機(jī)器人設(shè)計(jì)精選(九篇)

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第1篇：機(jī)器人設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 青島大學(xué)碩士開題報(bào)告范文 青島論文 開題報(bào)告

一、 選題的目的和意義

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進(jìn)而對(duì)日常的生活產(chǎn)生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運(yùn)動(dòng)性障礙的病人也在顯著增加，與之相對(duì)的是通過人工或簡(jiǎn)單的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行的康復(fù)理療已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足患者的要求。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個(gè)特殊群體已得到更多人的關(guān)注，治療康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高，因此服務(wù)于四肢的康復(fù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。

目前世界上手功能康復(fù)機(jī)器人的研究出于剛起步狀態(tài)，各種機(jī)器人產(chǎn)品更是少之又少，在國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域中尚處于空白狀態(tài)，臨床應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)，因此對(duì)手功能康復(fù)機(jī)器人的研究有廣闊的應(yīng)用前景和重要的科學(xué)意義。

目前大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備存在以下一些問題：康復(fù)訓(xùn)練過程中，缺乏對(duì)關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度的觀測(cè)和康復(fù)力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備沒有拇指的參與;感知功能差，對(duì)康復(fù)治療過程的力位信息和康復(fù)效果不能建立起有效地評(píng)價(jià)。本課題針對(duì)以上問題，采用氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的手指康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手指康復(fù)訓(xùn)練的多自由度運(yùn)動(dòng)，不僅降低了設(shè)備成本，更重要的是提高了系統(tǒng)對(duì)人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和速度易調(diào)整等特點(diǎn)。

課題的研究思想符合實(shí)際國(guó)情和康復(fù)機(jī)器人對(duì)系統(tǒng)柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于患者的手部運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復(fù)機(jī)器人，輔助患者完成手部運(yùn)動(dòng)功能的重復(fù)訓(xùn)練，其輕便經(jīng)濟(jì)、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復(fù)訓(xùn)練，又不增加臨床醫(yī)療人員的負(fù)擔(dān)和衛(wèi)生保健。

綜上所述，氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)手指康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)是氣壓驅(qū)動(dòng)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的新應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義。

二、 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

2.1 國(guó)外研究動(dòng)態(tài)

美國(guó)是研究氣動(dòng)肌肉機(jī)構(gòu)最多的國(guó)家，主要集中在大學(xué)。

華盛頓大學(xué)的生物機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室從生物學(xué)角度對(duì)氣動(dòng)肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進(jìn)行失效機(jī)理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運(yùn)動(dòng)控制研究。

vanderbilt 大學(xué)認(rèn)知機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個(gè)采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的爬墻機(jī)器人，并應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校的貝克曼研究所對(duì)圖像定位的5自由度soft arm 機(jī)械手采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高精度位置控制和軌跡規(guī)劃。亞利桑那州立大學(xué)設(shè)計(jì)了并聯(lián)彈簧的新結(jié)構(gòu)氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器，可以同時(shí)得到收縮力和推力，并與工業(yè)界合作開發(fā)了多種用于不同部位肌肉康復(fù)訓(xùn)練的小型醫(yī)療設(shè)備。

英國(guó)salford 大學(xué)高級(jí)機(jī)器人研究中心對(duì)氣動(dòng)肌肉的應(yīng)用作了長(zhǎng)期的系統(tǒng)研究，開發(fā)了用于核工業(yè)的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動(dòng)肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠(yuǎn)程控制。

法國(guó)國(guó)立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動(dòng)肌肉的動(dòng)靜態(tài)性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅(qū)動(dòng)源的人工肌肉以及在遠(yuǎn)程醫(yī)療上的應(yīng)用。

比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)制作了新型的折疊式氣動(dòng)肌肉用于驅(qū)動(dòng)兩足步行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制。

日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發(fā)明了多種不同結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)肌肉。德國(guó)festoon 公司發(fā)明了適合工業(yè)應(yīng)用的氣動(dòng)肌腱fluidic muscle，壽命可達(dá)1000萬次以上，同時(shí)還對(duì)氣動(dòng)肌肉的應(yīng)用作了許多令人耳目一新的工作。英國(guó)shadow 公司研制了目前世界上最先進(jìn)的仿人手。美國(guó)的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學(xué)合作開發(fā)了多種用于肌肉康復(fù)訓(xùn)練的小型醫(yī)療設(shè)備。

lilly采用基于滑動(dòng)模的參數(shù)自適應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了單氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)位置控制。

2.2 國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)

自20 世紀(jì)90 年代以來，我國(guó)陸續(xù)開始了氣動(dòng)肌肉的研究。

北京航空航天大學(xué)的宗光華較早開始?xì)鈩?dòng)肌肉的研究，分析了其非線性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對(duì)驅(qū)動(dòng)模型的影響，并應(yīng)用于五連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過剛度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)柔順控制。

上海交通大學(xué)的田社平等運(yùn)用零極點(diǎn)配置自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制、非線性逆系統(tǒng)控制以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，實(shí)現(xiàn)單自由度關(guān)節(jié)的快速、高精度位置控制。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王祖溫等分析了氣動(dòng)肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響、氣動(dòng)肌肉的靜動(dòng)態(tài)剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動(dòng)肌肉等效為變剛度彈簧，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數(shù)據(jù)手套和6 足機(jī)器人，采用輸入整形法解決關(guān)節(jié)階躍響應(yīng)殘余震蕩問題。

北京理工大學(xué)的彭光正等先后進(jìn)行了單根人工肌肉、單個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)以及3 自由度球面并聯(lián)機(jī)器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種智能控制算法，并設(shè)計(jì)了6 足爬行機(jī)器人和17 自由度仿人五指靈巧手。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)氣動(dòng)中心的隋立明博士也通過實(shí)驗(yàn)得到了氣動(dòng)人工肌肉的一個(gè)更簡(jiǎn)潔的修正模型和經(jīng)驗(yàn)公式并對(duì)兩根氣動(dòng)人工肌肉組成的一個(gè)簡(jiǎn)單關(guān)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模和采用位置閉環(huán)的控制方法進(jìn)一步驗(yàn)證氣動(dòng)人工肌肉的模型。

上海交通大學(xué)的林良明也對(duì)氣動(dòng)人工肌肉的軌跡學(xué)習(xí)控制進(jìn)行了仿真研究給出了學(xué)習(xí)的收斂性的初步結(jié)論為下一步的學(xué)習(xí)控制奠定了基礎(chǔ)。其中田社平通過對(duì)氣動(dòng)人工肌肉收縮在頻率域上的數(shù)學(xué)模型并對(duì)它的結(jié)構(gòu)及其靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了理論分析建立了相應(yīng)的靜態(tài)力學(xué)方程。

2003年付大鵬等，以機(jī)械手抓取物體為分析對(duì)象，采用矩陣法來描述機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，以四階方陣變換三維空間點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)，將運(yùn)動(dòng)、變換和映射與矩陣計(jì)算聯(lián)系起來建立了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并提出了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法，這種方法對(duì)機(jī)械手的精密設(shè)計(jì)和計(jì)算具有普遍適用意義。

2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對(duì)5自由度的康復(fù)機(jī)械手進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，將等效有限元的方法應(yīng)用到開式的5自由度的康復(fù)機(jī)械手的動(dòng)力分析中，這種方法比傳統(tǒng)的分析方法建模效率高、簡(jiǎn)單快捷，極其適合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，的除了機(jī)械臂的動(dòng)力響應(yīng)曲線，為機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制提供理論依據(jù)。

2008年北京聯(lián)合大學(xué)張麗霞，楊成志根據(jù)拿取非規(guī)則物品的任務(wù)要求，采用轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了五指型機(jī)器手，手指彎曲電機(jī)與指間平衡電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器手的多角度張開、抓握運(yùn)動(dòng)方式,對(duì)實(shí)用型仿人機(jī)器手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有參考意義。

2009年楊玉維等人對(duì)輪式懸架移動(dòng)2連桿柔性機(jī)械手進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究與仿真，。采用經(jīng)典瑞利.里茲法和浮動(dòng)坐標(biāo)法描述機(jī)械手彈性變形與參考運(yùn)動(dòng)間的動(dòng)力學(xué)耦合問題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標(biāo)系下，以矩陣、矢量簡(jiǎn)潔的形式構(gòu)建了該移動(dòng)柔性機(jī)械手系統(tǒng)的完整動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真。

2009年羅志增，顧培民研究設(shè)計(jì)了一種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)多指多關(guān)節(jié)機(jī)械手，能夠很好的實(shí)現(xiàn)靈巧、穩(wěn)妥的抓取物體，這個(gè)機(jī)械手共有4指12個(gè)關(guān)節(jié)。每個(gè)手指有3個(gè)指節(jié)，由兩個(gè)平行四邊形的指節(jié)結(jié)構(gòu)確保手指末端做平移運(yùn)動(dòng)，這種設(shè)計(jì)方案很好的實(shí)現(xiàn)了控制簡(jiǎn)單、抓握可靠的目的。

從目前來看，國(guó)內(nèi)對(duì)氣動(dòng)人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關(guān)氣動(dòng)人工肌肉的研究與國(guó)外還有相當(dāng)?shù)牟罹鄬?duì)氣動(dòng)人工肌肉中的許多問題，還沒有進(jìn)行深入的研究。此外，采用氣動(dòng)人工肌肉作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的研究還不成熟。

