機器人技術(shù)第3章課件

1、第3章 MT-U智能機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第3章 MT-U智能機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.1 概述MT-U智能機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以概括為控制部分、傳感器部分以及執(zhí)行部分，主要結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。橡膠輪子主體后碰撞環(huán)主控制盒無線通信模塊擴(kuò)展支架滅火風(fēng)扇組件擴(kuò)展接口電路板傳感器支架盤球裝置發(fā)光足球前碰撞環(huán)3.1 概述MT-U智能機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以概括為控制部分、MT-U智能機器人另一種結(jié)構(gòu)就是四輪驅(qū)動的履帶式機器人，其履帶底盤結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。MT-U智能機器人另一種結(jié)構(gòu)就是四輪驅(qū)動的履帶式機器人，其履3.2 MT-U智能機器人系統(tǒng)構(gòu)成3.2.1 控制部分控制部分是MT-U智能機器人的核心組成部分，集成在一

2、個主板盒里面，主板盒外觀如圖3-3所示。作為控制核心的主板盒上各個功能模塊、按鍵及插接口的位置和名稱如圖3-4所示。電動機控制輸出按鍵 指示燈傳聲器液晶屏控制按鍵揚聲器 開關(guān)、插座、電源及下載口3.2 MT-U智能機器人系統(tǒng)構(gòu)成3.2.1 控制部分電動機作為控制核心的主板盒上各個功能模塊、按鍵及插接口的位置和名稱如圖3-4所示。a)正上方視圖 b)左側(cè)視圖 c)右側(cè)視圖 d)前側(cè)視圖 e)后側(cè)視圖作為控制核心的主板盒上各個功能模塊、按鍵及插接口的位置和名稱1. 主板位于MT-U智能機器人中心部位的控制部件是MT-U智能機器人的大腦主板，它被安裝在主板盒里面，由很多電子元器件組成，跟人的大腦一樣

3、，主要完成接收信息、處理信息、發(fā)出指令等一系列過程。MT-U智能機器人的記憶功能，主要由主板上的內(nèi)存來實現(xiàn)，至于“大腦”的分析、判斷、決斷功能則由主板上的眾多芯片共同完成。2. 控制按鍵位于MT-U智能機器人主板盒上的眾多控制按鍵、指示燈等等，是MT-U智能機器人運行控制部件，它的組成和主要的控制功能在前面第1章“2.3 MT-U智能機器人的控制按鍵”一節(jié)中，我們已進(jìn)行了介紹，這里就不再重復(fù)。1. 主板3. 擴(kuò)展接口電路板位于MT-U智能機器人前端的擴(kuò)展接口電路板提供了心臟（主板盒）與眼睛（各種傳感器）及手腳（各種執(zhí)行機構(gòu)）之間的信息傳達(dá)橋梁，并給執(zhí)行機構(gòu)及各種傳感器提供動力。MT-U智能機器

4、人可以根據(jù)用戶不同的創(chuàng)新設(shè)計安裝不同的擴(kuò)展接口電路板，機械連接甚至在理論上可以無限擴(kuò)展。圖3-5所示為擴(kuò)展三塊電路板的安裝方式示意圖。3. 擴(kuò)展接口電路板3.2.2 傳感器部分MT-U智能機器人的傳感器如圖3-6所示，主要有以下7種傳感器：滅火風(fēng)扇支架可安裝紅外發(fā)射、接收傳感器，光敏傳感器等傳感器支架可安裝紅外發(fā)射、接收傳感器，光敏傳感器a)傳感器安裝示意圖b)碰撞傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 c)光電耦合器 d)碼盤3.2.2 傳感器部分MT-U智能機器人的傳感器如圖3-6 e)碰撞開關(guān) f)紅外發(fā)射、接收傳感器 g)光敏傳感器 h)灰度傳感器 e)碰撞開關(guān) f)紅外1. 碰撞傳感器MT-U智能機器人的

5、前后擋板上放置了碰撞系統(tǒng)，保證MT-U智能機器人的正?；顒?。MT-U智能機器人的碰撞機構(gòu)能夠檢測到來自前后各120范圍內(nèi)物體的碰撞，使MT-U智能機器人遭遇到來自不同方向的碰撞后，能夠轉(zhuǎn)彎避開并保持正常活動。前后的碰撞系統(tǒng)各由一個被彈性固定到機器人主體上的半環(huán)狀金屬片和碰撞開關(guān)組成。來自不同方向的碰撞將使不同的碰撞開關(guān)閉合，從而可以判斷出障礙物的方向，進(jìn)而進(jìn)行避障。由圖3-1中可以看出前后碰撞環(huán)的安裝位置。2. 紅外線傳感器MT-U智能機器人的紅外線傳感器共包含兩種器件：紅外發(fā)射管和紅外接收管，看圖3-1或者圖3-6就可以發(fā)現(xiàn)紅外接收管可以安裝于MT-U智能機器人的正前方，兩只紅外發(fā)射管安裝于

