基于慧魚組件的通訊排障機(jī)器人設(shè)計(jì)—控制部分設(shè)計(jì)【輪式機(jī)器人總體設(shè)計(jì)】,輪式機(jī)器人總體設(shè)計(jì),基于慧魚組件的通訊排障機(jī)器人設(shè)計(jì)—控制部分設(shè)計(jì)【輪式機(jī)器人總體設(shè)計(jì)】,基于,組件,通訊,通信,機(jī)器人,設(shè)計(jì),控制,節(jié)制,部分,部份,輪式,總體,整體 第 27 頁 共 27 頁 1 引言 機(jī)器人是21世紀(jì)技術(shù)前沿課題，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在社會各領(lǐng)域的作用越來越大。對機(jī)器人的研究已成為熱門課題。尋跡機(jī)器人是一種被廣泛研究的機(jī)器人，而且國內(nèi)外都有許多重要的比賽。它是在給定的區(qū)域內(nèi)延著軌跡完成對各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的訪同。其主要指標(biāo)是速度和順利完成任務(wù)的能力。尋跡機(jī)器人涉及到傳感器技術(shù)，單片機(jī)控制、信號處理、電機(jī)驅(qū)動、人工智能、驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域。本文描述的通訊排障機(jī)器人利用紅外傳感器感知外界信號、光電編碼器和編程控制來尋線行走。 從機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平來看，機(jī)器人主要經(jīng)歷了簡單的可編程機(jī)器人，低級智能機(jī)器人和高級智能機(jī)器人三代。 機(jī)器人有幾個(gè)方面是我們有必要去發(fā)展的理由:一個(gè)是機(jī)器人干人不愿意干的事，比如說從事，有毒的、有害的、高溫的或危險(xiǎn)的，把人從這樣的危險(xiǎn)的環(huán)境中解放出來，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗，一天焊幾千個(gè)點(diǎn)，就重復(fù)性的勞動，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)理由，比方說人們對太空的認(rèn)識，人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。 機(jī)器人有三個(gè)發(fā)展階段，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過一個(gè)計(jì)算機(jī)，來控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過示教存儲程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷，因此，在20世紀(jì)70年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺的機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候，它實(shí)際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。? 　　那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個(gè)目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。 救災(zāi)機(jī)器人可以利用自身的優(yōu)點(diǎn)，能迅速找到遇險(xiǎn)者的位置，降低事故危害性，提高救災(zāi)效率具有重大意義，但光有這些還不夠，災(zāi)難往往發(fā)生在黑夜里，沒有燈光，四處漆黑一片，伸手不見五指，只聽見到處都是遇難者發(fā)出的哭叫聲，營救人員無法正確做出判斷，無法到達(dá)指定的地點(diǎn)營救被困人員；再者，發(fā)生的地點(diǎn)許多通訊設(shè)施受到破壞甚至倒塌，以至于沒有通訊信號，使得受災(zāi)情況無法及時(shí)反饋，給指揮帶來很大困難。因此，將具有通訊排障于一身的機(jī)器人用于災(zāi)難環(huán)境下輔助“搜索和營救”（SAR）幸存者，是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)新興而富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。 在國內(nèi)，機(jī)器人的研究剛剛起步，但進(jìn)展很快。中科院沈陽自動化所在2002年研制了一種蛇形機(jī)器人，由16個(gè)單自由度關(guān)節(jié)模塊和蛇頭、蛇尾組成，在監(jiān)控系統(tǒng)的無線控制下可實(shí)現(xiàn)蜿蜒前進(jìn)、后退、側(cè)移、翻滾等多種動作，并能通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭將現(xiàn)場圖像傳回監(jiān)控系統(tǒng)。國防科技大學(xué)在2001年也研制了一種蛇形機(jī)器人。中國礦業(yè)大學(xué)在“211工程”的支持下，已開始研制煤礦救災(zāi)機(jī)器人。 在國外，機(jī)器人發(fā)展迅速，技術(shù)日益成熟，并進(jìn)入實(shí)用化階段，日本、美國、英國等已開始裝備使用。在災(zāi)難現(xiàn)場中，機(jī)器人應(yīng)能迅速找到幸存者的位置。日本大阪大學(xué)研制出蛇形機(jī)器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進(jìn)，其頂端帶有一部小型監(jiān)視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。美國iRobot公司研制了PackBot系列機(jī)器人，能適應(yīng)崎嶇不平的地形環(huán)境和爬樓梯，主要執(zhí)行偵察任務(wù)、尋找幸存者、勘探化學(xué)品泄漏等任務(wù)。 InuKtun公司研制了機(jī)器人MicroVGTV ，機(jī)身可變位，采用電纜控制，含有直視的彩色攝像頭，并帶有微型話筒和揚(yáng)聲器，可用于與壓在廢墟中的幸存者通話，適用于在小的孔洞和空間中執(zhí)行任務(wù)。 在自動行走機(jī)器人的應(yīng)用中，希望機(jī)器人能夠自動按照地面上的某種白色指示線到達(dá)某一標(biāo)志物上并使機(jī)器人停止完成相應(yīng)動作。若采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可以滿足以上要求。但由于地面的各種閃素，比如地面較光滑等，導(dǎo)致機(jī)器人在運(yùn)動過程中出現(xiàn)打滑或丟步，機(jī)器人在運(yùn)動中一旦出現(xiàn)這些現(xiàn)象，就不能準(zhǔn)確檢測到標(biāo)志物。本文介紹了一種采用光電檢測尋線系統(tǒng)和直流電機(jī)驅(qū)動相結(jié)合的機(jī)器人控制系統(tǒng)，可以使機(jī)器人非常準(zhǔn)確、自動地到達(dá)理想的位置并完成相應(yīng)的動作。 輪式機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng)，動載荷小，設(shè)計(jì)緊湊，其缺點(diǎn)是重量輕，能耗小。