毕业论文-基于AS-ROBEI工程创新套件追光机器人的设计与研究

基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 I摘 要 机器人技术是现代先进制造技术和现代工业生产的主要和重要技术手段之一。同时，机器人技术综合机械工程、信息技术、电子工程、传感器应用、数学、物理等多学科知识，是研究和掌握工程领域现代化技术的有效对象。它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。 本文在查阅了大量国内外研究文献的基础上，全面分析了模块化机械电子产品的发展现状，针对产品设计过程中的控制机构，传感检测机构，信息处理机构以及控制机构，从理论与实践相结合的方法进行研究。通过分析，对 ROBEI 组件进行组装调试，实现了通过伺服控制卡控制电机，最终完成机器人追光的目的。 主要研究内容有： （1）运动执行机构与传感器检测机构。 （2）JVC控制系统的设计。 （3）AS-ROBEI模块的结构与控制。 关键词：模块化，机器人，AS-ROBEI模型 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 IIAbstract Robot technology is one of the modern advanced manufacturing technology and modern industrial production technology. At the same time, robot technology integrated in mechanical engineering, information technology, electronic engineering, sensor applications, mathematics, physics and other disciplines of knowledge, is the field of research and modern technology to project an effective target. It is a humanoid operation, high-speed operation, repeated operation and high precision automation equipment. After comprehensively analyzing the related history,now and future of conceptual design of the modular mechanical and electrical products, the process of product design for the control of institutions, testing organizations sensing, information processing and control institutions agencies, as well as from the combination of theory and practice of research methods.Through the analysis of assembly components ROBEI debugging, achieved high-level servo motor control card for servo motor control, finally realized the purpose of the robot to chase the light source. Generally speaking,the main contents are listed as follows: （ 1） Campaign implementing agencies and sensors detecting agencies. （ 2） The design of JVC controlling system. （ 3） The Structure and controlling of AS-ROBEI Module. Key words： modular， robot， AS-ROBEI model 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 III目 录 第一章 前言 .1 1.1 选题背景 . 1 1.2 研究意义 . 2 1.3 文献综述 . 3 1.4 研究的基本内容 . 6 1.5 机器人的发展概述 . 6 1.5.1 国外机器人技术发展状况 . 7 1.5.2 国内机器人技术发展状况 . 8 1.6 模块化机器人发展背景及现状 . 9 1.6.1 模块化机器人的发展背景 . 9 1.6.2 模块化机器人的发展现状 . 10 第二章 机器人结构的研究 . 12 2.1 能力风暴机器人的身体结构 . 12 2.1.1 控制部分主板和控制面板 . 12 2.1.2 感官部分传感器 . 13 2.1.3 执行部分扬声器、LCD 液晶屏、主动轮从动轮、直流电机 . 