机器人仿生机器龟设课程设计(编辑修改稿)

机器人仿生机器龟设课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

0 仿生机器龟设计 1 1 设计任务描述 设计题目 ：仿生机器龟 的设计 设计要求 设计目的 （ 1） 了解机器人技术的基本 知识 以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关 技术。 （ 2） 初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并 应用于所设计的机器人中。 （ 3） 通过学习，具体掌握机器人 的 控制技术，并使机器人 能 独立执行一定的任务。 基本要求 （ 1）要求设计一个具有仿生功能的机器人； （ 2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。 （ 3）要求机器人具有趋光功能（龟喜欢晒太阳），避障功能（不能撞到障碍物上），知道饥饿（电池电量检测功能）。 发挥部分 遇到障碍物时 LED 等报警。 沈阳工程学院课程设计（论文） 2 2 设计思路 行走机 构的 设计 行走机构是行走机器人的重要执行部件 ，也称为机器人的下肢，是机器人的关键部分，主要用来承受体重和完成位移，它决定着机器人能否迅速灵活地移动，能否准确地按照作者的意愿到达指定 地 点。 机器人的行走机构首先要体现稳定性，其次是灵活性。 行走机器人的行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构。 一般而言， 在 崎岖的山路上，适合选择履带式行走机构；在沙漠中，适合选用足步式行走机构；在相对平坦的道路上，适合选择车轮式行走机构。 由于轮式行走机构由滚动摩擦代替滑动摩擦，主要的特点式效率高，适合在平坦的路上移动，定位准确，而且重量较轻，制作简单。 因为设计的仿真小龟主要是针对陆地而言的，而且对小龟的重量上还有一定的限制，所以，在设计仿真龟时，选择车轮式行走机构。 执行器部分 的选择 驱动机器人做出各种行为，包括发出各种信号（点亮发光二极管、发出声音） 的部分，并且可以根据控制器部分的信号调整自己的状态。 对机器龟来说，最基本的就是轮子。 这部分就好比乌龟的 四肢一样。 车轮型移动机构按车轮数可分为两轮式 、三轮式和四轮式。 人们把非常简单、便宜的自行车或两轮摩托车用在机器人上的试验很早就进行了。 但是人们很容易的就认识到两轮车的速度、倾斜等物理量精度不高，而进行机器人化，所需简单、便宜、可靠性高的传感器也很难获得。 此外，两轮车制动时以及低速行走时也极不稳定。 而 使用三个轮的优点是所有的轮子都会着地， 不会产生悬空现象，控制稳定。 但当机器人重心偏移时，如转弯、相撞等，由于只有三个轮子支撑车体，稳定性不好。 较三轮车体来说，四个轮子可以更好地支撑龟体，行走稳定，当重心偏移时，左右晃动小。 所以在设计中我选择机器龟为四轮式。 驱动 方式的选择 机器人驱动方式可分为 液压式、气动式和电动式。 液压驱动 液压驱动的特点是， 液压容易达到较高的压力，体积较小，可以获得较大的推力或转矩 ； 液压系统 介质的可压缩性小， 工作平稳可靠 ，并可得到较高的位置精度 ；在液压传动仿生机器龟设计 3 中 ，力、速度和方向比较容易实现自动控制；液压系统 由于采用油液 作 介质 ，具有防锈性和自润滑性，可以提高机械效率，使用寿命长。 但是， 液压驱动方式也有不足之处， 由于油液的粘度随着温度的变化而变化 ，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；另外液体的泄露难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价比很高。 总之这种驱动方式的输出力和功率 很大，经常用于比较大型机器人关节的驱动，而且这种驱动方式还存在着危险性，所以 对于仿生机器龟 来说不适合选择液压驱动方式。 气压驱动 气压驱动的特点是，压缩空气粘度小，很容易达到高速；它不必添加动力设备；空气介质对环境无 污染，使用安全，可直接应用于高温作业；气动元件工作压力低。 但是它的不足之处是若要获得较大的力，其结构就要相对的增大，而且空气 压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要想达到准确的位置控制很困难。 另外，还有一个严重的问题是，压缩空气的排水问题如果处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。 此外，排气还会造成噪声污染。 总之，气压驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，且其体积较大和精确度不高等缺点也使其不适合作为仿生机器龟的驱动方式。 电动机驱动 经过以上的分析 可知 ， 液压式和气压式都不适合作为机器龟的驱 动方式，所以就选择电动式作为机器龟的驱动方式。 电动机驱动又分为直流电动机、步进电动机和伺服电动机。 下面，分别介绍这三种电动机。 方案一：步进电动机。 步进电机是利用电磁铁原理 ,将脉冲信号 转换成线位移或角位 移的电机。 每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。 它的工作特点是 给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式；改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。 方案二：伺 服电动机。 一个微型伺服马达内部包括了一个 小型直流马达，一组变速齿轮组，一个反馈可调电位器， 及一块电子控制板。 