第二课 机器人的结构设计与搭建技巧（合集5篇）

第一篇：第二课 机器人的结构设计与搭建技巧

第二课 机器人的结构设计与搭建技巧

课时一 乐高积木与搭建技巧

课时二 杠杆原理、齿轮传动原理

课时三 轮子与轮轴的使用、滑轮的使用

一、教学目标：

1、知识与技能目标：

使学生认识了解乐高积木，常用积木的分类与使用；使学生掌握齿轮传动原理、杠杆原理、滑轮的使用、轮子与轮轴的使用；

2、过程与方法目标：

教师讲解，学生动手操作，任务驱动的方式，实现教学目标；

3、情感态度与价值目标：

培养学生的动手能力，训练学生的观察力与模仿力。

二、教学重点与难点：

1、重点：齿轮传动原理、杠杆原理，滑轮、轮子与轮轴的使用；

2、难点：齿轮传动比的计算。

三、课前准备：

投影仪、教学课件、乐高9610/12/14/16机械结构迷你套装。课时一：乐高积木与搭建技巧

1、引题：

在上节课中，我们了解了机器人的概念及特征，并且动手操作了MSC火星救援项目。我们的火星救援机器人是用乐高积木搭建的，在以后我们的学习中所使用的机器人都是用这种叫做乐高积木的积木块搭建出来的。那么，我就来仔细的认识一下乐高积木吧！

2、认识乐高积木：

乐高积木最大的特点是乐高积木的凸点——我们称之为乐高钉，它是一项世界专利。乐高积木虽然种类很多（大概有2000多种），但是它们之间都是可以相互通用的，可以任意组合。从技术方面说，乐高积木的误差在5微米一内，所以乐高积木在搭建时其结构非常紧密，不易松动脱落；乐高积木自身的硬度、颜色的保鲜、耐磨损工艺也是非常突出的，在使用频率比较高的学校里，乐高积木3年一内不会出现退色、变形等问题；而且，乐高积木也经过了无害化处理。

3、乐高积木的分类：

乐高积木主要分为梁、片（板）、块（砖）、轴、销、轴套、连接器、轮子、齿轮、皮带与滑轮10大部分。（详见课件）

4、基本搭建与搭建技巧：

（1）乐高积木的基本单位：（如图）

1FLU（乐高单位）=0.8㎝ 6/5FLU=0.96㎝（2）一个梁的厚度正好等于三个板叠加起来的厚度

一层板的厚度=0.32㎝

（3）垂直方向上

计算： 6÷5+（2×2÷5）FLU=2FLU

5、总结：

（1）乐高积木的分类；（2）乐高积木的单位。

课时二：杠杆原理、齿轮传动原理

1、引题：

了解乐高积木的基本单位、搭建技巧和分类以后，我就用这些乐高积木学习一些简单的机械原理吧！

2、杠杆原理：

（1）杠杆的定义：一根环绕支点产生有效动作的杆或者臂。（2）杠杆三要素：支点、力、力臂；（3）杠杆的分类：

A第一类杠杆是支点在力与负载之间的杠杆； 例如，跷跷板，而剪刀则是两个一类杠杆结合使用的例子。B第二类杠杆是负载在力和支点之间的杠杆；

例如，手推车，而钳子则是两个二类杠杆结合使用的例子。C第三类杠杆是力在负载和支点之间的杠杆；

例如，钉书器、钓鱼杆，镊子则是两个三类杠杆结合使用的例子。

3、动手做活动（杠杆系统的搭建）：

学生使用乐高9612迷你套装，在教师指导下搭建杠杆系统。

4、齿轮传动原理：

（1）齿轮的定义：边缘带有锯齿的轮子，是一种简单的机械装置。（2）乐高积木中常用齿轮的种类：

40齿正齿轮、24齿正齿轮、16齿正齿轮、8齿正齿轮、24齿冠齿轮、差速齿轮、蜗轮等。（3）齿轮传动的特点：

A齿轮传动系统中齿轮数至少为两个，相临两个齿轮的转动方向相反； B你转动的齿轮称为主动轮，同时带动的齿轮称为被动轮； C齿轮加速系统：主动轮的齿数大于被动轮，例如一个40齿正齿轮带动一个8齿正齿轮转动，其传动比为1：5；