三、 主要研究?jī)?nèi)容和解決的主要問題

目前大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備存在以下一些問題:康復(fù)訓(xùn)練過程中，缺乏對(duì)關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度的觀測(cè)和康復(fù)力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備沒有拇指的參與;感知功能差，對(duì)康復(fù)治療過程的力位信息和康復(fù)效果不能建立起有效地評(píng)價(jià)。為此，課題主要研究?jī)?nèi)容：設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動(dòng)手功能康復(fù)設(shè)備。對(duì)氣動(dòng)手指康復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、用mat lab軟件對(duì)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的康復(fù)治療過程的力位信息進(jìn)行仿真分析。

要實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)，系統(tǒng)中需要著重解決的關(guān)鍵技術(shù)有：

(1)基于已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，對(duì)手指康復(fù)訓(xùn)練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動(dòng)作分析，氣壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的優(yōu)化配置。使機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作。

(2)對(duì)機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。主要包括：氣壓驅(qū)動(dòng)的手指關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

(3)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進(jìn)行機(jī)器人氣壓驅(qū)動(dòng)終端的力位信息 仿真。

根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)以及工作量的要求，外附骨骼機(jī)械手系統(tǒng)是上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的一部分，本文主要是研究手指康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析工作。

四、論文工作計(jì)劃與方案

論文工作計(jì)劃安排：

2010年9月——2011年6月準(zhǔn)備課題階段：

主要工作：學(xué)習(xí)當(dāng)今最先進(jìn)的機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù);學(xué)習(xí)用matlab軟件進(jìn)行計(jì)算仿真及優(yōu)化，查閱國(guó)內(nèi)外的資料，對(duì)康復(fù)機(jī)械手作初步了解。

2011年7月——2011年9月課題前期階段

主要工作：課題方案設(shè)計(jì)，擬寫開題報(bào)告，開題。

2011年10月——2012年7月課題中期階段

主要工作：開始具體課題研究工作，根據(jù)已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)，對(duì)手指康復(fù)訓(xùn)練方法分析和提煉。研究手指康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析工作。

2012年8月——2012年12月課題后期階段

主要工作：對(duì)手指康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行模擬仿真，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善課題。

2013年1月——2013年4月結(jié)束課題階段

主要工作：整理相關(guān)資料，撰寫論文，準(zhǔn)備進(jìn)行畢業(yè)論文答辯。

2013年5月——2013年6月論文答辯階段

主要工作方案：

1. 完成學(xué)位課與非學(xué)位課學(xué)習(xí)的同時(shí)，進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)手指康復(fù)機(jī)械手作初步了解。

2. 查閱資料，了解氣動(dòng)手指康復(fù)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。

3. 分析已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)。

4. 對(duì)現(xiàn)有手指康復(fù)訓(xùn)練方法設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和提煉，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

5. 開始具體設(shè)計(jì)工作。

第2篇：機(jī)器人設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人；語音；QQ物聯(lián)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）06-0-04

0 引 言

2012年4月，中國(guó)科技部正式印發(fā)了《服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十三五”專項(xiàng)規(guī)劃》[1]，中國(guó)產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)的2015-2020年中國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)深度調(diào)查分析及發(fā)展趨勢(shì)研究報(bào)告認(rèn)為，縱觀國(guó)內(nèi)外服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展，預(yù)測(cè)服務(wù)機(jī)器人在我國(guó)具有廣闊的市場(chǎng)空間。隨著城市化進(jìn)程加速、人口老齡化和人口素質(zhì)的提高，服務(wù)機(jī)器人的商業(yè)應(yīng)用將會(huì)加速發(fā)展。

語言是人們傳遞信息的重要方法，隨著人工智能的發(fā)展，社會(huì)對(duì)智能化的要求越來越高，智能機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣，通過語音來控制機(jī)器人可以大幅提高工作效率。2014年10月，“QQ物聯(lián)智能硬件開放平臺(tái)”，開發(fā)者可以充分利用和發(fā)揮騰訊QQ的億萬手機(jī)客戶端及云服務(wù)的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合目前機(jī)器人發(fā)展的方向，本文提出了基于QQ物聯(lián)的智能語音服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

基于QQ物聯(lián)的語音服務(wù)機(jī)器人針對(duì)家庭生活場(chǎng)景主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）QQ物聯(lián)：將QQ賬號(hào)體系及關(guān)系鏈、QQ消息通道能力等核心能力與機(jī)器人合作，實(shí)現(xiàn)用戶與機(jī)器人之間的互聯(lián)互通互動(dòng)，充分利用和發(fā)揮騰訊QQ億萬手機(jī)客戶端及云服務(wù)的優(yōu)勢(shì)；

（2）無線充電：機(jī)器人自動(dòng)檢測(cè)自身電量，當(dāng)電量低于預(yù)設(shè)值時(shí)，采用無線充電方式充電；

（3）消息處理：自動(dòng)連接手機(jī)藍(lán)牙，語音處理電話等消息。

（4）環(huán)境監(jiān)控：機(jī)器人自動(dòng)檢測(cè)房間溫度、濕度、光照強(qiáng)度等，當(dāng)環(huán)境參數(shù)不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行語音提醒[1]；

（5）智能安防：當(dāng)檢測(cè)到用戶離開房間后，自動(dòng)切換到安防模式，用戶可通過攝像頭查看室內(nèi)狀況，出現(xiàn)突況時(shí)自動(dòng)聯(lián)系用戶；

（6）語音交互：可與用戶實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互[2]；

（7）娛樂放松：用戶可通過語音交互播放音樂或簡(jiǎn)單笑話等。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括主控制器模塊和功能模塊，部分包括環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊，攝像頭模塊，語音識(shí)別模塊，無線充電模塊，通訊模塊，移動(dòng)設(shè)防系統(tǒng)，視頻與音頻處理模塊和小車模塊。環(huán)境監(jiān)測(cè)部分主要通過一些傳感器檢查環(huán)境參數(shù)，并不斷返回控制器，控制器可針對(duì)這些數(shù)據(jù)做出綜合調(diào)節(jié)。攝像頭模塊負(fù)責(zé)視頻通話與安防。語音識(shí)別模塊可識(shí)別出人們的一些語言信息，通過識(shí)別這些信息來判斷人們的指令，從而更好、更人性化的為人們服務(wù)。無線充電模塊主要維持機(jī)器人和小車的正常用電與供電，保證小車和機(jī)器人正常工作。通訊模塊的主要功能包括語音外放，語音對(duì)講，語音提醒等。無人在家時(shí)，如有特殊情況發(fā)生移動(dòng)設(shè)防系統(tǒng)可自動(dòng)向主人發(fā)送信息。

2 硬件模塊選型與設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

本系統(tǒng)的主控制器選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103系列芯片。該芯片基于ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，且內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（64 KB的閃存和20 KB的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。STM32系列提供了全新的32位產(chǎn)品選項(xiàng)，結(jié)合高性能、實(shí)時(shí)、低功耗、低電壓等特性，保持高集成度和易開發(fā)的優(yōu)勢(shì)，將32位MCU的性能和功效引向一個(gè)新的級(jí)別[3]。

2.2 QQ物聯(lián)模塊

QQ物聯(lián)通過QQ賬號(hào)體系及相關(guān)的關(guān)系鏈來實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)備之間的相互連通，充分發(fā)揮QQ手機(jī)客戶端和云服務(wù)的優(yōu)勢(shì)[4]。本設(shè)計(jì)采用了QQ物聯(lián)攝像頭模塊，可通過QQ與攝像頭進(jìn)行交互。具有如下功能：

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)控：直接打開手機(jī)QQ便可隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程查看攝像頭內(nèi)的視頻。

（2）支持分享設(shè)備：將自己錄制好的精彩視頻或照片分享至QQ好友，實(shí)現(xiàn)與好友的互動(dòng)。

（3）移動(dòng)偵測(cè)報(bào)警：家中無人時(shí)啟動(dòng)設(shè)防功能。如果視頻監(jiān)控畫面中出現(xiàn)了移動(dòng)物體或人體時(shí)，將會(huì)截圖發(fā)送至手機(jī)，同時(shí)也會(huì)將截圖自動(dòng)保存在TF卡上。

（4）語音對(duì)講：利用QQ實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音對(duì)講，使得好友之間的關(guān)系更加親密。

2.3 藍(lán)牙音響模塊

藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離通信技術(shù)，頻率為全球共有頻段2.4 GHz[5]，可使不同的設(shè)備無縫共享資源。它采用短距離無線連接，無需專用電纜，使移動(dòng)用戶不僅擺脫了線纜的束縛，還易于在室內(nèi)或室外流動(dòng)操作。

2.4 語音識(shí)別模塊

本系統(tǒng)采用ICRoute公司生產(chǎn)的LD3320語音控制芯片來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的語音識(shí)別[6]。LD3320的電路原理圖如圖2所示。

2.5 無線充電模塊

本系統(tǒng)采用原理為電磁感應(yīng)的無線充電模塊[7]，使機(jī)器人在自身電量不足時(shí)能夠進(jìn)行無線充電，簡(jiǎn)化充電過程。

2.6 語音輸出模塊

本系統(tǒng)使用LMD102語音模塊。該模塊價(jià)格低廉，穩(wěn)定可靠，支持多路語音，還可通過單片機(jī)串口控制。電路原理圖如圖3所示。

2.7 環(huán)境傳感器模塊

環(huán)境參數(shù)主要為測(cè)量溫度，濕度和光照等信息。本設(shè)計(jì)為了能夠更加準(zhǔn)確地采集光照及溫濕度信息，使用BH1750傳感器來獲取光照強(qiáng)度[8]，利用DHT11采集溫濕度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 系y初始化

