机器人设计范例(3篇)
机器人设计范文
【关键词】自动送水系统；单片机；红外传感技术；电驱动技术；机器人
1.引言
近几年红外传感技术、单片机控制技术、电机驱动技术等多项技术在日常生活中应用越来越广泛，目前单片机接口技术的日趋成熟，这些方面的研究也在某些领域实现机器人代替人力，提高人们生活的质量。
考虑到现在人们都是自己进行倒水，在很多场合下有诸多不便，我们此次发明是希望通过这些方面的技术运用于单片机控制机器人以实现自动化倒水工作，解决了开会时不方便取水的问题，以及实现日常中公司人员的自动化取水。
本文系统属智能小车机器人，安装有驱动电机，通过齿轮传动传递给机器人小车后轮，通过单片机控制驱动电机来实现小车的前进、后退和停止。在小车的前轮处，设置有舵机并与单片机相连，控制小车转向。在小车底盘处设有灰带传感器，使小车按预定轨道运行。在机器人上安装有信号接收器，以接收呼叫。
2.总体设计方案
2.1自动送水系统整体布置
如图1所示，并结合图3至图4，包括设于圆桌的轨道、圆桌上与各个座位相对应的呼叫装置、小车以及饮料装置，饮料装置固定安装于小车上，其中，小车包括驱动模块和主控模块，呼叫装置发出信号，主控模块接收到相应信号后，控制驱动模块沿轨道按照预定的轨迹运动直至到达发出信号的呼叫装置。主控模块为自动送水系统的核心，从呼叫装置接收到呼叫信号，控制小车的前进、后退以及停止，若主控模块接收到多个呼叫信号，则根据接收到的呼叫信号时间依次送水，本文主控模块由单片机控制，其体积小、质量轻、价格便宜，抗干扰性强，能够实现可编程、可控制、可修改的智能控制。
2.2机器人小车地盘机械结构
参考图2，小车还包括前轮、后轮以及舵机，驱动模块与后轮通过相互啮合的齿轮连接，舵机与前轮固定连接，驱动模块与舵机均与主控模块连接。当主控模块接收到呼叫信号，向驱动模块发出指令，驱动模块通过齿轮的传递带动后轮旋转，从而推动小车前进或后退；当需要转弯时，主控模块向舵机发出相应的指令，使前轮偏移，从而使小车转向。小车上还设有为小车提供动力的蓄电池。用蓄电池取代插电式的电源线的使用，可以避免小车行驶过程中与电源线的缠绊，从而避免不必要的事故，是该发明的自动送水系统的应用更加安全、灵活。
2.3储水结构
请参考图3，并结合图4，饮料装置包括水桶以及水桶内的若干个饮料室，以及与各个饮料室相连通的出水口，每个出水口对应一个取水开关。当小车响应呼叫而运行到相应的位置时，人员只需根据个人需要按动某一个取水开关，即可从相应的出水口处取得所需的饮料，小车延长一定的时间后若没有接收到下一个呼叫信号，则自动回到初始位置等待呼叫。
结合图1至图3，每个饮料室的下方设有一弹簧，饮料室的上方设有返程加水开关，返程加水开关与主控模块相连。本文饮料室的数量为3个，可以分别存放不同种类的饮料，当某个饮料室中的饮料不足时，弹簧会把饮料室托起，继而触动返程加水开关，返程加水开关将需加水的信息传递给主控模块，主控模块控制驱动模块带动小车行至加水位置进行饮料补充。
本文呼叫装置为无线信号发射器。当然，主控模块中有与之相对应的无线信号接收器，这样，信号的传递均采用无线传递，使整个系统更加简洁，使用更加方便。
3.运动轨迹规划
如图1所示，轨道由灰带铺设。较佳地，小车底部设有灰度传感器（图中未示出）。相对于现有技术中的用金属材料架设轨道的方式，本发明的轨道更加简单易行，利用灰度传感器，实现智能有轨运行。
如图3所示，小车或饮料装置上设有一摄像头，摄像头与主控模块相连。本实施例中，将摄像头安装于水桶上，摄像头用于拍摄小车运行方向前方的路况，如转弯、直行以及有障碍物等，并将该路况信息传递至主控模块，主控模块根据该路况信息选取合适的运行方式，具体地，若直行，将相应的信息输出至驱动模块；若需转弯，将信息输出至驱动模块和舵机；若前方有障碍物，则绕行或停止运行并报警告知相关人员。