D齿轮减速系统：主动轮的齿数小于被动轮，例如一个8齿正齿轮带动一个40齿正齿轮转动，其传动比为5：1；

E惰轮系统：齿轮传动系统中，位于主动轮与被动轮之间的传动齿轮，例如两个40齿正齿轮中间夹着一个8齿正齿轮，中间8齿齿轮的作用是使与它相临的齿轮改变转动方向。F齿轮链传动系统：同一根轴上的两个尺寸不同的齿轮和其他齿轮传动连在一起，会增加齿轮加速或者减速的效果。

5、动手做活动（齿轮传动系统）：

学生使用乐高9612迷你套装，在教师指导下搭建齿轮传动系统。

6、总结：

（1）杠杆、齿轮在实际中的应用；（2）齿轮传动比。

课程三：轮子与轮轴的使用、滑轮的使用

1、引题：

学习了杠杆原理、齿轮传动原理，下面我们再学习一下轮子与轮轴的使用和滑轮的使用。

2、轮子与轮轴的使用：

（1）轮子的滚动与滑动的特点：

滚动摩擦阻力小（省力）、滑动摩擦阻力大（费力）（2）同轴轮与分轴轮的特点： 同轴轮转弯费力、分轴轮转弯灵活。

3、动手做活动（搭建带轮子的小车）：

学生使用乐高9612迷你套装，在教师指导下搭建带轮子的小车，了解轮子的使用特点。

4、滑轮的使用：

（1）滑轮的定义：滑轮是一种带有凹槽的轮子，可以用来传递力；（2）滑轮的分类：

滑轮分为静滑轮和动滑轮两种。

A静滑轮只能改变力的方向，而不改变力的大小；

B动滑轮可以改变里的大小和方向，但需要配合定滑轮使用；（3）滑轮传动的特点：

A滑轮传动可以使用皮带传动，优点是可以随意改变传动方向，缺点是皮带容易打滑；

B滑轮与齿轮传动类似，也可以通过使用不同大小的齿轮来改变齿轮传动的速度；

5、动手做活动（滑轮的使用）：

学生使用乐高9612迷你套装，在教师指导下搭建滑轮系统。

6、总结：

轮子与轮轴、滑轮在实际中的应用；

第二篇：小学三年级上册美术教案第二课 机器人

第二课 机器人

一、教学目标

1、知识与技能

初步认识机器人的外形、结构、种类、功能、用途和特点，知道机器人与人有着密切的关系。

2、过程和方法

通过观察探究、讨论、拼摆、欣赏发现、自主创作等方法，引导学生积极地参与学习活动，在活动中认识机器人。

3、情感、态度和价值观

启发学生对科学技术发展的关注，激发学生热爱科学的热情。

二、教学重点

了解机器人的外形、结构、种类、功能、用途和特点，并用绘画或制作的方式表现机器人的特征和活动场面。

三、教学难点

绘画创作中大胆想象，生动地表现机器人的新型造型和实用功能。制作过程中合理选材，巧妙拼组，创新表现作品。

四、教学准备

教师：录像带、机器人资料和教具、学生作业、绘画工具和制作材料等。学生：机器人资料、绘画工具、多种制作材料等。

五、课时安排：2课时

第一课时

一、教学目标

1、知识与技能

初步认识机器人的外形、结构、种类、功能、用途和特点，知道机器人与人有着密切的关系。

2、过程和方法

通过观察探究、讨论、拼摆、欣赏发现、自主创作等方法，引导学生积极地参与学习活动，在活动中认识机器人。

3、情感、态度和价值观 启发学生对科学技术发展的关注，激发学生热爱科学的热情。

二、教学重点

了解机器人的外形、结构、种类、功能、用途和特点，并用绘画或制作的方式表现机器人的特征和活动场面。

三、教学难点

绘画创作中大胆想象，生动地表现机器人的新型造型和实用功能。制作过程中合理选材，巧妙拼组，创新表现作品。

四、教学准备

教师：录像带、机器人资料和教具、学生作业、绘画工具和制作材料等。学生：机器人资料、绘画工具、多种制作材料等。

五、教学过程

（一）课件出示机器人图片

看，今天谁来到了我们的教室？

（二）讲授新课

1、观察探究机器人的结构特征(书、图片、网上下载资料、机器人模型„„)