15 2.2 ASROBIE 机器人套件 . 16 2.2.1 伺服电机舵机 . 16 2.2.2 电机架与斜 U 型摇臂 . 18 2.2.3.U 型摇臂与移动基座 . 19 第三章 控制部分的研究 . 20 3.1 AS-SERVOA 高级伺服电机控制卡 . 20 3.1.1 AS-SERVOA 高级伺服电机控制卡的安装 . 20 3.2 检测 AS-SERVOA 高级伺服电机控制卡 . 22 3.2.1 AS-SERVOA 高级伺服电机控制卡函数介绍 . 24 3.3 ROBEI 组件的软件控制 . 27 3.3.1 流程图编程 . 27 第四章 创新套件模型-追光机器人 . 32 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 IV4.1 机器人的组装 . 32 4.2 机器人的控制程序 . 38 4.3 机器人调试 . 40 第五章 总结与展望 . 47 5.1 结论 . 47 5.2 技术经济分析 . 47 5.3 展望 . 47 参考文献 . 49致 谢 . 50 附 录 . 51声 明 . 55基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 1第一章 前 言 1.1 选题背景 ROBEI组件 是机器人工程创新（Robei Engineer Innovation）组件的简称，是学生个人研究项目、课程设计、毕业设计、工程训练及机器人比赛的创新实践平台，通过设计各种机器人的体验，可以培养学生的想象力创造力，并对机械、电子、自动化系统等知识有深刻直观的体会。AS-ROBEI工程创新套件追光机器人的设计与研究是通过创新模块构建出追光机器人类，并对通过程序对舵机的控制，执行任务。该组合具有工程性、创新性、设计性。创新设计产品与传统产品相比较，在当今和今后的社会发展中将占有更加重要的地位和更加广阔的市场，思维是最活跃的因素，新的创意是在需求的促进，比较的判定等多方面的共同作用下产生的，因此创新具有强烈的主观性、竞争性和不确定性。提高创新能力和创新水平，仅从简单的创新原理和创新技法，或从固有的设计思路追寻原由的思维方式 将限制我们的穿心和创造活动，因此，工程创新组件以及其模块化设计，丰富的功能组件和可视可编程模块，为广大学生大建了一个创新平台1。 AS-ROBEI 模块化工程创新系统高级套件是AS-EI 系列的高级应用，和AS-MII配合使用，通过伺服电极组合可实现上百个有趣的机械项目，其中机械部件可以用于主流机器人比赛，该套件不仅能有助于学生参加创新项目比赛，还能用于技术教育。我们针对课堂时间有限这一限制，调整AS-ROBEI 套件组成，增加结构模块，减少特殊模块，使更适合于教学应用。 模块化工程创新组件提供的是基本模块，而不是具体产品。因此，为了实现最终目标，学生必须设计、构建一个机器人并为其编程，使机器人完成指定的任务。由于实现目标地方法路径不同，解决问题的方案也不同。实际上，模块化工程创新组件的控制系统，具有输入、输出端口和红外通信口可以连接各种输入传感器和电动机等各种输出设备，这给创新思维的培养和创新设计能力的提高提供了一个非常良好的、直观的动手实践能力训练平台。 模块化工程创新组建在创新教育活动中可以发挥较大的时间作用。模块化3工程创新组件具有多方面特点： I、数千种丰富的积木块组成工业模型及机器 人的身体，包括机械技术部件，基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 2设计细致精巧，结合紧密，尺寸公差为小，拼搭灵活，创意无限。 II、各种传感器产生机器人的知觉，感知外界信息变化，配合软件进行数据采集，分析处理；运用摄像头还可以采集识别处理图像；发挥自己的创意，也可以自制传感器2。 1.2 研究意义 两院院士宋健曾说过:“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化。” 科学的进步与技术的创新,为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路与空间。自从二十世纪六十年代初人类创造了第一台机器人以后,机器人就显示出它极大的生命力,在短短不到五十年的时间中,机器人的技术得到迅速的发展。能力风暴个人机器人是优秀的科技类探索性课外活动的教具,它融合了光学、机械、电子、计算机、仿生学和人工智能等学科的高科技知识,集辅助教学和娱乐于一身。它具有三方面的特点: 1.提供强大的交互式C语言 2.采用模块化结构。 3.能力风暴运用开放式接口,达到了硬件的高度开放。 基于以上三点可知,能力风暴软件硬件开放性,使使用人员的动手能力在娱乐中得以提高。又由于它是多种高科技的融合,使用人员的综合能力也不容置疑地得以提高。这对于富有活力的年轻人而言,正是培养创造力、合作能力、进取精神的绝好机会。 机器人技术是现代先进制造技术和现代工业生产的主要和重要技术手段之一。同时，机器人技术综合机械工程、信息技术、电子工程、传感器应用、数学、物理等多学科知识，是研究和掌握工程领域现代化技术的有效对象。模块化工程创新组件较好的提供了机器人活动技法的创新平台。实践证明，动手学习是最好的工程学习方法之一，高等院校理工科类的学生投入他们感兴趣的机器人活动时，将对上述相关知识的学习有进一步的提高和加深。