避崖機器人的設(shè)計畢業(yè)論文設(shè)計

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)目錄1 機器人概述 .11.1機器人的定義 .21.2機器人學(xué)的進展 .31.2.1世界各國的機器人發(fā)展 .31.2.2應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、科技和國防的各個領(lǐng)域.82 避崖機器人的設(shè)計總方案102.1避崖機器人的設(shè)計任務(wù)及描述102.2避崖機器人的基本設(shè)計方案112.3避崖機器人的總方案112.4對避崖機器人方案的理想設(shè)計12避障部分的設(shè)計122.5避崖部分的設(shè)計143 避崖機器人的硬件介紹163.1 AVR 單片機的性能特點 .163.1.1 ATmega16ATmega16L芯片的性能特點 .163.1.2ATmega8535 芯片的性

2、能特點 .173.1.3 ATmega8515 ATmega16 ATmega8535 ATmega32引腳圖 .173.2 直流步進電機驅(qū)動 .193.2.1雙列直插式 LG9110電機驅(qū)動集成芯片 .193.2.2A3901 步進電機 . . 213.4 復(fù)位電路 .223.5機器人工作指示233.6 ISD1000A 芯片基本特點 :244 避崖機器人的軟件單元254.1匯編語言概況254.2匯編語言程序的基本結(jié)構(gòu)265 具體實施方案的設(shè)計285.1兩輪式行走機構(gòu)的設(shè)計285.2兩輪行走機構(gòu)的動力學(xué)分析295.3碰避點的產(chǎn)生315.4對機器人進行初步的編程錯誤！未定義書簽。5.5 機器人

3、俯視圖 .325.6根據(jù)方案畫出的簡要流程圖32參考文獻(xiàn)37附錄 138附錄 241畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得青島農(nóng)業(yè)大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。論文（設(shè)計）作者簽名：日期： 2013 年 3月10 日畢業(yè)論文（設(shè)計）版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)論文（設(shè)計）作者同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文（設(shè)計）的

4、復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計）被查閱和借閱。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文 （設(shè)計）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計）或與該論文（設(shè)計）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，單位署名為。論文（設(shè)計）作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：日期：2013年 3 年月 10月日日1 機器人概述1.1 機器人的定義“機器人”是存在于多種語言和文字的新造詞， 專家們采用不同的方法來定義這個術(shù)語。它的定義還因公眾對機器人的想象以及科學(xué)幻想小說、電影、電視和網(wǎng)絡(luò)對機器人形狀的描述而變的更為困難。 為了規(guī)定技術(shù)、

5、開發(fā)機器人新的工作能力和比較不同國家和公司的成果，就需要對機器人這一術(shù)語有某些共同的理解?，F(xiàn)在，世界上對機器人還沒有統(tǒng)一的定義，各國有自己的定義，這些定義之間差別較大。國際上，關(guān)于機器人的定義主要有如下幾種：（1）英國簡明牛津字典定義。機器人是“貌似人的自動機，具有智力的和順從于人的但不具人格的機器”。這一定義并不完全正確，因為還不存在與人類相似的機器人在運行。 這是一種理想的機器人。（2）美國機器人協(xié)會（ RIA）的定義。機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手（ manipulator ）”。盡管這一定義較實用些

6、，但并不全面。這里指的是工業(yè)機器人。（3）日本工業(yè)機器人協(xié)會（ JIRA）的定義。工業(yè)機器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器 (end effector)的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”?；蛘叻譃閮煞N情況來定義：(a) 工業(yè)機器人是 “一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機器裝置”。(b) 智能機器人是“一種具有感覺和識別能力 , 并能夠控制自身行為的機器” 。前一定義是工業(yè)機器人的一個較為廣義的定義，后一種則分別對工業(yè)機器人和智能機器人進行定義。（4）美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）的定義。機器人是“一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動

