基于视觉的移动机器人设计与分析（全套含CAD图纸）
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码垛机械手设计 is a of of so of is of of to of A of a a it a do 4a on no in At of of is so at is to a To be to he of of is of of of is an it is a it is to a of in of in a is on of of by of of In of of of is to to In of a of of is by of to no is in In is of of On of in is of is in of to of as a of a it of in of to is of it in at in of of of In by as so at It to in be it is on by of to to So of is an of it be on is in of is of of of as so on in A a an in 关于现代工业机械手 文章出处： 1994器人是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济技术的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。现代工业机器人是人类真正的奇迹工程。一个像人那么大 寸内重复运动。更重要的是这些机器人可以每天 24 小时不停止地工作。在许多应用中他们是通过编程控制的，但是他们一旦编程一次，他们可以重复地做同一个工作许多年。机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。 目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在某种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。由于我国经济 建设和城市化的快速发展，城市污染排水放量增长很快，污水处理已经摆在了人们的议事日程上来。随着科学技术的发展和人类知识水平的提高，人们越来越认识到污水处理的重要性和迫切性，科学家和研究人员发现塑料制品在水中时用于污水处理的很有效地污泥菌群的附着体。塑料制品的大量需求，使得塑料制品生产的自动化和高效率要求成为经济发展的必然。本文结合塑料一次挤出成型机和塑料抓取机械手的研制过程中出现的问题，综述近几年机器人技术研究和发展的状况，在从分发挥机、电、软、硬件各自特点和优势互补的基础上，对物料抓取机械手整体机械结构、传 动系统、驱动装置和控制系统进行了分析和设计，提出了一套经济型设计方案。采用直角坐标和关节坐标相结合的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性。传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构，以实现各种必要的运动，传动方式上采用结构紧凑、传动比答得蜗轮蜗杆传动和将旋转运动转换为直线运动的螺旋传动。机械手驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及能够达到的技术水平。由于步进电机能都直接接收数字量，响应速度快而且工作可靠并无累计误差，常用作数字控 制系统驱动机构的动力元件，因此，在驱动装置中采用由步进电机构成的环控制方式，这种方式技能满足控制精度的要求，又能达到经济型、实用化目的。 目前的工业机械臂控制将每一个机械臂的联合看做一个简单的联合伺服。伺服方法不能从分地模仿不同的动力学机械手，因为它忽略了机械手整体的运动和配置。这些控制系统的参数的变化有时是足够重要，以至于使常规的反馈控制方法失效。其结果是减少了伺服相应的速度和阻尼，限制了京都和最终效应的速度，使系统仅适用于有限精度的工作。机械手以这种方式控制速度降低而没有不必要的震动。任何在这一领域和其 它领域的机械臂性能增益要求更有效率的动态模型、精密的控制方法、专门的计算机架构和并行处理技术。 