機(jī)器人課程設(shè)計(jì)報(bào)告報(bào)告范例

...wd......wd......wd...**學(xué)校機(jī)器人課程設(shè)計(jì)名稱院系電子信息工程系班級10電氣3姓名謝士強(qiáng)學(xué)號107301336指導(dǎo)教師宋佳目錄TOC第一章緒論11.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)背景11.2課程設(shè)計(jì)的要求1第二章硬件設(shè)計(jì)22.1構(gòu)造設(shè)計(jì)22.2電機(jī)驅(qū)動32.3傳感器42.3.1光強(qiáng)傳感器42.3.2光強(qiáng)傳感器原理52.4硬件搭建5第三章軟件設(shè)計(jì)73.1步態(tài)設(shè)計(jì)73.1.1步態(tài)分析：73.1.2程序邏輯圖：83.2用NorthStar設(shè)計(jì)的程序8第四章總結(jié)10第五章參考文獻(xiàn)11第一章緒論1.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)背景機(jī)器人由機(jī)械局部、傳感局部、控制局部三大局部組成．這三大局部可分成驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械構(gòu)造系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng)現(xiàn)在機(jī)器人普遍用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，如汽車制造，醫(yī)療領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程協(xié)助機(jī)器人，微納米機(jī)器人，軍事領(lǐng)域，如單兵機(jī)器人，拆彈機(jī)器人，小型偵查機(jī)器人〔也屬于無人機(jī)吧〕，美國大狗這樣的多用途負(fù)重機(jī)器人，科研勘探領(lǐng)域，如水下勘探機(jī)器人，地震廢墟等的用于搜查的機(jī)器人，煤礦利用的機(jī)器人。如今機(jī)器人開展的特點(diǎn)可概括為：橫向上，應(yīng)用面越來越寬。由95%的工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到更多領(lǐng)域的非工業(yè)應(yīng)用。像做手術(shù)、采摘水果、剪枝、巷道掘進(jìn)、偵查、排雷，還有空間機(jī)器人、潛海機(jī)器人。機(jī)器人應(yīng)用無限制，只要能想到的，就可以去創(chuàng)造實(shí)現(xiàn)；縱向上，機(jī)器人的種類會越來越多，像進(jìn)入人體的微型機(jī)器人，已成為一個(gè)新方向，可以小到像一個(gè)米粒般大?。粰C(jī)器人智能化得到加強(qiáng)，機(jī)器人會更加聰明1.2課程設(shè)計(jì)的要求設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人可以是輪式、足式、車型、人型，也可以是仿其他生物的，但該機(jī)器人應(yīng)具備的根本功能為：能夠靈活行進(jìn)，能感知光源、轉(zhuǎn)向光源并跟蹤光源；另外還應(yīng)具備一項(xiàng)其他功能，該功能可自選〔如亮燈、按鈕啟動、紅外接近停頓等〕。具體要求如下：根據(jù)功能要求進(jìn)展機(jī)械構(gòu)型設(shè)計(jì)，并用實(shí)訓(xùn)套件搭建實(shí)物?；趯?shí)訓(xùn)套件選定滿足功能要求的傳感器；設(shè)計(jì)追光策略及運(yùn)動步態(tài)；用NorthStar設(shè)計(jì)完整的機(jī)器人追光程序；調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)說明書，內(nèi)容：方案設(shè)計(jì)、硬件搭建過程〔附照片〕、控制算法流程、程序編寫、調(diào)試結(jié)果、心得體會。第二章硬件設(shè)計(jì)機(jī)器人的硬件主要包括主控板、電機(jī)以及傳感器。我們需要搭建的系統(tǒng)就是一個(gè)能自動平衡的機(jī)器人，并不需要能夠載人，所有Segway的系統(tǒng)對我們而言是有參考價(jià)值的，根據(jù)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)要求，該方案的選材及控制如下。2.1構(gòu)造設(shè)計(jì)MultiFLEX2-AVR控制器，1塊；多功能調(diào)試器和線，1套；光強(qiáng)傳感器，2個(gè)；舵機(jī)，8個(gè)；連接件，假設(shè)干。舵機(jī)：圖2.1舵機(jī)圖2.1舵機(jī)圖2.2控制器圖2.2控制器2.2電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動系統(tǒng)是向機(jī)械構(gòu)造系統(tǒng)提供動力的裝置。采用的動力源不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式也就不同。驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式主要有四種：液壓式、氣壓式、電氣式和機(jī)械式。電力驅(qū)動是目前使用最多的一種驅(qū)動方式，其特點(diǎn)是電源取用方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力大，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方式，驅(qū)動電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，目前也有采用直接驅(qū)動電機(jī)，但是造價(jià)較高，控制也較為復(fù)雜。