本次設(shè)計(jì)擬選擇輪式移動機(jī)構(gòu)。輪式機(jī)器人的一個(gè)特殊的特征是非完整系統(tǒng)，非完整的含義是，定義系統(tǒng)姿態(tài)的廣義坐標(biāo)的最小數(shù)M，大于其獨(dú)立的廣義速度數(shù)N，也就是M＞N。相對于其他移動機(jī)構(gòu)，其越野機(jī)動性能好，爬坡、越障、跨溝能力強(qiáng)，輪式的牽引性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。相對于步行式行走機(jī)構(gòu)：技術(shù)成熟；控制簡單。 1.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)背景 根據(jù)《第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽主題與內(nèi)容的通知》精神，經(jīng)全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽組委會批準(zhǔn)，第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組2010階段競賽，將于2010年4月在北京舉行。第四屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組競賽的主題為“珍愛生命，奉獻(xiàn)社會”。內(nèi)容為“在突發(fā)災(zāi)難中，用于救援、破障、逃生、避難的機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作”。其中“用于救援、破障的機(jī)械產(chǎn)品”指在火災(zāi)、水災(zāi)、地震、礦難等災(zāi)害發(fā)生時(shí)，為搶救人民生命和財(cái)產(chǎn)，所使用的機(jī)械；“用于逃生、避難的機(jī)械產(chǎn)品”，指立足防范于未然，在突發(fā)災(zāi)害發(fā)生時(shí)保護(hù)自我和他人的生命和財(cái)產(chǎn)安全的機(jī)械，也包括在災(zāi)難和緊急情況發(fā)生時(shí)，房屋建筑、車船等運(yùn)輸工具以及其他一些公共場合中可以緊急逃生、避難功能的門、窗、鎖的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的目的在于引導(dǎo)高等學(xué)校在教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識、綜合設(shè)計(jì)能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神；加強(qiáng)學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練，提高學(xué)生針對實(shí)際需求通過創(chuàng)新思維,進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)和工藝制作等實(shí)際工作能力；吸引、鼓勵廣大學(xué)生踴躍參加課外科技活動，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。 2 機(jī)器人輪式機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的通訊排障機(jī)器人控制系統(tǒng)由微控制器、驅(qū)動單元、通訊模塊、人機(jī)交互模塊等組成。微控制器主要處理各個(gè)傳感器的信息，完成移動機(jī)器人控制算法的運(yùn)算和決策，控制排障機(jī)器人兩輪的控制；驅(qū)動單元實(shí)現(xiàn)排障機(jī)器人兩輪驅(qū)動功能；傳感器模塊檢測排障機(jī)器人和障礙物的距離及周圍環(huán)境的信息；通訊單元實(shí)現(xiàn)排障機(jī)器人各模塊之間和與上位機(jī)的通信，實(shí)時(shí)傳輸作業(yè)現(xiàn)場的圖像。本機(jī)器人的整體排障控制框圖如圖2.1所示。 圖2.1 排障控制圖 2.1 驅(qū)動單元 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通訊排障機(jī)器人由4個(gè)輪子構(gòu)成，左側(cè)第一個(gè)輪子和右側(cè)第二個(gè)輪子為驅(qū)動輪，其余為從動輪，驅(qū)動輪控制機(jī)器人的前后、左右運(yùn)動。機(jī)器人排障部分由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動，可以獨(dú)立完成排除障礙功能。升降臺由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動，本系統(tǒng)采用DG—M4系列電動機(jī)構(gòu)組成機(jī)器人的驅(qū)動功能，此電動機(jī)構(gòu)由永磁無刷直流電機(jī)和變速箱組成，其內(nèi)部自帶有位置傳感器，檢測電機(jī)的運(yùn)動情況，實(shí)時(shí)的傳輸?shù)娇刂破鲉卧校瑢?shí)現(xiàn)控制單元的實(shí)時(shí)控制。 2.2 傳感器模塊 紅外傳感器的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號。用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此對試驗(yàn)的環(huán)境要求較高。但光的反射受到多種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測盤將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯誤信號，采用對反射光強(qiáng)進(jìn)行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。 由于外部場景都是三維的，因此希望機(jī)器人的外部傳感器能提供有關(guān)外部場景的三維立體信息。一般移動機(jī)器人上都配備多種傳感器，其中觸動式傳感器和紅外光電傳感器最為常見。紅外光電傳感器可以看做是機(jī)器人的眼睛，把信息傳送給控制系統(tǒng)它們之間相結(jié)合提供了對障礙物完整的信息，使機(jī)器人能夠有實(shí)時(shí)性好、精確度高的排障功能。 在本機(jī)器人的左右各安裝一個(gè)觸控式傳感器，這樣既有效地防止了紅外光電傳感器檢測的盲區(qū)，也在一定程度上排除了各個(gè)傳感器之間的互相干擾，使機(jī)器人得到周圍環(huán)境的準(zhǔn)確信息。 2.3 通信和人機(jī)交互模塊 整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間，我們用串口實(shí)現(xiàn)它們之間的通信，讓控制器集中決策管理，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的協(xié)調(diào)運(yùn)行；而在機(jī)器人獨(dú)立作業(yè)時(shí)，操作者在上位機(jī)通過無線傳輸遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人，實(shí)時(shí)地控制系統(tǒng)的運(yùn)行，越過或排除障礙，合理處理現(xiàn)場作業(yè)。 