同时，还能提高实际动手能力、团队协助能力、解决问题能力、创新思维能力等，实现以教师教学为主转变为以学生为主的教学关系，这些都是作为一个当代大学生不可缺少的技能3。 教育机器人创新实践课程使大学的创新教育、实践教育以及专业技术教育拥有全新的模式,激活和强化学生的多元能力特长,训练学生的创新能力和实践能力,训基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 3练学生自主建构知识的能力。教育机器人创新实践课程使学生在实施项目的过程中建构广域的工科知识基地,对材料、机械电子、计算机硬件、软件均有直观的认知。在实践项目的过程中激发和强化他们的创造力、动手能力、协作能力、综合能力和进取精神。运用全评价体系,帮助学生全方位认知自己的能力结构和能力特点,为系统建构他们的能力特点打下基础。教育机器人创新实践课程帮助学生对产品开发、项目管理等有直观的认知。由于采用了先进的教育理念,有助于教师掌握全新教育理念,有助于学校决策层系统推动教育改革。 动手项目有很好的趣味性和挑战性,能有效地激发学生的学习兴趣构建一个好的实践教学平台能充分锻炼大学生的分析能力、创新能力、实践能力,基于这样的目的, 建设教育机器人实验室是必要的,并且提出方案在我校机电一体化专业中实施。在实施中从以下几个方面进行了探究:培养和开发学生多学科知识综合应用能力;对本学科所涉及的多领域知识有直观的认知;培养学生的团队合作能力;激发学生探究本专业相关问题的兴趣;了解机电一体化及机器人技术的发展趋势。 今天是经济趋势而是技术趋势决定着机器人技术的发展已存在的机器人技术有更新的趋势。这种新趋势首先表现在法国。在那里机器人革新的研究和实施搞得更认真座落在巴黎附近的公司在欧洲市场这一新领域中成功地开拓了全欧性的业务活动考察了，各种不同的创新活动的水平指出最根本的创造不仅要考 虑重复机器人的必要性而且要旧的结构以适应新的要求强调指出类似的工作在著名的机器人技术专家之一的企业里完企业里开展工作的特点欧洲成了注意到市场上过去和现在对机器人的需求是由企业满足的完成具体装配工序的机器人技术的更新。具有特殊意义在机器人创新过程中特别注意机。机器人过去的生活的信息和确定合理的改进方向因而指出机器人技术在很大程度上应用于汽车工业汽车厂最关心是机器人修复和重复使用的问题4。 1.3 文献综述 1.3.1 ROBEI 组件的设计与搭建 ROBEI组件中包括伺服电机及控制，ROBEI组件的基本组件和搭建基础，高级伺服电机驱动卡，软件控制等 。 1、伺服电机及控制 伺服电机俗称舵机，是一种位置伺服的驱动器，一般有以下几部分组成，舵盘，基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 4减速齿轮组，位置反馈电位计，直流电机，控制电路板等。适用于那些需要角度不断变化并可以以保持的控制系统。目前在高档控制玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型，遥控机器人中已经使用的比较普通。在机器人机电控制系统中，多级控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出指导机构，其简单的控制和输出时的单片机系统非常容易与之接口。 舵机的控制信号为周期是20ms的卖官调制信号，其中脉冲宽度为0.52.5ms，相对应舵盘位置 0180 度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。控制信号有接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms。宽度为1.5ms的基准信号，将获得的支流偏置电压与电位器的电压比较，活的电压差输出。最后电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。单电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器转动，使得电压差为0，电机停止转动3。 1.3.2 机器人的硬件组成 1、 传感器-机器人的感觉器官 传感器是一种与人的视觉、听觉、嗅觉、触觉、和味觉相对应，能代替人定量的测出感知对象的信息量，并能把被测的信息量转换成电脑能够识别、；判断的电信号的装置，因此又称为“电五官”。传感器大多由半导体器件组成。 能力风暴智能机器人有红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器、麦克风、光电编码器等五十多种十几个传感器，并可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力相当强。 2、微型计算机-机器人的大脑 机器人的大脑就是计算机，一般为单片微型计算机。能力风暴智能机器人的大脑是功能强大的M68HC11单片机。 3、执行器-机器人的四肢和嘴 执行器一般由电机和机械装置组成。能力风暴智能机器人的执行器有：两只高性能的直流电机，一只声音响亮的喇叭，一个 2*16 字符的液晶显示器，两只主动轮及其驱动机构，两只导向轮。因此能力风暴智能机器人是一个融合了微电子技术、传感器、通信技术和计算机技术的光、机、电一体化的自动控制系统。 