机器人课程设计报告

苏 州 市 职 业 大 学

课程设计说明书

名称

2012年12月31日 至 2013年1月4日 共 1 周

院 系 电子信息工程系

班 级 10电气3

姓 名 谢士强

学 号

系 主 任 张红兵

教研室主任 邓建平

指导教师 宋佳

目录

第一章 绪论 . .................................................................................................................................... 2

1.1课程设计任务背景 . ........................................................................................................... 2

1.2课程设计的要求 . ............................................................................................................... 2

第二章硬件设计 . .............................................................................................................................. 3

2.1 结构设计 . ........................................................................................................................... 3

2.2电机驱动 . ............................................................................................................................ 4

2.3 传感器 . ............................................................................................................................... 5

2.3.1光强传感器 . ........................................................................................................... 5

2.3.2光强传感器原理 . ..................................................................................................... 6

2.4硬件搭建 . ........................................................................................................................... 6

第三章 软件设计 . ............................................................................................................................ 8

3.1 步态设计 . ........................................................................................................................... 8

3.1.1步态分析： . ........................................................................................................... 8

3.1.2程序逻辑图： . ......................................................................................................... 9

3.2 用NorthStar 设计的程序 .................................................................................................. 9

第四章 总结 . .................................................................................................................................. 11

第五章 参考文献 . .......................................................................................................................... 12

第一章 绪论

1.1课程设计任务背景

机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统现在机器人普遍用于工业自动化领域，如汽车制造，医疗领域，如远程协助机器人，微纳米机器人，军事领域，如单兵机器人，拆弹机器人，小型侦查机器人（也属于无人机吧），美国大狗这样的多用途负重机器人，科研勘探领域，如水下勘探机器人，地震废墟等的用于搜查的机器人，煤矿利用的机器人。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现； 纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明

1.2课程设计的要求

设计一个机器人系统，该机器人可以是轮式、足式、车型、人型，也可以是仿其他生物的，但该机器人应具备的基本功能为：能够灵活行进，能感知光源、转向光源并跟踪光源；另外还应具备一项其他功能，该功能可自选（如亮灯、按钮启动、红外接近停止等）。

具体要求如下：

1、 根据功能要求进行机械构型设计，并用实训套件搭建实物。

2、 基于实训套件选定满足功能要求的传感器；

3、 设计追光策略及运动步态；

4、 用NorthStar 设计完整的机器人追光程序；

5、 调试；

6、 完成课程设计说明书，内容：方案设计、硬件搭建过程（附照片）、控制

算法流程、程序编写、调试结果、心得体会。

第二章硬件设计

机器人的硬件主要包括主控板、电机以及传感器。我们需要搭建的系统就是一个能自动平衡的机器人，并不需要能够载人，所有Segway 的系统对我们而言是有参考价值的，根据设计是系统要求，该方案的选材及控制如下。

2.1 结构设计

1) MultiFLEX2-AVR 控制器，1块；

2) 多功能调试器和线，1套；

3) 光强传感器，2个；

4) 舵机，8个；

5) 连接件，若干。

舵机：

控制器： 图2.1舵机

图2.2控制器

2.2电机驱动

驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也就不同。驱动系统的传动方式主要有四种：液压式、气压式、电气式和机械式。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机或伺服电机，目前也有采用直接驱动电机，但是造价较高，控制也较为复杂。

电动机也称电机（俗称马达），在电路中用字母“M ”（旧标准用“D ”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。电动机按结构及工作原理可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同布电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。

舵机是遥控模型控制动作的动力来源，不同类型的遥控模型所需的舵机种类也随之不同。

舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U /V /W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

2.3 传感器

传感器是自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。传感器技术它综合了多方面的知识，在近几年体现尤为突出。人类具有五种感觉(视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉) 。机器人需要通过传感器得到这些感觉信息。目前机器人只具有视觉、听觉和触觉，这些感觉是通过相应传感器得到的。

机器人传感器根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。 a. 内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器。

b. 外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。

2.3.1光强传感器

光强传感器是一种感应光的强弱并进行显示、处理的测量装置。使它可以完成多种光学实验，诸如比较光强和距离的关系；研究光的干涉、衍射、偏振；在不同光源下测量光的相对强弱；研究不同光源的明、暗变化等。常用于生物、化学实验中。光强传感器对可见光波长的光照强度很敏感，其核心元件是一只光敏电阻其输出的信号为与光强相关的模拟信号，光强传感器对可见光波长的光照强度很敏感，其核心元件是一只光敏电阻，光强传感器的外观如图2.3所示。 。

图2.3 光强传感器

光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

2.3.2光强传感器原理

利用光敏元件可将光信号的特点，将柴油机燃烧室内着火燃烧时火焰光辐射信号转换为电信号而反映出柴油机的燃烧情况。下图2.4为光强传感器的原理图。

光强传感器应用

在农业生产、气象环保等工作中，光照强度是环境监测中的重要参数。尤其是在温室大棚中，光强对作物有着决定性的作用。所以光强传感器应用于室内光照度的测定，光源强度与距离间关系的研究。 图2.4 强传感器的原理图

