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1 简易机器人制作 2 一 概述 1 机器人的发展与应用2 机器人的定义3 课标有关本课程的大纲要求4 广东版教材的体系结构 3 1 机器人的发展与应用 1954年 美国人 G C Devod 申请了工业机器人专利1958年 美国制造出第一台工业机器人半个世纪来 机器人技术得到高速发展 目前全世界机器人的保有量超过100万台 并以每年10万台的速度在增长 机器人以从单一的工业应用发展到许多领域 如军用 探险 医疗 服务等 4 简易机器人的结构与应用 简易机器人结构相对简单 价格便宜 一般分为控制与机械两大部分 机械包括机体结构 动力装置 传动机构和执行机构等 控制包括单片机 或嵌入式 系统及其软件 传感器及其电路 控制驱动电路等 5 简易机器人的基本结构框图 6 对 简易 的理解 与在现实生活各个领域服役的机器人比较 简易机器人 有如下不同 7 2 机器人的定义 目前世界上有关机器人的定义没有统一的答案 日本 机器人是一种具有移动性 个体性 智能性 通用性 半机械半人性 自动性 奴隶性等七个特征的柔性机器 法国 机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统 并以此系统的使用方法为研究对象 国际标准化组织 工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能 能完成各种作业的可编程操作机 中国 机器人是一种自动化的机器 它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 是一种高度灵活的自动化机器 8 3 课标关于 简易机器人制作 的大纲要点 基于计算机技术的学习平台 将机械 电子和单片机的应用有机组合起来 通过本课程的学习 学生应该知道单片机和机械传动的基本知识 能设计与制作由单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统 课程由 单片机及其控制程序 单片机与控制电路 单片机与传动机械 三个主题构成 给学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计 制作 以解决实际问题的机会 9 4 广东版教材体系结构 全书分为四章 第1 2 3章分别对应于课标的三个主题 第4章介绍应用有关机器人教具平台制作简易机器人的案例作为教学的参考 10 二 教材涉及的知识与教法 1 简易机器人的控制核心 单片机的基本知识 2 简易机器人的控制电路 3 简易机器人的机械传动 4 教具介绍 11 1 单片机基本知识内容提要 1 课标的要求 2 什么是单片机 3 单片机的特点及应用 4 单片机的内部基本结构 5 单片机的外引脚与最小应用系统 6 单片机的软件 7 设计与实践 12 1 课标的要求 1 知道单片机的特点和应用 第1节 2 知道单片机的基本组成及工作过程 第2节 3 知道单片机集成电路引脚的功能 第3节 4 了解一种单片机的编程语言 掌握一种单片机常用的编程指令 第4节 5 学会用指令编制简单的控制程序 并能根据试验进行修正 设计与实践 6 能操作单片机编程器将编写的程序烧结固化 设计与实践 13 2 什么是单片机 单片机全称单片微型计算机 Single ChipMicrocomputer 也称微控制器 Micro Controller 它是一片大规模的集成电路芯片 在这个芯片里集成了计算机的基本部件 包括中央处理器 CPU 存储器 RAM和ROM 定时振荡器 时钟 和输入输出接口 I O接口 等部件 一片芯片就相当于一个微型计算机 使用者只要将程序编写固化到芯片内 单片机一上电复位就能按程序执行 完成我们事先预定的任务 14 3 单片机的特点及应用 用软件取代硬件电路 实现微控技术 功能强 使用灵活 成本低 体积小 功耗低 抗干扰能力强 单片机的应用已渗透到各个领域 如各种设备的自动控制 智能仪器仪表 医疗器械 交通信号控制 汽车电子控制 导弹 导航 智能武器 军用机器人等 据报道 20世纪90年代初期 美国家庭平均拥有64个单片机 到2000年该拥有量已增至226个 由此可见单片机的广阔应用前景 15 4 单片机内部基本结构 16 5 外引脚及最小应用系统 以AT89C2051为例 17 引脚功能说明 18 最小系统应用实例 19 6 单片机的软件 机器语言 汇编语言 高级语言机器语言是CPU能够直接识别并执行的最底层的语言 它由一些二进制代码组成 不同系列单片机其代码意义不相同 汇编语言是用一些助记符来代替机器语言中的指令代码 它与机器指令一一对应同时又便于人们学习和记忆 高级语言 如C语言 图形化语言等 是按一定的语法规则组成的 