1.3.3 能力风暴智能机器人的智力开发系统-交互式 C 语言 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 5硬件决定了机器人的极限潜能，而软件设计的目的就是开发机器人的潜能。交互式C语言适用于能力风暴机器人的专用开发系统。能力风暴智能机器人的一切行动功能都通过 JC 编程来控制。图形化交互式 C 语言使开发能力风暴智能机器人的高层行为充满了乐趣和挑战。 1、能力风暴智能机器人的动力 能力风暴智能机器人的动力来源于位于机器人地盘内的电池，电池提供电能，而机器人运动需要的是动能，而将电能转化为动能的是电动机。直流电机将轴的旋转动力输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人的运动。直流电机的电压大小影响它的转速和扭矩。直流电机在一定电压下转速和转矩成反比；如果改变电压，则转速转矩线随着电压的升降而升降。在能力风暴智能机器人里采用的是改变电机电压的方式来改变电机的转速。能力风暴智能机器人提供给电机的信号是方波。不同的方波它的平均电压不同，我们就利用这一点来进行机器人的速度控制。采用不同的脉宽调节平均典雅的高低，进而调节电机的转速。智能机器人通过主办发脉宽调制信号，通过改变脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压。 2、能力风暴智能机器人的驱动 能力风暴智能机器人的驱动采用的是差动驱动方式。差动方式是指将两个有差异的或独立的运动结合成一个运动。单我们把两个电机的运动结合成一个运动是时，这就成了差动驱动。在能力风暴智能机器人的底盘。有两个一样的齿轮头，每个齿轮头都包括一个直流电机，这样两个直流电机分别独立控制一个驱动轮，在运行时可以分别确定两个电机各自的转速。组合起来就能实现机器人的各种运动方式，这就是现了差动驱动方式。 1.3.5 下载、调试以及运行程序 写好的应用程序必须下载到能力风暴个人机器人上运行。我们可以选择菜单上“下载”-“下载当前程序”来下载当前窗口里的应用程序或直接选择工具栏里 “下载当前程序”按钮完成同样的操作。JC 会在交互式窗口里显示你的应用程序的编译下载过程。如果编译下载都正确,JC会在最后一行显示“#完成”,表明下载成功。下载过程中,你可以看到控制板前面的黄色 LED 在闪动,表明数据在传动。但是,若你编写的 JC 的程序有语法错误,那么 JC 编译就不会通过,也不能下载。JC 会在交互式窗口里显示程序的语法错误,提示错误可能在第几行 ( 用括号注明) ,并提示基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 6可能的语法错误。请回原程序窗口 (可以在菜单“窗口”里找到你的程序窗口) ,修改有关错误,再次编译下载,直到没有编译错误下载成功为止。用户程序下载后,按下能力风暴的“复位”键就能立即运行。 1.4 研究的基本内容 目前，工程类的机械设计基本上有两种情况。其一，是根据具体加工对象的具体情况进行专门设计，这是当前最普遍的做法。其二，随着我国机械行业的不断发展与成熟，广大机械设计者总结自己的理论与实践经验，将某些部件组合起来，有可能设计出具有新功能的通用部件。 本课题的智能机器人的机械结构的设计基本是第一种情况而进行设计的。鉴于智能机器人特点及现场使用情况，对智能机器人提出了如下设计要求： AS-ROBEI工程创新套件追光机器人的设计与研究是通过创新模块构建出追光机器人类，并对通过程序对舵机的控制，执行任务。该组合具有工程性、创新性、设计性。要求组装成追光机器人，并控制舵机控制，执行相关任务。研究设计应符合相关国家标准。 由以上要求提出如下设计方案： 系统的任务是使机器人通过光敏传感器捕捉光源信息,根据所得到信息进行动作命令,使其按计划正常运动,从而到达追光的目的。 （1）追光机器人要对光源有良好的感应，能够准确判断出发光源的位置方向并且能够感受到光源强弱。 （2）几个舵机之间的角度配合要合理，在各自的活动面内都能够转动自如，没有卡死或者转动吃力的现象。机器人的关节部分活动要良好。舵机与摇臂间的固定要到位，不要出现转动时打滑的现象，影响任务完成的效果。 1.5 机器人的发展概况 机器人技术是现代先进制造技术和现代工业生产的主要和重要技术手段之一。同时，机器人技术综合机械工程、信息技术、电子工程、传感器应用、数学、物理等多学科知识，是研究和掌握工程领域现代化技术的有效对象。它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和发展，不但使基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 7传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即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：“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。” 机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。 