機(jī)器人課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、蘇州市職業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書名稱會(huì)追光的機(jī)器人2012年12月31日至2013年1月4日共院 系 電子信息工程系班級(jí) 10電氣3姓 名學(xué)號(hào) 107301336系主任教研室主任鄧建平指導(dǎo)教師宋佳目錄第一章緒論21.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)背景 21.2課程設(shè)計(jì)的要求2第二章硬件設(shè)計(jì) 32.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)42.3傳感器52.3.1光強(qiáng)傳感器52.3.2光強(qiáng)傳感器原理62.4硬件搭建6第三章軟件設(shè)計(jì)83.1步態(tài)設(shè)計(jì)83.1.1步態(tài)分析：83.1.2程序邏輯圖：93.2用NorthStar設(shè)計(jì)的程序 9第四章總結(jié)11第五章參考文獻(xiàn)1212第一章緒論1.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)背景機(jī)器人由機(jī)械部分、傳感部分、控

2、制部分三大部分組成.這三大部分可分成 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng)現(xiàn)在機(jī)器人普遍用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,如汽車制造，醫(yī)療領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人，微納米機(jī)器人，軍事領(lǐng)域，如單兵機(jī)器人，拆彈機(jī)器人， 小型偵查機(jī)器人（也屆于無(wú)人機(jī)吧）,美國(guó)大狗這樣的多用途負(fù)重機(jī)器人，科研 勘探領(lǐng)域，如水下勘探機(jī)器人，地震廢墟等的用于搜查的機(jī)器人， 煤礦利用的機(jī) 器人。如今機(jī)器人發(fā)展的特點(diǎn)可概括為：橫向上，應(yīng)用面越來(lái)越寬。由 95% 的工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到更多領(lǐng)域的非工業(yè)應(yīng)用。像做手術(shù)、采摘水果、剪枝、巷 道掘進(jìn)、偵查、排還有空間機(jī)器人、潛海機(jī)器人。機(jī)器人應(yīng)用無(wú)限制

3、， 只要能想到的，就可以去創(chuàng)造實(shí)現(xiàn)；縱向上，機(jī)器人的種類會(huì)越來(lái)越多，像進(jìn)入人體的微型機(jī)器人， 已成為一個(gè)新方向,可以小到像一個(gè)米粒股大?。?機(jī)器人智能化得到加強(qiáng)，機(jī)器人會(huì)更加聰明1.2課程設(shè)計(jì)的要求設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人可以是輪式、足式、車型、人型，也可以 是仿其他生物的，但該機(jī)器人應(yīng)具備的基本功能為：能夠靈活行進(jìn)，能感知光 源、轉(zhuǎn)向光源并跟蹤光源；另外還應(yīng)具備一項(xiàng)其他功能，該功能可自選（如亮 燈、按鈕啟動(dòng)、紅外接近停止等）。具體要求如下：1、根據(jù)功能要求進(jìn)行機(jī)械構(gòu)型設(shè)計(jì)，并用實(shí)訓(xùn)套件搭建實(shí)物。2、基于實(shí)訓(xùn)套件選定滿足功能要求的傳感器；3、設(shè)計(jì)追光策略及運(yùn)動(dòng)步態(tài)；4、用NorthStar

4、設(shè)計(jì)完整的機(jī)器人追光程序；5、調(diào)試；6、完成課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，內(nèi)容：方案設(shè)計(jì)、硬件搭建過(guò)程（附照片）、控制 算法流程、程序編寫、調(diào)試結(jié)果、心得體會(huì)。圖2.1舵機(jī)圖2.2控制器第二章硬件設(shè)計(jì)機(jī)器人的硬件主要包括主控板、電機(jī)以及傳感器。我們需要搭建的系統(tǒng)就是一個(gè) 能自動(dòng)平衡的機(jī)器人，并不需要能夠載人，所有Segway勺系統(tǒng)對(duì)我們而言是有參 考價(jià)值的，根據(jù)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)要求，該方案的選材及控制如下。2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）MultiFLEX2-AVR 控制器，1 塊;2）多功能調(diào)試器和線，1套；3）光強(qiáng)傳感器，2個(gè)；4）舵機(jī)，8個(gè)；5）連接件，若干。舵機(jī):控制器:2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供動(dòng)力的

