仿生機器人設計報告

目錄TOC\o"1-5"\h\z1.緒論…… 11.1課題背景 1\o"CurrentDocument"1.2慧魚機器人 2\o"CurrentDocument"1.3走進實驗室 31.4按鍵式傳感器 3\o"CurrentDocument"1.5設計工作原理 4\o"CurrentDocument"1.6慧魚模型操作規(guī)程…… 5仿生機器人 62.1仿生機器人邁克仿真示意圖 62.2仿生機器人邁克仿真程序圖示 62.3仿生機器人結構簡圖一 7移動機器人 83.1移動機器人基礎模型_一一_ 83.2移動機器人仿真圖一 83.3移動機器人結構簡圖一 93.4移動機器人仿真程序框圖 10\o"CurrentDocument"工業(yè)機器人 104.1工業(yè)機器人仿真圖 114.2業(yè)機器人結構簡圖…… 114.3工業(yè)機器人仿真程序一… 12\o"CurrentDocument"尋光機器人 145.1尋光機器人仿真模型一一 145.2連線圖和結構簡圖…… 155.3光機器人仿真程序 16\o"CurrentDocument"總結 22.參考瀕… ……… 23一、緒論1.1課題背景由機器人的發(fā)展和快速廣泛的被使用，可知科學家對于機器人的功能也相提高，除了超強的邏輯運算、記憶能力及具備類似的自我思考能力，另外在機器人的外表及內部結構，科學家更希望能模仿人類。對于外在資訊的選集，也透過各種感應器，企圖達到類似人類各種觸覺的功能，選集了外在環(huán)境的資訊，一旦外在環(huán)境起了改變，機器人一定要能隨著變化，做出該有的反應動作，更新自己的資料庫，達到類似人類學習的功能。移動式機器人形態(tài)分為車輪式、特殊車輪式、不限軌道式、不行式等，若是在平坦的地面上移動時，車輪式是最具效率的，不懂機構簡單，且具實用性，但其缺點是在凹凸不平的巖地上便不能行走。此外，因普通車輪無法在階梯及有段差的地外行走，因此積極研究一種有車輪、三輛以上連結構的特殊形態(tài)，及特殊組合的不限軌道式機器人，最近亦努力開發(fā)步行機器人，使其能登上階梯。本次研究即為移動機器人設計及其在控制器的實現(xiàn)，是說明當移動機器人在軌行動作中若遇到障礙物時會透過微動開關將訊息傳回電路板中進行判斷，再配合計數(shù)器的動作使機器人能避開障礙物并往下個路徑前進，知道要到遠的目標。無疑，自動化控制理論本來是要使機器人變聰明。但是如何實現(xiàn)呢？我們先用一個啟發(fā)式實驗進行說明。我們可能都觀察過飛蛾趨光的特點，飛蛾找到U光源，向那里飛去，即使非常近的距離，也絕不會拍打到光源。顯然飛蛾之所以能夠這樣做，是因為它發(fā)覺光源，劃出路線然后再向其撲去。這本領是基于這種昆蟲自身具備的機敏的行為模式。現(xiàn)在我們將上述能力應用到一個技術系統(tǒng)中。先用光學傳感器探測到光源，馬達執(zhí)行動作，這樣，我們必須在發(fā)現(xiàn)信號和執(zhí)行信號之間建立一個合理的連接，即程序。20世紀50年代，一位名叫沃特格雷(WalterGrey)的英國人將上述引人思考的實驗付諸于實踐。借助于幾個簡單的傳感器，馬達和電路，他創(chuàng)作出多種自動化動物，可以準確模仿出飛蛾的動作。左圖所示的是“自動”海龜?shù)膹椭破?，展示在華盛頓的史密森博物館里。鑒于上述的奇思妙想，我們也要為我們的機器人建立起類似的行為模式，并用程序來和機器人進行交流。但是我們?yōu)槭裁葱枰梢苿訖C器人？讓我們試著將“虛擬的飛蛾”的動作應用到技術裝置上。首先，一個很簡單的例子就是尋光。我們將一個光條粘在地上作為光源，把傳感器面朝下并排放在一起，而非面向前。這樣，如果是在倉庫，移動機器人就會從中找到自己的行進路線。沿著這條線，還有一些特殊的信息采集點，如條形碼，將引導機器人進行下一步的動作，比方說到達這些點時，抓取和放下貨盤。事實上，這樣的機器人系統(tǒng)到今天已經存在了。