在工业生产和其它领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体化的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 he is in to It be to do or it be to do or it be to of to in A be to of on as on a be of of be to to to in in be of as a an to a at it of be or a of be of a on of is in 1. A is a to or of a of to in a of a 2. to At of as of or in s as as be as to an is a be 3. is of It to is by s of of A 6 of of to of on a 4. of on of s to of s to do a of on is of 5. of of is in be a or a is in to do is in In in to it up or to a A . of of a to of of a of is to of be In is to a or a to be to As of is of It be a or a is as an of of to a in is to a in At of a is is up of a to to s it to a is of to of of a As s of of is by or or to or by is to by in of be of B. he in is of in is to s as as to of of a is in of of It of be is to an a is is to so it up a is up by to be a of of a on of 162to be in it to of a of of on of s of as of a As is a of in be or or C. he is to of to of is C of of is of if id by or to of is to be a a or an of of 机器人 文章出处：机械制造专业英语 主编：章跃 节选自第 21 课机器人 工业机器人是在生产环境中用以提高生产效率的工具，它能做常规乏味的装配线工作，或能做那些对于工人来说是危险的工作，例如：第一代工业机器人是用来在核电站中更换核燃料棒，如果人去做这项工作，将会遭受有害射线的辐射。工业机器人亦能工作在装配线上将小元件装配到一起，如将电子元件安放在电路印刷板，这样，工人就能从这项乏味的常规工作中解放出来。机器人也能按程序要求用来拆除炸弹，辅助残疾人，在社会的很多应用场合下履行职能。 机器人可以认为是将手臂 末端的工具、传感器和手爪移动到程序指定位置的一种机器。当机器人到达位置后，它将执行某种任务。这些任务可以是焊接、密封、机器装料、拆装以及装配工作。除了编程以及系统的开停之外，一般来说这些工作可以在无人干预下完成。 如下叙述的是机器人系统基本术语： 功能的机械手，通过给要完成的不同任务编制各种动作，它可以运动零件、材料、工具以及特殊装置。这个基本定义引导出后续段落的其他定义，从而描绘出一个完整的机器人系统。 某些位置点上机器人将停 下来做某些操作，如装配零件、喷涂油漆或者焊接。这些预编程点贮存在机器人的贮存器中，并为后续的连续操作所调用，而且这些预编程点像其他程序数据一样，可在日后随工作需要而变化。因且，正是这种可编程的特征，一个工业机器人很像一台计算机，数据可以在这里储存、后续调用与编辑。 使机器人能弯屈、延伸和旋转，提供这些运动的是机械手的轴，亦是所谓的机械手的自由度。一个机械人能有 3，自由度一词总是与机器人轴数相关。 它们是安装在机器人手臂末端的附件。这 些连在机器人手臂末端的附件可使机器人抬起工件、点焊、刷漆、电焊弧、钻孔、打毛刺以及根据机器人的要求去做各种各样的工作。 作单元是机器人执行任务所处的整体环境，该单元包括控制器、机械手、工作平台、安全保护装置或者传输装置。所有这些为保证机器人完成自己任务而必需的装置都包括在这一工作单元中。另外，来自外设的信号与机器人何时装配工作、取工件或放工件到传输装置上。 机器人系统有三个基本不见：机械手、控制器和动力源。 A机械手 机械手做机器人系统中粗重工作，它包括两个部分 ：机构和附件 ,机械手也有联接附件基座，如下图所示一机器人基座与附件之间的联接情况。 机械手基座通常固定在工作区域的地基上，有时基座也可以移动，在这种情况下基座安装在导轨或者轨道上，允许机械手从一个位置移动到另外一个位置。 正如前面所提到的那样，附件从机器人基座上延伸出来，附件就是 机器人的手臂，它可以是直线型，也可以是轴节型手臂，轴节型手臂也是大家所知的关节型手臂。 机械臂使机械手产生各轴的运动。这些轴连在一个安装基座上，然后再练到托架上，托架确保机械手停留在某一位置。 在手臂的 末端上，连接着手腕，手腕由辅助轴和手腕凸缘组成，手腕是让机器人用户在手腕凸缘上安装不同工具来做不同种工作。 机器手的轴使机械手在某一区域内执行任务，我们将这个区域为机器人的工作单元，该区域的大小与机械手的尺寸相对应，一个典型装配机器人的工作单元。随着机器人机械结构尺寸的增加，工作单元的范围也必须相应增加。 机械手的运动由执行元件或驱动系统来控制。执行元件或驱动系统允许各轴在工作单元内运动。驱动系统可用电气液压和气压动力，驱动系统所产生的动力经机构转变为机械能，驱动系统与机械传动链相匹配。