第一篇：机器人课程设计
沈阳化工大学
机器人课程设计
专业：测控技术与仪器
班级：测控0901
姓名：许伟博
学号：09130109
目录
第一章
绪言.............................................................................................2 1.1、目的和意义.................................................................................2 1.2、设计内容.....................................................................................2 1.2.1、机器人硬件........................................................................2 1.2.2、设计任务............................................................................3 1.3、运行框图.....................................................................................3 第二章 机器人触觉导航..........................................................................4 2.1、安装并测试机器人胡须.............................................................4 2.2、测试触须传感器.........................................................................7 2.3、C语言程序如下..........................................................................7 第三章
机器人红外导航....................................................................11 3.1、使用红外线发射和接收器件探测道路...................................11 3.2、搭建并测试IR发射和探测器.................................................12 3.3、测试红外发射探测器...............................................................12 3.4、探测和避开障碍物...................................................................13 第四章
心得体会..................................................................................16
第一章
绪言
1.1、目的和意义
机器人涉及机械、电子、传感、控制等多个领域和学科。本课程设计是在《机器人学》课程的基础上，利用多传感技术、控制技术实现机器人控制系统的综合与应用，达到锻炼学生综合设计能力的目的。
1.2、设计内容 1.2.1、机器人硬件
本课程设计使用实验室已有的移动机器人。机器人有两个驱动轮、一个从动轮，驱动轮由舵机直接驱动。机器人控制器为89S52单片机。
图1 机器人结构简图
1.2.2、设计任务
利用多传感器技术，实现对机器人的轨迹规划及控制。具体为：控制机器人在规定的场地内避开障碍物走遍整个场地。
场地长1.8m，宽1.5m，场地四周为高0.3m的挡板。场地如图2所示。
1.3、运行框图
第二章 机器人触觉导航
本章你将通过给你的机器人增加触觉传感器学习如何使用这些端口来获取外界信息。实 际上，对于任何一个自动化系统（不仅仅是机器人），无非都是通过传感器获取外界信息，通过接口进入计算机（或者单片机），由计算机或单片机根据反馈信息进行计算和决策，生成控制命令，然后通过输出接口去控制系统相应的执行机构，完成系统所要完成的任务。因此，学习如何使用单片机的输入接口同学习使用输出接口同等重要。
许多自动化机械都依赖于各种触觉型开关，例如当机器人碰到障碍物时，接触开关就会察觉，通过编程让机器人躲开障碍物；旅客登机桥在靠近飞机时为了保护昂贵的飞机，在登 机桥接口安装触须，当登机桥离飞机很近后触须就会碰到飞机，立即通知控制器提醒离飞机已经很近了，需要降低靠近速度；工厂利用触觉开关来计量生产线上的工件数量；在工业加工过程中，也被用来排列物体。在所有这些实例中，触觉开关提供的输入通过计算机或者单片机处理后生成其它形式的程序化的输出。
本章中，你将在机器人前端安装并测试一个称为胡须的触觉开关。你将对机器人大脑编程来监视触觉开关的状态，以及决定当它遇到障碍物时如何动作。最终的结果就是通过触觉给机器人自动导航。
2.1、安装并测试机器人胡须
编程让机器人通过触觉胡须导航之前，首先必须安装并测试胡须。图3所示是安装机器人触觉胡须所需的硬件元件清单，包括：
1． 金属丝2根
2．平头M3×22盘头螺钉2个
3． 13mm圆形立柱2个
4． M3尼龙垫圈2个
5． 3-pin公-公接头2个
6． 220Ω电阻2个
7． 10kΩ电阻2个
图3 胡须硬件
安装胡须
1.拆掉连接主板到前支架的两颗螺钉 2.参考图4，进行下面操作
3.螺钉依次穿过M3尼龙垫圈、13mm圆 形立柱
4.螺钉穿过主板上的圆孔之后，拧进主板下面的支架中，但不要拧紧
5.把须状金属丝的其中一个钩在尼龙垫圈之上，另一个钩在尼龙垫圈之下，调整它们的位置使它们横向交 叉但又不接触
6.拧紧螺钉到支架上
7.参考接线图5，搭建胡须电路。
注意：右边胡须状态信息输入是通过P1口的第4脚完成，而左边胡须状态信息输入是通过P2口的第3脚完成8.确定两条胡须比较靠近，但又不接触面包板上的3-pin头。推荐保持3 mm的距离。
9.图6所示是实际的参考接线图。
10.安装好触觉胡须的机器人如图7所示。
图4 安装机器人胡须
图5 胡须电路示意图
图6教学底板上胡须接线图
图7 安装好触须的机器人
2.2、测试触须传感器
先执行一段简单的程序，下面的程序是让小车前行的，修改参数调舵机，使舵机保持前行，然后在通过设置程序让左须子触碰障碍物时左转，右须子触碰障碍物是右转，这样进行调试，来检测传感器。
死区程序很关键，以中断的方式写入，避免其一直困在墙角里出不来。
2.3、C语言程序如下
#include
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);} void siqu(void)interrupt 0