系統(tǒng)初始化主要完成堆棧、定時(shí)器、串口等的設(shè)置。然后根據(jù)需求調(diào)用相應(yīng)的功能，如獲取環(huán)境參數(shù)等。語音芯片識(shí)別這些語句后，經(jīng)各模塊獲取相應(yīng)內(nèi)容，再通過語音反饋給用戶。本系統(tǒng)還聯(lián)合QQ物聯(lián)，通過QQ控制攝像頭，實(shí)現(xiàn)視頻通話與語音對(duì)講。軟件流程如圖4所示。

3.2 LD3320語音程序設(shè)計(jì)

語音識(shí)別軟件流程圖如圖5所示。首先對(duì)該模塊進(jìn)行初始化，對(duì)語音編碼進(jìn)行預(yù)處理，然后提取相應(yīng)的特征，進(jìn)行矢量的量化，最后針對(duì)語音的輸入匹配特征，輸出對(duì)應(yīng)的語音結(jié)果。在程序設(shè)計(jì)中，通過改善算法[9]提高了識(shí)別準(zhǔn)確率。

3.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

首先光照傳感器需要對(duì)解析度和透光率進(jìn)行設(shè)置。解析度一般設(shè)置為2，傳感器返回的值為實(shí)際值乘以透光率。所以在代碼中需要經(jīng)過初始化，經(jīng)光亮度讀取和實(shí)際亮度計(jì)算得出準(zhǔn)確的光照值。光照傳感器程序流程圖如圖6所示。

溫濕度傳感器DHT11包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，只有4個(gè)引腳，控制其時(shí)鐘序列滿足要求后，即可取出數(shù)據(jù)，DHT11對(duì)時(shí)鐘的要求非常嚴(yán)格。數(shù)據(jù)格式為：8 b濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 b校驗(yàn)和[10]。圖7所示為DHT11的程序流程圖。

3.4 語音播放程序設(shè)計(jì)

語音錄制播放模塊LMD102可以錄制多路聲音。由于此模塊具有USB接口功能，可以直接在特定軟件下合成聲音，無需人工錄制聲音，可以大大減輕工作量。本系統(tǒng)采用串口發(fā)送的方法將信息發(fā)送給芯片，由于每段語音都有特定的ID號(hào)，因此只需發(fā)送對(duì)應(yīng)的ID號(hào)即可播放對(duì)應(yīng)的語音。發(fā)送格式為：引導(dǎo)碼+段號(hào)+結(jié)束碼。LMD102程序流程圖如圖8所示。

3.5 系統(tǒng)測(cè)試

服務(wù)機(jī)器人機(jī)械框架采用3D打印模式，設(shè)計(jì)實(shí)物如圖9所示。

系統(tǒng)采取分模塊測(cè)試方法：

（1）攝像頭及語音功能、移動(dòng)設(shè)防功能測(cè)試。當(dāng)有物體在攝像頭面前移動(dòng)時(shí)，會(huì)有QQ提醒消息，移動(dòng)設(shè)防功能正常。

（2）藍(lán)牙音箱功能測(cè)試。打開手機(jī)藍(lán)牙連接至藍(lán)牙音箱，此時(shí)會(huì)有語音提示，藍(lán)牙連接。打開手機(jī)音樂，發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙音箱能夠播放手機(jī)音樂，該藍(lán)牙音箱測(cè)試正常。

（3）環(huán)境參數(shù)測(cè)量。為了能夠直觀顯示測(cè)試結(jié)果，將測(cè)試結(jié)果輸出至屏幕。

（4）語音播放模塊測(cè)試。通過外部調(diào)節(jié)使環(huán)境的溫濕度、光照發(fā)生變化，此時(shí)服務(wù)機(jī)器人會(huì)發(fā)出語音環(huán)境異常信息的提示。

對(duì)各模塊進(jìn)行綜合測(cè)試，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)工作正常。

4 結(jié) 語

本文完成了針對(duì)家庭生活的基于QQ物聯(lián)的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自動(dòng)無線充電：解決機(jī)器人手動(dòng)充電的問題，方便機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間工作；

（2）應(yīng)用范圍廣：本項(xiàng)目可適用于老人、孩子和上班族，適用人群廣泛，通過QQ物聯(lián)接入，擴(kuò)大用戶人群；

（3）功能完善、穩(wěn)定：本作品加入了語音、攝像頭圖像處理、分布式信息管理、WiFi等功能模塊，使機(jī)器人擁有較為完備的功能。同時(shí)通過改進(jìn)相關(guān)算法，極大地提高了機(jī)器人針對(duì)不同場(chǎng)景做出的反應(yīng)速度。

本設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于家庭和辦公室等一些私人場(chǎng)所。如果將本設(shè)計(jì)繼續(xù)優(yōu)化，功能將更加完善，其適用范圍也將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

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第3篇：機(jī)器人設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞： 人工智能 自動(dòng)控制 偵查

Abstract: this paper is mainly fusion research, multidisciplinary, have muti_function investigation of fire fighting robot, through the circuit board master control system of overall control, using the sensor for the flame and obstacles test, to control the stepping motor and the machine arm to realize the fire investigation of the robot every action, it can automatic obstacle avoidance, automatic looking for fire, automatic fire extinguishing.

Keywords: artificial intelligence automatic control investigation

中圖分類號(hào)：TP18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1 前言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，在社會(huì)財(cái)富日益增多的同時(shí)，導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)性也在增多， 火災(zāi)的危害性也越來越大。各種不可避免的火災(zāi)頻繁出現(xiàn)，給社會(huì)造成了許多隱患。在長(zhǎng)春就出現(xiàn)了天元大廈大火災(zāi)的慘痛教訓(xùn)，所以隨著社會(huì)與國(guó)家的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)的同時(shí)，各種火災(zāi)的及時(shí)撲救已成為了迫在眉睫需要解決的問題。救火早一刻就少一分的損失。救援人員固然很快，但也需要一定的時(shí)間，而且進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)還有一定的危險(xiǎn)，甚至危及生命。 近幾十年中，大量的高層，地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不能快速高效的滅火。為了解決這些難題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，研制一種偵查滅火機(jī)器人是十分必要和有實(shí)際現(xiàn)實(shí)意義的。

2機(jī)器人整體運(yùn)作方案分析

本機(jī)器人利用了單片機(jī)通信技術(shù)，工作人員在火場(chǎng)外的安全區(qū)域內(nèi)可對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，由于機(jī)器人體積小，活動(dòng)靈活，使其能安全、快速的找到火源，將火撲滅。為消防營(yíng)救工作爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。滅火機(jī)器人采用360度可旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂，可夾帶消防噴頭至火場(chǎng)，這樣便可控制噴頭噴水方向，機(jī)械臂上置有CCD高清攝像頭，在滅火過程當(dāng)中，通過攝像頭反饋來的信息判斷水壓是否供給到位，火場(chǎng)是否有殘余火源等等。另外，機(jī)器人底盤采用履帶式的設(shè)計(jì)，使其能穿行于各種地形。而履帶是用特殊材料制成，耐高溫，增強(qiáng)了本機(jī)器人在火場(chǎng)的耐用性。底盤上也裝有CCD攝像頭，可以方便操作人員清楚地知道機(jī)器人所在的方位?？刂婆_(tái)電腦和機(jī)器人上的機(jī)載控制器采用無線通訊方式, 通過電腦控制界面對(duì)機(jī)器人發(fā)出指令并接受回饋信號(hào), 指揮機(jī)器人在定位后完成各項(xiàng)功能作業(yè)。由于是采用直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以不能攜帶笨重的水箱作業(yè)，將水箱留在火場(chǎng)外，機(jī)器人只夾帶噴頭作業(yè)，這樣既減少了機(jī)器人動(dòng)力來源的功耗，又方便其在狹小的環(huán)境中作業(yè)。

3機(jī)器人的系統(tǒng)組成

（1）步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。

步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電機(jī)。它將電脈沖的信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，非常適合于用單片機(jī)來控制。步進(jìn)電機(jī)具有如下一些特點(diǎn)：

a) 在負(fù)載合適、控制合適的前提下，步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格的成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。

b) 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)、又非?？煽俊Ｍ瑫r(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

c) 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停，正反轉(zhuǎn)和變速。

d) 速度可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證比較大的轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

e) 步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。

f) 當(dāng)負(fù)載較大、沖擊負(fù)載、或者控制不合適的情況下，步進(jìn)電機(jī)存在震蕩和失步的現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。

g) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。

（2）CCD攝像頭

CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件?？梢苑Q為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。

（3）旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂

本機(jī)器人的制作核心便是這個(gè)自由度非常高的旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂上，由320mm、360mm的兩段鋼架支撐，下面的鋼柱固定在可360度旋轉(zhuǎn)的圓盤上，上下兩個(gè)鋼柱間用電機(jī)控制其垂直角度，上面鋼架尾部有一個(gè)夾子，能夾住消防水槍的噴頭，完成滅火任務(wù)。

4 機(jī)器人功能

（1）火情偵查。

機(jī)器人的平衡作業(yè)臂采用3節(jié)1m的結(jié)構(gòu)，可繞軸做90°俯仰運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼索完成拉伸和收縮，可由1m伸展至3m。為取得來自于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的圖像信號(hào)，在作業(yè)臂前端云臺(tái)上安裝彩色CCD攝像機(jī)，視頻信號(hào)采用無線傳輸?shù)姆绞?，在地面控制臺(tái)的顯示屏上可對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)直接監(jiān)控，并及時(shí)調(diào)整機(jī)器人的作業(yè)動(dòng)作?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)要求加裝溫度傳感器探測(cè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度，可燃?xì)怏w傳感器探測(cè)建筑物內(nèi)部可燃?xì)怏w的含量以防止自燃的發(fā)生。