由链、齿轮和滚珠丝杠 组成的机械传动链驱动着机器人的各轴。 机器人控制器是工作单元的核心。控制器储存着预编程序供后续条用、控制外设，及与厂内计算机进行通讯以满足产品经常更新的需要。 控制器用于控制机械手运动和在工作单元内控制机器人外设。用户可通过手持的示教盒将机械手运动的程序编入控制器。这些信息储存在控制器的存储器中以备后续调用，控制器存储了机器人系统的所有编程数据，它能存储几个不同的程序，并且所有这些程序均能编辑。 控制器要求能够在工作单元内与外设进行通信。例如控制器有一个输入端，它能标识某个机加工操作何时 完成。当该加工循环完成后，输入端接通，告诉控制器定位机械手以便能抓取以加工工件，随后机械手抓取一未加工工件，将其放置在机床上。接着，控制器给机床开始加工的信号。 控制器可以由根据时间顺序而步进的机械式轮毂组成，这种类型的控制器可用在非常简单的机械系统中。用于大多数机器人系统中的控制器代表现代电子学的水平，是更复杂的装置，即它们是由微处理器操纵的。这些微处理器可以是 8位， 16 位或 32 位处理器。它们可以使得控制器在操作工程中显得非常柔性。 控制器能通过通信线发送电信号，使它能与机器手各轴交流信息，在机器人的机械 手和控制器之间的双向交流信息可以保持系统操作和位置经常更新，控制器亦能控制安装在机器人手腕上的任何工具。 控制器也有与厂内各计算机进行通信的任务，这种通信联系使机器人成为计算机辅助制造（ 统的一个组成部分。 存储器。基于微处理器的系统运行时要与固态的存储装置相连 ,这些存储装置可以是磁泡，随机存储器、软盘、磁带等。每种记忆存储装置均能贮存、编辑信息以备后续调用和编辑。 动力源是给机器人和机器手提供动力的单元。传给机器人系统的动力源有两种，一种是用于控制器的交流电，另一种是用于驱动机 械手各轴的动力源，例如，如果机器人的机械手是由液压和气压驱动的，控制信号便传送到这些装置中，驱动机器人运动。 对于每一个机器人系统，动力是用来操纵机械手的。这些动力可来源于液压动力源、气压动 毕业设计（论文）任务书 系 部 ： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及自动化专业 学生姓名 : 学 号 : 设计 (论文 )题目 ： 基于视觉的移动机器人设计与分析 起 迄 日 期 : 设计 (论文 ) 地点 : 指 导 教 师 : 教 研 室 负 责 人 ： 发任务书日期 : 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 1本毕业设计（论文）课题的目的和要求： 设计目的： 通过该设计使学生 了解 移动机器人分类 ，结构以及 运动 控制方法，通过三维软件 可以 进行结构设计， 培养学生 独立工作 的 能力。 设计要求： 要求学生独立完成任务，掌握 三维软件 在结构设计方面的应用， 熟悉 机器人的运动学方程和机器人传感器的具体应用 。 2本毕业设计（论文）课题的技术要求 与数据（或论文主要内容）： 设计内容： 1、 移动 机器人 的 运动学 分析 ； 2、 移动机器人底盘 结构设计； 3、 移动机器人传感器层结构设计 ； 4、 移动机器人视觉传感器的软件 设计； 5、 视觉算法的研究 。 6、 撰写毕业设计说明书。 毕 业 设 计（论 文）任 务 书 3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括图纸、论文、图表、实物等： 1) 绘制机械结构零件图、装配图以及控制原理图：图纸量不少于折合成图幅 的图纸 3 张，其中手工绘图量折合图幅 的图纸不少于 1 张； 2) 编写 论文 一份 ： a) 计算正确完 整， 重点突出，论点明确，文字简洁通顺 ； b) 论文 中所引用的重要计算公式和数据要注明出处； c) 论文 字数不少于 2 万字 ，中文摘要 300 字左右，外文提要不少于 1000 个印刷符号 。 翻译与课题有关的外文资料 2 篇， 翻译 中文字数不少于 5000 字； 相关文献资料 15 篇以上。 4主要参考文献资料： 1 詹友刚，洪亮 文野火版 品设计通用教程 华大 学出版社， 2005 2 祁伟等 . 单片机 序设计教程与实验 北京航空航天大学出版社 2006 3 邓星钟等 . 机电传动控制 . 武汉 ： 华中科技大学 出版社 ， 2000 4 胡宴如 . 模拟电子技术 . 北京： 高等教育出版社 , 2007 4 4. R西格沃特 , I R诺巴克什 . 李人厚 . 自主移动机器人导论 M 西安交通大学出版社 , 2006: 2 濮良贵，纪名刚 . 机械设计 . 北京：高等教育出版社， 2001 6 廖常初 . 程与应用 . 北京：机械工业出版社， 2008 7 钱钧 , 杨汝清 , 王晨 , 周启龙 , 杨明 . 基于路标的智能车辆定位 J. 上海交通大学学报 , 895 谭民等 M等教育出版社 809 许俊勇，王景川，陈卫东 . 