2.4 機(jī)器人前爪簡述 前爪是連接在車體上，且在車身的最前面。它的作用是當(dāng)遇到一些較小的障礙物時(shí)能夠推開這些相對較小的障礙物，當(dāng)遇到相對較大的障礙物的時(shí)，障礙物會觸動安置在機(jī)械爪子上的4個(gè)不同位置的接觸開關(guān)，從而啟動機(jī)械爪子，機(jī)械爪子會張開推開障礙物，達(dá)到清理道路功能，為后續(xù)救災(zāi)運(yùn)輸部隊(duì)提供通暢的道路。因而它具有獨(dú)立的自由度，要求機(jī)械臂能夠在平面內(nèi)沿著軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖2.2所示。 圖2.2 機(jī)械臂沿軸旋轉(zhuǎn) 圖2.3（a）所示的機(jī)械臂配置為機(jī)械推板結(jié)構(gòu)，圖2.3（b）所示的為絲杠、旋塊、連扳結(jié)構(gòu)，圖2.3（c）所示的為驅(qū)動裝置，圖2.3（d）所示的為開關(guān)式傳感器。 （a） （b） （c） （d） 圖2.3 2.5 機(jī)器人升降臺簡述 車身上有一個(gè)多功能升降臺，平臺是一個(gè)太陽能板，當(dāng)太陽光充足的時(shí)候可以吸收太陽的能量在轉(zhuǎn)換成電能，（當(dāng)電能過多時(shí)候，還能存起來）為機(jī)器人的提供能量，機(jī)器人本身有電池作為能量。當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)動的時(shí)候這個(gè)多功能平臺可以用來放置救災(zāi)物資、藥品、救災(zāi)工具甚至救災(zāi)人員。當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地后，多功能平臺可以高高豎起來，然后隱藏在多功能平臺下面有兩根柱子也會升起來。兩根柱子分別有2個(gè)獨(dú)立的功能，一個(gè)是雷達(dá)，一個(gè)是大功率照明燈。如圖2.4所示。 圖2.4 升降臺簡圖 3 控制程序設(shè)計(jì)思路和程序過程圖 我們設(shè)計(jì)的通訊排障機(jī)器人是以德國慧魚公司生產(chǎn)的機(jī)電產(chǎn)品模型為對象進(jìn)行裝配，我們的機(jī)器人分結(jié)構(gòu)和軟件兩部分。結(jié)構(gòu)賦予其軀體，軟件賦予其靈魂。本文主要講述了利用慧魚軟件，使機(jī)器人按照設(shè)計(jì)者預(yù)定的路線軌跡行走。 軟件部分主要分主程序和子程序兩個(gè)部分，分別由尋軌跡、前爪、上部分、直走、后退、向左、向右七個(gè)子程序構(gòu)成一個(gè)主程序。 3.1 設(shè)計(jì)思路 由于我們的機(jī)械的很多動作需要多塊接口板聯(lián)動，而以往的一些方法只是每塊接口板單獨(dú)控制某個(gè)動作的進(jìn)行，互相交換信息的途徑很少，而且很慢。所以我們要求設(shè)計(jì)一種兩接口板直接能夠?qū)崿F(xiàn)信息快速直聯(lián)的通信方法。 3.2 設(shè)計(jì)過程 既然慧魚模型的輸入端兩端的電壓差是9V，輸出端的電壓差也是9V。如果直連輸入端的電路會因電流過大而燒毀。所以我們設(shè)計(jì)了一根專門用來傳輸信息的連接線，中間加入了一個(gè)限流電阻。保證不因電流過大而燒毀電路。 3.3 信息的傳遞方式 如果僅僅是一對輸出端和輸入端只能傳遞一種信息那么這種改進(jìn)依然不能滿足我們的需求。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸入接口輸入多種信息，就需要一種新的方法。我們選擇的方式是用脈沖來傳遞信息。 經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，慧魚模型能夠?qū)崿F(xiàn)的脈沖的具體參數(shù)如下（表3.1） 表3.1脈沖數(shù)據(jù)表 最小脈沖間隔 0.01S 脈沖信息數(shù)據(jù)丟失率 ≤0.5% (并且數(shù)據(jù)丟失率與時(shí)間間隔成反比。間隔越長丟失率越低) 通過反復(fù)試驗(yàn)我們選擇了這種方法。原因是這種互聯(lián)方法高效、相對可靠。 3.4 慧魚軟件簡介 1964年，慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）誕生于德國，是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，是展示科學(xué)原理和技術(shù)過程的理想教具，也是體現(xiàn)世界最先進(jìn)教育理念的學(xué)具，為創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了最佳的載體。 慧魚創(chuàng)意組合模型的主要部件采用優(yōu)質(zhì)尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損，可以保證反復(fù)拆裝的同時(shí)不影響模型結(jié)合的精確度；構(gòu)件的工業(yè)燕尾槽專利設(shè)計(jì)使六面都可拼接，獨(dú)特的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)隨心所欲的組合和擴(kuò)充。 慧魚創(chuàng)意組合模型主要有組合包、培訓(xùn)模型、工業(yè)模型三大系列，涵蓋了機(jī)械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域和高新學(xué)科，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件（機(jī)械元件/電氣元件/氣動元件），輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，運(yùn)用設(shè)計(jì)構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)分析，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，更可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作的模擬，從而為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研創(chuàng)新和生產(chǎn)流水線可行性論證提供了可能，世界知名的德國西門子、德國寶馬、美國IBM等一大批著名公司都采用慧魚模型來論證生產(chǎn)流水線。 這里的每一個(gè)元器件代表的不同的意思。詳見表3.2 表3.2元器件 元器件 圖例 功能 說明 MI 提供動力 獨(dú)自控制車子正反行走 M2 提供動力 獨(dú)自控制車子正反行走 M3 頂起推鏟 當(dāng)遇到障礙物時(shí)，推動推鏟 M01 驅(qū)動升降臺 通過齒輪帶動蝸桿，使升降臺上下移動 M02 翻動升降臺 通過齒輪軸轉(zhuǎn)動，帶動繩索使升降臺翻轉(zhuǎn)90° M03 推動信號臺 通過蝸桿轉(zhuǎn)動使信號臺升至高空 M04 提供光源 在黑暗的夜里為遇難者和營救者指明道路 I7 判斷車體轉(zhuǎn)向 探測到軌跡之后，向M1，M2發(fā)出指令 I8 探測到軌跡之后，向M1，M2發(fā)出指令 按鍵開關(guān)式（接觸式）傳感器是數(shù)字傳感器的一種。