴荞R燈、led顯示屏等。
(3)智能車(chē)庫(kù)：設(shè)置3個(gè)變量s、x、y、s用于存儲(chǔ)超聲波傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)，x存儲(chǔ)搖桿x軸移動(dòng)的距離，y存儲(chǔ)搖桿y軸移動(dòng)的距離；s小于10時(shí)，表示有車(chē)通過(guò)，橫桿抬起，否則，橫桿落下；x大于y表示橫向移動(dòng)，橫桿落下，y大于x表示縱向移動(dòng)，橫桿抬起。其執(zhí)行arduino程序如下，等待兩秒是保證車(chē)安全通過(guò)。相比上面教學(xué)內(nèi)容增加兩個(gè)難點(diǎn)：一是邏輯關(guān)系復(fù)雜包含順序、選擇、循環(huán)結(jié)構(gòu)的嵌套，在理清邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上才能駕馭；二是熟悉Arduino編程語(yǔ)言語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，并用其將邏輯關(guān)系表達(dá)出來(lái)。創(chuàng)新應(yīng)用可在深度上挖掘，設(shè)計(jì)出更智能化的作品。
4結(jié)語(yǔ)
創(chuàng)新教育是一種培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造與創(chuàng)新能力的新型教育方式，提倡在真實(shí)情境下學(xué)習(xí)、從生活中學(xué)習(xí)。該次創(chuàng)新教育課程設(shè)計(jì)內(nèi)容選自與學(xué)生接觸緊密的智能交通系統(tǒng)，以此為主題展開(kāi)討論，激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活，樹(shù)立處處留心皆學(xué)問(wèn)的學(xué)習(xí)理念。創(chuàng)新課程采用項(xiàng)目化的教學(xué)方式，由智能交通系統(tǒng)為中心，向外發(fā)散到智能汽車(chē)、智能紅綠燈、智能車(chē)庫(kù)，每個(gè)部分又引出更多的知識(shí)點(diǎn)（如，智能紅路燈引出路燈、流水燈、led燈等），豐富創(chuàng)新課程教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)知識(shí)有用性；創(chuàng)新課程教學(xué)目標(biāo)區(qū)別于傳統(tǒng)課程的知識(shí)堆砌[5]，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的橫向縱向聯(lián)系。創(chuàng)新課程沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，每個(gè)學(xué)生的想法都是智慧的萌芽，都會(huì)得到老師同學(xué)的認(rèn)可，找自己的存在感，參與意識(shí)更強(qiáng)烈；更容易保持學(xué)習(xí)的激情、增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心，在學(xué)習(xí)的過(guò)程之中更容易生成新的創(chuàng)意。創(chuàng)新課程是課堂教學(xué)的有效補(bǔ)充，將基礎(chǔ)教育獲得的碎片化知識(shí)整合，結(jié)合實(shí)際加以應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的有用性，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、實(shí)踐能力。
參考文獻(xiàn)
[1]梁森山.中國(guó)創(chuàng)客教育藍(lán)皮書(shū)[M].北京:人民郵電出版社，2016.[2]萬(wàn)佑紅,將國(guó)平.機(jī)器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005,27(4):6-8.[3]王同聚.Scratch與機(jī)器人共融在教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐——以中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)為例[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育,2015(8):76-79.[4]紀(jì)欣然.基于A(yíng)rduino開(kāi)發(fā)環(huán)境的智能尋光小車(chē)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(15):161-163.[5]李丹妍.創(chuàng)客教育：創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新路向[J].教育研究與實(shí)踐,2016(4):30-34.