如：千里眼、舞者、大力神„„

（1）机器人也叫“人”,它与我们人类一样吗？ 相同之处？

也有头、身体、上肢、下肢、具有和我们人类一样的身体结构，最主要的是机器人还和我们人类以牙膏会思考。（2）形状多样的机器人（3）功能多样的机器人

如：机器人医生、机器人厨师、机器人餐厅服务员、机器人保洁员、机器人乐手„„

2、探究方法

（1）如果让你设计一个机器人，你想让它帮人做什么? 看书中作品都采用了什么表现方法。

机器人快餐服务员，使用快餐盒制作的。

机器人邮递员，它是用彩色图钉组合的

机器人雪崩救援者，它是用衣服夹子组合的，而且每一处夹子都有特殊的功能。

（2）学生观察视屏资料，学习制作方法。

第二课时

一、教学目标

1、知识与技能

初步认识机器人的外形、结构、种类、功能、用途和特点，知道机器人与人有着密切的关系。并用绘画和制作的方式设计机器人，表现机器人新型造型和实用功能。

2、过程和方法

通过观察探究、讨论、拼摆、欣赏发现、自主创作等方法，引导学生积极地参与学习活动，在活动中认识机器人。

3、情感、态度和价值观

启发学生对科学技术发展的关注，激发学生热爱科学的热情。

二、教学重点

用绘画或制作的方式表现机器人的特征和活动场面。

三、教学难点 绘画或制作创作中大胆想象，生动地表现机器人的新型造型和实用功能。

四、教学准备

教师：录像带、机器人资料和教具、学生作业、绘画工具和制作材料等。学生：机器人资料、绘画工具、多种制作材料等。

五、教学过程

1、按要求完成作业：

（1）用绘画的方法表现一个机器人。（2）使用各种材料表现机器人，可以合作。

2、展示作品

比一比谁的机器人本领大、外形美观、色彩鲜艳。

3、学生评比：最漂亮的、最神奇的、最实用的„„机器人。板书设计：

第二课 机器人

头（五官）、身体、上肢、下肢、思维能力

形状多样 功能多种

教学反思：

《机器人》一课的主要教学目标是让学生了解机器人的种类、功能、造型等相关知识，学习表现机器人的多种方法。启发学生对科学技术发展的关注，激发学生热爱科学的热情，培养学生的创造精神。通过本节课的讲授，我觉得能够达到预想的教学目的，学生在教学过程中，能够通过多媒体教学了解机器人，并且充分的调动了学生学习的积极性。为了突出重点，解决教学难点，我在课前收集了大量关于机器人的图片和资料。在介绍什么是机器人的时候给学生们播放了一段录像片，使学生更加了解机器人；在介绍机器人的种类与功能时利用大量的图片进行说明；结合生活中的机器人和绘画作品中的机器人的造型来启发学生的造型表现让学生们了解机器人的造型不仅有人的形象，还有车型、动物型、几何体型等等。在这一环节学生学习的非常认真而且感兴趣，达到了预想的教学效果。

第三篇：四足步行机器人结构设计文献综述_-_副本

四足步行机器人结构设计文献综述

四足步行机器人结构设计文献综述

（）

摘要：对国内、外四足步行机器人的研究发展现状进行了综述，对四足步行机器人亟需解决的问题进行了论述，并对未来可能的研究发展方向进行了展望。关键字：四足步行机器人；研究现状；展望

1、引言

四足步行机器人是机器人家族的一个重要分支，其不仅承载能力强，而且容易适应不平的地形。它既能使用静态稳定的步态缓慢平滑地行走，又能以动态稳定的步态跑动。与轮式、履带式移动机器人相比，在崎岖不平的路面，步行机器人具有独特优越性能，在这种背景下，步行机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生四足步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势：

（1）四足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破环程度也较小，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，对崎岖的地形的适应性强。

（2）四足步行机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心位置，因此不易翻到，稳定性更高。

（3）四足步行机器人身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于：运动系统还具有主动隔振能力即允许机身运动轨迹和足运动轨迹解耦，机器人的身体可以平稳的运动而不必考虑地面的粗糙度和腿的放置位置。