3.1机电系统控制流程图
自动送水机器人控制流程图如图5所示。机器人分为空闲、送水、等待、补水四中状态。机器人上电初始化后进入工作状态。先检查饮料是否充足，如果充足则再判断是否进入等待状态，否则进行补水。在水充足的情况下再判断是否进入等待状态，如果进入等待状态，机器人则等待送水指令，否则就进入空闲状态机器人断电不工作。在有送水指令发出时，机器人进入送水状态执行送水任务，在取水结束后，机器人则会自动延时停止一段时间，然后马上检查饮料是否充足。这既是机器人自动送水的工作流程。
3.2控制系统硬件的设计
自动送水系统的硬件结构图如图6所示，单片机通过摄像头采集的信息判断小车转过的弯度，将控制信息在传输给舵机执行。然后单片机通过电源驱动模块控制直流电机，实现小车的启停。单片机通过无线串口模块把当前传感器数据传给上位机，通过上位机数据显示来进行传感器好坏的判断和距离阀值的修改。
（1）控制核心
系统的核心控制采用飞思卡尔半导体公司的16位HCS12系列单片机MC9S12DG128。其主要特点是高度的功能集成，易于扩展，低电压检测复位功能，看门狗计数器，低电压低功耗，自带PWM输出功能等。系统I/O口具体分配下：PORTA0、PTH0～PTH7共9位用于小车前面路径识别的输入口；PORTB0～PORTB7用于显示小车的各种性能参数；PWM01用于伺服舵机的PWM控制信号输出；PWM23、PWM45用于驱动电机的PWM控制信号输出。
（2）路径识别单元
为提高小车转向角的控制精度，系统路径识别单元采用摄像头作为路径检测元件。摄像头价格低廉，经济实用。对于小车循迹，利用摄像头采集的灰带相对稳定的灰度值作为阈值，作为判断灰带的数据。其路径检测硬件电路如图7所示。
（3）角度控制单元
系统角度控制单元采用Sanwa公司SRM102型舵机作为小车方向控制元件。在实际运行过程中，舵机的输出转角与给定的PWM信号值成线性关系，以PWM信号为系统输入信号，实现舵机开环控制。舵机响应曲线和控制电路如图8、图9所示。由于舵机的开环转向力矩足够，单片机通过采集的当前路况，给定PWM控制信号，从而实现舵机的转向。
3.3软件流程设计
本智能车系统的软件设计基于MetrowerksCodeWarriorCW12V3.1编程环境，使用C语言实现。整个系统软件开发、制作、安装、调试都在此环境下实现。系统软件设计由以下几个模块组成；单片机初始化模块，实时路径检测模块，舵机控制模块，驱动电机控制模块，中断速度采集模块和速度模糊控制模块。系统软件流程如图10所示。
4.结束语
综上，本文提供的自动送水系统，包括设于圆桌的轨道、圆桌上与各个座位相对应的呼叫装置、小车以及饮料装置，饮料装置固定安装于小车上，其中，小车包括驱动模块和主控模块，呼叫装置发出信号，主控模块接收到相应信号后，控制驱动模块沿轨道运动直至到达发出信号的呼叫装置。将饮料装置加满水，在小车的带动下送至发出信号的呼叫装置处，供相对应的座位上的人员取用，不仅能够代替服务人员的劳动，节约人力，还避免了使用大功率的驱动设备，结构简单且安全。
参考文献
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[2]王明哲，韩晓艳.运水机器人[J].黑龙江科技信息，2010（28）.
[3]史洁，卢广昌，张岩，李宝凤.简易运水机器人[J].电子制作，2009（04）.