數(shù)據(jù)僅能設(shè)定為兩個(gè)不同的值，分別用0和1來表示。傳感器顯示“0”，表示在接觸點(diǎn)沒有電流通過；“1”則意味著有電流通過?；埕~模型中的接觸傳感器是一個(gè)三向開關(guān)式的。因此，就有三個(gè)端點(diǎn)。紅色按鈕按下，1和3端點(diǎn)接通，同時(shí)常閉狀態(tài)下的1和2端點(diǎn)之間的連接斷開。這樣起始位置我們就可以任意選擇：常閉狀態(tài)（端點(diǎn)1、2接通），常開狀態(tài)（端點(diǎn)1、3接通）（圖3.1） 圖3.1 接觸式傳感器原理圖 我們可以將不同的傳感器和執(zhí)行裝置連接到ROBO接口板上。ROBO接口除了有八個(gè)數(shù)字輸入端，還有幾個(gè)模擬量輸入端。舉例說明，對應(yīng)輸入AX和AY的電阻值（0-5.5千歐）可以轉(zhuǎn)換成0-1024之間的數(shù)字量。該接口板最重要的作用在于輸入量的邏輯連接。 一旦連接正確建立了，我們就可以通過接口板測試窗口來測試接口板和與它相連的模型。如前所提及的，測試窗口顯示了接口板的各種輸入和輸出： 數(shù)字量輸入 I1—I8 I1—I8 是接口板的數(shù)字量輸入。這里可以接各種傳感器。數(shù)字量輸入只有兩種狀態(tài)0和1，或者Y和N。開關(guān)(迷你按鍵開關(guān)),光電傳感器或者干簧管(磁性傳感)可以作為數(shù)字量輸入來連接。 你可以將一個(gè)迷你傳感器接到接口板上，比如I1，來檢查這些端口的功能(用開關(guān)上的觸點(diǎn)1 和 3 )。一按下開關(guān)，I1的的顯示接出現(xiàn)一個(gè)檢查標(biāo)志。如果你連了開關(guān)的另一種方式（觸點(diǎn)1 和 2），當(dāng)你按下開關(guān)的時(shí)候檢查標(biāo)志就消失了。 馬達(dá)輸出 M1—M4 M1 – M4是接口板的輸出。這里可以連接所謂的執(zhí)行器，可以是馬達(dá)、電磁鐵或者燈。這四路馬達(dá)輸出可以改變方向和8級調(diào)速。速度可以用滑塊控制，旁邊也有數(shù)字作為速度顯示。如果你要測試輸出，可以將一個(gè)馬達(dá)接到輸出端，比如M1。 燈輸出 O1—O8 每個(gè)馬達(dá)輸出也可以用作一對單個(gè)的輸出。這些輸出不僅可以用作燈的控制，也可以用作單向馬達(dá)的控制(比如傳送帶馬達(dá))。如果你要測試其中一個(gè)輸出，可以將一個(gè)燈接到輸出，比如O1?？梢詫舻牧硪粋€(gè)接到接口板的接地插孔（^）。 模擬量輸入 AX–AY 模擬量輸入 AX 和 AY測量所連接傳感器的阻抗。這里可以連接用來測溫的 NTC 電阻，電位計(jì)，光敏電阻或者光敏晶體管。 模擬量輸入 A1–A2 這兩個(gè)可以測量0–10V電壓輸入。 距離傳感器 D1–D2 只有特殊的距離傳感器可以接到距離傳感器輸入端D1和D2。數(shù)字信號和模擬信號對D1和D2都有效。 擴(kuò)展板 EM1–EM3 這里可以連接擴(kuò)展接口板 (ROBO 接口板最多可以接三塊貨號為93294的I/O擴(kuò)展板，但智能接口板最多只能接一塊貨號為16554的擴(kuò)展板)。可以用點(diǎn)擊窗口上部標(biāo)簽的方法在不同的擴(kuò)展接口板之間切換。ROBO I/O擴(kuò)展板和ROBO接口板相連，而且兩臺設(shè)備都上電之后，ROBO I/O擴(kuò)展板上的綠色LED“Ext.mode”應(yīng)該會閃動。此時(shí)，擴(kuò)展板已經(jīng)由接口板識別并準(zhǔn)備運(yùn)行。 為了實(shí)現(xiàn)自動控制的功能，我們編寫了以下簡單的控制程序。 向右轉(zhuǎn)：這個(gè)是一個(gè)簡單的讓機(jī)器人向右轉(zhuǎn)彎的子程序。這個(gè)是給機(jī)器人一個(gè)M1馬達(dá)反轉(zhuǎn)，M2馬達(dá)正轉(zhuǎn)的指令。這樣就使機(jī)器人向右拐彎了。（如圖3.2） 向左轉(zhuǎn)：這個(gè)是一個(gè)簡單的讓機(jī)器人向左轉(zhuǎn)彎的子程序。這個(gè)是給機(jī)器人一個(gè)M1馬達(dá)正轉(zhuǎn)，M2馬達(dá)反轉(zhuǎn)的指令。這樣就使機(jī)器人向左拐彎了。（如圖3.3） 倒退：這個(gè)是一個(gè)簡單的讓機(jī)器人向直行的子程序。這個(gè)是給機(jī)器人一個(gè)M1馬達(dá)正轉(zhuǎn)，M2馬達(dá)正轉(zhuǎn)的指令。這樣就使機(jī)器人向前行走了。（如圖3.4） 直行：這個(gè)是一個(gè)簡單的讓機(jī)器人向直行的子程序。這個(gè)是給機(jī)器人一個(gè)M1馬達(dá)正轉(zhuǎn)，M2馬達(dá)正轉(zhuǎn)的指令。這樣就使機(jī)器人向前行走了。（如圖3.5） 圖3.2 右轉(zhuǎn)程序圖 圖3.3 左轉(zhuǎn)程序圖 圖3.4 倒退程序圖 圖3.5 直行程序圖 4 機(jī)器人軟件系統(tǒng) 我們的機(jī)器人從總體上分三個(gè)部分，即尋跡功能、排障功能、升降功能。機(jī)器人主要被用在地震災(zāi)難以及雪災(zāi)地區(qū)，要求機(jī)器人按照指定的軌跡線路行走，一旦失去軌跡，機(jī)器人會自動發(fā)出尋找軌跡的指令，直到發(fā)現(xiàn)軌跡，機(jī)器人會自動鎖定軌跡并會繼續(xù)沿著軌跡行走，直到到達(dá)目的地，機(jī)器人會發(fā)出指令使尋線系統(tǒng)停止，緊接著機(jī)器人會發(fā)出升降指令，繼而升降臺啟動，當(dāng)升降臺到達(dá)頂端時(shí)，會觸動限位開關(guān)，啟動雷達(dá)通訊設(shè)施和大功率照明燈。這是我們所設(shè)計(jì)機(jī)器人的一整套流程概述，下面就各軟件功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)分析。 4.1 光電檢測尋線系統(tǒng) 尋線系統(tǒng)即機(jī)器人的“眼睛”，在機(jī)器人的尋跡行走中起著非常重要的作用，為機(jī)器人行走過程中定位的準(zhǔn)確性提供了保障。每一套尋線系統(tǒng)由比較電路板和光發(fā)射接收板兩大部分組成。比較電路板主要是將光發(fā)射接收板輸入的模擬信號經(jīng)比較器比較后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到單片機(jī)中。光發(fā)射接收板主要功能是完成光的發(fā)射、接收和將光信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。每一塊光發(fā)射接收板就是機(jī)器人的一個(gè)檢測點(diǎn)，一 般情況每個(gè)機(jī)器人需安裝多個(gè)檢測點(diǎn)，以保證機(jī)器人在運(yùn)動過程中有較大的偏向檢測能力和糾錯能力。 這里的尋跡是指機(jī)器人輪式機(jī)器人在白色地板上沿著黑線行走，通常采用的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在輪式機(jī)器人行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在輪式機(jī)器人上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收，輪式機(jī)器人上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回 來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和輪式機(jī)器人的行走路線。