{ if(condition1){ commands for condition1 If(condition2){ commands for both condition2 and condition1} else { commands for conditio1 but not condition2}} Else { commands for not condition1} void Left_Turn(void)
{ int i;
for(i=1;i<=26;i++){ P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);}} void Right_Turn(void){
int i;
for(i=1;i<=26;i++){ P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);}} void Backward(void){
int i;
for(i=1;i<=65;i++){ P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);}} int main(void){ int i=1;
int z=0;uart_Init();printf(“Program Running!n”);
while(1){if((P1_4state()==0)&&(P2_3state()==0))
{if(z==0)
{Backward();//向后
Left_Turn();//向左
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Left_Turn();//向左
z=1;}
else {Backward();//向后
Right_Turn();//向右
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Right_Turn();//向右
z=0;}} else if(P1_4state()==0)
{ if(z==0)
{Backward();//向后
Left_Turn();//向左
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Left_Turn();//向左
z=1;}
else
{Backward();//向后
Right_Turn();//向右
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Right_Turn();//向右
z=0;}}
else if(P2_3state()==0)
{ if(z==0)
{Backward();//向后
Left_Turn();//向左
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Left_Turn();//向左
z=1;}
else {Backward();//向后
Right_Turn();//向右
for(i;i<100;i++)
{
P1_1=1;delay_nus(1700);
P1_1=0;P1_0=1;delay_nus(1300);P1_0=0;delay_nms(20);}
Right_Turn();//向右
z=0;}}
else
Forward();//向前
} } 将上述程序下载到小车中进行调试。
第三章
机器人红外导航
现在许多遥控装置和PDA都使用频率低于可见光的红外线进行通信，而机器人则可以使用红外线进行导航。可以使用一些价格非常便宜且应用广泛的部件，让机器人的C51微控制器可以收发红外光信号，从而实现机器人的红外线导航。
3.1、使用红外线发射和接收器件探测道路
许多机器人使用雷达（RADAR）或者声纳（SONAR）来探测物体而不需同物体接触。我们使用红外光来照射机器人前进的路线，然后确定何时有光线从被探测目标反射回来，通过检测反射回来的红外光就可以确定前方是否有物体。由于红外遥控 技术的发展，现在红外线发射器和接收器已经很普及并且价格很便宜。这对于机器人爱好者而言是一个好消息。
红外前灯
你将要在机器人上建立的红外光探测物体系统在许多方面就象汽车的前灯系统。当汽车
前灯射出的光从障碍物体反射回来时，人的眼睛就发现了障碍物体，然后大脑处理这些信息，并据此控制身体动作驾驶汽车。机器人使用红外线二极管LED作为前灯，如图8所示。
图8 用红外光探测障碍物
图9 本章需要用到的新部件
红外线二极管发射红外光，如果机器人前面有障碍物，红外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测（接收）器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线。机器人的大脑——单片机AT89S52基于这个传感器的输入控制伺服电机。
红外线（IR）接收/检测器有内置的光滤波器，除了需要检测的980 nm波长的红外线外，它几乎不允许其它光通过。红外检测器还有一个电子滤波器，它只允许大约38.5 kHz 的电信号通过。换句话说，检测器只寻找每秒闪烁38,500次的红外光。这就防止了普通光源象太阳光和室内光对IR的干涉。太阳光是直流干涉（0Hz）源，而室内光依赖于所在区域的主电源，闪烁频率接近100或
Hz。由于120 Hz在电子滤波器的38.5 kHz通带频率之外，它完全被IR探测器忽略。
3.2、搭建并测试IR发射和探测器
本任务中，我们将搭建并测试红外线发射和检测器。
元件清单:
(1)两个红外检测器
(2)两个IR LED
(3)四个470□电阻
(4)两个9013三极管
搭建红外线前灯
电路板的每个角安装一个IR组(IR LED和检测器)
电路图如图10
图10
左侧和右侧IR组原理图
3.3、测试红外发射探测器
用P1_3发送持续1毫秒的38.5kHz的红外光，如果红外光被小车路径上的物体反射回来，红外检测器将给微控制器发送一个信号，让它知道已经检测到反射回的红外光。
让每个IR LED 探测器组工作的关键是发送1毫秒频率为38.5 kHz的红外信号，然后立刻将IR探测器的输出存储到一个变量中。下面是一个例子，它发送38.5 kHz信号给连接到P1_3 的IR发射器，然后用整型变量irDetectLeft存储
连接到P1_2的IR探测器的输出。
for(counter=0;counter<38;counter++)
{
P1_3=1;
delay_nus(13);
P1_3=0;
delay_nus(13);
}
irDetectLeft=P1_2state();
上述代码给P1_3输出的信号高电平13微秒，低电平为13微秒，总周期为26微秒，即频率
约为38.5kHz。总共输出38个周期的信号，即持续时间约为1毫秒（38*26约等于1000微秒）。
当没有红外信号返回时，探测器的输出状态为高。当它探测到被物体反射的38500Hz红外信号时，它的输出为低。因红外信号发送的持续时间为1毫秒，因此IR探测器的输出如果处于低，其持续状态也不会超过1毫秒，因此发送完信号后必须立即将IR探测器的输出存储到变量中。这些存储的值会显示在调试终端或被机器人用来导航。