机器人设计范文
关键词:步行机器人机械机构设计仿真
中图分类号:TP24文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)06(a)-0041-01
步行机器人的研究对理论和实践具有重要的理论价值和现实意义。它不仅可以丰富机器人研究的相关理论。还可以推动人工智能技术、仿生学、计算机图形学、通信技术等相关学科的发展。随着机器人逐渐被运用到越来越多的领域中,机器人的工作环境发生了变化,工作任务进一步复杂化,这就对机器人性能提出了更高的要求。由于步行机器人具有体积小、对环境的适应性强、能耗小、避障碍能力强,移动盲区小等特征和优点,因而它具有广泛的实际运用领域,也吸引人们的普遍关注。
由于该机器人的设计要求实现步行和身体摆动等较为复杂的运动,设计的结构也相对较为复杂,对设计尺寸也有相关对严格的规定,同时还要求采用单电机进行驱动。为了满足这些要求,文章设计了一种结构紧凑、易于控制的机械机构。
1传动机构设计
由于是步行机械机构的设计,因而双足行走的驱动机构需要作重复的非完整圆周旋转运动。而传达机构的作用就是将电机的连续旋转运动转变为重复的非完整圆周旋转运动。一般情况下,为了实现这一转化,我们在设计中可以采用曲柄摇杆机构。一般来说,中间构件会比较长,这使得传递的线路也会比较长,容易产生误差。而线路长又会积累误差,这样一来,在传递过程中比较容易产生较大的误差积累。与此同时,机构运动经过中间构件进行传递还会增加能耗,降低机械的使用效率。除了会出现这些问题之外,死点的存在也会在很大程度上限制连杆机构的运用。
鉴于曲柄摇杆机构存在的缺陷,在这种步行机器人的机械机构的设计中,我们考虑采用齿轮传动。齿轮传动是机械传动中比较常用的一种方式,它具有其它传动不可比拟的特点和优势,比如传动结构紧凑、传递比较稳定、传动工作可靠、传动效率高、传动装置使用寿命长等。在一般的锥齿轮传动中,从动齿轮只能随着主动锥齿轮做旋转运动。如果我们延长主动锥齿轮的轴,在从动锥齿轮的另一边再安装第二个锥齿轮和从动锥齿轮齿合。由于在旋转方向上,第二个和第一个的旋转方向相反,所以该机构就自动被锁住了,无法运行。
在设计工作的实际中,如果我们只运用第一个主动锥齿轮的一半齿,去掉另一半齿,同时还去掉两个主动锥齿轮被削齿对面的一半,通过这样对齿轮的设计和调整,去掉一部分齿轮,就能够将电机的连续旋转运动转变为重复的非完整圆周旋转运动。
2步行机构设计
如图1所示,秆d所指的是大腿,杆e所指的是小腿,杆f所示的是脚板。在秆a和杆f之间采取相应的措施,使得他们之间相对固定。轮b所指的是驱动轮,并且,它的驱动杆是杆a。通过一点相应的连接措施,使杆a铰接在轮c上。这样的结构方式使得杆a的运动形式为平动,这是由轮b和轮C所确定的。在实际运动中,首先由杆a和杆f一起作平动,与此同时,他们的平动会同时带动杆e进行运动,而杆e进行运动又会带动杆d进行运动。这样一来,看似杆d、e、f一起在作步行运动,而事实上是轮b、轮C和杆a在发挥着作用,杆d和杆e并不发挥主动的作用,他们只是作为从动件在整个机构设计中发挥作用。在这个步行机构设计中,只要作为脚板f的面积足够大,能够承受住杆件的重量和运动时带来的压力,使得地面上的投影始终不超越支撑多边形的范围,这样一来,该机械机构就可以实现双足步行,而不需要步行稳定控制器的的支持就可以(如图1)。
3步行机器人仿真研究
为了验证该步行机器人机械机构设计的效果,我们进行了仿真研究。通过详细的设计机构参数,我们的得出了具体的单腿运动参数。这些运动参数是以下一个情况。由1位置开始运动,杆a从这里顺时针旋转10°便到达2位置,与此同时,杆b由1位置逆时针旋转至2位置;杆a反向逆时针旋转40°至3位置,与此同时,杆b继续逆时针旋转40°至3位置;杆a继续逆时针旋转10°至4位置,与此同时,杆b反向顺时针旋转10°至4位置;杆a反向顺时针旋转40°返回1位置,与此同时,杆b继续顺时针返回1位置,通过这样的旋转运动从而使一个步行周期得以完成。
4结语
科学技术的进步必将推动机器人设计的进一步发展和进步。随着整个社会对机器人要求的进一步提高,机器人的功能将进一步增强。而机械机构设计在机器人的设计中占有重要的地位和作用,直接影响机器人整体功能的发挥。文章主要探讨分析了一种步行机器人的机械机构的设计问题,这种机器人便于控制,采用单相电机进行驱动,运用齿轮传达机构和步行机构使其实现稳定的静态步行。通过对该机器人的仿真研究,结果表明该步行机器人能够实现设计时所期望的运动轨迹。总的来说,该机器人的机械机构的设计是正确的,结构紧凑,传动效率高,因此,在实践中,值得推广和应用该种机器人的机械机构设计方案。
参考文献
[1]祁乐,闫继宏,朱延河.小型双足步行机器人的研制[J].机械工程师,2006(11).