紅外探測器探測距 離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。 尋跡是機(jī)器人的一種簡單視覺，在機(jī)器人的運(yùn)動中起著非常重要的作用，為機(jī)器人運(yùn)動過程中位置的準(zhǔn)確性提供了保障。因此需要對場所進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗脑觳拍軌蜻M(jìn)行 使用。比較簡單的方法是在平整的地面上粘貼尋跡線和定位點(diǎn)，讓機(jī)器人能夠自動 地按照地面上的尋跡線的指示到達(dá)目的地。 為了機(jī)器人能在任意區(qū)域內(nèi)沿尋跡線行走，自動排開障礙，能停在指定地點(diǎn)。本控制系統(tǒng)采用紅外光電傳感器檢測路面尋跡線，使用傳感器檢測障礙物，光電碼盤測 距，用光電傳感器或者微動開關(guān)檢測、判斷機(jī)器人是否到位，應(yīng)用動態(tài)控制電動機(jī) 的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。利用有限狀態(tài)機(jī)和硬件描述語言設(shè)計(jì)機(jī)器人控制器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器 人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、繞障、停止的精確控制。 為實(shí)現(xiàn)智能行走，我們利用了光敏傳感器（如圖4.1）。用光對地面進(jìn)行照射，由于黑線和地面對光反射程度不同，光敏傳感器可以感應(yīng)黑線所反射的光，而感應(yīng)不到地面（白色）反射光，這樣就可以依黑線對傳感器進(jìn)行觸發(fā)，通過兩個(gè)光敏傳感器交替觸發(fā)，設(shè)置與之對應(yīng)的程序和轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)對車體進(jìn)行控制，從而完成前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等動作。 圖4.1 光敏傳感器 在程序中光敏傳感器的符號如圖4.2，它是有兩個(gè)傳感器組成，分別控制著左右兩邊，在實(shí)驗(yàn)中，我們?yōu)榱四M現(xiàn)場的環(huán)境，把白色的桌子當(dāng)作路面，在桌子上貼了一條黑色的帶子，帶子寬4厘米，作為機(jī)器人尋線的軌跡。 圖4.2 傳感器程序圖 根據(jù)最初的想法，只要機(jī)器人沿著設(shè)定的軌跡行走就可以了?？墒呛髞砦覀冊谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)這樣還不夠，我們不能保證機(jī)器人在行走的過程中不出錯，萬一在行走過程中，偏離了或者直接跑出了軌跡，那么機(jī)器人該如何做出判斷。所以我們考慮到要用到子程序，所以我在程序中新建一個(gè)程序，再新建一個(gè)名為尋軌跡的子程序（圖4.3），這樣做有別于其它子程序。 圖4.3 尋軌跡子程序 機(jī)器人應(yīng)該緩慢旋轉(zhuǎn)至少360度。如果機(jī)器人找到軌跡，就停下來。否則機(jī)器人將反方向旋轉(zhuǎn)360度，直到找到軌跡為止。根據(jù)現(xiàn)在的要求編制圖4.4程序： 圖4.4 尋軌跡程序圖 圖中光敏傳感器“0”表示尋到軌跡，“1”表示沒有尋到軌跡。機(jī)器人首先會沿著左邊掃描，其次是右邊掃描。只要其中一個(gè)傳感器尋到軌跡，它就會立刻退出“尋軌跡”程序。 為了使機(jī)器人能夠精確地旋轉(zhuǎn)360度，我在后面加了一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器，如圖4.5。 當(dāng)機(jī)器人成功地尋找到軌跡，它就會沿著軌跡駛?cè)ァ８鶕?jù)這個(gè)思想，我們初步建立了如圖4.6的程序。 在程序里我們加了直走的程序（圖4.7），我們不難發(fā)現(xiàn)在尋軌跡子程序中，我們設(shè)定的是一旦傳感器找到軌跡就退出該程序，此時(shí)我們的機(jī)器人與軌跡可能是斜著的或者是垂直的，所以此時(shí)退出尋軌跡程序時(shí)不正確的，我們要保證機(jī)器人與軌跡在同一條直線上，我們在此基礎(chǔ)上完善了一下主程序（圖4.8）。 圖中I7為右邊的光敏傳感器，I8為左邊的光敏傳感器。當(dāng)左邊偏離軌跡，即I8 圖4.5 尋軌跡程序圖 失去軌跡，便馬上發(fā)出指令，左邊的馬達(dá)M1正轉(zhuǎn)，右邊的馬達(dá)M2反轉(zhuǎn)，這樣一來就使得整個(gè)車身回到軌跡上來。當(dāng)右邊偏離軌跡也是一樣，這時(shí)左邊的馬達(dá)M1反轉(zhuǎn)，右邊的馬達(dá)M2正轉(zhuǎn)，同樣使車身回到軌跡上。最后形成循環(huán)，讓車一直沿著軌跡走。 圖4.6 主程序 圖4.7 直走子程序 圖4.8 主程序 同樣，當(dāng)遇到彎處，光敏傳感器會發(fā)出與出軌同樣的指令，使馬達(dá)M1、M2作出相應(yīng)的動作。 當(dāng)I7、I8同時(shí)跑出軌跡是，程序給出的指令是返回“尋軌跡”指令中，這樣做完全可以達(dá)到我們的目的，可是這樣一來，我們發(fā)現(xiàn)，這樣所花去的時(shí)間很多，我們應(yīng)該盡可能的減少在過程中所花去的時(shí)間，盡可能早的到達(dá)目的地，所以，我們在I7、I8同時(shí)出軌時(shí)，給馬達(dá)發(fā)出一個(gè)向后的指令，這樣一來，就使車身后退，讓光敏傳感器重回軌跡中，車身只需稍加調(diào)整就可繼續(xù)行走，為了安全起見，我們將最后的指令接回到“尋軌跡”指令中，如圖4.9。 4.2 前爪排障系統(tǒng) 前面我們解決了尋軌跡的問題，我們也說過，我們的機(jī)器人是用在災(zāi)難現(xiàn)場的，路上難免有一些障礙物，比如石頭、樹木、以及毀壞的建筑，當(dāng)出現(xiàn)這些“攔路虎”的時(shí)候我們的機(jī)器人要能夠把它解決掉。所以我們在車身最前面安裝了一對推鉗（圖4.10）。 圖4.9 主程序 設(shè)計(jì)前爪的目的主要是在行走過程中遇到障礙物時(shí)能將它推開，所以在程序中應(yīng)該放在尋軌跡的下面，即圖4.11. 然而在前爪子程序中，要注意的事是要先將兩個(gè)驅(qū)動馬達(dá)制動（圖4.12）。 圖4.10 前爪效果圖 圖4.11 主程序 圖4.12 前爪子程序 接著我們給了它0.5秒鐘的等待。圖4.13。 圖4.13 前爪子程序 緊接著我們就要使前爪驅(qū)動馬達(dá)M3啟動，帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使前面的兩個(gè)推板往外推，直到碰到觸動式傳感器I2，馬達(dá)M3將發(fā)轉(zhuǎn)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，我們得出馬達(dá)發(fā)轉(zhuǎn)回來需要8秒左右的時(shí)間。當(dāng)時(shí)間一到，馬達(dá)M3將停止。如圖4.14。 