第四篇：機(jī)器人
機(jī)器人
爸爸，我作業(yè)寫(xiě)完了，可以玩電腦嗎？可以。聽(tīng)完爸爸的這句話(huà)，我直奔向電腦，打開(kāi)電腦。接下來(lái)又得要等1分鐘左右，真煩人！我想：要是有電腦機(jī)器人該多好啊！20年后的我就能發(fā)明這種電腦機(jī)器人。
它有兩根又細(xì)又長(zhǎng)的天線(xiàn)；方方正正的腦袋；一雙由攝象機(jī)組成的眼睛；三角形的大嘴巴；左側(cè)的耳朵是一個(gè)手機(jī)；而右側(cè)的耳朵是一臺(tái)小巧玲瓏、精致、精美的迷你收音機(jī)。它的肚子上有一臺(tái)特制的電腦與鍵盤(pán)。
這種電腦機(jī)器人的是：它只要一打開(kāi)它，屏幕上就會(huì)自動(dòng)顯示出桌面；而且耗電量少；可以節(jié)約電；它可以防止我們上不良網(wǎng)站、而且，它還可以防止病毒損壞電腦；它可以變得很大很大，也可以變得很小很小，隨身帶在身上。比如，某一家企業(yè)的總經(jīng)理正在某個(gè)地方旅游，玩得正高興，公司就像半路殺來(lái)的程咬金，給這位玩得正高興的總經(jīng)理潑了一盆子的冷水，如果這位總經(jīng)理有電腦機(jī)器人的話(huà)，就不發(fā)愁了。
第五篇：機(jī)器人工作站
運(yùn)城學(xué)院 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
機(jī)器人工作站
學(xué)
院： 運(yùn)城學(xué)院 團(tuán)隊(duì)名稱(chēng)：TENGFEI
專(zhuān)
業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
團(tuán)隊(duì)成員： 任曉圓 張志凱 指導(dǎo)教師： 王新海
設(shè)計(jì)說(shuō)明時(shí)間：二О一四年九月二十一日～十月三十一日
摘要
機(jī)器人工作站是當(dāng)今世界工業(yè)發(fā)展潮流的方向與我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平相結(jié)合的產(chǎn)物，在自動(dòng)化生產(chǎn)逐漸普及的今天，能夠?yàn)槲覈?guó)的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)做出重大貢獻(xiàn)的機(jī)器人工作站就出現(xiàn)了，該工作站由工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化流水線(xiàn)兩大部分組成，可以實(shí)現(xiàn)360度全方位立體式工作。工業(yè)機(jī)器人通過(guò)精確地抓取零件，再通過(guò)高精度傳感器的配合，將零件在加工臺(tái)和流水線(xiàn)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，克服手工操作的枯燥以及多目的地轉(zhuǎn)移的危險(xiǎn)，既降低了人力成本有提高了工作效率。關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人
Abstract Mobile robot workstation is the world's industrial development trend direction with the combination of the level of industrial development in our country, the growing popularity of the automated production today, will be able to make a significant contribution for our country's industrial automation production in mobile robot workstation, the workstation consists of two most industrial robots and automated assembly line, can achieve 360-degree vertical work.Industrial robot by scraping parts accurately, and then by high precision sensor, moving parts between the JiaGongTai and assembly line, to overcome the manual operation of boring and multi-destination transfer risk, is not only reduced labor costs to improve the working efficiency.Keywords: intelligent mobile robot
目錄
第一章緒論.......................................................................................................................................1
1.1 智能機(jī)器人的行業(yè)發(fā)展前景...........................................................................................1 1.2 流水線(xiàn)行業(yè)的發(fā)展前景...................................................................................................1 1.3 本文主要研究的內(nèi)容.......................................................................................................1 第二章機(jī)器人工作站簡(jiǎn)介...............................................................................................................2