基于全景视觉的移动机器人同步定位与地图创建研究J 2008, 30(4): 2890 王昆，何小柏，汪信远 . 机械设计课程设计 . 北京：高等教育出版社， 2008 11 张广军 . 机器视觉 M. 北京：科学技术出版社 99 业 设 计（论 文）任 务 书 5本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2010 年 3 月 8 日 3 月 26 日 3 月 27 日 4 月 4 日 4 月 5 日 4 月 11 日 4 月 12 日 4 月 18 日 4 月 19 日 4 月 25 日 4 月 25 日 5 月 5 日 5 月 6 日 5 月 19 日 查阅相关 移动机器人技术 的相关 知识，并翻译相关英文资料，熟悉 三维设计软件 相关技术的应用 ，写出开题报告； 移动机器人底盘结构设计； 移动机器人传感器层结构设计 ； 移动机器人视觉传感器的软件 设计； 视觉算法的研究 。 整理设计计算结果，撰写设计说明书（注：设计说明书的大部分内容是穿插在上述内容中进行的）。 答辩 教研室审查意见： 负责人： 年 月 日 系部 意见： 系主任 ： 年 月 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 摘 要 移动机器人 1 是机器人的一个重要分支，被广泛的应用于工业、国防及其民用设施上。 随着机器人技术和人工智能技术的发展 ， 如何让多个机器人相互协调 、 配合来共同的研究和实验模型 ， 足球机器人系统是一个多学科交叉的前沿领域 ， 它涉及到机器人学 、 智能控制技术 、 通信技术 、 计算机技术 、 传感器技术 、 图像处理和人工智能等方向 ，正在成为国内外许多大学研究 、 比赛和交流的公共实验平台 。近年来人们对它的研究有了更大的关注。 本次设计的研究内容就是基于视觉导航的履带式移动机器人，以足 球机器人为研究模型，其核心内容是应用单片机 2 控制直流电机实现 机器人的智能控制， 采用视觉传感器解决 移动机器人的定位问题，实现机器人在给定 环境中的 “ 完全自主 ” 。能使机器人在未知的环境下，通过自身传感器测量周围环境数据，逐渐估计自身位置和运动状况，并把信号反馈到单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车 的运动控制。 内容包括： 器人采用两轮独立驱动的履带结构，动力源采用直流无刷电机，减速和传动装置采用齿轮传动，利用差速移动平台实现机器人的转向，选用 增量式光电编码器进行对机器人速度的检测，实现机器人的定位。 制部分采用 号单片机进行接受命令和产生驱动信号，电机的驱动部分采用 片利用接受到的单片机发出的信号来控制电机的转速。 3. 传感器部分：利用 视觉 传感器 收集图像，送至上位机进行图像处理。 关键词： 移动 机器人 单片机 运动控制 视觉传感器 图像处理 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I 1 is an of be in of on in a to in As a is an of so It a to It in is to be to 2 to a on s in by at to to a a 1. of by C by of 2. of of 293D to 3. to 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 录 摘 要 . I . 移动机器人 . 1 . 2 . 2 . 3 . 3 . 4 . 4 2 视觉移动机器人方案的确定 . 6 . 6 . 6 . 6 . 7 . 7 . 7 . 8 . 8 . 8 . 9 . 9 3 视觉移动机器人方案的确定 . 11 . 11 . 11 . 11 锥圆柱减速器的设计 . 12 . 12 . 13 锥齿轮传动的设计计算 . 13 柱齿轮传动的设计计算 . 17 据整理 . 20 的设计 . 20 . 21 . 22 4 视觉移动机器人控制系统设计 . 23 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 . 23 . 23 . 25 5 移动机器人的图像处理技术 . 27 . 27 . 27 . 27 . 28 . 30 结 论 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 附 录 . 34 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 移动机器人 机器人 1 是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 移动机器人技术一直是人类长期科学研究的热点。它的历史可以追溯到 20世纪六十 年代。 1962 年，美国 司的第一台机器人 美国通用汽车公司 (入使用，标志着第一代机器人的诞生。 