《創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽》

1、創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽開放實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書編者： 王毅 李春玲 曹芳 宋雪麗 宗云 創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽小組2007年6月6日引言 進(jìn)入機(jī)器人世界所謂機(jī)器人，就是指那些有特定功能的自動(dòng)機(jī)。它是機(jī)電一體化的，具有人工智能因素的20世紀(jì)80年代高技術(shù)，是新技術(shù)革命的重要內(nèi)容之一。機(jī)器人的歷史并不算長(zhǎng)，1959年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人的歷史才真正開始。自第一臺(tái)機(jī)器人誕生至今，已走過了近半個(gè)世紀(jì)的歷程，全球工業(yè)機(jī)器人的裝機(jī)量已超過百萬(wàn)臺(tái)，形成了一個(gè)巨大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，非制造業(yè)用機(jī)器人近幾年也發(fā)展迅速，并逐步向?qū)嵱没l(fā)展。近半個(gè)世紀(jì)來發(fā)展起來的機(jī)器人，大致經(jīng)歷了三個(gè)成長(zhǎng)階段，也

2、即三個(gè)時(shí)代。第一代為簡(jiǎn)單個(gè)體機(jī)器人，第二代為群體勞動(dòng)機(jī)器人，第三代為類似人類的智能機(jī)器人。第一代機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)型，第二代則具備了感覺能力，第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力。第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不僅具有感覺、獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機(jī)器人的手完成作業(yè)，腳完成移動(dòng)，機(jī)器人能夠用自然語(yǔ)言與人對(duì)話。機(jī)器人大體上分為兩種一種是用于工程、勘探、警務(wù)等方面的工業(yè)機(jī)器人，它們也許沒有和人類相同的外觀，但是具有很強(qiáng)的可控性和實(shí)用性，在這些領(lǐng)域分擔(dān)人們的工作甚至是危險(xiǎn)；另一

3、類是人們關(guān)注更多的擬人化機(jī)器人，它們有類似人類或動(dòng)物的外觀和動(dòng)作，甚至可以感應(yīng)外界對(duì)它的影響，與人類進(jìn)行簡(jiǎn)單的交流，比如索尼的機(jī)器狗AIBO和麻省理工大學(xué)人工智能(AI)實(shí)驗(yàn)室推出的KISMET。機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì):機(jī)器人的未來發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人對(duì)話，將更加善于“交際”。它們將按照人類所熟悉的方式交流，它們會(huì)講話或使用身體語(yǔ)言，甚至對(duì)人類操控者的不同行為做出帶有感情色彩的回應(yīng)。魔方、拼圖、積木、“變形金剛”等都可以提高動(dòng)手能力及智力水平，深受人們的喜愛。由于教育用機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，并且它包含了許多高科技知識(shí)，在接觸它的過程中可以學(xué)習(xí)機(jī)械、電子、高級(jí)編程語(yǔ)言等知識(shí)。加深對(duì)機(jī)器人結(jié)

4、構(gòu)的了解，并進(jìn)而逐步掌握機(jī)器人工作原理；有利于培養(yǎng)動(dòng)手能力、提高分析問題、解決問題能力.教育用機(jī)器人將引導(dǎo)你進(jìn)入這個(gè)激動(dòng)人心的前沿領(lǐng)域，通過親手裝配、實(shí)驗(yàn)、編程和實(shí)施機(jī)器人項(xiàng)目、參加機(jī)器人比賽，直至設(shè)計(jì)出自己的獨(dú)特的機(jī)器人伙伴，你將獲得發(fā)自內(nèi)心的快樂，你將悄悄發(fā)現(xiàn)，自己的潛力無(wú)窮、自己的信心提高、自己的綜合能力提高了，面對(duì)新的挑戰(zhàn)，你忽然覺得，很從容、很自信。創(chuàng)新實(shí)踐中機(jī)器人舉例1水黽示意圖：該機(jī)器人的形狀呈行走于水上的水黽狀，是利用遙控器自由進(jìn)行前后左右的機(jī)器人。創(chuàng)新實(shí)踐中機(jī)器人舉例2躲避示意圖：是利用機(jī)器人最基本的紅外線傳感器躲避障礙物的躲避性機(jī)器人。利用3個(gè)紅外線（IR）傳感器，在移動(dòng)過