1.5.1 国外机器人技术发展现状 “机器人王国”日本最近提出要重新认识发展机器人技术的重要意义，并认为机器人技术与信息技术一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略技术领域。 目前，国外机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其现状及发展趋势主要体现在以下几个方面： 1机器人机构技术 目前已经开发出了多种类型机器人机构，运动自由度从3自由度到7或8自由度不等，其结构有串联、并联及垂直关节和平面关节多种。目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求。另外研究机器人一些新的设计方法，探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比。同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展。 2机器人控制技术 现已实现了机器人的全数字化控制，控制能力可达 21 轴的协调运动控制；基于传感器的控制技术已取得了重大进展。目前重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，具有良好的语言及图形编辑界面。同时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于 PC 机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为重点研究内容。 3数字伺服驱动技术 机器人已经实现了全数字交流伺服驱动控制，绝对位置反馈。目前正研究利用基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 8计算机技术，探索高效的控制驱动算法，提高系统的响应速度和控制精度；同时利用现场总线（FILDBUS）技术，实现的分布式控制。 4多传感系统技术 为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传 感器的应用是其问题解决的关键。目前视觉传感器、激光传感器等已在机器人中成功应用。下一步的研究热点集中在有效可行的（特别是在非线性及非平稳非正态分布的情形下）多传感器融合算法，以及解决传感系统的实用化问题。 5机器人应用技术 机器人应用技术主要包括机器人工作环境的优化设计和智能作业。优化设计主要利用各种先进的计算机手段，实现设计的动态分析和仿真，提高设计效率和优化。智能作业则是利用传感器技术和控制方法，实现机器人作业的高度柔性和对环境的适应性，同时降低操作人员参与的复杂性。目前，机器人的作业主要靠人的参与实现示教，缺乏自我学习和自我完善的能力。这方面的研究工作刚刚开始。 6机器人网络化技术 网络化使机器人由独立的系统向群体系统发展，使远距离操作监控、维护及遥控脑型工厂成为可能，这是机器人技术发展的一个里程碑。目前，机器人仅仅实现了简单的网络通讯和控制，网络化机器人是目前机器人研究中的热点之一。 7机器人灵巧化和智能化发展 机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展6。 1.5.2 国内机器人技术发展现状 中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和 863 计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家 20 世纪 80 年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有:数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 9工程机械、家电等行业。 我国机器人技术主题发展的战略目标是:根据 2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有:第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:主要有脑 外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成7。 1.6 模块化机器人的背景与发展 1.6.1 模块化机器人的发展背景 既然研究的是模块化机器人，我们就有必要首先了解模块化等相关概念。模块化机器人的发展得益于模块化设计的发展。模块化的思想由来已久, 可以由古城砖的长、宽、高尺寸的比例确定体现出来。现代, 模块化设计思想自50 年代由欧美提出以来, 已应用在如建筑、家具、电子、船舶等各个行业。人们所共知的计算机软件的模块化结构及计算机硬件插板等就是这一设计思想的具体体现。 从理论上来讲,机器人是一种柔性设备,它能通过编程来适应新的工作,然而实际应用中很少使用这种情况.由于市场全球化 的竟争,机器人的应用范围要求越来越广,而每种机器人的构形仅能适应一定的有 限范围,因此机器人的柔性不能满足市场变化的要求,解决这一问题的方法就是开发可重构模块化机器人系统。