2.1 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)...................................................................................................2 2.2 與機(jī)器人有關(guān)的概念.......................................................................................................2 2.3 方案設(shè)計(jì)...........................................................................................................................3 2.3.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案要求...................................................................................................3 2.3.2機(jī)器人方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析........................................................................................4 2.4流水線(xiàn)方案設(shè)計(jì)與介紹....................................................................................................5 第三章有限元分析...........................................................................................................................7 材料屬性...........................................................................................................................................8 第四章總結(jié).......................................................................................................................................9 4.1 設(shè)計(jì)特色...................................................................................................................................9
4.2 總結(jié)...................................................................................................................................9 4.3心得體會(huì)............................................................................................................................9 參考文獻(xiàn).................................................................................................................................10
1第一章 緒論
1.1 智能機(jī)器人的行業(yè)發(fā)展前景
工業(yè)機(jī)器人是由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及夾具等部分組成。工業(yè)機(jī)器人可以通過(guò)底座，大臂、小臂和夾具的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)流水線(xiàn)上的工件的夾取。從而實(shí)現(xiàn)工件在流水線(xiàn)和物料箱之間的轉(zhuǎn)移。它可以大大的提高工作效率，提高工作的精確度，降低物料的損耗實(shí)現(xiàn)高效工作。隨著我國(guó)制定機(jī)器人在2020年普及到工廠(chǎng)的計(jì)劃，工業(yè)機(jī)器人必將迎來(lái)一個(gè)發(fā)展的春天，這將極大的提升我國(guó)工業(yè)化的水平。
1.2 流水線(xiàn)行業(yè)的發(fā)展前景
在社會(huì)快速發(fā)展、競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)工藝成本，最大限度的滿(mǎn)足生產(chǎn)要求將直接決定各企業(yè)工廠(chǎng)能否緊跟社會(huì)腳步，贏(yíng)得時(shí)間，占領(lǐng)市場(chǎng)甚至將決定企業(yè)的生死存亡。為此，企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化無(wú)疑扮演著重要的角色，裝配流水線(xiàn)自動(dòng)化作為工業(yè)自動(dòng)化的一部分，能提高生產(chǎn)效率，降低工藝流程成本，最大限度的適應(yīng)產(chǎn)品變化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，它是現(xiàn)代化生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的重要組成部分。
1.3馬大測(cè)試的發(fā)展前景
隨著智能手機(jī)在全世界范圍內(nèi)的普及，智能手機(jī)已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊粋€(gè)組成部分，而手機(jī)中的馬達(dá)質(zhì)量的好壞也就成為了人們對(duì)某一品牌的手機(jī)的質(zhì)量好壞的重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)于手機(jī)中的馬達(dá)的檢測(cè)也就顯得十分重要。
1.4 本文主要研究的內(nèi)容
本文主要以工業(yè)機(jī)器人、馬達(dá)測(cè)試工站和自動(dòng)化流水線(xiàn)為對(duì)象進(jìn)行研究，分析其結(jié)構(gòu)，結(jié)合其工作原理，設(shè)計(jì)出新的自動(dòng)化機(jī)器，并采用電器控制，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，來(lái)完成相應(yīng)的工作。同時(shí)，本文還研究本機(jī)器的運(yùn)動(dòng)情況及受力情況。以及效率問(wèn)題等生產(chǎn)時(shí)遇到的問(wèn)題。最重要的是研究其加工流程，以便實(shí)現(xiàn)其規(guī)定功能，并按實(shí)際情況進(jìn)行分析。
第二章 馬達(dá)自動(dòng)化測(cè)試工作站簡(jiǎn)介
2.1 方案功能設(shè)計(jì)與分析
方案一 采用風(fēng)車(chē)型馬達(dá)測(cè)試箱布局