在很多大醫(yī)院里，通常需要走很遠的路來運送日常所需的消耗品，比如被單枕套等，讓護理人員運輸這些物資無疑是既耗時、耗財又費力的事情。當然，也大大減少了對病人照顧的時間。最近今年里，科學家們開始研究另一種本質上非常相近的動作形式，走或跑。開發(fā)出的機器人具備了用腿移動的能力。由布魯塞爾皇家軍事研究院研制的電氣氣動步行機器人“阿基里斯”（Achille）就是一個六足步行機器人的典型。頭上和六條腿上分別都配備了照相機，阿基里斯能夠機械的對提起或放下的障礙（物體或者坑）能夠機械的做出反應。這種步行機器人能運用到各個地方，比如輪軌式車輛不可能通過的坎坷或松軟的地帶，它翻越障礙，攀爬樓梯，跨越壕溝進入諸如核電站、煤礦隧道等危險地帶作業(yè)或者進行營救。1.2慧魚機器人怎樣用慧魚創(chuàng)意模型的構件大家我們自己的機器人呢？傳感器（如：接觸傳感器）和動力裝置（如馬達）是必不可少的，然后加上許許多多的機械部件，組成所需的模型?；埕~ROBO移動機器人組為此提供了理想的模式。本設計是以德國慧魚創(chuàng)意積木所組成的仿生模擬機器人為其基本架構，透過圈形式人機介面LLWin，經由智慧型微電腦介面板去驅動機器人，使機器人細部動作很容易達到我們需求，進而取代以往由硬體描述語言所驅動架構，不但操作簡易，更可使我們了解機械運作的原理。1.3走進實驗室先從一個簡單測試安裝來檢查接口板和各個傳感器的基本功能。然后，搭建出簡易模型，讓其具備特定的功用，再漸漸嘗試越來越復雜的系統(tǒng)。你是不是覺得有時候編制自己的程序要么太難，要么太浪費時間？你可以先下載軟件中提供的一些現(xiàn)成程序到接口板，控制機器人。該接口板的最重要的作用在于輸入量的邏輯連接。這就需要程序來完成，程序決定輸入數(shù)據和傳感器信號如何處理并轉換為適當?shù)妮敵鰯?shù)據，電機控制信號等等。有了ROBO接口板，我們就有足夠的計算能力來設計和處理最復雜的程序。搭建和最初控制機器人，是非常重要的環(huán)節(jié)，一定要格外認真才行。連接各個電氣元件時一定要嚴格按照說明書操作，然后檢查兩三遍以確保準確無誤。在進行機械構件搭接時，我們要特別注意連接的平滑度，尤其是齒輪與緊固件的連接，不要太用力。好了，現(xiàn)在讓我們發(fā)揮自己無窮的創(chuàng)造力為機器人“譜寫”新的動作程序啦！1.4按鍵式傳感器（接觸傳感器）舉例說明，將一個接觸傳感器接在數(shù)字輸入口11，觀察一下當鍵按下去時，輸入端狀態(tài)框的變化。雖然極性在連接電機或接觸傳感器不起作用（充其量電機旋轉方向錯誤），準確接通光電傳感器是至關重要的。晶體管有紅標的接點應連接紅色接頭，沒有標注的接點連接綠色接頭。第二個綠色接頭要插在輸入端AX的插孔中（靠近接口板邊緣的那個孔），第二個紅色的插頭要插在靠近里面的AX的插孔中。（注意：連接光電傳感器到數(shù)字輸入端I1——18,紅色接頭需插在緊靠接口板邊的插孔中?，F(xiàn)在，我們用一個手電來改變光電傳感器光的亮度。這將改變AX藍色狀態(tài)條的讀數(shù)。如果指示器從其最大值沒有變動，那就得檢查一下光電傳感器的連接情況。如果即使手電筒滅掉，指示仍為零，那有可能是房間里的光太亮了。我們遮住光電傳感器，狀態(tài)條的位置就會變化。再回到紅綠接線頭上來：裝配時，要紅色接頭接紅線，綠色接頭接綠線。當電路配線時必需極性正確的話，通常我們將紅線作為正，綠線為負。這樣，非常細心的配線，將使得線路走勢更系統(tǒng)，更一目了然，自然更方便了我們排除故障。1.5設計工作原理機器人指的是可程式控制的機械，整體來說可分為兩大部分，分別為機械架構及軟體的控制的兩大部分。（一） 機械架構本設計移動機器人之機械構架采用德國慧魚創(chuàng)意積木所組成，它的優(yōu)點在于方便組裝，能在設計階段能起到一定的輔助作用，減少設計成本以及更好的觀察到設計的可行性及其優(yōu)缺點，以便更好改進設計中的缺點。