（2）救援和滅火。

機(jī)器人自身配有攜帶水槍頭的機(jī)械手臂、照明燈和載物箱。載物箱可根據(jù)需要裝載氧氣罩、急救工具等。機(jī)械手臂上的水槍頭可以進(jìn)行滅火，照明燈可為現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)提供照明，還可以幫助受災(zāi)人員。

5 綜述

目前, 已有很多種不同功能的消防機(jī)器人用于救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。從各國(guó)的研究情況來看, 消防機(jī)器人應(yīng)具有三個(gè)方面的作用: 在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)火情的偵察; 能夠?qū)Ρ焕Щ鹬械娜藛T進(jìn)行有效地救助; 能夠攜帶一定量的滅火劑進(jìn)行滅火。

滅火機(jī)器人屬于特種機(jī)器人范疇，它作為特種消防設(shè)備可替代消防隊(duì)員接近火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援作業(yè)，開展各項(xiàng)火場(chǎng)偵查任務(wù)，尤其是在危險(xiǎn)性大或者消防隊(duì)員不易接近的場(chǎng)合，滅火機(jī)器人的應(yīng)用將大大提高消防部門撲滅惡性火災(zāi)的能力，對(duì)減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡具有重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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第4篇：機(jī)器人設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：電氣工程自動(dòng)化；產(chǎn)業(yè)機(jī)器人；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

國(guó)家近些年推出智能戰(zhàn)略計(jì)劃，產(chǎn)業(yè)機(jī)器人由此應(yīng)運(yùn)而生。我國(guó)部分地區(qū)積極出臺(tái)相應(yīng)文件以支持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。上海曾出臺(tái)《上海市高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，指出要重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)機(jī)器人，將其投用到包裝、焊接、裝配、噴涂、搬運(yùn)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，同時(shí)關(guān)注研發(fā)機(jī)器人的核心部件，包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、傳感器、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。此外，包括廣東、杭州、北京等地都陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策，明確了產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向。電氣工程自動(dòng)化與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的結(jié)合已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，而如何將電氣工程自動(dòng)化技術(shù)與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)活動(dòng)以及應(yīng)用環(huán)節(jié)有機(jī)融合在一起，則成為當(dāng)前發(fā)展產(chǎn)業(yè)機(jī)器人需研究的關(guān)鍵課題。

1產(chǎn)業(yè)機(jī)器人中的電氣工程自動(dòng)化技術(shù)

1.1新生代電氣自動(dòng)化技術(shù)

電氣自動(dòng)化技術(shù)是近些年興起且發(fā)展迅速的新型技術(shù)之一，且在電氣自動(dòng)化技術(shù)不斷升級(jí)應(yīng)用的過程中，信息技術(shù)也在不斷發(fā)展，由此不斷催生出各種新型的電氣自動(dòng)化技術(shù)，包括高精度運(yùn)動(dòng)控制、模塊化與嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高可靠性實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)仿真技術(shù)等。將其應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，則能夠滿足不同產(chǎn)業(yè)的實(shí)際需求。面對(duì)更高的控制精度要求以及更加簡(jiǎn)化與智能化的控制流程要求，在應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)時(shí)，要注重對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的核心部件與電氣自動(dòng)化技術(shù)連接在一起，包括伺服電機(jī)、控制器等，同時(shí)要注重對(duì)服務(wù)型機(jī)器人的研發(fā)，確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人整體發(fā)展水平較高。

1.2PLC控制系統(tǒng)

在電氣自動(dòng)化控制技術(shù)中，PLC控制系統(tǒng)是標(biāo)志性的自動(dòng)化控制技術(shù)的集合控制形式，PLC又稱為可編程邏輯控制器，與工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境有較高的適應(yīng)性，在數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)的支持下，能夠更加可靠與高效的開展工作，且能夠更加快速的進(jìn)行編程。和計(jì)算機(jī)類似，PLC控制系統(tǒng)中主要包括中央處理器、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備接口等組件，工作流程則為采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。在PLC系統(tǒng)的支持下，可以幫助產(chǎn)業(yè)機(jī)器人在實(shí)際的運(yùn)作過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的點(diǎn)位控制、智能控制、力矩控制和軌跡連續(xù)控制。PLC控制系統(tǒng)要加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人控制器之間的連接，要形成智能化的控制路徑，以提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，并確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人能夠穩(wěn)定、高效的完成工作。

1.3機(jī)械零件拼接、驅(qū)動(dòng)與程序編排技術(shù)

在對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電氣工程自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)主要功能在于對(duì)機(jī)器人的零部件進(jìn)行組裝設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員要借助電氣自動(dòng)化技術(shù)對(duì)組裝的零件設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，并對(duì)相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)反饋零部件信息，確保不出現(xiàn)偏差。在完成初步的拼接工作后，設(shè)計(jì)人員要借助電氣自動(dòng)化技術(shù)對(duì)零部件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)檢測(cè)，要依托于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)定運(yùn)行信號(hào)，判斷機(jī)器人根據(jù)信號(hào)工作的能力。最后則要進(jìn)行機(jī)器人操作程序的編排，要搭建中心監(jiān)控與操控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。此外，還要注重加強(qiáng)機(jī)器人和云服務(wù)器之間的連接，提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人處理多種環(huán)境的能力，確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化以及智能化操作水平高。

2提高電氣工程自動(dòng)化背景下產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)水平的具體措施

2.1搭建行業(yè)開放式資源平臺(tái)

機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展規(guī)模在不斷擴(kuò)大，針對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員要關(guān)注搭建行業(yè)開放式資源共享平臺(tái)，要以行業(yè)協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)以及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為基石，對(duì)上述第三方機(jī)構(gòu)加強(qiáng)協(xié)調(diào)，搭建交流平臺(tái)，拓寬產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)渠道和技術(shù)研究渠道，真正的推動(dòng)機(jī)器人行業(yè)在產(chǎn)品、人才、資源、技術(shù)等方面的流動(dòng)。各個(gè)省市可以舉辦機(jī)器人競(jìng)賽和挑戰(zhàn)賽等，激發(fā)愛好者的興趣，并提供可交流經(jīng)驗(yàn)的競(jìng)技平臺(tái)，以儲(chǔ)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展人才，形成科學(xué)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。

2.2科學(xué)進(jìn)行硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員基于生產(chǎn)要求應(yīng)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行科學(xué)選擇，考慮到便于維護(hù)和易于實(shí)現(xiàn)智能化這兩個(gè)要求，應(yīng)選用直流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)的精度由電機(jī)后端編碼器控制，能夠更加低速和平穩(wěn)的運(yùn)行，具有較強(qiáng)的過載能力。DSP傳輸控制信號(hào)，電機(jī)執(zhí)行，并由閉環(huán)控制進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在電機(jī)編碼器反饋信號(hào)采樣的基礎(chǔ)上，驅(qū)動(dòng)器可以快速響應(yīng)。其次，要合理的選用和設(shè)計(jì)控制器，控制器中應(yīng)包括單片微控制器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器、PLC可編程邏輯控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等，同時(shí)要在電氣自動(dòng)化技術(shù)的支持下使用控制算法，形成控制信號(hào)后可對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行精準(zhǔn)控制。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的自身特點(diǎn)以及產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際要求，科學(xué)的選擇DSP控制器。對(duì)繼電器進(jìn)行設(shè)計(jì)，要從操作安全性以及抗干擾性、靈敏度等方面進(jìn)行把控，可選擇固態(tài)繼電器，其組成部分包括分離電子器和微電子電路等?？梢詫⒖刂菩盘?hào)輸送到輸入端，從而有效控制大電流負(fù)載驅(qū)動(dòng)。

2.2.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的過程中，要將產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)作為要點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)人員要從上層開發(fā)環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)程序以及底層控制程序三個(gè)方面進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。上層開發(fā)設(shè)計(jì)的目的在于提供測(cè)試控制器，基于此，用戶可以在滿足控制要求的軟件平臺(tái)上進(jìn)行操作。在開發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)，則要考慮到控制器的抗干擾性，要從提高在不同網(wǎng)絡(luò)下的適應(yīng)性角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行底層設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員則要以伺服驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)功能為基礎(chǔ)，并借助C語言進(jìn)行編程開發(fā)，為整個(gè)控制系統(tǒng)提供可靠支撐。設(shè)計(jì)人員要依托于傳感器的狀態(tài)值自動(dòng)切換無刷電機(jī)和電路電壓，并且可以借助相關(guān)算法提高對(duì)電機(jī)位置以及電機(jī)速度的控制精度。在電氣自動(dòng)化技術(shù)和PLC控制系統(tǒng)的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的軟件故障的監(jiān)測(cè)和診斷，主要包括CAN的通信故障和功率器件的過載故障等。設(shè)計(jì)人員應(yīng)選用更加高效的C編譯器，提高兼容性，同時(shí)要借助CCS推出的軟件集成開發(fā)技術(shù)，更加科學(xué)的開展設(shè)計(jì)工作。