2.4硬件搭建

1、安装底盘和舵机架，安装舵机时需要注意其两端并不完全对称，需要其实际情况来装配舵机，以保证轮子的对称分布。

2、安装舵机，将舵机装入舵机架中用螺丝钉固定。

3、安装橡胶轮，用LZ4连接件安装轮子，并用螺丝钉固定。

4、修改ID 号，取出多功能调试器和电源，连接好左前轮舵机。

查看端口号并打开串口，“我的电脑”点右键，选择“管理”选择“设备管理

器”选择“端口COM 和LPT”，即可看到端口号“USB Serial Port (COM1)”。

5、组装机械手，在这里组装的是一个3自由度的机械手，即手掌、腕关节和肘关节。

6、安装光敏传感器、红外接近传感器、控制器和LED 灯到上底板上。

7、接线，将光敏传感器IO10~IO10，红外接近传感器接到IO9，LED 灯分别接到IO0~IO3。将轮子上的4个舵机两两相连，。连接好多功能调节器，控制器和PC 机，将直流稳压电源连接到控制器，搭建好的轮形机器人如下图2.5所示。

图2.5 轮式机器人

第三章 软件设计

3.1 步态设计

3.1.1步态分析：

轮式机器人前进分为五步，

第一步，前进，；

第二步，左转；

第三步，右转；

第四步，前进；

第五步，重复第一步，实现循环。

追光的步态设计：

在获取了两侧的光强数值后，便可以开始设计程序的逻辑框架。将情况分为3种：

状况一，左侧光比右侧光强；

状况二，左侧光比右侧弱，

状况三，左右侧光强近似相等。这三种情况在逻辑上较好区分，并且覆盖了所有可能出现的状态。在程序的主程序里，用三个条件来区分这三种情况。

作为左右光强比较的中间变量，对两侧光强的差值Diff 进行计算：Diff=Left-Right,

三种状况的区分将围绕差值Diff 进行：

状况一，左侧光强比右侧光强：Diff>50

状况二，左侧光强比右侧光弱：Diff

状况三，左侧光强与右侧光接近相等：Diff=50

在判断条件里，使用50这个数值，是考虑到不同的光强传感器采集同样的光照强度数据可能存在着差异，因此给出一个区间而不是一个数据

3.1.2程序逻辑图：

根据该项目的设计要求在画程序流程图时应对程序有一定的分析，分析后得到如下图

3.1所示的程序逻辑图。

图3.1 程序逻辑

3.2 用NorthStar 设计的程序

根据要求编写机器人追光的程序逻辑图但在编写程序时应注意舵机中参数的设计和舵机调试是ID 参数的设置。

机器人追光程序如图3.2所示

图3.2 程序流程图

实验结果分析

本次实验的机器人虽然是轮式的不是很像人但它可以通过光传感器感应光判断光的强弱，向光强的方向转弯运行，编写的程序就相当于机器人的大脑，光传感器就似与机器人的眼睛，通过光传感器的获取信息程序来处理获取的信息最终按照原先设定好的程序向光强的方向运行。

第四章 总结

通过本次课程设计我们熟练的掌握了机器人ID 的设置方法，并且通过对两足机器人的动作设计使其达到行走的效果，我们进行了小组讨论等形式，进一步掌握了机器人行走的工作原理，为编写程序提供了更清晰的思路，通过本次试验，我们更加熟练的掌握了NorthSTAR 软件的应用，加深了对机器人学习的兴趣。本次课程让我学到了很多东西，不仅是知识方面，还有动手方面等。随着科技的发展，机器人的应用也越来越普遍了。所以在当今对机器人的了解也是必须的。

在没接触这门课的时候，我对机器人并不是很了解，慢慢的接触之后，我明白了机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的。

在整个设计过程中，从组装到调试我们都花了很长的时间，特别是组装。在组装之前必须得想好先装哪个部件，如果安装的顺序错了。那后面的就进行不下去了。在我们一组人员的同心协力下，我们幸好没走多少弯路。至于编程，因为以前我们做过类似的机器人，所以下手比较容易，只要对几个舵机进行正确的调试就可以了。这次设计让我受益匪浅。

我想无论做什么，只要有了兴趣，并付诸于行动，付出了汗水，就会得到回报，只要努力了，就一定能学会！

第五章 参考文献

◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆

王建华，俞孟祺，李众. 智能控制基础. 北京：科学出版社，1998 张建民. 工业机器人. 北京：北京理工大学出版社，1998 蔡自兴著. 机器人学. 北京:清华大学出版社，2000

张福学. 机器人学智能机器人传感器技术. 北京：电子工业出版社，1996 吴立德，计算机视觉. 上海：复旦大学出版社，1993

王耀南. 智能控制系统--模糊逻辑. 长沙：湖南大学出版社，1996 许大中，贺益康. 电机控制. 杭州：浙江大学出版社，1999

（日）见仁尚志，永守重信著. 直流伺服电动机. 陈忠，许上明，程树康译. 上海：上海科学技术出版社，1986

◆ （日）大熊繁. 机器人控制. 卢柏英译. 北京：科学出版社，2002 ◆ 胡佑德，曾乐生，马东升. 伺服系统原理与设计. 北京：北京理工大学出版社，

1993