它是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成,能够被装配成各种不同构形的机器人,以适应不同的工作.因此可重构机器 人系统的研究已引起越来越多的研究者和工业应用的兴趣。 实施模块化设计的重要前提是“三化”即： 产品系列化，产品品种系列化的目的在于用有限的品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足市场对该类产品的需求。模块通用化，通用化是在新产品设计中，通过借用原有产品的成熟零部件来缩短设计周期、降低成本、增加产品的质量可靠性，在模块化设计中，同一种功能的模块单元不一定是一种单一的部件，可能是若干可互换的模块部件，从而使所组成的产品在结构上和性能上更为协调。在模块化设计中，同一功能的模块可在基型、变型、甚至跨系列、跨类的产品中使基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 10用，所以它具有在较大范围内通用化的特征。零件及接口的标准化，标准化是更大范围内的通用，可以是跨品种、跨厂家甚至是跨行业的通用。由于这种高度的通用化，使得这种标准件可以由工厂的单独部门或专门的工厂去单独进行专业化制造，从而降低成本、节省材料。在模块化设计中，为了经济地适应多品种小批量的生产模式，尽量使用标准化的零件，并使相关的模块之间的连接接口及结构要素一致，或使其标准化，以便于装配和互换。 1.6.2 模块化机器人的发展现状 模块化机器人的发展得益于模块化设计在机电领域的应用。模块化设计已经在许多行业广泛采用，并针对各自产品的特点，形成了相应的模块化设计制造体系。就机电行业而言，机床结构模块化设计在国外应用十分普遍，已使企业从产品设计、工艺到制造形成一整套模块化管理体系。我国自 70 年代末也有不少机床厂开始了模块化设计的尝试，到现在业已取得了一定的成绩。可以说模块化设计在机床行业的研究发展比较深入。 国外对可重构机器人系统也已经进行了大量的 研究,目前已经开发的模块化机器人系统或可重构机器人系统主要有两类:一 类是动态可重构机器人系统,另一类是静态可重构机器人系统. 动态可重构机器人系统是由一套独立的机电模 块组成的,每个模块都有连接.脱开及越过相邻模块的功能,每个模块没有动 力,但允许动力和信息输入且可通过它输到相邻模块,构形改变是通过每个模块在 相邻模块上的移动来实现的,这种系统具有动态自重构的能力。静态可重构机器人系统有 Benhabib 的模块化机器人这里提出了基于遥驱动技术的模块机器人单元, 驱动方式类似于传统的工业机器人,认为驱动部分太重,影响模块机器人的能力, 虽然采用该驱动方式使模块化机器人柔性降低,但易实现,是一个折衷的方案。从应用范围来看,动态可重构机器人系统主要适用于玩具行业及非制造行业,如空间机 器人.危险作业环境下的特殊机器人等,静态可重构机器人系统主要适用于工业机器人。可重构模块化机器人系统是由一套具有不同尺寸和性能特征的模块组成的,通过这些模块能快速装配出最适用于完成给定任务的机器人.因此可重构模块化机器人系统应具有以下功能: (1)用户应能很方便地拆散和装配各种模块组成不同的机器人构形满足特定的工作要求; (2)构造的机器人构形使用的模块数和模块类型应尽可能地少; 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 11(3)用户对控制软件的修改也不应做复杂的操作; (4)装配的模块化机器人应能立即工作,完成实际任务8。 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 12第二章 机器人结构的研究 AS-ROBEI创新机器人是由能力风暴机器人和ROBEI机器人套件两部分构成的，其中能力风暴机器人是控制部分，其上有多功能扩展卡，通过扩展卡存储程序并与机器人相连接，来控制机器人的运动。机器人的身体部分由机器人套件组成。 2.1 能力风暴机器人的身体结构 2.1.1 控制部分主板和控制面板 1、主板-能力风暴的大脑 位于能力风暴心脏部位的控制部件是能力风暴 的大脑-主板，由中央处理器（CPU）存储器（RAM）数据总线和输入输出口以及外围接口电路所组成。跟人的大脑一样，它在控制机体运动的时候，要完成接受信息、处理信息、发出指令等一系列过程。能力风暴的大脑有记忆功能，这主要由主板上的内存实现，至于大脑的分析、判断、决策的功能则由主板上的众多芯片共同完成。 图 2-1 AS-UII 的控制部分 2、控制面板 开关按钮 控制AS-UII电源开关的按钮，可以打开或关闭机器人电源。 “电源”指示灯 按下AS-UII的开关后，这个灯会发绿光，这是可以与机器人进行交流了。 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 13“充电”指示灯 当你给机器人充电时，此灯会发红光。 “充电口” 将充电器的相应端插入此口，再将另一端插到电源上，即可对机器人充电。 “下载口” “充电口”旁边的“下载口”用于下载程序到机器人主板上，使用时只需将串口连接线的相应段插入下载口，另一段与计算机连接好，这样机器人与计算机就连接起来了。 “复位/ASOS”按钮 这个是复合按钮，用于下载操作系统和复位。