2.3精準(zhǔn)執(zhí)行焊接機(jī)器人功能調(diào)試操作

在完成產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作之后，設(shè)計(jì)人員要對(duì)設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行功能調(diào)試。首先要檢查伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)極性，要依次施加小電流和大電流。在完成極性檢查之后，設(shè)計(jì)人員要對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動(dòng)情況進(jìn)行檢查，要確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)能夠根據(jù)預(yù)定的程序靈活的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在調(diào)試產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)時(shí)，要對(duì)基本軸進(jìn)行預(yù)先調(diào)試，接著要對(duì)機(jī)器人的腕部軸進(jìn)行調(diào)試，確保機(jī)器人能夠正常的完成上臂帶手腕回轉(zhuǎn)、機(jī)器人手腕上下運(yùn)動(dòng)以及機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)操作。

2.4全面優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

從提高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工作效率和工作質(zhì)量的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合設(shè)計(jì)要求對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。要借助電氣自動(dòng)化技術(shù)和操作平臺(tái)對(duì)已經(jīng)完成設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行試運(yùn)行，并找出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中可優(yōu)化設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。以采茶機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員可以將機(jī)械結(jié)構(gòu)改為懸臂梁式，即對(duì)傳統(tǒng)的Z軸改為與Y軸平行的結(jié)構(gòu)改變成左Y軸與右Y軸相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，并將左Z軸與右Z軸設(shè)置在兩Y軸上。在進(jìn)行滑臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，則要從有效控制三軸運(yùn)行的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有效運(yùn)行行程、長(zhǎng)度、最大速度以及重復(fù)定位精度等參數(shù)的控制。設(shè)計(jì)采摘爪手時(shí)，設(shè)計(jì)人員要提高其自動(dòng)化和智能化程度，要使用推拉式電磁鐵，電磁吸力可以幫助制動(dòng)，同時(shí)彈簧彈力可以幫助歸位，此外，在微型軸承的作用下，固定銷、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈間可以實(shí)現(xiàn)高效配合，從而提高作業(yè)效率?；诖?，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，必須依托于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐要求，對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定且易于操作。

第5篇：機(jī)器人設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；移動(dòng)通信終端；數(shù)據(jù)丟失率；延遲性

0引言

采摘機(jī)器人可有效進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的采摘，并可完成采摘后的運(yùn)輸和包裝等任務(wù)，采摘機(jī)器人的發(fā)展水平，是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物種植水平的體現(xiàn)［1－2］。采摘機(jī)器人要求具有較強(qiáng)的移動(dòng)能力，能夠?qū)Σ烧鳂I(yè)周圍環(huán)境信息進(jìn)行感知，形成自適應(yīng)調(diào)整的自動(dòng)化采摘。采摘機(jī)器人系統(tǒng)主要涉及領(lǐng)域包含通訊、圖像采集識(shí)別、人工智能及系統(tǒng)集成等［3－5］。筆者根據(jù)采摘作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了一種可進(jìn)行遠(yuǎn)程終端控制的采摘機(jī)器人，采用不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)采摘過程自動(dòng)行走和采摘環(huán)境感知，同時(shí)利用移動(dòng)通信遠(yuǎn)程控制終端對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行指令控制，實(shí)現(xiàn)智能化采摘作業(yè)。

1采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)需求

采摘機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行自動(dòng)移動(dòng)的無人操作設(shè)備，自身集成多種傳感器，能夠在不同的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可根據(jù)搭載作業(yè)裝置的不同而完成不同的采摘任務(wù)；采摘完成后，要求能夠按照規(guī)劃路徑進(jìn)行運(yùn)輸［6］。采摘過程中，需要采摘機(jī)器人根據(jù)設(shè)定路線進(jìn)行準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品采摘，因此要求采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)進(jìn)行移動(dòng)控制，并將位置狀態(tài)信息和采摘過程參數(shù)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效傳輸，方便使用者對(duì)采摘機(jī)器人的作業(yè)狀態(tài)信息進(jìn)行掌控［7］。根據(jù)以上分析，采摘機(jī)器人首先要求能夠自動(dòng)開啟控制系統(tǒng)，建立有效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)控制系統(tǒng)中裝載的控制軟件程序進(jìn)行運(yùn)行，接收控制過程相關(guān)指令。控制系統(tǒng)接收到移動(dòng)終端發(fā)送來的動(dòng)作指令后，對(duì)相關(guān)傳感器進(jìn)行初始化設(shè)置，按照設(shè)定程序開始程序運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行采摘機(jī)器人作業(yè)控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，將反饋信息數(shù)據(jù)發(fā)送至控制系統(tǒng)主機(jī)，并通過移動(dòng)通信傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至移動(dòng)終端［8－10］。當(dāng)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)初始化完成后，控制系統(tǒng)主機(jī)接收移動(dòng)終端指令，對(duì)指令數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，生成系統(tǒng)可執(zhí)行數(shù)據(jù)，通過總線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，完成相關(guān)作業(yè)動(dòng)作。

2采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)采摘機(jī)器人系統(tǒng)功能需求，設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人系統(tǒng)各模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互通信和數(shù)據(jù)傳輸。采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，采用GPS進(jìn)行采摘機(jī)器人坐標(biāo)定位，利用超聲波進(jìn)行作業(yè)過程距離測(cè)量，同時(shí)可進(jìn)行采摘機(jī)器人作業(yè)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)管理。采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)主機(jī)可通過遠(yuǎn)程控制器接收控制指令，也可以按照設(shè)定好的通信路徑接收控制指令。其控制指令發(fā)送流程如圖2所示。當(dāng)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)接收到運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行指令和故障指令時(shí)，主機(jī)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)指令進(jìn)行中止，并按照設(shè)定緊急程序進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作［11］。手動(dòng)遠(yuǎn)程控制指令通過移動(dòng)終端發(fā)送，利用無線數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)主機(jī)，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。路徑指定執(zhí)行指令是按照設(shè)定好的通信路徑，將采摘目標(biāo)狀態(tài)信息發(fā)送至控制系統(tǒng)主機(jī)，經(jīng)過接收和解析后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，過程中需要傳感器的輔助［12］。采摘機(jī)器人系統(tǒng)在通信過程中，要求保證控制系統(tǒng)主機(jī)和移動(dòng)終端能夠通信暢通，控制系統(tǒng)主機(jī)對(duì)采摘機(jī)器人的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可將分析處理后的參數(shù)信息發(fā)送至移動(dòng)終端。采摘機(jī)器人系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)主要包含控制系統(tǒng)主機(jī)發(fā)出的控制指令和初始化命令、傳感器數(shù)據(jù)信息和故障參數(shù)及控制系統(tǒng)主機(jī)與移動(dòng)終端之間的交互數(shù)據(jù)［13－14］。

3采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照采摘機(jī)器人的功能需求和作業(yè)控制過程，所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)程序執(zhí)行流程架構(gòu)如圖3所示。采摘機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程移動(dòng)終端控制時(shí)，要求具有較高的定位準(zhǔn)確度，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)交互協(xié)議對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理［15］。GPS定位模塊在執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序時(shí)，首先根據(jù)數(shù)據(jù)格式特征進(jìn)行解析，將定位數(shù)據(jù)按照解析格式進(jìn)行發(fā)送，保證數(shù)據(jù)傳輸過程的準(zhǔn)確性。采摘機(jī)器人GPS定位模塊數(shù)據(jù)采集和分析處理流程圖，如圖4所示。采摘機(jī)器人作業(yè)過程中，要求能夠?qū)Σ烧h(huán)境內(nèi)的相關(guān)障礙進(jìn)行檢測(cè)和判斷，保證執(zhí)行采摘任務(wù)過程中不出現(xiàn)碰撞。因此，采用超聲模塊，對(duì)相關(guān)障礙物與采摘機(jī)器人本體之間的距離進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)超聲波測(cè)距儀檢測(cè)到障礙物與采摘機(jī)器人本體之間的距離時(shí)，與設(shè)定好的避障比例進(jìn)行對(duì)比，并做出按照原路徑運(yùn)動(dòng)或避障的控制指令。采摘機(jī)器人測(cè)距模塊數(shù)據(jù)采集分析處理流程圖如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)主機(jī)與移動(dòng)控制終端之間通過移動(dòng)無線通信進(jìn)行連接，執(zhí)行TCP通信協(xié)議，確保數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性，使控制系統(tǒng)主機(jī)能夠準(zhǔn)確接收到移動(dòng)終端指令?？刂浦鳈C(jī)在進(jìn)行作業(yè)指令發(fā)送時(shí)，構(gòu)建采摘機(jī)器人控制器與控制主機(jī)之間的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，相互進(jìn)行指令數(shù)據(jù)交互，直至采摘機(jī)器人控制器能夠按照設(shè)定控制指令執(zhí)行相關(guān)采摘作業(yè)。采摘機(jī)器人系統(tǒng)主機(jī)應(yīng)用程序流程圖如圖6所示。采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)中，移動(dòng)終端能夠保證使用人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指令發(fā)送，同時(shí)進(jìn)行采摘機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。移動(dòng)終端應(yīng)用程序的主要任務(wù)是進(jìn)行移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的組件和采摘機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)與控制指令數(shù)據(jù)的傳輸。采摘機(jī)器人控制主機(jī)與移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交互時(shí)，可保證使用人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到采摘機(jī)器人在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)性能試驗(yàn)