7、作業(yè)任務(wù)的機械裝置”。這也是一種比較廣義的工業(yè)機器人定義。（5）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO）的定義。“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置 , 以執(zhí)行種種任務(wù)”。顯然，這一定義與美國機器人協(xié)會的定義相似。（6）關(guān)于我國機器人的定義。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，我國也面臨討論和制定關(guān)于機器人技術(shù)的各項標(biāo)準(zhǔn)問題，其中包括對機器人的定義。蔣新松院士曾建議把機器人定義為“一種擬人功能的機械電子裝置”(a mechantronic device to imitate some funtions)。上述各種定義

8、有共同之處， 即認(rèn)為機器人（ 1）像人或人的上肢， 并能模仿人的動作；（ 2）具有智力或感覺與識別能力； （3）是人造的機器或機械電子裝置。隨著機器人的進化和機器人智能的發(fā)展，這些定義難免都有修改的必要， 甚至需要對機器人重新定義。1.2 機器人學(xué)的進展世界各國的機器人發(fā)展1. 美國美國是機器人的誕生地, 早在 1962 年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，比起號稱" 機器人王國 " 的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30 多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎(chǔ)雄厚技術(shù)先進。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。由于美國政府從60 年代到 70 年代中的十幾年期間

9、， 并沒有把工業(yè)機器人列入重點發(fā)展項目，只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對于企業(yè)來說， 在只看到眼前利益，政府又無財政支持的情況下，寧愿錯過良機，固守在使用剛性自動化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險，去應(yīng)用或制造機器人。加上，當(dāng)時美國失業(yè)率高達(dá)6 65，政府擔(dān)心發(fā)展機器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯誤。70 年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術(shù)路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級機器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場

10、上形成了較強的競爭力。進入 80 年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機器人，另一方面制訂計劃、提高投資，增加機器人的研究經(jīng)費，把機器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機器人迅速發(fā)展。80 年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機器人的技術(shù)日臻成熟， 第一代機器人的技術(shù)性能越來越滿足不了實際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機器人，并很快占領(lǐng)了美國60的機器人市場。 盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術(shù)在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進，適應(yīng)性也很強。具體

11、表現(xiàn)在：1) 性能可靠，功能全面，精確度高；2) 機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；3) 智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用；4) 高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。早在 1966 年，美國 Unimation 公司的尤尼曼特機器人和AMF公司的沃莎特蘭機器人就已經(jīng)率先進入英國市場。 1967 年英國的兩家大機械公司還特地為美國這兩家機器人公司在英國推銷機器人。接著，英國HallAutomation 公司研制出自己的機器人RAMP。70 年代初期，由于英國政府科學(xué)研究委

12、員會頒布了否定人工智能和機器人的Lighthall報告，對工業(yè)機器人實行了限制發(fā)展的嚴(yán)厲措施，因而機器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。但是，國際上機器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到：機器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從70 年代末開始，英國政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實施了一系列支持機器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性、在財政上給購買機器人企業(yè)以補貼、積極促進機器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機器人開始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛2. 法國法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進水平。這主

13、要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術(shù)，特別是把重點放在開展機器人的應(yīng)用研究上。法國機器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的研究計劃，建立起一個完整的科學(xué)技術(shù)體系。 即由政府組織一些機器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項目，而由工業(yè)界支持開展應(yīng)用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及。3. 德國德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進機器人大約晚了五六年。其所以如此，是因為德國的機器人工業(yè)一起步，就遇到了國內(nèi)經(jīng)濟不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻是有利于機器人工業(yè)發(fā)展的。因為戰(zhàn)爭，導(dǎo)致勞動力短缺， 以及

14、國民技術(shù)水平高， 都是實現(xiàn)使用機器人的有利條件。到了 70 年代中后期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路；在 " 改善勞動條件計劃 " 中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展。日爾曼民族是一個重實際的民族，他們始終堅持技術(shù)應(yīng)用和社會需求相結(jié)合的原則。除了像大多數(shù)國家一樣，將機器人主要應(yīng)用在汽車工業(yè)之外，突出的一點是德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)改造原有企業(yè)，報廢了舊機器，購買了現(xiàn)代化自動設(shè)備、電子計算機和機器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加