一般機械所用到的零組件如齒輪、馬達、光電開關等，都可以在慧魚創(chuàng)意積木中找到，且功能毫不遜色。首先針對我們所需的機械架構做規(guī)劃，收集所需用到之慧魚創(chuàng)意積木零件，將其組裝機械架構。該架構主要是由兩個絲桿與一個馬達連接，兩絲桿再平均接上傳動齒輪實現(xiàn)此仿生機器人的運動及其開關所組成，而這個開關主要用于判斷機器人的開關及其運動方向。（二） 軟體控制在控制軟體方面，我們使用圓形式人機介面軟體LLWin（LuckyLogicforWindows），LLWin是一種新控制語言，它的特色在于使用了創(chuàng)新的程式模塊，你只需事先將機器人行動流程規(guī)劃好，再配合所需用到的程式模塊，將內部參數(shù)設定好即可，不但避問了以往繁雜的程式語言，更讓使用者不再被要求學習程式語言的復雜語法，使之達到更為快速和方便的效果。圖1為智慧型微電腦界面板，它的主要功用在于儲存LLWin之程式，使程式經由此介面板驅動機器人，達到預設之動作。圖1-1智慧型微電腦介面板細部說明如下:1、 此裝置是所有電腦控制套件的控制邏輯核心，他負責與PC間的通訊和運算，將電腦所編輯的程式轉換成控制命令來控制馬達等。2、 此裝置有八個數(shù)位輸入，兩個類比輸入可接收0~5歐姆的電阻值，四個可逆馬達輸出控制，控制馬達dcrelay等。3、 電源供應電池或充電器的方式，大小為9伏特5瓦。4、 可在On-line（以傳輸線與PC連線），也可在Off-line（不需與電腦連線）兩種模式下作業(yè)。5、 與電腦連接時不需額外插卡，利用CMOM2通訊即可。1.6慧魚模型操作規(guī)程：1、 實驗前先按照清單清點零件個數(shù)；2、 熟悉零件分裝方式，了解零件分裝的大致規(guī)律；3、 檢查袋子的封口；4、 每次僅取出要用到的零件；5、 每次取用零件后勿忘將袋子封口封好；6、 拆除模型后將零件放回相應的袋子；7、 按照清單清點零件。二、仿生機器人（邁克）機械邁克，即仿生態(tài)六足爬行機器人，是一種基于仿生學原理研制開發(fā)的新型足式機器人，仿生態(tài)六足爬行機器人比傳統(tǒng)的輪式機器人有更好的移動性，自動化程度高，具有豐富的動力學特性。此外，足式機器人采用類似生物的爬行機構進行運動，比其他機器人具有更多的有點：它可以較易的跨過比較大的障礙，并且機器人足所具有的大量自由度可以是機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力更強；足式機器人的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點。圖2-1仿生機器人（邁克）仿真示意圖圖2-2仿生機器人（邁克）仿真程序圖示圖2-3仿生機器人結構簡圖三、移動機器人為了機器人能夠感知周圍的環(huán)境，各種傳感器式必不可少的。下面所介紹的幾個不同的移動機器人就讓我們看到了傳感器的區(qū)別。機器人必需要有外部信號，比如尋光、尋色或者尋軌跡；也需要有內部信號，如用脈沖齒輪來測量所行距離。因此每個機器人我們都分配了不同的任務，會給你很多啟發(fā)，讓你更加了解任務的主題。所有任務的相應程序都可以在ROBOPro目錄中\(zhòng)SamplePrograms\ROBOMobileSet\下找到。3.1基礎模型比起第一個“仿生機器人”，這個基礎模型更穩(wěn)定更堅固。而且，它有兩個傳感器來測量所行距離，都含有一個接觸式開關和一個脈沖齒輪。脈沖齒輪連接到電機的減速軸上，使得電機旋轉一圈，接觸開關啟動四次。這個模型可成為其他移動機器人的基礎。參照裝配手冊，組裝這個基礎模型。搭建時要特別留意，機械構件搭接完成后，不用接口板，直接用電池連接電機，檢查其運行是否順暢。移圖3-1移動機器人仿真圖圖3-2移動機器人結構簡圖接口板編程，讓模型向前行走40步（40個脈沖）輸入口I1作為計數(shù)傳感器的端口，測量脈沖數(shù)量。