利用移動(dòng)通信終端進(jìn)行采摘機(jī)器人作業(yè)控制時(shí)，指令發(fā)送過程存在不同程度的通信延遲，造成控制指令傳輸過程實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性波動(dòng)。采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)建立完成后，進(jìn)行通信模塊測(cè)試，利用移動(dòng)通信終端向控制系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送指令，并在移動(dòng)通信終端查看指令返回結(jié)果。指令發(fā)送過程中，采用5種不同強(qiáng)度等級(jí)的通信信號(hào)，每種強(qiáng)度的通信信號(hào)進(jìn)行100次試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中記錄傳輸過程中的最大延遲時(shí)間和平均延遲時(shí)間。試驗(yàn)完成后，統(tǒng)計(jì)指令發(fā)送接收過程中的數(shù)據(jù)丟失率，結(jié)果如表1所示。由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)通信信號(hào)強(qiáng)度低于2級(jí)時(shí)，信息指令數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的丟失，并造成指令信息傳遞過程有較大的延遲性，無法保證采摘機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制；信號(hào)強(qiáng)度高于3級(jí)時(shí)，指令數(shù)據(jù)傳輸過程中無數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，且數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲現(xiàn)象不會(huì)對(duì)采摘機(jī)器人的控制過程產(chǎn)生影響。

5結(jié)論

第6篇：機(jī)器人設(shè)計(jì)范文

【關(guān)鍵詞】STM32 電腦鼠 機(jī)器人

電腦鼠機(jī)器人是一種能夠在迷宮中行進(jìn)、位置記憶、搜尋終點(diǎn)和優(yōu)化路徑等功能，按照電腦鼠競(jìng)賽規(guī)則，機(jī)器人必須在陌生與未知的迷宮環(huán)境中以最快速度及最短時(shí)間到達(dá)終點(diǎn)完成比賽任務(wù)以獲得勝利。本文研究的電腦鼠機(jī)器人選擇了高性能的32位ARM Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的處理器作為控制核心設(shè)計(jì)了電腦鼠機(jī)器人的軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電腦鼠機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定快速行走能力、記憶迷宮搜尋軌跡能力和優(yōu)化最短執(zhí)行路徑能力，相比傳統(tǒng)基于8位單片機(jī)的電腦鼠系統(tǒng)，極大提升了系統(tǒng)整體性能，同時(shí)能夠借助本文研究的電腦鼠系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例，進(jìn)而研究與發(fā)明更加復(fù)雜的機(jī)械控制系統(tǒng)。

1 電腦鼠機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案

電腦鼠機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)由基于STM32的核心處理器、電源穩(wěn)壓電路系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、行走電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)六個(gè)子模塊組成，其中基于STM32的核心處理器子模塊是整個(gè)電腦鼠機(jī)器人的控制中心，負(fù)責(zé)與其它五個(gè)子模塊的信息傳輸，并運(yùn)行整體系統(tǒng)的軟件程序，實(shí)現(xiàn)電腦鼠的流程控制、運(yùn)算優(yōu)化和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；電源穩(wěn)壓電路系統(tǒng)負(fù)責(zé)給系統(tǒng)硬件提供穩(wěn)定可靠的電源，傳感器系統(tǒng)讓電腦鼠機(jī)器人能夠感知迷宮周圍環(huán)境，行走電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)能讓電腦鼠機(jī)器人快速直行或轉(zhuǎn)彎，液晶顯示系統(tǒng)可以通過屏幕讓人們獲得機(jī)器人的各種狀態(tài)信息，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)電腦鼠機(jī)器人與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)。電腦鼠機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 電腦鼠機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

電腦鼠機(jī)器人的硬件系統(tǒng)核心處理器采用ST公司的STM32F103R8T6，它的時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個(gè)16位定時(shí)器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價(jià)比。

電路方面，由TPS76033電路、TPS5430電路、TPS77333電路組成電源穩(wěn)壓電路系統(tǒng)，其中TPS76033電路負(fù)責(zé)給陀螺儀供電，TPS5430電路負(fù)責(zé)給紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、紅外發(fā)射電路、紅外接收電路供電、其余由TPS77333電路供電；行走電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編碼器（IE2-512）與空心杯電機(jī)（1524SR）組成，由系統(tǒng)核心處理器輸出控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，從而使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度、停止，空心杯電機(jī)與編碼器是一體的，編碼器、空心杯電機(jī)與車輪組合用于測(cè)量轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、距離，對(duì)空心杯電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的控制；液晶顯示系統(tǒng)選用12864規(guī)格的顯示屏，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由ZigBee CC2530模塊和WIFI模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)連接遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)或云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。

3 電腦鼠機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

電腦鼠機(jī)器人控制軟件采用針對(duì)STM32系列芯片的C語言編寫，軟件流程圖如圖2所示。首先，電腦鼠機(jī)器人進(jìn)行初始化確定系統(tǒng)初始控制參數(shù)；開啟電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、紅外檢測(cè)模式以及中斷模式，對(duì)電腦鼠機(jī)器人身體姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)修正，并等待迷宮探測(cè)搜尋的“啟動(dòng)指令”?！皢?dòng)”后電腦鼠機(jī)器人開始探測(cè)搜尋迷宮，按照一定的控制策略進(jìn)行迷宮搜尋（如右手、左手、向心等法則），執(zhí)行電腦鼠機(jī)器人的行走控制、路口檢測(cè)和路程控制程序，以最快的速度完成整個(gè)迷宮的探測(cè)和搜尋任務(wù)。

根據(jù)迷宮比賽規(guī)則要求，電腦鼠機(jī)器人到達(dá)迷宮終點(diǎn)后，必須返回到起點(diǎn)位置，并根據(jù)之前電腦鼠機(jī)器人搜尋迷宮的情況，計(jì)算和找出一條最優(yōu)最短的從起點(diǎn)直達(dá)終點(diǎn)的路徑并調(diào)用沖刺子程序，完成迷宮起點(diǎn)到終點(diǎn)的最快沖刺，完成迷宮比賽任務(wù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本測(cè)試是通過2個(gè)不同布局的8*8迷宮和1個(gè)不同布局的16*16迷宮，把本文設(shè)計(jì)的基于STM32系列控制核心的電腦鼠機(jī)器人和傳統(tǒng)基于8位單片機(jī)的電腦鼠機(jī)器人進(jìn)行比較，得到兩種電腦鼠機(jī)器人完成任務(wù)的數(shù)據(jù)（任務(wù)完成時(shí)間），如表1所示，可以看出，本文設(shè)計(jì)的電腦鼠機(jī)器人在性能上提高了20%以上。

5 結(jié)語

本文主要偏重于硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)同時(shí)輔助了精簡(jiǎn)的控制軟件，采用高性能STM32處理器，通過配置高精度傳感器和優(yōu)質(zhì)行走電機(jī)，優(yōu)化電腦鼠循跡算法，實(shí)踐表明，本設(shè)計(jì)電腦鼠機(jī)器人性能得到極大提升，滿足電腦鼠迷宮競(jìng)賽的要求，可供同行進(jìn)行參考。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

蒙飚（1981-），男，廣西壯族自治區(qū)柳州市人?，F(xiàn)為柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。工學(xué)碩士學(xué)位。研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)、自動(dòng)控制技術(shù)。

第7篇：機(jī)器人設(shè)計(jì)范文

【關(guān)鍵詞】滅火，機(jī)器人，傳感器

1.機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人了提供了強(qiáng)大的技術(shù)保證。

2.滅火機(jī)器人的誕生

近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機(jī)器人研究被提到了議事日程。而機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也為這一要求的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)上的保證，使得消防機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。從二十世紀(jì)八十年代開始，世界許多國(guó)家都進(jìn)行了消防機(jī)器人的研究。美國(guó)和蘇聯(lián)最早進(jìn)行消防機(jī)器人的研究，而后日本、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家都紛紛開展了消防機(jī)器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機(jī)器人用于各種火災(zāi)場(chǎng)合。

3.滅火機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)了以ATMEGA128單片機(jī)作為主控制器，光敏電阻作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅?，用ST178型光電對(duì)管進(jìn)行尋線和避障，L298作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。所做工作和確定的成果如下：（1）以單片機(jī)ATMEGA128為核心擬定了系統(tǒng)組成方案，完成了系統(tǒng)的電路硬件總體設(shè)計(jì)，包括供電模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、尋線系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、壁障系統(tǒng)、火焰檢測(cè)系統(tǒng)以及滅火系統(tǒng)和各個(gè)模塊間接口。

（2）完成主要功能模塊的程序設(shè)計(jì)，分別完成對(duì)各個(gè)功能模塊的程序進(jìn)行調(diào)試工作。

4.整體方案設(shè)計(jì)

課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易滅火機(jī)器人模型，能到指定區(qū)域進(jìn)行滅火工作（以蠟燭模擬火源，分布在機(jī)器人行走的場(chǎng)地中）。機(jī)器人必須通過內(nèi)部設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況進(jìn)行分析并做出相應(yīng)的動(dòng)作，以達(dá)到機(jī)器人智能滅火的目的。根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、避障傳感器模塊、避障模塊、火焰?zhèn)鞲衅?、滅火系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)模塊等模塊構(gòu)成，本系統(tǒng)的方框圖如圖所示。

5.滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)問題

（1）機(jī)器人對(duì)火源的認(rèn)定：發(fā)生火災(zāi)時(shí)，起火點(diǎn)溫度高，紅外線強(qiáng)度大，并激發(fā)較為強(qiáng)烈的光譜。根據(jù)這種情況，機(jī)器人設(shè)計(jì)中應(yīng)安裝有‘空氣二氧化碳含量監(jiān)測(cè)儀’、‘紅外線探測(cè)器’、‘光譜強(qiáng)度監(jiān)測(cè)儀’以及‘靈敏溫度傳感器’等監(jiān)測(cè)儀器。監(jiān)測(cè)儀收集到的信息傳送到機(jī)器人核心單片機(jī)中，單片機(jī)對(duì)收集到的信息進(jìn)行處理分析，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，并輸出相對(duì)應(yīng)信號(hào)。

