機(jī)器人課程設(shè)計報告范例.

1、*學(xué)校機(jī)器人課程設(shè)計名稱_院系電子信息工程系班級10電氣3 _姓名_學(xué)號107301336指導(dǎo)教師 _宋佳 _目錄第一章 緒論 . 21.1課程設(shè)計任務(wù)背景 . 21.2課程設(shè)計的要求 . 2第二章硬件設(shè)計 . 32.1結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 32.2電機(jī)驅(qū)動 . 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 . 83.1 步態(tài)設(shè)計 . 83.1.1 步態(tài)分析： . 83.1.2程序邏輯圖： . 93.2用 NorthStar 設(shè)計的程序 . 9第四章 總結(jié) . 11第五章 參考文獻(xiàn) . 12第一章 緒論1.1課程設(shè)計任務(wù)背景機(jī)

2、器人由機(jī)械部分、 傳感部分、 控制部分三大部分組成 這三大部分可分成 驅(qū)動系統(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)六個子系統(tǒng)現(xiàn)在機(jī)器人普遍用于工業(yè)自動化領(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（也屬于無人機(jī)吧） ，美國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)、

3、偵查、排雷，還有空間機(jī)器人、潛海機(jī)器人。機(jī)器人應(yīng)用無限制， 只要能想到的，就可以去創(chuàng)造實現(xiàn)； 縱向上，機(jī)器人的種類會越來越多， 像進(jìn)入人體的微型機(jī)器人， 已成為一個新方向， 可以小到像一個米粒般大?。?機(jī)器人智能化得到加強(qiáng)，機(jī)器人會更加聰明1.2課程設(shè)計的要求設(shè)計一個機(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)具備一項其他功能，該功能可自選（如亮 燈、按鈕啟動、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，并用實訓(xùn)套件搭建實物。2、基于實訓(xùn)套件選定滿足功能要

4、求的傳感器；3、設(shè)計追光策略及運(yùn)動步態(tài)；4、用 NorthStar 設(shè)計完整的機(jī)器人追光程序；5、調(diào)試；6、完成課程設(shè)計說明書，內(nèi)容：方案設(shè)計、硬件搭建過程（附照片） 、控制 算法流程、程序編寫、調(diào)試結(jié)果、心得體會。第二章硬件設(shè)計機(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 能自動平衡的機(jī)器人，并不需要能夠載人，所有Segwa的系統(tǒng)對我們而言是有參 考價值的，根據(jù)設(shè)計是系統(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；4）舵機(jī)，8個；5）連接件，若干舵機(jī):控制器:圖2.

5、1舵機(jī)2.2電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動系統(tǒng)是向機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供動力的裝置。采用的動力源不同，驅(qū)動系 統(tǒng)的傳動方式也就不同。驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式主要有四種：液壓式、氣壓式、 電氣式和機(jī)械式。電力驅(qū)動是目前使用最多的一種驅(qū)動方式，其特點(diǎn)是電源取 用方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力大，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈 活的控制方式，驅(qū)動電機(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) 動電機(jī)，但是造價較高，控制也較為復(fù)雜。電動機(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)動轉(zhuǎn)矩， 作為用電器或各種機(jī)械的動力源。 電動機(jī)按 結(jié)構(gòu)及工作原理可分為直流電動機(jī)， 異步電動機(jī)和

6、同步電動機(jī)。 同步電動機(jī)還可 分為永磁同步電動機(jī)、 磁阻同步電動機(jī)和磁滯同布電動機(jī)。 異步電動機(jī)可分為感 應(yīng)電動機(jī)和交流換向器電動機(jī)。 直流電動機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電 動機(jī)和有刷直流電動機(jī)。舵機(jī)是遙控模型控制動作的動力來源， 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、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。其工 作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的 IC 判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動 無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動， 透過減速齒輪將動力傳至擺臂， 同時由位置檢測器送回訊 號，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。 位置檢測器其實就是可變電阻， 當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動時電阻 值也會隨之改變， 藉

7、由檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動的角度。 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)電流流經(jīng)線圈時便會產(chǎn)生磁場， 與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生 排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的作用力。伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)， 在自動控制系統(tǒng)中， 用作執(zhí)行元件， 把所收到 的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。 分為直流和交流伺服電動機(jī) 兩大類，其主要特點(diǎn)是， 當(dāng)信號電壓為零時無自轉(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)動器控制的 U /V /W 三相電形成電 磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器， 驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較， 調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。

8、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化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件， 作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組 成，其重要性變得越來越明顯。傳感器技術(shù)它綜合了多方面的知識， 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 是通過相應(yīng)傳感器得到的。機(jī)器人傳感器根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。a.內(nèi)部傳感器：用來檢測機(jī)器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為 檢測位置和角度的傳感器。b.外部傳感器：用來檢測機(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

9、）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有物體識別傳感器、 物體探傷傳感器、接近覺傳感器、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、處理的測量裝置。使它可以完 成多種光學(xué)實驗，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 不同光源下測量光的相對強(qiáng)弱；研究不同光源的明、暗變化等。常用于生物、化 學(xué)實驗中。光強(qiáng)傳感器對可見光波長的光照強(qiáng)度很敏感，其核心元件是一只 光敏電阻其輸出的信號為與光強(qiáng)相關(guān)的模擬信號，光強(qiáng)傳感器對可見光波 長的光照強(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