該方案占地面積小，可以充分利用車(chē)間的空間，但是技術(shù)要求高、成本高 方案二采用左右對(duì)稱(chēng)式馬達(dá)測(cè)試箱布局 該方案占地面積大，可以放置的測(cè)試站數(shù)量少，不能充分利用工業(yè)機(jī)器人的高自由度的優(yōu)點(diǎn)，效率比較低
方案三 采用環(huán)形陣列型馬達(dá)測(cè)試箱分布
該方案占地面積小，可以充分利用工業(yè)機(jī)械手的高自由度的優(yōu)勢(shì)，效率高 經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試站的分布和工廠(chǎng)車(chē)間本身可用空間的分析，以及生產(chǎn)商對(duì)于設(shè)備成本的要求，我們覺(jué)定采用第三種設(shè)計(jì)方案。該方案可以充分利用工廠(chǎng)的空間，減少占地面積，還可以
2.2 與機(jī)器人有關(guān)的概念
以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。
1.自由度：工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)副通常有移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱(chēng)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱(chēng)為移動(dòng)關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)稱(chēng)為主動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目稱(chēng)為機(jī)器人的自由度。2.機(jī)器人的分類(lèi)
機(jī)器人分類(lèi)方法有多種。
(1)按機(jī)器人的控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型（PTP），連續(xù)軌跡控制型（CP）：（a）點(diǎn)位控制型（Point to Point Control）：機(jī)器人受控運(yùn)動(dòng)方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移動(dòng)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如:機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)的軌跡控制。
（b）連續(xù)軌跡控制型（Continuous Path Control）：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時(shí)做受控運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動(dòng)機(jī)的角位移和角速度信號(hào)，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線(xiàn)的弧焊作業(yè)時(shí)的軌跡控制。
(2)按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類(lèi)，可分為四類(lèi)：
（a）直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類(lèi)似，各關(guān)節(jié)之間沒(méi)有耦合，不會(huì)產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作空間小。
（b）圓柱坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，以q, r, z為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f(q, r, z),其中，r 是手臂徑向長(zhǎng)度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
2（c）球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。以q,f, y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f(q ,f, y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。
（d）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型（SCARA 型）機(jī)器人。前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。
(3)按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)：
按驅(qū)動(dòng)方式可分為：（a）氣壓驅(qū)動(dòng)；（b）液壓驅(qū)動(dòng)；（c）電氣驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)是 20 世紀(jì)90 年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用方便、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。(4)按用途分類(lèi)：
可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。
2.3 方案設(shè)計(jì)
2.3.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案要求
如前所述，該機(jī)器人用于制造車(chē)間物流系統(tǒng)中工件的搬運(yùn)、裝夾和日常生活中的持物、看護(hù)等。能夠固定在移動(dòng)裝置（如AGV）上，以實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)。要求動(dòng)作靈活，工作范圍大，被夾持物應(yīng)具有多種姿態(tài)，自由度6個(gè)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
手腕回轉(zhuǎn)速度
V腕回 = 40°/s 手臂伸縮速度
V臂伸 = 50 mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度
V臂回 = 40°/s 手臂升降速度
V臂升 = 50 mm/s 立柱水平運(yùn)動(dòng)速度
V柱移 = 50 mm/s 手指夾緊油缸的運(yùn)動(dòng)速度
V夾 = 50 mm/s 2.3.2 方案功能設(shè)計(jì)與分析
a 機(jī)器人自由度的分配和手臂手腕的構(gòu)形