5、裝置。采用的動(dòng)力源不同，驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)的傳動(dòng)方式也就不同。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式主要有四種：液壓式、氣壓式、 電氣式和機(jī)械式。電力驅(qū)動(dòng)是目前使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式，其特點(diǎn)是電源取 用方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力大，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈 活的控制方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，目前也有采用直接驅(qū) 動(dòng)電機(jī)，但是造價(jià)較高，控制也較為復(fù)雜。電動(dòng)機(jī)也稱電機(jī)（俗稱馬達(dá)），在電路中用字母“ M （舊標(biāo)準(zhǔn)用“ D”）表 示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。電動(dòng)機(jī)按 結(jié)構(gòu)及工作原理可分為直流電動(dòng)機(jī)， 異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)還可 分為永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電

6、動(dòng)機(jī)和磁滯同布電動(dòng)機(jī)。 異步電動(dòng)機(jī)可分為感 應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。舵機(jī)是遙控模型控制動(dòng)作的動(dòng)力來(lái)源，不同類型的遙控模型所需的舵機(jī)種類 也隨之不同。舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無(wú)核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測(cè)器所構(gòu)成。其工 作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回訊 號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測(cè)器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電阻 值也會(huì)隨之改變，藉由檢測(cè)電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 一般的伺服馬達(dá)是將細(xì)銅 線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流

7、流經(jīng)線圈時(shí)便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生 排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的作用力。伺服電動(dòng)機(jī)乂稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到 的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。 分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī) 兩大類,其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象， 轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而 勻速下降，伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的 U /V /W三相電形成電 磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器， 驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較， 調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決 定于編碼器的精度（線數(shù)）。2.3傳感器傳感器是自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件

8、， 作為系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)組 成，其重要性變得越來(lái)越明顯。傳感器技術(shù)它綜合了多方面的知識(shí)， 在近幾年體 現(xiàn)尤為突出。人類具有五種感覺（視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺）。機(jī)器人需要 通過(guò)傳感器得到這些感覺信息。目前機(jī)器人只具有視覺、聽覺和觸覺，這些感覺 是通過(guò)相應(yīng)傳感器得到的。機(jī)器人傳感器根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。a. 內(nèi)部傳感器：用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為 檢測(cè)位置和角度的傳感器。b. 外部傳感器：用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有 多遠(yuǎn)等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有物體識(shí)別傳感器、 物體探傷傳感器、接近覺傳感器

9、、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。2.3.1光強(qiáng)傳感器光強(qiáng)傳感器是一種感應(yīng)光的強(qiáng)弱并進(jìn)行顯示、處理的測(cè)量裝置。使它可以完 成多種光學(xué)實(shí)驗(yàn)，諸如比較光強(qiáng)和距離的關(guān)系；研究光的干涉、衍射、偏振；在 不同光源下測(cè)量光的相對(duì)強(qiáng)弱；研究不同光源的明、暗變化等。常用丁生物、化 學(xué)實(shí)驗(yàn)中。光強(qiáng)傳感器對(duì)可見光波長(zhǎng)的光照強(qiáng)度很敏感，其核心元件是一只 光敏電阻其輸出的信號(hào)為與光強(qiáng)相關(guān)的模擬信號(hào)，光強(qiáng)傳感器對(duì)可見光波 長(zhǎng)的光照強(qiáng)度很敏感，其核心元件是一只光敏電阻，光強(qiáng)傳感器的外觀如 圖2.3所示。圖2.3光強(qiáng)傳感器光傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏 感波長(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波

