機(jī)器人概論論文教育機(jī)器人

1、.教育機(jī)器人1、 機(jī)器人發(fā)展 現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展，以及原子能的開(kāi)發(fā)利用。自1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機(jī)床的誕生。與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的控制、機(jī)械零件的研究又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，原子能實(shí)驗(yàn)室的惡劣環(huán)境要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)原子能委員會(huì)的阿爾貢研究所于1947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。1954年美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概

2、念，并申請(qǐng)了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人。現(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。1965年，MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺(jué)傳感器的、能識(shí)別與定位簡(jiǎn)單積木的機(jī)器人系統(tǒng)。  1967年日本成立了人工手研究會(huì)（現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會(huì)），同

3、年召開(kāi)了日本首屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)。1970年在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議。1970年以后，機(jī)器人的研究得到迅速?gòu)V泛的普及。1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，它是液壓驅(qū)動(dòng)的，能提升的有效負(fù)載達(dá)45公斤。到了1980年，工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及，故稱該年為“機(jī)器人元年”。隨后，工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國(guó)的美稱”。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人的視覺(jué)和觸覺(jué)等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)器人概

4、念的延伸。80年代，將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人，這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用，而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問(wèn)世，許多夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。將機(jī)器人的技術(shù)（如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等）擴(kuò)散和滲透到各個(gè)領(lǐng)域形成了各式各樣的新機(jī)器機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”的名稱，這也說(shuō)明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。 二、教育機(jī)器人 目前許多高等教育院校采用教育機(jī)器人進(jìn)行課堂教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。本

5、文設(shè)計(jì)的教育機(jī)器人通過(guò)紅外光電傳感器陣列檢測(cè)路面信息并利用模糊自整定PID算法將采集的路面信息和電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)教育機(jī)器人的智能巡航并將機(jī)器人的狀態(tài)顯示輸出。 1 機(jī)器人的組成及工作原理機(jī)器人由硬件和軟件兩部分組成。采用STC12CSA60S2單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心部件，完成路面信息檢測(cè)、直流電機(jī)控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器報(bào)警以及鍵盤(pán)輸入等功能，硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 硬件系統(tǒng)框圖軟件部分主要完成路況檢測(cè)、PID電機(jī)控制、輸入輸出人機(jī)接口，可實(shí)現(xiàn)各種機(jī)器人巡航動(dòng)作、智能循跡等功能。2 STC12系列單片機(jī)本文采用的STC12C5A60S2單片機(jī)是是宏晶科技生產(chǎn)

6、的STC12系列單片機(jī)。該單片機(jī)是單時(shí)鐘機(jī)器周期（1T），具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾和無(wú)法解密諸多優(yōu)點(diǎn)。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度快8-12倍。工作電壓為3.3 V5.5 V（5V單片機(jī)），有6個(gè)16位定時(shí)器，兼容普通8051的定時(shí)器或4個(gè)外部中斷，具有看門(mén)狗和EEPROM功能，并且內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。3 硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)電源由于電機(jī)在啟動(dòng)瞬間電流很大，要求電源有足夠大的驅(qū)動(dòng)能力，因此系統(tǒng)采用雙電源供電方式。利用LM7805將12 V鋰電池組電壓轉(zhuǎn)換為5 V穩(wěn)壓電源給單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、路面檢測(cè)電路、數(shù)碼管顯示電路和電機(jī)測(cè)速電路供電。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直接由另外一組鋰電

7、池輸出的12 V電壓直接供電。3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)使用的直流電機(jī)額定電壓為12 V，額定轉(zhuǎn)速為300 rpm。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不僅穩(wěn)定性好，大大地簡(jiǎn)化驅(qū)電路，而且驅(qū)動(dòng)能力大，有利于電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。3.3 紅外光電傳感器尋跡陣列模塊紅外光電檢測(cè)電路工作原理是：紅外線射到路面并反射，利用紅外線在黑線和白線對(duì)光的反射系數(shù)不同的特點(diǎn)一白色反光線，黑色吸收光線，電路設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)射紅外光和一個(gè)紅外光敏二極管，當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，檢測(cè)電路向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到白色時(shí)，檢測(cè)電路向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)。由7組紅外