6、紅外接收管的兩側(cè)；同時紅外發(fā)射管也可以安裝于MT-U智能機器人的正前方，兩只紅外接受管安裝于紅外發(fā)射管兩側(cè)。它們也可以安裝到滅火風(fēng)扇支架上面，可以說MT-U智能機器人給用戶提供了更多的自主創(chuàng)新空間去發(fā)揮。1. 碰撞傳感器紅外發(fā)射管可以發(fā)出紅外線，紅外線在遇到障礙后被反射回來，紅外接收管接收到被反射回來的紅外線以后，通過A-D轉(zhuǎn)換送入CPU進(jìn)行處理。MT-U智能機器人的紅外線傳感器能夠看到前方1080cm，90范圍內(nèi)的比210mm 150mm面積大的障礙物，如果障礙物太小太細(xì)、或者在它的可視范圍以外，它可就沒法看到了。在MT-U智能機器人的可視范圍內(nèi)，可以調(diào)整它的可視距離，具體參見 “4.2 M

7、T-U智能機器人的傳感器及其處理電路”一節(jié)。紅外發(fā)射管可以發(fā)出紅外線，紅外線在遇到障礙后被反射回來，紅外3. 光敏傳感器光敏傳感器是由兩個光敏電阻組成，它可以安裝在機器人的傳感器支架、滅火風(fēng)扇支架上的任意位置。光敏傳感器能夠探測光線，我們在MT-U智能機器人的光敏傳感器上罩了一層濾光紙，通過濾紙的顏色來決定MT-U智能機器人所能探測到的光線顏色，使它能看見的顏色特定化。4.傳聲器MT-U智能機器人的傳聲器可以感受到聲音的強弱。我們知道我們自己的耳朵并不是所有聲音都可以聽見的，當(dāng)聲音的頻率在一定范圍內(nèi)時我們才能聽見，MT-U智能機器人的“耳朵”也是這樣，它的功能較強，能聽見的聲音頻率范圍跟人能聽

8、到的范圍大致是一樣的，是1620000Hz的機械波。MT-U智能機器人在聽到你的聲音命令后，會根據(jù)你的指示（由程序事先輸入）采取行動。MT-U智能機器人傳聲器，在主板盒上面的右上方，如圖3-3所示。3. 光敏傳感器5. 光電編碼器在MT-U智能機器人里裝有碼盤和光耦（光電編碼器）。光電編碼器主要用于產(chǎn)生控制的反饋信號。碼盤隨輪軸一起轉(zhuǎn)動，光耦通過對碼盤轉(zhuǎn)動角度的測定，得出輪子所轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，從而測定距離，如圖3-6所示。6. 地面灰度傳感器地面灰度傳感器也叫尋跡傳感器，它由一個紅外光發(fā)射管和一個紅外接受管組成。地面的灰度不同，接收管接收到的反射信號也不同，從而可以得到地面上灰度的信息。7. 金屬

9、接近開關(guān)金屬接近開關(guān)為一種反射式接近傳感器，可以探測到一定距離內(nèi)的金屬物體，其安裝方式如圖3-7所示。5. 光電編碼器金屬接近開關(guān)安裝支架金屬接近開關(guān)圖3-7 金屬接近開關(guān)及其安裝金屬接近開關(guān)安裝支架金屬接近開關(guān)圖3-7 金屬接近開關(guān)及其安3.2.3 執(zhí)行部分MT-U智能機器人的執(zhí)行部分是機器人執(zhí)行具體功能時所要用到的部件，如圖3-8所示，MT-U智能機器人的執(zhí)行部分共有以下五種：液晶屏揚聲器從動輪主動輪齒輪減速箱直流電動機3.2.3 執(zhí)行部分MT-U智能機器人的執(zhí)行部分是機器人執(zhí)1. 揚聲器MT-U智能機器人可以通過揚聲器發(fā)出一定頻率的聲音，可以通過編程讓機器人演奏歌曲。2. LCDMT-U