10、長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光傳感器不只 局限丁對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電 量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。光傳感器是目 前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動(dòng)控制和非電量電測(cè)技術(shù)中 占有非常重要的地位。最簡(jiǎn)單的光敏傳感器是光敏電阻，當(dāng)光子沖擊接合 處就會(huì)產(chǎn)生電流。2.3.2光強(qiáng)傳感器原理利用光敏元件可將光信號(hào)的特點(diǎn)，將柴油機(jī)燃燒室內(nèi)著火燃燒時(shí)火焰光輻射 信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)而反映出柴油機(jī)的燃燒情況。下圖2.4為光強(qiáng)傳感器的原理圖。ISI比思傳施&慕瞠圖光電走武電修踢?理(*)受散二報(bào)管光電傳浪康理圖2.4強(qiáng)傳感器的原理圖光強(qiáng)傳感器應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

11、、氣象環(huán)保等工作中，光照強(qiáng)度是環(huán)境監(jiān)測(cè)中的重要參數(shù)。 尤其 是在溫室大棚中，光強(qiáng)對(duì)作物有著決定性的作用。所以光強(qiáng)傳感器應(yīng)用丁室內(nèi)光 照度的測(cè)定，光源強(qiáng)度與距離問(wèn)關(guān)系的研究。2.4硬件搭建1、安裝底盤和舵機(jī)架，安裝舵機(jī)時(shí)需要注意其兩端并不完全對(duì)稱，需要其實(shí)際 情況來(lái)裝配舵機(jī)，以保證輪子的對(duì)稱分布。2、安裝舵機(jī)，將舵機(jī)裝入舵機(jī)架中用螺絲釘固定。3、安裝橡膠輪，用LZ4連接件安裝輪子，并用螺絲釘固定。4、修改ID號(hào)，取出多功能調(diào)試器和電源，連接好左前輪舵機(jī)。查看端口號(hào)并打開申口， “我的電腦”點(diǎn)右鍵，選擇“管理”選擇“設(shè)備管理 器” 選擇“端口 COMLPT',即可看到端口號(hào) “ USBSe

12、rial Port (COM1)。由“> 端口 (COM 和 LPT)3 U5B5erial Port (COML)LJJ 4T上1姓皿夕5、組裝機(jī)械手，在這里組裝的是一個(gè)3自由度的機(jī)械手，即手掌、腕關(guān)節(jié)和肘關(guān) 節(jié)。6、 安裝光敏傳感器、紅外接近傳感器、控制器和LED丁到上底板上。7、接線，將光敏傳感器IO10IO10，紅外接近傳感器接到IO9, LED丁分別接到IO0IO3。將輪子上的4個(gè)舵機(jī)兩兩相連，。連接好多功能調(diào)節(jié)器，控制器和 PC 機(jī)，將直流穩(wěn)壓電源連接到控制器，搭建好的輪形機(jī)器人如下圖2.5所示。圖2.5輪式機(jī)器人第三章軟件設(shè)計(jì)3.1步態(tài)設(shè)計(jì)3.1.1步態(tài)分析：輪式機(jī)器人前進(jìn)

13、分為五步，第一步，前進(jìn)，；第二步，左轉(zhuǎn)；第三步，右轉(zhuǎn)；第四步，前進(jìn)；第五步，重復(fù)第一步，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。追光的步態(tài)設(shè)計(jì)：在獲取了兩側(cè)的光強(qiáng)數(shù)值后，便可以開始設(shè)計(jì)程序的邏輯框架。將情況分為3種：狀況一，左側(cè)光比右側(cè)光強(qiáng)；狀況二，左側(cè)光比右側(cè)弱，狀況三，左右側(cè)光強(qiáng)近似相等。這三種情況在邏輯上較好區(qū)分， 并且覆蓋了所有 可能出現(xiàn)的狀態(tài)。在程序的主程序里，用三個(gè)條件來(lái)區(qū)分這三種情況。作為左右光強(qiáng)比較的中間變量，對(duì)兩側(cè)光強(qiáng)的差值Diff 進(jìn)行計(jì)算：Diff=Left-Right,三種狀況的區(qū)分將圍繞差值 Diff進(jìn)行：狀況一，左側(cè)光強(qiáng)比右側(cè)光強(qiáng)：Diff>50狀況二，左側(cè)光強(qiáng)比右側(cè)光弱：Diff<