重復3遍，記錄表格中所顯示的不同數(shù)值。接通兩個電機（轉向：向左）用PulseCounter（脈沖計數(shù)器）模塊計算I1的脈沖數(shù)。計算所有脈沖邊沿（按下接觸傳感器的鍵，0變1,再松開，1變0,這一過程為一次脈沖）。你可以在屬性窗口中Pulsetype（脈沖型）里設置。這就能在測算所型距離時比較準確。然后切斷電機，結束程序?？梢詤⒖糂asicModel1.rpp的程序。現(xiàn)在我們明白了我們所設置的電機轉向實際上是為了讓模型按該方向行進。在下列表做下記錄，這樣我們就不用每次都得想著要改變電機方向了。如果嚴格按照裝配手冊正確接線，向左旋轉就使得任一電機帶動車輪向前行。所有的示例程序中的電機都是如此編程的。5圖3-3工業(yè)機器人仿真程序框圖4.工業(yè)機器人4.1機械部分設計動力源的選擇：氣動機械傳動裝置的確定：齒輪傳動；蝸輪蝸桿傳動;螺旋傳動；桿組機構傳動；機械執(zhí)行部件的設計：機械手控制部分硬件選型：接口電路板及PLC接口板；行程開關及脈沖計數(shù)裝置；控制部分軟件的編制(LLWin.3.0軟件)設計的主要參數(shù)：自由度：F=1；(2)驅動方式：電機驅動；抓重：0.25kg；運動參數(shù)：回轉范圍：0°~180°；回轉速度：15/s；4.2工作原理電動機將動力通過齒輪，蝸輪蝸桿機構傳遞給機械手臂，再通過桿機構實現(xiàn)手臂的開合實現(xiàn)機器人的夾緊和松開。同時另一電動機通過螺旋機構的傳遞，實現(xiàn)手臂的轉動，從而實現(xiàn)手臂的搬運動作。位于手臂下方的極位開關在手臂達到極限位置后閉合，從而達到位置確定的目的。4.3系統(tǒng)線路圖電源—計算 ，接口板［模型圖15.燈光機器人5.1機械部分設計動力源的選擇：電動；機械傳動裝置的確定：齒輪傳動；機械執(zhí)行部件的設計：行走機構；控制部分硬件選型：接口電路板及PLC接口板；行程開關及脈沖計數(shù)裝置;控制部分軟件的編制(LLWin.3.0軟件)；設計的主要參數(shù)：(1)雙邊單獨驅動；(2)驅動方式：電機驅動；(3)運動參數(shù)：移動范圍:線長；移動速度:v(mPs)，根據工作要求定;回轉范圍:0°~360°。5.2工作原理電動機通過齒輪傳動帶動帶輪轉動，從而達到機器人的行走。同時有一個四齒齒輪與帶輪相連，同時齒輪與一個極限開關相連，因此，當帶輪轉動一圈便會有4個脈沖產生并傳向主板，從而控制電動機的運行。6.總結慧魚機器人課程設計是機械類各專業(yè)學生學習工程材料及機械制造基礎等課程必不可少的選修課，它對于培養(yǎng)我們的動手能力有很大的意義。而且可以使我們了解機械的基礎知識了，和現(xiàn)代機器人技術。作為機械專業(yè)的一名學生，學好理論知識固然重要，但動手能力也是至關重要，現(xiàn)在的很多大學生，特別是來自城市的同學，平時自己動手的機會少，動手的能力差，很難適應以后社會對全面人才的需求。而這么課程設計為我們這些理工科的學生帶來了實際鍛煉的機會，讓我們走出課堂，在各種各樣的小零件中，自己動手，自己發(fā)揮，親身體驗，這些對我們的幫助是巨大的。感謝學校為我們提供這樣的機會，同時也感謝辛苦帶領和指導我們學習的老師們。隨著計算機技術和人工智能技術的飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺和觸覺等技術就是典型的代表。由于這些技術的發(fā)展，推動了機器人概念的延伸。80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導了機器人技術的研究和應用，而且又賦予了機器人技術向深廣發(fā)展的巨大空間，水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途