输入保存运行程序 进行调试
当你将物体移开时 是否显示
irdetectleft=1？
3.4、探测和避开障碍物
改变触须程序使其适应IR检测和躲避
3.4.1调用函数
If(IR=’L’)
For(counter=0.counter<38;counter++)//左边发射 {LeftLaunch=1
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LeftLaunch=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}
if(IR
'R')
for(counter=0;counter<38;counter++)//右边发射
{
RightLaunch=1;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
RightLaunch=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}
}
修改if…else语句存储IR检测信息的变量。
if((irDetectLeft 0)&&(irDetectRight 0))//两边同时接收到红外线
{
Left_Turn();
Left_Turn();
}
else if(irDetectLeft 0)//只有左边接收到红外线
Right_Turn();
else if(irDetectRight 0)//只有右边接收到红外线
Left_Turn();
else
Forward();3..4.2 验证机器人的行为和和运行程序RoamingWithIr.c时除不需要接触是否非常像
例程：RoamingWithIr.c
for(counter=0;counter<38;counter++)//发射时间比胡须长
{ LeftLaunch=1;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
LeftLaunch=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}
if(IR
'R')//右边发射
for(counter=0;counter<38;counter++)
{ RightLaunch=1;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
RightLaunch=0;
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
}
}
void Forward(void)//向前行走子程序
{ P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
void Left_Turn(void)
//左转子程序
{
int i;
for(i=1;i<=26;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1300);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
} void Right_Turn(void)
//右转子程序
{ int i;
for(i=1;i<=26;i++)
{
P1_1=1;
delay_nus(1700);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
void Backward(void)
//向后行走子程序
{ int i;
for(i=1;i<=65;i++)
{ P1_1=1;
delay_nus(1300);
P1_1=0;
P1_0=1;
delay_nus(1700);
P1_0=0;
delay_nms(20);
}
}
int main(void)
{ int irDetectLeft,irDetectRight;
uart_Init();
printf(“Program Running!n”);
while(1)
{
IRLaunch('R');//右边发射
irDetectRight = RightIR;//右边接收
IRLaunch('L');//左边发射
irDetectLeft = LeftIR;//左边接收
if((irDetectLeft 0)&&(irDetectRight 0))//两边同时接收到红外线
{
Backward();
Left_Turn();
Left_Turn();
}
else if(irDetectLeft 0)//只有左边接收到红外线
{
Backward();
Right_Turn();
}
else if(irDetectRight 0)//只有右边接收到红外线
{
Backward();
Left_Turn();
}
else
Forward();
}
}
第四章
心得体会
通过这次课程设计，我从中学到了很多东西，不仅是知识方面，还有动手方面等。随着科技的发展，机器人的应用也越来越普遍了。所以这次课程设计不仅是一次机器人知识的普及，也是一次与机器人亲密接触的机会。
在没有做课程设计之前，我对机器人并不很了解，慢慢的接触之后，我明白了机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编好的程序。在这次课
程设计中我们通过软件调试又巩固了单片机和C语言的相关知识。我们通过硬件调试锻炼了自己的动手能力。在课程设计中，我们也遇到很多的困难，在老师和同学的帮助下，最后都一一解决了。
通过这次课程设计，使我的理论知识又上升到了一个新的层次，同时在设计中也加深了我对理论知识的更深理解，另外，这次课程设计不仅使我的知识有了很大提高，而且使我学到许多其他方面的知识，总之，通过这次课程设计我不仅学到了新知识，而且提高了我考虑问题、分析问题的全面性，是我的综合能力有了很大提升。
总之，通过课程设计我既学到了知识，有锻炼了能力。非常感谢学校和老师为我们提供了这么宝贵的机会去学习机器人并完成设计，谢谢。
第二篇：智能扫地机器人课程设计
智能扫地机器人课程设计
1、课题背景及研究的目的和意义
1.1课题背景
扫地机器人是服务机器人的一种，可以代替人进行清扫房间、车间、墙壁等。提出一种应用于室内的移动清洁机器人的设计方案。其具有实用价值。室内清洁机器人的主要任务是能够代替人进行清扫工作，因此需要有一定的智能。清洁机器人应该具备以下能力：能够自我导航，检测出墙壁，房间内的障碍物并且能够避开；能够走遍房间的大部分空间，可以检测出电池的电量并且能够自主返回充电，同时要求外形比较紧凑，运行稳定，噪音小；要具有人性化的接口，便于操作和控制。结合扫地机器人主要功能探讨其控制系统的硬件设计。
1.2研究目的和意义