15、適銷對路。到1984 年終于使這一被喻為 " 快完蛋的行業(yè) " 重新振興起來。 與此同時，德國看到了機器人等先進自動化技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了 1985 年以后要向高級的、帶感覺的智能型機器人轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。經(jīng)過近十年的努力，其智能機器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。4. 前蘇聯(lián)在前蘇聯(lián)（主要是在俄羅斯） ，從理論和實踐上探討機器人技術(shù)是從 50 年代后半期開始的。到了 50 年代后期開始了機器人樣機的研究工作。 1968 年成功地試制出一臺深水作業(yè)機器人。1971 年研制出工廠用的萬能機器人。 早在前蘇聯(lián)第九個五年計劃 （ 1970 年一 1975 年）開始

16、時，就把發(fā)展機器人列入國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展綱領(lǐng)之中。到1975 年，已研制出 30 個型號的 120 臺機器人，經(jīng)過20 年的努力，前蘇聯(lián)的機器人在數(shù)量、質(zhì)量水乎上均處于世界前列地位。國家有目的地把提高科學(xué)技術(shù)進步當(dāng)作推動社會生產(chǎn)發(fā)展的手段，來安排機器人的研究制造；有關(guān)機器人的研究生產(chǎn)、應(yīng)用、推廣和提高工作，都由政府安排，有計劃、按步驟地進行。5. 中國有人認(rèn)為，應(yīng)用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益， 而且將為我國的宇宙開發(fā)

17、、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運行。 1986 年 3 月開始的國家 863 高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、

18、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。6. 日本日本在 60 年代末正處于經(jīng)濟高度發(fā)展時期，年增長率達(dá)11。第二次世界大戰(zhàn)后，日本的勞動力本來就緊張，而高速度的經(jīng)濟發(fā)展更加劇了勞動力嚴(yán)重不足的困難。為此，日本在 1967 年由川崎重工業(yè)公司從美國 Unimation 公司引進機器人及其技術(shù)， 建立起生產(chǎn)車間，并于 1968 年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機器人。正是由于日本當(dāng)時勞動力顯著不足，機器人在企業(yè)里受到了“救世主”般的歡迎。日本政府一方面在經(jīng)濟上采取了積極的扶植政策，鼓勵發(fā)展和推廣應(yīng)用機器人，從而更進一步激發(fā)了企業(yè)家從事機器人產(chǎn)業(yè)的積極性。尤其是政府對中、小企業(yè)的一系列經(jīng)濟優(yōu)惠政策

19、，如由政府銀行提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵集資成立“機器人長期租賃公司”，公司出資購入機器人后長期租給用戶， 使用者每月只需付較低廉的租金，大大減輕了企業(yè)購入機器人所需的資金負(fù)擔(dān)；政府把由計算機控制的示教再現(xiàn)型機器人作為特別折扣優(yōu)待產(chǎn)品，企業(yè)除享受新設(shè)備通常的 40%折扣優(yōu)待外， 還可再享受 13 的價格補貼。 另一方面，國家出資對小企業(yè)進行應(yīng)用機器人的專門知識和技術(shù)指導(dǎo)等等。這一系列扶植政策，使日本機器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年，到80 年代中期，已一躍而為“機器人王國” ，其機器人的產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機器人工業(yè)會常務(wù)理事米本完二的說法：“日本機器人的發(fā)展經(jīng)