圖4.14 前爪子程序 可是這樣還是不行，當(dāng)執(zhí)行完前爪程序后，主程序就停止了，也就是說前爪程序只執(zhí)行了一次，當(dāng)再遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人就不作任何反應(yīng)了，這不是我們所要求的，我們是想讓它一碰到傳感器就能夠打開，所以我們把程序稍加改動了一下，如圖4.15。 圖4.15 主程序 4.3 升降系統(tǒng) 我們的機(jī)器人已經(jīng)可以在路面上行走以及排除道路上的障礙物，可我們的機(jī)器人不可能一直沿著軌跡走，必須要有個(gè)終點(diǎn)，那么到了終點(diǎn)后機(jī)器人要怎樣才能知道，并給出相應(yīng)的回應(yīng)。我們?yōu)榱耸箼C(jī)器人明白，在機(jī)器人的前臂上安裝了一個(gè)感光傳感器（圖4.16）。 圖4.16 感光傳感器效果圖 由于條件有限，我們就拿光作為信號，如圖4.17。當(dāng)感光傳感器感應(yīng)到光源，升降臺就會開始緩慢升起，當(dāng)碰到限位開關(guān)，馬達(dá)就會啟動,直到平臺升至最高點(diǎn)，接著打開大功率照明燈照明。如圖4.18。 圖4.17 光信號 圖4.18 平臺升頂圖 考慮到災(zāi)區(qū)通訊的困難，和與外界聯(lián)系不到，我們就設(shè)計(jì)了一個(gè)雷達(dá)接收器，采用移動技術(shù)（相當(dāng)于把移動的信號站背在身上），當(dāng)移動或聯(lián)通的手機(jī)信號發(fā)不出信號時(shí)候，當(dāng)靠近我們的通訊排障機(jī)器人時(shí)候，讓人們手機(jī)恢復(fù)信號，或者給衛(wèi)星電話提供更強(qiáng)的信號，保持通訊的正常。第一時(shí)間了解到受困人員的位置和受災(zāi)情況。及時(shí)的通訊能保證外界和內(nèi)部的信息匯總，給大家一個(gè)彼此知道的感覺，也能讓被救人員安心。程序如圖4.19。 圖4.19 升降臺子程序 當(dāng)沒有電力供應(yīng)時(shí)：利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。還需要配置逆變器。輸出電源為交流220V或110V，還能給大家提供電源。各部分的作用為： （一）太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本； （二）太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)； （三）蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。 （四）逆變器：在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能（注意，不是簡單的降壓）。 知道了這些太陽能供電系統(tǒng)的用處，可以用在一般雪災(zāi)，地震，海嘯等大災(zāi)過去后，電纜的斷裂，電塔的塌陷，或者一些大規(guī)模停電的時(shí)候，我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人就能利用頂上的太陽能板，利用大自然的資源充電，給一些急需電源的設(shè)備提供電源。比如醫(yī)療器械，通訊設(shè)備的后續(xù)充電等。 5 總體調(diào)試 5.1 軟件的安裝 機(jī)器人驅(qū)動光盤配件，執(zhí)行里面的安裝程序，將機(jī)器人的特定軟件安裝到自己的計(jì)算機(jī)里面。在安裝的過程中，只要根據(jù)安裝界面所提供的提示信息來安裝軟件就可以了。安裝完成后，關(guān)閉對話框。然后就可以運(yùn)行該程序把機(jī)器人和電腦來連接起來，給我們的機(jī)器人一點(diǎn)人類的思想?？梢越o機(jī)器人導(dǎo)入自己所編寫的程序，把自己的想法給機(jī)器人，讓它按照你自己的意愿來做事。 5.2 連接 先安裝好電池，再用數(shù)據(jù)線將機(jī)器人和電腦相連接，打開機(jī)器人的電源開關(guān)，讓電腦和機(jī)器人之間能正常地通信。 在第一次使用機(jī)器人的時(shí)候，要求我們來安裝一下驅(qū)動程序，在驅(qū)動光盤中，運(yùn)行相應(yīng)的程序就可以安裝驅(qū)動。 5.3 調(diào)試 完成前面兩個(gè)步驟，接下來就是檢測機(jī)器人。我們可以利用軟件給我們的機(jī)器人灌入一些思想，給它空白的大腦填充一點(diǎn)記憶。接著再進(jìn)行相應(yīng)的操作，機(jī)器人就可以執(zhí)行相應(yīng)的程序來完成相應(yīng)的動作。如果我們連接的完全正確，機(jī)器人就會執(zhí)行里面的程序，它所展示的動作就會和我們設(shè)計(jì)的一樣。 如果機(jī)器人展示的動作不是這個(gè)動作，那說明一定某個(gè)地方出現(xiàn)錯誤，需要我們來重新的檢查一下連接情況，還有電機(jī)的安裝順序，以及后面主控板上面連線的連接情況。來確保以后動作的正常運(yùn)行。 結(jié)束語 兩年前，我懷著對大學(xué)一如往昔的深愛、向往與期待重新踏入校園。兩年后，“文以治國、工以立國、商以富國”的信念，讓我必須滿懷使命、挺起胸膛的說：“我們，以及我們正在把握和即將把握的企業(yè)，理應(yīng)成為中國經(jīng)濟(jì)崛起的脊梁。” 兩年充實(shí)的生活告訴我，民族需要掌握先進(jìn)理念、具有國際視野、熟悉具體環(huán)境的實(shí)戰(zhàn)先鋒；也告訴我，只有不斷經(jīng)歷考驗(yàn)、挫折、甚至失敗，才能逼近我們最終的理想。生于斯時(shí)，長于斯境，唯有以雙倍的努力、十倍的耐心、百倍的豪情和千倍的執(zhí)著來完成原賦的使命。 在此，首先要對我的恩師，致以最深的感謝。在我懵懂時(shí)，她用振聾發(fā)聵的棒喝讓我警醒；在我迷失時(shí)，她用循循善誘的教誨抹去我心頭的塵埃；在我痛苦時(shí)，她的精神力量讓我在心底始終擁有支撐。生有吾父，教有吾師，幸甚。 在論文的寫作過程中，大姐懷著她那偉大的母性，無比耐心、無私無求的給予我持續(xù)的幫助，沒有她，論文無法順利完成。 也要感謝師兄，他同五年前一樣的真誠與寬厚，在最后時(shí)刻對文章的指導(dǎo)，起到了決定性的作用。 還有我的同窗、朋友們，老李、老趙,是他們用最真摯的情感和最實(shí)際的援助，幫我渡過了一處處的難關(guān)。 最后要感謝的是我的父母，他們期待的目光、未來的責(zé)任和時(shí)時(shí)可以尋求的慰藉，是我不斷進(jìn)取的力量源泉。 即將結(jié)束再次學(xué)習(xí)的生活，相信等待我的是一片充滿機(jī)遇、風(fēng)險(xiǎn)與快樂的土地；也相信我和同仁們的事業(yè)必將如涅磐之鳳、浴火之凰！  致 謝 本論文的研究工作和撰寫過程中自始至終得到了我的兩位指導(dǎo)老師李連波和劉艷的悉心關(guān)懷和指導(dǎo)。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，深厚扎實(shí)的專業(yè)知識以及謙遜的學(xué)者風(fēng)范，使我在幾年的學(xué)習(xí)期間不僅在專業(yè)學(xué)習(xí)上受益匪淺，更學(xué)會了如何做人。借此機(jī) 會，衷心地感謝老師們多年來對我的教導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)過程中，有實(shí)驗(yàn)室的蔣勇老師、武培軍老師以及其他工作人員給予了我大量的無私幫助，在此向您們表示衷心的感謝。 感謝我的同學(xué)李菁、杜韋奉、胡源等在論文的撰寫過程中給予了大量幫助。