国家农业智能装备工程技术研究中心邱权博士介绍说，扫地机器人可以看作是一种智能吸尘器，通过其基于传感器检测的智能运动规划算法使原本由人操作的吸尘器成为一个可自主运行的智能化设备。它通过各种传感器，比如碰撞开关、红外接近开关、超声传感器、摄像头等，来感知自身的位置和状态，通过智能算法决定当前的任务状态。它可以根据某个传感器检验地面清洁程度，根据历史信息确定哪些区域已经打扫过，它的充电座会发出红外线信息，在电量低于一定值后，它开始寻找红外信息来自动充电。防跌落是基于机器人底部所安装的红外传感器检测地面的距离，当距离发生变化时机器人将停止并改变路线。由于扫地机器人是一个智能化产品，1.3工作原理
扫地机器人机身为可移动装置，机器人依托红外识别以及超声波测距从而避障，配合芯片控制内部电机转动以及内部真空环境吸尘，通过路线设计，在室内自由行走，由中央主刷旋转清扫，并且辅以边刷，沿直线或者之字形活动路径打扫。
2、设计要求与内容
1）以
AT89S52系列单片机为核心设计移动清扫机器人电机驱动与控制电路，采用红外传感器和超声波传感器完成障碍物检测电路设计，完成充电站检测电路设计，完成避障算法与路径规划算法设计。
2）按键选择清扫模式和充电模式。
3）显示方式LED
显示当前时间和机器人当前工作状态。
3、系统方案设计
3.1设计任务
1）利用AT89S52处理器编程实现电机驱动。
2）液晶显示扫地机器人的内部参数。
3）当扫地机器人显示电量不足时，无线模块发送命令到充电桩，开始进行充电模式，此时红外发射光线充电桩与扫地机器人充电接口对接，此时超声波实时测量两者之间的距离控制扫地机器人与充电桩之间的距离，防止速度过快损毁机器。
4）按键实现充电，清扫，停止3种模式对扫地机器人进行模式的切换。
5）用
protel
绘制详细电路原理图，标明元器件的型号、参数和引脚功能符号，电路图应符合电气要求。
红外
3.2系统整体框图
电压控制
超声波
AT89S52
驱动
按键
TFT液晶屏
无线模块
3.3
选择方案论证
3.3.1单片机选择方案论证
方案一：使用公司的AT89S52作为主控制器。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K
在系统可编程Flash
存储器。使用Atmel
公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8
位CPU
和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
方案二：
综上所述，选择方案一，价格适中，可操作性强，且现在使用AT89S52也是一种难度适中的选择。
3.3.2
驱动芯片选择方案论证
方案一：6612芯片？？？？？？？？？？？？？？？？
方案二：ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，起续流作用（在感性负载中，电路断开后会产生很大的反电动势，为防止损坏达林顿管，接反相的二极管来构成通路，使之转换为电流）。另外二极管的作用，驱动电流断开时，电机内的电感产生很大的反电动势，每一个单元的二极管都与三极管的集电极相连，产生反电动势时就构成了放点回路，从而保护了三极管。
方案三：使用东芝半导体公司TB6612FNG驱动芯片。TB6612FNG体积小，发热小，不需要加散热片，外围电路比较简单，只需要外接电容就可以直接驱动电机。
综上所述，选择方案一和二，体积小，电路简单，所以选择L298作为移动驱动电路，选用ULN2003作为清扫电机驱动电路。
3.3.3无线模块选择方案论证
方案一：选用RF903模块，作为微功率模块，传输距离能达到500米，兼具了低功耗和远距离的要求、另外性能强大，增加了电源切断模式、可以实现硬件冷启动功能、抗干扰能力强。
方案二：选择NRF24l01无线模块，此模块的体积小，但功耗大
综上所述，选择方案一，价格低，受环境温度小，综合性能更强，所以选择。
3.3.4时钟模块选择方案论证
方案一：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以也不采用此种作为显示.方案二：采用TFT液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,显示尺寸小巧,管脚占用少，适合单片机特点。
3.4硬件电路设计
3.4.1原理图设计
3.4.2独立式键盘设计
综合扫地人的无线控制，功能模块分为清扫模式，自动充电模式，暂停三大块，所以应该有按键供选择。独立式键盘设计结构简便，设计可靠。
独立式按键比较简单，它们各自与独立的输入线相连接，如图所示。
独立式按键原理图
条输入线接到单片机的IO
口上，当按键
K1
按下时，+5V
通过电阻
R1
然后再通过按键
K1
最终进入
GND
形成一条通路，那么这条线路的全部电压都加到了
R1
这个电阻上，KeyIn1
这个引脚就是个低电平。当松开按键后，线路断开，就不会有电流通过，那么
KeyIn1和+5V
就应该是等电位，是一个高电平。我们就可以通过
KeyIn1
这个
IO
口的高低电平来判断是否有按键按下。
3.4.3蜂鸣器报警电路
如图所示，因GPIO口输出电流有限，而蜂鸣器在蜂鸣时需要较大的电流，GPIO输出口无法满足要求。而8550最大可提供1A的输出电流，足以驱动蜂鸣器。所以，我们用GPIO口来控制8550的导通与截止，从而来控制蜂鸣器。
当向F1写入逻辑1时，F1输出高电平（+3.3V），8550的基极电流为0，此时Q1处于截止状态，电源不能加到蜂鸣器的正极上，蜂鸣器不能蜂鸣；
当向F1写入逻辑0时，F1输入低电平（0V），8550的发射极和基极之间产生电流，此时Q1导通，蜂鸣器开始蜂鸣。
3.4.4移动驱动电路
L298内部的原理图
L298
引脚符号及功能
引
脚
功
能
SENSA、SENSB
分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地
ENA、ENB
使能端，输入PWM信号
IN1、IN2、IN3、IN4
输入端，TTL逻辑电平信号
OUT1、OUT2、OUT3、OUT4
输出端，与对应输入端同逻辑
VCC
逻辑控制电源，4.5~7V
VSS
电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高
GND
地
L298的逻辑功能
IN1
IN2
ENA
电机状态
X
X
0
停止
0
顺时针
0
逆时针
0
0
0
停止
0
停止
当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;;IN1与IN2相同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。
在对直流电动机电压的控制和驱动中，半导体功率器件(L298)在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式在线性放大驱动方式。
半导体功率器件工作在线性区优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉调制（PWM）来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制。
3.4.5清扫电机驱动电路
高耐压、大电流复合晶体管IC—ULN2003，ULN2003