20、過了60 年代的搖籃期， 70 年代的實用期，到80 年代進人普及提高期。 ”并正式把 1980 年定為“產(chǎn)業(yè)機器人的普及元年”，開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。日本政府和企業(yè)充分信任機器人，大膽使用機器人。機器人也沒有辜負(fù)人們的期望，它在解決勞動力不足、提高生產(chǎn)率、改進產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本方面，發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟增長速度和產(chǎn)品競爭能力的一支不可缺少的隊伍。日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。 從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠以價廉的絕對優(yōu)勢進軍號稱 “汽車王國”的美國市場，并且向機器人誕生國出口日本產(chǎn)的

21、實用型機器人。此時，日本價廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國市場 , 這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機器人，增大了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追第一臺工業(yè)機器人問世后頭十年，從 20 世紀(jì) 60 年代初期到 70 年代初期，機器人技術(shù)的發(fā)展較為緩慢，許多研究單位和公司所做的努力均未獲得成功。這一階段的主要成果有美國斯坦福國際研究所（ SRI）于 1968 年研制的移動式智能機器人夏凱 （Shakey）和辛辛那提 . 米拉克龍（CincinnatiMilacron ）公司于 1973 年制成的第一臺適于投放市場的機器人T3 等。進入 20 世

22、紀(jì) 70 年代之后，人工智能學(xué)界開始對機器人產(chǎn)生濃厚興趣。他們發(fā)現(xiàn)，機器人的出現(xiàn)與發(fā)展為人工智能的發(fā)展帶來了新的生機，提供了一個很好的實驗平臺和應(yīng)用場所，是人工智能可能取得重大進展的潛在領(lǐng)域。這一認(rèn)識，很快為許多國家的科技界、產(chǎn)業(yè)界和政府有關(guān)部門所贊同。隨著自動控制理論、 電子計算機和航天技術(shù)的迅速發(fā)展，到了 70年代中期，機器人技術(shù)進入了一個新的發(fā)展階段。到70 年代末期，工業(yè)機器人有了更大的發(fā)展。進入 80 年代后，機器人生產(chǎn)繼續(xù)保持70 年代后期的發(fā)展勢頭。到80 年代中期機器人制造業(yè)成為發(fā)展最快和最好的經(jīng)濟部門之一。到 20 世紀(jì) 80 年代后期，由于傳統(tǒng)機器人用戶應(yīng)用工業(yè)機器人已趨飽

23、和，從而造成工業(yè)機器人產(chǎn)品的積壓， 不少機器人廠家倒閉或被兼并，使國際機器人學(xué)研究和機器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)不景氣。到 90 年代初，機器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展跡象。但是，好景不長， 19931994年又出現(xiàn)低谷。1995 年以來，世界機器人數(shù)量逐年增加，增長率也較高。到2000 年，服役機器人約100 萬臺，機器人學(xué)仍然維持較好的發(fā)展勢頭，滿懷希望跨入21 世紀(jì)。應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、科技和國防的各個領(lǐng)域在日本，工業(yè)機器人應(yīng)用的最多的工業(yè)部門依次為家用電器制造、汽車制造、塑料成型、通用機械制造和金屬加工等工業(yè)。在美國，制造工業(yè)中的焊接、裝配、搬運裝卸、鑄造和材料加工所使用的機器人占多數(shù)；其次則為噴漆和精

24、整用機器人。在前蘇聯(lián)國家，機器人的應(yīng)用范圍包括鐘表和汽車零件的組裝、原子能電站的維護、鍛壓加工、水下作業(yè)、裝卸作業(yè)以及對人體有害物資的化學(xué)處理等。1. 形成了新學(xué)科機器人學(xué)機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，已對許多國家的工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索、國防以及整個國民經(jīng)濟和人民生活產(chǎn)生了重大影響，而且這種影響必將進一步擴大。當(dāng)一種工業(yè)、技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)生重大變化時， 總是要求科學(xué)和教育系統(tǒng)發(fā)生與之相適應(yīng)的調(diào)整和發(fā)展。發(fā)展知識經(jīng)濟對機器人的需求和機器人工業(yè)的迅速發(fā)展，為機器人學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)在，機器人學(xué)這一新學(xué)科已從它的幼年時代轉(zhuǎn)入朝氣蓬勃的青年時代。許多國家先后成了機器人協(xié)會或?qū)W會。在美國、英國、瑞典和日本等