5、程中遇到障礙物時(shí)自動(dòng)回避。單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)分支，是簡(jiǎn)易機(jī)器人的核心元件。日常生活中的VCD機(jī)、DVD機(jī)、數(shù)字電視機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)、空調(diào)及其遙控器等設(shè)備都使用著各種各樣的單片機(jī)，同時(shí)，在工業(yè)控制、智能機(jī)器、智能武器、智能化儀表和儀器等領(lǐng)域，它也得到了廣泛地應(yīng)用。單片機(jī)由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口以及連接這三部分的總線組成。單片機(jī)執(zhí)行一條完整的指令必須經(jīng)過提取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)過程。單片機(jī)中的每條指令都分別存放在專門的存儲(chǔ)器（ROM）中。單片機(jī)在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人的大腦，可以思考與判斷，控制機(jī)器人玩具的動(dòng)作與感情，外界有信號(hào)（例如障礙信號(hào)、聲音命

6、令等）輸入到機(jī)器人中的單片機(jī)以后，單片機(jī)就會(huì)運(yùn)算，根據(jù)不同輸入信號(hào)應(yīng)對(duì)不同的反應(yīng)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)躲避障礙，或根據(jù)語(yǔ)音命令控制動(dòng)作，或象人類一樣提出各種要求。在實(shí)驗(yàn)中我們所用的主板采用的是ATMEL 的AVR 系列單片機(jī)中的AT90S2313 AT90S2313單片機(jī)集成電路為20腳的雙列直插式器件，分為電源引腳、外部振蕩電路引腳、復(fù)傳引腳、I/O接口引腳等，其中20號(hào)腳是主電源Vcc引腳，電壓應(yīng)為5 V；10號(hào)腳是電源GND引腳，應(yīng)接地。單片機(jī)AT90S2313的特點(diǎn)：v片內(nèi)有2K 字節(jié)可在線編程的FLASH 存貯器。v片內(nèi)有128 字節(jié)SRAM 和128 字節(jié)EEPROM 存貯器。v精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)

7、單片機(jī)，每MHZ 時(shí)鐘具1MIPS 的性能。v內(nèi)含帶預(yù)分頻的8 位和16 位的定時(shí)器各一個(gè)。v一個(gè)片內(nèi)WatchDog 定時(shí)器。v 除普通UART串行口外，還具有高速SPI 接口。vAVR 的輸出端口可直接驅(qū)動(dòng)LED。傳感器簡(jiǎn)介傳感器是用于機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知，就象人的眼睛有視覺，皮膚有知覺一樣，然后把得到的信息轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，供處理系統(tǒng)分析處理。傳感器的種類很多?？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行選擇，比如用在方向上就用方向傳感器，用在視覺上就用視覺傳感器，要根據(jù)要求、參數(shù)具體選擇。為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感

8、器，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。在本實(shí)驗(yàn)中使用的是紅外線光電傳感器。紅外線光電傳感器，也稱為光電開關(guān)，是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)方式的不同，紅外線光電傳感器可分為： 1.漫反射式光電開關(guān) 2.鏡反射式光電開關(guān) 3.對(duì)射式光電開關(guān) 4.槽式光電開關(guān) 5.光纖式光電開關(guān) 6.激光式光電開關(guān)光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)距離遠(yuǎn)。驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介傳感器像機(jī)器人的耳朵、眼睛等，而驅(qū)動(dòng)器就是機(jī)器人的手和腳。驅(qū)動(dòng)器的種類很多，這里只介紹兩種常用的驅(qū)動(dòng)器：減速電機(jī)和伺服電機(jī)。減速電機(jī)由拖動(dòng)電

9、動(dòng)機(jī)與齒輪減速裝置耦合而成。減速裝置的作用：變速變扭，即增速減扭或減速增扭，為什么減速可以增扭，而增速又要減扭呢？設(shè)電機(jī)輸出的功率不變，可表示為N=WT， 其中：W是轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，T是扭矩。 當(dāng)N固定的時(shí)候，W與T成反比，所以增速必減矩，減速必增矩。1減速電機(jī)一般用作機(jī)器人的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，也就是機(jī)器人的腿。2微型的伺服電機(jī)在無(wú)線電業(yè)余愛好者的航?；顒?dòng)中使用已有很長(zhǎng)一段時(shí)間，而且應(yīng)用最為廣泛，國(guó)內(nèi)亦稱之為“舵機(jī)”，即掌舵人操縱的機(jī)器?？梢?，微型伺服電機(jī)主要用作運(yùn)動(dòng)方向的控制部件。伺服電機(jī)本質(zhì)上是可定位的電機(jī)。當(dāng)伺服電機(jī)接收到一個(gè)位置指令，它就會(huì)運(yùn)動(dòng)到指定的位置。因此，個(gè)人機(jī)器人模型中也常用到它作為可