是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN
复合晶体管组成该电路的特点如下：
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003
工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
ULN2003
采用DIP—16或SOP—16塑料封装。
ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL、COMS，由达林顿管驱动电路。
ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管。它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE
约1V左右，耐压BVCEO
约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达500mA，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚
ULN2003
是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
3.4.6超声波测距模块
基于超声波距离传感器的避障:
目前市场也有一部分扫地机器人采用超声波传感器实现避障。超声波传感器与红外传感器之间的区别在于，红外线感应属光学感应技术，超声波感归属于声学感应系统的范畴。
超声波音频发射头能够发出超过
20KHz的音频信号，音频信号碰到障碍物后会反弹回波，机器人的接收器可以接受障碍物反弹的回波并通过分析回波信号判断前方有无障碍物。超声波感应技术最大的优点是对透明类障碍物具有很高的识别率，而且可以正确识别任意颜色的障碍物，即使在全黑环境下也能正常工作。
3.4.7红外模块
红外线检测技术的优点：技术成熟、成本低廉、使用寿命长和工作可靠性高。一对优质的红外线对管价格低廉，而且具有工作寿命长和电气性能稳定等优点。红外线本身属于不可见光，完全可以在黑暗环境中正常工作，在日常清洁使用中具备较高的工作可靠性。红外线检测技术的缺点：红外线对透明或半透明的障碍物具备较强的穿透性，机器人将无法感应到矿泉水瓶、落地式玻璃门等物体。此外，光波具有最易被黑色物体吸收而被白色物体反射的特性。通常情况下，采用该检测技术的扫地机器人在深色障碍物前，无法正确接收到红外反射信号。
虽然红外线检测技术存在一些缺点，但是作为目前最成熟的障碍物检测技术，它仍然将在相当长的一段时间内存在，纵观目前市场上销售的扫地机器人产品，会发现几乎所有的扫地机器人采用红外传感器与碰撞传感器融合方式实现避障。
采用这种技术的产品特征为：在机器人的碰撞栏前端有一圈茶黑色感应窗，传感器安装在感应窗内部。该检测系统的检测原理为：机器人工作过程中遇到障碍物时，红外传感器发射的光波会因为受到阻碍而产生回波，机器人内部红外接收器检测到回波后，会认为前方存在障碍物，即命令减缓机器的前进速度以慢速碰撞障碍物，确定障碍物的位置后进行避障行为。基于红外线与碰撞传感器障碍检测系统是目前扫地机器人中最为成熟也是使用范围最广的障碍检测系统技术
3.4.8无线通信模块
RF903模块性能及特点：
1)
433MHz开放ISM频段免许可证使用
2)
最高工作速率50kbps，高效GFSK调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合3)
125频道，满足多点通信和跳频通信需要；内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制
4)
低功耗3-3.6V工作，待机模式下状态仅为2.5uA，TXMODE在+10dBm情况下，电流为40mA；RXMODE为14mA;收发模式切换时间
650us
5)
模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接串接各种单片机使用，软件编程非常方便
6)
增加了电源切断模式，可以实现硬件冷启动功能
7)
SPI兼容的控制接口，低功耗任务周期模式，自带唤醒定时器，与RF905SE编程接口类似
8)
增加了RSSI功能，通过SPI接口可以获取当前接收到的信号强度(0-255)，可以供当前设备做出决策，比如低于某个数值50可以报警，提示用户当前信号质量比较低等
9)
作为微功率模块，传输距离能达到500米，兼具了低功耗和远距离的要求
3.4.9电量剩余检测电路
检测电池剩余电量使用ADC模块，此模块是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。逐次逼近型模数转换器基本工作原理是转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被数模转换器转换成相应的模拟电压U0，送到比较器中与Ux进行比较。若U0＞Ux，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若U0＜Ux，说明数字还不够大，应将最高位的1保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。可见逐次逼近转换过程与用天平称量一个未知质量的物体时的操作过程一样，只不过使用的砝码质量一个比一个小一半。
如下图，当采用压电阻将输入的电压从12V分压至5V或者3.3V以内，然后输入到AD转换模块，为了保护转换模块的安全。输入的电压经过钳位保护电路后进入AD模块。由于此转换模块是10位的AD模块，进入之后得到数字量，然后进过计算可以得到电池的实际电压，实际电压=数字量*Vi*3/4096，vi是当电池充满电时，输入到芯片的最大电压。通过这种方式就能够计算出电池的剩余电量。
3.4.10降压电路
DF1117
系列稳压器可提供1A直流输出,它可运行在输入输出相差1V的环境下。在最大输出电流时，电压差设计可提供最大为1.3V，且它随着输出电流的减小而减小。芯片焊接校准为参考电压的1%。这种限流起到平衡的作用，调整器和电源电路使超负载最小化。
DF1117
兼容了其它三终端的系统接口，并提供了SOT-223和TO-252两种封装形式。
特性：三端可调整电压或稳压为
1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.3V
和5.0V，输出直流为1A，工作在电压差为1V，线路调整率：最大0.2%，负载调整率：最大0.4%，封装形式：SOT-223和TO-252
应用范围：高效率线性标准器、快速整流校准器、5V到3.3V的线性校准器、电池充电器、现行小型计算机系统接口终端、笔记本的电源设备
电池动力仪器。
3.4.11
液晶显示屏
全新1.8寸串口SPI彩屏模块、分辨率：128X160、驱动IC：ST7735、模块接口：4线SPI接口、支持模拟SPI和硬件SPI、最少只需4个IO即可驱动.本模块特点：
1.支持Arduino各种单片机直插，无需任何接线