25、國，還設(shè)立了機器人會議（ISIP ）、國際工業(yè)機器人技術(shù)會議（ CIRT）、國際自控聯(lián)（ IFAC）等等。在我國，1985 年已先后在幾個學(xué)會內(nèi)設(shè)立了機器人專業(yè)委員會， 以組織和開展機器人學(xué)科的學(xué)術(shù)交流，促進機器人技術(shù)的發(fā)展，提高我國機器人學(xué)的學(xué)術(shù)水平和技術(shù)水平。中國人工智能學(xué)會智能機器人學(xué)會也于 1993 年成立。并成功地舉辦了四次全國性的學(xué)術(shù)會議。從 1987 年起，由中國電子學(xué)會、中國自動化學(xué)會、中國人工智能學(xué)會、中國機械工程學(xué)會、中國汽車工程學(xué)會、中國宇航學(xué)會、國家863 計劃智能機器人專家組、國家863 計劃空間機器人專家組和中國機器人工程協(xié)會等聯(lián)合舉辦的全國機器人學(xué)術(shù)討論會，每兩年

26、左右舉辦一次。2. 機器人向智能化方向發(fā)展目前在工業(yè)上運行的90%以上的機器人，都不具有智能。隨著工業(yè)機器人數(shù)量的快速增長和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展， 對機器人的工作能力也提出更高的要求，特別是需要各種具有不同程度智能的機器人和特種機器人。在我國，也已把智能機器人列入國家高技術(shù)計劃，足以證明政府有關(guān)部門對發(fā)展智能機器人的高度重視。經(jīng)過近15 年的努力，我國的智能機器人研究與開發(fā)已取得豐碩成果。2 避崖機器人的設(shè)計總方案2.1避崖機器人的設(shè)計任務(wù)及描述設(shè)計任務(wù)：用單片機及其相應(yīng)的各種必要硬件組成的一個簡單的避崖機器人，要求這個機器人在移動的過程當(dāng)中能夠檢測到白底的邊緣，避開邊緣繼續(xù)運動，當(dāng)碰到障礙物時也能

27、自動避開，若檢測到邊緣步進電機伴有音樂或聲音報警。場景圖白色邊界障礙物白色線機器人障礙物白色線障礙物障礙物避崖機器人場景圖場景描述用白色線將設(shè)在一個空房間內(nèi)4 個障礙物及一條白色線圍起來, 機器人從A 點出發(fā)繞過障礙物及避過白線到達(dá)B 點。其中白線代表懸崖。2.2避崖機器人的基本設(shè)計方案設(shè)計思想：我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人，而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在

28、特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。 目前，國際上的機器人學(xué)者， 從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的?；驹O(shè)計方案： 基本設(shè)計方案： 設(shè)計的機器人在軟件及硬件的支持下能夠發(fā)現(xiàn)障礙并自主的躲避障礙 , 選擇一條可行的路徑。其中發(fā)現(xiàn)障礙我選擇紅外傳感器, 可測一定范圍的距離。在測定范圍內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)障礙物, 測定障礙物距離達(dá)到避障目的。避崖機器人裝有紅外光電收發(fā)一體光電管，用來識別地面黑白顏色。白色的地面有反光，黑色的地面無反光, 從而達(dá)到避崖目的。2.