電動機(jī)也稱電機(jī)〔俗稱馬達(dá)〕，在電路中用字母“M〞〔舊標(biāo)準(zhǔn)用“D〞〕表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動力源。電動機(jī)按構(gòu)造及工作原理可分為直流電動機(jī)，異步電動機(jī)和同步電動機(jī)。同步電動機(jī)還可分為永磁同步電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)和磁滯同布電動機(jī)。異步電動機(jī)可分為感應(yīng)電動機(jī)和交流換向器電動機(jī)。直流電動機(jī)按構(gòu)造及工作原理可分為無刷直流電動機(jī)和有刷直流電動機(jī)。舵機(jī)是遙控模型控制動作的動力來源，不同類型的遙控模型所需的舵機(jī)種類也隨之不同。舵機(jī)主要是由外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無核心馬達(dá)開場轉(zhuǎn)動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)電阻值也會隨之改變，藉由檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動的角度。一般的伺服馬達(dá)是將細(xì)銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流流經(jīng)線圈時(shí)便會產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的作用力。伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反響信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反響值與目標(biāo)值進(jìn)展比擬，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度〔線數(shù)〕。2.3傳感器傳感器是自動化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個(gè)構(gòu)造組成，其重要性變得越來越明顯。傳感器技術(shù)它綜合了多方面的知識，在近幾年表達(dá)尤為突出。人類具有五種感覺(視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺)。機(jī)器人需要通過傳感器得到這些感覺信息。目前機(jī)器人只具有視覺、聽覺和觸覺，這些感覺是通過相應(yīng)傳感器得到的。機(jī)器人傳感器根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。a.內(nèi)部傳感器：用來檢測機(jī)器人本身狀態(tài)〔如手臂間角度〕的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。b.外部傳感器：用來檢測機(jī)器人所處環(huán)境〔如是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等〕及狀況〔如抓取的物體是否滑落〕的傳感器。具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。2.3.1光強(qiáng)傳感器光強(qiáng)傳感器是一種感應(yīng)光的強(qiáng)弱并進(jìn)展顯示、處理的測量裝置。使它可以完成多種光學(xué)實(shí)驗(yàn)，諸如比擬光強(qiáng)和距離的關(guān)系；研究光的干預(yù)、衍射、偏振；在不同光源下測量光的相對強(qiáng)弱；研究不同光源的明、暗變化等。常用于生物、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。光強(qiáng)傳感器對可見光波長的光照強(qiáng)度很敏感，其核心元件是一只光敏電阻其輸出的信號為與光強(qiáng)相關(guān)的模擬信號，光強(qiáng)傳感器對可見光波長的光照強(qiáng)度很敏感，其核心元件是一只光敏電阻，光強(qiáng)傳感器的外觀如圖2.3所示。圖2.3光強(qiáng)傳感器。圖2.3光強(qiáng)傳感器光傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進(jìn)展檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，當(dāng)光子沖擊接合處就會產(chǎn)生電流。2.3.2光強(qiáng)傳感器原理利用光敏元件可將光信號的特點(diǎn)，將柴油機(jī)燃燒室內(nèi)著火燃燒時(shí)火焰光輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號而反映出柴油機(jī)的燃燒情況。以下列圖2.4為光強(qiáng)傳感器的原理圖。圖2.4圖2.4強(qiáng)傳感器的原理圖光強(qiáng)傳感器應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象環(huán)保等工作中，光照強(qiáng)度是環(huán)境監(jiān)測中的重要參數(shù)。尤其是在溫室大棚中，光強(qiáng)對作物有著決定性的作用。所以光強(qiáng)傳感器應(yīng)用于室內(nèi)光照度的測定，光源強(qiáng)度與距離間關(guān)系的研究。2.4硬件搭建1、安裝底盤和舵機(jī)架，安裝舵機(jī)時(shí)需要注意其兩端并不完全對稱，需要其實(shí)際情況來裝配舵機(jī)，以保證輪子的對稱分布。2、安裝舵機(jī)，將舵機(jī)裝入舵機(jī)架中用螺絲釘固定。3、安裝橡膠輪，用LZ4連接件安裝輪子，并用螺絲釘固定。