10、控的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，這些活動(dòng)關(guān)節(jié)我們也常稱它為自由度 。 一個(gè)伺服電機(jī)內(nèi)部包括了一個(gè)直流電機(jī)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（ 減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出。齒輪組的變速比愈大，伺服電機(jī)的輸出 扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。伺服電機(jī)的控制：標(biāo)準(zhǔn)的伺服電機(jī)有三條控制線：電源、地及控制。電源線與地線用于提 供內(nèi)部的直流電機(jī)及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V-6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧姍C(jī)會(huì)產(chǎn)生噪音）。即使小伺服電機(jī)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)

11、的比例必須合理。伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：大扭力、控制簡(jiǎn)單、裝配靈活、相對(duì)經(jīng)濟(jì)。但它亦有著先天的不足：首先它是一 個(gè)精細(xì)的機(jī)械部件，超出它承受范圍的外力會(huì)導(dǎo)致其損壞，其次它內(nèi)藏電子控制 線路，不正確的電子連接也會(huì)對(duì)它造成損毀，因此，很有必要在使用前先了解伺 服電機(jī)的工作原理，以免造成不必要的損失。主板簡(jiǎn)介主板各部分介紹：1、電源連接器 指插上干電池盒的電源連接器，傳遞機(jī)器人運(yùn)行所需 動(dòng)力的部分。2、電源開關(guān) 起到ON/OFF電源的作用。3、直流減速（齒輪）電機(jī)電源連接器 指插入直流減速（齒輪）電機(jī)的電源連 接器，使電機(jī)運(yùn)行的部分。4、開始開關(guān) 在電源開關(guān)打開的狀態(tài)下，執(zhí)行CPU輸入的命令時(shí)使用。5、伺

12、服電機(jī)OUTPUT端口：插上伺服電機(jī)連接器，給伺服電機(jī)提供電源，傳送信號(hào)。6、INPUT端口/ID設(shè)置端口：接收IR傳感器發(fā)送的輸入信號(hào)，傳遞至主板，可插入跳針（SHORT KEY），使最多8臺(tái)機(jī)器人在互不干擾的情況下運(yùn)行。7、INPUT端口 與遙控器接收板互相連接， 將遙控器發(fā)送的輸入信號(hào) 傳遞至主板。8、下載端口 從PC上將機(jī)器人的動(dòng)作 程序下載到主板CPU時(shí)使用。9、調(diào)試LED 當(dāng)下載不順利時(shí)燈亮起來。10、電源LED 接通電源，電源開關(guān)在ON狀態(tài)時(shí)燈亮。遙控器簡(jiǎn)介1、電源連接器：連接電池盒的電源連接器，供應(yīng)電源。2、電源開關(guān)：在連接電源連接器的狀態(tài)下，ON或OFF電源開關(guān)。3、發(fā)射部：

13、將各遙控器輸入開關(guān)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外線，并傳送到遙控信號(hào)接收板的接收部。4、ID設(shè)置端口：與主板的ID設(shè)置端口并行，可設(shè)置8種ID。5、輸入開關(guān)：由共5個(gè)開關(guān)構(gòu)成，使機(jī)器人進(jìn)行與各開關(guān)輸入信號(hào)相當(dāng)?shù)倪\(yùn)行。遙控器接收板簡(jiǎn)介:1、接收部接收遙控器發(fā)射部發(fā)送的紅外線信號(hào)并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸入信號(hào)。2、電源/OUTPUT端口用3P-3P連接線將接收部轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)傳送到主板上。遙控器程序下載方法1、從主板取下CPU。2、取下遙控器的CPU，嵌入主板。3、下載遙控器程序。4、從主板取下CPU，安裝到遙控器上。IR感應(yīng)板1、電源/信號(hào)連接端口指利用IR感應(yīng)板連接線，連接到主板上INPUT端口的端口。2、發(fā)