1968 年 ， 美国斯坦福研究所公布 了 他们研发成功的机器人 机器人 能 够 根据人的指令 通过 视觉传感器发现并抓取积木 ,标志着 第一台智能机器人 的诞生，同时也揭开了移动机器人研究的序幕。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受 的 说法 是： 机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义： “机器人是 一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。 ”机器人能够利用各种传感器采集机器人所在环境的特征，通过各种环境特征可以自动地规划自己的行动路径，实现寻迹、避障等智能行为。 早期的机器人主要应用于工业领域，例如利用机器人搬运工件、更换刀具、焊接工件、喷射油漆以及实现零件的装配等工作。但是到了 90 年代，随着机械技术、计算机技术、微电子技术、网络技术以及人工智能技术的快速发展，机器人活动领域的不断扩大，机器人的应用从制造业领域向非制造业领 域不断发展，原先只是在工业中才使用的自主式机器人也开始进入到人们的日常生活中来，因此 在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域 都能看到移动机器人的身影，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等都陆续成立了机器人实验室，由此机器人技术得到了长久的发展。 本文设计的机器人实际上就是一种利用视觉传感器自动移动的机器装置， 由视觉传感器采集图像，送至上位机分析， 实现路径识别， 采用单片机控制直流无刷电机实现 对小车速度的控制， 达到运动要求。 题的现实意义 对智能机器人的研究有着广泛的现实意义，概括地说可以有三 点： 1. 智能机器人技术是一门综合性很强的技术。对移动机器人的设计包括机械结构、传感器、运动学方程、控制系统、路径规划以及各种算法的分析与设计。购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 因此移动机器人的研究涉及到的学科包括：机械加工技术、传感器技术、信息处理技术、通信技术、自动控制技术、电子技术、机器视觉技术、图像处理技术、网络技术以及计算机技术等等，所以移动机器人技术的发展使得各门科学技术都得到了长远的进步与发展，是科学技术不断发展的有力途径和工具。 2. 智能机器人有着广泛的应用前景，可以说它几乎渗透到了人类社会所有的领域。可以预见在未来的人 类社会里，移动机器人将会出现在我们生活中的每一个角落，成为时代发展的主流。随着人们生活水平的提高，人类对机器人的功能也提出了更高的要求，越来越多的移动机器人已经走入了我们的生活，在家里，服务型的室内机器人可以从事清洁卫生、园艺、垃圾处理、家庭护理与服务等作业；在医院，移动机器人可以从事手术、化验、助残、导盲、运输、康复及病人护理等作业；在商场和旅游中，导购机器人、导游机器人和表演机器人都使得人类生活变得丰富多彩。因此移动机器人已经成为未来社会非常有潜力的产业，谁可以掌握室内移动机器人的关键技术，谁就可以引领 世界的潮流。 3. 机器人的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要体现。它实现了工业的完全自动化，从机械加工到零件的装配，甚至连工艺的设计都由工业机器人完成。机器人带动了工业技术的革新，社会的发展以及其他领域的革命。当今社会，机器人正代替人发挥着日益重要的作用，不断地改变着人类的生活方式，因此完全可以说机器人技术的发展带动了整个人类社会的发展。 综上所述，我国对移动机器人的研究面临着很大的挑战，必须加大对机器人的开发与应用才能走在时代的前列。 能机器人的发展 自 机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个准确的定义，欧美国家认为机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械”；日本学者认为“机器人就是任何高级的自动机械”；我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会于 1979 年给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件 、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”概括说来，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 智能机器人的研究可以追溯到 20世纪 60 年代，在 1966至 1972年间 ,美国斯坦福研究院的和 人研制的机器人，身高 历史上第一个由计算机控制的自主式智能移动机器人。