手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少數(shù)專(zhuān)用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖2-1。
本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有四個(gè)自由度，其中手臂兩個(gè)自由度。由于在同樣的體積條件下，非關(guān)節(jié)型機(jī)器人比關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間（手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比）和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用非關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。
32.3.2機(jī)器人方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
各部件組成和功能描述如下：(1)底座部件：
底座部件包括底座、回轉(zhuǎn)部件、傳動(dòng)部件和步進(jìn)電機(jī)等。底座部件固定在流水線(xiàn)上，支持整個(gè)操作機(jī)，步進(jìn)電機(jī)固定在底座上，一級(jí)同步帶傳動(dòng)將運(yùn)動(dòng)傳遞到腰部回轉(zhuǎn)軸，同時(shí)起到減速作用。(2)腰部回轉(zhuǎn)部件：
腰部回轉(zhuǎn)部件包括腰部支架、回轉(zhuǎn)軸、支架等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在腰部支架上固定著驅(qū)動(dòng)大臂和小臂的電機(jī)。(3)大臂部件：包括大臂和傳動(dòng)部件。
(4)小臂部件：包括小臂、減速齒輪箱、傳動(dòng)部件、傳動(dòng)軸等，在小 臂前端（靠近大臂的一端）固定驅(qū)動(dòng)手腕運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)(5)手腕部件：包括手腕殼體和傳動(dòng)軸、機(jī)械接口等(6)末端執(zhí)行器： 為抓取不同形狀、不同材質(zhì)的物體，末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)得開(kāi)合范圍比較大，為0～30mm。考慮在指尖的平面上貼傳感器片，進(jìn)行力的控制。手爪采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，平行開(kāi)合機(jī)構(gòu)。
手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專(zhuān)用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒(méi)有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類(lèi)型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 ①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）
在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。②手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角
兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動(dòng)定心。④應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。⑤應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求
應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的
4形狀。
驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
1.手指 2.銷(xiāo)軸 3.拉桿 4.指座 圖1 滑槽杠桿式手部受力分析
如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷(xiāo)軸2向上的拉力為P，并通過(guò)銷(xiāo)軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷(xiāo)軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線(xiàn)OO1和OO2并指向O點(diǎn)，P1和P2的延長(zhǎng)線(xiàn)交O1O2于A(yíng)及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷(xiāo)軸的力平衡條件，即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα
銷(xiāo)軸對(duì)手指的作用力為p1′。手指握緊工件時(shí)所需的力稱(chēng)為握力（即夾緊力），假想握力作用在過(guò)手指與工件接觸面的對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得
P1′h=Nb 因
h=a/cosα
所以
P=2b(cosα)N/a 式中
a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)的距離（毫米）。
α——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線(xiàn)間的夾角。由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力P一定時(shí)，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過(guò)大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取α=30°~40°。這里取角α=30度。
22.4流水線(xiàn)方案設(shè)計(jì)與介紹
對(duì)于本課題來(lái)說(shuō)，裝配流水線(xiàn)系統(tǒng)是一個(gè)較大規(guī)模的工業(yè)控制系統(tǒng)的改造升級(jí)新控制裝置需要根據(jù)企業(yè)裝備和工藝現(xiàn)況來(lái)構(gòu)成并盡可能用到舊系統(tǒng)中的元件。對(duì)于人機(jī)交互方式改造后系統(tǒng)的操作模式應(yīng)盡量和改造前的相類(lèi)似，以便于
5操作人員迅速掌握。從企業(yè)控制要求中可以看出在新的控制系統(tǒng)中既需要處理模擬量也要處理大量的開(kāi)關(guān)量，系統(tǒng)的可靠性要高，人機(jī)交互界面友好，應(yīng)具備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析匯總能力。