[2]余联庆,赵毅,杜利珍,等.小型双足步行机器人机械机构设计[J].中国水运(理论版),2007(7).
机器人设计范文篇3
【关键词】AT89S51避障机器人传感器舵机
1引言
机器人作为一种智能机器，越来越多的替代了人类在极端环境下作业，比如：核辐射地区，深海探测，深空探索，以及高空作业等。为了防止机器人在作业中因碰撞等因素损坏，因此智能机器人的避障功能显得尤为重要。
传统的超声避障机器人大多是采用多路超声波传感器来采集障碍物的距离参数，这种设计的最大缺点即是多路超声波传感器之间会有干扰；而后，较好的避障机器人采用了一路超声传感器安装在具有360度转角的舵机之上，这样随着舵机的旋转一路超声波传感器就能采集到周围360度障碍物的距离，然而这种设计也有其缺点既是采集一次周围障碍物的距离信息所需的时间过长。因此，本文提出了一种新的智能避障机器人的设计，它采用了一路超声波传感器和一路红外传感器背对着安装在即使使用仅仅具有180度转角的舵机上，仍然可以在舵机转过半周时采集到周围的障碍物距离，反应速度提高了一倍。
2避障机器人硬件设计
本文提供的智能避障机器人的硬件设计（如图1所示）包括了上位机接口模块、电源管理模块、红外探测模块、超声波检测模块、传感器舵机驱动模块、电机驱动模块、以及电机舵机驱动模块等电路组成。其中，红外探测模块由红外发射电路和红外接收电路组成；传感器舵机驱动模块主要驱动舵机带动红外传感器和超声波传感器一起转动；电机驱动模块主要通过单片机发来的PWM波改变直流电动机的转速，以此来控制机器人行进的速度；电机舵机驱动模块可以通过调整舵机的角度来达到改变机器人行进方向的目的。
3避障机器人软件设计
本设计主要采用了模块化的编程方法，将硬件的每一个功能驱动都作为一个子函数的形式出现，主函数通过调用子函数来实现机器人的具体动作，这样就能极大的提高编程的效率，如图2所示。主要思路与步骤如下：
（1）上电及系统各模块初始化程序：初始化时钟以及引脚的驱动信号。
（2）开启定时器使能，并等待中断发生。
（3）若产生中断则进入中断子程序：
a.调用传感器舵机驱动子程序，使得传感器舵机转动；
b.通过AD采集超声波和红外传感器所得到的距离信息；
c.通过自适应算法分析是否转向并通过串口向上位机传回距离信息，并能保存和显示该信息。
d.若转向，则通过PID算法减慢机器人行进的速度，并调节直流电机的舵机转角，使得机器人改变进行的方向，结束中断程序等待下一次中断。
e.若不转向，则通过PID算法加速机器人行进的速度，并结束中断程序等待下一次中断。
4结论
本文介绍了一种以AT89S51单片机为主控芯片的智能避障机器人的设计，采用了两种互不干扰的传感器采集距离信息――一种是超声波传感器，一种是红外发射与接收器，通过增量式PID算法进行调速并通过遗传算法进行机器人角度调节来达到避障的目的。
这种设计采用的电子元器件价格相对便宜较容易推广，采用不相干信号采集距离信息提高了智能避障机器人的反应速度，使用自适应算法使得机器人对环境的适应性大大增强并实现安全避障。
参考文献
[1]曾军，吴长雷，李东，黄华等.基于C8051F430的超声避障机器人设计[J].微计算机信息（嵌入式与soc），2009（25）.
[2]徐跃.基于超声波测距的机器人定位与避障[D].齐鲁工业大学，2013.
[3]刘世聪.机器人避障算法研究[D].东北石油大学，2011.
[4]郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009（01）.