它由远程大型计算机控制，带有视觉传感器和触觉传感器，在室内的复杂环境中可以完成从一个地点移动到另一个地点，以及检测障碍物并移动障碍物到指定地点的任务。它的出 现标志着智能机器人研究的正式开始。 1970年前苏联月球 17号探测器把世界第一个无人驾驶的月球车送去月球，月球车行驶 里，考察了 8 万平方米的月面。后来的月球车行驶 37 公里，向地球发回 88 幅月面全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车 (应用于行星探测的研究。采用了摄像机，激光测距仪以及触觉传感器。机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型区域。 1973 年到 1979 年，斯坦福大学人工智能实验室研制了 动机器人，以自主地在办公室环境运行。 移动 1 米，就停下来通过摄像机的图片对环境进行分析，规划下一步的运行路径。由于当时计算机性能的限制， 5 分钟。 卡耐基梅隆大学机器人学研究所在 1981年开始研制，它具有 12个微处理器来处理实时任务，一个大型的远程计算机通过遥控方式来进行复杂规划与环境分析，并通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。 由于计算机的运行速度、传感器感知能力的限制，这些移动机器人的实时控制性能不佳。每自主前进一步都需要停下来花费大量的时间进行计算，因此在实际应用中通常采取 遥控的方式。进入 20世纪 90 年代，随着计算机技术的飞速发展，机器人的感知、决策能力也获得了长足的进步。到了 1994 年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开发了 I，这是一个 8足的移动机器人 1994年 4月，该机器人通过卫星通讯与 过网络由 耐基梅隆大学以及阿拉斯加火山观测所的科研人员控制 行阿拉斯加火山口观测，并收集了火山口喷出的气体样本。 机器人的发展 国内有关移动机器人研究的起步较晚，“八五”期间研制了 军用智能 机器人平台，由浙江大学、国防科技大学、清华大学、北京理工 大学、南京理工大学联合研制。“九五”期间又研制了军用“智能机器人平台 2号，道路自主驾驶的最高速度为 74Km/h。 在国家“十五” 863计划中，展开了一系列的有关智能机器人方面的研究。在危险环境下作业移动机器人、基于复合结构的非结构环境应用的移动机器人、购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 高机动性越障机器人、多足仿生机器人、仿人形机器人等研究项目取得了众多的成果。国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、中科院自动化研究所、沈阳自动化研究所等正在开展有关月球探测自主机器人的相 关研究。在 863专项支持下，清华大学开发了多功能室外智能移动机器人实验平台、上海交通大学研制了移动机构试验平台以及 。 211A 用了关节轮式移动结构，具有较强的越障能力。 主移动机器人作为中国大学的参赛队首次参加了 觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。沈阳自动化所研制的自行输送小车已投入生产现场，此外还研制了“多功能排险防暴机器人”和“蛇形机器人”。 2003 年国防 科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习 等智能控制算法，在高速公路上达到了 130Km/h 的稳定时速，最高时速 170Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位。 这一系列的成就推动了我国移动机器人技术的发展，缩短了与国外先进水平的差距，而且在某些领域也取得了国际领先的成果，己经成为我国机器人应用的一个突出领域。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 视觉移动机器人方案的确定 移动机器人利用视觉摄像头采集图像， 并对图像进行视觉处理，使移动机器人辨别球场与球颜色 的不同，并向足球方向移动，完成一个基于视觉的足球机器人的视觉系统设计。 利用单片机控制直流无刷电机，编码器等装置实现对电动车的速度运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。 力源的论证与选择 方案 1：步进电机 3 方案 2： 交 流电机 方案 3： 直 流电机 优缺点比较： 方案 1 步进电机 是将电 脉冲 信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电 机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个 步距脚 。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。