29、3避崖機器人的總方案避崖機器人的控制系統(tǒng)的功能框圖如圖2.2 所示：圖 2.2避崖機器人的控制系統(tǒng)的功能圖2.4對避崖機器人方案的理想設(shè)計在本文中，我們將避崖機器人的設(shè)計過程主要分成兩個大部分來分析：避障部分和避崖部分。避障部分的設(shè)計檢測障礙物，必須充分收集周圍環(huán)境信息，對其分析，最后確定障礙物的位置信息。常用的檢測手段有主動式和被動式。前者主動發(fā)射信號，再對的反射回的信號進行分析處理。被動式檢測直接分析接受到的外部環(huán)境信號，要求系統(tǒng)自身信號處理能力較高。在本設(shè)計中我們選用了被動式檢測手段。傳感器位置如圖2.3 所示， 4 個傳感器分布在以22.5cm 為半徑的圓上，相隔角度為45 度，前方可

30、測量范圍120 度，可以計算得到，兩兩傳感器間的死區(qū)為 40cm，測量最大有效距離是350cm，超過該值則認(rèn)為前方?jīng)]有障礙物。錯誤 !CBDA45度圖 2.3坐標(biāo)標(biāo)定機器人運動方案的確定：機器人的運動速度設(shè)置為較?。梢允?.2m s）每次轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角15 度， 6 個傳感器認(rèn)為左、中、右三組，以每組傳感器測量小的值為該組傳感器量到的障礙物距離，測量中會出現(xiàn)圖2.4中的幾種情況。(1) 三組傳感器的值都不等于 -1 ：圖 2.4 (a) 為這種情況，三組傳感器都探測到了障礙物。圖 2.4(a) 中， d 大于 d1，此時機器人應(yīng)向右轉(zhuǎn)，反之，與圖2.4 (a)情況對稱，如果dr 大于 d1，則機器

31、人應(yīng)向左轉(zhuǎn)。(2) 兩組傳感器的值不等于 -1: 圖 2.4 (b)， (c) ，(d) 都屬于這種情況。圖2.4 (b)中，機器人正前方?jīng)]有障礙，則機器人 保持原來 前進方向 ，不做轉(zhuǎn)動；圖2.4 (c)中，dc>dr*cos(H) ，dl=-1 ，則機器人應(yīng)該向右轉(zhuǎn)；或者與之對稱，dc>dl*cos(H)，dr=-1 ，則左轉(zhuǎn)。圖 2.4.2(d) 與圖 2.4 (c) 條件相反， dc<dr*cos(H)，dl=-1，則左轉(zhuǎn)， dc<dl*cos(H) ，dr=-1 ，則右轉(zhuǎn)。(3) 僅一個傳感器的值不等于 -1: 圖 2.4(e)和圖 2.4(f) 均是這種情況

32、，對于圖 2.4 (e)中情況，左右都不存在障礙，則默認(rèn)右轉(zhuǎn)；圖2.4 (f)中， dc=dr=-1, 則右轉(zhuǎn)，對稱可知，dc=dl=-1 ，則左轉(zhuǎn)。圖 2.4 移動機器人與障礙的相對位置關(guān)系(4) 兩個傳感器感受到障礙物 : 圖(b)d1 與 dr 之間如有足夠的角度且兩障礙物之間有足夠的距離可以讓機器人通過 , 則機器人調(diào)整方向 , 從中間通過。但在本設(shè)計中考慮到性價比我們只選擇了三個接觸傳感器分別裝在機器人的左、中、右三部位。2.5避崖部分的設(shè)計避崖機器人裝有紅外光電收發(fā)一體光電管CNY70，作為機器人的“眼睛”，用來識別地面黑白顏色。白色的地面有反光，黑色的地面無反光。（注：本避崖機器

33、人只限定在室內(nèi)的理想環(huán)境中運行，環(huán)境桌面為白色，周圍避崖部分為黑色）。同時也可設(shè)定程序使本機器人具有尋跡功能，原理大致相當(dāng)，按照黑色軌道（白底上用黑色膠布貼成）聲控啟動尋跡，按黑色軌道行走，當(dāng)左右光電管接受到白色反光信號時，說明機器人已偏離黑線，則程序自動調(diào)整電機轉(zhuǎn)向，從而沿黑線行走。紅外光電收發(fā)電路原理如圖2.5 所示。+5VR4R7R5R8R6R9220K56K220K56K220K56KSL1CNY70SM1CNY70SR1CNY70765_CCCPPP圖 2.5紅外光電收發(fā)管電路原理圖其中：SL1左光電管，用于左側(cè)尋跡識別，由程序設(shè)定電機動作。SM1中間光電管，用于中間或前方尋跡或避崖