它更加符合人们的语言习惯 程序的可读性高 编程简单快捷并具有可移植性 51系列单片机指令系统具有33种功能 7种寻址方式 共有111条基本指令 20 亮点流动程序分析 ORG0000HSTART MOVA 11111110B LOOP MOVP1 AACALLDELAY 调延时子程序RLA A左移一位SJMPLOOP 转回LOOP处再将A送P1口DELAY MOVR7 80HL1 MOVR6 0FFHL2 NOPNOPNOPNOPDJNZR6 L2DJNZR7 L1RETEND 21 图形化语言 基于流程图的图形化语言基于LabView的图形化语言 22 7 设计与实践 教材在第一章第3节安排了一个实践活动 让学生制作一个单片机最小应用系统并编写程序烧写到单片机 最后运行观察结果并反复修改程序观察结果 23 24 25 26 27 2 简易机器人的控制电路内容提要 1 课标的要求 2 简易机器人常用传感器 3 传感器与单片机的接口电路 4 继电器与单片机的接口 5 直流电动机的控制 28 1 课标的要求 1 了解电子控制系统的基本组成 知道单片机是一种使用广泛的控制电路 2 知道常见的传感器及其作用 3 了解继电器的结构和工作原理 并能掌握简单的使用方法 4 能用传感器 单片机和继电器等安装一个简单控制装置 并进行试验 29 30 2 简易机器人常用传感器 人通过五官感知外部环境的各种信息并传递到大脑 大脑综合分析判断各种信息后输出控制信号去控制肢体作出相应的动作和反应 简易机器人的电子控制系统也与人类似 它通过各种传感器感知外部信息后传递到单片机 单片机处理后输出相应控制信号去控制相应的执行机构作出反应 31 五官与传感器 32 简易机器人常用传感器 接触开关红外光电传感器超声波传感器位置位移传感器力觉传感器听觉传感器视觉传感器 33 开关 常用有按键开关 拨动开关和接触开关 微动开关 等 微动开关往往用于碰触传感 如防碰撞 限位等 拨动开关往往用于选择输入 地址编码设定等 按键开关用于复位 键盘等 34 二 光电传感器 光电传感器有光敏电阻 光敏二 三 极管 光电池 光电倍增管等 还有CCD CMOS等图像传感器 光敏电阻 也称光导管 是一种价格低廉 光谱范围广 灵敏度高 暗电阻1 100M 亮电阻1K以下 且使用方便的光敏器件 在简易机器人中常用于亮度变化检测器件 由于阻值与光强是非线性的 一般不作为光强检测器件 光电池也称太阳能电池 它直接将光能转变成电能 也是一个光敏器件 它的短路电流与光照度在一定范围内成线性 常用于测量照度 光强 35 2 1红外光电传感器 由一只红外发射管和一只红外光电二极管组成 由于其价格低 寿命长 使用方便等特点 此类传感器目前应用广泛 如非接触性开关 遥控 安防等 在简易机器人中往往用于巡线检测 红外发光管的材料一般为砷化钾半导体 发光波长范围是0 76 1 5um 一般是930nm 管压降为1 0 1 3V 工作电流20 50mA 36 光敏二极管特性 红外光敏二极管在无光照时其反向电阻为无穷大 正向电阻大约为10K 有光照时 反向电阻随光照强度增加而减小 阻值可达几K或1K以下 无反压时 正向电压与光照强度成比例 一般可达0 2 0 4V 应用电路 37 三 超声波传感器 由发射和接受两大部分组成 除了电路 主要器件是超声换能器 其基本原理是基于压电效应 发射与接受往往使用同一个探头 超声波测距是通过发射声波 接受反射回波并计算回波时间从而得出与反射物体的距离 R V T 2简易机器人往往应用超声波探测前方障碍物的距离 从而实现避障功能 38 脉冲回波式检测示意图 39 超声波测距的基本特性 测距精度 17cm ms测距范围 小于10米超声波不受被测物体的透明度 颜色 电导率的影响 但不适合测量海棉或棉织物等吸音材料 40 四 位置传感器 位置传感器既可以用来检测位移 角位移和线位移 也可用于检测运动 在机器人中应用较广 如手 脚的移动定位等检测 41 4 1电位器式位置传感器 这是一种最简单的位置传感器 有旋转式的也有直线式 它们拥有以下特点 1 性能稳定 结构简单 精度较高 2 输出信号范围可以选择 3 输入输出特性可以是线性的也可以是其它函数关系 4 具有断电保持功能 5 模拟电压输出 需接A D转换器 6 属于接触式 触点易磨损 寿命有限 7 有一定的测量范围 需加限位开关 42 4 2光电式编码器 光电式编码器是一种非接触的数字位置位移传感器 它的基本原理是采用红外发射接受管 检测编码盘的位置或移动的方向 速度等 其优缺点刚好与电位器式相反 它是数字信号输出 接口方便 非接触式寿命长 不需限位可以无限次旋转等 有绝对式和增量式两种形式 43 绝对式编码器的码盘示意图 44 4 2 2增量式编码器 45 增量式编码器的原理 增量式光电编码盘上只有A B C三条码道 只需要三对红外发射接受管 