10、智能機器人上有一塊12864點陣LCD，可以顯示中文以及各種字符。利用LCD可以顯示程序運行的中間結(jié)果。3. 主動輪及其驅(qū)動機構(gòu)MT-U智能機器人有兩只金屬鋁芯、橡膠外胎的主動輪，能夠完成向前直走，向后轉(zhuǎn)彎，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，這些平地上的技術(shù)動作；驅(qū)動機構(gòu)由直流電動機和減速比約為301的齒輪箱構(gòu)成，齒輪減速箱將直流電動機輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為MT-U智能機器人需要的扭矩和轉(zhuǎn)速。動力強，效率高，噪聲小。4. 從動輪MT-U智能機器人有1只從動輪。眾所周知，三點支撐結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從動輪和兩只主動輪形成三角形穩(wěn)定地支撐著機器人的身體。從動輪方向的改變是隨著主動輪的方向改變的。5. 直流電動機在MT-

11、U智能機器人上有兩個高速直流電動機。1. 揚聲器3.2.4 MT-U智能機器人的供電部分將MT-U智能機器人頭朝下翻過來，就能夠看到它的底盤下安裝有一個盒體，這就是電池盒，電池盒里面裝著電池。拿掉主板盒，就可以看見電池，如圖3-9 所示，MT-U智能機器人的能量就來自于這個電池。電池電池盒3.2.4 MT-U智能機器人的供電部分將MT-U智能機器3.3 MT-U智能機器人的傳動機構(gòu)3.3.1 齒輪傳動機構(gòu)齒輪傳動機構(gòu)就是齒輪作為主要傳動件的傳動機構(gòu)。工作時，一只主動輪先轉(zhuǎn)動起來，進(jìn)而帶動與之相鄰的從動輪的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程如此繼續(xù)，這樣運動在齒輪間傳遞，即齒輪的嚙合傳動。齒輪的種類很多，它們通過不

12、同的配合可以實現(xiàn)不同的傳動類型，傳動類型示意圖如圖3-10所示。 a） b） c） 圖3-10a所示的傳動類型能夠改變運動的形式，齒輪是旋轉(zhuǎn)運動，下方的齒條則是直線運動；圖3-10b所示傳動類型能夠改變了旋轉(zhuǎn)運動的速度；圖3-10c所示傳動類型不僅改變了運動的速度而且改變了旋轉(zhuǎn)運動的軸線方向。 3.3 MT-U智能機器人的傳動機構(gòu)3.3.1 齒輪傳動機構(gòu)3.3.2 MT-U智能機器人的齒輪箱對于改變速度的傳動形式來說，就有一個傳動比的概念。對于齒輪傳動，傳動比可以用兩個齒輪的齒數(shù)來定義： I=Z1/Z2 式中，Z1為主動齒輪的齒數(shù)；Z2為被動齒輪的齒數(shù)。輸出的速度可表達(dá)為 V輸出V動力源I我們

13、在MT-U智能機器人上用到的齒輪箱展開圖（注：為了能看的更清楚，我們將齒輪箱展開，實際情況會略有不同），所圖3-11所示。3.3.2 MT-U智能機器人的齒輪箱MT-U智能機器人除了齒輪箱以外，還有其他的部件來充當(dāng)機器人的腳，軸就是其中一個關(guān)鍵的部件。軸在日常生活中是比較常見的，它依靠軸孔、軸承配合支撐帶孔的零件（如齒輪、渦輪等）并與之一起旋轉(zhuǎn)以傳遞運動、扭矩或轉(zhuǎn)矩的機械零件。觀察圖3-11，我們可以發(fā)現(xiàn)在齒輪頭里有三根軸，它們是齒輪的支架，在整個齒輪傳動中，我們根據(jù)軸的功能將軸分為三種：1）輸入軸直接與動力源的輸出軸聯(lián)接；2）輸出軸直接與其他的相關(guān)傳動件聯(lián)接的軸；3）中間軸齒輪傳動中僅作為齒

14、輪支架的軸。MT-U智能機器人除了齒輪箱以外，還有其他的部件來充當(dāng)機器人3.4 MT-U智能機器人的動力與驅(qū)動3.4.1 MT-U智能機器人的動力MT-U智能機器人的動力來源于位于MT-U智能機器人底盤內(nèi)的電池。電池提供電能，而機器人運動需要的是動能，這兩種能量是怎么轉(zhuǎn)化的呢？電能轉(zhuǎn)化為動能是利用了一種專門的設(shè)備電動機，這種設(shè)備是現(xiàn)代工業(yè)必不可少的，是工業(yè)電氣化的標(biāo)志。3.4 MT-U智能機器人的動力與驅(qū)動3.4.1 MT-U智3.4.2 MT-U智能機器人中的直流電動機電動機是把電能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，如果是依靠直流電源工作，則稱為直流電動機。在MT-U智能機器人中，直流電動機將軸的旋轉(zhuǎn)運動