感謝我的舍友在生活上給予的關(guān)心和支持。感謝我的父母在整個(gè)學(xué)習(xí)期間給我的無私關(guān)懷。感謝在校期間給我授課的各位老師，是你們使我的知識得到更新，視野得到拓展。最后向所有關(guān)心和支持過我的老師、同學(xué)、朋友表示衷心的感謝!  參 考 文 獻(xiàn) [1] 安杰利斯，宋偉剛. 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004. [2] 陳懇，楊向東，劉莉. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京: 清華大學(xué)出版社，2006． [3] 秦志強(qiáng)，陳偉，王文斌. 基礎(chǔ)機(jī)器人制作與編程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007． [4] 馬丁，劉榮，等. 機(jī)器人探索[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2004． [5] 劉極峰. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社，2008． [6] 周志華，王玨. 機(jī)器人學(xué)習(xí)及其應(yīng)用2009[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2009. [7] 王灝, 毛宗源. 機(jī)器人的智能控制方法[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2002. [8] McComb，Predko，任宗偉，龐明，王曉宇. 機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]．北京：科學(xué)出版社，2008． [9] 霍偉. 機(jī)器人動力學(xué)與控制[M]．北京：高等教育出版社，2005． [10] 高國富，謝少榮，羅均. 機(jī)器人傳感器及其應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005. [11] 龔振邦. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1995. [12] （法）科依費(fèi)特, F，奇羅茲,M．著機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)論[M]. 北京：國防科技大學(xué)出版社，1991. [13] 吳芳美. 機(jī)器人控制基礎(chǔ)[M]．中國鐵道出版社，1992. [14] 熊有倫. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：華中理工大學(xué)出版社，1996. [15] 杜德煒. 機(jī)器人基本原理[M]．北京：三民書局股份有限公司，1983. [16] 徐德珠. 機(jī)械工程材料[M].北京：高等教育出版社，1992. [17] 鄭明新. 工程材料[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1991． [18] 戴枝榮. 工程材料[M]．北京：高等教育出版社，1992． [19] 張繼世，劉江. 金屬表面工藝[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995． [20] 夏立芳．金屬熱處理工藝學(xué)[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1986． 附件1：外文資料翻譯譯文 在機(jī)械設(shè)計(jì)和建造的流動室外多地形機(jī)器人 摘要：本文介紹的設(shè)計(jì)和建造低成本履帶機(jī)器人用于在各種地形不規(guī)則室外使用。這種機(jī)器的許多組件不能被商業(yè)化，因此被定制生產(chǎn)。由此生產(chǎn)的車輛，能夠運(yùn)載100公斤的載荷，可至少運(yùn)作1個(gè)小時(shí)，能同時(shí)應(yīng)對天氣和地面的變化。該機(jī)器人配備了足夠的處理能力，最終使得傳感器有能力自主完成指定的任務(wù)。 關(guān)鍵詞：多地形機(jī)器人，戶外機(jī)器人，機(jī)電一體化 1引言 在懷卡托大學(xué)機(jī)電集團(tuán)興建了自主移動機(jī)器人車隊(duì)[1]，來探測室內(nèi)表面的平坦[2]以及水下和平坦的戶外地形[4]。為實(shí)現(xiàn)這一車隊(duì)，一種低成本且能夠穿越不規(guī)則戶外地形機(jī)器人是必需的。成本低，在這種情況下指少于總機(jī)械元件成本的2000美元。新西蘭有顯著的農(nóng)業(yè)，園藝和造林行業(yè)。潛在應(yīng)用的多地形機(jī)器人包括自動牧場管理系統(tǒng)（與便攜式輻射綠色干物質(zhì)結(jié)合的傳感器來自懷卡托大學(xué)），自動化樹“存貨管理干凈”的森林環(huán)境和自動化設(shè)備的除草，噴灑和收獲的作物。 戶外作業(yè)的機(jī)器人正變得越來越流行，尤其是涉及苛刻（火山和地球外表面），并在戰(zhàn)斗或暴亂區(qū)也有人類生命危險(xiǎn)的環(huán)境條件的任務(wù)。例如，第一和第二但丁[5]（圖1），由外地機(jī)器人中心，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制開發(fā)了探索活火山的內(nèi)臟，進(jìn)行采樣和其他火山氣體構(gòu)成的分析。但丁爆發(fā)后不久，我就開始下降但丁在南極洲山埃里伯斯系繩，但第二但丁成功收集的范圍從阿拉斯加的阿留申山斯珀?duì)柛邷鼗鹕降絿姎饪椎臍怏w樣本。使用系繩電纜，這些機(jī)器人能夠降到純粹的隕石坑壁的彈跳，以這樣的方式，可以跨過小于1米高的障礙?？紤]到那些嘗試考察火山的學(xué)家的高死亡率，但丁機(jī)器人可能會越來越多地被利用。來自美國國家航空和航天局對這些機(jī)器人的資金投入表明了對這種多潛力的行星探索結(jié)構(gòu)的關(guān)注。 另一個(gè)引人注目的多地形機(jī)器人是火星旅居機(jī)器人[6]（圖2）的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的。這是一個(gè)只有11.5公斤，能運(yùn)載600公斤載荷的機(jī)器人，可以工作在溫度低至-80℃的環(huán)境下。它采用搖桿轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)，駕駛六輪無軸平臺。機(jī)箱 圖 1但丁第二多足機(jī)器人 圖 2火星旅居者多輪式機(jī)器人 是一個(gè)輕量級的鋁結(jié)構(gòu)美晨推動直流電機(jī)與地球行星齒輪箱。該系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)上適應(yīng)幾何地形和可以通過車輪直徑兩倍的障礙。主電源是在該車輛的頂部安裝了一個(gè)16周平板超過200個(gè)太陽能光伏電池。二次電源從三個(gè)不能充電得鋰亞硫酰氯電池中來（在-20℃每組電池包含三個(gè)額定8Ah的電池）。 雖然它們完成的具體任務(wù)，所涉及的元件成本與但丁和旅居項(xiàng)目是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這個(gè)項(xiàng)目的資源。