但步进电机并不能像 普通的直流电机， 交流电机 在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机 却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 缺点是 效率较低，发热大，有时会“失步”。 方案 2 交流电机分为同步电机与异步电机。异步电动机按照定子相数的不同分为单项异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于工农业生产中。同步电动机的主要运行方式有三种，可以作为发电机，电动机，和补偿机。同步电动机主要用来发电。作为电动机使用时可以调节功率因数，在不需要调速的情况下可以提高运行效率。作为补偿机器时，改变励磁电流可以改善电网功率因数，调节 电网电压。然而交流电机必须携带电源线，这对于机器人来说不太方便并且由于机器人在行驶过程中需要对速度进行调整，而交流电机无法实现速度的变换。 方案 3 直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便， 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 小车 内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作 。而且 无刷直流电机采用方波电流供电，所用电机的转矩 /体积比更高。无刷直流电机结构更简单、制造成本更低。 无刷直流电机 产生方波电压和电流的变频器比产生正弦波电压和电流的变频器简单，选用无刷直流 电机更好。 最终方案 ：本次设计使用直流 无刷 电机 。 方案 1： 轮式 机构 5 方案 2：履带式结构 优缺点的比较： 方案 1 轮式 结构 是一个马达作为动力，通过变速箱驱动后轮；另一个马达转动导向轮来决定行驶方向。优点是在直道行驶速度较快、 方向和速度相互独立。 缺点为转弯半径大、驱动轮易打滑、导向轮方向不易精确控制。 方案 2 履带结构是 两个电机分别驱动两条履带。优点是可以在原地转动；在不平的路面上性能稳 定，牵引力大。缺点为速度慢、速度和方向不能单独控制摩擦力很大； 能量损耗大，机械结构复杂。 最终方案 ：履带结构能适应更为复杂的环境 ，本次设计选用履带式结构 方案 1：采用 充电动力电池组。 方案 2：采用 12V 蓄电池为直流电机供电。 优缺点的比较： 方案 1 采用 充电动力电池组。动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。 方案 2 采用 12V 蓄电池为直流电机供电，将 12V 电压降压、稳压后给单片机系统和其它芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，由于我们的车体在设计时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。 经过比 较， 本次设计 使用方案 1。 方案 1：带传动 6 方案 2：齿轮传动 优缺点的比较： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 方案 1 带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同，有靠带与带轮间的摩 擦力传动的摩擦型带传动，也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的同步带传动带传动具有结构简单、传动平稳 ， 且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点。 方案 2齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点 。 方案 一 ：使用红外传感器导航 任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，红外线传感器 测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。但是红外传感器在测距和探障过程中易受可见光的影响，特别在一些光线较强以及环境温度基本一样的条件下，其性能下降迅速，此外，使用红外传感器还需预先设定好轨迹，不宜于移动机器人的自主移动。 方案二： 使用 超声波传感器 导航 使用超声波传感器导航 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点 。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。 