14、50狀況三，左側(cè)光強(qiáng)與右側(cè)光接近相等：Diff<=50且Diff>=50在判斷條件里，使用50這個(gè)數(shù)值，是考慮到不同的光強(qiáng)傳感器采集同樣的光照強(qiáng) 度數(shù)據(jù)可能存在著差異，因此給出一個(gè)區(qū)間而不是一個(gè)數(shù)據(jù)3.1.2程序邏輯圖:根據(jù)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求在畫程序流程圖時(shí)應(yīng)對(duì)程序有一定的分析，分析后得到如下圖 3.1所示的程序邏輯圖。執(zhí)行一個(gè)左轉(zhuǎn)完就動(dòng)作執(zhí)行一個(gè)右轉(zhuǎn)完整 動(dòng)作執(zhí)行一個(gè)前進(jìn)完整 動(dòng)作圖3.1程序邏輯3.2用NorthStar設(shè)計(jì)的程序根據(jù)要求編寫機(jī)器人追光的程序邏輯圖但在編寫程序時(shí)應(yīng)注意舵機(jī)中參數(shù) 的設(shè)計(jì)和舵機(jī)調(diào)試是ID參數(shù)的設(shè)置。機(jī)器人追光程序如圖3.2所示圖3.2程序流程圖實(shí)驗(yàn)結(jié)

15、果分析本次實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人雖然是輪式的不是很像人但它可以通過(guò)光傳感器感應(yīng)光 判斷光的強(qiáng)弱，向光強(qiáng)的方向轉(zhuǎn)彎運(yùn)行，編寫的程序就相當(dāng)丁機(jī)器人的大腦， 光傳感器就似與機(jī)器人的眼睛，通過(guò)光傳感器的獲取信息程序來(lái)處理獲取的信 息最終按照原先設(shè)定好的程序向光強(qiáng)的方向運(yùn)行。第四章總結(jié)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)我們熟練的掌握了機(jī)器人 ID的設(shè)置方法，并且通過(guò)對(duì)兩 足機(jī)器人的動(dòng)作設(shè)計(jì)使其達(dá)到行走的效果， 我們進(jìn)行了小組討論等形式，進(jìn)一步 掌握了機(jī)器人行走的工作原理，為編寫程序提供了更活晰的思路，通過(guò)本次試驗(yàn)， 我們更加熟練的掌握了 NorthSTAR軟件的應(yīng)用，加深了對(duì)機(jī)器人學(xué)習(xí)的興趣。 本次課程讓我學(xué)到了很多東西，不僅是知

16、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。所以在當(dāng)今對(duì)機(jī)器人的了解也是必須的。在沒(méi)接觸這門課的時(shí)候，我對(duì)機(jī)器人并不是很了解，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。 它既可以接受人類指揮，乂可以運(yùn)行預(yù) 先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。 它的任務(wù)是協(xié) 助或取代人類工作的。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，從組裝到調(diào)試我們都花了很長(zhǎng)的時(shí)間， 特別是組裝。在 組裝之前必須得想好先裝哪個(gè)部件， 如果安裝的順序錯(cuò)了。那后面的就進(jìn)行不下 去了。在我們一組人員的同心協(xié)力下，我們幸好沒(méi)走多少?gòu)澛?。至于編程，因?yàn)?以前我們做過(guò)類似的機(jī)器人，所以下手比較容易，只要對(duì)幾個(gè)舵機(jī)進(jìn)行正確的調(diào) 試就可以了。這次設(shè)計(jì)讓我受益匪淺。我想無(wú)論做什么，只要有了興趣，并付諸于行動(dòng)，付出了汗水，就會(huì)得到回 報(bào)，只要努力了，就一定能學(xué)會(huì)！第五章參考文獻(xiàn)王建華，俞孟祺，李眾.智能控制基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，1998張建民.工業(yè)機(jī)器人.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998蔡自興著.