（4）机器人在不平地面和松软路面上的运动速度较快，能耗较低。

2、国内外的发展现状

20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。

世界上第一台真正意义的四足步行机器人是有Frank和McGhee于1977年制作的。该机器具有良好的步态运动稳定性，但缺点是，该机器人的关节是由

四足步行机器人结构设计文献综述

逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定运动形式。

20世纪80，90年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列。1981~1984年Hirose教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应步行。TITAN-VI机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。

2000-2003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV，如图1所示。它的每个关节安装了一个光电码盘，陀螺仪，倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于CPG的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV能够实线不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它的另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。

目前最具代表性的四组步行机器人是美国Boston dynamics实验室研制的BigDog，如图2所示。它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升可达35°的斜坡。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机

四足步行机器人结构设计文献综述

需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。

国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。

上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机器人的研究。1996年该研究所研制成功了JTUWM-III，如图3所示。该机器人采用开式链腿机构，每个腿有3个自由度，具有结构简单，外形轻巧，体积小，质量轻等特点。它采用力和位置混合控制，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实线了对角动态行走。但行走速度极慢，极限步速仅为1.7KM/h,另外其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。

清华大学所研制的一款四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为步进机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。

四足步行机器人结构设计文献综述

3、国内外的关键技术分析

（1）机械本体研究

四足步行机器人是机电一体化系统，涉及到机构、步态、控制等，而机械机构是整个系统的基础。在机械本体的设计中腿部机构设计是关键。目前，研制的四足步行机器人的腿部机构形式主要有缩放型机构、四连杆机构、并联机构、平行杆机构、多关节串联机构和缓冲型虚拟弹簧腿机构。其中，并联机构可以实现多方位运动，且负载能力强，所以具有较好的应用前景，但控制系统较为复杂。另外，含有弹性元件的缓冲型虚拟弹簧腿机构，利用弹性元件把刚性连接变为柔性连接，减缓机器人在动态行走时的冲击以及由此产生的振动，因此该机构应用越来越广泛。

（2）步态研究

步行机器人几种典型步态有：爬行、对角小跑、溜蹄、跳跃、定点旋转、转向等。在文献[7]中，提出了爬步态的理论，并证明了该步态具有最大的静稳定性。对角小跑步态属于动态稳定步态，能够提高运动速度。跳跃式步态较其它步态在前进的效率上具有明显的优势，但是由于受到腿机构的摆动惯性力和关节处大冲击力的影响，因此需要较大的瞬时驱动力。另外，跳跃持续的时间是短暂的，为了保证机器人实时可控，必然需要在极短的时间内采集多种信号，这对目前的驱动元件和传感器都提出了极高的要求。目前所研究的各种步态中，跳跃步态的研究是最具挑战性的难点问题。

（3）控制技术研究

复杂四足步行机器人的控制系统是非线性的多输入和多输出不稳定系统，四足步行机器人结构设计文献综述

具有时变性和间歇动态性。目前四足机器人的步行运动大多数是基于步态的几何位置轨迹规划、关节位置控制的规划和控制策略。而对机器人进行单纯的几何位置规划与控制，则会由于惯性、脚力失衡等因素而导致机器人失稳。解决这个问题的关键就是突破单一的位置规划与控制策略，实施机器人力、位置混合控制。在步态生成和控制方面，有理论突破意义的是基于生物中枢模式发生器(CPG)原理的运动控制方法。

（4）驱动能源研究

在线提供能源受到空间的限制，而蓄电池组受体积和重量的限制，因此寻求提供持续可靠的离线自带电源就成了必须。随着新型电池的研发，新型太阳能电池、燃料电池、锂电池等成为较为理想的能量供给来源。另外，通过微波对微型机器人提供能量和控制信号也是一种较为可观的方法。

4、存在的问题

从20世纪60年代至今研究者们对四足步行机器人关键技术的分析做了大量的工作，在一些基础理论问题上取得了一定的突破，使四足步行机器人的技术水平不断得到提高。但在四足步行机器人发展过程中仍有一些亟需解决的问题：

（1）步行机器人的结构仿生设计问题；（2）在不平地面移动的速度、稳定性问题；（3）四足步行机器人的步态规划问题；（4）步行机器人仿生控制方面的问题；

（5）有些步行机器人的体积和质量都很大问题；（6）多数步行机器人研究平台的承载力不强问题；

5、展望

随着对四足步行机器人的研究的日益深入和发展，四足步行机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应能力等方面的性能都将不断提高，自主化和智能化也将逐步的实现，从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用，因此具有广阔的应用前景。