10、傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏 感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只 局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電 量進(jìn)行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光傳感器是目 前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術(shù)中 占有非常重要的地位。最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，當(dāng)光子沖擊接合 處就會產(chǎn)生電流。2.3.22.3.2光強(qiáng)傳感器原理利用光敏元件可將光信號的特點(diǎn)，將柴油機(jī)燃燒室內(nèi)著火燃燒時火焰光輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號而反映出柴油機(jī)的燃燒情況。下圖2.4為光強(qiáng)傳感器的原理isi光軽傳光電池弋電(*

11、)弋敏二般管光電撈瓠尿理圖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)、氣象環(huán)保等工作中，光照強(qiáng)度是環(huán)境監(jiān)測中的重要參數(shù)。 尤其 是在溫室大棚中，光強(qiáng)對作物有著決定性的作用。所以光強(qiáng)傳感器應(yīng)用于室內(nèi)光 照度的測定，光源強(qiáng)度與距離間關(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)時需要注意其兩端并不完全對稱，需要其實際 情況來裝配舵機(jī)，以保證輪子的對稱分布。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，取出多功能調(diào)試器和電源，連接好左前輪舵機(jī)。查看端口號并打開串口， “我的電腦”點(diǎn)右鍵，選擇“管理”選擇“設(shè)備管理

12、器” 選擇“端口 COM和LPT,即可看到端口號“ USBSerial Port (C0M1)白端口 (COM和LPT)壬 U5B5erial Port (COML)LJJ GT上1 睡g 05、組裝機(jī)械手，在這里組裝的是一個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10101010，紅外接近傳感器接到109, LED丁分別接到 100103。將輪子上的4個舵機(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3.

13、1 步態(tài)設(shè)計3.1.1 步態(tài)分析 ：輪式機(jī)器人前進(jìn)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，實現(xiàn)循環(huán)。 追光的步態(tài)設(shè)計：在獲取了兩側(cè)的光強(qiáng)數(shù)值后， 便可以開始設(shè)計程序的邏輯框架。 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，用三個條件來區(qū)分這三種情況。 作為左右光強(qiáng)比較的中間變量， 對兩側(cè)光強(qiáng)的差值 Diff 進(jìn)行計算： Diff=Left-Right,三種狀況的區(qū)分將圍繞差值 Diff 進(jìn)行： 狀況一，

14、左側(cè)光強(qiáng)比右側(cè)光強(qiáng)： Diff50 狀況二，左側(cè)光強(qiáng)比右側(cè)光弱： Diff50 狀況三，左側(cè)光強(qiáng)與右側(cè)光接近相等： Diff=50 在判斷條件里， 使用50這個數(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，因此給出一個區(qū)間而不是一個數(shù)據(jù)3.1.23.1.2程序邏輯圖:根據(jù)該項目的設(shè)計要求在畫程序流程圖時應(yīng)對程序有一定的分析，分析后得到如下圖3.1所示的程序邏輯圖。圖3.1程序邏輯3.2用NorthStar設(shè)計的程序根據(jù)要求編寫機(jī)器人追光的程序邏輯圖但在編寫程序時應(yīng)注意舵機(jī)中參數(shù) 的設(shè)計和舵機(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IF(,IF(,斤0頤琳T右川

15、5 5 TARTTARTD*UD*UDAlfeyDAlfeyEnK!町I今ENDEND FF圖3.2程序流程圖實驗結(jié)果分析本次實驗的機(jī)器人雖然是輪式的不是很像人但它可以通過光傳感器感應(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)于機(jī)器人的大腦， 光傳感器就似與機(jī)器人的眼睛，通過光傳感器的獲取信息程序來處理獲取的信 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)通過本次課程設(shè)計我們熟練的掌握了機(jī)器人 ID 的設(shè)置方法，并且通過對兩 足機(jī)器人的動作設(shè)計使其達(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清晰的思路， 通過本

16、次試驗， 我們更加熟練的掌握了 NorthSTAR 軟件的應(yīng)用，加深了對機(jī)器人學(xué)習(xí)的興趣。 本次課程讓我學(xué)到了很多東西， 不僅是知識方面， 還有動手方面等。 隨著科技的 發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用也越來越普遍了。所以在當(dāng)今對機(jī)器人的了解也是必須的。在沒接觸這門課的時候， 我對機(jī)器人并不是很了解， 慢慢的接觸之后， 我明 白了機(jī)器人是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。 它既可以接受人類指揮， 又可以運(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。 它的任務(wù)是協(xié) 助或取代人類工作的。在整個設(shè)計過程中， 從組裝到調(diào)試我們都花了很長的時間， 特別是組裝。 在 組裝之前必須得想好先裝哪個部件， 如果安裝的順序錯了。 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，我們幸好沒走多少彎路。至于編程，因為 以前我們做過類似的機(jī)器人， 所以下手比較容易， 只要對幾個舵機(jī)進(jìn)行正確的調(diào) 試就可以了。這次設(shè)計讓我受益匪淺。我想無論做什么，只要有了興趣，并付諸于行動，付出了汗水，就會得到回 報，只要努力了，就一定能學(xué)會！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.機(jī)器人學(xué) .北京:清華大學(xué)出版社， 2000 張福學(xué) .