在A B码道上分别刻有等距离的黑白相间标识 或透光缝隙 并相互错开半个缝宽 90度 C道只有一个黑点 每转一圈出一个脉冲 应用增量式编码器可以得到运动的方向 正转 反转 运动的速度 位移等信息 46 五 力觉传感器 有关力和压力传感器种类较多 例如压电晶体 受到挤压会产生相应电压 如电唱机 力敏电阻 一种聚合物厚膜器件 其阻值随垂直施加在表面的力的增加而降低 电阻应变片 阻值与形变成正比 47 六 声音传感器 一般采用话筒 麦克风 作为声音传感器 有动圈式和电容式两种 在简易机器人中往往作为检测声音的有无 声音的大小等简单声控功能 48 3 传感器与单片机的接口电路 1 数字 开关 量传感器 如接触开关 光控开关 声控开关等 可直接或稍加变换后接入单片机 2 模拟量传感器 一般须通过信号调理 A D变换后输入单片机 49 50 开关量控制整形电路 51 模拟接口电路 52 4 继电器与单片机接口 53 固态继电器 工作原理 使用可控硅 晶闸管 作为功率开关元件 光电耦合元件作为控制和隔离器件 工作特点 1 无触点 寿命长 2 采用光耦隔离 抗干扰能力强 3 控制简单 可控功率大 4 适合交流控制应用 54 固态继电器使用方法 55 5 直流电动机的控制 简易机器人一般采用小功率直流电动机 其驱动可用晶体三极管或继电器 其控制有转向和转速的控制 转向采用H桥电路 转速采用PWM技术 56 转向控制电路 57 转速控制 PWM 原理 58 专用集成控制芯片 59 60 3 简易机器人的机械传动 1 课标的内容标准 2 齿轮传动 3 带传动与链传动 4 平面连杆与凸轮 61 课标的要求 1 知道一般机械的组成 了解常见的机械传动的方式 例 机械一般由动力部分 传动部分 执行部分和机体组成 例 常见的机械传动有带传动 链传动 齿轮传动和平面连杆传动等 2 了解常见齿轮传动的特点 形式和应用 会计算简单的齿轮传动比 例 常见的齿轮传动有圆柱齿轮传动 圆锥齿轮传动 蜗杆传动和齿条传动等 例 蜗杆传动具有传动比大 传动平稳 能自锁等特点 3 能按照装配图样安装简单的齿轮装置 并进行调试 例装配电动玩具中的齿轮箱 4 了解常见的连杆传动机构的结构及其应用 能设计和制作简单的连杆装置 例 收缩门 支架式工具箱中的平行连杆机构 缝纫机脚踏板的曲柄连杆机构 例 以竹片和细竹管等为材料制作的可缩放毛巾架 5 能设计一个简单的电动机械 并进行安装和调试 6 能设计和制作一个由传感器 单片机 继电器 电动机和传动机械等组成的简易机器人或简单的自动控制系统 并能通过试验完成2 3个规定的动作 62 机械传动 传动是机械中的重要组成部分 运动的机械都离不开传动 同样 机械传动也是简易机器人中的一项重要技术 常用的机械传动有齿轮传动 带传动 链传动 平面连杆传动 凸轮连杆传动 液压传动 气压传动等 63 一 齿轮传动 齿轮传动特点优点 1 适用的圆周速度和功率范围较广 2 传动效率高 3 传动平稳 4 结构紧凑寿命长工作可靠 5 可实现任意两轴之间的传动 缺点 1 制造和安装精度要求较高 成本较高 2 不适合较大距离的传动 3 没有过载保护作用 64 二 齿轮传动的分类 根据齿轮两轴的相对位置分类1 两轴平行的有 圆柱齿轮 直齿 斜齿 人字齿 2 两轴相交的有 圆锥齿轮 直齿 曲齿 3 两轴相错的有 螺旋齿轮根据两齿轮的啮合方式分类1 外啮合齿轮传动2 内啮合齿轮传动3 齿轮与齿条传动 65 齿轮传动比的计算 传动比即两运动齿轮角速度之比 设一对齿轮其主动轮的角速度为w1 齿数为z1 从动轮的角速度为w2 齿数为z2 则传动比为 i12 w1 w2 z2 z1传动比反映速度之比 也反映转矩之比 传动比大于1 是减速传动 传动力矩增加 反之是加速运动 传动力矩减少 66 蜗杆蜗轮传动 用来传递空间互相垂直而不相交的两轴间的运动和动力的传动机构 特点1 传动比大 传动力矩大 2 结构紧凑 传动平稳 3 有自锁性能 67 齿轮系 为了实现复杂的机械传动 往往会使用多个或多种齿轮组成一个系统 齿轮系分为定轴轮系 周转轮系和复合轮系三大类 定轴轮系的传动比是指首轮 一般是主动轮 与末轮的角速度之比 其计算方法是将逐级的传动比相乘 即 定轴轮系的传动比 所有从动轮齿数的连乘积 所有主动轮齿数的连乘积 68 定轴轮系图例 69 例 定轴轮系传动比的计算 如图已知 z1 10 z2 20 z3 80 z3 10 z4 40 z4 10 z5 30 求传动比i15 i15 z2 z1 z3 z2 z4 z3 z5 z4 96 70 带传动与链传动 带传动和链传动都是利用中间挠性件 带或链 把主动轴的运动和动力传给从动轴的 这两种传动形式适用于两轴中心距较大的传动 带传动的组成及其分类 由主动轮 从动轮和张紧在两轮上的带组成 靠传动带与带轮之间的摩擦力来传递动力 按传动带截面形状分为 平