裝配流水線(xiàn)是人和機(jī)器的有效組合，最充分體現(xiàn)設(shè)備的靈活性，它將輸送系統(tǒng)、隨行夾具和在線(xiàn)專(zhuān)機(jī)、檢測(cè)設(shè)備有機(jī)的組合，以滿(mǎn)足多品種產(chǎn)品的裝配要求。（1）裝配流水線(xiàn)的傳輸方式
裝配流水線(xiàn)的傳輸方式有同步傳輸?shù)模?強(qiáng)制式）也可以是非同步傳輸（/柔性式），根據(jù)配置的選擇，實(shí)現(xiàn)手工裝配或半自動(dòng)裝配。流水線(xiàn)在企業(yè)的批量生產(chǎn)中不可或缺。
（2）裝配流水線(xiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù) 高度1m
寬度0.5m 流水線(xiàn)載重30kg 流水線(xiàn)運(yùn)行速度 6m/s 線(xiàn)體配置 ：日光燈
電風(fēng)扇
120v的電源插座
線(xiàn)體控制箱 緊急制動(dòng)器
（3）流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析
流水線(xiàn)受力分析
由上圖可知流水線(xiàn)上的皮帶受到工件箱的向下的壓力和兩個(gè)傳動(dòng)輪給它的牽引力
水平方向的力為F=F1+F2
垂直方向的力為F=G
因此，只有更好的應(yīng)用和改進(jìn)裝配流水線(xiàn)的工藝流程，充分發(fā)揮其自動(dòng)、連續(xù)、高效率等優(yōu)勢(shì)，我們企業(yè)的生產(chǎn)效率才能提升，才能增強(qiáng)我們企業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，才能更好的造福社會(huì)
6第三章 有限元分析
皮帶有限元分析
滑桿有限元分析
7材料屬性
模型參考 屬性
名稱(chēng): 鑄造碳鋼 模型類(lèi)型: 線(xiàn)性彈性同向性 默認(rèn)失敗準(zhǔn)則: 最大 von Mises應(yīng)
力
屈服強(qiáng)度: 2.48168e+008
N/m^2
張力強(qiáng)度: 4.82549e+008
N/m^2
彈性模量: 2e+011 N/m^2 泊松比: 0.32
質(zhì)量密度: 7800 kg/m^3 抗剪模量: 7.6e+010 N/m^2 熱擴(kuò)張系數(shù): 1.2e-005 /Kelvin
零部件
SolidBody 1(切除-拉伸3)(1204滑桿)
曲線(xiàn)數(shù)據(jù):N/A
8第四章 總結(jié)
4.1 設(shè)計(jì)特色
本次設(shè)計(jì)充分利用了工業(yè)機(jī)器人的靈活性和自動(dòng)化流水線(xiàn)的高效性，減少了工作時(shí)間，提升了工作效率，降低了工作時(shí)的零件損耗率，實(shí)現(xiàn)了高精度，高效率，低成本的生產(chǎn)目標(biāo)，可以為生產(chǎn)商節(jié)約大量的人力資源，降低了人力成本，提高利潤(rùn)率。
4.2 總結(jié)
本次設(shè)計(jì)目的是，實(shí)現(xiàn)小部分的自動(dòng)化，減少勞動(dòng)力，提高工作效率。本產(chǎn)品有著目前從國(guó)外新引進(jìn)的科技，只有科技才能引領(lǐng)生產(chǎn)力的發(fā)展。但科技也是約束本產(chǎn)品的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)有很高的技術(shù)要求，能保證生產(chǎn)的精度要求。例如，打印時(shí)，利用了工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化流水線(xiàn)可以滿(mǎn)足人們的要求。
另外本產(chǎn)品也有很好的生產(chǎn)發(fā)展空間，可用于各個(gè)大中型需要打印的車(chē)間成產(chǎn)線(xiàn)，因此，本產(chǎn)品用途廣泛適用于大部分需要自動(dòng)化生產(chǎn)的地方。例如：食品包裝袋生產(chǎn)線(xiàn)，牛奶包裝盒，鋁紙包裝印刷等。
除此之外本產(chǎn)品，不僅打破常規(guī)的生產(chǎn)方式，還開(kāi)創(chuàng)了裝配一體化生產(chǎn)，加快生產(chǎn)速度，提高生產(chǎn)效率，帶來(lái)更多的利益
4.3心得體會(huì)
這次的設(shè)計(jì)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)既是一個(gè)機(jī)遇也是一個(gè)挑戰(zhàn)，我們面臨的的最大困難是
9對(duì)solidworks軟件的使用非常的不熟練，由于剛接觸這款軟件我們?cè)谠O(shè)計(jì)之初遇到了很多的問(wèn)題，例如，對(duì)設(shè)計(jì)尺寸制定不規(guī)范，不會(huì)裝配齒輪，對(duì)于動(dòng)畫(huà)的制作了解不深，這些問(wèn)題使我們?cè)谠O(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)花了很長(zhǎng)時(shí)間用來(lái)熟悉軟件的基本使用。雖然，我們面臨很多的困難，但我們通過(guò)查閱，《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》等書(shū)逐步的了解了各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理，材料的使用條件，應(yīng)力和應(yīng)變的分析條件等知識(shí)，在這個(gè)過(guò)程中我們既學(xué)會(huì)了使用軟件又鞏固了所學(xué)的知識(shí)，而且還鍛煉了自己的自學(xué)能力，俗話(huà)說(shuō)師傅領(lǐng)進(jìn)門(mén)修行在個(gè)人，一時(shí)的投機(jī)取巧只能解決面前的困難，要想真正學(xué)好一種技術(shù)永遠(yuǎn)要靠自己的勤奮努力，最后，感謝王老師給我們這次機(jī)會(huì)，可以使我們鍛煉自己的能力，為我們打開(kāi)一扇新的窗口。
參考文獻(xiàn)
[1]陳周娟．機(jī)械原理．華中科技大學(xué)出版社，2014 [2]沈萌紅．機(jī)械設(shè)計(jì)．華中科技大學(xué)出版社，2012 [3]楊克旺．機(jī)械制圖．北京：高等教育出版社，2012 [4]楊家軍，機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)．武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000 [5]郭友寒，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及應(yīng)用．北京：人民郵電出版社，2013
點(diǎn)擊咨詢(xún) 