当串口通信线接在下载口上时，点击此按钮，机器人系统默认为此操作为下载操作系统;如果你想使用其复位功能则需要将通信线拔下，点击此按钮，机器人系统认为此操作为系统复位。 “运行”键 打开电源后，点击“运行”键，机器人就可以运行内部已存储的程序，按照你的指令行动。 “通信”指示灯 “通信”指示灯位于机器人主板前方，在给AS-UII下载程序时，这个黄灯会闪烁，这样就表明下载正常，程序正在进入机器人的大脑即CPU9。 2.1.2 感官部分传感器 传感器是一种与人的视觉、听觉、嗅觉、触觉、和味觉相对应，能代替人定量的测出感知对象的信息量，并能把被测的信息量转换成电脑能够识别、；判断的电信号的装置，因此又称为“电五官”。 AS-UII机器人的传感器，如图2-2，主要有以下5种传感器。 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 14图 2-2 机器人传感器部分 1、碰撞传感器 AS-UII机器人的下部放置了一个碰撞系统，保证AS-UII机器人的正常活动。AS-UII 机器人的碰撞机构能够检测到来自 360范围内物体的碰撞，使 AS-UII 机器人遭遇到来自不同方向的碰撞后，能够转弯避开并保持正常活动。 2、红外传感器 AS-UII机器人的红外传感器共包括两种器件:红外发射管和红外接收管，看图2-2 就可以发现红外接收管位于 AS-UII 机器人的正前方，两只红外发射管位于红外接收管的两侧。红外发射管可以发出红外线，红外线在遇到障碍后被反射回来，红外接收管接收到被反射会来的红外线以后，通过 A/D 转换送入 CPU 进行处理。AS-UII 机器人的红外传感器能够看到前方 10cm80cm，90范围内的障碍物，障碍物面积须在 210mmx150mm 以上。如果障碍物太小太细、或者在它的可视范围以外，它就没办法看到了。 3、光敏传感器 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 15光敏传感器是由两个光敏电阻组成，它位于机器人的正前方。 光敏传感器能够探测光线，不过在这里我们是让它看见特定的颜色。我们在AS-UII机器人的光敏传感器上罩上了一层滤光纸，通过它的颜色来决定AS-UII机器人能够探测到什么颜色的光线。 4、话筒 AS-UII 机器人的话筒功能很强， 它可以感受到声音的强弱。我们知道我们自己的耳朵并不是所有声音都可以听得见，我们听见的声音在一定的频率范围内，AS-UII 的“耳朵”也是这样，它能够听见的声音频率范围跟人能听到的范围大致是一样的，大约是 16Hz20000Hz 的机械波。AS-UII 机器人在听到你的声音命令后，会根据你的指示采取行动。 5、光电编码器 在AS-UII机器人里有码盘和光耦。光电编码器主要作为控制的反馈信号。光耦通过测定随轮轴一起转动的码盘的转动角度，得出轮子所转动的圈数，从而测定距离10。 2.1.3 执行部分扬声器、LCD 液晶屏、主动轮从动轮、直流电机 执行器一般由电机和机械装置组成。能力风暴智能机器人的执行器有：两只高性能的直流电机，一只声音响亮的喇叭，一个 2*16 字符的液晶显示器，两只主动轮及其驱动机构，两只导向轮。 1、扬声器 能力风暴也可以说话，它的嘴就是扬声器。当然现在还不能让能力风暴说人话，扬声器只能发出一定频率的声音，也可以通过编程让机器人演奏歌曲。 2、LCD-能力风暴的特殊表达方式 能力风暴的液晶显示屏可以表达自己，简称 LCD。LCD 可以显示各种字符来与外界进行交流，表示它遇到了什么，正在做什么和想干什么。利用LCD可以单步显示程序运行的中间结果。 3、主动轮从动轮及其驱动机构 能力风暴的轮子一共有四只：两只主动轮、两只从动轮。主动轮带动整个能力风暴运动，从动轮起到平衡和导向的作用。在4只轮子的共同配合下，能力风暴能够完成向前直走、向后倒退、左转、右转、原地打转等技术动作。正因为有驱动机构齿轮箱的存在，AS-UII才可以利用直流电机输出的动力。 基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 164、直流电机 在AS-UII机器人上装有两个直流电机。可以将电池提供的电能转化为动能，让机器人动起来。机器人的运动速度是通过电机来调节的11。 22 AS-ROBEI 机器人套件 2.2.1 伺服电机舵机 伺服电机俗称舵机，是一种位置伺服的驱动器，一般有以下几部分组成，舵盘，减速齿轮组，位置反馈电位计，直流电机，控制电路板等。适用于那些需要角度不断变化并可以以保持的控制系统。目前在高档控制玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型，遥控机器人中已经使用的比较普通。在机器人机电控制系统中，多级控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出指导机构，其简单的控制和输出时的单片机系统非常容易与之接口。 图 2-4 伺服电机- 舵机 1、舵机工作原理 舵机的控制信号为周期是20ms的卖官调制信号，其中脉冲宽度为0.52.5ms，基于 AS-ROBEI 工程创新套件追光机器人的设计与研究 17相对应舵盘位置0180度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。控制信号有接收