纵览当前四足机器人的发展，四足步行机器人有以下几个值得关注的趋势：

四足步行机器人结构设计文献综述

（1）实现腿机构的高能，高效性；（2）轮，足运动相结合；（3）步行机器人微型化；

（4）增强四足步行机器人的负载能力；（5）机器人仿生的进一步深化；

6、总结

尽管四足步行机器人技术有了很大的发展，足式机器人的研究平台有很多，但制约四足机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决，其中，许多样机还达不到生物简单运动的速度和稳定性。正如著名机器人学家Geles教授所言：“步行机器人的理论研究步伐要远远落后于其技术开发的步伐”。现有的四足机器人的基础技术研究尚不够成熟和完善，足式机器人的关键技术还有待于进一步大力开发。

7、参考文献

[1] McGhee.R.B.Robot locomotion[A].In R.Herman, S.Grillner,P.Stein,and

D.Stuart, editors, al control of lNeurocomotion[C].Plenum Press.1976:237-264.[2] Shigeo.Hirose, Tomoyuki.Masui, Hidekazu.Kikuchi.TITAN-III: A Quadruped

Walking Vehicle-Its Structure and Basic Characteristics.Robotic

Research(2nd Int.Symp.).The MIT Press, 1985：325-331.[3] 王洪波，徐桂玲，胡星，张典范，张雄.四足并联腿步行机器人动力学[J].燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室.秦皇岛.066004.[4] 雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望 [M ].北京航空航天大学 汽车工程系.北京.100083.[5] 查选芳，张融甫.多足步行机器人腿机构的运动学研究[J].东南大学学报.1995.25(2).[6] 郭成，谈士力，翁盛隆.微型爬壁机器人研究的关键技术[J].制造业自动化.2004.26(7).[7] 王吉岱，卢坤媛，徐淑芬，雷云云.四足步行机器人研究现状及展望[M ].山

四足步行机器人结构设计文献综述

东科技大学 机械电子工程学院.青岛.266510.[8] 陆学东.多足步行机器人运动规划与控制.[M ].华中科技大学出版社.2006.2.[9] 宣奇波，张怀相，戴国骏.四足步行机器人稳定性步态规划.杭州电子科技大学计算机应用技术研究所.浙江 杭州 310018.[10] 朱学彪.液压驱动四足机器人机械结构设计.[M ].武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 430081

第四篇：论文工业机器人抓取手臂的结构设计毕业论文

工业机器人抓取手部结构及其应用 前言

1.1 工业机器人简介

几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。

到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装臵构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装臵，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

1.2 世界机器人的发展

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

（1）.工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。（2）.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。

（3）．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

（4）．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位臵、速度、加速度等传感器 外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配臵技术在产品化系统中已有成熟应用。

（5）．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生臵身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

（6）．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的?索杰纳?机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

（7）．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出?虚拟轴机床?以来，这种新型装臵已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

1.3 我国工业机器人的发展

有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。

我国的工业机器人从80年代?七五?科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过?七五?、?八五?科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，?一客户，一次重新设计?，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。

我国的智能机器人和特种机器人在?863?计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在十五世纪后期立于世界先进行列之中。手部结构 2.1概述

手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。

2.2 设计时应考虑的几个问题 ①应具有足够的握力（即夹紧力）

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

②手指间应有一定的开闭角

两个手指张开与闭合的两个极限位臵所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。③应保证工件的准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位臵，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。

④应具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。

⑤应考虑被抓取对象的要求

应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。3 腕部的结构 3.1 概述

腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注意以下几点： ① 结构紧凑，重量尽量轻。

② 转动灵活，密封性要好。

③ 注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位臵检测、管线的布 臵以及润滑、维修、调整等问题 ④ 要适应工作环境的需要。

另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。

3.2 腕部的结构形式

本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为±115°。腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体也指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。

3.3 手腕驱动力矩的计算

驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩,手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装臵的摩擦阻力矩以及由 臂部的结构 4.1 概述

臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位臵和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的

横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装臵的布臵、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求：

① 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。② 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设臵导向装臵，或设计方形、花键等形式的臂杆。