34、識別，由程序設(shè)定電機動作。SR1右光電管，用于右側(cè)尋跡識別，由程序設(shè)定電機動作。SL2左光電管（同SL1 共用一個IO口），用于左側(cè)避崖識別。若轉(zhuǎn)過90 度安裝，可用來識別左側(cè)墻壁或避崖，由程序設(shè)定電機動作。SR2右光電管（同SR1共用一個IO口），用于右側(cè)避崖識別。若轉(zhuǎn)過90 度安裝，可用來識別右側(cè)墻壁或避崖，由程序設(shè)定電機動作。3 避崖機器人的硬件介紹單片機是以大規(guī)模集成電路為主的微型計算機，又稱為嵌入式微控制器。由于單片機具有功能強、體積小、可靠性高和價格便宜等有點， 使之成為許多電子控制裝置的首選控制器。在本文中選用的是美國ATMEL公司 1997 年推出的 AVR單片機系列。3.1

35、AVR 單片機的性能特點AVR單片機采用 RISC結(jié)構(gòu)，具有 1MIPSMHz的高速運行處理能力；同時采用低功率，非揮發(fā)的 CMOSE工藝制造，內(nèi)部分別集成Flash, EEPROM和 SRAM三種不同性能和用途的存儲器。特別地，除了可以通過 SPI 口和一般的編程器對AVR單片機的 Flash 程序存儲器和 EEPROM數(shù)據(jù)存儲器進行編程外，還具有在線編程的特點，這給調(diào)試和使用帶來了極大的方便。在 AVR家族中， ATmega16芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備 AVR高檔單片機 Mega系列的全部優(yōu)點，其價格于低檔單片機相當(dāng)，具有很高的性價比，較 AVR的 AT

36、90系列相比，其 6 通道的 AD轉(zhuǎn)換是 AT90系列所不具備的。同時， Mega系列的高可靠性完全保證了在避崖機器人設(shè)計中無需光電隔離的直接輸出方式，故在避崖機器人的主控系統(tǒng)選用ATmega16單片機。芯片的性能特點高性能、低功耗的8 位 AVR微處理器。先進的 RISC結(jié)構(gòu)： 131 條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，32 個 8 位通用工作寄存器。全靜態(tài)工作：工作于 16MHz時，性能高達(dá) 16MIPS；只需要兩個時鐘周期的硬件乘法器。非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器： 16KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 擦寫壽命 10000 次；具有獨立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū)，通過片上Boot

37、 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正地同時讀寫操作；512 字節(jié)的EEPROM擦寫壽命：100000 次；支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能；通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash 、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。外設(shè)特點：兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器計數(shù)器；一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器計數(shù)器；具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC；4 通道PWM；芯片的性能特點SL-DIY02-3 板上也可配置 ATmega8535芯片，其主要性能如下。高性能、低功耗锝位AVR微處理器。先進 RISC結(jié)構(gòu)： 130 條指令 - 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期；32 個 8 位通用工作寄存器；

38、全靜態(tài)工作；工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS；只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器：8KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash 擦寫壽命： 10000 次；引腳圖SL-DIY02-3 開發(fā)實驗板中的ATmega1632 ATmega8535引腳排列是按ATmega8515引腳圖排列的，以便于積木化模板間的互換接插。例如SL-DIY02-1型開關(guān)量主板，主芯片為ATmeg8515；SL-DIY02-3型模擬量主機板（含SL-DIY02-1板功能），主芯片為ATmega16或ATmeg8515ATmeg32，它們均可插在 SL-DIY02-6 板上工作，可以組成積木式輪式智能機器人；