14、光部發(fā)射紅外線，利用被物體反射回來的紅外線向感光部發(fā)送輸入信號(hào)。3、感光部也稱光電晶體管，感應(yīng)發(fā)光部發(fā)射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)換為輸入信號(hào)。主板與下載板連接方法如圖所示，在主板上連接干電池盒的電源連接器，用3P-3P連接線連接PC上連接的下載工具和主板，將主板電源開關(guān)放到ON位置，下載工具和主板的電源LED就會(huì)亮燈，在此狀態(tài)下就可以下載程序。主板與伺服電機(jī)、傳感器連接主板簡(jiǎn)圖:主板與伺服電機(jī)、傳感器連接右圖是連接伺服電機(jī)的連 接器圖片。確認(rèn)伺服1、伺 服2的位置以及連接器的顏 色和數(shù)字后，進(jìn)行連接。左圖是連接接收傳感器模 塊的圖片。確認(rèn)連接器的 顏色和數(shù)字后，進(jìn)行連接。伺服電機(jī)的調(diào)零示意圖：1、在

15、已下載程序的主板、伺服電機(jī)輸出端口上連接電源連線，注意區(qū)別電源連線的顏色。然后，如圖所示，將電池盒的電源連線連接到主板上。2、將電源開關(guān)放到ON狀態(tài)，主板電源LED就會(huì)亮燈，伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪被固定，此時(shí)，該伺服電機(jī)就在“0”點(diǎn)位置上。伺服電機(jī)基準(zhǔn)點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)1、首先向main模塊 下載程序。2、接通電源后打開 電源。3、如圖所示，將伺 服電機(jī)插入相關(guān) 位置。4、此時(shí)，伺服電機(jī)將以機(jī)器人的初始狀態(tài)移動(dòng)。5、再用伺服型螺釘緊固后進(jìn)行組裝。3P-3P連接線連接方法用3P-3P連接線連接下載工具和主板的方法如上所示。下載時(shí)必須注意連線的顏色和順序。設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽一 結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)搭接實(shí)驗(yàn)(小車設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽

16、)要求:利用提供的模塊化元件,搭接一輛三輪小車,并在規(guī)定的斜坡上自由下行,小車有重量限制, 另外，本實(shí)驗(yàn)只提供兩個(gè)輪子，另外一個(gè)輪子需要學(xué)生自制。競(jìng)賽目標(biāo)是小車在下坡后滑行距離S的大?。ㄒ娤聢D），最后寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 : S設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽二 追蹤機(jī)器人設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽要求:設(shè)計(jì)制作追蹤機(jī)器人,并組織機(jī)器人追蹤競(jìng)賽（在專用競(jìng)賽場(chǎng)中進(jìn)行）。競(jìng)賽目標(biāo)是編寫程序來控制機(jī)器人的路徑，最后要寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽三 遙控摩托車設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽要求:設(shè)計(jì)制作摩托車,并組織摩托車競(jìng)賽（在專用競(jìng)賽場(chǎng)中進(jìn)行）。競(jìng)賽目標(biāo)是控制摩托車的彎路并計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)短，最后要寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽報(bào)告1 結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)搭接實(shí)驗(yàn)(小車設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)同組人員 實(shí)驗(yàn)日期指導(dǎo)教師成 績(jī)1在小車設(shè)計(jì)制作過程中，你都做了哪些工作？解決了什么重要問題？2小車三次競(jìng)賽成績(jī)分別是多少？都做了哪些調(diào)整？調(diào)整后的競(jìng)賽成績(jī)有什么變化？ 3對(duì)這個(gè)項(xiàng)目你有什么體會(huì)、意見和建議？設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽報(bào)告2 追蹤機(jī)器人設(shè)計(jì)制作與競(jìng)賽學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)同組人員 實(shí)驗(yàn)日期指導(dǎo)教師成 績(jī)1 追蹤機(jī)器人的追蹤原理是怎樣？所用的傳感器的信號(hào)處理原理如何?2畫出你制作的追蹤機(jī)器人的追蹤程序框圖。3在追蹤機(jī)器人設(shè)計(jì)制作過程中，你都做了哪些工作？解決了什么重要問題？4追蹤機(jī)器人三次競(jìng)賽成績(jī)?cè)鯓樱òㄜ壽E和時(shí)間）？都做了哪些調(diào)整？調(diào)整后的競(jìng)賽成績(jī)有什么變