方案三 使用 视觉传感器 导航 视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素的能力，它主要部件就是照相机或摄像机，在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。视觉传感器通常因其精确性、易用性 、丰富功能及合理成本而成为最佳选择。 基于视觉的移动 机器人实用履带式 结构 ， 采用 充电动力电池组，使用直流 无刷电机作为机器人的动力源，利用视觉传感器采集图像， 通过 单片机 控制直流电机可以实现小车的前进，后退以及转向等功能 。 觉移动机器人控制系统设计方案 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 制系统的选择 7 ，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。 硬件结构基本上与微型计算机相同， 由 存器、电源构成。 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 机存储器 读存储器 种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 泛的应用在控制系统中，但是它们依然具有不同，他们的区别为： 为其价格较高，一般都是附加值较高的自动控制系统才会考虑。 可靠性高，抗干扰能力强 ； 硬件配套齐全，功能完善，适用性强 ； 易学易用，深受工程技术人员欢迎 ； 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造 ； 体积小，重量轻，能耗低 。 2 单片机又称单片微控制器 ,它 不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、为学习、应用和开发提供了便利条件 ，同时单片机的成本比 合考虑 本次设计 选择单片 机控制。 单片机有 8位， 16位， 32位等，这里的位指单片机 8位是指单片机一次可以计算 8位数据 ,16位是指单片机一次可以计算 16位数据 ,依次类推，在此次设计中用 8位单片机完全可以完成对机器人的控制，另考虑经济等方面 ， 本次设计 选择 8位单片机 . 制器的软件设计 9 在归纳了移动机器人各种运动行为的基础上，我们 总结了机器人的如下运动方式 : 两个电机启动。 2停止 :两个电机停止转动。 两个电机同时在现有速度基础上增加一个数量级，实现加速。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 两个电机同时在现有速度基础上减小一个数量级，实现减速。 改变一个电机的转向，完成转弯后作直线运动。 两个电机以相同的速度和转向运动。 这些 运动 覆盖了差动轮式移动系统的所有基本动作，通 过一系列电机控制的组合就可以灵活地控制机器人完成它所能够做到的任何动作。当移动机器人需要做出某种动作时，车载机只须将期望动作翻译为一个电机指令序列，发布给运动控制器，运动控制器就可以按部就班地控制机器人予以完成。 机器人的视觉系统 10 一般包括硬件与软件两个部分 ,前者是系统的基础 ,后者主要包括实现图像处理的基本算法以及一些实现人机交互的接口程序 . 基于计算机视觉的移动机器人导航实验系统的 硬件 部分由计算机、摄像头、 机器人地盘 组成。软 件分为 两 部分，即图像处理和机器人运动控制。基于视觉导航的原始输入图像是连续的数字视频图像。系统工作时，图像预处理模块首先对原始的输入图像进行缩小、边缘检测、等预处理。其次利用 计算机计算并 提取出对机器人有用的路径信息。最后，运动控制模块根据识别的路径信息，调用直行或转弯功能模块使机器人做相应的移动。 获 取 图 像特 征 抽 出 和分 割计 算 距 离 和角 度驱 动 机 器 人步 进 电 机 的 转向 和 速 度输 出 脉 冲摄 像 头 位 置和 伺 服 系 统图 像 处 理 单 元运 动 控 制 模 块图 2觉 系统流程图 在本次设计中，采用的是用摄像头实时的采集 图像 信息，经过 上位机 的内部处理， 通过单片机控制电机 来 实现运动要求 。购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 3 视觉移动机 器人方案的确定 动机的确定 从机器人是实际运动出发考虑，机器人的速度不能太快，否则会造成控制部分来不及处理和发送信号，电机不能及时做出反应，机器人在行进的过程中不能实现避障功能，碰撞到障碍物而损坏的情况。因此，机器人的移动速度定为V=. 按工作要求和条件，选用直流无刷电机 3 ，电压 12V. 动机功率的 选择 11 减速器输出轴的转速 n=100动轮直径 D=10060 1000 =s (3机器人的设计负重为 30公斤，动摩擦因数为 F=45N, T=m，考虑到机器人会携带上位机等设备，所以取 T=3N/m， 0039550 (3 传动装置的总传动比： 54321 * a
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