③ 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。

④ 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。

4.2 手臂直线运动机构

机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。

4.2.1 手臂伸缩运动

这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。如图5所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端，当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）作往复直线运动。导向杆3在导向套4内移动，以防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、行程较长的场合。

4.2.2 导向装臵

液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装臵。它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前采用的导向装臵有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装臵，本机械手采用的是双导向杆导向机构。

双导向杆配臵在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。

如图6所示，对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。在导向杆1的尾端用支承架4将两个导向杆连接起来，支承架的两侧安装两个滚动轴承2，当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时，支承架上的滚动轴承就在支承板3的支承面上滚动。

4.2.3 手臂的升降运动

当升降缸上下两腔通压力油时，活塞杠4做上下运动，活塞缸体2固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒3做升降运动。其导向作用靠立柱的平键9实现。

4.5 臂部运动驱动力计算

计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。

4.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算

手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力Pq可按下式计算：

Pq = Fm + Fg(N)式中 Fm——各支承处的摩擦阻力；

Fg——启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算： Fg = Wa(N)g 式中 W ——手臂伸缩部件的总重量（N）； 5.1 液压系统简介

机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装臵等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。

5.2 液压系统的组成

液压传动系统主要由以下几个部分组成：

① 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。

② 液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360°的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。

③ 控制调节装臵 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。

5.3 机械手液压系统的控制回路

机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎 由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。

5.3.1 压力控制回路 ① 调压回路 在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设臵溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。② 卸荷回路 在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采用卸荷回路。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。

③ 减压回路 为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。

④平衡与锁紧回路 在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡。

为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位臵上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位臵锁紧的回路。

⑤ 油泵出口处接单向阀 在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。

5.3.2 速度控制回路

液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。

根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或QI型单向调速阀等进行调节。

节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。

调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。

5.3.3 方向控制回路

在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有380V或36V），直流电磁阀的使用电压一般为24V（或110V）。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。

5.4 机械手的液压传动系统

液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。

绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布臵中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装臵，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理图。

5.4.1 上料机械手的动作顺序

本液压传动上料机械手主要是从一个地方拿到工件后，横移一定的距离后把工件给立式精锻机进行加工。它的动作顺序是：待料（即起始位臵。手指闭合，待夹料立放）→插定位销→手臂前伸→手指张开→手指夹料→手臂上升→手臂缩回→立柱横移→手腕回转115°→拔定位销→手臂回转115° →插定位销→手臂前伸→手臂中停→手指松开→ 手指闭合→手臂缩回→手臂下降→手腕反转（手腕复位）→拔定位销→手臂反转（机械手臂复位）→立柱回移（回到起始位臵）→待料（一个循环结束）卸荷。

上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现的。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作是在每一步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每一步动作的预设停留时间，使时间继电器动作而发信，使步进器顺序?跳步?控制电磁阀的电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作（见电磁铁动作程序表）实现液压系统的自动控制。结束语

这次论文给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。

虽然我描述的只是个简单的工业机器人抓取手臂，但需要完成伸缩、升降、回转、横移等功能，对应分别要对这些机构进行设计和计算，以及对油路及其部件的选择、控制回路和电气控制的设计。通过这些设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识。在设计的过程中我不断探索、不断学习和修改。

通过这次设计，大大的提高了我们的自主学习和认真思考的能力，对学术态度的严谨性也有了很高的认识。我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的能力，较快地适应工作和社会激烈的竞争。

参考文献

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第五篇：浅谈FLL竞赛机器人的搭建及编程

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浅谈FLL竞赛机器人的搭建及编程

字数：

作者: 单位：泰州技师学院地址：江苏省泰州市龙轩路邮编：3412字

周洋

9号 225300

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浅谈FLL竞赛机器人的搭建及编程

摘要：在FLL机器人竞赛中，基础小车的搭建是完成任务的基础，完成任务的准确性和稳定性有很大一部分因素取决于基础小车的搭建，本文从驱动轮、从动轮、重心、传感器、电机等几个方面来探讨基础小车的搭建问题以及阐述了在比赛中常用PID巡线技术。