2.集成稳压IC，支持5V或者3.3V供电
3.板载电平转换方案，真正可完美兼容5V/3.3VIO电平，支持各种单片机IO连接
4.集成SD卡扩展电路，5.预留SPIFLASH字库电路，方便扩展应用
3.5软件设计
初始化各模块
3.5.1主程序设计
调用转换模块检测电路
电量是否足够
N
Y
蜂鸣器持续报警
调用液晶显示
程序显示电量
自动寻回充电
清扫按键按下
3.5.2清扫模式设计
输出PWM波启动移动电机
调用编码器程序控制移动电机转速
调用转换模块检测电路
转速过快
转速过慢
减少PWM脉冲输出
增大PWM输出
3.5.3充电模式程序设计
充电按键按下
启动RF903发出充电信号
是否收到信号
N
Y
调用液晶显示
程序未准备好
调用液晶显示
程序已准备好
调用小车自旋转程序
启动红外接收程序
是否收到
红外信号
N
Y
停止自旋转，控制小车运行，完成充电对接
继续自旋转
3.5.4停止模式程序设计
按下停止模式按键
关闭清扫电机
关闭移动电机
关闭中断服务程序
第三篇：机器人创新课程设计探析论文
1mBot机器人介绍
mBot是一款为素质教育而生的低门槛“机器人小车”，是实现跨学科综合素质教育STEAM[1]的载体，借助mBot机器人开展教育是培养学生创新能力的有效途径[2]。mBot机器人分为硬件和软件两个部分，硬件是标准化的电子零件，由mBot机械部分、mCore控制板两部分组成，同时配有一个简易遥控器可供拼装完成后直接“驾驶”；软件部分使用基于Scratch2.0[3]开发的图形化编程软件mBlock，通过蓝牙直接实现操控mBotAPP。mBlock根据需求编制一个程序，将其下载到mCore，由mCore控制mBot机器人完成动作。mBot机器人与智能玩具的区别在于它可以使用软件mBlock进行二次开发，在其上加载一些传感器可以实现不同的功能。该次课程设计用3个mBot机器人模拟制作一个智能交通系统,用实例来讲述创新课程设计过程。
2智能交通系统分析
课堂以智能交通系统为主题，激发学生讨论，讨论结果形成一个简单、完整的交通系统由3个部分组成智能汽车、智能红绿灯、智能车库。具体功能如下描述。(1)智能汽车，用mBot机器人模拟汽车的行车过程，前进、左右转弯、倒车，同时用指示灯颜色和不同的声音区分不同状况，以给出警戒和提示；车上安装超声波传感器，便于安全倒车；汽车的行驶过程用遥控器控制。(2)智能红绿灯，根据路段车流量设置红绿灯间隔时间，绿灯结束后有3s的黄灯闪烁；指示灯亮，并用LED数码管显示剩余时间。在mBot机器人的主控板mCore上安装两个设备，一个是LED灯作为红绿灯使用；另一个是4位数码管用来显示红绿灯时间，用RJ25接口线将两设备与主控板连接。(3)智能车库,用超声波传感器来检测有无车辆入库，若有，则用舵机控制横杆抬起，若无，则横杆落下。若在超声波出现故障时，则用机械遥感手动控制横杆起落。mCore主控板接3个设备：一是超声波传感器，用来检测门前有无车辆；二是遥感，便于应急时手动控制；三是舵机，其上安装横杆，接收超声波传感器信号，控制横杆起落。
3课程设计
将智能交通系统课程设计分基础、应用、创新3个阶段来讲述。
(1)智能汽车:对汽车的踩油门、松油门过程用键盘上的“按下、松开上移键”命令来控制；脱机时，将“按下上移键、松开上移键”命令用红外遥控器上的上下箭头代替，便于脱机控制。由于红外线遥控器控制命令以判断形式出现，须将其加入条件控制结构。其它转向功能与前进类似。基础功能完成汽车的机械行驶前进、后退、左转、又转，同时配备相应的指示灯；通过键盘上的4个方向箭头完成在线控制，使用图形化模块如表1的在线命令。通过学习让学生熟悉mBlock软件界面，学会图形化模块的拖拽方法和技巧。教学内容适合小学5、6年级学生。应用级在初级基础上将控制方式改为遥控器控制，实现脱机运行，模块指令如表1的脱机命令。由在线命令转为脱机命令模块结构简单，但加入了选择判断，使学生的思路更加条理，同时查看对应模块生成的arduino程序如表1的Arduino代码，熟悉arduino语法结构。教学内容适合中高年级学生。创新能以初级为基础，加上应用级训练具有的逻辑思维能力和读代码能力，可以创造性地实现不同功能，当软件给出的模块结构不能满足要求时，可以在arduino的编辑器IDE手写代码来完成。高级阶段，每个学生的作品不一样，教学呈现个性化，适合大学生和电子类爱好者。
（2）智能红绿灯：定义一个变量time用来计时，将红绿灯持续的时间设置为循环次数，每次延时1秒，将变量time值减1，用LED数码管显示变量time值，达到计时效果。假设绿灯持续时间为30s。教学内容属于中级，增加了循环结构和变量设置，红绿灯持续功能用循环结构来实现，显示时间用变量赋值来完成。对中小学生，变量概念不易于理解，可用解应用题时的设未知数知识点来变通。对这部分内容的创新可以横向拓展，由红绿灯联想到路灯、声控灯、跑马灯、led显示屏等。
(3)智能车库：设置3个变量s、x、y、s用于存储超声波传感器测得数据，x存储摇杆x轴移动的距离，y存储摇杆y轴移动的距离；s小于10时，表示有车通过，横杆抬起，否则，横杆落下；x大于y表示横向移动，横杆落下，y大于x表示纵向移动，横杆抬起。其执行arduino程序如下，等待两秒是保证车安全通过。相比上面教学内容增加两个难点：一是逻辑关系复杂包含顺序、选择、循环结构的嵌套，在理清逻辑关系的基础上才能驾驭；二是熟悉Arduino编程语言语法结构，并用其将逻辑关系表达出来。创新应用可在深度上挖掘，设计出更智能化的作品。
4结语
创新教育是一种培养学生创造与创新能力的新型教育方式，提倡在真实情境下学习、从生活中学习。该次创新教育课程设计内容选自与学生接触紧密的智能交通系统，以此为主题展开讨论，激发学生兴趣，引导学生关注生活，树立处处留心皆学问的学习理念。创新课程采用项目化的教学方式，由智能交通系统为中心，向外发散到智能汽车、智能红绿灯、智能车库，每个部分又引出更多的知识点（如，智能红路灯引出路灯、流水灯、led灯等），丰富创新课程教学内容，体现知识有用性；创新课程教学目标区别于传统课程的知识堆砌[5]，强调知识的横向纵向联系。创新课程没有标准答案，每个学生的想法都是智慧的萌芽，都会得到老师同学的认可，找自己的存在感，参与意识更强烈；更容易保持学习的激情、增强学习信心，在学习的过程之中更容易生成新的创意。创新课程是课堂教学的有效补充，将基础教育获得的碎片化知识整合，结合实际加以应用，强调知识的有用性，从而调动学生的学习积极性，培养学生的创新、实践能力。
参考文献
[1]梁森山.中国创客教育蓝皮书[M].北京:人民邮电出版社，2016.[2]万佑红,将国平.机器人教育与大学生创新能力培养的探索[J].电气电子教学学报，2005,27(4):6-8.[3]王同聚.Scratch与机器人共融在教学中的应用与实践——以中小学机器人教学为例[J].中小学信息技术教育,2015(8):76-79.[4]纪欣然.基于Arduino开发环境的智能寻光小车设计[J].现代电子技术,2012,35(15):161-163.[5]李丹妍.创客教育：创新人才培养的新路向[J].教育研究与实践,2016(4):30-34.