8、光電檢測(cè)電路排成一排構(gòu)成一個(gè)紅外光電傳感器陣列模塊，安置在機(jī)器人的車(chē)頭位置。在對(duì)黑線循跡的過(guò)程中，紅外光電傳感器陣列模塊可以求得機(jī)器人對(duì)黑線軌跡位移偏移量。單片機(jī)檢測(cè)到紅外光電傳感器陣列模塊的信號(hào)與機(jī)器人的位移偏移量如表1所示。當(dāng)機(jī)器人行駛的狀態(tài)不一樣時(shí)，7組傳感器輸出的值也對(duì)應(yīng)不同，從表中可以得到機(jī)器人在巡航過(guò)程中機(jī)器人所處位置與黑色軌跡的偏移量。3.4 車(chē)速檢測(cè)模塊教育機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)車(chē)速檢測(cè)模塊來(lái)讀取當(dāng)前車(chē)速。采用的方法是在后左右輪上分別粘貼一個(gè)均勻分布有黑白條紋的編碼盤(pán)（見(jiàn)圖3（a），利用圖3（b）的檢測(cè)電路來(lái)對(duì)編碼盤(pán)上的黑白條紋進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外接收管接收到的反射光強(qiáng)弱高低變

9、化就會(huì)產(chǎn)生與車(chē)輪轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，將該脈沖信號(hào)進(jìn)行放大整形后輸入單片機(jī)的引腳P3.4和P3.5，記錄單位時(shí)間內(nèi)所得到的脈沖數(shù)，就能夠表示出當(dāng)前車(chē)左右輪子的速度，同時(shí)通過(guò)累加可以計(jì)算出小車(chē)所行走的路程。3.5 其他電路數(shù)碼管顯示電路主要是顯示當(dāng)前機(jī)器人的行走速度。采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，段碼用PNP三極管驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)顯示的距離范圍在10米之內(nèi)，選用4位LED共陽(yáng)數(shù)碼管，通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯示。顯示字符由單片機(jī)P0口送出，P1.6、P1.7、P3.0和P3.1分別控制每一位數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。報(bào)警電路通過(guò)單片機(jī)P3.7控制蜂鳴器來(lái)完成。P3.7輸出低電平時(shí)，蜂鳴器報(bào)警；P3.7輸出高電平

10、，蜂鳴器不報(bào)警。單片機(jī)的外部中斷輸入口P3.2和P3.3與地之間分別接入輕觸按鈕作為系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止開(kāi)關(guān)，作為按鍵輸入電路。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)是由軟件完成的。軟件設(shè)計(jì)基于keilC51編寫(xiě)的，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)功能子塊獨(dú)立。在結(jié)構(gòu)上由1個(gè)主程序文件main.c和8個(gè)子程序文件（key.c、pid.c、detect.c、seg.c、speed.c和motor.c）組成。main.c主程序文件完成一系列任務(wù)的初始化工作和處理各個(gè)任務(wù)工作的協(xié)調(diào)。key.c文件完成按鍵中斷檢測(cè)和蜂鳴器報(bào)警任務(wù)；seg.c文件完成數(shù)碼管顯示；spd.c文件完成電機(jī)速度檢測(cè)；motor.c完成PWM的配

11、置和電機(jī)的控制；detect.c文件完成紅外光電傳感器陣列檢測(cè)；pid.c文件實(shí)現(xiàn)模糊參數(shù)自整定PID運(yùn)算處理。其中定時(shí)器TO產(chǎn)生采樣周期T秒定時(shí)中斷，每間隔T秒中斷一次，完成一次PID控制計(jì)算，同時(shí)調(diào)用模糊參數(shù)自整定PID運(yùn)算子程序?qū)y(cè)試轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行差值計(jì)算得到輸出值，用于配置PWM的輸出，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。編譯和下載Keil C51 是美國(guó)Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)編譯模塊通過(guò)shell 函數(shù)調(diào)用C51 編譯器對(duì)已經(jīng)生成的C 文件進(jìn)行編譯，以生成hex 文件。教育機(jī)器人平臺(tái)中已經(jīng)設(shè)計(jì)好編譯的流程，用戶通過(guò)一個(gè)按鍵就可以完成編譯工作，繁瑣的設(shè)置工作交給平臺(tái)軟件去完成。編譯工作正是基于這種考慮而設(shè)計(jì)的。下載模塊通過(guò)調(diào)用CH34