关键词：FLL、机器人、传感器、搭建、PID、巡线

近十年，机器人竞赛越来越普及，种类也非常繁多，这些比赛对促进青少年的发现问题、解决问题的能力有着很大的提升作用，与当前所倡导的素质教育不谋而合。许多大学目前也开设了机器人专业，家长的教育理念也有所更新，机器人教育也符合孩子们的天性，种种原因都使得机器人教育和机器人比赛蓬勃发展，一片欣欣向荣。其中FLL比赛是较为复杂，对青少年的能力考验要求比较高的一项比赛，在该项赛事中，机器人的结构搭建又是完成比赛中各项任务的基础，本人近几年多次指导学生参加江苏省青少年机器人大赛获得一等奖，现将一些搭建和编程的经验与大家分享，希望对参赛者能有所帮助。

一、驱动轮和从动轮的要求

乐高器材中可以用作驱动轮的轮子很多，有大、有小、有宽、有窄，在比赛中很多参赛队都各有采用。这些轮子在走直线时是没有什么误差的，主要的误差来自于拐弯，太宽的轮子由于场地不是绝对平整的，在拐弯的时候的中心点就没法确认，导致拐弯的误差较大，所以应选用较窄的轮子误差较小。直径大的轮子可以实现较快的速度，但同时惯性较大引起误差；直径较小的轮子速度较慢，但误差较小。轮胎与周围结构件的距离要空开2毫米以上的距离，防止轮胎与结构件摩擦引起误差。

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从动轮不宜选择万向轮，因为万向轮的在结构上不够稳定，会引起转向的误差，可以选择转动灵活的普通轮毂在作为从动轮。通常两动力轮之间的距离在15~18厘米左右，动力轮与从动轮的前后轴距在14~20厘米左右。

二、车体重心的要求

在垂直方向，为了车体的稳定，整机的重心应该尽量靠下，在乐高所有的器件中控制器(包括电池)和电机的重量是比较大的，所以这些零件应该装在较低的位置。在水平方向，整机的重心应该离驱动轮较近，离从动轮较远，两者的距离大约为1:2。如果重心离驱动轮较远，那么驱动轮就有可能会打滑，引起比较大的误差；如果重心离驱动轮太近甚至就落在驱动轮上，那么在行进的过程的惯性就会引起车辆的点头和抬头，从而引起误差。

三、传感器的使用

乐高提供的传感器种类很多，但能够在FLL比赛中发挥作用的却很少。光电（颜色）传感器在比赛中使用频率较高而且是必不可少一个传感器，可以用单光电来巡线定位，常用的定位算法是PID算法，但在实际比赛中往往只要用到P算法就可以达到要求。可以用双光电来进行垂直定位，在车辆的左右水平位置各安装一个光电传感器，左侧的传感器控制左轮，右侧的传感器控制右轮，左侧的传感器检测到黑线左轮就后退，检测到白色左轮就前进，右侧也是一样，这样就可以达到与黑线垂直对齐的目的。可以用单光电光电巡线+光电定位，一个光电传感器负责巡线，另一个光电传感器负责检测旁边垂直的黑线，一但检测到黑线，机器就可以进行下一步动作，例如停下来完成任务等。

角度传感器也使用得比较多。它是集成在电机内部的，用来反馈

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电机旋转的角度，是非常重要的控制电机的手段。

超声波传感器可以用在对精度要求不是很高的任务上，因为小车前进的速度和超声波本身都会对距离的判断带来误差，使用的距离也应该控制在4~12厘米左右，太近或太远都会有较大的误差。

触碰传感器可以用在启动机器和靠墙对齐时使用。可以利用按一下触碰传感器来启动机器或是在比赛过程中再次启动机器。靠墙对齐就要求在机器的最后面的水平对称位置安装两个触碰传感器，一但两个传感器同时被按下就说明对齐成功，可以进行下一步动作。

至于陀螺仪、声音传感器、温度传感器在FLL比赛中都不适合使用。

四、车身形状的要求

首先整个车体的结构要非常稳固和结实，不能再比赛中有零件松脱的现象。结构不稳固会在行进中引起跟距离成正比的误差。如有零件松脱了，裁判会进行判罚。第二，车辆的前后左右最好使用圆弧或倒角的结构，不要使用直角，这样在车体拐弯的时候可以减少碰到模型或墙壁的概率。第三，车体后面做成一个平面或在左右两边做出两个凸起，用来进行靠墙对齐。第四，如果需要安装导向轮，那导向轮的位置一定要在驱动轮的前面，不要超过墙壁的高度。第五，车辆的四周要平滑，要留下固定点。这样就可以方便地安装和拆除策略物。