更為現(xiàn)實(shí)的商業(yè)多地形系統(tǒng)，可用于購買，例如：先鋒P3-AT[7]。據(jù)稱，這種機(jī)器人能攀登百分之45級的9厘米門檻，可攜帶30公斤的有效載荷。在一個(gè)平面層，它可以以0.7米/ s的速度移動運(yùn)行3至6小時(shí)，但在圖3所示 ，沼澤或崎嶇，將嚴(yán)重挑戰(zhàn)P3 - AT的穩(wěn)定性和實(shí)用性。此外，在美國還有以20，000元的價(jià)格（取決于具體配置）顯然超出了許多機(jī)器人的開發(fā)預(yù)算。 卡特彼勒履帶機(jī)器人（與之相比，走路，甚至蛇形輪式機(jī)器人）無論在商業(yè)或?qū)W術(shù)機(jī)構(gòu)都格外難以找到。在御夫座[8]目前正在建設(shè)的工程學(xué)統(tǒng)計(jì)部門驗(yàn)證共需全自動“蒂卡，大學(xué)德馬”拉加，但有關(guān)該設(shè)備的具體細(xì)節(jié)很難獲得。零的開始[9]是由隆德大學(xué)認(rèn)知科學(xué)組嘗試，但是從沒有很好的完成任務(wù)，所以費(fèi)用由他們自己出。卵石[10]的人工智能實(shí)驗(yàn)室，美國麻省理工學(xué)院，是一個(gè)小規(guī)模，低載荷履帶軌機(jī)器人，作為一種形式設(shè)計(jì)的火星車，但實(shí)在太小，不能進(jìn)行任何嚴(yán)重的有效載荷。在Eye Track [11]由機(jī)電和電子的西澳大利亞大學(xué)工程系，雖然安裝了導(dǎo)軌，實(shí)際上就是一個(gè)修改的模型車。 在另一個(gè)極端，地面監(jiān)視機(jī)器人（金沙江）[12]的空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)中心，圣地亞 圖 3 先鋒 P3-AT 全地形機(jī)器人 圖4 MPRS組態(tài) 哥，加利福尼亞州，使用修改7噸的M - 114裝甲機(jī)器人平臺為載體的個(gè)人發(fā)展。 塔瑪?shù)谋銛y式機(jī)器人系統(tǒng)（MPRS）[13]，由美國國防部資助的，是一個(gè)中等大小的履帶軌機(jī)器人。其傳感器包括三進(jìn)兩側(cè)視聲納，兩個(gè)五年夏普元素陣列近紅外三角測距傳感器，精確導(dǎo)航電子指南針，四個(gè)微型雙鹵素前大燈和針孔攝影機(jī)，攝像系統(tǒng)有能力傾斜90°以上或以下的水平，附加驅(qū)動攝像系統(tǒng)隨后補(bǔ)充，以加強(qiáng)有關(guān)感知障礙，一個(gè)人操作的角度方向看車。該平臺是修改后的福斯特，米勒萊明基地，目的是完全可逆（它不可以被倒放或正面朝上）和潛水功能（圖 4）。它的大致尺寸為500毫米×39毫米×20毫米（長×寬×高）的2-6小時(shí)操作時(shí)間（使用電池而定）。雖然這個(gè)系統(tǒng)接近所需要的，其中大部分裝置還處在手工制作程度，并有幾十萬美元的價(jià)格。由于沒有什么合適的可以提供，決定由現(xiàn)時(shí)的作者創(chuàng)建自己的多地形機(jī)器人。一旦建成，機(jī)器將配備足夠的傳感器和情報(bào)自行操作。雖然自主導(dǎo)航和其他問題，特別是有關(guān)發(fā)展和就業(yè)的一個(gè)多地形自主車，這些問題將不涉及本文件。重點(diǎn)是，相反的，是在設(shè)計(jì)和車輛的機(jī)械部件施工的規(guī)定，該設(shè)施必須對高層次軟件算法存在，將在以后實(shí)施。 2說明書 機(jī)器人的初始戶外操作環(huán)境是牧場和新西蘭懷卡托地區(qū)的森林?？梢灶A(yù)計(jì)，將環(huán)境溫度大約在-5至32℃，濕度在20至百分之100的地面條件范圍將包括平坦堅(jiān)硬的表面，水澇泥濘的地面，道路覆蓋著松散的巖石和石塊，并與（小于0.3米高）碎片覆蓋地形。該設(shè)備必須是尖端性，并能夠坡地遍歷。它必須能抵御各種天氣不受飛濺的影響，或者被蓋滿泥土也不受影響。高速并不重要，但良好的機(jī)動性，是能夠促進(jìn)躲避障障的。設(shè)計(jì)應(yīng)該讓未來的傳感器很容易添加和執(zhí)行，能支持外在有效載荷100公斤。最后，設(shè)備必須具備足夠的人工智能程序，并能夠以自主的方式運(yùn)作至少1個(gè)小時(shí)。 3方法 在對室內(nèi)安全作為機(jī)器人開發(fā)的機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中修訂的形式（詳見參考文獻(xiàn)[2]）是采用符合下列要求的位置： 1．適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動形式適合于預(yù)期的地形挑選，可以達(dá)到設(shè)定的速度，穩(wěn)定性和操縱性要求，同時(shí)很容易被控制和成本低。 2．一個(gè)合適的電機(jī)和傳輸系統(tǒng)是必須的。 3．電力需求近似按照車的要求選擇了預(yù)期持續(xù)2個(gè)巡邏。 4．根據(jù)要求3的結(jié)果，估計(jì)需要的電力需求的傳感器，致動器、電子(包括計(jì)算機(jī)板)被添加到形式的近似電壓供電能力要求，機(jī)器人將會需要。 5．注意要求4的這個(gè)結(jié)果，適合的電源被選中。 6．馬達(dá)，傳動和電池或電池形成了機(jī)器人的質(zhì)量的重要部分。既然選擇這些組件，一個(gè)底盤的設(shè)計(jì)草案已經(jīng)制作了這些組件已低到極限（以便提供盡可能穩(wěn)定機(jī)器人），而不是太低，該機(jī)器人可以預(yù)料穿越障礙犯規(guī)。如前所述該機(jī)箱設(shè)計(jì)達(dá)到操縱性和穩(wěn)定性的要求。 7．該基地的要求6，底盤的設(shè)計(jì)延伸，以納入傳感器和電子設(shè)備。在底盤設(shè)計(jì)和安裝的所有組成部分，并指出了電子產(chǎn)品需要保護(hù)外殼。 8．這些傳感器與致動器被連接到控制電路。 9．該軟件控制系統(tǒng)的建立是為了操作設(shè)備。 4運(yùn)動 該機(jī)器人的運(yùn)動形式必須能夠在粗糙和崎嶇地帶運(yùn)作。沒有可以假設(shè)的堅(jiān)實(shí)地形，設(shè)備必須能穿越沼澤領(lǐng)域以及干燥無情的路徑。自行車或三輪車輪式安排有問題，滾輪和方向盤穩(wěn)定的確很容易與地面失去接觸。四或多輪的安排（如火星旅居者）提供了一個(gè)非常穩(wěn)定的平臺，并在每表面負(fù)荷減少了車輪區(qū)，一種屬性，特別是在軟，寬松和沼澤的地形有利。理想的多輪驅(qū)動裝置將與全輪驅(qū)動懸掛系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整。然而，這種類型的系統(tǒng)需要復(fù)雜的力學(xué)與相關(guān)的成本增加。 設(shè)計(jì)一個(gè)腿排列將進(jìn)一步增加復(fù)雜性。雙足單位如本田的研制[14]需要大量的資源建設(shè)與管理，盡管方面的優(yōu)勢，可以多樣化[15]，成本的兩足裝置是禁止的。六至八只腳的機(jī)器人更穩(wěn)定，易于操作，但同樣的機(jī)械系統(tǒng)是復(fù)雜的和昂貴的，特別是考慮到100公斤有效載荷的要求。這個(gè)有效載荷標(biāo)準(zhǔn)也排除盤旋或爬行[16、17]選項(xiàng)，正變得越來越受歡迎的搜索和救援行動。 …… 附件2：外文原文（復(fù)印件）