（2）機(jī)器人對(duì)火源位置的判定：機(jī)器人核心單片機(jī)中可以儲(chǔ)存所在位置的三維立體地圖，單片機(jī)在對(duì)監(jiān)測(cè)儀收集到的信息進(jìn)行處理時(shí)如發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)發(fā)生便可根據(jù)三維立體地圖大體確定火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)。如果是人控機(jī)器人，則在機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)安裝攝像頭（該攝像頭應(yīng)具有在黑暗、煙霧等環(huán)境下工作的能力）根據(jù)機(jī)器人錄像得到的圖像信息，人為判定是否存在火災(zāi)問題以及火源位置。

（3）機(jī)器人如何到達(dá)火原位置：先前問題中已經(jīng)提到，在機(jī)器人中央處理芯片中預(yù)存有該位置的全景三維立體地圖，機(jī)器人在認(rèn)定有火災(zāi)發(fā)生并確定大概火災(zāi)地點(diǎn)后可根據(jù)地圖導(dǎo)航前往火災(zāi)地點(diǎn)。

（4）機(jī)器人如何躲避障礙物：對(duì)于機(jī)器人如何躲避障礙物問題，可在機(jī)器人設(shè)計(jì)中加入避障前進(jìn)系統(tǒng)，如‘超聲波探測(cè)儀’等儀器，可利用超聲波反饋進(jìn)行判定前方是否有障礙物并作出相應(yīng)對(duì)策如‘繼續(xù)前進(jìn)’、‘拐彎’等。如果是人控機(jī)器人，則可根據(jù)機(jī)器人提供的視頻，人為控制機(jī)器人的前進(jìn)。

（5）關(guān)于機(jī)器人如何適當(dāng)停位：機(jī)器人可根據(jù)紅外線檢測(cè)以及光譜強(qiáng)度判定大概溫度并分析繼續(xù)前進(jìn)是否會(huì)對(duì)機(jī)器人本身造成傷害，以此確定機(jī)器人前進(jìn)距離，以及是否繼續(xù)前進(jìn)。

（6）關(guān)于機(jī)器人供能以及驅(qū)動(dòng)：機(jī)器人構(gòu)造中設(shè)有電源電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路。電源電路會(huì)為系統(tǒng)提供工作所需的電源，系統(tǒng)采用單電源供電電路時(shí)比較簡(jiǎn)單，但是考慮到電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)造成電源電壓不穩(wěn)，影響單片機(jī)和輸入電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，因此采用雙電源供電方案。將電機(jī)電源和單片機(jī)電源完全隔離。提高電動(dòng)機(jī)的供電電壓，可以提高機(jī)器人的運(yùn)行速度，從而可以提高滅火的效率。電機(jī)驅(qū)動(dòng)在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的地位相當(dāng)重要，機(jī)器人前進(jìn)和滅火都需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人本就要求小巧輕便，所以電機(jī)要求體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。

6.結(jié)語?；馂?zāi)發(fā)生原因多種多樣，對(duì)于不同原因造成的火災(zāi)處理方法也不相同。所以在機(jī)器人中央處理芯片程序設(shè)計(jì)中應(yīng)編入對(duì)不同情況的火災(zāi)進(jìn)行處理的方法以便機(jī)器人能夠使用正確的方法熄滅火源，將損失降到最低程度。（1）在機(jī)器人管轄范圍內(nèi)，如果某處有火災(zāi)發(fā)生，火源檢測(cè)器就會(huì)檢測(cè)到，發(fā)出信號(hào)給機(jī)器人。（2）機(jī)器人接收到信號(hào)后立即駛向該報(bào)警處。（3）當(dāng)機(jī)器人距離火焰一定距離后，利用紅外檢測(cè)儀以及光譜檢測(cè)儀尋找到火源具體的位置 并駛近該位置進(jìn)行滅火。

參考文獻(xiàn)：

第8篇：機(jī)器人設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞:步行機(jī)器人 機(jī)械機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 仿真

中圖分類號(hào):TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)06(a)-0041-01

步行機(jī)器人的研究對(duì)理論和實(shí)踐具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。它不僅可以豐富機(jī)器人研究的相關(guān)理論。還可以推動(dòng)人工智能技術(shù)、仿生學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、通信技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。隨著機(jī)器人逐漸被運(yùn)用到越來越多的領(lǐng)域中,機(jī)器人的工作環(huán)境發(fā)生了變化,工作任務(wù)進(jìn)一步復(fù)雜化,這就對(duì)機(jī)器人性能提出了更高的要求。由于步行機(jī)器人具有體積小、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)、能耗小、避障礙能力強(qiáng),移動(dòng)盲區(qū)小等特征和優(yōu)點(diǎn),因而它具有廣泛的實(shí)際運(yùn)用領(lǐng)域,也吸引人們的普遍關(guān)注。

由于該機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)步行和身體擺動(dòng)等較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也相對(duì)較為復(fù)雜,對(duì)設(shè)計(jì)尺寸也有相關(guān)對(duì)嚴(yán)格的規(guī)定,同時(shí)還要求采用單電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了滿足這些要求,文章設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、易于控制的機(jī)械機(jī)構(gòu)。

1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于是步行機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),因而雙足行走的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要作重復(fù)的非完整圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而傳達(dá)機(jī)構(gòu)的作用就是將電機(jī)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹貜?fù)的非完整圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般情況下,為了實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化,我們?cè)谠O(shè)計(jì)中可以采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。一般來說,中間構(gòu)件會(huì)比較長(zhǎng),這使得傳遞的線路也會(huì)比較長(zhǎng),容易產(chǎn)生誤差。而線路長(zhǎng)又會(huì)積累誤差,這樣一來,在傳遞過程中比較容易產(chǎn)生較大的誤差積累。與此同時(shí),機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中間構(gòu)件進(jìn)行傳遞還會(huì)增加能耗,降低機(jī)械的使用效率。除了會(huì)出現(xiàn)這些問題之外,死點(diǎn)的存在也會(huì)在很大程度上限制連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)用。

鑒于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在的缺陷,在這種步行機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,我們考慮采用齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中比較常用的一種方式,它具有其它傳動(dòng)不可比擬的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),比如傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞比較穩(wěn)定、傳動(dòng)工作可靠、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)裝置使用壽命長(zhǎng)等。在一般的錐齒輪傳動(dòng)中,從動(dòng)齒輪只能隨著主動(dòng)錐齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果我們延長(zhǎng)主動(dòng)錐齒輪的軸,在從動(dòng)錐齒輪的另一邊再安裝第二個(gè)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪齒合。由于在旋轉(zhuǎn)方向上,第二個(gè)和第一個(gè)的旋轉(zhuǎn)方向相反,所以該機(jī)構(gòu)就自動(dòng)被鎖住了,無法運(yùn)行。

在設(shè)計(jì)工作的實(shí)際中,如果我們只運(yùn)用第一個(gè)主動(dòng)錐齒輪的一半齒,去掉另一半齒,同時(shí)還去掉兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪被削齒對(duì)面的一半,通過這樣對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)和調(diào)整,去掉一部分齒輪,就能夠?qū)㈦姍C(jī)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹貜?fù)的非完整圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示,稈d所指的是大腿,桿e所指的是小腿,桿f所示的是腳板。在稈a和桿f之間采取相應(yīng)的措施,使得他們之間相對(duì)固定。輪b所指的是驅(qū)動(dòng)輪,并且,它的驅(qū)動(dòng)桿是桿a。通過一點(diǎn)相應(yīng)的連接措施,使桿a鉸接在輪c上。這樣的結(jié)構(gòu)方式使得桿a的運(yùn)動(dòng)形式為平動(dòng),這是由輪b和輪C所確定的。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中,首先由桿a和桿f一起作平動(dòng),與此同時(shí),他們的平動(dòng)會(huì)同時(shí)帶動(dòng)桿e進(jìn)行運(yùn)動(dòng),而桿e進(jìn)行運(yùn)動(dòng)又會(huì)帶動(dòng)桿d進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這樣一來,看似桿d、e、f一起在作步行運(yùn)動(dòng),而事實(shí)上是輪b、輪C和桿a在發(fā)揮著作用,桿d和桿e并不發(fā)揮主動(dòng)的作用,他們只是作為從動(dòng)件在整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用。在這個(gè)步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,只要作為腳板f的面積足夠大,能夠承受住桿件的重量和運(yùn)動(dòng)時(shí)帶來的壓力,使得地面上的投影始終不超越支撐多邊形的范圍,這樣一來,該機(jī)械機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)雙足步行,而不需要步行穩(wěn)定控制器的的支持就可以(如圖1)。

3 步行機(jī)器人仿真研究

為了驗(yàn)證該步行機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果,我們進(jìn)行了仿真研究。通過詳細(xì)的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)參數(shù),我們的得出了具體的單腿運(yùn)動(dòng)參數(shù)。這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)是以下一個(gè)情況。由1位置開始運(yùn)動(dòng),桿a從這里順時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°便到達(dá)2位置,與此同時(shí),桿b由1位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至2位置;桿a反向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)40°至3位置,與此同時(shí),桿b繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)40°至3位置;桿a繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°至4位置,與此同時(shí),桿b反向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°至4位置;桿a反向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)40°返回1位置,與此同時(shí),桿b繼續(xù)順時(shí)針返回1位置,通過這樣的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而使一個(gè)步行周期得以完成。

4 結(jié)語

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步必將推動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和進(jìn)步。隨著整個(gè)社會(huì)對(duì)機(jī)器人要求的進(jìn)一步提高,機(jī)器人的功能將進(jìn)一步增強(qiáng)。而機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中占有重要的地位和作用,直接影響機(jī)器人整體功能的發(fā)揮。文章主要探討分析了一種步行機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題,這種機(jī)器人便于控制,采用單相電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),運(yùn)用齒輪傳達(dá)機(jī)構(gòu)和步行機(jī)構(gòu)使其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的靜態(tài)步行。通過對(duì)該機(jī)器人的仿真研究,結(jié)果表明該步行機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)所期望的運(yùn)動(dòng)軌跡?？偟膩碚f,該機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是正確的,結(jié)構(gòu)緊湊,傳動(dòng)效率高,因此,在實(shí)踐中,值得推廣和應(yīng)用該種機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

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[2] 余聯(lián)慶,趙毅,杜利珍,等.小型雙足步行機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水運(yùn)(理論版),2007(7).