39、SL-DIY02-2 板可插在 SL-DIY02-1 型開關(guān)量主板或SL-DIY02-3 型模擬量主機板上工作，組成工控組態(tài)開發(fā)實驗系統(tǒng)。圖 3.1 為 ATmega8515 ATmega16 ATmeg32 ATmega8535的引腳對照圖。圖 3.2 ATmega8515 ATmega16 ATmeg32 ATmega8535 的引腳圖3.2直流步進電機驅(qū)動雙列直插式LG9110電機驅(qū)動集成芯片本設(shè)計采用雙列直插式LG9110電機驅(qū)動集成芯片。 LG9110是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC 之中，可使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。其

40、原理如圖3.3 所示，其端口PD4、PD5、 PD6、 PD7分別連接到圖 3.2 ATmega8535 所對應(yīng)的端口。LG9110特點如下：1. 有 2 個 TTLCMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性。2. 有兩個輸出端，能直接驅(qū)動電機的正反向運動。3. 具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過 750-800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可1.5-2.0A 。4. 具有較低的輸出飽和壓降。5. 內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。表 1 是電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼表，從表中可以看出：電流從PD7端口流向 PD6端口，左電機

41、正轉(zhuǎn)，電流從 PD5端口流向 PD4端口，右電機正轉(zhuǎn)；反之電機反轉(zhuǎn)。00 為無電流通過電機，電機停止轉(zhuǎn)動。根據(jù)右電機及左電機轉(zhuǎn)向情況，就可以確定機器人運行狀態(tài)。+5VJ4123+12 VU38GNDOA1MOTO_L1PD472IBVCCPD563IAVCC54GNDOBMOTO_L1LG91 1 0U38GNDOA1MOTO_R1PD672IBVCCPD763IAVCC54GNDOBMOTO_R1LG91 1 0圖 3.3直流電機驅(qū)動電路原理圖表 1 電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼表左電機右電機左電機右電機機器人運行狀態(tài)PD7PD6PD5PD41010正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)向前行0110反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)向左轉(zhuǎn)0010停正轉(zhuǎn)左電

42、機為中心原地向左轉(zhuǎn)1001正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)向右轉(zhuǎn)1000正轉(zhuǎn)停右電機為中心原地向右轉(zhuǎn)0101反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)向后退步進電機A3901步進電機采用雙路全橋式低電壓電動機驅(qū)動器。其特點有:低 RDS(on) 輸出全步進與半步進能力小型封裝用于直流電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動模式零耗電的睡眠模式最大達(dá) 250 千赫的 PWM控制交叉電流保護過熱關(guān)機功能 (TSD)A3901 是一種全橋式電動機驅(qū)動器，用于有關(guān)雙極步進或電刷直流電動機的低壓便攜應(yīng)用。該輸出最適用于低壓驟降的情況，電流最大可達(dá)± 400 毫安（相當(dāng)于±800 毫安的并行輸出），操作電壓范圍為2.5到 5.5伏特。 有 （ IN1 到 IN4 ）四種輸入能夠控制全步進與半步進模式下的雙極步進電動機，或正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動模式中的直流電動機?？蓪⑤斎朊}寬調(diào)制 (PWM) 為頻率達(dá) 250 千赫的電流或速度控制。內(nèi)部保護電路擁有過熱關(guān)機(TSD)和交叉（擊穿）保護功能。3.3機器人工作電源機器人工作電源由直流減速電機驅(qū)動電源和單片機工作電源兩部分組成，如圖 3.4 所示，其中：1. 直流電機驅(qū)動電源有短路塊 J5 選擇 5V 或者 12V 供電工作，以滿足不同用途的需要，避崖機器人中考慮到電機，我們選擇 5V電源。2. D9 整流二極管是防止外接電源接反，也可使用外接