五、控制器和连接线的要求

控制器最好是横放在车辆上，否则重心不太容易控制。控制器的下载口的空间要预留出来，否则无法下载程序。控制器要方便拆卸，这样可以方便更换电池和充电。连接线要尽量藏到车辆里面去，千万不能鼓在旁边，更不能碰到传动部件，这样会严重影响任务的执行。

六、电机的选择要求

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目前主流的电机主要是NXT电机和EV3电机，在实际使用中EV3电机在启动时的误差要比NXT电机要大，所以我们通常使用NXT电机。电机要挑选两个最为接近的电机，在挑选时可用一根轴连接两个电机，然后让两个电机同时转动，在启动时比较平顺，没有跳动的即可作为一对电机来使用。

七、巡线算法

巡线是FLL竞赛中一项非常重要的支撑技能。有了它机器人就能在场地上准确定位，完成任务；有了它机器人就能充分利用场地上的线路，提高速度和准确性。在一般的教材中提到的往往是由传感器判断黑白位置，控制器控制左右轮交替前进的方式，该方式车体摆动较大，定位的精度不够，所以在比赛中失误较多。为了能够达到比赛精度，我们往往采用的是PID算法巡线。

1、PID巡线的P算法

有了稳定的好的车体，下面就欠缺好的算法了。机器人在巡线的时候巡的是黑白的交界线，用我们的肉眼看这条分界线是黑白分明，黑色的光线暗而白色的光线亮。实际上光线不论从暗到明还是从明到暗都不是跳跃的而是线型变化的。我们利用这个线型的变化值来确定机器人的位置，来确定驱动轮电机的功率，从而修正位置。

通常我们用于驱动的电机都习惯是B和C（因为程序默认B和C），依照前进的方向，左侧的为B电机，右侧的为C电机。假定黑色路线的平均光线值为5，白色部分的光线值为55，那么平均值30我们就可以看成是黑白分界线的值，换句话说就是传感器测出的值为30，那么我们就确定传感器的位置在分界线上，值越小就越靠近黑线里面，值越大离黑线就越远。我们以巡右侧的分界线为例来说明一下算法。首先由传感器测出当前的光线值，然后用平均值减去当前光线值，若

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差是正值则说明偏黑线部分，这时B电机应该功率大，C电机应该功率小甚至是负值。用该差值乘以一个0到1的系数（该系数由光电跟驱动轮的距离和驱动轮的大小决定），得到一个新数值，用该新数值加上一个基础功率（该功率越大前进越快，车辆越不稳定，反之亦然）就得到B电机的功率；用基础功率减去该新数值就得到C电机的功率，这样就实现了调整机器人位置的目的。这里的关键就是根据需要找好系数和基础功率，这两个值直接决定了巡线的速度和稳定性，而这两点往往是矛盾的，所以要找好平衡点。

2、PID巡线的I算法

以上的P算法对于一些比较平滑的线路已经能够做到比较好的巡线精度了，但对于弯曲度比较大的曲线或是急拐弯就显得不够了，那就要加入I算法。每次计算出当前光线值和平均值的误差后，将这个误差存到一个变量中，那么就会出现这样一个公式：变量=变量+误差，如果线路比较平滑，那么误差有正、有负，所以大部分的误差是可以抵消的，变量趋近于零。但对于曲度较大的线路，引入该算法后就可以修正误差，我们最终希望变量趋近于零，得到较为平顺的行进线路。具体做法是我们将累累积的误差，也就是这个变量加到B和C电机的基础功率里，还是以巡右侧线为例，基础功率加上变量赋给B电机；基础功率减去变量赋给C电机即可。

3、PID巡线的D算法

前面的P算法用于修正当前的误差；算法用于修正累积的过去的误差。D算法就是用于预测未来的误差给予修正。假定误差的下一个变化与当前最后一个变化是相同的，我们据此来预测将来。这个意思是说，下一个误差的期望值是：修正量=当前误差+前两次传感器采样误差的变化量。

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以上是在近几年的比赛中对于基础小车搭建的一些心得和FLL比赛中使用的PID算法的基本原理，希望对大家能有所帮助。

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