第9篇：機(jī)器人設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：除冰；自主行走；運(yùn)動(dòng)仿真

【中圖分類號(hào)】TP242

當(dāng)前全球氣候變化異常，凍雨天氣也是時(shí)常有可能發(fā)生。由于建造的有些高壓輸電設(shè)施在設(shè)計(jì)時(shí)并沒有考慮嚴(yán)重惡劣天氣的影響，不能保證有足夠的強(qiáng)度，因此，利用電線除冰機(jī)器人除去附著的冰塊，來彌補(bǔ)輸電設(shè)施的強(qiáng)度不足問題，是一種可行的方法。

1 功能分析

機(jī)器人的總功能由以下幾個(gè)功能單元組成：

（1）能在架空高壓線上以期望的速度平穩(wěn)爬行；根據(jù)實(shí)際線路的要求，在線行走速度為1m/s。

（2）能除去附著在電線上的冰塊，行走一次至少除去一半以上的附冰。

（3）能夠跨越高壓線路上的防震錘、線夾、絕緣子、線塔和跳線等障礙。

（4）具有一定的爬坡能力；根據(jù)輸電線路的實(shí)際情況，其最大坡度出現(xiàn)在山谷到山頂兩塔桿之間，坡度為55°。但是由于桿塔附近跳線與耐張線夾之間角度要大于此值，因此確定機(jī)器人的最大爬坡角度為75°。

（5）在故障情況下有可靠的自保安措施，防止機(jī)器人摔落。提供足夠的空間安裝攜帶電源等。

機(jī)器人功能目標(biāo)的約束條件為：

（1）外形：機(jī)器人得外形尺寸不得大于500mm*1000mm*2000mm。

（2）運(yùn)動(dòng)：要求機(jī)器人在輸電線路行走時(shí)要快速、穩(wěn)定、安全、可靠。

（3）重量：根據(jù)線路承載的要求，機(jī)器人重量越小越好，規(guī)定重量≤50kg。

（4）機(jī)器人承載重量≥7kg，主要是能夠攜帶電源等。

2 功能原理設(shè)計(jì)

在上述機(jī)器人的功能目標(biāo)中，在線行走、除冰和越障是電線除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵功能。由于機(jī)器人在行走、除冰和越障時(shí)既要保證機(jī)器人姿態(tài)平穩(wěn)，又要保持與其它導(dǎo)線和桿塔金屬部件及拉線的安全間距，并且還要容易控制。

2.1 行走功能

機(jī)器人的在線行走可以考慮用輪子壓著鋼索前行，這跟地面行走類似，只不過地面行走時(shí)只需要一個(gè)輪子靠重力壓住地面即可，而在線行走則需要一對(duì)輪子在同一個(gè)地方沿相反的方向同時(shí)壓住鋼索才能前進(jìn)。為保持平衡，機(jī)器人重心應(yīng)該在鋼索下面，起到圓周定向的功能。

也可以從仿生的觀點(diǎn)出發(fā)，模仿人在鋼絲行走的方式，可采用機(jī)器人主體懸掛在鋼索上，用機(jī)械手交替握住鋼索前行。

2.2 除冰功能

除去電線上附冰的方式，可以類似人在其它場(chǎng)合除冰的方式。模仿冰雕藝術(shù)家，用刀片對(duì)冰進(jìn)行切削；模仿路面的除雪除冰，用車將冰壓碎，撒融冰劑；電流加熱；振動(dòng)；除冰槍擊碎；模擬工人在高壓線上除冰，敲碎。

2.3 越障功能

機(jī)器人在線越障操作類似人的空中攀援行為。因此，仿生設(shè)計(jì)是解決機(jī)器人在線越障這一難題的有效方法。人體遇到線路障礙如懸垂線夾或防震錘，采用從線路下方穿越的方式越障，首先，人體進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，將人體重心放到起支撐作用的手上如左手。然后，另一只手右手松開，并立即向前伸出@過障礙，抓住線路的另一端，立即調(diào)整姿態(tài)，使重心前移，調(diào)整到另一只手右手上。然后，松開剛才起支撐作用的手左手，繞過障礙也抓住線路的另一端，從而完成了障礙的穿越。

通過對(duì)人體跨越障礙的方法分析，機(jī)器人的越障功能完全可以通過模仿人體跨越障礙的方法實(shí)現(xiàn)。按照仿生機(jī)械設(shè)計(jì)的原理，機(jī)器人設(shè)計(jì)成具有類似人體手臂功能的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，幫助機(jī)器人完成越障的任務(wù)。從上述分析看出，機(jī)器人至少要有兩臂組成，方能實(shí)現(xiàn)越障功能。從人體兩臂跨越障礙的過程中，我們可以了解到，人體要不斷地調(diào)整重心，使之保持在一定的范圍內(nèi)，否則就無法實(shí)現(xiàn)跨越障礙的功能。而機(jī)器人要采用兩臂結(jié)構(gòu)，勢(shì)必要解決重心調(diào)整的難題。最有效的解決方法是采用具有多自由度的多只手臂結(jié)構(gòu)。在這里，初步選用3只手臂機(jī)器人。

3 確定方案

初步擬訂幾種能夠完成功能的方案，進(jìn)行分析。

方案一：用兩對(duì)齒輪咬碎電線上的冰塊前行，一對(duì)齒輪除去冰塊，另一對(duì)咬著電線前行。

方案二：像人體懸掛在繩索上行走一樣，行走并拍擊電線除冰。

方案三：利用六對(duì)具有凹圓槽的齒輪，呈一定規(guī)律分布行走越障，使用電機(jī)帶動(dòng)除冰棒工作完成除冰。

比較各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)：

第一種方案分析：

（1）前進(jìn)用的齒輪和除冰的齒輪分開，采用不同結(jié)構(gòu)：前進(jìn)用的齒輪界面形狀和蝸輪形狀類似，適應(yīng)電線的圓柱形狀；除冰的齒輪采用較大的齒寬，先用齒輪壓碎冰，然后用一個(gè)錐形的圓筒將壓碎的冰塊排出。

（2）四齒輪安裝四電動(dòng)機(jī)，電瓶掛在下面。

（3）前進(jìn)用的齒輪間距在工作時(shí)不能調(diào)節(jié)，除冰的齒輪間距工作時(shí)可調(diào)節(jié)。

（4）如果還有少量碎冰粘在電線上，則錐形圓筒也能起到除冰功能；如果殘留的冰太多，則齒輪后退以后繼續(xù)壓冰，知道錐形圓筒能通過。

此方案不能完全實(shí)現(xiàn)跨越障礙的功能，適用范圍不夠廣，不能完全實(shí)現(xiàn)除冰的自動(dòng)化，需要較多的人工參與。

第二種方案分析：

將人體懸掛行走與雙臂攀緣進(jìn)行綜合，完成機(jī)器人的功能。機(jī)器人采用多只具有人體手臂關(guān)節(jié)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂上部安裝驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，機(jī)械臂只起連接作用。遇到障礙時(shí)，機(jī)械臂之間相互配合，采用仿人攀緣策略調(diào)整姿態(tài)，跨越障礙。由于采用多只多自由度機(jī)械臂，機(jī)器人可以完成更為復(fù)雜的空中姿態(tài)調(diào)整，因而可跨越各種類型的線路障礙。

此方案能實(shí)現(xiàn)跨越障礙的功能，適用范圍廣，當(dāng)上升角度過大時(shí)不能完全實(shí)現(xiàn)除冰的自動(dòng)化，仍需要人工參與。

第三種方案分析：

機(jī)器人行走越障機(jī)構(gòu)是由六對(duì)具有凹圓槽的齒輪對(duì)和一個(gè)電機(jī)組成，齒輪對(duì)兩對(duì)一組，分三組每組夾角120°平均分布于電機(jī)軸上，相鄰的四對(duì)齒輪組的凹圓槽壓緊電線，通過齒輪帶連接獲取電機(jī)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人線上行走功能。

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到瓷瓶左側(cè)位置時(shí)，停止行走。此時(shí)機(jī)器人進(jìn)入越障狀態(tài)，以靠近瓷瓶的兩組齒輪對(duì)為中心，松開另一組的齒輪對(duì)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，使另一組齒輪對(duì)越過瓷瓶障礙，到達(dá)瓷瓶右側(cè)，并且壓緊輸電線路。再以瓷瓶右側(cè)的齒輪組為中心，重復(fù)上一步動(dòng)作，完成越障。

評(píng)分法對(duì)三種方案進(jìn)行分析，最終確定第三種方案。

參考文獻(xiàn)：