15、輸入到齒輪箱，然后齒輪箱的輸出軸控制輪子轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動整個機器人的運動。直流電動機上的電壓大小影響它的轉(zhuǎn)速和扭矩。直流電動機在一定電壓下工作，其TN曲線如圖3-12所示，在圖中12V特性線上取兩個點J、K，很明顯，Jn Kn, JTn2，這樣就可實現(xiàn)電動機的調(diào)速。3.4.2 MT-U智能機器人中的直流電動機T（轉(zhuǎn)矩）u=12vu=6vKTJT一定轉(zhuǎn)矩時KJJnKnn（轉(zhuǎn)矩）圖3-12 直流電動機T-N圖T（轉(zhuǎn)矩）u=12vu=6vKTJT一定轉(zhuǎn)矩時KJJnKnnMT-U智能機器人正是采用改變電動機電壓的方式來改變電動機的轉(zhuǎn)速，叫做脈寬調(diào)制。MT-U智能機器人電動機上得到的信號是方波，不同的方波

16、的平均電壓不同，如圖3-13所示。我們就利用這一點來進(jìn)行MT-U智能機器人的速度控制。采用不同的脈寬調(diào)節(jié)平均電壓的高低，進(jìn)而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，即脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）。MT-U智能機器人上通過主板發(fā)出脈寬調(diào)制信號，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸入到電動機的平均電壓。MT-U智能機器人的電動機是經(jīng)過減速器將轉(zhuǎn)動傳給輪子，將高速轉(zhuǎn)化為低速。MT-U智能機器人通過三級直齒輪傳動減速，來滿足MT-U智能機器人運行的速度和轉(zhuǎn)矩。MT-U智能機器人正是采用改變電動機電壓的方式來改變電動機的tVtVtV脈寬調(diào)制tontperiod圖3-13 不同寬度的方波實現(xiàn)PWM 控制

17、tVtVtV脈寬調(diào)制tontperiod圖3-13 不同寬度3.4.3 MT-U智能機器人的驅(qū)動方式MT-U智能機器人采用差動驅(qū)動方式。差動方式是指將兩個有差異的獨立的運動合成為一個運動。當(dāng)我們把兩個電動機的運動合成為一個運動時，這就成了差動驅(qū)動。仔細(xì)觀察智能機器人的底盤，你會發(fā)現(xiàn)機器人有兩個一樣的齒輪頭，每個齒輪頭都包括一個直流電動機。這樣兩個直流電動機分別獨立控制1個驅(qū)動輪，在運行時，我們可以分別確定兩個電動機各自的轉(zhuǎn)速，組合起來就能實現(xiàn)機器人的各種運動方式，如直行、轉(zhuǎn)彎等，這就是差動驅(qū)動方式的實現(xiàn)。現(xiàn)在動動腦筋，思考表3-1中MT-U智能機器人的各個動作如何實現(xiàn)。3.4.3 MT-U智能

18、機器人的驅(qū)動方式首先，想一想，我們的MT-U智能機器人是差動方式驅(qū)動的，由兩個直流電動機分別控制。那么，MT-U智能機器人能走出多少種不同的路線來呢？試填寫表3-1的第一列。剛剛想出來的動作是否都能實現(xiàn)呢？在現(xiàn)實方式上可不可以采用多種方式呢？這里我們以C語言代碼編程為例，這樣可以更深刻的理解電動機控制庫函數(shù)的意義及其應(yīng)用。在這里要實現(xiàn)各種動作，就主要涉及到了有關(guān)庫函數(shù)的問題。用到的庫函數(shù)有move()。表3-1 MT-U智能機器人的各個動作首先，想一想，我們的MT-U智能機器人是差動方式驅(qū)動的，由兩庫函數(shù)move（L,R,E）應(yīng)用時應(yīng)注意：1）庫函數(shù)可以控制三個的電動機轉(zhuǎn)速；2）庫函數(shù)有三個參數(shù)L、R、E，且都是整數(shù)型的；3）庫函數(shù)中L指定是左輪轉(zhuǎn)速,R是右輪轉(zhuǎn)速，E指擴(kuò)展電動機轉(zhuǎn)速；4）庫函數(shù)中L、R、E的取值范圍是-1000+1000。現(xiàn)在我們來舉一個例子：我們要讓智能機器人走一個圓，那么動作就應(yīng)是“走圓”，實現(xiàn)方式我們采用“順時針”，利用的語句可以是move（），如：move（100,200,0）。注意，參數(shù)的不同可以使得所走的軌跡大小不同。這時，我們就可以填寫表