其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达 的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量。 伺服电机容易与 CPU 连接，控制性能好，响应快，最大的优点是可以实现速度和位置的精确控制，适合于中小型机器人。 方案三： 直流电动机。 直流电机由定子、转子和换向器。 定子是固定在机身的圆桶状部分，一般由永磁材料或能产生磁场的线圈制成。 由于直流电机驱动 是开环控制，所以行进速度一般固定，精度不高， 直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。 但是直流电机控制起来简单， 它只有两根线，一根是电源线，一根沈阳工程学院课程设计（论文） 4 是接地线。 要想 控制直流电机的转度，只要加大加在电源线上的电压即可，加大电压的方法是通过调节脉冲的占空比来实现的。 如果要想实现电机的正反转，那么就用 H 桥电路，通过 H 桥电路就可以实现直流电机的正反转。 综上所述，我选用 方案三 直流电机作为机器龟的驱动电机。 传感器的选择 传感器是 能够感受被测量（如物理量、化学量、生物量），并能按照一定的规律转换成可用输出信号（通常为电信号）的器件或装置。 机器人用来读取各种外部信号的传感器，以及控制机器人行动的各种开关。 好比人的眼睛、耳朵等感觉器官。 所以选择正确的传感器在设计中就显得尤为重要。 趋光功能传感 器 的选择 由于乌龟喜欢晒太阳， 它 为 了生存下去必须要保证不断电， 为了保证当本身的电量要用完的时候它 能够自动 去寻找光源 充电 ，所以在设计中要让小龟有寻 光的功能 ，那么当小龟寻找到光源之后，还要准确的对准光源进行充电，所以在设计中还要让小龟有趋光 的功能。 自然界中有很多信息是通过光辐射传播的 ， 通过光电器件可获得这些信息。 光敏电阻是一种重要的光电转换器件 ， 它 是基于内光电效应的光电元件 ， 在光照作用下能使物体的电导率发生变化的现象称为内光电效应。 当内光电效应发生时 ， 固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带 ， 同时在价带中留下空穴 ， 由于材料中载流子数量增加 ， 其电导率也增加 ,使电阻值减小。 光敏电阻便是利用这一原理 ， 当有光照 时 ,其电阻值很小 减小 ， 没有光照时电阻阻值很大，而且，光敏电阻 灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定、可以交直流两用，而且制 造工艺简单，价格便 宜等，所以在设计中，我选择了光敏电阻来完成小龟的寻光功能。 避障功能传感 器 的选择 避障可以说是各种机器人最基本的功能。 因此选择 合适的测障传感器是非常重要的 常用的避障传感器 有以下几种 : 方案一： 接触式传感器 — 碰撞开关。 碰撞开关的特点是 电路 为 常开，碰到障碍物后连 通，可以用来检测机器人是否发生碰撞。 碰撞开关价格便宜， 使用简单，使用范围广，对环境条件没有什么限制。 但是，它也有缺点，它的缺点是 必须在发生碰撞后才能检测到障碍，这在某些机器人比赛中是相当失分的。 并且使用时间较长后容易发生机械疲劳，无法继续 正常工作。 方案二： 探测障碍物使用超声波传感器。 采用超声波传感器 ， 如果传感器接收到反射仿生机器龟设计 5 的超声波 ， 则通知单片机前方有障碍物 ， 反之则通知单片机可以向前行驶。 经实验 ， 使用超声波传感器探测信号时十分容易受到外界环境的影响 ， 使单片机控制系统接收到许多错误的信息。 而且超声波传感器价格比较昂贵。 方案三： 使用光敏传感器 ， 直接根据光源的信号进行判断。 这需要光敏传感器能及时反馈可靠的信息 ， 而光敏传感器拥有很高的灵敏度 ， 为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理 ， 使其只有在光源正射时才能测到信号 ， 这样就使光敏传感器的返回信号 更加可靠 ， 单片机一旦接到的光敏传感器返回的信息 ， 便能作出正确的判断。 倘若测不到信号 ， 说明光敏传感器被障碍物挡住 ， 正前方不能通行 ,单片机控制电机绕开障碍物行驶。 方案四： 红外传感器。 机器人自主避碰运动规划只要求对障碍物存在或不存在进行判断。 所以 ， 使用红外线传感器就可以满足要求。 这种传感器的工作原理就是 发射某种射线，遇到障碍物会被反射回来，这时传感器就认为发现了障碍物。 传感器由红外 线发射电路和接受电路 组成。 单片机通过接收红外传感器的信号 ,判断出传感器是否检测到障碍物 ,从而做出避障动作。 综合上述并结合实际， 在 本 次设计中避障传感器 我 选择方案四 ， 红外传感器。 主控制器 的选择 主控制器用来 接收传感器部分传递过来的信号，并根据事前写入的决策系统（软件 程序），来决定机器人对外部信号的反应，将控制信号发给执行器部分，就好比人的大脑。 适合机器人的控制芯片有很多：单片机、 DSP、甚至我们计算机上所用的 CPU，都可以。 但是，在本次设计中我还是选用了我们最熟悉的，价格最便宜的单片机。 单片机是整个系统的核心，它作为冯诺依曼体系结构中的运算器、存储器和控制器的集成，是系统中其它所有输入输出信息的控制和处理中心，本设计中采用的 单片机是我们学过的 C8051 系列单片机。 软件功能的实现 当外界的传感器传送给单片机后，接下来就需要进行软件编程了，来对机器龟的各种行为进行控制。 在本次设计中，机器龟的控制系统采用 汇编 语言编程 ，整个软件程序主要由主程序、初始化程序、躲避障碍物子程序、寻光子程序、充电子程序和转弯子程序，还有前进子程序等组成。 主程序主要起到导向和决策的功能 ,决定什么时候该做什么 ，机器龟的各种功能主要是通过 调用具体的子程序模块 来实现的。 电机驱动芯片的选择。