4、修改ID號，取出多功能調(diào)試器和電源，連接好左前輪舵機(jī)。查看端口號并翻開串口，“我的電腦〞點(diǎn)右鍵，選擇“管理〞選擇“設(shè)備管理器〞選擇“端口COM和LPT〞，即可看到端口號“USBSerialPort(COM1)〞。5、組裝機(jī)械手，在這里組裝的是一個(gè)3自由度的機(jī)械手，即手掌、腕關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。6、安裝光敏傳感器、紅外接近傳感器、控制器和LED燈到上底板上。7、接線，將光敏傳感器IO10~IO10，紅外接近傳感器接到IO9，LED燈分別接到IO0~IO3。將輪子上的4個(gè)舵機(jī)兩兩相連，。連接好多功能調(diào)節(jié)器，控制器和PC機(jī)，將直流穩(wěn)壓電源連接到控制器，搭建好的輪形機(jī)器人如以下列圖2.5所示。圖2.5圖2.5輪式機(jī)器人第三章軟件設(shè)計(jì)3.1步態(tài)設(shè)計(jì)3.1.1步態(tài)分析：輪式機(jī)器人前進(jìn)分為五步，第一步，前進(jìn)，；第二步，左轉(zhuǎn)；第三步，右轉(zhuǎn)；第四步，前進(jìn)；第五步，重復(fù)第一步，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。追光的步態(tài)設(shè)計(jì)：在獲取了兩側(cè)的光強(qiáng)數(shù)值后，便可以開場設(shè)計(jì)程序的邏輯框架。將情況分為3種：狀況一，左側(cè)光比右側(cè)光強(qiáng)；狀況二，左側(cè)光比右側(cè)弱，狀況三，左右側(cè)光強(qiáng)近似相等。這三種情況在邏輯上較好區(qū)分，并且覆蓋了所有可能出現(xiàn)的狀態(tài)。在程序的主程序里，用三個(gè)條件來區(qū)分這三種情況。作為左右光強(qiáng)比擬的中間變量，對兩側(cè)光強(qiáng)的差值Diff進(jìn)展計(jì)算：Diff=Left-Right,三種狀況的區(qū)分將圍繞差值Diff進(jìn)展：狀況一，左側(cè)光強(qiáng)比右側(cè)光強(qiáng)：Diff>50狀況二，左側(cè)光強(qiáng)比右側(cè)光弱：Diff<50狀況三，左側(cè)光強(qiáng)與右側(cè)光接近相等：Diff<=50且Diff>=50在判斷條件里，使用50這個(gè)數(shù)值，是考慮到不同的光強(qiáng)傳感器采集同樣的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)可能存在著差異，因此給出一個(gè)區(qū)間而不是一個(gè)數(shù)據(jù)3.1.2程序邏輯圖：根據(jù)該工程的設(shè)計(jì)要求在畫程序流程圖時(shí)應(yīng)對程序有一定的分析，分析后得到如以下列圖3.1所示的程序邏輯圖。圖3.1圖3.1程序邏輯圖3.2用NorthStar設(shè)計(jì)的程序根據(jù)要求編寫機(jī)器人追光的程序邏輯圖但在編寫程序時(shí)應(yīng)注意舵機(jī)中參數(shù)的設(shè)計(jì)和舵機(jī)調(diào)試是ID參數(shù)的設(shè)置。機(jī)器人追光程序如圖3.2所示圖3.2圖3.2程序流程圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本次實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人雖然是輪式的不是很像人但它可以通過光傳感器感應(yīng)光判斷光的強(qiáng)弱，向光強(qiáng)的方向轉(zhuǎn)彎運(yùn)行，編寫的程序就相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，光傳感器就似與機(jī)器人的眼睛，通過光傳感器的獲取信息程序來處理獲取的信息最終按照原先設(shè)定好的程序向光強(qiáng)的方向運(yùn)行。第四章總結(jié)通過本次課程設(shè)計(jì)我們熟練的掌握了機(jī)器人ID的設(shè)置方法，并且通過對兩足機(jī)器人的動作設(shè)計(jì)使其到達(dá)行走的效果，我們進(jìn)展了小組討論等形式，進(jìn)一步掌握了機(jī)器人行走的工作原理，為編寫程序提供了更清晰的思路，通過本次試驗(yàn)，我們更加熟練的掌握了NorthSTAR軟件的應(yīng)用，加深了對機(jī)器人學(xué)習(xí)的興趣。本次課程讓我學(xué)到了很多東西，不僅是知識方面，還有動手方面等。隨著科技的開展，機(jī)器人的應(yīng)用也越來越普遍了。所以在當(dāng)今對機(jī)器人的了解也是必須的。在沒接觸這門課的時(shí)候，我對機(jī)器人并不是很了解，慢慢的接觸之后，我明白了機(jī)器人是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以承受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，從組裝到調(diào)試我們都花了很長的時(shí)間，特別是組裝。在組裝之前必須得想好先裝哪個(gè)部件，如果安裝的順序錯了。那后面的就進(jìn)展不下去了。在我們一組人員的同心協(xié)力下，我們幸好沒走多少彎路。至于編程，因?yàn)橐郧拔覀冏鲞^類似的機(jī)器人，所以下手比擬容易，只要對幾個(gè)舵機(jī)進(jìn)展正確的調(diào)試就可以了。這次設(shè)計(jì)讓我受益匪淺。我想無論做什么，只要有了興趣，并付諸于行動，付出了汗水，就會得到回報(bào)，只要努力了，就一定能學(xué)會！第五章參考文獻(xiàn)王建華，俞孟祺，李眾.智能控制根基.北京：科學(xué)出版社，1998張建民.工業(yè)機(jī)器人.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998蔡自興著.