第四篇：机器人
机器人
爸爸，我作业写完了，可以玩电脑吗？可以。听完爸爸的这句话，我直奔向电脑，打开电脑。接下来又得要等1分钟左右，真烦人！我想：要是有电脑机器人该多好啊！20年后的我就能发明这种电脑机器人。
它有两根又细又长的天线；方方正正的脑袋；一双由摄象机组成的眼睛；三角形的大嘴巴；左侧的耳朵是一个手机；而右侧的耳朵是一台小巧玲珑、精致、精美的迷你收音机。它的肚子上有一台特制的电脑与键盘。
这种电脑机器人的是：它只要一打开它，屏幕上就会自动显示出桌面；而且耗电量少；可以节约电；它可以防止我们上不良网站、而且，它还可以防止病毒损坏电脑；它可以变得很大很大，也可以变得很小很小，随身带在身上。比如，某一家企业的总经理正在某个地方旅游，玩得正高兴，公司就像半路杀来的程咬金，给这位玩得正高兴的总经理泼了一盆子的冷水，如果这位总经理有电脑机器人的话，就不发愁了。
第五篇：机器人工作站
运城学院 设计说明书
机器人工作站
学
院： 运城学院 团队名称：TENGFEI
专
业：机械设计制造及其自动化
团队成员： 任晓圆 张志凯 指导教师： 王新海
设计说明时间：二О一四年九月二十一日～十月三十一日
摘要
机器人工作站是当今世界工业发展潮流的方向与我国工业发展水平相结合的产物，在自动化生产逐渐普及的今天，能够为我国的工业自动化生产做出重大贡献的机器人工作站就出现了，该工作站由工业机器人和自动化流水线两大部分组成，可以实现360度全方位立体式工作。工业机器人通过精确地抓取零件，再通过高精度传感器的配合，将零件在加工台和流水线之间进行转移，克服手工操作的枯燥以及多目的地转移的危险，既降低了人力成本有提高了工作效率。关键词：智能机器人
Abstract Mobile robot workstation is the world's industrial development trend direction with the combination of the level of industrial development in our country, the growing popularity of the automated production today, will be able to make a significant contribution for our country's industrial automation production in mobile robot workstation, the workstation consists of two most industrial robots and automated assembly line, can achieve 360-degree vertical work.Industrial robot by scraping parts accurately, and then by high precision sensor, moving parts between the JiaGongTai and assembly line, to overcome the manual operation of boring and multi-destination transfer risk, is not only reduced labor costs to improve the working efficiency.Keywords: intelligent mobile robot
目录
第一章绪论.......................................................................................................................................1
1.1 智能机器人的行业发展前景...........................................................................................1 1.2 流水线行业的发展前景...................................................................................................1 1.3 本文主要研究的内容.......................................................................................................1 第二章机器人工作站简介...............................................................................................................2
2.1 机器人机械设计的特点...................................................................................................2 2.2 与机器人有关的概念.......................................................................................................2 2.3 方案设计...........................................................................................................................3 2.3.1 机器人设计方案要求...................................................................................................3 2.3.2机器人方案结构设计与分析........................................................................................4 2.4流水线方案设计与介绍....................................................................................................5 第三章有限元分析...........................................................................................................................7 材料属性...........................................................................................................................................8 第四章总结.......................................................................................................................................9 4.1 设计特色...................................................................................................................................9
4.2 总结...................................................................................................................................9 4.3心得体会............................................................................................................................9 参考文献.................................................................................................................................10
1第一章 绪论
1.1 智能机器人的行业发展前景
工业机器人是由传动机构、驱动结构以及夹具等部分组成。工业机器人可以通过底座，大臂、小臂和夹具的配合实现对流水线上的工件的夹取。从而实现工件在流水线和物料箱之间的转移。它可以大大的提高工作效率，提高工作的精确度，降低物料的损耗实现高效工作。随着我国制定机器人在2020年普及到工厂的计划，工业机器人必将迎来一个发展的春天，这将极大的提升我国工业化的水平。
1.2 流水线行业的发展前景
在社会快速发展、竞争激烈的今天，提高生产效率，降低生产工艺成本，最大限度的满足生产要求将直接决定各企业工厂能否紧跟社会脚步，赢得时间，占领市场甚至将决定企业的生死存亡。为此，企业生产自动化无疑扮演着重要的角色，装配流水线自动化作为工业自动化的一部分，能提高生产效率，降低工艺流程成本，最大限度的适应产品变化，提高产品质量，它是现代化生产控制系统中的重要组成部分。
1.3马大测试的发展前景
随着智能手机在全世界范围内的普及，智能手机已经成为了人们日常生活中必不可少的一个组成部分，而手机中的马达质量的好坏也就成为了人们对某一品牌的手机的质量好坏的重要的评价标准，所以对于手机中的马达的检测也就显得十分重要。
1.4 本文主要研究的内容
本文主要以工业机器人、马达测试工站和自动化流水线为对象进行研究，分析其结构，结合其工作原理，设计出新的自动化机器，并采用电器控制，结合实际生产，来完成相应的工作。同时，本文还研究本机器的运动情况及受力情况。以及效率问题等生产时遇到的问题。最重要的是研究其加工流程，以便实现其规定功能，并按实际情况进行分析。
第二章 马达自动化测试工作站简介
2.1 方案功能设计与分析
方案一 采用风车型马达测试箱布局
该方案占地面积小，可以充分利用车间的空间，但是技术要求高、成本高 方案二采用左右对称式马达测试箱布局 该方案占地面积大，可以放置的测试站数量少，不能充分利用工业机器人的高自由度的优点，效率比较低
方案三 采用环形阵列型马达测试箱分布
该方案占地面积小，可以充分利用工业机械手的高自由度的优势，效率高 经过对测试站的分布和工厂车间本身可用空间的分析，以及生产商对于设备成本的要求，我们觉定采用第三种设计方案。该方案可以充分利用工厂的空间，减少占地面积，还可以
2.2 与机器人有关的概念
以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。
1.自由度：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。2.机器人的分类
机器人分类方法有多种。
(1)按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP），连续轨迹控制型（CP）：（a）点位控制型（Point to Point Control）：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如:机器人在进行点焊时的轨迹控制。
（b）连续轨迹控制型（Continuous Path Control）：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。
(2)按机器人的结构分类，可分为四类：
（a）直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。
（b）圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以q, r, z为坐标，位置函数为P = f(q, r, z),其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。
2（c）球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以q,f, y 为坐标，位置函数为P = f(q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。
（d）关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型（SCARA 型）机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。
(3)按驱动方式分类：
按驱动方式可分为：（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。电气驱动是 20 世纪90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。(4)按用途分类：
可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。
2.3 方案设计
2.3.1 机器人设计方案要求
如前所述，该机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运、装夹和日常生活中的持物、看护等。能够固定在移动装置（如AGV）上，以实现灵活移动。要求动作灵活，工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度6个，结构紧凑，重量轻。采用电动机驱动。
手腕回转速度
V腕回 = 40°/s 手臂伸缩速度
V臂伸 = 50 mm/s 手臂回转速度
V臂回 = 40°/s 手臂升降速度
V臂升 = 50 mm/s 立柱水平运动速度
V柱移 = 50 mm/s 手指夹紧油缸的运动速度
V夹 = 50 mm/s 2.3.2 方案功能设计与分析
a 机器人自由度的分配和手臂手腕的构形
手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2-1。
本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有四个自由度，其中手臂两个自由度。由于在同样的体积条件下，非关节型机器人比关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用非关节型机器人的结构。
32.3.2机器人方案结构设计与分析
各部件组成和功能描述如下：(1)底座部件：
底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在流水线上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。(2)腰部回转部件：
腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支架上固定着驱动大臂和小臂的电机。(3)大臂部件：包括大臂和传动部件。
(4)小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小 臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕运动的步进电机(5)手腕部件：包括手腕壳体和传动轴、机械接口等(6)末端执行器： 为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为0～30mm。考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制。手爪采用电机驱动，平行开合机构。
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。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，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。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置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置，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
4形状。
驱动力的计算
1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图1 滑槽杠杆式手部受力分析
如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα
销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑m01(F)=0得
P1′h=Nb 因
h=a/cosα
所以
P=2b(cosα)N/a 式中
a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。这里取角α=30度。
22.4流水线方案设计与介绍
对于本课题来说，装配流水线系统是一个较大规模的工业控制系统的改造升级新控制装置需要根据企业装备和工艺现况来构成并尽可能用到旧系统中的元件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于
5操作人员迅速掌握。从企业控制要求中可以看出在新的控制系统中既需要处理模拟量也要处理大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据的存储和分析汇总能力。
装配流水线是人和机器的有效组合，最充分体现设备的灵活性，它将输送系统、随行夹具和在线专机、检测设备有机的组合，以满足多品种产品的装配要求。（1）装配流水线的传输方式
装配流水线的传输方式有同步传输的（/强制式）也可以是非同步传输（/柔性式），根据配置的选择，实现手工装配或半自动装配。流水线在企业的批量生产中不可或缺。
（2）装配流水线的设计参数 高度1m
宽度0.5m 流水线载重30kg 流水线运行速度 6m/s 线体配置 ：日光灯
电风扇
120v的电源插座
线体控制箱 紧急制动器
（3）流水线结构分析
流水线受力分析
由上图可知流水线上的皮带受到工件箱的向下的压力和两个传动轮给它的牵引力
水平方向的力为F=F1+F2
垂直方向的力为F=G
因此，只有更好的应用和改进装配流水线的工艺流程，充分发挥其自动、连续、高效率等优势，我们企业的生产效率才能提升，才能增强我们企业的产品竞争力，才能更好的造福社会
6第三章 有限元分析
皮带有限元分析
滑杆有限元分析
7材料属性
模型参考 属性
名称: 铸造碳钢 模型类型: 线性弹性同向性 默认失败准则: 最大 von Mises应
力
屈服强度: 2.48168e+008
N/m^2
张力强度: 4.82549e+008
N/m^2
弹性模量: 2e+011 N/m^2 泊松比: 0.32
质量密度: 7800 kg/m^3 抗剪模量: 7.6e+010 N/m^2 热扩张系数: 1.2e-005 /Kelvin
零部件
SolidBody 1(切除-拉伸3)(1204滑杆)
曲线数据:N/A
8第四章 总结
4.1 设计特色
本次设计充分利用了工业机器人的灵活性和自动化流水线的高效性，减少了工作时间，提升了工作效率，降低了工作时的零件损耗率，实现了高精度，高效率，低成本的生产目标，可以为生产商节约大量的人力资源，降低了人力成本，提高利润率。
4.2 总结
本次设计目的是，实现小部分的自动化，减少劳动力，提高工作效率。本产品有着目前从国外新引进的科技，只有科技才能引领生产力的发展。但科技也是约束本产品的关键，本设计有很高的技术要求，能保证生产的精度要求。例如，打印时，利用了工业机器人和自动化流水线可以满足人们的要求。
另外本产品也有很好的生产发展空间，可用于各个大中型需要打印的车间成产线，因此，本产品用途广泛适用于大部分需要自动化生产的地方。例如：食品包装袋生产线，牛奶包装盒，铝纸包装印刷等。
除此之外本产品，不仅打破常规的生产方式，还开创了装配一体化生产，加快生产速度，提高生产效率，带来更多的利益
4.3心得体会
这次的设计对于我们来说既是一个机遇也是一个挑战，我们面临的的最大困难是
9对solidworks软件的使用非常的不熟练，由于刚接触这款软件我们在设计之初遇到了很多的问题，例如，对设计尺寸制定不规范，不会装配齿轮，对于动画的制作了解不深，这些问题使我们在设计开始时花了很长时间用来熟悉软件的基本使用。虽然，我们面临很多的困难，但我们通过查阅，《机械原理》、《机械设计》、《机械设计基础》等书逐步的了解了各种机构的运行原理，材料的使用条件，应力和应变的分析条件等知识，在这个过程中我们既学会了使用软件又巩固了所学的知识，而且还锻炼了自己的自学能力，俗话说师傅领进门修行在个人，一时的投机取巧只能解决面前的困难，要想真正学好一种技术永远要靠自己的勤奋努力，最后，感谢王老师给我们这次机会，可以使我们锻炼自己的能力，为我们打开一扇新的窗口。
参考文献
[1]陈周娟．机械原理．华中科技大学出版社，2014 [2]沈萌红．机械设计．华中科技大学出版社，2012 [3]杨克旺．机械制图．北京：高等教育出版社，2012 [4]杨家军，机械系统创新设计．武汉：华中理工大学出版社，2000 [5]郭友寒，机械设计基础及应用．北京：人民邮电出版社，2013
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